JPS59198637A - 改良型電子銃 - 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】 本発明は、改良型電子銃に関し、特に隣接するシャドウ
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、スイッチ管、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、導波管に沿って伝搬される電波の電界
と、電波と共に進行する電子ヒ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
よって減速される。

従って、電子の運動エネルギー損が電波電界によって搬
送されるエネルギー増加として現われるため、増幅器又
は発掘器として使用できる。

Ｔ　ｉＶ　Ｔ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ｎ，５　５
　８，９　６　７　　号に記載されておシ、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シ、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ャドウ格子とを利用し
ている。シャ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１匂極に向って流れ
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、陰極にシャドウ格子
を埋設するか、又は陰極表面にくぼみを設けここにシャ
ドウ格子を嵌め込むことによって、この集束すれの問題
を克服している。

しかし、シャ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シ、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
に起伏を持たせで、溝付シャドウスクリーン間にディン
プルを形成する必要がある。これらのディンプル又は二
次的凹面により、シャドウ格子及び制御格子を通過して
、最終的Ｋ　１本の直線ビームに集束する９　／Ｊ−ビ
ームレットが出来易くなる。

陰極の凹面にディンプル又はエミッ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、各ディ
ンプルをシンメトリ配置しなければならず、そのため、
シャ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ィ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す、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
ディ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
３．５００，１０７号及び第２，９７７，４９６号があ
シ、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。

係属中の米国特許第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、全く異々る２つの導電
素子パターンを有する可変電位シャドウ格子を用いてお
り、改良型陰極・シャドウ格子構成は教示されていない
。

発明の概要 従って、本発明の第１の目的は、ディンプル付陰極を排
除して、陰極から陽極に向っ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７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
とシャ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
ャドウ格子であシ、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、シャドウ制御格子パターンと一致する複数
の溝によって起伏を持たせである。シャドウ格子の外面
は、陰極のエミッタ表面と実質的に整合して因る。シャ
ドウ格子の背面に溝付パターンを用いることによシ、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ティ
ンプルを設ける必要がなく々る。

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。

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
陰極ディスペンサ１６で構成されている。加熱コイル２
０はディスペンサの対応板アパーチャに入れ子にされ、
該ディスペンサは、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（アムジルク（Ａｍｚｉｒ
ｃ　）の商標名で市販されている）等の予備成形薄板を
フォトエツチング又は放電加工することによって製造さ
れるシャドウ格子４４が装着されている。シャドウ格子
の厚さは、好適実施例では０．００３イン及び第８図に
、シャドウ格子４４と陰極凹面１８との相関性の詳細を
示す。

陰極７６さ＠極１２との間に環状開口部２８を有する集
束電極２６は、ハウシング（図示せず）内に装着されて
いる。集束電極２６とハウシングリング２４との間には
、シャドウ格子４４と類似要領で形成された制御格子５
６が装着された内面を有する第２環状リンク３ｏが装着
されている。制御格子５６は、球形シャドウ格子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）が設けられておシ、導電素子６ｏを放射
配列することにょシ、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、
又は導電シートに憂パーチャを設は残シの導電材で導電
素子を形成することにより、格子を構成できる。さらに
陰極１６と調節格子５６との間にシャドウ格子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。

従って大半の実施例では、シャドウ格子４４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はかりでなく、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に向っ
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の作用によシ、ビームｒｂＪにな
る。

第２図に示す様に、陰極凹面１８には、シャドウ格子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、シャドウ格子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図及び第７図に示す様に、シャドウ格子４４を形
成する導電素子５８．６０は、球形であり、その外面半
径６６は陰極凹面１８の曲線半径と等しい。さらにシャ
ドウ格子４４は、外面半径が凹面１８０曲線半径と同一
平面にくる様に配設されている。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、格子４４が溝６４に嵌入したり、又は凹面１８
を形成する曲線半径の外側に位置する様に、その正確な
設置場所を変えられる。

第３図は、陰極凹面１８全体の算定電流密度を表わすプ
ロット線図である。第２図に示す様に、シャドウ格子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／平方センナであった。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・シャドウ格子構成
（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、複数個のディンプル
又は二次球面４１９を含む、球面４１８を有している。

シャドウ格子４４４１ｒ１球面４１８がら離間されてお
り、制御格子４５６は、シャ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
すプロット線図である。シャドウ格子４４４はゼロボル
トに保持され、制御格子４５６は４．５０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８５ア
ンペア／平方センナである。

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
きるだめ、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、シャドウ格子６４４を
設置しておシ、シャドウ格子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
の他にティンプル６１９を設け々けれはならないが、本
発明では、円滑な電子層流を得るには、この様なディン
プルを設ける必要はない。

第７図は、陰極溝６４、及びシャドウ格子４４の導電素
子５８の詳細図である。溝６４の側面は、従来の様に角
形ではなく、上下がどを丸くシ、側壁にテーパ付するこ
とにより、電子流を円滑にしている（第８図参照）。シ
ャドウ格子４４の外側半径６６は陰極凹面１８の曲線半
径と実質的に整合している。

０００３インチ（０，０７６２ミリ）素子５８は、正方
形であり、・０ｏ０３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）であシ、外側開口部直径は−０，００フインチ（
０，１７，７８ミリ）、Ｊ：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は平滑になって
いるが、ダッシュ線６８で示す様な第２ディンプル面、
又はダッシュ線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
ミュレートしたコンピュータプロットであり、はぼ水平
な線は、電子が陰極面１８から陽極１２に向って流れる
際の電子流のコンピュータプロットである。

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、ｙ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
、シャドウ格子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殉（ＲＭ　Ｓ　）出口角は０
５度である。

これを、嬉４図の構成をプロットした第９図と比較する
と陰極面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１４度であり、シャドウ格子の背
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％が従来型銑のシャドウ格子４４４の背後に放出（ダ
ッシュ線で示す）されるが、第８図に示す本発明の場合
は、シャドウ格子４４の背後に放出される電流は０３％
（同様にダッシュ線で示す）に過ぎない。

第８図に示す改良構成によ）、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。上記の降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。本実施クリで用いた電圧は、陽極１２を陰極
１６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、コンピュータ処理するため、陽極
電圧を夫々］０００ボルト、１１００ボルトとして、２
５キロボルトの陽極電圧で発生する電界をシュミュレー
トしたものである。本発明実施例のシャドウ格子４４は
、陰極上でゼロホルトに保たれ、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
、ｌ乃至６５キロボルトで作動できるが、この場合、シ
ャドウ格子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ャープな角形面より製造
し易い。溝６４の形状、及びシャドウ格子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、シャドウ
格子４４背後の陰極電流を低減し、溝間の電流密度をよ
う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だめ、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によって拡散流が再集束
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
ディ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、さらにシャドウ格子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な説明したが、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・シャドウ格子構成
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
ット線図であり。 第４図は、従来型電子銃の、第２図と同様の横断面図で
あシ、 第５図は、第４図に示す陰極表面の電流密度を示す第３
図と同様のプロット線図で−あり、第６図は、別の従来
型陰極・シャドウ格子構成の横断面図であシ、 第７図は、本発明によるシャ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図と
同様の横断面図である。 〔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・・・シャドウ格子、５６・・・・制
御格子、５８．６０　　・・・導電素子、６２・・・テ
ーパ付環状開口部、６４・・・・溝。 Ｆｉｇ、２ ｉ　　＝　７．ｌ　　Ｉ’−／ＣＭ２ ］ｉｇ、４ ｊ”８．５　　　／ＣＭ２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ］　陽極、電子放出面を有する熱イオン陰・添、導電素
   子パターンを有する制御格子、導電素子パターンを有す
   るシャドウ格子を備え、前記陰極表面が、前記シャドウ
   洛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、 前記陰極が、単一の平滑凹面を有していることを特徴と
   する改良型電子銃。 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、少くとも１枚の格子で構成され、前記シ
   ャドウ格子が、少くとも１枚の格子で構成され、捷だ前
   記少くとも１枚のシャドウ格子の導電素子パターンの少
   くとも一部が、前記少くとも１枚の制御格子の導電素子
   パターンの少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、特許請求の範囲第１項に記載の電子銃において、前
   記シャドウ格子及び制御格子が、前記陰極凹面の球形曲
   線半径と実質的に整合する、球形曲線半径を有すること
   を特徴とする改良型電子銃。 ４、特許請求の範囲第１項に記載の電子銃において、前
   記シャドウ格子が、前記陰極凹面の溝パターンに嵌入さ
   れていることを特徴とする改良型電子銃。 ５、特許請求の範囲第１項に記載の電子銃において、前
   記シャドウ格子が、外面半径を有し、前記陰極凹面が前
   記シャドウ格子外面半径に等しい曲線半径を有し、また
   前記シャドウ格子外面半径が、前記溝パターンで接触を
   防止する様にした、前記陰極凹面曲線半径と実質的に線
   間整合する様に配列されていることを特徴とする改良型
   電子銃。 ６、特許請求の範囲第１項に記載の電子銃において、前
   記シャドウ格子が、前記凹面溝パターンを若干越えた、
   前記制御格子よシに装着されていることを特徴とする改
   良型電子銃。 ７　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、■乃至６５キロボルト電圧を印加
   する手段、前記陰極と比較して、前記制御格子に１４乃
   至９］０ボルトの正電圧を印加する手段、及び前記陰極
   と比較して前記シャドウ格子をゼロ電圧に保持する手段
   から成ることを特徴とする改良型電子銃。 ８　特許請求の範囲第７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加され、寸だ前記
   制菌格子に３５０ボルト電圧が印加されることを特徴と
   する改良型電子銃。 ９、特許請求の範囲第１項に記載の電子銃において、前
   記陰極凹面の溝が、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。 １０　　特許請求の範囲第１項及び第９項に記載の電子
   銃において、前記陰極凹面の溝が、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。 １１　　陽極、全体に溝パターンを備えるほぼ凹形の表
   面を有する陰極、隣接配置された前記陰極面の溝パター
   ンと整合する導電素子パターンを有するシャドウ格子、
   及び隣接する前記シ」７ドウ格子導電素子パターンと実
   質的に整合する導電素子パターンを有する制御格子から
   成る改良型電子銃において、前記溝が、丸形内外コーナ
   ーとテーパ付側壁とを有することを特徴とする改良型電
   子銃。 １２、特許請求の範囲第１１項に記載の電子銃において
   、前記陰極凹面が平滑であることを特徴とする改良型電
   子銃。 １３　　％許請求の範囲第１１項に記載の電子銃におい
   て、前記陰極凹面が、前記溝間に凸形二次面を有して因
   ることを特徴とする改良型電子銃。 １．４．　　％許請求の範囲第１１項に記載の電子銃に
   おいて、前記陰極凹面が、前記溝間に凹形二次面を有し
   ていることを特徴とする改良型電子銃。 １５　　特許請求の範囲第１１項に記載の電子銃におい
   て、前記陰極凹面が曲線半径を有し、前記シャドウ格子
   が前記電子銃外面半径と実質的に整合する前記陰極凹面
   曲線半径とほぼ等しい外面半径を有していることを特徴
   とする改良型電子銃。