JP5713455B2 - 終端器及びパルス伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、終端器及びパルス伝送装置に関し、例えば、自由電子レーザ、放射光等で用いられる電子線形加速器の入射器に配設される終端器及びパルス伝送装置に関する。

特許文献１には、図５に示すパルス伝送装置（グリッドパルスカプラー）が開示されている。このパルス伝送装置は、短パルス発生装置１１６に接続される同軸コネクタ１１３と、同軸コネクタ１１３に接続された５０Ω同軸ケーブル１５０と、電子銃１２０のカソード１２２に接続された同軸線路１６０と、５０Ω同軸ケーブル１５０と同軸線路１６０との間に設置されたインピーダンス変換器１４０とを有している。尚、短パルス発生装置１１６は、パルス発生源１１８、出力抵抗器１１９等を備えて構成されている。また、電子銃１２０は、ヒータ（図示せず）、カソード１２２、グリッド１２３、アノード１２４等を備えて構成されている。

そして、上記のパルス伝送装置は、以下のように動作する。具体的には、短パルス発生装置１１６で発生したパルスが、５０Ω同軸ケーブル１５０を通り伝送され、インピーダンス変換器１４０でインピーダンス５０Ωから２５Ωに変換され、低特性インピーダンス（２５Ω）の同軸線路１６０上を伝送され電子銃１２０の中のカソード１２２に到達する。上記のパルス伝送装置は、インピーダンス変換器１４０を設けることにより、短パルス発生装置１１６で発生したパルスの反射を防いでいる。

特開平７−１６１３３０号公報の段落００３１〜００３３、図１０〜図１２

しかしながら、上述した従来技術は、インピーダンス変換した後の同軸線路１６０の先端で、電子銃１２０のカソード１２２−グリッド１２３間の静電容量に同軸線路１６０の持つ浮遊容量等のリアクタンス分及び点Ｐより矢印方向を見たリアクタンス分が並列に接続されることになるので、これらリアクタンス分の影響を受けてパルスの立ち上がり時間及び立ち下がり時間に遅れが生じるという技術的課題を有している。また、上述した従来技術は、インピーダンス変換器１４０により分圧されるため、パルス伝送装置の出力が低下するという技術的課題を有している。そのため、上記のグリッドパルスカプラーでは、短パルス発生装置１１６の出力電圧を高める必要があった。
尚、上述した従来技術は、短パルス発生装置１１６或いは直流電源（図５には示さず）から電子銃１２０までの各伝送線路が複雑な構造の同軸線路、特にＰ点から電子銃１２０までは二重の同軸線路になっているため、装置製作に手間がかかるという別の課題も有している。

本発明は、上記技術的課題に鑑みてなされたものであり、パルスの立ち上がり時間及び立ち下がり時間の遅れを防止する構成のグリッドパルスカプラーを提供することを目的とする。

上記技術的課題を解決するためになされた本発明は、終端器において、電子銃のグリッドとカソードとの間を所定の抵抗値で接続することを特徴とする。また、本発明は、終端器において、電子銃のグリッドとカソードとの間を、所定の抵抗値を有する抵抗器と、この抵抗器に直列に接続するコンデンサとで接続することを特徴とする。また、前記所定の抵抗値が５０Ωであることが望ましい。

このように、本発明は、電子銃のグリッドとカソードとの間を所定の抵抗値で接続する構成になっているため、伝送線路が持つ浮遊容量等のリアクタンス分の影響を避けることができ、その結果、パルスの立ち上がり時間及び立ち下がり時間に遅れが生じることが防止される。すなわち、パルスの立ち上がり時間及び立ち下がり時間は、概ね接続する所定の抵抗値と電子銃のカソード−グリッド間の静電容量とで決まるようになっており、上述した従来技術（カソード−グリッド間を所定の抵抗値で接続しないグリッドパルスカプラー）と比べて飛躍的に速くなる。また、前記抵抗値は、グリッドパルスカプラーの出力から電子銃までの伝送線路のインピーダンスと同じ値にすることが望ましく、これにより電子銃での反射を抑制することができる。
また、本発明は、インピーダンス変換器を設ける構成ではないため、上述した従来技術のように、分圧によるグリッドパルスカプラーの出力低下が生じることがない。そのため、パルス発生装置の出力電圧を高める必要がない。

また、前記抵抗器は、略環状の内周電極と、該内周電極の外側に配置された略環状の外周電極とを有し、前記内周電極と前記外周電極との間に所定の抵抗値の抵抗体が配設されていることが望ましい。
上記構成の抵抗器（例えば、ディスク型抵抗器）と、コンデンサ（例えば、チップ型コンデンサ）とを用いることで、抵抗器及びコンデンサが持つリードインダクタンスや浮遊容量等のリアクタンス分が極めて小さくなり、パルスの立ち上がり時間及び立ち下がり時間の遅れが防止され、パルス波形の劣化を防ぐことができる（パルス波形の劣化が殆ど生じなくなる）。

また、前記外周電極の外側に接地用電極が設けられ、前記外周電極と前記接地用電極の間に、複数のコンデンサが等間隔で配置されていることが望ましい。
このように、コンデンサ（例えば、チップ型コンデンサ）を等間隔で配置することにより、終端用の抵抗器を流れるパルスの高周波成分の均等性が保たれるようになり、余分なリアクタンスが発生することが防止される。

また、前記電子銃にパルスを送る伝送路が平面線路であることが望ましい。
このように、伝送路を平面線路で構成することにより、上述した従来技術のもの（伝送路が同軸線路のもの）と比べて構造を簡素化することができ、製作が容易になる。尚、平面線路は、例えば、ストリップライン、マイクロストリップライン、スロットライン、コプレナライン等で構成される。

また、前記平面線路には、複数種のパルスが入力されるようになっており、前記入力された複数種のパルスを、前記平面線路で重畳し、前記電子銃に同時に印加することが望ましい。
本発明では、平面線路の先端の電子銃のグリッドとカソードとの間を所定の抵抗値（電子銃の伝送線路のインピーダンスと同じ抵抗値）で接続している。また、前記伝送線路のインピーダンスよりも遙かに大きいインピーダンスを有する線路で、マクロパルスを伝送している。そのため、本発明では、平面線路の伝送特性を殆ど劣化させずに、平面線路上で、高速パルス及にマクロパルスを重畳し、伝送することができる。

また、前記グリッド又は前記カソードが接地電位になっていることが望ましい。
上記構成を採用したのは以下の理由による。グリッドパルスカプラーに接続する電子銃は、一般的にグリッドが接地電位となっている。しかし、上記のように、カソードを接地電位で使用可能にする構成により、電子銃に印加するパルス電圧を少なくすることができる。

本発明によれば、パルスの立ち上がり時間及び立ち下がり時間の遅れを防止する構成の終端器及びパルス伝送装置を提供することができる。

本実施形態のグリッドパルスカプラーの回路構成を説明するための模式図である。 本実施形態のグリッドパルスカプラーの平面を示す模式図である。 本実施形態のグリッドパルスカプラーの側面を示す模式図である。 本実施形態のグリッドパルスカプラーに設けられた終端器の構成を示す模式図である。 従来技術のグリッドパルスカプラーの概略構成図である。

以下、本発明の実施形態のパルス伝送装置（グリッドパルスカプラー）について、図１〜図４に基づいて説明する。尚、本実施形態は、グリッドパルスカプラーＷに特徴があり、電子銃Ｅは従来のものと同じである。そのため、以下では、上記特徴を詳細に説明し、それ以外の構成は簡略化して説明する。

本実施形態のグリッドパルスカプラーＷは、電子銃Ｅに組み込まれて使用されるようになっており、図示しない高速パルス発生装置（及びマクロパルス発生装置）から入力される高速パルス（又は「高速パルス及びマクロパルスの両者」）を、電子銃Ｅのグリッド３１−カソード３２間に印加すると共に、電子銃Ｅに対してグリッドバイアス電圧及びヒータ電圧を供給するように構成されている。尚、符号３１は、電子銃Ｅのグリッドを示し、符号３２は電子銃Ｅのカソードを示している。また、符号３３は電子銃Ｅのヒータ（ヒータ端子）を示している。また、図示する例では、グリッド３１が接地電位となっている（図１参照）。

尚、本実施形態において、高速パルスとは、例えば、パルス半値幅が１ナノ秒から０．１ナノ秒の範囲で、その繰り返し周期が１０ナノ秒から１００ナノ秒程度の短パルスのことをいい、バーストモードでのビームを引き出すために用いられる。また、マクロパルスとは、例えば、パルス幅１マイクロ秒から３０マイクロ秒の範囲のパルスのことをいい、フルモードでのビームを引き出すために用いられる。

具体的には、図１に示すように、グリッドパルスカプラーＷは、高速パルス供給端子Ｊ１と、マクロパルス供給端子Ｊ２と、グリッドバイアス電圧供給端子Ｊ３と、ヒータ電圧供給端子Ｊ４と、電子銃Ｅにパルスを送るための伝送路１と、電子銃Ｅのグリッド３１とカソード３２との間を所定の抵抗値で終端（接続）する終端器２とを有している。尚、図２及び図３に示すように、上記の各構成部（高速パルス供給端子Ｊ１、マクロパルス供給端子Ｊ２、グリッドバイアス電圧供給端子Ｊ３、ヒータ電圧供給端子Ｊ４、伝送路１、終端器２）は、グリッドパルスカプラーＷの本体部１０に取り付けられている。以下、グリッドパルスカプラーＷの各構成を順に説明する。

高速パルス供給端子Ｊ１は、高速パルス発生装置（図示せず）に接続するための端子であり、高速パルス発生装置から出力される高速パルスが入力されるようになっている。また、高速パルス供給端子Ｊ１は、ＤＣブロックコンデンサＣ２を介して、伝送路１に接続されており、前記入力された高速パルスは、伝送路１を通って、電子銃Ｅのカソード３２に到達するようになっている。

また、マクロパルス供給端子Ｊ２は、マクロパルス発生装置（図示せず）に接続するための端子であり、マクロパルス発生装置から出力されるマクロパルスが入力されるようになっている。また、マクロパルス供給端子Ｊ２は、高インピーダンスの線路で伝送路１に接続されており、前記入力されたマクロパルスは、伝送路１を通って、電子銃Ｅのカソード３２に到達するようになっている。

グリッドバイアス電圧供給端子Ｊ３（以下、単に「電圧供給端子Ｊ３」）は、グリッドバイアス電圧を供給する電源（図示せず）に接続するための端子である。また、電圧供給端子Ｊ３は、電圧供給端Ｊ３を分離するための抵抗器Ｒ２を介して伝送路１に接続されている。そして、電源から電圧供給端子Ｊ３に供給されるグリッドバイアス電圧は、伝送路１を介して、電子銃Ｅのカソード３２に供給され、電子銃Ｅにグリッドバイアス電圧が印加される。

ヒータ電圧供給端子Ｊ４（以下、単に「電圧供給端子Ｊ４」）は、ヒータ電圧を供給する電源（図示せず）に接続するための端子である。また、電圧供給端子Ｊ４は、２芯の電線（ケーブル）の一方が、電圧供給端子Ｊ４を分離するためのチョークコイルＬを介して、電子銃Ｅのヒータ（ヒータ端子）３３に接続されている。また、２芯のうちの他方が、電圧供給端子Ｊ４を分離するためのチョークコイルＬを介して伝送路１に接続されている。そして、電圧供給端子Ｊ４に供給されるヒータ電圧は、電線の２芯の一方を通って、ヒータ３３に接続され、２芯の他方を通って電源に戻ってくる。

また、伝送路１は、ストリップライン、マイクロストリップライン、スロットライン、コプレナライン等の平面線路で構成されており、その一端が高速パルス供給端子Ｊ１に接続され、他端が電子銃Ｅのカソード３２に接続されている。尚、上述したように、伝送路１には、マクロパルス供給端子Ｊ２及び電圧供給端子Ｊ３に接続されている電線が接続されていると共に、電圧供給端子Ｊ４に接続された電線が接続されている。このように伝送路１を平面線路にすることにより、同軸線路を伝送路にしている装置と比べ、構造を簡素化することができる。そのため、本実施形態によれば、グリッドパルスカプラーＷのコストを削減することができる。

また、終端器２は、所定の抵抗値を有する抵抗器Ｒ１と、ＤＣカット用のコンデンサＣ１とを備えている。この抵抗器Ｒ１は、一方がカソード３２に接続され、他方がコンデンサＣ１に直列に接続されている。また、コンデンサＣ１は、一方が抵抗器Ｒ１に接続され、他方が接地されている。この終端器２の構成により、伝送線路のリアクタンス分の影響を避けることができ、その結果、パルスの立ち上がり時間及び立ち下がり時間に遅れが生じることが防止される。また、抵抗値は、グリッドパルスカプラーＷの出力から電子銃Ｅまでの伝送線路のインピーダンスと同じ値にすることが望ましく、これにより電子銃Ｅでの反射を防ぐことができる。尚、本実施形態では、例えば、抵抗値の値を「５０Ω」にする。また、終端器２は、図１に示す回路構成を備えるものであれば良く、その構成について特に限定するものではないが、例えば、図４に示すように構成されている。

具体的には、図４に示すように、終端器２は、ディスク型抵抗器Ｒ１と、ディスク型抵抗器Ｒ１（外周電極２１）の外側に配置された略環状の接地用電極２３と、ディスク型抵抗器Ｒ１と接地用電極２３との間に設けられた複数のコンデンサＣ１（例えば、チップ型のコンデンサＣ１）とを備えている。ここで、ディスク型抵抗器Ｒ１は、略環状の内周電極２０と、内周電極２０の外側に配置された略環状の外周電極２１と、内周電極２０と外周電極２１との間に配設された所定値の抵抗体２２とを備えて構成されている。また、内周電極２０、外周電極２１および接地用電極２３は、同心円状に配置されている。また、複数のコンデンサＣ１は、外周電極２１と接地用電極２３の間に等間隔で配置されている（図示する例では、１２個のコンデンサＣ１が等間隔で配置されている）。尚、終端器２は、例えば、絶縁基板の上に、内周電極２０、外周電極２１、接地用電極２３、抵抗体２２を生成し、外周電極２１と接地用電極２３の間にコンデンサＣ１を接着することにより製造される。

図４に示すように終端器２を構成することにより、ディスク型抵抗器Ｒ１及びコンデンサＣ１が持つリードインダクタンスや浮遊容量等のリアクタンスが極めて小さくなり、パルスの立ち上がり時間及び立ち下がり時間の遅れを防止でき、パルス波形の劣化の発生が防止される。また、複数のコンデンサＣ１を等間隔で配置することにより、ディスク型抵抗器Ｒ１を流れるパルスの高周波成分の均等性が保たれるようになり、余分なリアクタンスが発生することが防止される。

次に、グリッドパルスカプラーＷの本体部１０の構成と、本体部１０と各構成部（高速パルス供給端子Ｊ１、マクロパルス供給端子Ｊ２、電圧供給端子Ｊ３、電圧供給端子Ｊ４、伝送路１、終端器２）の関係を簡単に説明する。
図２及び図３に示すように、本体部１０は、平面視略円状の端子部１１と、断面視略コの字状になされた枠体部１２とにより構成されている。尚、枠体部１２は、矩形板状の上面部１２ａと、上面部１２と相対向して配置された底面部１２ｂと、上面部１２ａの一端部から底面部１２ｂに向けて直角に屈曲して底面部１２ｂの一端部まで延びる側面部１２ｃとを備えている。また、上面部１２ａは、その他端部が底面部１２ｂに向けて折り曲げられた内側フランジ部１２ａ１となっており、底面部１２ｂは、その他端部が上面部１２ａに向けて折り曲げられた内側フランジ部１２ｂ１となっている。

そして、円板状の端子部１１の一方面に、枠体部１２の内側フランジ部１２ａ１，１２ｂ１を当接させて固着して、本外部１０が構成されている。また、本体部１０の側面部１２ｃには、電子銃Ｅが接続されており、電子銃Ｅの一部（カソード３２、ヒータ（ヒータ端子）３３）が、本体部１０の内側（伝送路１側）に挿入されている。

尚、端子部１１には、高速パルス供給端子Ｊ１、マクロパルス供給端子Ｊ２、電圧供給端子Ｊ３、電圧供給端子Ｊ４が装着されている。また、枠体部１２の底面部１２ｂに、端子部１１側から電子銃Ｅ側（側面部１２ｃ側）に延びる伝送路１が設置されている。また、枠体部１２の上面部１２ａの一方面（内側面）には、チョークコイルＬが取り付けられており、上面部１２ａの他方面（外側面）には、抵抗器Ｒ２が取り付けられている。また、枠体部１２の側面部１２ｃの内側面に、終端器２が取り付けられる構成になっている。

次に、本実施形態のグリッドパルスカプラーＷの動作について説明する。

尚、電圧供給端子Ｊ３には、グリッドバイアス電圧を供給する電源が接続され、電圧供給端子Ｊ４には、ヒータ電圧を供給するための電源が接続されているものとする。また、電子銃Ｅに、グリッドバイアス電圧とヒータ電圧とを供給する動作は、従来技術と同じであるため、その説明を省略する。

ユーザが制御装置（図示せず）を操作し、高速パルス発生装置、マクロパルス発生装置、グリッドパルスカプラーＷ及び電子銃Ｅを駆動させ、高速パルス発生装置で発生させた高速パルスを、高速パルス供給端子Ｊ１に入力すると共に、マクロパルス発生装置で発生させたマクロパルスを、マクロパルス供給端子Ｊ２に入力する。高速パルス供給端子Ｊ１に入力された高速パルスは、平面線路である伝送路１に入力され、マクロパルス供給端子Ｊ２に入力されたマクロパルスは、平面線路である伝送路１に入力される。

その後、伝送路１に入力された高速パルス及びマクロパルスは、伝送路１上において、重畳され、その重畳されたパルスが電子銃Ｅのカソード３２に到達し、これにより、高速パルス及びマクロパルスが、グリッド３１−カソード３２間に同時に印加される。

そして、上記の場合、終端器２により、平面線路（伝送路１）の先端の電子銃Ｅのグリッド３１−カソード３２間を、電子銃Ｅの伝送線路のインピーダンスと同じ抵抗値で終端（接続）している。また、前記伝送線路のインピーダンスよりも遙かに大きいインピーダンスを有する線路において、マクロパルスを伝送している。その結果、本実施形態では、平面線路（伝送路１）の伝送特性を殆ど劣化させずに、平面線路（伝送路１）上で、高速パルス及にマクロパルスを重畳し、伝送することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、パルスの立ち上がり時間及び立ち下がり時間の遅れを防止する構成のグリッドパルスカプラーＷを提供することができる。
尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において、種々の変更が可能である。

例えば、上述した実施形態では、グリッド３１が接地電位になっているが（図１参照）、特にこれに限定するものではない。グリッド３１を接地電位にせずに、カソード３２を接地電位にした構成になっていてもよい。このようにするのは、以下の利点があるためである。すなわち、グリッドパルスカプラーＷと接続する電子銃Ｅは、一般的にグリッド３１が接地電位となっている。しかし、カソード３２を接地電位で使用する構成にすることにより、電子銃Ｅに印加するパルス電圧を小さくすることができる。

また、上述した実施形態では、２種類のパルス（高速パルスとマクロパルス）を重畳する構成を示したが、特にこれに限定されるものではない。

Ｗ…グリッドパルスカプラー
Ｊ１…高速パルス供給端子
Ｊ２…マクロパルス供給端子
Ｊ３…バイアス電圧供給端子
Ｊ４…ヒータ電圧供給端子
Ｃ２…ＤＣブロックコンデンサ
Ｒ２…抵抗器
Ｌ…チョークコイル
１…伝送路

２…終端器
Ｒ１…ディスク型抵抗器（抵抗器（終端器））
２０…内周電極（ディスク型抵抗器）
２１…外周電極（ディスク型抵抗器）
２２…抵抗体（ディスク型抵抗器）
Ｃ１…コンデンサ（終端器）
２３…接地用電極（終端器）

１０…本体部
１１…端子部（本体部）
１２…枠体部（本体部）
１２ａ…上面部（枠体部）
１２ａ１…内側フランジ部（枠体部）
１２ｂ…底面部（枠体部）
１２ｂ１…内側フランジ部（枠体部）
１２ｃ…側面部（枠体部）

Ｅ…電子銃
３１…グリッド
３２…カソード
３３…ヒータ（ヒータ端子）

Claims (8)

1. 電子銃のグリッドとカソードとの間を所定の抵抗値で接続する
   ことを特徴とする終端器。
2. 電子銃のグリッドとカソードとの間を、所定の抵抗値を有する抵抗器と、この抵抗器に直列に接続するコンデンサとで接続する
   ことを特徴とする終端器。
3. 前記抵抗器は、略環状の内周電極と、該内周電極の外側に配置された略環状の外周電極とを有し、
   前記内周電極と前記外周電極との間に所定の抵抗値の抵抗体が配設されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の終端器。
4. 前記外周電極の外側に接地用電極が設けられ、
   前記外周電極と前記接地用電極の間に、複数のコンデンサが等間隔で配置されている
   ことを特徴とする請求項３に記載の終端器。
5. 前記所定の抵抗値が５０Ωである
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の終端器。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の終端器と、
   前記電子銃にパルスを送るための伝送路とを有するパルス伝送装置であって、
   前記伝送路が平面線路である
   ことを特徴とするパルス伝送装置。
7. 前記平面線路には、複数種のパルスが入力されるようになっており、前記入力された複数種のパルスを、前記平面線路で重畳し、前記電子銃に同時に印加する
   ことを特徴とする請求項６に記載のパルス伝送装置。
8. 前記グリッド又は前記カソードが接地電位になっている
   ことを特徴とする請求項６又は７に記載のパルス伝送装置。

Images