JP7367450B2

JP7367450B2 - 仮想陰極発振管及び該仮想陰極発振管を用いた電磁波発生方法

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Publication number: JP7367450B2
Application number: JP2019189439A
Authority: JP
Inventors: 渉服部
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Priority date: 2019-10-16
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Publication date: 2023-10-24
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Description

本発明は、電磁波の出力効率を高めることが可能な仮想陰極発振管及び該仮想陰極発振管を用いた電磁波発生方法に関する。

電磁波を出力する発振装置として、マグネトロンの他、仮想陰極発振管と呼ばれる電子管が知られている。
例えば、仮想陰極発振管に関する技術として特許文献１～３に示される技術が開示されている。

特許文献１に示されるマイクロ波発生装置では、負電位をもつ内部導体を内部に有する高電圧大電流パルス発生装置、同パルス発生装置の先端の開口部に設けられた薄膜金属陽極、及び該開口部に接続された導波管等を備えた構成が採用されている。
パルス発生装置の内部導体の先端には、導波管内に入射しかつ導波管内部での集積により仮想陰極を形成するための電子ビームを発生させる球状陰極が設けられている。また、薄膜金属陽極面には導波管内部より球状陰極に向けて電子が戻ることを阻止するための反射防止板が設けられている。

特許文献２に示される仮想陰極マイクロ波発生器では、マイクロ波出力回路内に電子を生成する能力を持った複数の陰極を有する放射器が設けられている。そして、この放射器の陰極の各々から放射された電子ビームは、チャンバー内に仮想陰極を形成するための十分な電子密度を有しており、当該仮想陰極にて電子の運動エネルギーを共振モードでマイクロ波エネルギーに変換する。

特許文献３に示されるマイクロ波発生装置では、真空に保たれた導波管内に空間電荷制限電流を越える電子ビームを入射するための陰極が設けられている。そして、陰極から放射された電子ビームは、導波管の端内に設置された薄厚の陽極と、該導波管内にて陽極と間隔をおいて設置された複数のリフレクタとの間に、マイクロ波となる電磁波を発生させる仮想陰極発振器を複数形成する。
そして、このような特許文献３に示されるリフレクタ型のマイクロ波発生装置では、仮想陰極の形成される領域で捕捉されなかった電子を、さらにリフレクタで加速しかつ該リフレクタのメッシュを透過させて、次の仮想陰極を形成する。そして、このようなマイクロ波発生装置では、リフレクタでの加速、及び加速後の仮想陰極形成を繰り返すことによって、電子を有効に利用して、電磁波の出力効率を上げている。

特開平０５-２６６８１０号公報特表２００５-５０５１１２号公報米国特許出願公開第２０１７／００３２９２２号明細書

J. Walterx, J. Dickens, M. Kristiansen, "An "energy efficient" vircator-based HPM system," Proceedings of 2011 IEEE Pulsed Power Conference (2011)

上述した電磁波を出力する発振装置では、特許文献１～３に示されるような仮想陰極発振管に関する研究が進められているが、マグネトロン等の電子管の効率（電子管に入力した電力に対する出力電磁波の電力の比）として一般的に言及されている、４０～７０％には達しておらず、さらなる高効率化が望まれていた。
また、非特許文献１には反射三極管型の仮想陰極発振管の効率について記載されているが、未だ十分な水準に達していない。

一方、特許文献３に示されるリフレクタ型のマイクロ波発生装置では、リフレクタでの加速、及び加速後の仮想陰極形成を繰り返すことで、電子を有効に利用し、電磁波の出力効率を上げているものの、その効率が十分に上がったとは言えず、この点で改良されることが期待されていた。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、電磁波の出力効率をより高めることが可能な仮想陰極発振管及び該仮想陰極発振管を用いた電磁波発生方法を提供する。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の仮想陰極発振管では、主として、真空状態が維持された導波管の周縁部にて互いに向き合うように配置されかつ該導波管内に複数の陰極と、前記導波管内の陰極の間にて該陰極と間隔をおいて対向配置された複数の陽極端子を有する陽極と、前記陽極の陽極端子と電気的に接続され、陽極端子の間に設置されたリフレクタと、を具備していることを特徴とする。

本発明では、陰極、陽極電極及びリフレクタ間に形成された複数の仮想陰極にて、滞留及び閉じ込めた電子ビームの相乗作用により、高出力の電磁波を効率良く発生させることが可能となる。

本発明の仮想陰極発振管の概略構成を示す図である。本発明の第１実施形態の仮想陰極発振管を示す概略構成図である。基本形となる仮想陰極発振管を示す概略構成図である。反射三極管型の仮想陰極発振管を示す概略構成図である。リフレクタ型の仮想陰極発振管を示す概略構成図である。本発明の第２実施形態の仮想陰極発振管を示す概略構成図である。本発明の第３実施形態の仮想陰極発振管を示す概略構成図である。

本発明に係る仮想陰極発振管Ａの基本構成について、図１を参照して説明する。この仮想陰極発振管Ａは、導波管１、陰極２、陽極３及びリフレクタ４を主な構成要素とする。

導波管１は発振管の筐体（例えば、円筒状）であって、内部が真空に維持されている。
陰極２は真空状態が維持された導波管１の周縁部にて互いに向き合うように複数配置されたものであり（本例では２つの陰極を配置）、導波管１の陽極３内に電子ビームを入射する。
陽極３は導波管１内の陰極２の間にて該陰極２と間隔をおいて対向配置された複数の陽極端子３Ａ（本例では２つの陽極端子に分岐）を有している。
リフレクタ４は陽極端子３Ａ間にて該陽極端子３Ａと平行に位置し、かつ該陽極端子３Ａと電気的に接続されたものであって、導波管１内に入射された電子を加速する役割がある。

複数の陽極３の陽極端子３Ａ及びリフレクタ４の各間で、かつ間隙の長さ方向に沿う空間には、複数の陰極２から入射された電子を導波管１内に滞留させて電子を振動させ、この電子振動により電磁波Ｅを発生させる複数の仮想陰極Ｖが形成される。また、仮想陰極Ｖで発生した電磁波Ｅは導波管１に設けられた出力窓５から外部に出力される。

そして、以上のように構成された仮想陰極発振管Ａによれば、導波管１の周縁部にて互いに向き合うように配置された複数の陰極２の間に、陽極３の陽極端子３Ａと電気的に接続されたリフレクタ４を対向配置した。
さらに、これら陽極３の陽極端子３Ａ及びリフレクタ４の各間にて、陰極２から導波管１内に入射された電子を滞留して該電子を振動させ、この電子振動により電磁波Ｅを発生させる複数の仮想陰極Ｖを形成するようにした。
これにより、本発明の仮想陰極発振管Ａでは、陽極３の陽極端子３Ａ及びリフレクタ４の各間の複数の仮想陰極Ｖにて滞留及び閉じ込めた電子ビームの相乗作用により、高出力の電磁波Ｅを効率良く発生させることが可能となる。

（第１実施形態）
次に、本発明の第１実施形態に係る仮想陰極発振管１００（図２参照）について説明する。
まず、本発明に到るまでの関連技術の検討として、仮想陰極発振管１０（図３参照）、反射三極管型の仮想陰極発振管２０（図４参照）、リフレクタ型の仮想陰極発振管３０（図５参照）について、図３～図５を参照して順次説明する。

図３に示される基本形の仮想陰極発振管１０では、真空状態が維持されかつ接地された筐体１１の内部空間１１Ａに、筐体１１の図中左端に配置された陰極１２と、電子が透過できる導体、典型的には金属材料からなるメッシュ又は薄い金属膜で形成された陽極１３とが対向設置される。
本図では、メッシュで形成された陽極１３（以下、メッシュ陽極１３という）を一例として記載した。このようなメッシュ陽極１３では、形成するメッシュの開口率は強度等との兼ね合いもあり、典型的に６０％程度の開口値とすることが多い。その対向したメッシュ陽極１３の図中右側には仮想陰極発振管１０で発生した電磁波を取り出すための出力窓１４が設けられる。

図３の構成を有する基本形の仮想陰極発振管１０の動作について説明する。
高電圧パルス電源（不図示）から負の高電圧パルスを陰極１２に印加すると、接地されている筐体１１と電気的に接続されたメッシュ陽極１３に向けて、陰極１２から電子ビームが照射され、メッシュ陽極１３に向かって加速される。この電子ビームの一部はメッシュ陽極１３を形成するメッシュに衝突することなく、メッシュ陽極１３を透過する。
このメッシュ陽極１３を透過した電子ビームはメッシュ陽極１３に向かう静電力を受けるため、減速し、ついには反転して再度メッシュ陽極１３に向かって加速される。この反転を伴う挙動の際に、電子ビームを形成する電子の速度が０となり、電子が滞留する領域が現れる。この領域に形成される電子の滞留は仮想陰極ＶＡと呼ばれ、あたかも陰極１２がそこに存在するかのように、電子ビームの供給源として動作する。

このようにして、電子ビームは陰極１２と仮想陰極ＶＡとの間をメッシュ陽極１３によって加速されながら往復運動、すなわち振動することとなる。電子は負の電荷をもった荷電粒子であるため、振動する加速度運動をすると、電磁波を放出する。そして、仮想陰極発振管１０ではこの電磁波を出力窓１４から取り出すことにより、電磁波を発生することになる。なお、その他の電磁波発生の要因として、仮想陰極自身の振動も挙げられるが、本発明には直接関係しないため、説明を省略する。

次に、反射三極管型の仮想陰極発振管２０について図４を参照して説明する。
反射三極管型の仮想陰極発振管２０では、接地されている筐体２１の周縁部に陰極２２が電気的に接続されるとともに、該筐体２１の中心部にメッシュ陽極２３Ａを有する陽極電極２３が配置される。

そして、陽極電極２３に正の高電圧パルスが印加された場合には、陽極電極２３と電気的に接続されたメッシュ陽極２３Ａにも高電圧パルスが印加される。このメッシュ陽極２３Ａの高電圧により陰極２２から電子ビームが引き出され、メッシュ陽極２３Ａに向かって加速される。この電子ビームの一部はメッシュ陽極２３Ａを形成するメッシュに衝突することなく、メッシュ陽極２３Ａを透過し、仮想陰極ＶＢを形成する。
従って、電子ビームは陰極２２と仮想陰極ＶＢとの間にてメッシュ陽極２３Ａによって加速されながら振動し、出力窓２４から発生した電磁波を出力する。

なお、図３で示した、基本形の仮想陰極発振管１０で印加される高電圧パルスの電力は、陰極１２に流す電流と、陰極１２とメッシュ陽極１３の間に印加する電圧の積で与えられ、この電力で仮想陰極発振管１０を駆動する電子ビームが形成される。
一方、本例の反射三極管型の仮想陰極発振管２０は、以下のように高効率化される。すなわち、メッシュ陽極２３Ａを形成するメッシュの開口率は、典型的に６０％程度とすることが多いため、最も単純化すると、電子ビームの６０％程度が透過すると考えられる。逆にメッシュ陽極２３Ａに流れる電流は電子ビームの内の４０％程度となる。

従って、メッシュ陽極２３Ａに印加される高電圧パルスの電力は、電子ビームを形成する電力の４０％程度となる。すなわち、電子ビームは、メッシュ陽極２３Ａに印加される高電圧パルスの電力の２．５倍程度の電力で形成され、この電力で仮想陰極発振管２０を駆動する。
ここで、電子ビームを形成する電力と、仮想陰極発振管２０で発生する電磁波の電力が単純に比例すると考えた場合、反射三極管型の仮想陰極発振管２０の効率は、基本形の仮想陰極発振管１０の２．５倍となる。
実際、非特許文献（J. Walterx, J. Dickens, M. Kristiansen, “An “energy efficient” vircator-based HPM system,” Proceedings of 2011 IEEE Pulsed Power Conference (2011)）に記載の効率は、基本形の３倍程度の値となっており、実験的に示された仮想陰極発振管２０の効率としては最高の値となっている。

さらに、反射三極管型の仮想陰極発振管２０は、筐体２１の全体が陰極２２と同電位になっており、電子ビームの散逸を抑制することができる。一方、基本形の仮想陰極発振管１０では、陰極１２から出た電子ビームは、メッシュ陽極１３のみならず、メッシュ陽極１３と同電位の筐体１１の壁面にも引き付けられ、電子ビームの一部は筐体１１の壁面に向かって散逸する。
一方、反射三極管型の仮想陰極発振管２０では、筐体２１全体が陰極２２と同電位のため、筐体２１の壁面が電子ビームと反発することで、電子ビームの散逸を抑制でき、このことも効率の向上に寄与している。

次に、リフレクタ型の仮想陰極発振管３０について図５を参照して説明する。
リフレクタ型の仮想陰極発振管３０では、真空状態が維持されかつ接地された筐体３１の内部空間３１Ａに、陰極３２と、電子が透過できる金属メッシュ又は薄い金属膜で形成されたメッシュ陽極３３とが対向設置される構成であり、ここまでは基本形の仮想陰極発振管１０と同様である。
しかし、本例で示されるリフレクタ型の仮想陰極発振管３０では、陰極３２と対向するメッシュ陽極３３の図中右側に、さらにリフレクタ３４と呼ばれる金属メッシュが配置される。メッシュ陽極３３を透過した電子は、全てメッシュ陽極３３の近傍位置で仮想陰極ＶＣを形成するのではなく、一部がさらに遠くまで飛行する。これは陰極３２内の電子のエネルギー分布等に起因する陰極３２から放出された際の初速等により説明される。

このため、仮想陰極発振管３０では、メッシュ陽極３３の近傍位置にある仮想陰極ＶＣの領域で捕捉されなかった電子を、さらにリフレクタ３４で加速するとともに、該リフレクタ３４のメッシュを透過させて、次の領域にて仮想陰極ＶＣを形成する。
これを繰り返すことにより、本例の仮想陰極発振管３０では、基本形では散逸していた電子を有効に利用し、出力窓３５から放出する電磁波の出力効率を上げることができる。
具体的には、リフレクタ型の仮想陰極発振管３０では、基本型の仮想陰極発振管１０と比較して７倍程度の効率（２１％）を荷電粒子シミュレーションにより示したと論文発表されている。

以上のような仮想陰極発振管１０，２０及び３０では高効率化の研究が行われているにもかかわらず、マグネトロン等の高効率電子管の効率（典型的に４０～７０％）には届いておらず、さらなる高効率化が望まれていた。
すなわち、本発明の実施形態に示される仮想陰極発振管１００，２００及び３００は、上述した仮想陰極発振管１０，２０及び３０の効率を上回ることを目的として構築されるものであって、より具体的な構成について以下に詳細に説明する。

まず、第１実施形態の仮想陰極発振管１００は、図２に示されるように、真空状態が維持されかつ接地された導波管１０１の内部に、複数の陰極１０２（本例では３個の陰極１０２Ａ～１０２Ｃ）が配置された構成を有する。
導波管１０１は発振管筐体（例えば、円筒状）であって、内部が真空状態に維持されている。
陰極１０２は、真空状態が維持された導波管１０１の周縁部にて互いに向き合うように複数配置された第１の陰極１０２Ａ、第２の陰極１０２Ｂ及び第３の陰極１０２Ｃを有し、導波管１０１の陽極端子１０６及びリフレクタ１０７（後述する）内に電子ビームを入射する。

第１の陰極１０２Ａは導波管１０１の上側から下向きに電子を放出し、第２の陰極１０２Ｂは上部と下部から各々上下に電子を放出し、第３の陰極１０２Ｃは下側から上向きに電子を放出する。
なお、第２の陰極１０２Ｂは、紙面に垂直となる方向に導波管１０１に対する支持構造が伸び、導波管１０１に固定される構造となっている。第２の陰極１０２Ｂの中央の円１０２ｂはその支持構造の断面を示している。
また、これら陰極１０２Ａ～１０２Ｃは、導波管１０１の周縁部にて径方向に沿う方向（導波管１０１が円筒状である場合には半径方向）で互いに向き合うように配置されている。

また、導波管１０１内には、陽極１０３が配置されている。
陽極１０３は、導波管１０１の中心部にある軸線αに沿うように位置し、かつ正の高電圧パルスの電圧が印加される陽極電極１０４と、該陽極電極１０４から分岐された電極分岐部１０５と、電極分岐部１０５に片持ちで接続された複数の陽極端子１０６とからなる。
陽極電極１０４は電極分岐部１０５によって上下２段の階層構造を形成し、これら上下２段の各段の電極分岐部１０５には、４つの陽極端子１０６（各段で２つ、合計４つ）がそれぞれ配置されている。
すなわち、本例では、陽極１０３の陽極端子１０６及びリフレクタ１０７により２段４分岐構造に形成されている。

また、陽極１０３の電極分岐部１０５であり、かつ各段の２つの陽極端子１０６間には、導波管１０１内に入射された電子を加速する２つのリフレクタ１０７が片持ちでかつ電気的に接続されている。
陽極１０３の陽極端子１０６及びリフレクタ１０７は、共に、電子が透過できる金属メッシュにより軸線α方向に沿うように形成されており、導波管１０１の軸線αに沿い互いが平行となり、かつ向かい合う陰極１０２に対して対向する位置関係に設けられている。
また、陽極１０３と反対側に位置する導波管１０１の端部には電磁波を出力する出力窓１０８が設けられているが、その設置箇所は仮想陰極Ｖ１（後述する）の形成箇所に対応して適宜設定可能である。

なお、本実施形態では電子が透過できる陽極端子１０６及びリフレクタ１０７として、強度、耐熱性等において薄い金属膜より優れた金属メッシュを挙げたが、これに限るものではない。
例えば、陽極端子１０６及びリフレクタ１０７として、強度、耐熱性等において問題を生じないのであれば、基本形の仮想陰極発振管１０で用いられることのある、電子が透過できるほど薄い金属膜で形成しても良い。
また、金属メッシュの開口率は高いほど高効率化するため、強度、耐熱性等において許される限り、高く設定すると良い。また、平行に並ぶ４つの陽極端子１０６とリフレクタ１０７のメッシュ開口は軸線αと直交する方向に対して揃えることが望ましく、これにより陽極端子１０６への電子ビームの衝突が少なくなり、電子ビームの利用効率が向上する。

また、金属メッシュの材料は、ベリリウム（原子番号４）、ボロン（原子番号５）、炭素（原子番号６）といった、例えば鉄より原子番号の小さい元素からなる材料、又はそれら原子番号の元素を含む材料を選択することが望ましい。
これは、陽極端子１０６やリフレクタ１０７を構成する原子に加速された電子が衝突することによって生じるＸ線の中の特性Ｘ線について、電子が衝突した原子の原子番号が小さい程、エネルギーが低くなり、導波管１０１や、導波管１０１の他端部に位置する出力窓１０８を通じて導波管１０１外へ漏洩することを防止できるからである。

そして、上記仮想陰極発振管１００では、互いに向かい合う複数の陰極１０２から放出されかつ陽極端子１０６やリフレクタ１０７の高電圧で加速された電子ビームの一部が、陽極１０３の各段に形成された陽極端子１０６やリフレクタ１０７に高エネルギーで衝突する。
このとき、上記仮想陰極発振管１００では、陽極端子１０６及びリフレクタ１０７の各間でかつ間隙の長さ方向に沿う空間に、互いに向かい合う複数の陰極１０２から入射された電子を導波管１０１内に滞留させて電子を振動させ、この電子振動により電磁波を発生させる複数の仮想陰極Ｖ１を形成することができる。
また、仮想陰極Ｖで発生した電磁波は、導波管１に設けられた出力窓１０８を通じて外部に出力される。
このとき、上記仮想陰極発振管１００では、陽極１０３の陽極端子１０６及びリフレクタ１０７の各間の複数の仮想陰極Ｖ１にて滞留及び閉じ込めた電子ビームの相乗作用により、高出力の電磁波が発生される。

以上詳細に説明した仮想陰極発振管１００では、反射三極管型とリフレクタ型の仮想陰極発振管の特徴を併せ持つため、高効率な仮想陰極発振管を提供することができる。
また、上記仮想陰極発振管１００では、複数の陰極１０２が互いに向き合うように配置されるという構成により、対向する陰極１０２間に電子ビームを閉し込めて該電子ビームの散逸を抑制することができ、単なる反射三極管型とリフレクタ型の組み合わせ以上の高効率化の効果をもたらすことができる。

また、上記仮想陰極発振管１００では、陰極１０２から放出され、陽極端子１０６やリフレクタ１０７の高電圧で加速された電子ビームの一部が、陽極端子１０６やリフレクタ１０７内の原子に高エネルギーで衝突した際に、Ｘ線を発生する。
このＸ線の内、特性Ｘ線は、電子が衝突した陽極端子１０６やリフレクタ１０７内の原子の原子番号が小さいほどエネルギーが低くなり、真空状態が維持された導波管１０１の真空容器や出力窓１０８により、容易に減弱し、導波管１０１外に漏洩するＸ線を十分弱くすることができる。

従って、上記仮想陰極発振管１００では、基準値より低く漏洩Ｘ線の線量を抑制できれば、人体への安全性が高まり、管理区域の設定、管理も必要なくなる。
特に陽極端子１０６やリフレクタ１０７にて、ベリリウム（原子番号４）、ボロン（原子番号５）、炭素（原子番号６）といった原子番号の小さい元素からなる導電材料を選択することで、エネルギー強度の高いＫα線の波長を抑え、導波管１０１外への漏洩を防止することができる。また、これら材料で構成される陽極端子１０６やリフレクタ１０７は耐熱性等にも優れ、電子ビームの衝突等による加熱に対しても強いという利点がある。

なお、本実施形態では、陽極１０３の陽極端子１０６及びリフレクタ１０７により２段４分岐構造の階層構造を形成したが、階層構造の段数、分岐数は本例に限定されるものではなく、陽極電極１０４に印加する正の高電圧パルスの電圧や、メッシュ陽極端子１０６とリフレクタ１０７の電子透過率等に対応して自由に変更することが可能である。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る仮想陰極発振管２００について図６を参照して説明する。
なお、以下において第１実施形態と構成を共通にする箇所に同一符号を付して、重複した説明を省略する。

第２実施形態に係る仮想陰極発振管２００が、第１実施形態に係る仮想陰極発振管１００と構成を異にする点は、陰極１０２を上下２個とし、かつ陽極１０３の陽極電極１０６を１段からなる２つ１組の陽極端子１０６とした点にある。

陰極１０２は真空状態が維持された導波管１０１の周縁部にて互いに向き合うように配置された陰極１０２Ａ及び陰極１０２Ｃからなる。
陰極１０２Ａは導波管１０１内の上側から下向きに電子を放出し、陰極１０２Ｃは導波管１０１内の下側から上向きに電子を放出する。

陽極１０３は電極分岐部１０５によって１段の階層構造を形成し、該電極分岐部１０５には、２つの陽極端子１０６が配置されている。
また、陽極１０３における２つの陽極端子１０６間には、導波管１０１内に入射された電子を加速する複数のリフレクタ１０７（本例では３つのリフレクタ１０７）が電気的に接続されている。
陽極１０３の陽極端子１０６及びリフレクタ１０７は、共に、電子が透過できる金属メッシュにより形成されており、陰極から電子を引き出す機能を持つ部分を陽極端子１０６、引き出された電子の速度を制御する機能を持つ部分をリフレクタ１０７と称している。また陽極１０３の陽極端子１０６及びリフレクタ１０７は、導波管１０１の軸線αに沿うように互いが平行となる位置関係にあり、かつ陰極１０２に対して対向するように設けられている。
すなわち、本例では、陽極１０３の陽極端子１０６及びリフレクタ１０７により１段５分岐構造に形成されている。

以上のような第２実施形態に係る仮想陰極発振管２００では、真空状態とされた導波管１０１の内部に、電子が透過できる金属メッシュで形成された２つの陽極端子１０６と、その間に３つのリフレクタ１０７とを、陰極１０２の電子放出面の間に平行に並べて設置するようにした。
そして、上記仮想陰極発振管２００では、仮想陰極発振管１００と同様、陽極端子１０６及びリフレクタ１０７の各間でかつ間隙の長さ方向に沿う空間に、互いに向かい合う複数の陰極１０２から入射された電子を導波管１０１内に滞留させて電子を振動させ、この電子振動によりパルス状の電磁波を発生させる複数の仮想陰極Ｖ１を形成することができる。
その結果、上記仮想陰極発振管２００では、陽極１０３の陽極端子１０６及びリフレクタ１０７の各間の複数の仮想陰極Ｖ１にて滞留及び閉じ込めた電子ビームの相乗作用により、高出力の電磁波を発生させることが可能となる。

なお、本実施形態では、陽極１０３の陽極端子１０６及びリフレクタ１０７により１段５分岐構造の階層構造を形成したが、階層構造の段数、分岐数は本例に限定されるものではなく、陽極電極１０４に印加する正の高電圧パルスの電圧や、メッシュ陽極端子１０６とリフレクタ１０７の電子透過率等に対応して自由に変更することが可能である。例えば、リフレクタ１０７の個数は３つではなく、これ以上に設定しても良い。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る仮想陰極発振管３００について図７を参照して説明する。

第３実施形態に係る仮想陰極発振管３００が、第１実施形態に係る仮想陰極発振管１００と構成を異にする点は、陰極１０２を上下２個とし、かつ陽極１０３の陽極電極１０６及びリフレクタ１０７を２段２分岐構造として略等長に接続した点にある。

陰極１０２は、真空状態が維持された導波管１０１の周縁部にて互いに向き合うように複数配置された陰極１０２Α及び陰極１０２Ｃからなる。
陰極１０２Ａは導波管１０１内の上側から下向きに電子を放出し、陰極１０２Ｃは導波管１０１内の下側から上向きに電子を放出する。
また、導波管１０１の内部には、電子が透過できる金属メッシュで形成された２分岐の陽極端子１０６と、その間に配置された２つのリフレクタ１０７とが陰極１０２の電子放出面の間に軸線αに沿うように互いに平行に設置されている。

また、仮想陰極発振管３００では、陽極端子１０６とリフレクタ１０７との分岐が２のＮ乗（Ｎは整数）となる階層構造に形成されている。
具体的には、本例の仮想陰極発振管３００では、合わせて４個（＝２^２個）の陽極端子１０６とリフレクタ１０７とが、２分岐部を経由して、略等長の導体を介して電気的に接続される。この構成により、陽極電極１０４に印加された正の高電圧パルスは２分岐構造を経て合計４個の陽極端子１０６とリフレクタ１０７の各々に略同位相で伝達される。
従って、上記仮想陰極発振管３００では、対向する陰極１０２と仮想陰極Ｖ１、あるいは対向する仮想陰極Ｖ１間を往復運動する際の電子ビームの位相を略揃えることができる。
なお、２分岐構造を採用した理由は、等長配線を容易に実現しやすく、略同位相での高電圧パルスの伝達を容易に実現しやすいためである。したがって、陽極端子とリフレクタに略同位相で高電圧パルスを伝達できれば、その他の構造でもよい。また、陽極端子とリフレクタに略同位相で高電圧パルスを伝達するために、２分岐構造を採用することなく、陽極端子とリフレクタを略等長で配線してもよい。
その結果、上記仮想陰極発振管３００では、電子の往復運動に伴って放出される電磁波の位相も略揃えることができるため、電磁波の出力が増加し、高効率な仮想陰極発振管を提供することができる。

なお、この２分岐構造においては、２分岐前の構造のインダクタンスと、２分岐後の構造の各インダクタンスの合計は一致させることが望ましく、これにより高電圧パルスを伝送する際、２分岐構造前後のインピーダンス不整合を抑制し、反射を少なくした伝送が可能となる。
また、上記仮想陰極発振管３００では、絶縁のため、２分岐構造は真空中で片持ち梁の構造となるため、寄生キャパシタンスがインピーダンスに与える影響は十分小さく、インダクタンスを揃えることでインピーダンス整合を取ることもできる。
また、上記仮想陰極発振管３００では、高電圧パルスを構成する周波数成分の高低により、インダクタンスの揃え方は異なる。その際、２分岐構造を構成する金属の表皮厚さが構造の太さより十分大きい場合には、２分岐前の構造の断面積と２分岐後の構造の各断面積の和を揃えるようにすれば良い。

一方、２分岐構造を構成する金属の表皮厚さが構造の太さより十分小さい場合には、２分岐前の構造の周囲の長さと２分岐後の構造の各周囲の長さの和を揃えるようにすれば良い。なお、必ずしも周囲の長さではなくとも、２分岐構造の前後が、円柱であれば直径や半径でも、又は四角柱であればその一片の長さを、周囲の長さの代わりに採用することができる。更に望ましくは、電磁界シミュレーション等を事前に行い、反射が少なくなるよう設計することが望ましい。

そして、以上のように構成された仮想陰極発振管３００では、上述した仮想陰極発振管１００，２００と同様、陽極端子１０６及びリフレクタ１０７の各間でかつ間隙の長さ方向に沿う空間に、互いに向かい合う複数の陰極１０２から入射された電子を導波管１０１内に滞留させて電子を振動させ、この電子振動によりパルス状の電磁波を発生させる複数の仮想陰極Ｖ１を形成することができる。
その結果、上記仮想陰極発振管２００では、陽極１０３の陽極端子１０６及びリフレクタ１０７の各間の複数の仮想陰極Ｖ１にて滞留及び閉じ込めた電子ビームの相乗作用により、高出力の電磁波を発生させることが可能となる。

なお、本実施形態では、陽極１０３の陽極端子１０６及びリフレクタ１０７により２段２分岐構造の階層構造（又は２のｎ乗となる階層構造）を形成したが、階層構造の段数、分岐数は本例に限定されるものではなく、陽極電極１０４に印加する正の高電圧パルスの電圧や、メッシュ陽極端子１０６とリフレクタ１０７の電子透過率等に対応して自由に変更することが可能である。

以下に実施形態と本発明の従属請求項に対応した効果を記載する。
本実施形態では、導波管１０１が円筒状である場合に、該導波管１０１の周縁部にて半径方向に沿う方向で互いに向き合うように陰極１０２を配置することで、陰極１０２の位置決めを容易とすることができる。
また、本実施形態では、陽極１０３と反対側に位置する導波管１０１の端部のいずれかに、仮想陰極Ｖ１から発生した電磁波Ｅを外部に出力するための出力窓１０８が形成されていることで、任意の方向へ電磁波Ｅを出力させることができる。
また、本実施形態では、陽極１０３の陽極端子１０６及びリフレクタ１０７を略等長に配線することで、陰極１０２と仮想陰極Ｖ１、あるいは互いに向き合う仮想陰極１０２間を往復運動する電子の位相を略揃え、電子の往復運動に伴って放出される電磁波の位相も略揃えることができる。
また、本実施形態では、陽極１０３の陽極端子１０６と、該陽極１０３の陽極端子１０６と電気的に接続されたリフレクタ１０７とを、分岐部を介して２のＮ乗（Ｎは整数）となる数の階層構造に設けることで、容易に陽極端子１０６及びリフレクタ１０７を略等長に配線でき、同様に電子の往復運動に伴って放出される電磁波の位相も略揃えることができる。
また、本実施形態では、陽極１０３及びリフレクタ１０７をメッシュ構造に形成することで、電子ビームの通り抜け及び加速を容易とする。
また、本実施形態では、陽極１０３とリフレクタ１０７を構成する導体を、鉄より原子番号の小さい元素の導電材料から形成するようにした。
具体的には、本実施形態では、陽極１０３とリフレク１０７タを構成する導体の構成元素の原子番号は４、５、６又はそれら原子番号の元素を含む材料から形成した。
これにより陽極端子１０６やリフレクタ１０７内の原子に衝突することによって生じるＸ線の中の特性Ｘ線について、電子が衝突した原子の原子番号が小さい程、エネルギーが低くなり、真空状態が維持された導波管１０１や、導波管１０１の他端部に位置する出力窓１０８を通じて導波管１０１外へ漏洩することを防止できる

以上、本発明を上記実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは言うまでもない。

本発明は、電磁波の出力効率を高めることが可能な仮想陰極発振管及び仮想陰極を用いた発振方法に関する。

１導波管
２陰極
３陽極
３Ａ陽極端子
４リフレクタ
５出力窓
１００仮想陰極発振管
１０１導波管
１０２陰極
１０２Ａ陰極
１０２Ｂ陰極
１０２Ｃ陰極
１０３陽極
１０４陽極電極
１０５電極分岐部
１０６陽極端子
１０７リフレクタ
１０８出力窓
２００仮想陰極発振管
３００仮想陰極発振管
Ａ仮想陰極発振管
α 軸線
Ｅ電磁波
Ｖ仮想陰極
Ｖ１仮想陰極

Claims

導波管の周縁部にて互いに向き合うように配置された複数の陰極と、
前記導波管内の陰極の間にて該陰極と間隔をおいて対向配置された複数の陽極端子を有する陽極と、
前記陽極の陽極端子と電気的に接続されたリフレクタと、を具備しており、
前記リフレクタは、前記陽極端子の間に設置されたことを特徴とする仮想陰極発振管。
前記陰極は、前記導波管が円筒状である場合に、該導波管の周縁部にて半径方向に沿う方向で互いに向き合うように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の仮想陰極発振管。
前記陽極と反対側に位置する前記導波管の端部のいずれかには、発生した電磁波を外部に出力するための出力窓が形成されていることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の仮想陰極発振管。
前記陽極の陽極端子及び前記リフレクタを略等長に接続していることを特徴とする請求項１に記載の仮想陰極発振管。
前記陽極の陽極端子と、該陽極の陽極端子と電気的に接続されたリフレクタとは、分岐部を介して２のＮ乗（Ｎは整数）となる数の階層構造に設けられることを特徴とする請求項４に記載の仮想陰極発振管。
前記陽極及びリフレクタはメッシュ構造に形成されることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の仮想陰極発振管。
前記陽極とリフレクタを構成する導体は、鉄より原子番号の小さい元素の導電材料からなることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の仮想陰極発振管。
前記陽極とリフレクタを構成する導体の構成元素の原子番号は４、５、６又はそれら原子番号の元素を含む材料からなることを特徴とする請求項７に記載の仮想陰極発振管。
真空状態が維持された導波管の周縁部に複数の陰極を互いに向き合うように配置した上で、該導波管内の陰極の間にて、該陰極と間隔をおいて複数の陽極端子と該陽極端子に導通されたリフレクタとを対向配置した仮想陰極発振管を用い、この状態で、前記陽極端子及びリフレクタ間に位置する間隙部に、当該間隙部の長さ方向に沿うように仮想陰極を形成することを特徴とする電磁波発生方法。