JPH03504181A - 仮想陰極を用いるマイクロ波発生装置 - 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】 仮想陰極を用いるマイクロ波発生装置 本発明は、仮想陰極現象を用いてマイクロ波を発生する装置の提供を目的とする 。

マイクロ波を発生する公知方法では特に、電子管の電子銃によって生成される電 子ビームにおける空間電荷効果を有利に用いる、バーゲイタ（ｖｉｒｃａｔｏｒ ）と呼称される装置が用いられる。実際周知のように、電子銃によって発生され 得る電流、あるいはまた所与の外形寸法を有する１組の電極に間して所与の空間 内を運ばれ得る電流の最大値を所与の電圧に関して決定するのは上記空間電荷効 果である。バーケイタでは、規定の空間内へ投射される電子流はきわめてしばし ば、前記空間を有効に横切り得る最大電流の数倍に等しい、そのような電子流の 投射によって、仮想陰極と呼称される電位極小域（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｗｅｌ ｌ）を形成する電子の蓄積が起こり、この蓄積はビーム電子の様々な規模での部 分的反射を促す、この仮想陰極は不安定であり、即ちその電位極小域の大きさ及 び位置が振動し、それによって反射または透過電子の数が周期的に変化する。こ のような装置は、高いマイクロ波出力値を有する電磁場を限られた大きさに創出 することを可能にする。しかし、出力が一連の同時または逐次周波数で幾つかの モードで行なわれることが観察される。この種の信号の適用はきわめて限られる 。そのうえ、変換効率が、標準的な速度変調型電子管のような他のマイクロ波発 生装！で達成され得る効率に比べて低い（約２〜３％以下）。

本発明は、振動性の仮想陰極現象を用いるが、標準的なバーケイタより高い変換 効率でより優れたスペクトル品質のマイクロ波エネルギをもたらし得るマイクロ 波発生装置の提供を目的とする。

この目的は、所与の位相の電子（即ち透過電子または反射電子）企その運動エネ ルギをマイクロ波エネルギに変換するべく分離して用いることによって達成され る。

本発明は特に、 投射領域内に、仮想陰極の形成を促す十分な電流を運ぶ電子ビームを生成し得る 電子銃と、 受は取る電子のエネルギが同位相であるように、即ち透過電子及び仮想陰極によ って反射された電子のいずれか一方のみのエネルギを用いるか、あるいはまた反 射電子のエネルギを適当に移相して両方のエネルギを用いるように構成された、 電子の運動エネルギをマイクロ波エネルギに変換するマイクロ波出力回路と を含むマイクロ波発生装置の提供を目的とする。

本発明の他の目的、特徴及び成果は、添付図面に示した非限定的な例についての 以下の説明から明らかとなろう。

添付図面の 第１図はマイクロ波出力回路が仮想陰極を透過した電子を用いる、本発明による マイクロ波発生装置の第１の例を示し、 第２図はマイクロ波出力回路が用いる電子の後加速も行なう、本発明による装置 の第２の例を示し、第３図はマイクロ波出力回路が第１に仮想陰極を透過した電 子を用い、第２に前記仮想陰極によって反射されたが適当に移相された電子を用 いる、本発明による装置の更に別の例を示す。

これらの異なる図において、同じ要素には同じ参照符号を付す。

第１図は、本発明による装置の第１の例の概略的縦断面図である。

本発明によるマイクロ波発生装置は、長手軸線ＺＺ周囲への回転によって実現さ れる形状を有する構造体である。

本発明の装置は、陰極１１と、支持部２０及びスクリーン２１から成る陽極とに よって構成された電子銃１を有する。陰極１１は中心軸線ｚＺを有する導電シリ ンダの形態を取り、その周縁部は、陰極１１によって放出された電子が図中点を 付した部分８によって表した環形のビームを形成するように突起１０を構成する 。陽極の支持部２０は陰極と同じ中心軸線を有する中空シリンダから成り、この シリンダは環形ショルダ２３及びディスク形スクリーン２１によって閉じられて いるが、その際電子ビーム８を通過させる環形スロット２２が残されている。ス クリーン２１は、例えば３つの張り出し部（図示せず）によってショルダ２３に 固定されている。

本発明によるマイクロ波発生装置はマイクロ波出力回路４も有し、この回路は第 １図に示した例では同軸型である。

マイクロ波出力回路４は内側の導電シリンダ５と、支持部２０の延長部によって 構成された外側の導電部とから成り、両者間には環形スペース４４が規定されて いる。出力回路４は電子銃１と、図平面に垂直な平面に関して実質的に対称であ り、即ち外側導電部は環形ショルダ４３を具え、ショルダ４３にはスクリーン４ １が、例えば張り出し部によって支持されており、スクリーン４１はショルダ４ ３と共に、ビーム８の電子を通過させる環形スロット４２を規定している。ビー ム８は内側導電部５の環形突起５０によって受は取られる０通常、出力回路４及 び電子銃１は両者のインピーダンスが互いに接近するように設計される。

要素２１．２３と要素４１．４３との間に、投射領域と呼称されるゾーン３が存 在する。このゾーン３は、横方向では壁２０によって限定されている。

この装置は次のように作動する。

陰極１１に、陽極の電圧に関して負である電圧が印加されると、環形電子ビーム ８が発せられる６例えば、支持部２０、スクリーン２１、及び出力回路４の諸要 素が大地電位とされ、陰極１１には電圧−ｖｏが印加される。パラメータが、投 射領域３内に仮想陰極８０が形成されるように選択される。仮想陰極８０を透過 した電子を表すのに矢印８２を、また仮想陰極８０によって反射された電子を表 すのに矢印８１を用いた。更に、図示しない手段を用いることによって、上記の ように生成されたビーム８を集束させるべく横遺体に、（軸線Ｚｚに沿って）長 手方向に伸長する磁場が好ましく付与される。

仮想陰極形成のｔＪ＆橋を以下に説明する。電子ビーム内には空間電荷が存在し 、ビームの中心軸線上の電子の電位及び速度は、同じビームの周縁部の電子のも のより小さい。

電子の密度が、従ってまた運ばれる電流が増大すると、電子の電位及び速度は減 小し、やがてゼロに達する。そうなると電子は陰電荷の集まりを成し、それによ って仮想陰極と呼称される電位極小域が形成される。この仮想陰極は振動し、振 動の周波数は特に投射電流に従属する。振動周波数は通常ギガヘルツで測定され る。更に、電子が仮想陰極を形成しない最大電流強度は電子ビームの電位、並び に電子ビーム及び投射領域３の寸法に従属し、所与の電子ビームに関する上記最 大電流は投射ゾーンの直径が大きいほど小さい。

本発明によれば、装置（を子銃及び投射ゾーン）の寸法及び電子ビームの電流は 、電子ビームの電流が領域３を通過し得る最大電流より大きく、従って仮想陰極 が形成されるように選択される。その結果、透過電子は仮想陰極の振動周波数で 変調された電流を表す、透過電子は単独でその運動エネルギを出力回路４によっ て、特に導電部５とスクリーン４１との間の制動スペースにおいて電磁場に変換 される。

生成されたエネルギは、同軸型出力回Ｆ！１１４によって外部へ伝達される。

上記のようなエネルギ生成の効率は標準的なノく−ケイタのものよりはるかに高 いと考えられる。実際、本出願人が行なった調査によれば、標準的なバーケイタ が低効率である理由の１つは総ての電子、即ち仮想陰極を透過した電子と仮想陰 極によって反射された電子との両方に実質的に同位相の電磁場を課する結合回路 が用いられることであった。

上記２種の電子は実質的に反対位相であり、これらの電子がもたらすエネルギは 相当程度が互いに打ち消し合ってしまう、従って、本発明によれば、透過電子か または反射電子が分離して用いられる。ここに述べた第１の例では透過電子のみ が用いられる。

本発明により同位相の電子を用いることにはまた、電子と出力回路との間により 緊密な結合を実現し、それによってスペクトル品質のより高い電磁エネルギを得 ることが可能となるという効果も有る。

一変形例（図示せず）では、出力回路４は仮想陰極によって反射された電子のみ が用いられるように位置決めされる。

更に、電子銃及び投射領域の寸法が好ましくは、ビームの電流が最大電流より僅 かに大きく、従って透過電子の電磁めるように選択されることが留意されなけれ ばならない。

第２図も、本発明による装置の別の例の概略的縦断面図であり、ここに図示した 装置は用いられる電子の後加速手段を具備している。

一例として、第２図に示したマイクワ波発生装置は第１図の装置と同様の構造を 有するが、出力回路４が電子Ｍ１から電気的に絶縁されている点のみ相違する。

特に、電子銃の陽極を構成する支持部２０が出力回路４の、この図では参照符号 ４０を付しである外側導電部と電気的に接触しない、導電部４０は例えば、支持 部２０と同じ中心軸線Ｚｚを有する中空シリンダの形態で、支持部２０を囲繞し て伸長している。この装置例は更に、陰極１１と出力回路４との間に陰極／陽極 電圧■。より大きい電圧Ｌｔ印加する手段７を含む。手段７は例えば、−次巻線 ７１が給電電圧を受は取り、二次巻線７２が一端で壁４０に接続され（大地電位 ）、他端で陰極１１に接続され（を位−■、）、電位が−Ｖ、＋Ｖ。に等しい中 間点で陽極２０に接続されている変圧器から成る。

周知のように、第１の例の電圧ｖ０より大きい電圧■１が用いられてもなお仮想 陰極の形成が可能であるためには投射領域３の長さの増大が必要であり、この増 大は選択された比Ｖ、／Ｖ０が大きいほど大幅でなければならないことが留意さ れなければならない。

第３図に、本発明によるマイクロ波発生装置の、仮想陰極を透過した電子も仮想 陰極によって反射された電子も共に用いられる更に別の例を示す。

この図にも、陰極１１と陽極２０．２１とから成る電子銃１を示す。この例でも 電子銃１は、電子の一部を反射しく矢印８１）、他の部分を、例えば投射領域３ の限界を規定する金属壁５０の方へと透過させる（矢印８２）仮想陰極８０が形 成される条件の下に電子ビーム８を生成する。

マイクロ波出力回路４はこの例では２つのチャネルを有し、一方のチャネルは陽 極２０と仮想陰極８０との閏の領域４八に続き、反射電子８１のエネルギを回収 するように設計されており、他方のチャネルは仮想陰ｉ８０と壁５０との間の領 域４Ｂに続き、透過電子８２のエネルギを回収するように設計されている。仮想 陰極によって反射される電子８１は透過電子８２に対して仮想陰極の振動のおよ そ半周期の平均遅延を有して反射されるので、両電子の効果な総合するには一方 の電子がもたらすエネルギを他方の電子がもたらすエネルギに関して実質的に１ ８０度移相しなければならない。このことは移相器４５によって概略的に図示す るが、移相器４５は任意の公知手段によって構成され得、２つのチャネル内に存 在するエネルギが集合して出力エネルギを構成する前段で一方のチャネル４八ま たは４Ｂと接続され得る。

チャネル４＾と４Ｂとの間の壁４６は２つのチャネル内に存在する電磁場が仮想 陰極８０手前で互いに結合することを防止する十分な厚みを有するべきであり、 この厚みは壁４６の仮想陰極からの距離同様に重要であることが留意されなけれ ばならない。

第３図に示した回路４はほんの一例である。例えばチャネル４＾及び４Ｂそれぞ れが第１図の回路４に関して説明したような同軸型構造体とされているものなど 、変形された他の例を用いることも明らかに可能である。

第４図も、本発明による装置の更に別の例の概略的縦断面図であり、ここに図示 した装置では電子銃によって生成されるビームは中実シリンダ状である。

第４図に一例として示した構造体も第１図の構造体に類似するが、この図では参 照符号１２３付した陰極の電子放出面が中実シリンダ状の電子ビーム８８を生成 するべくディスク状である点が第１図の構造体とは異なる。同様に、出方回路４ の、この図では参照符号５１を付した内側導電部の電子受容面も平坦なディスク 状である。第１図のスクリーン２１及び４１はこの例では、電子の吸収が非常に 僅がである十分薄い金属格子または洛がら成る要素２６及び４６によって置き換 えられている。

この装置は第１図の装置と同様に作動し、仮想陰極８３が形成されて反射電子８ ４と透過電子８５とが生じ、電子８５の運動エネルギが出力回路４によってマイ クロ波エネルギに変換される。

十分な機能が達成され得るためには、陰ｆ！１２の直径が出力で得られるマイク ロ波エネルギの波長より実質的に小さく、例えば１波長の半分はどの大きさでな ければならないことが留意されなければならない。しがし、電子は仮想陰極の周 縁部に集合する傾向を有するため、実際にはより大きい直径の陰極も用いられ得 る。

第５図に示した、本発明によるマイクロ波発生装置の更に別の例では、用いられ る電子ビームは中実シリンダ状ビームであり、またこの装置例は電子の後加速手 段も含む。

ここに図示した構造体は第２図のものに類似であるが、電子銃１の陰極１１、出 力回路４の中心導電部５、並びにスクリーン２１及び４１は第４図に間して説明 した要素１２．５１．２６及び４６によってそれぞれ置き換えられている。

第５図の装置については、第４図の装置に関して観察されたのと同じことが観察 され得る。

同様に、第６図には第３図の例に類似の装置例が示しであるが、この装置では環 形の電子ビームが中実シリンダ状の電子ビームによって置き換えられている。

即ち、第６図の装置は第３図の構造体に類似の構造体から成るが、第４図及び第 ５図の場合のように参照符号１２を付した陰極の構造は陰極１１の構造に異なり 、参照符号８８を付した電子ビームは電子ビーム８とは異なって中実シリンダ状 となっている。

国際調査報告 １ｍｍ細−−−１１１１．　ＰＣＴ／ＦＲ９０１００１１２国際調査報告 ＦＲ９０００１１２ ＳＡ　　　　３ＳＯＤ７

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．投射領域（３）内に、仮想陰極（８０；８３）の形成を促す十分な電流を運 ぶ電子ビーム（８；８８）を生成し得る電子銃（１）と、 受け取る電子のエネルギが実質的に同位相であるように構成された、電子の運動 エネルギをマイクロ波エネルギに変換するマイクロ波出力回路（４）と を含むことを特徴とするマイクロ波発生装置。
2. ２．出力回路（４）が仮想陰極（８０；８３）を透過した電子（８２；８５）の みを受け取るように位置決めされていることを特徴とする請求項１に記載の装置 。
3. ３．出力回路（４）が仮想陰極（８０；８３）から反射された電子（８１；８４ ）のみを受け取るように位置決めされていることを特徴とする請求項１に記載の 装置。
4. ４．出力回路（４）が透過電子（８１；８４）を受け取る第１のチャネル（４Ａ ）と、反射電子（８２；８５）を受け取る第２のチャネル（４Ｂ）と、これらの チャネルのうちの一方によって生成されたエネルギを実質的に１８０度移相する 移相器（４５）とを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. ５．出力回路（４）が同軸型であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. ６．出力回路（４）が電子銃（１）から電気的に絶縁されており、電子銃と出力 回路との間に電子加速電圧（Ｖ１）が印加されることを特徴とする請求項１また は２に記載の装置。
7. ７．電子ビーム（８）が中空シリンダ状であることを特徴とする請求項１から６ のいずれか一項に記載の装置。
8. ８．電子ビーム（８８）が中実シリンダ状であることを特徴とする請求項１から ６のいずれか一項に記載の装置。
9. ９．電子ビームを集束する磁場を付与する手段も含むことを特徴とする請求項１ から８のいずれか一項に記載の装置。