JPH04286837A

JPH04286837A - マイクロ波管用の改良された陰極

Info

Publication number: JPH04286837A
Application number: JP3337598A
Authority: JP
Inventors: Georges Mourier; ジョルジュ　ムリエ; Arvind Shroff; アルヴァン　シュロフ
Original assignee: Thomson Tubes Electroniques
Current assignee: Thales Electron Devices SA
Priority date: 1990-11-27
Filing date: 1991-11-27
Publication date: 1992-10-12
Also published as: EP0488852A1; FR2669771A1

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子管、特にマイクロ
波管に関するものである。さらに詳しく言えば、電子管
内において電子を放出する陰極の構造に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】一般的に、電子管は、電子源、すなわち
陰極と、電子管内に静電界を形成するように陰極とは異
なる電圧に保持された１つまたは複数の電極とによって
構成されている。電子管は、真空になっており、従って
、電子が移動する時、電子はその走行路に沿って気体粒
子と衝突せず、従って、それらの運動は管内の電磁界に
よってのみ制御される。一般的に、第１の電極、すなわ
ち、陽極は、陰極に近接して配置され、陰極に対して正
の電圧に維持され、陰極表面から放出された電子を加速
して、それらに運動エネルギーを付与する。運動エネル
ギーは、以下の式で示される；Ｅｃ　＝Ｍｅ　Ｖ２　／２（但し、上記式において、Ｍｅ　は電子の質量であり、
Ｖはその速度である。）電子ボルトで表示した電子によって獲得されるエネルギ
ーは、陰極と陽極とのい間の電圧の差に等しい。高周波
数、高電力、高効率、または、極めて高い性能を要求す
る他のいずれか条件下で作動するためのマイクロ波管で
は、電子ビームの特性が極めて重要である。電子が加速
する時、それらの電子に付与される速度の均一性、空間
におけるそれらの分布の均一性、ビームの最終速度、ビ
ームの安定性等が、電子銃及び電子銃が内部に設置され
た電子管から最適な性能を得るために、厳密に制御しな
ければならないパラメータである。なお、このリストが
全てはない。空間及び時間における複数のビームパラメ
ータの均一性は重要であるので、また、電子を加速する
静電界が可能な限り均一及び対称であることを確保する
ことが重要である。このため、可能な限り正確に電子銃
構成部品を製造し、組み立て時に、それらの相対的位置
を可能な限り正確にするためには、注意を払う必要があ
る。しかしながら、様々の電極の先端部の不連続すなわ
ち小さい半径は、力線の密集する領域、または反対に、
力線が粗になる、すなわちあまり密集していない領域を
形成するので、電界が空間において急速に変化する少な
くとも１つの位置が常に存在する。これは、電極の寸法
が有限であり従って少なくとも１つの縁（エッジ）があ
るので、起きる。電界は、電極の縁の周辺では急激に変
化する。従って、そのような領域を通過する電子は、縁
部に近接していない電子とは同様の挙動を示さない。こ
れらの電子は、「周辺的（ｍａｒｇｉｎａｌ）」である
と以下の２つの理由からみなされる。すなわち、それら
の電子の走行路は、他の電子の平均的な走行路からある
程度の離れており、従って物理的に周辺的である。第２
に、それらの挙動は他の電子の平均挙動とは異なるので
周辺的である。

【０００３】従来技術では、陰極縁部のこの効果を解消
するために、別の非電子放出電極を陰極縁部の近傍に配
置した。ＢＦＥまたはウェネルトとして公知のこのビー
ム成形電極は、通常、陰極の周辺で、その縁部の近傍に
おいても、均一な電界を得るために、陰極電圧に維持さ
れている。陰極は、電子放出を増加させるように頻繁に
高温に加熱されるため、ウェネルトは熱的にそれから絶
縁されて、より低い温度に保持され、ウェネルトからの
スプリアスな電子放出を防止する。熱絶縁は、陰極とウ
ェネルトとの間に小さい間隙を残すことによって実現さ
れる。しかしながら、この小さい間隙によって隔てられ
た陰極とウェネルトの縁部の周囲に必ずへり、すなわち
、小さい半径があり、上記の問題が再度生じる。電子管
の中心線に平行な強磁界内をらせん形走行路をたどる電
子ビームを電子銃が発生させるジャイロトロン（Ｇｙｒ
ｏｔｏｒｏｎ）　型の電子管内は、この効果に特に影響
されやすい。速度の横方向成分Ｖｔ　及び軸方向成分Ｖ
ａ　との間の比は、この形式の電子管を正確に動作させ
るためには、正確に制御しなければならない。しかしな
がら、様々な電極に印加される電圧から電子の結果的な
速度Ｖ＝（Ｖｔ　２　＋Ｖａ　２　）１／２　を決定す
ることは容易であり、且つこの値は電子放出条件にあま
り影響されないが、比Ｖｔ　／Ｖａ　について同様なこ
とは言えない。すわなち、この比は、反対に、これらの
条件に極めて強く影響される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、陰極
電子放出領域の１つまたは複数の縁部の周辺の電気力線
の単純な分布を保証する一方、陰極とウェネルトとの間
の十分な熱絶縁を保持することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】このため、本発明による
ならば、マイクロ波管用の陰極であって、該陰極は特定
の形状と陰極面を備え、該陰極面は電子放出領域を備え
、該電子放出領域はそれ自体縁部を有して該縁部の内側
に配置されており、上記縁部の外側の周辺の近傍におい
て、前記陰極面は、非電子放出性導電性であることを特
徴とする陰極が提供される。この非電子放出性導電性は
、電子放出部分の縁部のすぐ近傍に、例えば、陰極作動
温度では電子放出しない導電性高融点材料を塗布するこ
とによって実施される。このように構成することにより
、陰極の電子放出部分の縁部の電界は均質及び均一であ
り、ほとんど変化しないが、電子放出性は突然変化する
。この非電子放出性導電性高融点材料を陰極の電子放出
領域のすぐ近傍に塗布するので、この非電子放出性導電
性高融点材料は同じ温度である。ウェネルトビーム成形
電極は、従来技術と同様に、ウェネルトと非電子放出導
電性高融点材料部分との間の間隙によって熱的に絶縁さ
れる。本発明は、陰極及びウェネルト成形電極の形状に
関するものではない。しかしながら、本発明の１つの特
徴は、ウェネルトを除去しても、その利点が失われるこ
とはない。本発明及び本発明の他の利点は、添付図面を
参照した以下の詳細な説明から明らかになろう。しかし
、以下の説明は、本発明を何ら限定するものではない。添付図面において、同じ部分には同じ参照番号を付した
。当業者は、本発明の範囲内で、すなわち、その原理を
使用して、例えば、異なる形状の陰極及び周辺電極で、
別の実施態様を容易に実現することができよう。

【０００６】

【実施例】図１は、従来の陰極を図示したものである。この陰極は、電子放出材料で含浸された多孔性導体１で
ある。陰極は、通常、高い負の電圧に保持されており、
高温に加熱される。電子は、その表面から飛び出して、
周囲の静電界によって加速される。陰極の形態は、その
用途によって異なる。図１には、表面が凹形のペレット
の実施例を図示した。この陰極の形状は、図面に示した
中心線を中心にした回転体である。当業者には周知のよ
うに、陰極は、様々な異なる形状をとることができ、例
えば、平坦なテープ、溝、より合わせたワイヤ、回転体
、球形のキャップ、裁頭回転体等の形状をとることがで
きる。導体の表面の静電界は常に０であり、その表面に
平行である。従って、その電界は、陰極面に垂直であり
、その表面から電子放出される電子は、当初、図面に図
示したようにその表面に垂直な電気力線をたどる。この
図面には、電気力線が陰極の中心に向かって均一に分布
しているが、縁部に向かってはそれほど均一ではないこ
とが示されている。縁部では、小さい半径または鋭い縁
部が強い磁界を生じさせるが、電気力線はそれ自体方向
を急速に変化させる表面に垂直なままなので、電気力線
は実質的に等方性の方向に向けられている。従って、陰
極の縁部の近傍で放出された電子は、これらの電気力線
に沿って広く異なる方向で加速され、線形の電子管の中
では実際には使用できない。

【０００７】図２（ａ）及び（ｂ）は、当業者には周知
の改良を示している。この改良は、ビーム成形電極すな
わち陰極と同じ電圧に保持されたウェネルト２によって
陰極１を囲むことである。一般的に、望まない電子の電
子放出を防止するためには、ウェネルトを陰極から僅か
な間隔をあけて配置し、熱絶縁を行う。これらの構成要
素は、作動中、真空下にあり、従って、小さい間隙は良
好な熱絶縁体である。しかしながら、陰極電子放出面か
らの間隔が小さいので、ウェネルトは陰極からより遠く
、従って、熱伝導を最小にするように形成されている。陰極１の近傍に配置されたウェネルト２は、電子放出陰
極の縁部の周囲の電界を滑らかにし、図２（ａ）には、
図１に比較して陰極１の縁部の周囲で電気力線がより規
則的なことが図示されている。しかしながら、図２（ｂ
）により詳細に図示したように、電界の均一性にはまだ
不連続部がある。実際、陰極とウェネルトとの間の空間
では、電気力線は平行ではなく、半径すなわち縁部の近
傍の領域で湾曲している。従って、上記例で生じた問題
は、程度が小さくなっているとは言え、なお存在する。本発明は、図３に図示しように、この問題を解決する。

【０００８】図３（ａ）及び（ｂ）は、本発明による陰
極の１つの実施例を図示したものである。陰極１の電子
放出部分の周辺には、高融点で導電性があるが、非電子
放出性の材料のリング３が陰極の縁部と直接接触するよ
うに配置されている。ビーム成形電極ウェネルト２は、
従来技術では陰極の周囲に配置されていたように、この
リング３の周囲に配置される。リング３は、例えば、炭
素または高融点カーバイド、例えば、タングステンカー
バイドまたはタンタルカーバイド等である。また、熱分
解グラファイトまたは当業者には公知の方法によって部
分的に形成または堆積された高融点カーバイドで被覆し
た熱分解グラファイト製である。図３（ａ）及び（ｂ）
の相違は、この高融点非電子放出リングの幾何学的形状
だけである。図３（ａ）では、リングは、円柱形の電子
放出体の周囲に配置されており、図３（ｂ）では、非電
子放出リングの外径は陰極の外径に等しく、陰極電子放
出面の上に突出するように配置されている。この配置は
、複数の方法で実施できるが、例えば、リング状構成要
素をそのために形成された溝の中に配置するか、また、
多孔性タングステン陰極の表面にこの幾何学的形状のカ
ーバイド部分を局部的に形成することによって、実施さ
れる。当業者は、本説明によって同じ利点を提供する他
の実施例を容易に考案することができよう。図３（ａ）
及び（ｂ）は、電気力線が陰極電子放出面の縁部の周囲
で完全に均一であることを図示している。これは、正し
く、本発明が得ようとする効果である。

【０００９】図４は、本発明の別の非限定的な実施例で
ある。すなわち、空間電荷によって制限された電流で動
作するための陰極である。陰極が高いパービアンスすな
わち大きな電子放出電流で動作する場合、電子放出面の
周囲の空間に多数の電子が存在するために、「空間電荷
」が形成され、それは、電子が存在しなければ存在する
であろう静電界を変化させる可能性がある。電子量が十
分に高い時、陰極面から電子を放出させる電界は、空間
電荷の電界によって打ち消され、従って、空間電荷は電
流を制限する。この均衡点に到達するために要求される
電子の数は、対応する電界を計算するように計算される
。電子走行路は、空間電荷によって明らかに変更されが
、この影響は同様に計算することができる。ビーム中の
電子間の静電気反発作用は、静電気光学機器によって計
算され、補正される。すなわち、電極は、空間電荷条件
下で作動し、その結果生成するビームの拡散を防ぐよう
に様々に配置される。図４は、非電子放出リングの等電
位表面が陰極電子放出面１に垂直な線に対して角度Ａで
配置されているので、非電子放出部分３の幾何学的形状
は僅かに変更されていることを図示している。理論的に
は、この角度Ａの最適値は、６７．５゜である。上記の
場合と同様に、加熱部分とビーム成形電極２との間には
僅かな間隙があり、それによって、熱絶縁を実現する。

【００１０】図５（ａ）及び（ｂ）は、ジャイロトロン
管電子銃用の本発明による陰極の１実施例を図示してい
る。ジャイロトロンの目的は、極めて高い横断速度と正
確なエネルギーレベルを有する中空の電子ビームを発生
させることである。これは、特に、陰極の電子放出領域
の縁部から生成する電子の軌道またはエネルギーにおけ
る異常を防止するために特に重要だからである。図５（
ａ）は、裁頭円錐形の部分が続く球形のキャップの形態
をした、軸を中心にして回転対称な凸形の形状を有する
ジャイロトロン用陰極を図示したものである。所望の中
空のビームを得るためには、回転対称軸線上の一点から
見ると、陰極の電子放出部分１は、図５（ｂ）に図示し
たようにリング状電子放出ストリップの形態である。幅が均一で、平行な円形縁部を有するこの電子放出スト
リップは、対称軸線に垂直な２つの平面によって画成さ
れた陰極の一部分であり、これら２つの平面は、電子放
出ストリップの円形縁部上で陰極の表面と交差する。各
々、リング状電子放出領域１の内側及び外側に配置され
ている２つの非電子放出領域３は、リング状電子放出ス
トリップと電気的及び熱的に接触している。ウェネルト
ビーム成形電極２は、前記の図面と同様の機能を果たし
、その電極と加熱部分との間には間隙があり、熱絶縁を
提供する。本発明の他の実施例では、陰極の電子放出領
域及び非電子放出領域は、独立した部分として製造し、
次に、組み合わせるか、または、タングステン本体を処
理して、その一部分を局所的に浸炭させ、他の部分を含
浸させて製造されるが、そのどちらの作業も当業者に公
知の方法を使用する。

【００１１】図６は、ジャイロトロン電子管に使用され
る本発明による陰極の別の実施例を図示したものである
。ビーム成形電極は、除去されている。この陰極は、図
５に類似しており、高温に加熱しなければならない質量
を最小にして、要求される加熱電力を最小にすることを
意図している。この陰極は、図５の陰極と同様に回転体
であるが、中空である。図５に図示したように、非電子
放出領域３は、電子放出領域１の両側に配置される。この電子放出領域１は、加熱要素を設置するための中空
部分５を備える。電子放出部分１の両側には、高融点導
電体の非電子放出領域３が、また、高融点導電性材料で
形成された薄い部分４によって接続されている。これら
の薄い部分は、加熱電子放出部分１から非加熱非電子放
出部分３の熱伝導を小さくして、電子放出部分１をその
作動温度に維持するのに必要な加熱電力を最小にする。この装置は、好ましくは、例えば、より熱い非電子放出
部分３と電子放出部分１との間に非電子放出薄膜構成要
素４を一緒にろう付けすることによって製造される。当
業者は、容易に他の製造方法を考案することができる。上記の図面に図示した陰極の全部の実施例では、電子放
出部分の縁部の近傍に電子放出しない電気的に導体の部
分を設けることによって、電子放出部分から電子放出さ
れた電子の走行路が電子放出部分の縁部に影響されない
ようにすることができる。この利点は、特に、極めて高
い電力、極めて高い効率及び極めて高い周波数の管、ま
たは、これらの高性能の組み合わせが要求される管の場
合重要である。電子走行路の均一性及び予測が可能であ
ることによって、計算が簡単になり、従って、コンピュ
ータを使用した設計で良好な結果が得られる。これは、
特に、従来技術によって課された制限に近い、または、
それらの制限を越えた性能を得るのに重要である。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　従来技術による、ビーム成形電極を備える
陰極の１つの形の軸線方向の横断面図である。

【図２】　　（ａ）は、従来技術による、ビーム成形電
極を備える典型的な陰極の軸線方向の横断面図であり、
（ｂ）は、その詳細図である。

【図３】　　（ａ）及び（ｂ）は、本発明による、ビー
ム成形電極を備える陰極の２つの典型的な実施例の概略
的な軸線方向の横断面図である。

【図４】　　本発明による陰極の軸線方向の概略的な横
断面図であり、特に、そのビーム成形電極によって、空
間電荷制限効果を使用するビームを形成するためのもの
である。空間電荷の存在は、非電子放出部分がビームの
縁部と９０゜未満の角度Ａを形成しなければならないこ
とを意味する。

【図５】　　（ａ）及び（ｂ）は、各々、本発明による
ジャイロトロン陰極の典型的な実施例の概略的な軸線方
向の横断面図及び平面図である。これらは、小さい空間
電荷用のビーム成形電極を図示している。

【図６】　　　　ビーム成形電極が除去された、本発明
によるジャイロトロン陰極の別の実施例の軸線方向の横
断面図である。

【符号の説明】

１　　陰極２　　ウェネルトビーム成形電極３　　非電子放出部分４　　薄い部分５　　中空部分

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　方向ｚに沿って電子ビームを発生させ
るように構成され、電子を放出する少なくとも１つの電
子放出部分を有する陰極面と形状を備える電子管用陰極
にして、上記電子放出部分が、縁部を有しその縁部の内
側にあり、該縁部の外側で該縁部にすぐ近接して、上記
陰極面は、導電性非電子放出部分を含むことを特徴とす
る電子管用陰極。
【請求項２】　　上記導電性非電子放出部分は、上記電
子放出部分の縁部にすぐ近接した薄い部分であり、この
薄い非電子放出部分を介して熱伝導を最小にすることを
特徴とする請求項１に記載の陰極。
【請求項３】　　上記非電子放出部分は、導電性高融点
材料であることを特徴とする請求項１または２に記載の
陰極。
【請求項４】　　上記非電子放出部分は、炭素であるこ
とを特徴とする請求項３に記載の陰極。
【請求項５】　　上記非電子放出部分は、熱分解グラフ
ァイトであることを特徴とする請求項４に記載の陰極。
【請求項６】　　上記非電子放出部分は、高融点カーバ
イドであることを特徴とする請求項３に記載の陰極。
【請求項７】　　上記非電子放出部分は、高融点カーバ
イドで被覆された熱分解グラファイトであることを特徴
とする請求項５に記載の陰極。
【請求項８】　　上記高融点カーバイドは、タングステ
ンカーバイドであることを特徴とする請求項６または７
に記載の陰極。
【請求項９】　　上記高融点カーバイドは、タンタルカ
ーバイドであることを特徴とする請求項６または７に記
載の陰極。
【請求項１０】　　上記陰極の形態は、上記方向ｚに平
行な軸線を中心にした回転体の形であることを特徴とす
る請求項１〜９のいずれか１項に記載の陰極。
【請求項１１】　　上記回転体は、上記方向ｚに凹形で
あることを特徴とする請求項１０に記載の陰極。
【請求項１２】　　上記回転体は、上記方向ｚに凸形で
あることを特徴とする請求項１０に記載の陰極。
【請求項１３】　　上記陰極面の上記非電子放出部分は
、上記電子放出部分の縁部で該電子放出部分の法線に対
して角度Ａの方向を向いていることを特徴とする請求項
１１に記載の陰極。
【請求項１４】　　上記角度Ａは、６７．５゜に近いこ
とを特徴とする請求項１３に記載の陰極。
【請求項１５】　　上記凸形の回転体は、裁頭円錐部分
が続く球形キャップの形状であることを特徴とする請求
項１２に記載の陰極。
【請求項１６】　　上記電子放出部分は、幅が一定で平
行な円形縁部を有する電子放出ストリップの形態であり
、該電子放出ストリップは、上記回転軸線に垂直な２つ
の平面の間に画成された表面の一部分を形成しており、
該２つの平面は上記円形縁部で上記表面に交差すること
を特徴とする請求項１５に記載の陰極。
【請求項１７】　　上記表面の上記非電子放出部分は２
つの領域からなり、その一方の領域が上記電子放出スト
リップの１つ側にあることを特徴とする請求項１６に記
載の陰極。
【請求項１８】　　上記非電子放出部分は、上記電子放
出ストリップの縁部にすぐ近接した部分で薄くなってお
り、その薄くなった非電子放出部分によって熱伝導を小
さくすることを特徴とする請求項１７に記載の陰極。
【請求項１９】　　上記陰極が、マイクロ波管用電子銃
のために電子を放出ことを特徴とする請求項１〜１８の
いずれか１項に記載の陰極。
【請求項２０】　　上記陰極が上記マイクロ波管内で電
子ビームを発生させるようにマイクロ波管用電子銃に組
み込まれていることを特徴とする請求項１９に記載の陰
極。