JPH0624099B2 - 改良型電子銃 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、改良型電子銃に関し、特に隣接するシヤドウ
格子の形状に適合する溝付陰極面を用いることにより、
電子流を改善する陰極・格子構成に関する。

発明の背景 直線加速器、自由電子レーザ、スイツチ管、又は磁電管
形進行波管等の進行波管（ＴＷＴ）その他の荷電粒子装
置に電子銃を用いることは周知である。特にＴＷＴは、
その特性上、導波管に沿つて伝搬される電波の電界と、
電波と共に進行する電子ビームとの相互作用に依存する
広帯域マイクロ波管であり、ビーム中の電子は電波より
若干速い速度で進行し、その後は通常電波の電界によつ
て減速される。従つて、電子の運動エネルギー損が電波
電界によつて搬送されるエネルギー増加として現われる
ため、増幅器又は発振器として使用できる。

ＴＷＴの中心を成す電子銃は、通常陰極と陽極とで形成
されており、両極間には格子が配設されている。この種
の配列を有する電子銃は、米国特許第 3,558,967号に記
載されており、陰極から制御格子に向う電子流を選択的
に阻止することにより、電子衝撃による制御格子の過度
な加熱を防止する目的で同一パターンを有する制御格子
とシヤドウ格子とを利用している。シヤドウ格子を陰極
に隣接配設すると、電界にひずみが生じ、このため、陰
極から陽極に向かつて流れる電子ビームに、互いに交差
し、所望の層流からそれる軌道ができる。この様に軌道
が交差すると迷走電子が電子銃の下流にあるマイクロ波
管部品に衝突して、加熱が旨く行われなくなる。上記特
許は、陰極にシヤドウ格子を埋設するか、又は陰極表面
にくぼみを設けここにシヤドウ格子を嵌め込むことによ
つて、この集束ずれの問題を克服している。

しかし、シヤドウ格子を陰極に埋め込むと、接触格子に
よる陰極の破損、又は、格子への放出物質の移動の結果
による格子電子放出により、陰極の寿命がかなり短縮さ
れる。上記特許では第２の解決策として、格子が接触し
ない様に、陰極表面の方形溝に嵌め込む様にしている
が、何れにせよ間隔が狭すぎ、このため最適のものより
も小さい電子光学的効果しか得られない。さらに陰極表
面に起伏を持たせて、溝付シヤドウスクリーン間にデイ
ンプルを形成する必要がある。これらのデインプル又は
二次的凹面により、シヤドウ格子及び制御格子を通過し
て、最終的に１本の直線ビームに集束する微小ピームレ
ットが出来易くなる。

陰極の凹面にデインプル又はエミツタ二次凹面を形成す
るには、余計な製造工程を要するばかりでなく、各デイ
ンプルをシンメトリ配置しなければならず、そのため、
シヤドウ格子及び制御格子パターンが不必要に複雑にな
る。またシンメトリなデインプルパターンを得るには格
子の公差をさらに縮めなければならず、整合上の問題も
生じる。最後に、陰極表面の溝パターンが不必要に複雑
で製造が困難である。

また、軸向離間された、一対の凹形集束制御格子と共に
デインプル付凹形陰極面を用いることは、米国特許第3,
983,446号に教示されている。溝付制御格子が開示され
ているその他の先行技術としては、米国特許第3,500,10
7 号及び第2,977,496 号があり、何れも溝付の球形、円
筒形又は平形表面を有する陰極を用いている。彎曲形陰
極表面（平形表面陰極を除く）には、何れも加工又は製
造困難である二次彎曲面が設けられている。

係属中の米国特願第3,62,790号では、双対モード電子銃
に、平滑な凹形陰極を用いている。しかし、該双対モー
ド機能を達成するため、全く異なる２つの導電素止パタ
ーンを有する可変電位シヤドウ格子を用いており、改良
型陰極・シヤドウ格子構成は教示されていない。

発明の概要 従つて、本発明の第１の目的は、デインプル付陰極を排
除して、陰極から陽極に向つて放出される電子の層流性
を高める様にした、改良型電子銃を提供することにあ
る。

本発明の第２の目的は、従来のものより製造し易い単純
な陰極表面を備えた、改良型電子銃を提供することにあ
る。

本発明の第３の目的は、陰極表面の溝形状を改善し、溝
とシヤドウ格子との相関性を簡略化することにある。

上記その他の目的を達成するため、平滑な電子放出単一
凹面を陽極と並設すると共に両者間に一対の格子を設け
た、改良型電子銃が提供されている。平滑な単一凹面に
隣接する第１格子は、導電素子パターンが形成されたシ
ヤドウ格子であり、実質的に類似する整合導電素子パタ
ーンを有する制御格子と整合している。陰極の平滑な単
一凹面には、シヤドウ制御格子パターンと一致する複数
の溝によつて起伏を持たせてある。シヤドウ格子の外面
は、陰極のエミツタ表面と実質的に整合している。シヤ
ドウ格子の背面に溝付パターンを用いることにより、陰
極から放出される電子の層流性を高めている。この様な
構成を用いれば、従来の様に陰極の電子放出凹面にデイ
ンプルを設ける必要がなくなる。

本発明のその他の目的及び利点は、添付図面を参照した
以下の詳細な説明から明らかとなろう。

好ましい実施例の説明 第１図は、陽極１２及び陰極アセンブリ１４を有する電
子銃１０の横断面図である。陰極アセンブリ１４は、カ
プセル封じ加熱コイル２０で加熱される平滑な単一電子
放出凹面を備える、熱イオン陰極デイスペンサ１６で構
成されている。加熱コイル２０はデイスペンサの対応板
アパーチヤに入れ子にされ、該デイスペンサは、取付ハ
ウジング（図示せず）に密接嵌入する導電カーラ２２内
に装着されている。

ハウジングリング２４の外端上には、モリブデン、ハフ
ニウム又は銅・ジルコン合金（アムジクル（Amzirc）の
商標名で市販されている）等の予備成形薄板をフオトエ
ツチング又は放電加工することによつて製造されるシヤ
ドウ格子４４が装着されている。シヤドウ格子の厚さ
は、好適実施例では0.003インチ（0.0762ミリ）であ
る。第２図、第７図及び第８図に、シヤドウ格子４４と
陰極凹面１８との相関性の詳細を示す。

陰極１６と陽極１２との間に環状開口部２８を有する集
束電極２６は、ハウジング（図示せず）内に装着されて
いる。集束電極２６とハウジングリング２４との間に
は、シヤドウ格子４４と類似要領で形成された制御格子
５６が装着された内面を有する第２環状リング３０が装
着されている。制御格子５６は、球形シヤドウ格子４４
に同心嵌入している。

各格子４４及び５６には、円形導電素子５８（第２図及
び第７図参照）が設けられており、導電素子６０を放射
配列することにより、相互結合される。好適実施例では
格子４４、５６を数種の形状に形成できることを理解さ
れたい。即ち、導電素子を特定パターンに配列するか、
又は導電シートにアパーチヤを設け残りの導電材で導電
素子を形成することにより、格子を構成できる。されに
陰極１６と調節格子５６との間にシヤドウ格子４４を設
けることにより、陰極凹面１８から放出される電子が制
御格子５６に衝突して加熱しない様にしていることを理
解されたい。従つて大半の実施例では、シヤドウ格子４
４と制御格子５６とのパターンは同一であるが、必ずし
も同一にする必要性はなく、また単一の制御格子ばかり
でなく、２枚以上の格子を使用することもできる。

作動中、電子は陰極凹面１８から放出し、格子４４、５
６を通過し、陽極１２のテーパ付環状開口部６２に向つ
て加速される。このため電子は格子４４、５６、集束電
極２６及び開口部６２の作用により、ビーム「ｂ」にな
る。

第２図に示す様に、陰極凹面１８には、シヤドウ格子４
４と同一パターン配列された複数個の溝６４が設けられ
ている。溝６４は、凹面１８に機械又はエツチング加工
され、シヤドウ格子４４の導電素子５８と共に凹面１８
から放出する電子の層流を形成する役目をする、電子放
出率が大幅に低下（無視できる程）した領域を形成す
る。第２図、第７図及び第１０図に示すように、シャド
ー格子４４を構成する導電素子５８は全体として球形を
形成し、その外面６６の曲率半径Ｒは陰極凹面１８の曲
率半径と等しい。さらにシャドー格子４４は、外面６６
が凹面１８とほぼ同一平面にくるように配置されてい
る。好適実施例では、この線間形状により最も円滑な放
出電子流が得られる。

しかし、シャドー格子４４は、その外面６６が陰極凹面
１８からやや外側又は内側に位置するようその正確な設
置場所が微調整される。

第３図は、陰極凹面１８全体の算定電流密度を表わすプ
ロツト線図である。第２図に示す様に、シヤドウ格子４
４にかかる電圧がゼロで、制御格子５６にかかる電圧が
３５０ボルトである場合の最大電流密度は、７．１アン
ペア／平方センチであつた。次に第４図及び第５図を参
照して、本発明による改良型陰極・シヤドウ格子構成
（第２図参照）と、先行技術（第４図参照）とを比較す
る。先行技術による陰極４１６は、複数個のデインプル
又は二次球面４１９を含む、球面４１８を有している。
シヤドウ格子４４４は球面４１８から離間されており、
制御格子４５６は、シヤドウ格子の背後に整合配列され
ている。第５図は陰極表面４１８の電流密度を表わすプ
ロツト線図である。シヤドウ格子４４４はゼロボルトに
保持され、制御格子４５６は４５０ボルトに保持されて
いるが、この様な構成では最大電流密度は８．５アンペ
ア／平方センチである。

本発明による制御格子５６１については、従来のものよ
り低い電圧で作動できると共に、陰極ピーク負荷も同様
に低いことに留意されたい。同一の陰極電流に対して、
陰極ピーク負荷が低減すれば、陰極をより低温で作動で
きるため、結果的に平均余命が延びる。

別の先行技術構成（第６図参照）では、陰極６１６の球
面６１８に設けた溝６６４内に、シヤドウ格子６４４を
配置しており、シヤドウ格子６４４と同一パターンの制
御格子656を使用している。この構成では、溝６６４の
他にデインプル６１９を設けなければならないが、本発
明では、円滑な電子層流を得るには、この様なデインプ
ルを設ける必要はない。

第７図は、陰極溝６４及びシャドー格子４４の導電素子
５８の詳細図であり、また第１１図は溝６４の内面形状
の詳細図である。溝６４の側面８０は、従来のように角
形ではなく上下かどを丸くし（即ち、丸形外コーナー８
１及び丸形内コーナー８２を有し）側壁８０にテーパを
付することにより電子流を円滑にしている（第８図参
照）。0.003インチ（0.0762ミリ）素子５８は、正方形
であり、0.003インチ（0.0762ミリ）深度溝（内側開口部
直径は0.005インチ（0.127ミリ）であり、外側開口部直
径は0.007インチ（0.1778ミリ）上方にシンメトリ整列
されている。溝の寸法は変えられるが、図示のものはそ
の好適実施例である。第７図では陰極凹面１８は平滑に
なつているが、ダツシユ線６８で示す様な第２デインプ
ル面、又はダツシユ線７０で示す様な第２凸面を設ける
ことができる。

第８図は、電子銃１０の小区分において、陰極面１８か
ら格子４４、５６を通過して陽極１２に向う電子流をシ
ミユレートしたコンピユータプロツトであり、ほぼ水平
な線は、電子が陰極面１８から陽極１２に向つて流れる
際の電子流のコンピユータプロツトである。ｙ軸は、格
子４４、５６を形成する各導電素子５８の対称面からの
距離（センチ）を示し、ｘ軸は、陰極面からの距離（セ
ンチ）である。

第８図と第９図とを比較すると、両極間において、格子
を通過する際の電子層流が改善されていることが容易に
判る。第８図において、本発明による陰極凹面１８に
は、シヤドウ格子４４の導電素子５８が、その外側半径
を陰極面１８の曲線半径と実質的に適合させた状態で整
列されている、溝６４が設けられている。本図から判る
様に、陰極面からの自乗平均（ＲＭＳ）出口角は０．５
度である。

これを、第４図の構成をプロツトした第９図と比較する
陰極面４１８から放出され、格子４４４、４５６を通過
する電子流が、第８図のものより乱れていることが判
る。この場合ＲＭＳは１．４度であり、シヤドウ格子の
背後に放出された電子が、第８図より多くの全電流を搬
送する点に留意されたい。計算すると、全陰極電流の
０．４％が従来型銃のシヤドウ格子４４４の背後に放出
（ダツシユ線で示す）されるが、第８図に示す本発明の
場合は、シヤドウ格子４４の背後に放出される電流は
０．３％（同様にダツシユ線で示す）に過ぎない。

第８図に示す改良構成により、第９図の従来構成より低
電圧で制御格子を作動すると共に、低ピーク負荷で陰極
を作動できる。上記の様に陰極のピーク負荷が低下する
と、所望陰極作動温度が低下するため、電子銃の寿命が
長くなる。本実施例で用いた電圧は、陽極１２を陰極１
６以上の２５キロボルト電位に保つが、その他の電圧値
にすることもできる。第８図及び第９図は、コンピユー
タ処理するため、陽極電圧を夫々１０００ボルト、１１
００ボルトとして、２５キロボルトの陽極電圧で発生す
る電界をシユミユレートしたものである。本発明実施例
のシヤドウ格子４４は、陰極上でゼロボルトに保たれ、
制御格子５６は、陰極電位以上の３５０ボルトである。
本発明による電子銃は、１乃至６５キロボルトで作動で
きるが、この場合、シヤドウ格子４４はゼロボルトを保
ち、制御格子５６はこれに比例して、１４乃至９１０ボ
ルトの範囲で変化する。

第８図の溝６４の丸味のあるテーパ面領域を見ると、丸
かど及びテーパ付側壁が陰極凹面１８から放出される電
子の層流化にいかに助力しているかが判る。またこの様
な丸味のあるテーパ面の方がシヤープな角形面より製造
し易い。溝６４の形状、及びシヤドウ格子４４を溝内に
挿入するか又は溝上方に設置する深さについては、本発
明の教示内で変えることができる。好適構成は整合形で
ある。本発明による成形溝６４の別の効用は、シヤドウ
格子４４背後の陰極電流を低減し、溝間の電流密度をよ
り均一にする点にある。この様に均一化すると、陰極ピ
ーク負荷が低下し、その結果陰極温度が低下して管の寿
命が延びる。

好適実施例では、陰極面１８は平滑な凹面であるが、電
子流の集束をくずすため、導電素子５８間の表面を凸形
にすることができる。この様にすると、制御格子５６に
よつて拡散流が再集束され、得られるビームの集束率が
高まる。また、溝６４に丸味とテーパとを付け、かつ従
来の様に素子５８間にデインプル面を設けることができ
る。

制御格子５６については、双対モード電子銃の様に、１
枚以上で構成することができ、さらにシヤドウ格子４４
についても、用途に応じて１枚以上で構成できる。上記
の通り本発明の詳細を説明したが、本発明の範囲を逸脱
することなく、種々の変更をすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による改良型陰極・シヤドウ格子構成
を示す電子銃の概略的横断面図であり、 第２図は、本発明による格子及び陰極面の詳細横断面図
であり、 第３図は、本発明による陰極表面の電流密度を示すプロ
ツト線図であり。 第４図は、従来型電子銃の、第２図と同様の横断面図で
あり、 第５図は、第４図に示す陰極表面の電流密度を示す第３
図と同様のプロツト線図であり、 第６図は、別の従来型陰極・シヤドウ格子構成の横断面
図であり、 第７図は、本発明によるシヤドウ格子と陰極との相関性
を示す詳細横断面図であり、 第８図は、本発明による溝付陰極から放出される電子ビ
ームの流れを示す横断面図であり、及び 第９図は、第４図の従来陰極を用いた場合の、第８図の
同様の横断面図である。 第１０図は、第２図の詳細図であり、第１１図は、溝の
内面形状の詳細図である。 〔主要部分の符号の説明〕 １０……電子銃、１２……陽極、１４……陰極アセンブ
リ、１６……陰極、１８……陰極凹面、４４……シヤド
ウ格子、５６……制御格子、５８，６０……導電素子、
６２……テーパ付環状開口部、６４……溝。

フロントページの続き (72)発明者 ヨハン・リチヤ−ド・ヘクテル アメリカ合衆国94062カリフオルニア・サ ン・マテオ・レツドウツド・シテイ・パロ マ−・ドライヴ532 (56)参考文献 特公 昭52−18549（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭55−12698（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】陽極、電子放出面を有する熱イオン陰極、
   導電素子パターンを有する制御格子、及び導電素子パタ
   ーンを有するシャドー格子を含み、前記陰極表面が、前
   記シャドー格子の導電素子パターンと整合する溝パター
   ンを有する改良型電子銃において、 前記陰極はその溝の部分を除き単一の平滑凹面を有し、 前記シャドー格子の外面は、シャドー格子の導電素子パ
   ターンが該溝パターンの溝内面と接触しないよう前記陰
   極凹面の曲率に等しい曲率を有し前記陰極凹面と実質的
   に同一面上に配列されており、そして 前記陰極凹面の溝はテーパ付側壁と丸形内外コーナーを
   有していることを特徴とする改良型電子銃。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項に記載の電子銃にお
   いて、前記制御格子が、少なくとも１枚の格子で構成さ
   れ、前記シャドー格子が、少なくとも１枚の格子で構成
   され、又前記少なくとも１枚のシャドー格子の導電素子
   パターンの少なくとも１部が、前記少なくとも１枚の制
   御格子の導電素子パターンの少なくとも一部と整合して
   いることを特徴とする改良型電子銃。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項に記載の電子銃にお
   いて、前記シャドー格子及び制御格子が、前記陰極凹面
   の球形曲率半径と実質的に整合する、球形曲率半径を有
   することを特徴とする改良型電子銃。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第１項に記載の電子銃にお
   いて、前記シャドー格子が、前記凹面溝パターンを若干
   超えた、前記制御格子よりに装着されていることを特徴
   とする改良型電子銃。
5. 【請求項５】特許請求の範囲第１項に記載の電子銃にお
   いて、さらに前記陽陰極間に、１乃至６５キロボルト電
   圧を印可する手段、前記陰極と比較して、前記制御格子
   に１４乃至９１０ボルトの正電圧を印可する手段、及び
   前記陰極と比較して前記シャドー格子をゼロ電圧に保持
   する手段とから成ることを特徴とする改良型電子銃。
6. 【請求項６】特許請求の範囲第５項に記載の電子銃にお
   いて、前記陽陰極間に２５キロボルト電圧が印可され、
   又前記制御格子に３５０ボルト電圧が印可されることを
   特徴とする改良型電子銃。