JP3732107B2 - 電子ビーム制御装置、電子ビーム発生装置及び電子ビーム制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、電子ビーム制御装置、電子ビーム発生装置及び電子ビーム制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１８は、従来の電子ビーム発生装置の構成を示したブロック図である。図中の１０は信号波発生器、１１はＥ／Ｏ変換器（電気光変換器）、１２ｄは電子銃制御部、１３は電子銃、１４は、前段増幅器（Pre-Amplifier ）、１５はＲＦ（Radio Frequency; 高周波） 増幅器、１６は加速管、１７はパルス発生器である。
【０００３】
信号波発生器１０は、周波数ｆの単一周波数からなるマイクロ波信号Ｓｅ１を生成する。電気信号としてのマイクロ波信号Ｓｅ1 は、Ｅ／Ｏ変換器１１により光信号Ｓｏ１に変換され、光ケーブルを介して電子銃制御部１２ｄに入力される。電子銃制御部１２ｄは、電子銃１３に対し制御電圧（カソード、グリッド間の印可電圧）を供給する高電圧回路であり、所定のバイアス電圧とマイクロ波信号とを合成して電子銃１３に供給する。
【０００４】
電子銃１３は、電子銃制御部１２ｄからの制御電圧に基づきカソードから電子ビーム３０を放出する。この電子ビーム３０は、加速管１６内の加速空洞３３を貫通する空洞３０を通過して放出される。
【０００５】
信号波発生器１０で生成されたマイクロ波信号Ｓｅ１は、前段増幅器１４にも入力されている。このマイクロ波信号Ｓｅ１は、前段増幅器１４で増幅され、更にＲＦ増幅器１５で増幅される。増幅されたマイクロ波は、ＲＦ窓３５を介して加速管１６内の加速空洞３６に供給されマイクロ波電場を形成する。このマイクロ波電場により、電子ビーム３０を加速させることができる。
【０００６】
加速管１６内で形成されるマイクロ波電場の電界強度は、マイクロ波信号に基づき変化し、マイクロ波信号の位相に応じて、マイナス電界とプラス電界が交互に現われている。プラス電界の場合には、マイクロ波電場によって加速管１６内の電子は加速されるが、マイナス電界の場合には、加速管１６内の電子は減速する。従って、電子ビームを加速させるためには、電子銃１３の制御電圧と、加速管１６内の高周波電場のタイミングを合わせることが必要となる。
【０００７】
図１９は、図１８中の電子銃制御部１２ｄ及び電子銃１３の構成を示したブロック図である。図中のＤＫは高電圧デッキ、４０はヒータ電源、４１はバイアス電源、４２はＯ／Ｅ変換器（光電気変換器）、４３はＲＦアンプ、４４は高電圧電源、４５は絶縁碍子である。また、３１はヒータ、３２はカソード、３３はグリッド、３４はアノードである。
【０００８】
電子銃制御部１２ｄは、ヒータ電源４０，バイアス電源４１、Ｏ／Ｅ変換器４２、ＲＦアンプ、コンデンサＣ１、インダクタンスＬ１、Ｌ２及び抵抗Ｒ１からなり、高電圧デッキＤＫに格納されている。高電圧デッキＤＫは、その筐体に高電圧電源４４から高電圧が供給されており、絶縁碍子４５を用いて設置される。
【０００９】
Ｅ／Ｏ変換器１１からの光信号Ｓｏ１は、光ケーブルを介してＯ／Ｅ変換器４２に入力され、電気信号に変換される。その後、ＲＦアンプ４３で増幅され、カップリングコンデンサＣ１を介してバイアス電圧と合成され、電子銃１３のカソード３２に印加される。グリッド３３は、高電圧デッキＤＫの筐体に接続され、高電圧電源４４から高電圧が供給され、アノード３４は、高電圧電源のアース側が接続される。
【００１０】
カソード３２は、電子銃ヒータ３１により温度制御されるとともに、所定のバイアス電圧及びマイクロ波信号が印加される。このため、ＲＦアンプ４３からバイアス電圧よりも高い電圧が印加されると、カソード３２から電子ビームが放出されるように調整することができる。
【００１１】
図２０は、ＲＦアンプ４３から出力されるグリッド電圧Ｖａを示した図であり、バイアス電源４２から供給されるバイアス電圧Ｖｂとともに示されている。ＲＦアンプ４３の出力波形Ｖａは単一周波数の波形であり、バイアス電圧Ｖｂを越えるグリッド電圧が印加された場合に、カソード３２から電子ビームが放出される。この図では、幅τ１のパルス状の電子ビームが出力されることになる。
【００１２】
この様な従来の電子ビーム発生装置を開示した文献として、例えば特開平４−１１８８４４号がある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
電子銃１３の電源である高電圧電源４４における消費電力は、電子ビーム電流と電子ビーム電圧の積として与えられる。従来の電子加速装置では、バイアス電圧によって電子ビームのパルス幅が調整され、電子銃電源は、このパルス幅に応じた電力容量が必要とされる。つまり、パルス幅の狭小化により、電子銃電源の電力容量を低減することができる。しかしながら、バイアス電圧の制御によりパルス幅を狭小化するには限界があり、消費電力を十分に低減することができないという問題があった。
【００１４】
また、電子ビームのパルス幅が広いほど、ＲＦ加速空洞において良い位相で加速されない電子が増加する。これらの電子は、加速管や真空ダクトに衝突してＸ線を発生させ、あるいは温度上昇を招く。バイアス電圧の制御によりパルス幅を狭小化するには限界があることから、これらの現象を抑制するにも限界があるという問題があった。
【００１５】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、電子ビームのパルス幅を低減することにより、電子銃電源の消費電力を低減する電子ビーム発生装置を提供することを目的とする。
【００１６】
また、電子ビームのパルス幅を低減することにより、加速管や真空ダクトにおけるＸ線の発生又は温度上昇を抑制する電子ビーム発生装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明による電子ビーム制御装置は、基本マイクロ波信号から高調波信号を生成する逓倍手段と、基本マイクロ波信号及びその高調波信号を合成して合成マイクロ波信号を生成する合成手段と、この合成マイクロ波信号に基づき電子銃の制御電圧を発生させる電圧制御手段とを備えて構成される。
【００１８】
この様な構成により、逓倍手段により周波数が基本マイクロ波信号の整数倍である高調波信号を生成し、合成手段により基本マイクロ波信号と高調波信号を合成し、電圧制御手段により合成マイクロ波信号に基づく電子銃の制御電圧を発生させることができる。このため、パルス幅のより小さなマイクロ波信号を生成することができる。
【００１９】
請求項２に記載の本発明による電子ビーム制御装置は、逓倍手段が、基本マイクロ波信号の奇数次の高調波信号を生成し、合成手段が、基本マイクロ波信号及びその奇数次の高調波信号を合成するように構成される。
【００２０】
請求項３に記載の本発明による電子ビーム制御装置は、逓倍手段が、基本マイクロ波信号の３次高調波信号を生成し、合成手段が、基本マイクロ波信号及びその３次高調波信号を合成するように構成される。
【００２１】
請求項４に記載の本発明による電子ビーム制御装置は、逓倍手段が、基本マイクロ波信号の３次高調波信号及び５次高調波信号を生成し、合成手段が、基本マイクロ波信号、その３次高調波信号及び５次高調波信号を合成するように構成される。
【００２２】
請求項５に記載の本発明による電子ビーム制御装置は、基本マイクロ波信号又は高調波信号の位相を制御する位相制御手段を備え、合成手段における基本マイクロ波信号及び高調波信号の位相差を制御するように構成される。
【００２３】
請求項６に記載の本発明による電子ビーム制御装置は、合成マイクロ波信号をパルス信号により変調するパルス変調手段を備え、電圧制御手段が、パルス変調された合成マイクロ波信号に基づき電子銃の制御電圧を制御するように構成される。
【００２４】
請求項７に記載の本発明による電子ビーム制御装置は、低電圧回路及び高電圧回路が光ケーブルを介して接続され、高電圧回路から電子銃の制御電圧を供給する電子ビーム制御装置である。低電圧回路は、基本マイクロ波信号を生成する基本波発生器と、基本マイクロ波信号から高調波信号を生成する逓倍手段と、基本マイクロ波信号及びその高調波信号を光信号に変換する電気光変換手段とを備えて構成される。また、高電圧回路部は、入力された光信号を電気信号に変換する光電気変換手段と、変換された基本マイクロ波信号及びその高調波信号を合成して合成マイクロ波信号を生成する合成手段と、この合成マイクロ波信号に基づき電子銃の制御電圧を発生させる制御電圧発生手段とを備えて構成される。
【００２５】
請求項８に記載の本発明による電子ビーム制御装置は、低電圧回路及び高電圧回路が光ケーブルを介して接続され、高電圧回路から電子銃の制御電圧を供給する電子ビーム制御装置である。低電圧回路は、基本マイクロ波信号を生成する基本波発生器と、基本マイクロ波信号を光信号に変換する電気光変換手段とを備えて構成される。また、高電圧回路は、入力された光信号を電気信号に変換する光電気変換手段と、変換された基本マイクロ波信号から高調波信号を生成する逓倍手段と、基本マイクロ波信号及びその高調波信号を合成して合成マイクロ波信号を生成する合成手段と、この合成マイクロ波信号に基づき電子銃の制御電圧を発生させる制御電圧発生手段とを備えて構成される。
【００２６】
請求項９に記載の本発明による電子ビーム制御装置は、高電圧回路に、合成マイクロ波信号をパルス信号により変調するパルス変調手段を備えて構成される。
【００２７】
請求項１０に記載の本発明による電子ビーム制御装置は、合成マイクロ波信号をパルス信号により変調するパルス変調手段を備えた高電圧回路に高電圧を供給する電圧供給ラインをフィルタコンデンサを介して接地して構成される。
【００２８】
請求項１１に記載の本発明による電子ビーム発生装置は、電子ビームを生成する電子銃と、生成された電子ビームを加速する加速管とを備えた電子ビーム発生装置であって、基本マイクロ波信号から高調波信号を生成する逓倍手段と、基本マイクロ波信号及び高調波信号を合成して合成マイクロ波信号を生成する合成手段とを備え、基本マイクロ波を加速管へ供給するとともに、合成マイクロ波信号に基づき電子銃の制御電圧を制御するように構成される。
【００２９】
請求項１２に記載の本発明による電子ビーム発生装置は、基本パルス波及び合成マイクロ波信号をパルス信号により変調するパルス変調手段を備え、パルス変調された基本マイクロ波を加速管へ供給するとともに、パルス変調された合成マイクロ波信号に基づき電子銃の制御電圧を制御するように構成される。
【００３０】
請求項１３に記載の本発明による電子ビーム制御方法は、基本マイクロ波信号を逓倍して高調波信号を生成する逓倍ステップと、基本マイクロ波信号及びその高調波信号を合成して合成マイクロ波信号を生成する合成ステップと、この合成マイクロ波信号に基づき電子銃の制御電圧を制御し電子ビームを生成させる電圧制御ステップを備えて構成される。
【００３１】
請求項１４に記載の本発明による電子ビーム制御方法は、基本マイクロ波を加速管へ供給し、上記電圧制御ステップにより発生された電子ビームを加速する加速ステップを備えて構成される。
【００３２】
請求項１５に記載の本発明による電子ビーム制御方法は、合成マイクロ波信号をパルス信号により変調するパルス変調ステップを備え、電圧制御ステップが、パルス変調された合成マイクロ波信号に基づき電子銃の制御電圧を制御するように構成される。
【００３３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態１による電子ビーム発生装置（電子加速装置）の構成例を示したブロック図である。図中の１０は信号波発生器、１２ａは電子銃制御部、１３は電子銃、１４は前段増幅器、１５はＲＦ増幅器、１６は加速管、１８は低電圧側の高調波ＲＦ制御ユニットであり、図１８の従来装置と比較すれば、電子制御部１２ａ及び高調波制御ＲＦユニット１８が異なっている。
【００３４】
信号波発生器１０は、基本波として、単一周波数からなるマイクロ波信号Ｓｅ１を生成する。この基本マイクロ波信号Ｓｅ１は、高調波ＲＦ制御ユニット１８に入力され、これを基本波とする高調波が生成された後、電気光変換されて光信号としての基本波信号Ｓｏ１及び高調波信号Ｓｏ２が出力される。これらの光信号Ｓｏ１、Ｓｏ２は、光ケーブルを介して電子銃制御部１２ａに入力される。電子銃制御部１２ａは、電子銃１３に対し制御電圧Ｖｇを供給する高電圧回路であり、制御電圧Ｖｇは基本波信号Ｓｏ１及び高調波信号Ｓｏ２に基づき生成される。
【００３５】
信号波発生器１０で生成された基本マイクロ波信号Ｓｅ１は、前段増幅器１４にも入力されている。このマイクロ波信号Ｓｅ１は、前段増幅器１４で増幅され、更にＲＦ増幅器１５で増幅される。増幅されたマイクロ波は、ＲＦ窓３５を介して加速管１６内の加速空洞３６に供給されマイクロ波電場を形成する。
【００３６】
電子銃１３は、電子銃制御部１２ａからの制御電圧Ｖｇに基づきカソードから電子ビーム３０を放出する。この電子ビーム３０は、加速管１６内の加速空洞３６を貫通する空洞３７を通過して放出される。このとき、電子銃制御部１２ａからのグリッド電圧と加速管１６内の高周波電場のタイミングを合わせれば、電子ビームは加速される。
【００３７】
図２は、図１中の電子銃制御部１２ａ及び電子銃１３の一構成例を示したブロック図であり、ＲＦ印加電子銃システムの一例が示されている。図中のＤＫは高電圧デッキ、４０はヒータ電源、４１はバイアス電源、４６ａは高電圧側の高調波ＲＦ制御ユニット、４４は高電圧電源、４５は絶縁碍子である。また、３１はヒータ、３２はカソード、３３はグリッド、３４はアノードであり、図１９の従来装置と比較すれば、高調波ＲＦ制御ユニット４６ａが異なっている。
【００３８】
電子銃制御部１２ａは、ヒータ電源４０、バイアス電源４１、高電圧側の高調波ＲＦ制御ユニット４６ａ、コンデンサＣ１、インダクタンスＬ１、Ｌ２及び抵抗Ｒ１からなり、高電圧デッキＤＫに格納されている。高電圧デッキＤＫは、その筐体に高電圧電源４４から高電圧が供給されており、絶縁碍子４５に設置される。
【００３９】
高電圧デッキＤＫ及び電子銃１３は、高電圧が印可されており、他の低電圧機器との間で放電の危険性があるため、コーナー部には高電圧部の電界強度を緩和するためのコロナリングが設けられている。
【００４０】
低電圧側の高調波ＲＦ制御ユニット１８からの光信号Ｓｏ１及びＳｏ２は、光ケーブルを介して高電圧側の高調波ＲＦ制御ユニット４６ａに入力され、光電気変換された後、基本波及び高調波に基づく波形信号に変換される。制御ユニット４６ａからの出力信号は、カップリングコンデンサＣ１を介して交流成分のみがバイアス電圧と合成され、電子銃１３のカソード３２に印加される。
【００４１】
グリッド３３は、高電圧デッキＤＫの筐体に接続され、高電圧電源４４から一定の高電圧が供給されており、カソード３２への印加電圧を制御することにより、カソード３２、グリッド３３間の電圧が制御される。また、アノード３４には、高電圧電源４４のアース側が接続される。
【００４２】
電子銃ヒータ３１は、一端がインダクタンスＬ２を介してヒータ電源４０に接続されるとともに、他端がカソード３２と共通になっている。カソード３２は、インダクタンスＬ１及び抵抗Ｒ１を介してバイアス電源４１に接続されるとともに、コンデンサＣ１を介してＲＦアンプ４３に接続される。つまり、カソード３２は、電子銃ヒータ３１により温度制御されるとともに、所定のバイアス電圧及びマイクロ波信号が印加されており、ＲＦアンプ４３からバイアス電圧よりも高い電圧が印加されると、カソード３２から電子ビームが放出されるように調整される。
【００４３】
図３は、図１の高調波ＲＦ制御ユニット（低電圧側）１８の一構成例を示したブロック図である。図中の５０は方向性結合器、５１ａ及び５１ｂは前段増幅器、５２ａ及び５２ｂは位相制御器、５３ａ及び５３ｂはＥ／Ｏ変換器、５４は逓倍器である。
【００４４】
信号波発生器１０から出力された基本マイクロ波信号Ｓｅ１は、方向性結合器５０により分岐されて前段増幅器５１ａ及び逓倍器５４に入力される。前段増幅器５１ａで増幅された基本マイクロ波信号は、位相制御器５２ａにより位相制御され、Ｅ／Ｏ変換器５３ａにより光信号Ｓｏ１に変換された後、光ケーブルを介して高圧側の高調波ＲＦ制御ユニット４６ａへ伝送される。
【００４５】
逓倍器５４は、入力波信号の整数倍の周波数を有する波形信号を出力する。ここでは、基本マイクロ波信号の３倍の周波数を有する３次の高調波を生成する。生成された３次高調波は、前段増幅器５１ｂで増幅され、位相制御器５２ｂにより位相制御され、Ｅ／Ｏ変換器５３ｂにより光信号Ｓｏ２に変換された後、光ケーブルを介して高圧側の高調波ＲＦ制御ユニット４６ａへ伝送される。
【００４６】
なお、位相制御器５２ａ、５２ｂは、方向性結合器５０で分岐された波形信号が、後述するミキサで合成されるまでの伝搬経路により生ずる位相差を補償するとともに、合成される際の位相差を制御するためのものである。
【００４７】
図４は、図２の高調波ＲＦ制御ユニット（高電圧側）４６ａの一構成例を示したブロック図である。図中の６０ａ及び６０ｂはＯ／Ｅ変換器、６１ａ及び６１ｂはＲＦ増幅器、６２はミキサ、６３はサーキュレータ、６４は終端抵抗器である。
【００４８】
光信号として入力された基本波信号Ｓｏ１は、Ｏ／Ｅ変換器６０ａにより光電気変換され、ＲＦ増幅器６１ａにより増幅されて、ミキサ６２に入力される。同様にして、光信号として入力された３次高調波信号Ｓｏ２は、Ｏ／Ｅ変換器６０ｂにより光電気変換され、ＲＦ増幅器６１ｂにより増幅されて、ミキサ６２に入力される。
【００４９】
ミキサ６２は、入力信号を合成し、合成マイクロ波信号を生成する。合成マイクロ波信号は、サーキュレータ６３を介して、電子銃のグリッド波形Ｖａとして出力される。サーキュレータ６３は、無反射終端器としての終端抵抗器６４に接続され、この終端抵抗器に反射波を導いて終端させる。
【００５０】
ここでは、ミキサ６２が、符号を異ならせて基本波信号３次高調波信号の和を求めている。すなわち、図３の位相制御器５２ａ又は５２ｂにより、基本波信号と３次高調波信号の位相差がπとなるように制御される。従って、基本波信号Ｓｏ１、３次高調波信号Ｓｏ２、グリッド波形Ｖａは、それぞれ次式で表される（Ｖｏは最大電圧）。
【００５１】
So1 ＝Vo・sin(２πft)
So2 ＝Vo・sin(６πft)
Va ＝Vo・｛sin(２πft) −sin(６πft) ｝/2
【００５２】
図５は、高電圧側の高調波ＲＦユニット４６ａから出力される高調波信号の一例を示した図であり、本実施の形態及び従来装置によるグリッド波形が示されている。図中のＶａは本実施の形態におけるグリッド波形であり、Ｖａｏは従来装置におけるグリッド波形であり、Ｖｂは共通のバイアス電圧である。
【００５３】
グリッド波形Ｖａ、Ｖａｏは、カップリングコンデンサＣ１を介して、バイアス電圧Ｖｂと結合されており、両者が合成された制御電圧Ｖｇが電子銃１３のカソードに印加される。このため、グリッド電圧がバイアス電圧Ｖｂを超える期間において、電子銃１３からパルス状の電子ビームが放出される。
【００５４】
グリッド電圧がバイアス電圧Ｖｂを越える期間は、交流成分Ｖａｏの場合がτ１で、３次高調波を含む交流成分Ｖａの場合がτ２となる。つまり、従来装置では、電子ビームのパルス幅がτ１であるのに対し、本実施の形態の場合には電子ビームのパルス幅がτ２となり、パルス幅をより短くすることができる。
【００５５】
一方、加速管１６には、基本波信号から生成されたマイクロ波が供給されており、従来装置と同じ高周波電場が形成されている。つまり、パルス幅τ１の従来の電子ビームを加速する場合と同様の電場が形成されている。従って、電子銃１３から生成される電子ビームは、その出力タイミングに同期し、かつ、加速期間が電子ビームのパルス幅より広い加速管において加速される。従って、電子ビームを落ちこぼしなく加速し、効率的に電子ビームを生成することができる。
【００５６】
本実施の形態によれば、従来装置に比べて、パルス幅がより短い電子ビームを発生させることができる。このため、電子銃にグリッド電圧を供給する高電圧電源の電力容量を小さくすることができる。また、加速管や真空ダクトにおけるＸ線の発生又は温度上昇を抑制することができる。
【００５７】
なお、本実施の形態においても、バイアス電圧Ｖｂを変化させることにより、電子銃からのエミッション電流波形を調整できる。すなわち、バイアス電圧Ｖｂにより電子ビームのパルス幅を制御でき、バイアス電圧を高くすることにより、パルス幅をより狭小化することができる。
【００５８】
実施の形態２．
実施の形態１では、基本波に３次高調波を合成する場合の例について説明したが、本実施の形態では、基本波に３次高調波及び５次高調波を合成する場合について説明する。なお、図１、図２に示された構成については、実施の形態１の場合と同様である。
【００５９】
図６及び図７は、実施の形態２による電子ビーム発生装置の要部の一構成例を示した図であり、図６は、図１の高調波ＲＦ制御ユニット( 低電圧側）１８の他の構成例を示したブロック図である。図３と比較すれば、前段増幅器５１ｃ、位相制御器５２ｃ、Ｅ／Ｏ変換器５３ｃが追加されている。
【００６０】
逓倍器５４は、方向性結合器５０から入力される基本波信号を逓倍し、奇数次の高調波を生成する。ここでは、３次高調波及び５次高調波を生成している。３次高調波は前段増幅器５１ｂで増幅され、位相制御器５２ｂで位相制御された後に、Ｅ／Ｏ変換器５３ｂにより電気光変換されて光信号Ｓｏ２となる。一方、５次高調波は前段増幅器５１ｃで増幅され、位相制御器５２ｃで位相制御された後に、Ｅ／Ｏ変換器５３ｃにより電気光変換されて光信号Ｓｏ３となる。
【００６１】
図７は、図２の高調波ＲＦ制御ユニット（高電圧側）４６ａの他の構成例を示したブロック図である。図４と比較すれば、Ｏ／Ｅ変換器６０ｃ、ＲＦ増幅器６１ｃが追加されている。
【００６２】
光信号として入力された基本波信号Ｓｏ１、３次高調波信号Ｓｏ２、５次高調波信号Ｓｏ３は、それぞれＯ／Ｅ変換器６０ａ〜６０ｃで光電気変換され、ＲＦ変換器６１ａ〜６１ｃで増幅された後にミキサ６２に入力される。ミキサ６２は、基本波信号、３次高調波信号及び５次高調波信号を合成し、合成マイクロ波信号を生成する。合成マイクロ波信号は、サーキュレータ６３を介して、グリッド波形Ｖｂとして出力される。
【００６３】
ここでは、ミキサ６２が、３次高調波のみ符号を異ならせて３つの波形信号の和を求めている。すなわち、図６の位相制御器５２ａ又は５２ｃにより、合成時における基本波信号と５次高調波信号の位相が一致するように位相制御するとともに、位相制御器５２ａ〜５２ｃにより、合成時における基本波信号と３次高調波信号の位相差がπとなるように位相制御する。従って、基本波信号Ｓｏ１、３次高調波信号Ｓｏ２、５次高調波信号Ｓｏ３、グリッド波形Ｖａは、それぞれ次式で表される。
【００６４】
So1 ＝Vo・sin(２πft)
So2 ＝Vo・sin(６πft)
So3 ＝Vo・sin(10πft)
Va ＝Vo・｛sin(２πft) −sin(６πft) ＋sin(10πft) ｝/3
【００６５】
図８は、高電圧側の高調波ＲＦユニット４６ａから出力される高調波信号の他の例を示した図であり、本実施の形態及び従来装置によるグリッド波形が示されている。図中のＶａ’は本実施の形態におけるグリッド波形であり、Ｖａは実施の形態１におけるグリッド波形であり、Ｖｂは共通のバイアス電圧である。
【００６６】
グリッド波形Ｖａ、Ｖａ’は、カップリングコンデンサＣ１を介して、バイアス電圧Ｖｂと結合されており、両者が合成された制御電圧Ｖｇが電子銃１３のカソードに印加される。このため、グリッド電圧がバイアス電圧Ｖｂを超える期間において、電子銃１３からパルス状の電子ビームが放出される。
【００６７】
グリッド電圧がバイアス電圧Ｖｂを越える期間は、３次高調波を含む交流成分Ｖａの場合がτ２で、３次及び５次高調波を含む交流成分Ｖａ’の場合がτ３となる。従って、実施の形態１の場合には電子ビームのパルス幅がτ２であるのに対し、本実施の形態の場合には電子ビームのパルス幅がτ３となり、パルス幅をより短くすることができる。
【００６８】
本実施の形態では、基本波に３次及び５次の高調波を合成して電子銃の制御電圧を発生させる場合の例について説明したが、本発明はこのような場合に限られず、奇数次の高調波を合成することにより、電子ビームのパルス幅を小さくすることができる。
【００６９】
実施の形態３．
本実施の形態では、実施の形態２の電子ビーム発生装置における合成マイクロ波信号に対しパルス変調を行い、パルス変調後の合成マイクロ波信号に基づき電子銃を制御する装置について説明する。
【００７０】
図９は、実施の形態３による電子ビーム発生装置の一構成例を示したブロック図である。図中の１０は信号波発生器、１２ｂは電子銃制御部、１３は電子銃、１４は前段増幅器、１５はＲＦ増幅器、１６は加速管、１８は低電圧側の高調波ＲＦ制御ユニット、１７はパルス発生器、１９はＥ／Ｏ変換器であり、図１の電子ビーム発生装置と比較すれば、電子銃制御部１２ｂ、パルス発生器１７及びＥ／Ｏ変換器１９が異なる。
【００７１】
信号波発生器１０により生成された単一周波数からなるマイクロ波信号Ｓｅ１は、高調波ＲＦ制御ユニット１８及び前段増幅器１４に入力される。高調波ＲＦ制御ユニット１８はマイクロ波信号Ｓｅ１を基本波とする２種類以上の高調波を生成し、高電圧の電子銃制御部１２ｂへ出力する。
【００７２】
パルス発生器１７により生成されたパルス信号Ｐｅは、前段増幅器１４、ＲＦ増幅器１５及びＥ／Ｏ変換器１９に入力される。前段増幅器１４は、パルス信号Ｐｅに基づいて、マイクロ波信号Ｓｅ１の増幅及びパルス変調を行い、更にＲＦ源６がパルス増幅を行う。パルス増幅されたマイクロ波は加速管７に投入され、加速管内にマイクロ波電場を作り出す。一方、Ｅ／Ｏ変換器１９に入力されたパルス信号Ｐｅは、電気光変換され、光信号Ｐｏとして高電圧の電子銃制御部１２ｂへ出力される。
【００７３】
電子銃制御部１２ｂは、高調波ＲＦ制御ユニット１８から入力されるマイクロ波信号Ｓｏ１〜Ｓｏ３及びパルス信号Ｐｏに基づき生成された波形を電子銃１３のカソードに印加し、パルス変調のかかった電子ビームを発生させる。
【００７４】
図１０は、図９中の電子銃制御部１２ａ及び電子銃１３の構成を示したブロック図である。図中のＤＫは高電圧デッキ、４０はヒータ電源、４１はバイアス電源、４６ｂは高電圧側の高調波ＲＦ制御ユニット、４４は高電圧電源、４５は絶縁碍子である。また、Ｒ１及びＲ２は抵抗、Ｌ１及びＬ２はインダクタンス、Ｃ１及びＣ２はコンデンサであり、図２と比較すれば、高調波ＲＦ制御ユニット４６ｂ、抵抗Ｒ２及びコンデンサＣ２が異なっている。
【００７５】
低電圧側の高調波ＲＦ制御ユニット１８からの光信号Ｓｏ１、Ｓｏ２及びＳｏ３、並びにＥ／Ｏ変換器からの光信号Ｐｏは、光ケーブルを介して高電圧側の高調波ＲＦ制御ユニット４６ａに入力される。これらの光信号は、光電気変換された後、基本波及び高調波に基づく波形信号が生成され、更にパルス信号によりパルス変調された後に出力される。
【００７６】
抵抗Ｒ２およびコンデンサＣ２は直列接続され、高電圧電源４４から高電圧が供給されている高電圧デッキＤＫの筐体は、抵抗Ｒ２及びコンデンサＣ２を介して接地されている。
【００７７】
電子銃１３からパルス的に電子ビームが放出されると、そのビーム電流により高電圧電源４４の電源電圧が低下するので、静電容量の大きなフィルタコンデンサＣ２を設け、パルス的に出力される電荷を当該コンデンサＣ２から供給することにより、電子銃制御部１２ｃにおける電源電圧の低下を防止することができる。すなわち、高電圧の電子銃制御部１２ｃ内でのパルス変調を行うことに伴ってパルス期間に生ずる高電圧電源ラインの電圧低下を抑制し、電子ビーム電流をパルス期間内で安定させることができる。
【００７８】
図１１は、図１０の高電圧側の高調波ＲＦ制御ユニット４６ｂの一構成例を示したブロック図である。図７と比較すれば、Ｏ／Ｅ変換器６０ｄが追加され、ＲＦ増幅器６１ａ〜６１ｃへパルス信号が入力されている点で異なる。
【００７９】
光信号として入力されたＳｏ１〜Ｓｏ３が、それぞれＯ／Ｅ変換器６０ａ〜６０ｃで光電気変換されるとともに、光信号として入力されたパルス信号ＰｏもＯ／Ｅ変換器６０ｄで光電気変換される。光電気変換後のパルス信号は、各ＲＦ増幅器６１ａ〜６１ｃに入力され、光電気変換された各マイクロ波信号は、ＲＦ増幅器６１ａ〜６１ｃにおいて適切な大きさに増幅されるとともに、パルス信号に基づきパルス変調される。パルス変調された各マイクロ波信号は、ミキサ６２で合成され、サーキュレータ６３を介して出力される。
【００８０】
実施の形態４．
実施の形態１から３では、高調波ＲＦ制御ユニットを低電圧側及び高電圧側に備える場合の例について説明したが、本実施の形態では、実施の形態２の構成を変更し、高電圧側にのみ高調波ＲＦ制御ユニットを備えた電子ビーム発生装置について説明する。
【００８１】
図１２は、実施の形態４による電子ビーム発生装置の一構成例を示したブロック図である。図中の１０は信号波発生器、１１はＥ／Ｏ変換器、１２ｃは電子銃制御部、１３は電子銃、１４は前段増幅器、１５はＲＦ増幅器、１６は加速管、２０は前段増幅器であり、図１の電子ビーム発生装置と比較すれば、Ｅ／Ｏ変換器１１、前段増幅器２０及び電子銃制御部１２ｃが異なる。
【００８２】
信号波発生器１０により生成された単一周波数からなるマイクロ波信号Ｓｅ１は、前段増幅器１４及び２０に入力される。前段増幅器２０で増幅されたマイクロ波信号は、Ｅ／Ｏ変換器１１により電気光変換され、光信号Ｓｏ１として電子銃制御部１２ｃへ出力される。つまり、低電圧回路内に高調波ＲＦ制御回路を設けて高調波を生成するのではなく、基本マイクロ波を電気光変換して高電圧の電子銃制御部１２ｃに伝送している。
【００８３】
図１３は、図１２中の電子銃制御部１２ｃ及び電子銃１３の一構成例を示したブロック図であり、図２と比較すれば、高調波ＲＦ制御ユニット４６ｃが異なっている。高調波ＲＦ制御ユニット４６ｃには、Ｅ／Ｏ変換器１１からは基本波信号Ｓｏ１が入力され、高調波信号Ｓｏ２、Ｓｏ３は入力されない。
【００８４】
図１４は、図１３中の高調波ＲＦ制御回路４６ｃの一構成例を示した図である。図中の５０は方向性結合器、５１ａ〜５１ｃは前段増幅器、５２ａ〜５２ｃは位相制御器、５４は逓倍器、６０はＯ／Ｅ変換器、６１ａ〜６１ｃはＲＦ増幅器、６２はミキサ、６３はサーキュレータ、６４は終端抵抗器である。
【００８５】
光信号として入力された基本マイクロ波信号Ｓｏ１は、方向性結合器５０により分岐されて前段増幅器５１ａ及び逓倍器５４に入力される。逓倍器５４は、基本マイクロ波信号を基本波とする３次高調波信号及び５次高調波信号を生成し、３次高調波は前段増幅器５１ｂへ出力され、５次高調波は前段増幅器５１ｃへ出力される。
【００８６】
その後、基本波信号、３次高調波信号、５次高調波信号は、それぞれ前段増幅器５１ａ〜５１ｃで増幅され、位相制御器５２ａで位相制御され、ＲＦ増幅器６１ａ〜６１ｃで増幅される。増幅された３種類のマイクロ波信号は、ミキサ６２で合成され、サーキュレータ６３を介して電子銃１３へ出力される。
【００８７】
実施の形態１、２によれば、低電圧側の高調波ＲＦ制御ユニットに位相制御器を設けている。このため、低圧回路において基本マイクロ波信号とその高調波信号の位相調整を行うことができ、高圧側の高調波ＲＦ制御ユニットにおける調整手段を減少させることができる。従って、高電圧デッキＤＫを小型化することができる。
【００８８】
これに対し、本実施の形態によれば、高調波ＲＦ制御ユニットを高圧側にのみ設けている。すなわち、逓倍器、位相制御器、ミキサ等を高圧デッキＤＫ内に設けることにより、Ｅ／Ｏ変換器、Ｏ／Ｅ変換器の数を低減することができ、コストを低減することができる。
【００８９】
実施の形態５．
実施の形態１から３では、高調波ＲＦ制御ユニットを低電圧側及び高電圧側に備える場合の例について説明したが、本実施の形態では、実施の形態３の構成を変更し、高電圧側にのみ高調波ＲＦ制御ユニットを備えた電子ビーム発生装置について説明する。
【００９０】
図１５は、実施の形態５による電子ビーム発生装置の一構成例を示したブロック図である。図中の１０は信号波発生器、１１はＥ／Ｏ変換器、１２ｄは電子銃制御部、１３は電子銃、１４は前段増幅器、１５はＲＦ増幅器、１６は加速管、２０は前段増幅器であり、図９の電子ビーム発生装置と比較すれば、Ｅ／Ｏ変換器１１、前段増幅器２０及び電子銃制御部１２ｄが異なる。
【００９１】
信号波発生器１０により生成された単一周波数からなるマイクロ波信号Ｓｅ１は、前段増幅器１４及び２０に入力される。前段増幅器２０で増幅されたマイクロ波信号は、Ｅ／Ｏ変換器１１により電気光変換され、光信号Ｓｏ１として電子銃制御部１２ｃへ出力される。つまり、低電圧回路内に高調波ＲＦ制御回路を設けて高調波を生成するのではなく、基本マイクロ波を電気光変換して高電圧の電子銃制御部１２ｄに伝送している。
【００９２】
図１６は、図１５中の電子銃制御部１２ｄ及び電子銃１３の一構成例を示したブロック図であり、図２と比較すれば、高調波ＲＦ制御ユニット４６ｃが異なっている。高調波ＲＦ制御ユニット４６ｄには、Ｅ／Ｏ変換器１１からの光信号Ｓｏ１及びＥ／Ｏ変換器１９からのパルス信号が入力され、高調波信号Ｓｏ２、Ｓｏ３は入力されない。
【００９３】
図１７は、図１６中の高調波ＲＦ制御回路４６ｄの一構成例を示した図である。図中の５０は方向性結合器、５１ａ〜５１ｃは前段増幅器、５２ａ〜５２ｃは位相制御器、５４は逓倍器、６０ａ〜６０ｄはＯ／Ｅ変換器、６１ａ〜６１ｃはＲＦ増幅器、６２はミキサ、６３はサーキュレータ、６４は終端抵抗器である。図１４と比較すれば、Ｏ／Ｅ変換器６５を備える点で異なる。
【００９４】
Ｏ／Ｅ変換器６４ｄは、光信号として入力されたパルス信号Ｐｏを光電気変換し、各ＲＦ増幅器６１ａ〜６１ｃへ出力する。ＲＦ増幅器６１ａ〜６１ｃは、それぞれ基本波信号、３次高調波信号、５次高調波信号をパルス変調され、ミキサ６２で合成された後に、サーキュレータ６３を介して電子銃１３へ出力される。
【００９５】
【発明の効果】
本発明の電子ビーム制御装置、電子ビーム発生装置及び電子ビーム制御方法によれば、基本マイクロ波信号とその高調波信号とを合成して合成マイクロ波信号を生成し、この合成マイクロ波信号に基づき電子銃の電圧制御を行うことによって、従来の電子ビーム発生装置に比べ、電子銃から放出される電子ビームのパルス幅を短くすることができる。
【００９６】
電子銃から放出される電子ビームのパルス幅をより短くすることにより、例えば、電子銃に高電圧を供給する高電圧電源の電源容量を小さくすることができ、ＲＦ加速空洞で良い位相で加速されない電子が加速管や真空ダクトに衝突しすることによるＸ線の発生、温度上昇の抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施の形態１による電子ビーム発生装置の構成例を示したブロック図である。
【図２】 図１における電子銃制御部１２ａ及び電子銃１３の一構成例を示したブロック図であり、ＲＦ印加電子銃システムの一例が示されている。
【図３】 図１における高調波ＲＦ制御ユニット（低電圧側）１８の一構成例を示したブロック図である。
【図４】 図２における高調波ＲＦ制御ユニット（高電圧側）４６ａの一構成例を示したブロック図である。
【図５】 高調波ＲＦユニット（高電圧側）４６ａから出力される高調波信号の一例を示した図であり、本実施の形態及び従来装置によるグリッド波形が示されている。
【図６】 実施の形態２による電子ビーム発生装置の要部の一構成例を示した図であり、図１における高調波ＲＦ制御ユニット（低電圧側）１８の他の構成例を示したブロック図である。
【図７】 実施の形態２による電子ビーム発生装置の要部の一構成例を示した図であり、図２の高調波ＲＦ制御ユニット（高電圧側）４６ａの他の構成例を示したブロック図である。
【図８】 高電圧側の高調波ＲＦユニット４６ａから出力される高調波信号の他の例を示した図であり、実施の形態２及び従来装置によるグリッド波形が示されている。
【図９】 実施の形態３による電子ビーム発生装置の一構成例を示したブロック図である。
【図１０】 図９における電子銃制御部１２ａ及び電子銃１３の構成を示したブロック図である。
【図１１】 図１０の高電圧側の高調波ＲＦ制御ユニット４６ｂの一構成例を示したブロック図である。
【図１２】 実施の形態４による電子ビーム発生装置の一構成例を示したブロック図である。
【図１３】 図１２における電子銃制御部１２ｃ及び電子銃１３の一構成例を示したブロック図である。
【図１４】 図１３における高調波ＲＦ制御回路４６ｃの一構成例を示した図である。
【図１５】 実施の形態５による電子ビーム発生装置の一構成例を示したブロック図である。
【図１６】 図１５における電子銃制御部１２ｄ及び電子銃１３の一構成例を示したブロック図である。
【図１７】 図１６における高調波ＲＦ制御回路４６ｄの一構成例を示した図である。
【図１８】 従来の電子ビーム発生装置の構成を示したブロック図である。
【図１９】 図１８における電子銃制御部１２ｄ及び電子銃１３の構成を示したブロック図である。
【図２０】 ＲＦアンプ４３から出力されるグリッド波形Ｖａを示した図であり、バイアス電源４２から供給されるバイアス電圧Ｖｂとともに示されている。
【符号の説明】
１０ 信号波発生器、１１ Ｅ／Ｏ変換器、１２ａ〜１２ｄ 電子銃制御部、
１３ 電子銃、１４ 前段増幅器、１５ ＲＦ増幅器、１６ 加速管、
１７ パルス発生器、１８ 高調波ＲＦ制御ユニット（低電圧側）、
１９ Ｅ／Ｏ変換器、２０ 前段増幅器、３０ 電子ビーム、
３１ 電子銃ヒータ、３２ 電子銃カソード、３３ 電子銃グリッド、
３４ 電子銃アノード、３５ ＲＦ窓、３６ 加速空洞、４０ ヒータ電源、
４１ バイアス電源、４２ Ｏ／Ｅ変換器、４３ ＲＦ増幅器、
４４ 高電圧電源、４５ 絶縁碍子、
４６ａ〜４６ｄ 高調波ＲＦ制御ユニット（高電圧側）、
５０ 方向性分配器、５１ａ〜５１ｃ 前段増幅器、
５２ａ〜５２ｃ 位相制御器、５３ａ〜５３ｃ Ｅ／Ｏ変換器、
５４ 逓倍器、６０、６０ａ〜６０ｄ Ｏ／Ｅ変換器、
６１ａ〜６１ｃ ＲＦ増幅器、６２ ミキサ、６３ サーキュレータ、
６４ 終端抵抗器、ＤＫ 高電圧デッキ、Ｒ１、Ｒ２ 抵抗、
Ｃ１、Ｃ２ コンデンサ、Ｌ１、Ｌ２ インダクタンス、Ｖａ、Ｖａ’ グリッド電圧、Ｖｂ バイアス電圧、Ｖｇ 制御電圧、
Ｐｅ パルス信号（電気信号）、Ｐｏ パルス信号（光信号）、
Ｓｅ１ 基本波信号（電気信号）、Ｓｏ１ 基本波信号（光信号）、
Ｓｅ２ ３次高調波信号（電気信号）、Ｓｏ２ ３次高調波信号（光信号）、
Ｓｅ３ ５次高調波信号（電気信号）、
Ｓｏ３ ５次高調波信号（光信号）。

Claims (15)

1. 基本マイクロ波信号から高調波信号を生成する逓倍手段と、基本マイクロ波信号及びその高調波信号を合成して合成マイクロ波信号を生成する合成手段と、この合成マイクロ波信号に基づき電子銃の制御電圧を発生させる電圧制御手段とを備えた電子ビーム制御装置。
2. 上記逓倍手段は、基本マイクロ波信号の奇数次の高調波信号を生成し、上記合成手段は、基本マイクロ波信号及びその奇数次の高調波信号を合成することを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム制御装置。
3. 上記逓倍手段は、基本マイクロ波信号の３次高調波信号を生成し、上記合成手段は、基本マイクロ波信号及びその３次高調波信号を合成することを特徴とする請求項２に記載の電子ビーム制御装置。
4. 上記逓倍手段は、基本マイクロ波信号の３次高調波信号及び５次高調波信号を生成し、上記合成手段は、基本マイクロ波信号、その３次高調波信号及び５次高調波信号を合成することを特徴とする請求項３に記載の電子ビーム制御装置。
5. 基本マイクロ波信号又は高調波信号の位相を制御する位相制御手段を備え、合成手段における基本マイクロ波信号及び高調波信号の位相差を制御することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電子ビーム制御装置。
6. 合成マイクロ波信号をパルス信号により変調するパルス変調手段を備え、電圧制御手段が、パルス変調された合成マイクロ波信号に基づき電子銃の制御電圧を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電子ビーム制御装置。
7. 低電圧回路及び高電圧回路が光ケーブルを介して接続され、高電圧回路から電子銃の制御電圧を供給する電子ビーム制御装置において、
   低電圧回路には、基本マイクロ波信号を生成する基本波発生器と、基本マイクロ波信号から高調波信号を生成する逓倍手段と、基本マイクロ波信号及びその高調波信号を光信号に変換する電気光変換手段とを備え、
   高電圧回路部には、入力された光信号を電気信号に変換する光電気変換手段と、変換された基本マイクロ波信号及びその高調波信号を合成して合成マイクロ波信号を生成する合成手段と、この合成マイクロ波信号に基づき電子銃の制御電圧を発生させる制御電圧発生手段とを備えた電子ビーム制御装置。
8. 低電圧回路及び高電圧回路が光ケーブルを介して接続され、高電圧回路から電子銃の制御電圧を供給する電子ビーム制御装置において、
   低電圧回路には、基本マイクロ波信号を生成する基本波発生器と、基本マイクロ波信号を光信号に変換する電気光変換手段とを備え、
   高電圧回路には、入力された光信号を電気信号に変換する光電気変換手段と、変換された基本マイクロ波信号から高調波信号を生成する逓倍手段と、基本マイクロ波信号及びその高調波信号を合成して合成マイクロ波信号を生成する合成手段と、この合成マイクロ波信号に基づき電子銃の制御電圧を発生させる制御電圧発生手段とを備えた電子ビーム制御装置。
9. 上記高電圧回路には、合成マイクロ波信号をパルス信号により変調するパルス変調手段を備えたことを特徴とする請求項７又は８に記載の電子ビーム制御装置。
10. 上記高電圧回路に高電圧を供給する電圧供給ラインをフィルタコンデンサを介して接地したことを特徴とする請求項９に記載の電子ビーム制御装置。
11. 電子ビームを生成する電子銃と、生成された電子ビームを加速する加速管とを備えた電子ビーム発生装置において、基本マイクロ波信号から高調波信号を生成する逓倍手段と、基本マイクロ波信号及び高調波信号を合成して合成マイクロ波信号を生成する合成手段とを備え、基本マイクロ波を加速管へ供給するとともに、合成マイクロ波信号に基づき電子銃の制御電圧を制御する電子ビーム発生装置。
12. 基本パルス波及び合成マイクロ波信号をパルス信号により変調するパルス変調手段を備え、パルス変調された基本マイクロ波を加速管へ供給するとともに、パルス変調された合成マイクロ波信号に基づき電子銃の制御電圧を制御する請求項１１に記載の電子ビーム発生装置。
13. 基本マイクロ波信号を逓倍して高調波信号を生成する逓倍ステップと、基本マイクロ波信号及びその高調波信号を合成して合成マイクロ波信号を生成する合成ステップと、この合成マイクロ波信号に基づき電子銃の制御電圧を制御し電子ビームを生成させる電圧制御ステップを備えたことを特徴とする電子ビーム制御方法。
14. 基本マイクロ波を加速管へ供給し、上記電圧制御ステップにより発生された電子ビームを加速する加速ステップを備えたことを特徴とする請求項１３に記載の電子ビーム制御方法。
15. 合成マイクロ波信号をパルス信号により変調するパルス変調ステップを備え、電圧制御ステップが、パルス変調された合成マイクロ波信号に基づき電子銃の制御電圧を制御することを特徴とする請求項１３又は１４に記載の電子ビーム制御方法。

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