JP7542486B2

JP7542486B2 - 電子ビーム発生装置

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Publication number: JP7542486B2
Application number: JP2021079481A
Authority: JP
Inventors: 裕次宮下; 絵理服部; 泰佑服部; 俊殿岡
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-05-10
Filing date: 2021-05-10
Publication date: 2024-08-30
Anticipated expiration: 2041-05-10
Also published as: JP2022173651A

Description

本願は、電子ビーム発生装置に関する。

Ｘ線発生装置、マイクロ波発振装置などには電子ビーム発生装置が備えられている。これらの装置に用いられる電子ビーム発生装置は、数Ａ以上の大電流の電子ビームを発生させる。電子ビーム発生装置においては、陰極から出射された電子ビームは一部が金属で構成された陽極に衝突する。陽極に衝突した電子ビームのエネルギーは、陽極表面で熱に変換されて吸収される。陽極表面で発生した熱は陽極を溶融させるため陽極が変形する。陽極が変形すると電子ビームの電流量が不安定になり、さらに陽極の変形が進行すると電子ビームが出力されなくなる場合がある。その場合は、陽極の交換が必要となる。電子ビーム発生装置の陰極と陽極とは高真空の真空容器内に配置されている。そのため、陽極の交換には真空容器の大気開放を伴うと共に陽極の交換後には真空容器内を高真空に真空引きする必要がある。このように、陽極の交換作業は長時間を要するため、電子ビーム発生装置の稼働時間が制限されるという問題あった。

このような問題に対処した従来の電子ビーム発生装置として、円盤状の陽極を用いた構造が開示されている。この電子ビーム発生装置においては、円盤状の陽極を回転させて電子ビームの衝突による熱負荷を拡散させて陽極の変形を防いでいる（例えば、特許文献１参照）。

米国特許第８１２１２５８号明細書

しかしながら、従来の電子ビーム発生装置においては、電子ビームの電流が大きくなると陽極が回転していても電子ビームが照射された部分の熱変形は避けられず、回転して何度も電子ビームに照射されると陽極の熱変形が進行する。そのため、長時間安定した電流の電子ビームが確保できないという問題がある。電子ビームが照射される回数を減らすためには円盤状の陽極の径を大きくすることが考えられるが、その場合は装置が大型になるという問題がある。つまり、従来の電子ビーム発生装置においては、長時間安定した電流の電子ビームの確保と、装置の大型化を抑制することとが両立できなかった。

本願は、上述の課題を解決するためになされたもので、小型で長時間安定した電流の電子ビームが得られる電子ビーム発生装置を提供することを目的とする。

本願の電子ビーム発生装置は、電子ビームを出射する陰極と、陰極と電気的に絶縁されたテープ状陽極と、陰極とテープ状陽極との間に高電圧を印加して陰極から出射された電子ビームをテープ状陽極に向けて加速する高電圧電源と、陰極およびテープ状陽極を真空中に保持する真空容器とを備えている。そして、テープ状陽極は、送り出し機構から送り出されて巻き取り機構に巻き取られることで搬送され、陰極とテープ状陽極との間にコリメータをさらに備え、コリメータの陰極と対向する面が樹脂で構成されている。

本願の電子ビーム発生装置は、テープ状陽極が送り出し機構から送り出されて巻き取り機構に巻き取られて搬送され、陰極とテープ状陽極との間にコリメータをさらに備え、コリメータの陰極と対向する面が樹脂で構成されているので、小型で長時間安定した電流の電子ビームが得られる。

実施の形態１に係る電子ビーム発生装置の断面模式図である。実施の形態１に係るテープ状陽極の模式図である。実施の形態１に係る電子ビーム発生装置の断面模式図である。実施の形態１に係る電子ビーム発生装置の断面模式図である。実施の形態２に係るＸ線発生装置に応用した電子ビーム発生装置の断面模式図である。実施の形態３に係るクライストロン型のマイクロ波発振器に応用した電子ビーム発生装置の断面模式図である。実施の形態４に係る進行波管型のマイクロ波発振器に応用した電子ビーム発生装置の断面模式図である。実施の形態５に係る仮想陰極発振器型のマイクロ波発振器に応用した電子ビーム発生装置の断面模式図である。

以下、本願を実施するための実施の形態に係る電子ビーム発生装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一符号は同一もしくは相当部分を示している。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電子ビーム発生装置の断面模式図である。図１に示すように、本実施の形態の電子ビーム発生装置１は、電子ビームを出射する陰極２と、陰極２と電気的に絶縁されたテープ状陽極３と、陰極２とテープ状陽極３との間に高電圧を印加して陰極２から出射された電子ビームをテープ状陽極３に向けて加速する高電圧電源４と、陰極２およびテープ状陽極３を真空中に保持する真空容器５とを備えている。真空容器５の一部は絶縁部材５ａで構成されており、この絶縁部材５ａで陰極２とテープ状陽極３とが電気的に絶縁されている。真空容器５の内部は、真空排気装置６で真空排気されている。

図１において白矢印で示すように、テープ状陽極３は送り出し機構７から送り出されて巻き取り機構８に巻き取られて搬送される。高電圧電源４は、陰極２とテープ状陽極３との間に数ｋＶ～数ＭＶの電圧を印加する。陰極２から放出された電子は、電子ビームとなってテープ状陽極３に向かって加速される。テープ状陽極３に向かって加速された電子ビームは、テープ状陽極３を通過して標的９に到達する。標的９の電位は、テープ状陽極３の電位と同じに設定されている。

陰極２とテープ状陽極３との間には、金属製のコリメータ１０が設置されている。このコリメータ１０は、陰極２から放出された電子ビームがテープ状陽極３以外の部分に照射されることを防ぐために設置されている。コリメータ１０は、その中央にテープ状陽極３の幅と同じかそれよりも小さい幅の穴を有している。この穴の形状は、円形でも四角形でもよい。コリメータ１０の電位は、テープ状陽極３の電位と同じに設定されている。

陰極２は、次に述べる４つの方式のいずれの陰極である。ただし、これ以外の方式の陰極であってもよい。１つ目の方式は熱陰極である。この熱陰極は、タングステン、タンタル、トリウムタングステンなどの金属材料からなるフィラメント型の陰極である。このフィラメント型の陰極の形状は直線形状、ヘアピン形状、メッシュ形状、リボン形状などである。このフィラメント型の陰極に電流を通電することでフィラメントを加熱し、このフィラメントから放出される熱電子を電子ビームとして引き出す。２つ目の方式は電界放出型陰極である。この電界放出型陰極は、タングステンなどの高融点の金属材料の先端がとがった針状構造を１つもしくは複数配置し、電界放出によりその針状構造の先端から電子ビームを引き出す。３つ目の方式はプラズマ陰極である。このプラズマ陰極は、ビームの引き出し方向に穴が開いた円筒空洞型の電極で、その内部をプラズマで満たしそのプラズマから電子ビームを引き出す。４つ目の方式は短パルスプラズマ陰極である。この短パルスプラズマ陰極はアルミニウム、真鍮、ステンレス、タングステン、モリブデン、チタンなどの金属材料で構成された１～１０ｃｍの円柱形状、角柱形状、ロゴウスキー電極形状の陰極であり、平坦な金属面をそのまま陰極として用いている。それ以外の形状の陰極として、ステンレスなど金属の剣山構造、金属表面にパイルを使用した毛足をもつ生地、金属表面にグラファイト、配向性カーボンナノチューブシート、炭素繊維などを電磁植毛した板を貼り付けた構造、または金属表面に炭素繊維などを直接電磁植毛した構造をもつ陰極でもよい。この短パルスプラズマ陰極では、陰極と引き出し電極との間に１００ｎｓｅｃ程度のパルス幅で数ｋＶ～数ＭＶのパルス電圧を印加することで陰極表面にプラズマを発生させ、このプラズマから電子ビームを引き出す。

テープ状陽極３は、例えば厚さが約１０μｍの樹脂フィルムに金属膜を蒸着したものを用いることができる。陰極２とテープ状陽極３との間の電位差から計算される電子エネルギーを用いて計算される電子ビームの飛程よりもテープ状陽極３の樹脂フィルムの厚さを薄くする。このように設定することで、電子ビームのエネルギーの一部はテープ状陽極３で減衰されるが、電子ビームの大半はテープ状陽極３を透過して標的９に到達する。テープ状陽極３としては、樹脂フィルムを用いる代わりに開口部を有する金属シートを用いることができる。開口部を有する金属シートとして、例えば金属メッシュ、パンチングメタル、微細な穴をエッチング加工したシート状の金属などを用いることができる。金属シートを用いたテープ状陽極３においては、金属部分に衝突した電子ビームのエネルギーはほとんどそこで減衰されるが、開口部を通過した電子ビームのエネルギーは減衰されることなく標的９に到達する。

図２は、本実施の形態に係るテープ状陽極の模式図である。図２に示すように、テープ状陽極３は、送り出し機構７から送り出されて巻き取り機構８に巻き取られる。送り出し機構７と巻き取り機構８との間には複数のガイドローラ１１が設けられている。また、送り出し機構７と巻き取り機構８との間には電子ビームが入射する位置のテープ状陽極３の張りを調整するテンション調整機構１２が備えられている。巻き取り機構８がテープ状陽極３を巻き取るとテープ状陽極３にテンションがかかり、テンション調整機構１２内のアーム１２ａが変位する。テンション調整機構１２はアーム１２ａの変位量を検知し、その情報を送り出し機構７に送る。送り出し機構７は、その情報を受けてテープ状陽極３を送り出す。送り出し機構７からテープ状陽極３が補給されることでテンションが解消されテンション調整機構１２内のアーム１２ａが元の位置まで戻る。このような動作をさせることでテープ状陽極３にたるみが発生することなく、テープ状陽極３を搬送させることができる。なお、図２に示すテープ状陽極３における送り出し機構７、巻き取り機構８、ガイドローラ１１、テンション調整機構１２などの配置および個数は一例であり、必要に応じて変更可能である。

本実施の形態の電子ビーム発生装置１の動作について説明する。テープ状陽極３の送り出し機構７および巻き取り機構８は停止しているとする。この状態で高電圧電源４が陰極２とテープ状陽極３との間に高電圧を印加して電子ビームの発生を開始させる。ある一定時間に渡って電子ビームを発生させると、電子ビームが照射されたテープ状陽極３の表面が損傷する。そのため、電子ビームが照射される位置のテープ状陽極３を搬送させて、電子ビームが照射される表面を損傷していない新たな表面とする必要がある。このとき、巻き取り機構８がテープ状陽極３を巻き取ることで電子ビームが照射される位置のテープ状陽極３を搬送させて、電子ビームが照射される表面を損傷していない新たな表面とすることができる。電子ビームが照射される位置のテープ状陽極３を搬送させるタイミングは、電子ビームが照射される累積時間で判断することができる。

図３は、本実施の形態の別の電子ビーム発生装置の断面模式図である。図３に示すように、この電子ビーム発生装置１は、真空容器５の内部に表面測定器２０を備えている。この表面測定器２０は、電子ビームが照射される位置のテープ状陽極３の表面状態を観測することができる。この電子ビーム発生装置１においては、表面測定器２０で観測された電子ビームが照射される位置のテープ状陽極３の表面状態に基づいて、電子ビームが照射される位置のテープ状陽極３を搬送させるタイミングを判断することができる。表面測定器２０は、例えばテープ状陽極３の表面に光を照射してその反射光または透過光の特性に基づいて表面状態を観測してもよい。また、別の表面測定器２０は、カメラを用いてテープ状陽極３の表面の画像を撮影し、その画像に基づいて表面状態を観測してもよい。また、別の表面測定器２０は、テープ状陽極３の表面の温度を測定し、その温度に基づいて表面状態を観測してもよい。さらに、別の表面測定器２０は、電子ビームが照射されることでテープ状陽極３の表面から放出されるＸ線を測定し、そのＸ線の線量またはそのＸ線のエネルギースペクトルに基づいて表面状態を観測してもよい。

図４は、本実施の形態の別の電子ビーム発生装置の断面模式図である。この電子ビーム発生装置１は、真空容器５の内部に陰極から出射された電子ビームの電流を検出する電流検出部を備えている。この電子ビーム発生装置１は、陰極２とコリメータ１０との間に配置される電流検出部２１、コリメータ１０とテープ状陽極３の間に配置される電流検出部２２、およびテープ状陽極３と標的９との間に配置される電流検出部２３のいずれかの電流検出部を備えている。この電流検出部でテープ状陽極３に照射される電子ビームの累積電流量を測定することができる。この電子ビーム発生装置１においては、電流検出部で測定された電子ビームの累積電流量に基づいて電子ビームが照射される位置のテープ状陽極３を搬送させるタイミングを判断することができる。

このように構成された電子ビーム発生装置は、テープ状陽極を備えているので電子ビームが照射されてテープ状陽極の表面が損傷してもテープ状陽極を搬送させて、電子ビームが照射される表面を損傷していない新たな表面とすることができる。そのため、この電子ビーム発生装置においては、長時間安定した電流の電子ビームが得られる。また、テープ状陽極は、送り出し機構から送り出されて巻き取り機構に巻き取られるので、テープ状陽極の長さを長くしても電子ビーム発生装置を大型にする必要はない。そのため、本実施の形態の電子ビーム発生装置は、小型で長時間安定した電流の電子ビームが得られる。

本実施の形態の電子ビーム発生装置において、コリメータ１０は金属で構成されている。この金属の電位は、テープ状陽極３の電位と同じに設定されている。コリメータ１０の陰極２と対向する面には水素元素を組成に含む、例えばポリエチレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂などの絶縁性皮膜が形成されていてもよい。この絶縁性皮膜に電子ビームが照射されると、絶縁性皮膜の表面に負電荷が蓄積される。そのため、コリメータ１０の金属部分とこの絶縁性皮膜の表面との間の電位差が大きくなり、絶縁性皮膜に絶縁破壊が生じる。絶縁破壊が生じた絶縁性皮膜は、水素を含む気体を放出する。放出された気体に電子ビームが照射されるとコリメータ１０の近傍にプラズマが生じる。このプラズマから陰極２に向けて主に水素イオンなどの陽イオンが加速される。

一般に、大電流の電子ビームは、陰極と陽極との間で電子ビーム自身が発生する空間電荷の影響によりビームの大きさが発散する方向に影響を受ける。とくに陰極がプラズマ陰極または短パルスプラズマ陰極である場合は、引き出すことが可能な電子ビームの電流量がこの空間電荷の影響を受ける。すなわち、大電流の電子ビームの電流は、空間電荷制限電流と呼ばれる電流となる。電子の進行方向のみの一次元の電磁場から計算される空間電荷制限電流の値は、以下の（１）式で表される。ここで、Ｉ_ＳＣを空間電荷制限電流値、Ｖを陰極と陽極との間の電圧、ｄを陰極と陽極との間の距離とする。

コリメータ１０の近傍に生じたプラズマから放出される陽イオンは、負電荷をもつ電子ビームが作る空間電荷を中和する効果をもつ。そのため、この陽イオンは、ビームの発散の抑制効果と共に、プラズマ陰極または短パルスプラズマ陰極で影響を受ける空間電荷制限電流を超えた電流を引き出すことを可能にする。この電流は一般にはバイポーラー電流と呼ばれ、この電流値をＩ_ＢＳＣとするとＩ_ＢＳＣは以下の（２）式で表されると考えられている。

このように、コリメータ１０の陰極側の表面に水素元素を組成に含む樹脂の絶縁性皮膜を形成することにより、（１）式に示す空間電荷制限電流を超えた電流を引き出すことが可能となる。なお、コリメータ１０に絶縁性皮膜が形成されていない場合、電子ビームが作る空間電荷を中和する効果をもつプラズマは陽極の近傍で発生する。陽極の近傍で発生したプラズマは、陽極を損傷させる場合がある。本実施の形態のようにコリメータ１０の陰極側の表面に水素元素を組成に含む樹脂の絶縁性皮膜を形成することで、プラズマによる陽極の損傷も抑制することができる。

この電子ビーム発生装置は、電子ビームを照射することで標的９からユーザーが得たい情報を目的に用いられる。例えば、標的９の構造の調査、標的９の構造の変化、標的９の加工などを目的にこの電子ビーム発生装置は用いられる。そのため、標的９の位置での電子ビームのビーム径を制御するために、テープ状陽極３と標的９との間に単孔またはアインツェルンレンズなどの電界レンズ、ソレノイド型の磁界レンズなどが配置される場合がある。また、電子ビームが照射される位置を制御するために、テープ状陽極３と標的９との間に電界型の偏向電極、偏向磁場を発生する二極のコイルなどが配置される場合もある。

なお、本実施の形態の電子ビーム発生装置においては、電子ビームが照射されている間はテープ状陽極を搬送させない動作を説明したが、電子ビームが照射されている間にテープ状陽極を低速度で搬送させてもよい。このように動作させることで、電子ビームの電流の時間に対する安定性が向上する。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係るＸ線発生装置に応用した電子ビーム発生装置の断面模式図である。図５に示すように、本実施の形態の電子ビーム発生装置１においては、陰極２、テープ状陽極３、高電圧電源４、真空排気装置６、送り出し機構７、巻き取り機構８およびコリメータ１０の構成は実施の形態１の電子ビーム発生装置と同様である。本実施の形態の電子ビーム発生装置１においては、標的９がＸ線発生体で構成されている。Ｘ線発生体として、例えばタングステン、モリブデン、銅などの重金属を用いている。真空容器５には、真空窓２４が備えられている。Ｘ線発生体である標的９に電子ビームが照射されると、標的９からは陰極２とテープ状陽極３との間に印加された電圧を最大とする連続エネルギーのＸ線が発生する。このＸ線は、真空窓２４から電子ビーム発生装置１の外部に取り出される。真空窓２４の素材としては、Ｘ線の透過率が高いガラス、樹脂、セラミック、ベリリウムなどが用いられる。

この電子ビーム発生装置１をＸ線発生装置として利用する場合、主に最大エネルギー付近のＸ線が取り出されて利用される。エネルギーの小さいＸ線は、物質、人体などの照射対象物の表面で全てのエネルギーを失い、照射対象物に悪影響を与えることがある。そのため、エネルギーの小さい不要なＸ線を電子ビーム発生装置１の外部に出さないために、標的９と真空窓２４との間にエネルギーの低いＸ線を吸収する濾過板２５が設置されている。濾過板２５の素材としては、アルミニウム、モリブデン、鉛などが用いられる。

このように構成されたＸ線発生装置に応用した電子ビーム発生装置は、小型で長時間安定したＸ線を得ることができる。

実施の形態３．
図６は、実施の形態３に係るクライストロン型のマイクロ波発振器に応用した電子ビーム発生装置の断面模式図である。図６に示すように、本実施の形態の電子ビーム発生装置１においては、陰極２、テープ状陽極３、高電圧電源４、真空排気装置６、送り出し機構７、巻き取り機構８およびコリメータ１０の構成は実施の形態１の電子ビーム発生装置と同様である。本実施の形態の電子ビーム発生装置１においては、テープ状陽極３を通過した電子ビームの進行方向に、真空容器５と一体となった速度変調管３０が備えられている。速度変調管３０は円筒形状を有しており、その外周部にはソレノイドコイル３１が配置されている。また、速度変調管３０には、電子ビームの進行方向の上流側に入力側共振空洞３２、下流側に出力側共振空洞３３がそれぞれ接続されている。さらに、入力側共振空洞３２には入力回路３４が、出力側共振空洞３３には出力回路３５がそれぞれ備えられている。また、電子ビームの進行方向の最下流にはコレクター３６が配置されている。

ソレノイドコイル３１は、速度変調管３０の内部に電子ビームに対する収束磁界を発生させる。入力回路３４は、速度変調用の低い電力の高周波信号を入力側共振空洞３２に入力する。入力側共振空洞３２は、高いＱ値をもち入力回路３４から入力された高周波信号で高電界を発生させる。入力回路３４および入力側共振空洞３２で発生した高周波の電界で速度変調された電子ビームは無電界空間であるドリフト空間をもつ。無電界空間では、速度の速い電子ビームは相対的に前方に進み、速度の遅い電子ビームは相対的に後退する。そのため、電子ビームは進行方向に対して密度の疎密が生じる。密度変調を受けた電子ビームは、出力側共振空洞３３で増幅され出力回路３５に大きな誘導電流を発生させることでマイクロ波として取り出される。密度変調を受けた電子ビームは、進行方向の最下流に配置されたコレクター３６に衝突することでそのエネルギーは熱に変換されて失われる。

このように構成されたクライストロン型のマイクロ波発振器に応用した電子ビーム発生装置は、小型で長時間安定したマイクロ波を得ることができる。とくに大電流出力を目的としたマイクロ波発振器に応用した場合、電子ビームの電流を増大させる必要がある。そのため、短時間で陽極の損傷が大きくなるが、本実施の形態の電子ビーム発生装置であればテープ状陽極を用いているので、安定したマイクロ波の発生時間を確保することができる。

実施の形態４．
図７は、実施の形態４に係る進行波管に応用した電子ビーム発生装置の断面模式図である。図７に示すように、本実施の形態の電子ビーム発生装置１においては、陰極２、テープ状陽極３、高電圧電源４、真空排気装置６、送り出し機構７、巻き取り機構８およびコリメータ１０の構成は実施の形態１の電子ビーム発生装置と同様である。本実施の形態の電子ビーム発生装置１においては、テープ状陽極３を通過した電子ビームの進行方向に、真空容器５と一体となった円筒空洞４０が備えられている。円筒空洞４０は円筒形状を有しており、その外周部にはソレノイドコイル４１が配置されている。円筒空洞４０の内部には、螺旋導体４２が設置されている。また、円筒空洞４０には、電子ビームの進行方向の上流側に入力部４３、下流側に出力部４４がそれぞれ接続されている。さらに、電子ビームの進行方向の最下流にはコレクター４５が配置されている。

ソレノイドコイル４１は、円筒空洞４０の内部に電子ビームに対する収束磁界を発生させる。入力部４３は、低い電力のマイクロ波を螺旋導体４２に入力する。電子ビームの進行速度と螺旋導体４２を伝わるマイクロ波の位相速度とを同じにすることにより、電子ビームは進行方向に対して密度変調を受ける。密度変調を受けた電子ビームは、出力部４４で増幅されてマイクロ波として取り出される。密度変調を受けた電子ビームは、進行方向の最下流に配置されたコレクター４５に衝突することでそのエネルギーは熱に変換されて失われる。

このように構成された進行波管に応用した電子ビーム発生装置は、小型で長時間安定したマイクロ波を得ることができる。とくに大電流出力を目的とした進行波管に応用した場合、電子ビームの電流を増大させる必要がある。そのため、短時間で陽極の損傷が大きくなるが、本実施の形態の電子ビーム発生装置であればテープ状陽極を用いているので、安定したマイクロ波の発生時間を確保することができる。

なお、本実施の形態において、螺旋導体４２に替えて電子ビームの進行方向に多数の永久磁石を並べた構成を用いることもできる。また、本実施の形態の電子ビーム発生装置を後進行波管に応用する場合は、出力部４４を接地電位とし、螺旋導体４２を伝搬するマイクロ波の進行方向を電子ビームの進行方向の逆にすることで、入力部４３からマイクロ波を取り出すことができる。

実施の形態５．
図８は、実施の形態５に係る仮想陰極発振器に応用した電子ビーム発生装置の断面模式図である。図８に示すように、本実施の形態の電子ビーム発生装置１においては、陰極２、テープ状陽極３、高電圧電源４、真空排気装置６、送り出し機構７、巻き取り機構８およびコリメータ１０の構成は実施の形態１の電子ビーム発生装置と同様である。本実施の形態の電子ビーム発生装置１においては、テープ状陽極３を通過した電子ビームの進行方向に、真空容器５と一体となった円筒空洞５０が備えられている。この円筒空洞５０は円筒形状を有しており、電子ビームの進行方向の端部に真空窓５１を備えている。この真空窓５１は、セラミック、ガラスなどで構成されている。また、本実施の形態の電子ビーム発生装置１においては、陰極２の先端、テープ状陽極３およびコリメータ１０は、円筒空洞５０の近傍に配置されている。

このように構成された電子ビーム発生装置においては、電子ビームの電流量が大幅に増加すると、テープ状陽極３を通過した電子ビームがそれ自身の空間電荷により進行方向に減速する。円筒空洞５０の内部で停止した電子群はあたかも陰極と同電位の金属のように振る舞い始める。そのため、この電子群は仮想陰極と呼ばれる。円筒空洞５０の内部に仮想陰極が発生するとこの仮想陰極とテープ状陽極３を挟んで対向する陰極２との間を往復する電子が出現し始める。また、この仮想陰極自身はプラズマでありプラズマ振動を始める。このような電子の往復運動および仮想陰極自身のプラズマ振動からマイクロ波が発生する。発生したマイクロ波の周波数ｆ（単位：ＧＨｚ）は、以下の（３）式で表されると考えられている。

ここで、ｄは陰極２とテープ状陽極３との間隔（単位：ｃｍ）、γ_０は陰極２とテープ状陽極３との間に印加される電圧から計算される電子ビームのローレンツ因子である。円筒空洞５０の内径は、発生したマイクロ波の周波数を遮断周波数にもつ円筒内径よりも大きく設定されている。円筒空洞５０の内部で仮想陰極となった電子群は進行方向のみ運動量がなくなっており、進行方向に対して直交する方向の運動量は失われていない。そのため、仮想陰極となった電子群は発散して円筒空洞５０の内壁に衝突して失われる。仮想陰極から発生したマイクロ波は、電子ビームの進行方向に伝わり、円筒空洞５０の端部に備えられた真空窓５１より取り出される。

このように構成された仮想陰極発振器に応用した電子ビーム発生装置は、小型で長時間安定したマイクロ波を得ることができる。とくに大電流出力を目的とした仮想陰極発振器に応用した場合、電子ビームの電流を増大させる必要がある。そのため、短時間で陽極の損傷が大きくなるが、本実施の形態の電子ビーム発生装置であればテープ状陽極を用いているので、安定したマイクロ波の発生時間を確保することができる。

本願は、様々な例示的な実施の形態が記載されているが、１つまたは複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
したがって、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１電子ビーム発生装置、２陰極、３テープ状陽極、４高電圧電源、５真空容器、５ａ絶縁部材、６真空排気装置、７送り出し機構、８巻き取り機構、９標的、１０コリメータ、１１ガイドローラ、１２テンション調整機構、１２ａアーム、２０表面測定器、２１、２２、２３電流検出部、２４、５１真空窓、２５濾過板、３０速度変調管、３１、４１ソレノイドコイル、３２入力側共振空洞、３３出力側共振空洞、３４入力回路、３５出力回路、３６、４５コレクター、４０、５０円筒空洞、４２螺旋導体、４３入力部、４４出力部。

Claims

電子ビームを出射する陰極と、
前記陰極と電気的に絶縁されたテープ状陽極と、
前記陰極と前記テープ状陽極との間に高電圧を印加して前記陰極から放出された前記電子ビームを前記テープ状陽極に向けて加速する高電圧電源と、
前記陰極および前記テープ状陽極を真空中に保持する真空容器とを備えた電子ビーム発生装置であって、
前記テープ状陽極は、送り出し機構から送り出されて巻き取り機構に巻き取られることで搬送され、
前記陰極と前記テープ状陽極との間にコリメータをさらに備え、前記コリメータの前記陰極と対向する面が樹脂で構成されていることを特徴とする電子ビーム発生装置。
前記テープ状陽極は、金属膜を有する樹脂フィルム、または複数の開口部を有する金属シートで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム発生装置。
前記陰極から出射された電子ビームの電流を検出する電流検出部をさらに備え、前記テープ状陽極は前記電流検出部で検出された前記電子ビームの電流の累積電流量に基づいて搬送されることを特徴とする請求項１または２に記載の電子ビーム発生装置。
前記電子ビームが入射する位置の前記テープ状陽極の表面状態を観測する表面測定器をさらに備え、前記テープ状陽極は前記表面測定器で観測された前記表面状態に基づいて搬送されることを特徴とする請求項１または２に記載の電子ビーム発生装置。
前記表面測定器は、前記電子ビームが入射する位置の前記テープ状陽極の表面に光を照射し、当該光の透過光または反射光に基づいて前記表面状態を観測することを特徴とする請求項４に記載の電子ビーム発生装置。
前記表面測定器は、前記電子ビームが入射する位置の前記テープ状陽極の表面の画像を撮影し、撮影された前記画像に基づいて前記表面状態を観測することを特徴とする請求項４に記載の電子ビーム発生装置。
前記表面測定器は、前記電子ビームが入射する位置の前記テープ状陽極の表面の温度を測定し、測定された前記温度に基づいて前記表面状態を観測することを特徴とする請求項４に記載の電子ビーム発生装置。
前記表面測定器は、前記電子ビームが入射する位置の前記テープ状陽極の表面から放出されるＸ線の線量または前記Ｘ線のエネルギースペクトルに基づいて前記表面状態を観測することを特徴とする請求項４に記載の電子ビーム発生装置。
電子ビームを出射する陰極と、
前記陰極と電気的に絶縁されたテープ状陽極と、
前記陰極と前記テープ状陽極との間に高電圧を印加して前記陰極から放出された前記電子ビームを前記テープ状陽極に向けて加速する高電圧電源と、
前記陰極および前記テープ状陽極を真空中に保持する真空容器とを備えた電子ビーム発生装置であって、
前記テープ状陽極は、送り出し機構から送り出されて巻き取り機構に巻き取られることで搬送され、
前記陰極から出射された電子ビームの電流を検出する電流検出部をさらに備え、前記テープ状陽極は前記電流検出部で検出された前記電子ビームの電流の累積電流量に基づいて搬送されることを特徴とする電子ビーム発生装置。