JPH02309534A - 遅波―遅延線構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） この発明は一般に無線周波増幅器に、更に詳細には遅波
（低速波）遅延線構造体を備えた形式の増幅器に関係し
ている。

（背景技術） 技術上知られているように、無線周波増幅器は広範囲の
応用性を持っている。そのような増幅器の一形式のもの
は遅波遅延線構造体を備えていて、これにおいては印加
無線周波エネルギー信号がこの遅波遅延線構造体を伝搬
するときに、これにおけるエネルギーが隣接の電子ビー
ムと相互作用してこの電子ビームにおけるエネルギーの
一部分が伝搬波に伝達されるようになるので、遅延線構
造体から出て来る無線周波エネルギーが増幅されること
になる。このような増幅器の一形式のものは進行波管（
７’ＦＴ）増幅器である。この場合、典型的には１０キ
ロボルト程度の加速電圧に対応する速度を持ったペンシ
ル状の電子ビームを電子銃が発生する。このビームは一
般に陰極から、遅波遅延線構造体を与える長いゆろ（巻
かれた導電性のらせん電線を通ってコレクタに導かれる
。ビームが広がるのを阻止し且つらせんの中心を通して
それを案内するために、一様な又は周期的な軸方向集束
磁界が与えられる。無線周波エネルギー信号は陰極に近
接したらせん電線の端部に加えられ、そして増幅された
信号はコレクタに近接したらせん電線の端部に現れる。

印加信号はらせん電線の巻回部の周りに伝搬して、らせ
ん軸に沿って導かれるらせんの中心における電界を発生
する。信号がらせん電線に沿って伝搬する速度はほぼ光
の速度であるので、印加信号によって発生される電界は
光の速度よりも遅い速度で進む。すなわち、それは近似
的にらせん電線円周に対するらせん電線ピッチの比によ
って乗算された光の速度である速度で進む。らせん電線
を進行するビームにおける電子の速度が遅波らせん構造
体に沿って軸方向に伝搬する（、４号の速度に近づくと
、電界によつぞ発生された移動する信号又は波と、概し
てビームにおける電子がらせん電線におげろ伝搬信号に
エネルギーを供給するような性質のものである移動する
電子との間に相互作用が生じる。このためにらせん電線
における信号はらせん電線の出力端部において増幅され
た状態になる。

やはり技術上知られているように、ＴＩＴ包囲体内でら
せん電線を支持するために種々の支持構造体が使用され
てきた。支持構造体の一形式のものは複数の誘電体支持
棒、例えば、１９７３年１２月１１日、発明者ロバート
・ハーバ（ＲｏｂｅｒｔＥ’ａｒｐａｒ）及びディピッ
ド・ザパディル（ＤａｖｉｄＺａｖａｄｉｌ　）に発行
されて、この発明と同じ譲受人に譲渡された米国特許第
３７７８６６５号に記載されたもの、の使用を含んでい
る。更に詳細には、ＴＰＴは気密封止の細長い円筒形包
囲体を備えている。この円筒形包囲体には同軸的にらせ
ん電線が配置されている。円筒形包囲体及びらせん電線
の共通軸に平行に長手方向に延びた複数の、典型的には
三つの、対称的忙隔置された細長い誘電体棒が準備され
ている。この棒はらせん電線なＴＷＴの包囲体又は接地
から絶縁して、これにより印加無線周波エネルギー信号
の短絡を防止するために誘電体材料からなっている。こ
の棒は共通軸に垂直な平面において概して方形の断面を
持っている。この棒は円筒形包囲体の内面部分とらせん
電線の外周部分との間で（さび止めされていて、これに
よりらせん電線を細長い円筒形包囲体内でこれから電気
的に絶縁して同軸的に整列させて支持している。らせん
遅波遅延線構造体は、これのオーム抵抗及び電子衝撃の
ために、相互作用過程中相当量の熱エネルギーを消散さ
せることを要求される。従って、支持棒は誘電体材料か
らなることを要求されるが、高い熱伝導率を持っていな
ければならない。典型的な従来技術の装置は非導電性で
あるが熱伝導性の材料、例えば、べＩＪ　ＩＪア、窒化
ほう素、又は高い熱伝導率特性を持った他のセラミック
、の遅波支持構造体を利用している。

更に技術上知られているように、誘電体支持棒は電子ビ
ームからの漂遊電子がそれに当たると′荷電状態になる
ことができる。結果として生じる電荷の蓄積は、十分に
大きげれば、非対称の場合電子ビームの偏向を生じさせ
るか又は対称の場合静電レンズとして作用する。この後
者の現象はビームの扇形化を増大させることができるで
あろうが、このビーム扇形化も又らせんによる遮断を増
大してこれによりらせんにおける遮断電流を増大するこ
とができるであろう。更に、棒の荷電は電子ビームの低
速化又は偏向を生じさせることができ、これは局部化さ
れた区域においてらせん電線に当たる電流の増大を生じ
る結果になる。これは結局らせん電線温度の過度の上昇
につながり且つ究極的には管の故障につながることがあ
る。しかしながら、一般的には、支持棒荷電を経験した
ＴＷＴは過度のらせん電線遮断電流のために故障する。

この問題を避ける一つの方法はらせん電線に沿った局部
的磁界の長時間の調整によることである。

時にはシミング（Ｓｈ４ｍｎｓｔｎｇ　）　　と呼ばれ
るこの操作は、シム操作の試みが常に許容可能な結果に
収束するとはかぎらないので、非常に時間を浪費する。

付加的な難点は電荷が支持棒上に形成されるのに要する
時間であり、これは「令状Ｊ（Ｃｏｌｄ）始動からオン
にされたときに適当に動作しないシム管を生じることに
なる。

支持棒荷電をなくするために使用される別の方法は棒表
面の導電率を増大して棒表面における電荷の蓄積を防止
することであった。この方策は電子ビームに密に近接し
ている棒の部分に黒鉛のような薄い導電性の膜を使用す
ることを必要とするが、これはこれらの部分がらせん回
路において望まれない損失を導入することのあるらせん
の無線周波電界内にあるためである。結果として、この
技法は時には、棒荷電を防止するために十分に厚い確実
な膜の達成と無線周波エネルギー損失を導入するほど厚
くはない膜の達成との間の妥協を強いる。

最後に、上に簡単に言及したように、誘電体らせん支持
棒のために一般に使用される材料は窒化ほう素（ＢＮ）
又は酸化ベリリウム（Ｂ　ｔｔ　Ｏ）である。

酸化ベリリウム棒は棒荷電を示さないが、その毒性及び
もろさのために機械的製作の見地がらは使用するのがよ
り困難な材料である。これに反して、窒化ほう素は、ら
せんの外周部分の間に置かれたときにその機械的な結合
特性においてより「買入」であるので、使用するのに容
易であり且つより望ましい材料であるが、しかし、望ま
しくない棒荷電特性を示さない。窒化ほう素は又電気的
な諸利点を持っているべ１７１Ｊアよりも低い誘電率を
持っている。

（発明の概要） それゆえ改良形無線周波増幅器を提供することがこの発
明の目的である。

無線周波増幅器に使用される遅波遅延線構造体のための
改良形支持構造体を提供することがこの発明の更なる目
的である。

この発明のこれら及びその他の目的は、支持構造体によ
って電子ビームに近接して支持された遅波構造体を持っ
た無線周波増幅器を提供することによって一般的に達成
される。支持構造体は、支持棒を含む少なくとも一つの
構造支持部材、及び支持棒の外面部分に配置された誘電
材料を備えている。誘電材料は支持棒の材料とは異なっ
ている。

この発明の第１の態様に従って、支持棒は高い熱伝導率
を持った材料からなっている。支持棒材料は窒化ほう素
であることが望ましい。支持棒の外面部分に配置された
誘電材料は電子の衝突時に減小する抵抗率を持っており
及び／又は所望の二次電子放出特性を持っていて電気的
に絶縁性である。

チタニア、ベリリア及びマグネシアのような誘電材料が
好適な誘電材料である。

このような構成では、所望の熱伝導率及び機械的組立て
利点を持った窒化ほう素支持棒を使用して、これの外面
部分における誘電材料の使用によりそれに電荷の蓄積が
生じないようにすることができるが、その際使用される
誘電材料は、電子の衝突時にそれの導電率を減小させて
衝突電子に対する放電路を与えるか、又は実質上１の二
次電子放出比を示してこれにより構造支持部材における
電荷の蓄積を防止するものである。

誘電材料は、一般的には１ミクロン未満である厚さを持
った薄膜の形成をしており、採択実施例では０．１ミク
ロンの厚さのものを用いている。そのよ５な膜は周知の
蒸着法又はスパッタ法によって都合よ（付着させること
ができる。

（実施例） 今度は図１．２及び３に言及すると、無線周波増幅器１
０．ここでは進行波管、が示されていて、排気された円
筒形金属包囲体１４の長手軸１３に沿って延びた複数の
巻回部を持った遅波遅延線構造体、ここではらせん電線
１２が含まれている。

無線周波信号は入力導体１５、ここでは内側導体１７が
らせん電線１２の左側端部に接続され且つ外側導体１９
が包囲体１４に電気的に接続されている通常の同軸伝送
線、によってらせん電線１２に結合される。出力導体１
８、ここではやはり同軸伝送線、はその外側導体２１が
包囲体１４に電気的に接続され且つその内側導体２３が
らせん電線１２の右側端部に接続されている。

電子銃形電子ビーム源２２には電子ビーム軌道の長手軸
１３に沿ってのコレクタ２０への集束を助けるためにわ
ずかに凹面の曲率を持った電子放出陰極２４がある。陰
極２４はコイル２６によって加熱され、そして電気的リ
ードは電子銃源の各構成部分の適当な直流電圧供給源（
図示されていない）への接続に備えるために包囲体１４
の壁部を貫通している。例えば正の電位によって適当に
バイアスされた加速器電極２８は通常の方法でのビーム
集束を助げろ。外部磁界が磁石３０によって発生される
が、この磁石は高保磁力永久磁石材料、例えばサマリウ
ム・コバルト若しくは白金コバルト、又は包囲体１４を
取り囲む電磁石のいずれかからなることができる。

らせん遅波遅延線構造体１２は導電性電線の複数の巻回
部からなっていて、支持構造体３３によって包囲体１４
内で電子ビームに近接して支持されている。支持構造体
は装置の軸１３に平行に長手方向に配置された複数の細
長い非導電性構造支持部材３４を備えている。構造支持
部材３４は電気絶縁、高熱伝導性材料の内側支持棒３６
を含んでいる。支持棒３６の熱伝導率はらせんを冷却す
るために高くするべきである。この場合、支持棒３６は
窒化ほう素である。支持棒３６はこの場合その外面が誘
電材料３９の薄膜で被覆されている。

支持棒３４の外面に、チタニア、マグネシア又はベリリ
アのような誘電材料の薄い、１ミクロン未満の（この場
合０．１ミクロンの厚さを持った）膜３９で被覆を施す
と棒荷電が事実上除去されることが発見された。窒化ほ
う素支持棒３６の内面のそのような荷電は電子の衝突時
に減小する抵抗率を持つか又は実質上１の二次電子放出
比を示す誘電材料をそのよ５な棒の上に配置することに
よって除去されると考えられる。それゆえ、発生した電
子ビームにおける漂遊電子からの電子衝撃の下で、他の
場合には窒化は５素棒の面に蓄積するような電荷は消散
させられる。被覆材料の抵抗率が減小された場合には、
電荷はらせんへの漏れによって消散するであろう。被覆
材料が１の二次電子放出比を呈する場合には、電荷は電
子放射によって消散される。それゆえ、図４及び５を参
照して、主電子ビームからの漂遊電子はらせん支持構造
体の内面部分３７に衝突する。その結果として、電圧Ｖ
ｘｗｒｊａｃｇ　（Ｖｓ　）が支持構造体の面に発生さ
れる。らせん電線上の電圧はＶｈｇｌｉｘ　（ＶＨ）　
　として表現されることができる。従って、らせん電線
と誘電体支持構造体の内面部分３７との間には差電圧△
Ｖが発生されるが、ここでΔＶ＝Ｖｈａｌｉｚ−Ｖｓｓ
ｒｆｓｃａである（但し、Ｖｈａ　ｌ　ｉｚは電子ビー
ムの源、この場合陰極２４に対するらせんの電圧であり
、又ＶｓｘｒｆｃＬｃｇは陰極２４に対する被覆３９０
表面における電圧である）。

図４から、　ΔＶ＝〔１−δ（Ｖ）　］　Ｊ　Ｒ（＋）
方程式（１）から明らかなことであるが、ΔＶは、二次
電子放出比に依存する電圧〔δ（Ｖ）〕、漏れ抵抗Ｒ１
及び衝突電子電流Ｉに依存する。測定の結果では、漏れ
抵抗は一定ではないかもしれず、衝突電子電流及び電圧
の大きさに依存することがある。

測定は、窒化ほう素の支持棒において、内面部分３７、
陰極２４及びコレクタ２０に面した端面部分４０、並び
に側面部分４２にチタニア並びにマグネシアの０．１ミ
クロン厚の膜をスパッタしたもの並びにしないものにつ
いて行った。それゆえ注目されることであるが、金属包
囲体１４に接触した棒３４の外面４１の端部はこの場合
被覆されず、従ってこの場合窒化ほう素は包囲体１４と
接触している。印加電圧は１０ＫＶであり、且つ集束し
た電子ビーム電流はｌＯナノアンペアであった。

垂直入射においては、結果は次のとおりであった。

表■ 衝突電流が１０ないしｔｏｏｏｏナノアンペアの範囲で
変えられ、且つ入射角が００から６０°まで変えられた
ときに、材料に発生した差電圧ΔＶの値は約５０ボルト
の測定誤差の範囲内で不変化であった。棒表面電圧が約
ＩＱＫＶのらせん電圧から（被覆のない窒化＃１う素の
場合におけるように）３．ＫＶだった異なる場合には、
集束離散が生じる。しかしながら、この差電圧が、チタ
ニア又はマグネシア被覆のある窒化ほう素の場合におげ
ろように、わずか２００ボルトであるならば、集束離散
は無視してよい。それゆえ、チタニア、マグネシア、又
はベリリアの薄い金属酸化物膜は、そのよ５な被覆を電
子衝撃下で導電性にする機構によつ゛〔又は二次電子放
出によって荷電問題を除去することができることが判明
した。

二次電子放出比の差異が棒荷電におげろ差異を説明する
ことのできる方法は、典型的な二次電子放出量を到来電
子のエネルギーの関数として示した図６の助けにより示
されることができる。放出面が高い表面抵抗のもの、す
なわち良好な絶縁性である場合には、表面はδく１なら
ば負に又はδ〉１ならば正に荷電する。

表面が荷電すると、その電圧は到来電子を加速又は減速
しようとし、そしてこれは二次電子放出量に影響を与え
る。この影響は、Ｖｌより下では表面が負に荷電して到
来電子のエネルギーを零の方へ減小させるようなもので
ある。同様に、ＦＩＩより上では電位はＶ　の方へ減小
される。ＶとＶとの間では、表面は正に荷電して、印加
（らせん）電圧に近いが電圧ｙＸより下の点Ｍにおいて
平衡に達するまで到来電子のエネルギーを増大させる。

電圧Ｖ　は誘電体核種のために使用された材料及びこれ
の厚さに依存する。Ｒが無限大ならば、目標はＶ　＝Ｖ
に−ＩＮ２＋　になるように表面被覆を施すことである
。それゆえ、固定した管動作電圧に対しては、被覆材料
及びこれの厚さは、組合せにおいて被覆面が１の二次電
子放出比を呈するように選択される。

この発明の採択実施例を説明したので、これらの概念を
具体化した他の実施例が使用され得ることは明白である
。例えば、他の誘電体及び酸化物はこの時点では試され
ていないが、他の材料、例えば他の金属酸化物も適当な
特性（すなわち、電子の衝突時にそれの抵抗率を減小さ
せるか及び／又は１の二次電子放出比を持っているもの
）を呈することができるものと予想される。更に、スパ
ッタ以外の被覆技術も使用され得る。

【図面の簡単な説明】

図１はこの発明に従って構造支持部材によって支持され
たらせん遅波遅延線を有する進行波管（ＴＩＴ）の長手
方向断面図の線図式略図である。 図２は図１における線２−２に沿って取られた断面図で
ある。 図３は図２の進行波管の一部分の一部断面による等角図
である。 図４は構造支持構造物、電子ビーム、及びらせん電線の
外周端部の間の関係を示した、図１のＴＷＴの一部分の
線図式断面略図であって、この発明の特徴を理解するの
に有効なものである。 図５は電子により衝突された誘電体の線図であって、こ
の発明の特徴を理解するのに有効なものである。 図６はある材料に対する二次電子放出比対電子ビームエ
ネルギーを示した曲線図である。 第４２ 第５図 第６図 衝突電圧、Ｖ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、支持手段によつて電子ビームに近接して支持された
   遅波構造体を備えていて、前記の支持手段手段が少なく
   とも一つの構造支持部材を含んでおり、この支持部材が
   、 支持棒、及び 支持棒の外面部分に配置された、支持棒の材料とは異な
   つている誘電体材料、 からなつている無線周波増幅器。 ２、誘電材料が電気絶縁性であつて電子ビームからの電
   子の衝突時に減小する抵抗率を有する請求項１に記載の
   無線周波増幅器。 ３、支持棒が高い熱伝導率を有する、請求項２に記載の
   無線周波増幅器。 ４、支持棒が窒化ほう素である、請求項２に記載の無線
   周波増幅器。 ５、前記の誘電材料が金属酸化物である、請求項４に記
   載の無線周波増幅器。 ６、金属酸化物がチタニアである、請求項５に記載の無
   線周波増幅器。 ７、支持構造体によつて電子ビームに近接して配置され
   た遅波構造体を備えており、前記の支持構造体が少なく
   とも一つの窒化ほう素支持棒からなつていて、これの外
   面部分にチタニア、マグネシア又はベリリアが配置され
   ている無線周波増幅器。 ８、遅波構造体がらせん電線からなつている、請求項１
   に記載の無線周波増幅器。 ９、前記の誘電材料が電子ビームの源に対するらせんの
   電圧において実質上１の二次電子放出比を示す、請求項
   １に記載の無線周波増幅器。 １０、支持棒が高い熱伝導率を持つている、請求項９に
   記載の無線周波増幅器。 １１、支持棒が窒化ほう素である、請求項９に記載の無
   線周波増幅器。 １２、前記の誘電材料がマグネシア又はベリリアである
   、請求項９に記載の無線周波増幅器。 １３、前記の誘電材料が金属酸化物である、請求項１に
   記載の無線周波増幅器。