JP5864570B2 - 自由電子ビームを備えたTHz放射線生成用デバイス - Google Patents
自由電子ビームを備えたTHz放射線生成用デバイス Download PDFInfo
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Description
電磁放射はブロードキャスティングアンプチューブおよびワイヤーアンテナを使用して放射される。電磁放射のブロードキャスティング電力は、アンテナ線を熱することにより生じた抵抗性のジュール損失によって制限される。Lecher 2ワイヤー送信側のシステム効率が5%となることが報告される、「H. Barkhausen, Elektronenrohren Band 3 (1935)S.109 u Hirzel Verlag Leipzig」を参照。
このシステムは手頃な価格でなければならないし、最大1ワット出力を持っていなければならない。
本発明は、従って、テラヘルツ放射線を放射し、更にある程度まで小型化され、共振器の内側に複数の並列・反並列ビームで、配列を作ることができて、放射線送信と集束レンズで閉じられていて、分析的、軍事およびセキュリティアプリケーションの為の、より強力なソース又はソース配列を有する、自由電子ビームシステムを提供することを目的とする。
更なる改良においては、THz放射線を放射する開口がある共振器の中心でのみ、放射方向における共振器領域をカバーする方法にて、共振器はデザインされても良い。
更なるデザインにおいて、グリッドとアノード間のダイナトロンビームパス領域は、解放構造であり、第2ののダイナトロン発振器三極管は、第1の構造の下に作られ、配置される。ビームは、互いに、平行かつ同相に飛ぶ。これは、自由ビーム発生器として2つの小型三極管、すなわち、発振器の、共振回路の電圧でそれらのグリッドを制御し、1つは他方に関して180度の位相シフトを持っている状態で、放射された放射線の電力を2倍にする。
12 エミッタカソード
14 グリッド
16 アノード
18インダクタンス
20 キャパシタ
22 ダイナトロンチューブ
24 バッテリー
26 発振器
28 電圧接続ポイント
30 作用点
32 電圧ピックアップ
40 デバイス
42 EBIDエミッタ
44 抽出グリッド
46 アノード
47 発振器
48 インダクタンス
50 キャパシタ
52 バッテリー
54 一次電子ビーム
56二次電子ビーム
58 ビーム源
60 小型ダイナトロン発振器テラヘルツ源
62 エミッターチップ
64 抽出ロッド
66 発振器回路
68 抽出器
70 アノード
72 カソード
74 集束レンズ
76 エミッター端
78 一次電子ビーム
80 空洞共振器
82 抽出グリッド
84 アノード
86 空洞
88 絶縁基板
90 ベース材
92 ポンプセル壁
94 空洞共振器
96 電子源
97 抽出グリッド
98 空洞
99 ダイナトロンチューブ
100 中央ベース
102 アノード
104 集束レンズ
105 THzエミッターセル
106 ポンプセル壁
108 ゲッター材料
110 空洞
112 ミラー
114 集束レンズ
120 ベース
122 絶縁共振器底
124 金属端エミッター
126 シリンダ-レンズ構造
128 集束レンズ
130 ダイナトロンチューブ
132 アノード
134 空洞共振器
136 発振器
140 ベース
142 ホール
150 ダイナトロン源
152 フレーム
153 ベースプレート
154 レバー
156 1つの壁の移動
158 アノード
160 ワイヤー
164 スプリング
166 ブロック
168 軸
170 引ロッド
172 共振器壁
174 カソードアセンブリー
180 ダイナトロンチューブ
182 自由ビーム三極管
184 自由ビーム三極管
186 抽出グリッド
188 抽出グリッド
190 自由電子ビーム
192 自由電子ビーム
194 キャパシタ
196 発振器
200 カソード
202 カソード
204 アノード
206 アノード
208 ステージアンプ
210 口径
Claims (18)
- 自由電子ビーム(54、56、78、190、192)を有する、電磁THz放射線(10、40、60、105、150)を発生するデバイスであって、
3mmから30μmの波長に対応する、0.1THzから10THzまでの周波数で、交流発振器電圧を供給する発振器(26、47、66、196)と、
ダイナトロンチューブ(22、99、130、180)と、を備え、
前記ダイナトロンチューブ(22、99、130)は、
電子源(12、58、72、76、96、124、)と、
抽出グリッド(14、44、68、64、82)と、
好ましくは、高い二次電子放出をするための材料組成でコーティングされたアノード(16、46、70、84、102)と、を有し、
前記ダイナトロンチューブ(22、99、130、180)は、真空中に配置され、
前記デバイスは、電圧源を更に備え、
前記ダイナトロンチューブ(22、99、130、180)は、前記電子源(12、58、72、76、96、124)と前記抽出グリッド(14、44、68、64、82)との間で、抽出電圧を供給する前記電圧源(24、52)に接続され、
前記デバイスは、分圧器から作用点電圧を抽出するための前記分圧器を備え、
前記分圧器は、発振器電圧を接続してアノード電圧を生成し、
前記アノード電圧は、前記抽出電圧より低く設定され、前記電子源(12、58、72、76、96、124)と前記アノード(16、46、70、84、102)との間の電位差として定義され、
更に、前記分圧器は、アノード電流が0になる電圧に作用点電圧がセットされる方法で、具体化され、
更に、前記ダイナトロンチューブ(22、99、130、180)の前記抽出グリッド(14、44、68、64、82)及び前記アノード(16、46、70、84、102)は、放射される電磁放射の波長の半分以下の距離に位置し、
前記発振器電圧の電圧振幅の半分において、前記発振器電圧が、前記電子源からアノード(16、46、70、84)に向かう、正の一次自由電子ビームを加速し、
発振器電圧の電圧振幅の次の半分において、そのような一次自由電子ビームは、加速され、前記アノードで、二次自由電子ビームを発生して、前記アノード(16、46、70、84、102)から前記抽出グリッド(14、44、68、64、82、186、188)に向けて放射され、それは、前記一次自由電子ビームの2倍の数の電子を有し、それ故結果として電荷が一次電子ビームの逆方向に流れ、そしてそれ故、結果として前記(交流)発振電圧が自由電子ビームとなって交互方向に飛び、0.1THzから10THzの周波数を有する電磁放射が放射され、
前記デバイスは、更に2つの三極管構造を有するという点で特徴づけられて、
前記ダイナトロンチューブ(22、 99、130、180)は、2つの三極管構造(182、184)に接続していて、
三極管抽出電圧が前記三極管構造(182、184)の抽出グリッド(186、188)に供給されるという点で、前記三極管構造(182、184)は、前記発振器に接続され、
前記抽出電圧は、前記発振器電圧に一致し、それ故、前記ダイナトロンの前記発振器(196)によって供給される前記発振器電圧の第1の波長で、電子は、前記第1の三極管構造(182)から自由三極管電子ビーム(190)として放射され、
前記第2の三極管構造(184)は、前記第2の三極管の放射をコントロールする前記発振器電圧を反転するキャパシタ(194)を経由して前記発振器(26、47、66、194、196)に接続され、そして、前記第2の三極管構造(184)で前記抽出電圧として使用される前記発振器電圧の第2の波長の負電圧の降下で、前記キャパシタに起因して、前記第2の三極管構造(182、184)により、自由三極管電子ビームは放射され、
更に、前記デバイスは、前記三極管構造(182、184)の前記抽出グリッドの間に位置する共振器(204、206)を有し、
そして、前記共振器は、前記共振器(204、208)を介して自由三極管電子ビームの移動を許容する少なくとも1つのホールを有し、
前記共振器(204、206)は、三極管のアノードとして具体化され、当該アノードの電圧は、前記三極管抽出電圧より高い、
デバイス。 - 前記三極管構造(182、184)は、互いに向かい合うように配置され、互いに向かい合う位置で、電子ビームを送出することを特徴とする、
請求項1に記載のデバイス。 - 自由電子ビーム(54、56、78、190、192)を有する、電磁THz放射線(10、40、60、105、150)を発生するデバイスであって、
3mmから30μmの波長に対応する、0.1THzから10THzまでの周波数で、交流発振器電圧を供給する発振器(26、47、66、196)と、
ダイナトロンチューブ(22、99、130、180)と、を備え、
前記ダイナトロンチューブ(22、99、130、180)は、
電子源(12、58、72、76、96、124、)と、
抽出グリッド((14、44、68、64、82))と、
好ましくは、高い二次電子放出をするための材料組成でコーティングされたアノード(16、46、70、84、102)と、を有し、
前記ダイナトロンチューブ(22、99、130、180)は、真空中に配置され、
前記デバイスは、電圧源を更に備え、
前記ダイナトロンチューブ(22、99、130、180)は、前記電子源(12、58、72、76、96、124)と前記抽出グリッド(14、44、68、64、82)との間で、抽出電圧を供給する前記電圧源(24、52)に接続され、
前記デバイスは、分圧器から作用点電圧を抽出するための前記分圧器を備え、
前記分圧器は、発振器電圧を接続してアノード電圧を生成し、
前記アノード電圧は、前記抽出電圧より低く設定され、前記電子源(12、58、72、76、96、124)と前記アノード(16、46、70、84、102)との間の電位差として定義され、
更に、前記分圧器は、アノード電流が0になる電圧に作用点電圧がセットされる方法で、具体化され、
特徴的には、前記ダイナトロンチューブ(22、99、130、180)の前記抽出グリッド(14、44、68、64、82)及び前記アノード(16、46、70、84、102)は、放射する電磁放射の波長の半分以下の距離に位置し、
前記発振器電圧の電圧振幅の半分において、前記発振器電圧が、前記電子源(12、58、72、76、96、124)からアノード(16、46、70、84)に向かう、正の一次自由電子ビームを加速し、
発振器電圧の電圧振幅の次の半分において、そのような一次自由電子ビームは、加速され、前記アノード(16、46、70、84、102)で、二次自由電子ビームを発生して、前記アノード(16、46、70、84、102)から前記抽出グリッド(14、44、68、64、82)に向けて放射され、それは、前記一次自由電子ビームの2倍の数の電子を有し、それ故電荷が一次電子ビームの逆方向に流れ、結果として、それ故、前記(交流)発振電圧が、交互方向の自由電子ビームとなって、0.1THzから10THzの周波数を有する電磁放射が放射される、
デバイス。 - 前記デバイスは、小型化する方法で作られており、少なくとも前記ダイナトロンチューブ(22、99、130、180)及び前記発振器(26、47、66、194、196)は、マイクロ又はナノ構造体として作られる事を特徴とする、
前記請求項のうちのいずれかの請求項に記載のデバイス。 - 前記発振器(26)は、抵抗器、誘導性(18、48)およびキャパシタ(20、50)を有する、調整可能なコンプレックス抵抗器として形成され、キャパシタ(20と50)及び/又は、誘導性(18、48)が調整可能であることを特徴とする、
前記請求項のうちのいずれかの請求項に記載のデバイス。 - 前記ダイナトロンチューブ(22、99、130、180)は、絶縁体(88、122、140、153)上で、熱又は冷電子源(12、58、72、76、96、124、200、202)で、統合される超小型構造として具体化される事を特徴とする、
請求項2または3に記載のデバイス。 - 前記電子源は、チップ半径が1μm以下のチップ(76)を有する、ワイヤー形状の冷電界放出エミッターであることを特徴とする、
前記いずれかの請求項の1つに記載のデバイス。 - 前記電子源は、マイクロ又はナノ構造電界エミッターとして作られ、材料は、低い仕事関数を有し、かつ、少なくとも前記抽出電圧に応じて電子を放射する前記電界エミッターのチップ上で蒸着されることを特徴する、
請求項7に記載のデバイス。 - 前記電子源は、マイクロ又はナノ構造として作られ、金属、又は金属酸化膜、又は炭素、又は炭素化合物、又は他の半導体材料、又はナノ粒状複合材料で、冷電界電子端エミッター(124)、の形状に構築される事を特徴とする、
前記請求項のうちのいずれかの請求項に記載のデバイス。 - 前記デバイスは、少なくとも1つの電気端子を経由して接続される、調整可能な電圧源と、
前記電子源への接続部と
を有し、
前記接続部は、前記電子源(12、58、72、76、96、124、200、202)からの放射線を安定させるための、マイクロ又はナノ構造電界エミッターとして作られ、
前記電子ビームは、電界エミッターの少なくとも1つのチップから放射され、前記アノードに集められることを特徴とする、
前記請求項のうちのいずれかの請求項に記載のデバイス。 - 前記デバイスは、
少なくとも1つの、放射線を透過し、かつ真空気密であるレンズ、及び、マイクロ又はナノ構造として作られた前記ダイナトロンチューブ(99、130)を有する、少なくとも1つの電気的導電性のハウジングを有し、
これらは、空洞共振器を制限するTHz電磁波の(長)方形の形状で、前記導電性のハウジング(80、134)によって囲まれ、
前記導電性のハウジングの寸法は、放出される放射線の周波数及び波長に適合される、ことを特徴とする、
前記請求項のうちのいずれかの請求項に記載のデバイス。 - 前記デバイスは、少なくとも1つの、放射線を透過し、かつ真空気密であるレンズ(74、99、98、104、128)、及び2つのダイナトロンチューブ構造体(99、130)を有する、少なくとも1つの電気的導電性ハウジングを有し、
前記ダイナトロンチューブ構造体は、マイクロ又はナノ構造かつ発振器として、作られていて、それは、絶縁基板の頂部及び底部に構築され、前記絶縁基板は、前記導電性ハウジングの中の中央に配置され、抽出グリッドとアノードの間の開口を有する、ことを特徴とする、
前記請求項のうちのいずれかの請求項に記載のデバイス。 - 前記デバイスは、真空を供給するポンピングデバイスを有するポンピングセル(92)を有し、
前記ポンピングセル(92)は、少なくともダイナトロンチューブ(22、99、130、180)と、特に空洞共振器(94)とに接続されていて、それは、グリッドまたはメッシュ構造(106)のボリュームに接続され、そのボリュームは、電磁放射を反映するが、少なくとも1つのダイナトロンチューブ(22、99、130、180)からポンピングセル(92)にガスを送出する、ことを特徴とする、
前記請求項のうちのいずれかの請求項に記載のデバイス。 - デバイスは、従来型の高真空ポンピングシステム、及び/又は、小型化された真空ポンプとして具体化されたポンピングデバイスを有し、
前記小型化された真空ポンプは、特に、小型化されたオービトロンポンプそして又は堆積ゲッター材料(108)として、高真空を作り出すことを特徴とする、
前記請求項のうちのいずれかの請求項に記載のデバイス。 - 前記デバイスは、THzエミッターセル(105)の両側の外に放射されるTHz放射線を有するTHzエミッターセル(105)として構築され、
例えば、並列の方向に放射線を向ける為の微細な金属メッシュ領域の形状のような放射される放射線の方向にそれぞれ傾いているTHz放射線ミラー(112)を使用し、対象物に焦点を当てる方法で放射線を供給する、少なくとも1つのTHz放射線集束レンズ(114)を使用することを特徴とする、
前記請求項のうちのいずれかの請求項に記載のデバイス。 - 前記デバイスは、少なくとも4つの壁を有する、共振器を有し、
前記共振器は、放出する波長を調整可能であり、かつ、少なくともそのうちの1つの壁(156)と少なくとも1つのアノード(158)が前記デバイスの周波数に合わせて移動可能であり、前記アノードは対応する壁への静的距離に位置する、ことを特徴とする、
前記請求項のうちのいずれかの請求項に記載のデバイス。 - 前記デバイスの同調性は、前記発振器回路の調節可能なキャパシタによって実現され、
共振壁及び前記アノードの位置によって、前記アノード及び少なくとも1つの移動可能な共振壁は、ニチノールステージのような機械的手段に接続され、
前記機械的手段は、前記発振器の容量を変更し、定義づけの為に移動可能な共振壁及び前記アノードを移動し、かつ、放出されるTHz放射線の波長を選択する為に、ニチノールワイヤー又はピエゾ効果駆動マイクロアクチュエーターにおいて、電流を使用することを特徴とする、
請求項5又は16に記載のデバイス。 - THz周波数で電磁放射を生成する為の、請求項1で定義されるデバイスの使用法。
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