JPH03501074A - 電磁放射発生装置および高電流電子銃 - 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】 プラズマ補助高電力マイクロ波発生器 この発明は高電力マイクロ波またはｍｍ波発生器、特にプラズマ負荷された波状 壁導波管中で電子ビームを遅い電磁波に結合させることによって動作する発振器 に関する。

関連技術の説明 実際のカソード発振器（ビルケータ）、マグネトロン、クライストロン、ジャイ ロトロン及び後進波発振器のような高電力マイクロ波あるいはｍｍ波発生器とし て動作する装置はいくつかのものが知られている。このような装置には、Ｊ、フ ァインスタイン及びに、フェルヒによって記載されている装置（“ミリメータ波 管研究のステータスリビニ−“、Ｉ　Ｅ　Ｅ　Ｅ　Ｔｒａｎｓａｃｔｌｏｎｓ　 ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　、　Ｖ　ｏ　１　。

ＥＤ−３４、Ｎｏ、２．１９８７年２月、第４８１乃至４６７頁）　、Ｈ，Ｋ、 フローリッヒによる装置（“未来の戦場：ギガワットの爆発？”、Ｉ　ＥＥＥ　 Ｓｐｅｃｔｒｕｍ　、１９８８年３月、第５０乃至５４頁）、ゴートン　Ｔ、ラ イフエステらによる装置（“相対論的後進波発振器によって生成されるＫｕ帯域 放射”　、Ｊ、Ａｐｐ　ｌ、Ｐｈｙｓ、　、５９　（４）、１９８６年２月１５ 日、第１３６６乃至１８７８頁）、及びジェームス・ベンフォードによる装置（ “高電力マイクロ波シミュレータの開発“、マイクロ波ジャーナル、１９８７年 １２月、９７乃至１０５頁）がある。変形例は多数あるが、一般的には電子ビー ムを約１０−’トル以下の高真空状態で真空導波管構造と結合させることが行わ れる。電子ビーム上には空間電荷波が誘導されて、導波管構造内で電磁導波管モ ードに結合し、それによって導波管の端部でマイクロ波あるいはｍｍ波エネルギ ーを放出する。

このような方法にはいくつかの限定要因及び欠点が見いだされている。高真空、 すなわち“ハードな”真空状態は超高電力レベルに維持するのは困難である。ま たビーム内の電子は相互に反発する空間電荷を設定し、機構を制御しないとビー ムが急速に拡大して焦点やコリメーションが破壊されてしまう。これは空間電荷 爆発と呼ばれる。その結果ビームを限定するためにはＩＯＫガウス以上に達する 非常に強い磁界を使用しなければならず、構成が複雑となり、効率が低下し、マ イクロ波発生器のコストは増大してしまう。このような磁界を用いたとしても、 ビームの横断方向の電位低下は防ぎきれず、負電位によってビーム電圧はその軸 付近で減少してしまう。結果として電子はビーム軸付近で速度が低下するいわゆ る軸速度ずれと呼ばれる現象が生じ、ビームと導波管構造間の良好な結合が阻止 されてしまう。

出力電力が非常に高い場合は、前記の装置では電子銃に電界放射カソードを用い ているために数百ナノ秒より長いパルスを発生することができず、真空高電圧ダ イオード電子銃ギャップ中で制御できないプラズマ表面が拡大してしまう。プラ ズマ表面はカソードからアノードに進行し、１００乃至１０００ナノ秒でギャッ プを短絡し、それによってパルスを停止させる。ビルケータのような装置では％ １００ナノ秒で自己破壊する金属ホイルアノードが用いられている。

空間電荷爆発を防ぐのに必要な磁気集束はＩＯＫガウス以上の非常に強い磁界を 必要とし、大型の磁石を用いなければならない。空間電荷電界によって生成され る軸速度のずれによってビーム電流密度が高い場合には発振器の効率も低下する 。

別の型の電子銃にはプラズマアノード装置及びワイヤイオンプラズマ銃がある。

プラズマアノード装置は米国特許第４７０７６３７号明細書（１９８７年１１月 １７日公告、ロビン・Ｊ・ハーベイによる）に記載され、ワイヤイオンプラズマ ガンは米国特許第４０２５８２８号明細書（１９７７年５月２４日公告、ロバー ト・Ｐ・ギグレによる）に記載されており、両特許とも本発明の出願人であるヒ ユーズエアクラフトカンパニーに譲渡されている。米国特許第３８３１０５２号 明細書（１９７４年８月２０日公告、ロナルド・Ｃ・クネヒトリによる、同様に ヒユーズエアクラフトカンパニーに譲渡されている）にはまた別の電子銃が記載 されている。米国特許第３８３１０５２号明細書に記載されている装置は、ガス レーザを駆動するために方形断面の電子ビームを生成するのに使用される中空カ ソードガス放電機構を具備している。記載されている電流密度は１０−’乃至１ アンペア／ｃｍ２である。カソード内のガスによりカソード壁とカソード出ロス リット内に設けられている方形有孔アノードの間に放電が行われる。アノード電 極には相対的に正の電圧が供給されてプラズマから電子が抽出される。電子は制 御グリッドよりも正の電圧によって加速され、一旦制御グリッドを通過すると薄 いホイル窓とグリッド間の高電圧加速電界によってさらに加速される。

発明の概要 本発明の目的は、１００マイクロ秒までの長いパルスの高電力放射を生成するた めの改良されたヤイクロ波またはｍｍ波発振器を提供し、それに伴って外部から の供給磁界を使用せずに電子ビーム空間電荷爆発を中和するシステムを提供する ことである。他にめられる利点としては、高い効率、システム内の汚染の回避、 システムからエネルギを結合して取出すための簡単な機構、生成した放射の周波 数を簡単に調節する能力、簡単で低コストの構成などである。従来よりも電流密 度の大きな能力を有する発振器用の改良された電子銃も本発明で目的とするもの である。

これらの目的は、ＩＡ（アンペア）／ｃｍ２以上１’ＯＯＡ／　ｃ　ｍ　２以下 の高電流密度電子ビームを、従来の１０−’トル以下の“ハードな”真空状態と 異なりほぼ１乃至２０ミリトルの範囲内の“ソフトな“真空状態の導波管構造に 注入することによって達成される。電子ビームの電流密度は導波管内のガスを少 なくとも部分的にはイオン化できる程度に充分に高い。ガス圧力は電子銃内の電 圧破壊を回避できる程度に充分に低いレベルに維持されるが、ビームの空間電荷 爆発を十分に中和しまた電位低下を除去できるような充分なイオンを提供する程 度には高い。

発振器は遅波管として構成することができ、導波管ハウジングの壁は波状であり 、単一モードで狭帯域の低い周波数のマイクロ波放射がガス圧力を１乃至５ミリ トルの適切な範囲に維持することによって生成される。広帯域、高周波数の、雑 音変調されたマイクロ波及びｍｍ波放射はガス圧力をほぼ１０乃至２０ミリトル の範囲に維持することによって得られる。

高電流密度を得るための新しい型の電子銃では、ホローカソードと、このカソー ドからの多重出口に近接して設けられている開口グリッドと、及びカソードとグ リッドとの間のガスを通してグロー放電を設定してカソード内にプラズマを形成 するための手段を使用している。グリッドは通常透過性が高いが、開口部はプラ ズマがグリッドを通過するのを阻止できる程度に小さい。グリッドのカソードと 反対側にあるアノードはほぼ透過性であって、高い正電位を維持し、グリッド後 方のプラズマからの電子ビームを抽出する。電子銃の望ましい実施例では、カソ ード内面は化学的に活性な金属から形成され、ガスには微量の酸素が混入されて この金属の酸化物が形成され、それによってカソードからの２次電子放出量を増 大させて低圧力範囲での動作を可能にしている。ビーム損失はカソード、グリッ ド及びアノードをそれぞれの開口部のセットが相互に整列するように配置するこ とによって減少される。グリッド、アノード及びカソードの端部表面はビームに 対して凹型に形成されてビームの焦点を結ばせ、一方ホローカソードの外部表面 は円筒状で実質的に円形断面の電子ビームを生成する。

本発明の特徴及び利点は、以下の望ましい実施例の詳細な説明及び添付図面の説 明により当業者には明かであろう。

図面の説明 第１図は本発明で使用される新しい電子銃構造を示す。

第２図はマイクロ波を出力する遅波管を形成する波状導波管と結合された望まし い多重開口電子銃の断面図である。

第３図は電子ビームの限定を補助する自己磁気ピンチ効果を示す。

第４図は本発明により生成されるホローカソード及びビーム電流パルスを示すグ ラフである。

第５図はホローカソード放電電流の関数としての電子ビーム電流のグラフである 。

第６図はホローカソード放電電流及び放電電圧の時間の関数としてのグラフであ る。

第７図は出力周波数のビーム電圧の関数としてのグラフである。

第８図は本発明による遅波管を実施するために用いられる実験システムの断面図 である。

第９図は円筒状導波管と結合してマイクロ波あるいはｍｒｎ波出力のプラズマ波 管を形成する多重開口部電子銃の断面図である。

第１０図はプラズマ波管を実施することによって得られる周波数応答特性を示す グラフである。

望ましい実施例の詳細な説明 本発明のマイクロ波またはｍｍ波発振器では、“ソフト”な部分的にガスで満た された真空の管が用いられ、従来の“ハード°な（非常に高真空状態の）管と反 対に高パワー電磁放射を生成する。この発振器では電子ビーム空間電荷波を電磁 導波管モードに結合する通常の方法が用いられる。しかし高パワー発振器の構造 及び製造が簡単になり、一方マージンが広いためにその性能も増幅される。これ は３つの相乗的プラズマ補助技術を結合させることによって達成される。この技 術は、安定化したプラズマ−カソード電子銃、イオン焦点合わせ及びベネットピ ンチによる低圧でのビーム輸送、及び屈折効果及び集合ビーム−プラズマ相互作 用による結合の促進化である。これらの要素は電子銃でのプラズマの生成に用い られるガスがビームによってイオン化され、強力な磁界を用いずにビームを進行 させることができ、またビーム内のイオン化されたガスによっても結合が促進さ れるために、相乗的である。後者の２つの効果は、ガスがカソードを浸蝕し、お よび、あるいは電子銃の高電圧ギャップでの絶縁破壊を引き起こすために、従来 のマイクロ波管では得られない。

第１図には新規な電子銃の構成が示されている。この構成では所望の圧力でイオ ン化ガスで満たされているホローカソードエンクロージャ２が用いられている。

水素やネオンのようなガスを用いても良いが、高電圧レベルに耐えるヘリウムが 望ましい。

ホローカソード壁の開口出力表面８のすぐ外部には放電グリッド４が設けられて いる。ホローカソードの内部の電子のイオン化を効率的に制限しそれによって低 ガス圧力で高密度のプラズマを生成するために、大きなカソード対グリッド面積 比が与えられている。放電グリッドに対して負のパルスを放電バルサ８よりホロ ーカソードに与えることによって、ホローカソード内でプラズマが生成され変調 される。ホローカソードにはキープアライブアノードワイヤ１０が挿入され約１ ｋＶでバイアスされて、パルス間の低電流（約１０ｍＡ）の継続放電を維持し、 それによって高電流放電パルスが低いジッタで命令により開始されることができ る。放電グリッド４は約８０％という高い光透過性を有するが、約２５０ミクロ ンの直径の非常に小さい開口部の孔を有し、この開口部を通してプラズマから電 子が抽出される。プラズマ密度を放電バルサで制御し、またプラズマをグリッド の後方に戻して維持することによって、高電圧レベルでプラズマを構造からショ ートアウトしなくても、継続時間の長いパルスを生成することができる。

６０Ａ／ｃｍ２の電流密度で約３Ｘ１０”ｃｍ−’程度の高密度プラズマがグリ ッド後方に形成される。グリッド４のホローカソード２とは反対側にあるアノー ド電極１２に高い正電位を与えることによって、電子はプラズマから抽出されて 、高電流密度放射で高エネルギーに加速される。アノード１２とグリッド４の間 のギャップの電界強度は、電界放射及びそれに続く約１０Ｑ　ｋ　Ｖ　／　ｃ　 ｍの高電圧絶縁破壊によって制限される値より低い値に保持される。電圧はまた ガス圧力とギャップの間隔との積、すなわちＰｄが０．３トル・ｃｍの通常の値 を越えるならば、パッシェン絶縁破壊によっても制限される。パッシェン絶縁破 壊は、多重膜加速方法でアノード電位全体が小さなギャップによっていくつかの アノード構成にわたって分割されることによって非常に高いビーム電圧でも回避 することができる。

電子銃内のホローカソード材料は金属からできているが、特にステンレス、モリ ブデン、タングステンあるいはクロムのような非磁性金属が望ましい。このよう な材料によってホローカソードグロー放電の動作に適切な２次電子放射が行われ る。カソードからの高い２次電子放射量は、アルミニウム、ベリリウムあるいは マグネシウムのような軽くて化学的に活性な金属の酸化物でカソード表面をコー ティングすることによって得られる。これはカソードを望ましい金属で形成し、 充填ガスに望ましくは約０．２ミリトルの微量の酸素を混入することによって行 われる。このような構成によりホローカソード表面には薄い金属酸化物の層が形 成され、それによって仕事関数が低下してカソードの２次電子放射が増加される 。

２次電子放射が増加すればイオン化速度も上がり、低圧力で高密度プラズマの生 成が可能となる。このために４００ｋＶ程度の高電子銃に対して大きなギャップ 空間をパッシェン破壊を起こさずに用いることが可能となる。抽出電圧は高電圧 電源１４によってアノードに与えられる。

グリッドとアノード間の空間に対するアノード放出面積の割合を単に増大させる ことによって理論的には十分に高いビーム電流密度が得られるが、実際にはアノ ード開口部の直径がグリッドとアノードの間のギャップ間隔に対して大きな割合 となる時には焦点を結ばなくなる。しかし本発明によれば、多重開口部を用いる ことによって純粋の高いパービアンス（１／Ｖ３・２と定義される、ただしＩは ビーム空間電荷制限電流であり、■はアノード電圧である）が得られる。第２図 に示される望ましい実施例ではホローカソード内の六角アレイを形成する円形開 口部がアノード及びグリッド内の同様のアレイを形成する開口部３０と整列し、 全体のパービアンスが開口部の数だけ乗算される開口部ごとのパービアンスに等 しくなる。空間電荷電界を考慮した電子軌道後続コンピュータコードを用いるこ とにより、アノード電極１２を妨害しないような電子ビームレット３２のアレイ を形成するビーム光学を構成することができる。カソード開口部出口６、放電グ リッド４及びアノード１２はビームに対して凹型となるような曲面で構成して幾 何的にビームレット３２の焦点を結ばせ、ビームが単一の円形断面ビーム３４に 融合して波状導波管ハウジング１６に注入されることが望ましい。

ビーム電子による充填ガスのイオン化により生成されたイオンは、ビームを中和 し空間電荷爆発を阻止する。ビーム直径が平衡している安定なビームの走行は、 磁性自己ピンチングベネット力と正に帯電したイオンの静電制限力でビーム内の 残りの外方への熱圧力と平衡させることによって得られる。

磁力は方位方向の磁界を生成するビーム内の軸方向電流から生じる。この磁界は 第３図に示されているように電流に作用してアノード開口部３０より融合する際 にビーム３４上の内方に向いた力を生成する。

第４図にはホローカソード放電及びビーム電流パルスのオシログラムが示されて おり、これらは電流密度が１４Ａ／ｃｍ２、パルス長が１２マイクロ秒の５３ｋ Ｖで動作する電子銃で実行されたものである。ビーム電流は第５図に示されるよ うにホローカソード放電電流を変えることによって空間電荷制限（ＳＣＬ）レベ ルまで直線的に制御することができる。２つの電流の比はおおよそホローカソー ド−グリッド透過性に等しい。５ｃｍ２カソードは、１００μｓあたり３００Ａ でホローカソード放電を動作することによって１００μｓ長パルスにわたって６ ０Ａ／ｃｍ２の放射を与えることができることが実証された。この放電電流及び 電圧は第６図に示されている。一般的に約１乃至１００μｓでの長いビームパル スが好ましい。

記載されている電子銃は電子ビームを導波管構造に注入するのに用いられる。こ のような構造の動作特性は内部ガス圧力を制御するだけで簡単に制御することが できる。ガス圧力を約１乃至５ミリトルにすると、導波管構造はマイクロ波を出 力する遅波管として機能するように構成することができる。

遅波発振器の動作は、ビームの空間電荷爆発を阻止するだけの十分なプラズマに 欠けるため、１ミリトルより小さな圧力では達成されない。圧力をより高くして 約１０乃至２０ミリトルの範囲にすると、導波管構造は広い帯域のマイクロ波及 び、あるいはｍｍｍ波射射出力プラズマ波管として機能することができる。ガス 圧力が低くなると一般的にプラズマ波管モードの動作に対して充分なプラズマは 生成されないが、ガス圧力を充分に高くすれば電子銃中で絶縁破壊が起こりがち にある。遅波管としての適用例では、電磁放射を生成するのには最低で約ＩＡ／ ｃｍ’の電子ビーム電流密度が必要であり、プラズマ波管を用いる場合は最低約 １０Ａ／ｃｎｉ？が必要であることが発見された。通常のビーム電流密度は５ｏ 乃至１００Ａ／ｃｍ”である。

第２図には、新規な電子銃を通常の波状導波管ハウジング１６と結合することに よって形成される遅波管が示されている。

電子銃及び導波管ハウジングにはそれぞれ絞り弁２２及び２４を通して貯蔵器１ ８からのヘリウムガスと、貯蔵器２ｏがらの微量の酸素が与えられる。加熱する と水素を放出するＺｒＨ２ガス貯蔵器のような他のガス供給器を用いることもで きる。銃の周囲には絶縁ブツシュ２６が設けられ、ホローカソード２、放電グリ ッド４及びアノード１２にはコネクタ２８によって電気接続がなされている（図 示されていない）。

波状導波管１６は遅波構造として動作し、電磁波導波管モードの位相速度を低下 させて光の速度より小さな速度の電子ビームの速度と適合させる。次にビーム上 の空間電荷波が導波管モードと共振的に結合し、ビームからのエネルギーがマイ クロ波電界に伝達される。このビームは自由電子レーザ内のように横方向の１次 擾乱ではないため、ビーム電子は主としてマイクロ波信号の軸方向成分と相互に 作用し、軸方向成分は導波管の波状構造によって得られている。従って主な横磁 界（ＴＭ）モードが生成される。出力ホーンアンテナ３５からは空間内の望まし い方向に出力電磁波エネルギーが放射される。

導波管内のプラズマの存在によって、プラズマの屈折効果が放射波長を増大させ るために波の成長がさらに増幅され、それによって遅波回路とビームの結合効果 が増大される。ビームとプラズマの相互作用によって生じる電子プラズマ波の高 調波の励起によってもまたビームの集群と遅波結合が促進される。

本発明の望ましい実施例ではビーム電流が充分に高く、そのため導波管を通るビ ームの一回の走行におけるマイクロ波電界の利得は実質的に１より大きい。従っ て本発明は放射のある一部分を反射させて導波管に戻して導波管を空洞として機 能させる必要なく高パワーの発振器として動作することができる。しかし別の実 施例では利得が１より小さい場合は低電流ビームを用いることもできる。この場 合反射器を波状導波管の端部に設けて高Ｑ空洞を形成することができる。そして 空洞は成長するマイクロ波電界をトラップし、低ビーム電流で線幅の非常に狭い 発振器動作が可能となる。このような構成で用いることが可能な反射器は係属中 の米国特許出願第０３１３２７号明細書（１９８７年３月２７日出願、“理想的 な分配ブラッグ屈折器及び共鳴器”、発明者Ｒ，Ｊ、ハーベイ）及び米国特許第 ４６９７２７２号明細書（１９８７年４月６日公告、発明者Ｒ，Ｊ、ハーベイ、 “波状屈折装置及び自由電子レーザの方法″）に記載された構成で用いることが できる（両出願とも本発明の出願人であるヒユーズエアクラフトカンパニーに譲 渡されている）。

第８図には遅波管を実用化した構成が示されており、前の図面に示された部材と 共通の部材は同じ参照番号で示され、同じ様な電源回路が用いられている（図示 されていない）。

波状導波管１６は共通の柔軟な銅の水バイブとして用いられた。

平均半径は９．２　ａｍ、最小半径と最大半径の差は２．２ｍｍ　ｓ波の周期は ７．８＋Ｉ１ｍであった。アノード電圧はブツシュ４２を通してリード４０によ って供給されるアノード延長管３８がら与えられた。装置全体は真空ポンプ４Ｂ によって排気された接地真空ハウジング４４内に収められた。

第８図に示された遅波管の予想出力周波数のビーム電圧の関数としての曲線は第 ７図に示されている。この曲線によって、最も低い周波数カットオフモードはビ ーム電圧が約２５乃至３０ｋＶに調整される時に約１２ＧＨｚで励起される。

遅波の成長速度が低くまた導波管を通過する度の利得が１より小さな低ビーム電 流では、この周波数では導波管が高Ｑ空洞として機能するために、装置はカット オフの時にのみ発振する−と予想される。導波管の開放端部はマイクロ波信号を 反射して信号波をトラップするため、波フィールドが大きな振幅に成長すること ができる。

実際の遅波発振器は４ミリトルという低いヘリウム圧力でホローカソード銃を動 作することによって観察され、充分な密度のプラズマが導波管中に生成されて良 好なビーム走行が得られたが、遅波がプラズマ自体によって短路するようなプラ ズマを生成しない。このためマイクロ波信号周波数がプラズマ周波数よりも上で あって、プラズマ密度が２Ｘ１０１２ｃｍ−’より小さいことが必要であった。

このシステムには０．２ミリトルの酸素が混入れてこの低ヘリウム圧力での動作 が可能となっている。

ビーム電流を３０乃至３５Ａに設定すると、ビーム電圧は１０乃至４１ｋＶの範 囲にわたって走査された。周波数の応答は１２乃至１３ＧＨｚでカットオフＴＭ 、　１の励起と一致していることが観察されたが、これは約３０ｋＶで起こると 予想されたものであった（第７図参照）。

第９図には本発明のプラズマ波管の応用が示されている。

遅波管の場合と同じ電子銃が用いられ、参照番号も同じである。しかしプラズマ 波管では、導波管の壁が波状である必要はない。遅波管の実施例で用いられてい る波状ハウジングの代わりに平滑な円筒ハウジング４８が設けられている。

管内部の“ソフト°なガス圧力では高電流密度の電子ビームが少なくとも部分的 にはガスをイオン化し、振幅の非常に大きなプラズマ波を形成することが発見さ れた。ビーム電流密度が十分に高い場合は、プラズマ密度が周期的に変調してプ ラズマ波へ散乱する構成が現れ、これによって今度は後方散乱プラズマ波が生成 される。結果として、プラズマ内部で非直線通に結合して電磁放射を生成する単 一電子ビームから得られる１対の反対方向のプラズマ波が得られる。このような 結果を得るために以前には、例えば米国特許出願第１８１３４０号明細書（１９ ８８年４月１４日出願、“ブラズマ波管″、発明者口バート　Ｗ、シュマヒャー 等、ヒユーズエアクラフトカンパニーに譲渡されている、代理人番号第ＰＤ−８ ７４４１号）に記載されているように、２つの別々の電子ビームが必要であった 。

１対の反対方向のプラズマ波を誘導することに伴って、電子ビームによってガス の充分なイオンが生成され、ビーム内の空間電荷が効果的に中和され、それによ って空間電荷爆発が阻止されて磁界を用いずにビームが制限される。その結果よ り高いパワー出力が生じ、空間電荷電圧低下、軸方向速度のずれが阻止され、ま た磁気システムを用いることによる複雑さ及びコスト高が避けられる。

プラズマ波管の動作は、ヘリウムガス圧力を１５ミリトルに上げることによって 実証され、これによって導波管のプラズマ密度が増大された。このモードでは遅 波発振周波数はプラズマ周波数より小さく、プラズマ密度は２Ｘ１０”ｃｍ−’ より高い。電子ビームによって強力な電子プラズマ波が駆動され、これによって 後方プラズマが非直線的に変調され、近で構成から外れ、後方散乱プラズマ波が 生成される。最終的に、前方及び後方進行波が結合して、プラズマ周波数の２倍 に等しい周波数で導波管モードが生成される。プラズマはかなり非均−的である ため、プラズマ周波数にはひろがりがあり、その結果広い帯域の出力マイクロ波 またはｍｍ波周波数が得られる。

第１０図にはオシロスコープの軌跡の一連のグラフが示されており、１５ミリト ルのヘリウムにおいて動作するシステムによって得られる広い帯域の出力、３３ ｋＶの放電電圧及び３０Ａの放電電流が示されている。周波数出力の低い方の端 部の検出にはＸ帯域フィルタが用いられた。約８乃至１２ＧＨｚで最も効率的で あるが、Ｘ帯域検出器はまたより高い周波数に対して感受性のあるバイパスフィ ルタである。

出力周波数の低い方の限界を計算すると、導波管の大きさ及びプラズマ密度に基 づいて１５ＧＨｚであった。Ｋａ帯域内の約４０　Ｇ　Ｈｚまで周波数の応答が 観察された。

上記の実証によってプラズマ波管の放射が単一の高電流密度ビームによって駆動 できることが示されたため、プラズマ波管の開発に重要なインパクトが与えられ た。従来のものでは２Ａ／Ｃｍ２より小さい低電流密度ビームのみが用いられ、 １対の反対方向のビームが常に必要であった。単一ビームのみを用いることによ って、プラズマ波管の構成、出力結合、及びビームエネルギー回復が簡略化され た。

本発明の一部として記載された新しい電子銃は主として遅波管及びプラズマ波管 に応用されるが、他の応用にも有効である。他の応用例にはレーザの駆動、ある いは電子ビームリソグラフ法と関係したレジストの露光のための電子銃の使用が 含まれる。

以上、本発明のいくつかの実施例が示され説明された。当業者には多数の変形例 及び代替実施例が明確であるため、本発明の技術的範囲は添付請求の範囲の記載 によってのみ限定されるべきものである。

ＦＩＧ、／。

ＦＩＧ、３゜ 爪づ−カソーどλｋｔ／、アン付ア ＦＩＧ、５゜ ＦＩＧ、　７゜ 哨　蘭　、２０）ｔｓ／ＤＩ〆 ＦＩＧ、６゜ ＦＩＧ、９゜ Ｆｌに、　／θ 国際調査報告 −−・・−−−−一一ム・・し・・−＋ＰＣＴ／ｌｌｓ！１（１１００８５７国 際調査報告 ＬＩＳ　８９００８５７ Ｓ＾　２９４０３

Claims (33)

【特許請求の範囲】
1. （１）マイクロ波からｍｍ波までの領域で電磁放射を生成するための発振器にお いて、 導波管ハウジングと、 イオン化可能なガスを前記導波管ハウジングに導入する手段と、 電子ビームを前記導波管ハウジングに注入するための電子銃と、 前記導波管ハウジング内のガス圧力を、ビームの電圧破壊を回避できる程度に低 くまたビームの空間電荷拡大を実質的に中和するのに十分なイオンを提供できる 程度に高いレベルで維持するための手段とを具備し、 前記電子銃が、少なくとも導波管ハウジング内のガスを部分的にイオン化し、前 記ガス圧力で電磁放射を生成するのに十分な電流密度で前記ビームを導波管ハウ ジングに注入することを特徴とする発振器。
2. （２）前記ガス圧力が１乃至２０ミリトルの適切な範囲内に維持される請求の範 囲第１項記載の発振器。
3. （３）遅波管として構成され、前記導波管ハウジングは波状壁を具備し、前記ガ ス圧力はほぼ１乃至５ミリトルの範囲に維持されている請求の範囲第２項記載の 発振器。
4. （４）プラズマ波管として構成され、ガス圧力がほぼ１０乃至２０ミリトルの範 囲に維持されている請求の範囲第２項記載の発振器。
5. （５）前記電子銃が少なくとも約１アンペア／ｃｍ２の電流密度のビームを生成 する請求の範囲第１項記載の発振器。
6. （６）前記電子銃は出口のあるホローホローカソードと、このホローカソード出 口に設けられた開口グリッドと、イオン化可能なガスを前記孔ホローカソード中 に導入する手段と、ホローカソードとグリッド間にグロー放電を設定して前記ホ ローカソード内にプラズマを生成する手段とを具備し、グリッドは一般的に透過 性は高いがプラズマが通過するのを阻止するのに十分な程度の小さな孔を備え、 さらにグリッドのホローカソードと反対側にはほぼ透過性のアノードと、このア ノードに電位を与えてグリッド背後のプラズマから電子ビームを抽出する手段と を具備している請求の範囲第５項記載の発振器。
7. （７）ホローカソードの内面が化学的に活性な金属より構成され、前記ガス導入 手段はガスに微量の酸素を混入してこの金属と反応させて酸化物を形成し、それ によってカソードからの２次電子放射を増加させる手段を具備している請求の範 囲第６項記載の発振器。
8. （８）前記孔ホローカソードとアノードは相互に整列して高いパービアンスのビ ームを生成する開口部のセットをそれぞれ具備している請求の範囲第６項記載の 発振器。
9. （９）カソード表面、グリッド及びアノードはビームに対して凹型曲面を有して ビームの焦点を結ばせている請求の範囲第６項記載の発振器。
10. （１０）前記孔ホローカソードは円筒状であって断面が実質的に円形の電子ビー ムを生成する請求の範囲第６項記載の発振器。
11. （１１）前記のイオン化ガスを導波管ハウジングに導入する手段はこのイオン化 ガスを導波管ハウジング内とほぼ同じ圧力で電子銃に導入する請求の範囲第１項 記載の発振器。
12. （１２）前記電子銃はこの銃内のイオン化ガスによってグロー放電を設定して銃 内にプラズマを設定する手段を具備し、このプラズマが前記ビームのための電子 源を与えている請求の範囲第１１項記載の発振器。
13. （１３）前記電子銃は約１乃至１００μ秒継続するパルスで前記放電を生成する 手段を具備している請求の範囲第１２項記載の発振器。
14. （１４）前記電子銃は導波管ハウジングの一端に電子ビームを注入し、さらに導 波管ハウジングの反対側の端部にはホーンアンテナが設けられて出力電磁放射を 行う請求の範囲第１項記載の発振器。
15. （１５）マイクロ波からｍｍ波までの領域の電磁放射を生成する発振器において 、 ａ）導波管ハウジングと、 ｂ）前記導波管ハウジングに結合してこの導波管ハウジングに電子ビームを注入 する電子銃と、 ｃ）ビームの電圧破壊を避ける程度に低くまた導波管ハウジング内に十分なイオ ンを提供してビームの空間電荷拡大を実質的に中和することができる程度に高い 圧力で導波管ハウジング及び電子銃にイオン化ガスを導入する手段とを具備して おり、 ｄ）前記電子銃は、 ｉ）前記導波管ハウジングに対して多重出口を保持するホローカソードと、 ｉｉ）前記多重カソード出口に近接して設けられた穴あきグリッドであって、プ ラズマの通過を阻止できる程度に小さな開口部を保持するグリッドと、 ｉｉｉ）ホローカソードとグリッド間にグロー放電を設定してホローカソード内 でプラズマを生成する手段と、ｉｖ）グリッドのホローカソードと反対側にある 穴あきアノードと、 ｖ）前記アノードに電位を供給し、グリッド背後のプラズマから前記導波管ハウ ジングに電子ビームを抽出する手段とを具備しており、 前記電子銃は、少なくとも部分的に銃内のガスをイオン化し電磁放射を生成する のに十分な電流密度の前記ビームを生成する発振器。
16. （１６）ホローカソード内面が非磁性金属から形成される請求の範囲第１５項記 載の電子銃。
17. （１７）前記ホローカソード内面が化学的に活性な金属から形成され、前記ガス 導入手段は、ガスに微量の酸素を混入してこの金属と反応させてこの金属の酸化 物を形成し、それによってホローカソードからの２次電子放射量を増加させる手 段を具備している請求の範囲第１５項記載の電子銃。
18. （１８）前記ホローカソード出口及びアノードは相互に整列して高いパービアン スのビームを生成する開口部のセットをそれぞれ具備している請求の範囲第１５ 項記載の電子銃。
19. （１９）前記ホローカソード、グリッド及びアノードはビームに対して凹型の曲 面を有し、ビームの焦点を結ばせている請求の範囲第１５項記載の電子銃。
20. （２０）前記ホローカソードは、円筒状であり、断面が実質的に円形の電子ビー ムを生成する請求の範囲第１５項記載の発振器。
21. （２１）拡大しない電子ビームを生成する装置において、電子ビームを生成する 電子銃と、 電子銃に結合して電子ビームを受けるハウジングと、前記ハウジング中にイオン 化ガスを導入してビームによりイオン化する手段とを具備し、 前記ガスはビームに近接して十分なイオンが生成されてビームの空間電荷の爆発 を実質的に中和する程度の圧力で導入され、 前記電子銃は十分な電流密度のビームを生成して前記ガス圧力でハウジング内に 電磁放射を発生させることを特徴とする拡大しない電子ビームを生成する装置。
22. （２２）前記ガスがほぼ１乃至２０ミリトルの範囲の圧力でハウジングに導入さ れる請求の範囲第２１項記載の装置。
23. （２３）電子銃が約１アンペア／ｃｍ２以上の電流密度で前記ビームを生成する 請求の範囲第２１項記載の装置。
24. （２４）波状壁を有する導波管ハウジングと、ほぼ１乃至５ミリトルの圧力で前 記ハウジングにイオン化ガスを導入する手段と、 約１アンペア／ｃｍ２以上の電流密度で前記ハウジングに電子ビームを注入する 電子銃とを具備している遅波管。
25. （２５）前記ガスがヘリウムである請求の範囲第２４項記載の遅波管。
26. （２６）導波管ハウジングと、 ほぼ１０乃至２０ミリトルの範囲の圧力で前記導波管ハウジングにイオン化ガス を導入する手段と、約１０アンペア／ｃｍ２以上の電流密度で前記ハウジングに 電子ビームを注入する電子銃とを具備しているプラズマ波管。
27. （２７）前記ガスがヘリウムである請求の範囲第２５項記載のプラズマ波管。
28. （２８）多重出口を有するホローカソードと、ホローカソードにイオン化ガスを 導入する手段と、前記ホローカソードの多重出口に近接して設けられた穴あきグ リッドであって、プラズマの通過を阻止できる程度の小さな開口部を有するグリ ッドと、 ホローカソードとグリッド間にグロー放電を設定してホローカソード内にプラズ マを生成する手段と、グリッドのホローカソードと反対側に設けられた穴あきア ノードと、 前記アノードに電位を与えて前記グリッド背後のプラズマから電子ビームを抽出 する手段とを具備している高電流電子銃。
29. （２９）カソード内面が非磁性金属から形成される請求の範囲第２８項記載の電 子銃。
30. （３０）カソード内面が化学的に活性な金属から形成され、前記ガス導入手段は ガスに微量の酸素を混入して前記金属と反応させこの金属の酸化物を形成し、そ れによってカソードからの２次電子放射を増加させる手段を具備している請求の 範囲第２８項記載の電子銃。
31. （３１）前記カソード出口及びアノードは相互に整列して高いパービアンスのビ ームを生成する閉口部のセットをそれぞれ具備している請求の範囲第２８項記載 の電子銃。
32. （３２）前記カソード、グリッド及びアノードはビームに対して凹型の曲面を具 備してビームの焦点を結ばせている請求の範囲第２８項記載の電子銃。
33. （３３）前記ホローカソードは円筒状であり、断面が実質的に円形の電子ビーム を生成する請求の範囲第２８項記載の発振器。