JPS5975537A

JPS5975537A - 反射電子トラツプを有する線形ビ−ム管

Info

Publication number: JPS5975537A
Application number: JP58169524A
Authority: JP
Inventors: ロバ−ト・エス・シモンズ
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1982-09-27
Filing date: 1983-09-16
Publication date: 1984-04-28
Also published as: GB2128014A; US4506190A; DE3334520A1; GB8321094D0; GB2128014B; FR2533748B1; FR2533748A1; CA1224873A

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】〔発明の分野〕本発明は、マイクロ波、とシわけ、テレビジョン映像信
号のような、振幅変調された信号を有する電磁波の増幅
に使用する線形ビーム電子管にかかるものである。この
目的のために、クライストロンが広く用いられる。本発
明は、進行波管内にも組み込むこともできる。

長い間、テレビジョンのトランスミツタークライストロ
ンについて悩ませてきだ問題は、ビームの進路に沿って
電子銃の方へ逆行する、コレクター　（ｃｏｌｌｅｃｔ
ｏｒ　）から戻ってくる電子が原因であることが分って
いた。その有害な電子は、およそ、最初のビームの速度
で進行する。それらは、°「反射電子」または、「高速
二次電子」と呼ばれている。

クライストロンの空胴を通過中に、戻って来た電子の流
れは、その空胴電圧によって速度変調され、そのため、
変調された電流密度を持つビームを形成するためにクラ
イストロンの機構によって、束ねられる。入力（或いは
、他の、上流にある）空胴を通過する、この二次的無周
波数電流は、−次ビーム電流を変調したのと正確に等し
い電圧を、空胴中に誘導するが、それは、クライストロ
ンの空胴が、完全に両相向性だからである。最終的な影
響は、振幅及び位相における、高い非線形の信号再生で
゛ある。

このような再生によって、二つの好ましくない影響が引
き起される。

（１）画像中の光輝の途切れとして現われる、振幅変換
特性における揺れ。

（２）「同期／ＩＰルスリンギング（５ｙｎａ　ｐｕｌ
ｓｅｒｌｎｇｌｎｇ　）　Ｊとしで知られる現象。

後者の現象は、次のように説明できる。各々の走査線（
及びフレーム（ｆｒａｍｅ）　）の端で、送信器のピー
ク（ｐｅａｋ）飽和出力に近い振幅の、するどい同期パ
ルスが送られる。このパルスは、非常に早い立上がり及
び立下が９時間をもち、送信器の帯域幅によってのみ制
限される。空胴中の電圧の立上がｂ　ｔｌ、いは立下が
りにおける遅れのために、高いＱ値の結果としてクライ
ストロンの利得は、立上がシ及び立下がシの間に変化す
る。再生が付加されるとき、電圧は、その平衡値を越え
ることができ、・母ルスの立上が９或は立下がシの後、
リンギングを生成する。

〔先行技術〕

多くの案が、逆流電子（ｂａｅｋｓｔｒｅａｍｉｎｇｅ
ｌｅｅｔｏｒｏｎ＠）の数を減じることによって、この
ような信号再生を防ぐように試みられた。１つの案は、
コレクターの衝撃面から生じる高速二次電子の割合が、
原子番号の増加関数になっているということに依存して
いる。従って、コレクターの面は、原子番゛号の小さい
物質でコートされている。炭素は効果的であるが、管の
ガスを抜くのに必要な時間が、非常に増加する。１９８
０年１１月１１日発行の米国特許第４，２３３，５３９
号（発明者ルイス・アール・ファシスで、本出願と同じ
譲受人に譲渡された。）は、ガスを抜くことがずっと容
易である、改良されたアルミニウムホウ化物コーティン
グを開示している。

先行技術のもう１つの案は、再びドリフト管に入る二次
電子の確率を減じるために、コレクターの形状寸法を変
更することである。１９７４年４月２６日発行の米国特
許第３，９３６，６９５号（発明者口パート・シー・シ
ュミットで、本出願と同じ譲受人に譲渡された。）は、
入って来るビームの通過は許し、多少の二次電子をしゃ
断するように設計された。コレクター内の一連の／Ｊフ
ル（ｂａｆｆｌｅｓ）を開示している。

さらに、もう１つの案は、１９７４年４月２３日発行の
米国特許第３，８０６，７５５号（発明者イー・エル・
リエン及びエム・イー・レビンで、こレモまだ、本出願
と同じ譲受人に堕渡された。）で開示されている。その
目的は、コレクターの入口の孔に再び入る反射電子の一
部を、コレクターの衝撃面をできるかぎりその孔から離
すことによって、統計的に減じることである。

上述の全ての案は、信号の再生を減じるのに役立つこと
が確かめられている。しかし、それら全ては、逆流電子
の数を減じるだけで、それらを除去するのではない。

ビームの軸線を横切る磁場によって、逆流電子を除去す
る多くの試みが成されてきた。磁場は、左右像規則（ｈ
ａｎｄｅｄｎｅｓｓ”　ｒｕｌｅ　）に一致して、動い
ている荷電粒子（ｃｈａｒｇｅｓ）を偏向するので、戻
ってきた電子は順方向ビームが偏向されるであろうとこ
ろの方向と反対の方向に偏向されることになる。従って
、だいたいにおいて、戻ってきた電子は、順方向ビーム
と分離され、集められる。

これらの案のどれもが、何の商業上の成功も得ていない
のは、高い値段と、それらの案に特有の、非対称の形状
及び一様でないコレクター損失に関連した難しさによっ
ている。

もちろん、磁場と電子ビームの相互作用を利用するより
複雑な案の、他の多くの例を、先行技術の中に見ること
ができるが、それらは、他の目的に向けられているもの
であった。まだ、逆流電子の問題に関して、何の役にも
立っていなかった。

例えば、米国特許第３，３９８，３７６号（発明者バー
ジ・フィールド）は、マイクロ波及びｓＩＪ波の帯域内
で電磁放射を生じ、増幅する電子サイクロトロン周波数
−を開示している。このような発生及び増幅は、縦て方
向の磁場中の電磁のビームに、螺旋状の軌道を与えるた
めに、螺旋状の磁場成るいは、電場の作用を受けさせる
ことにょ゛ろて達成される。

このとき、螺旋状に進むビームは、そのサイクロトロン
周波数と等しいモード周波数を有する空胴を通過する。

螺旋状の場の作用は、電子ビームの軸線方向の速度が損
失する所で、その横方向の速度を増加し空胴中に横方向
の場との相互作用を可能にしている。しかし、ここでも
、このような案は、逆流電子の問題に対する解決を提供
していない。

〔発明の概要〕

本発明の目的は、再生が無視できるような線形ビーム管
を提供することである。

さらに、本発明の目的は、コレクター損失が一様である
線形ビーム管を提供することである。

さらに、本発明の目的は、製造にコストのかからない線
形ビーム管を提供することである。

これらの本発明の目的は、ビームの進路に沿って、電子
の方向分類トラップ（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−ＩＩｏｒｔ
ｉｎｇｔｒａｐ）を組み込むことで達成される。周期的
な横方向の磁場は、ビームを集中するのに用いられる、
軸線方向の一様な磁場内で、順方向に進むビーム電子が
回転している方向と反対方向に、距離に関して回転して
いる。順方向電子にかかる周期的力の時間平均は、ゼロ
である。横方向の磁場の周期は、サイクロトロン波とほ
ぼ等しい。戻って来る電子は、それらのサイクロトロン
の回転方向−と、横方向の磁場の回転方向とが同じにみ
えることから、よシ大きなサイクロトロン軌道へ加速さ
れ、結局ドリフト管に当たシ、集められる。

〔好適実施例〕

第１図は、この発明を実施するクライストロンを図示し
ている。クライストロンは、ＵＨＦテレビの送信器内で
増幅器として、広く用いられている。この発明は、逆流
電子による再生の悪影響を受けるクライストロンにおい
て、大きな効用が見られる。逆流は、進行波管において
も現れる。再生は、進行波管（ＴＷＴ）においては少な
い。なぜならば、初めのｒｆ回路波と反対方向に進む反
射ビームは、−次ｒｆ回路波と同一位相ではなく、それ
ゆえ、クライストロンの場合より、ずっと小さい範囲に
変調されるであろうから。にもかかわらず、この発明は
、ＴＷＴの性能に伺らかの改良をすることができる。

第１図で、電子のビーム１０が、中空の陽極１４でのグ
ラスのポテンシャルによって、熱陰極１２から引き寄せ
られる。陰極１２は、抵抗ヒータ１６からの熱輻射で熱
せられる。ビーム１０は、長く、中空のドリフト管２０
を通過するように、焦点電極１８によって、小さい直径
のビームに集束させられるっ　ドリフト管２０の長さに
わたって、ビーム１０は、ソレノイドマグネットコイル
（ｓｏｌｅｎｏｉｄｍａｇｎｅｔ　ｃｏｉｌ　）　２２
の一様な軸線方向の磁場によって、鉛筆状に集束されて
いる。磁力線が戻る進路は、周囲を取り囲む鉄製シェル
（ｓｈｅｌｌ）　２４で形成されている。ドリフト管通
過後、ビーム１０は、磁場を通シすぎて、広が９、中空
コレクター２６に集められる。

ビーム１０が交差する、開口３０を有するいくつかの共
振相互作用空胴が、ドリフト管２０に沿って間隔をおい
て並べられている。これらの空胴は、入力マイクロ波信
号を導入するための結合ルーｆ３４を有する入力空胴３
２と、結合されていないカスケード空胴３６と、無線周
波数パワーを引き出す出力ループ４０を有する出力空胴
３８とを含んでいる。それら空胴は、“電子ビームとの
エネルギー交換する際マイクロ波信号を持続させる。

ビームは、当業者には明らかなように、連続する空胴を
通過中に、線形的速度調整を受ける。もちろん、クライ
ストロン空胴が、このような線形速度調整を得ることの
できる唯一の回路手段ではない。例えば、進行波管の遅
波構造は、もう１つの典型的例である。

入力空胴３２と出力空胴３８の間のドリフト管２００部
分は、工夫に富んだ、反射電子トラップ４２のために用
いられる。トラップ４２は、ビーム１０の軸線を横断す
る周期的磁場を作り出す手段から成るが、その周期性は
、横方向の磁場の方向がビーム１０の軸線方向に沿った
距離に対して回転することによるものである。回転のピ
ッチは、サイクロトロン−周期の間に、電子が軸線方向
に進行する距離に等しい。第１図において、この螺旋状
横方向の磁場は、ドリフトチューブ４８のまわシを取シ
巻き、チューブ４８の拡張部分からは絶縁された、−組
の二本巻導電へリックス（ｈｅｌＩｘ）４４．４６によ
って作シ出されている。へりツクス４４．４６は、ヘリ
ックスの各端の矢印によって示されるように、相反する
回転の向きに直流電流が供給される。ヘリックス中を流
れるこれらの電流による磁場は、大部分はビーム１０の
軸線を横断し、ヘリックス４４．４６のピッチで回転す
る。

第２図は、周期的磁場の作用を図示している。

それらは、第１図においてドリフト管４８を横切る、ｏ
　、　１／４　、１／２　、３／４　、１と明示された
、連続する横断面での断面を説明しておシ、分数は、ヘ
リックス４４．４６の回転のサイクルの分数に対応して
いる。矢印５０．５２は、紙面に入る向きと出る向きを
もつが、それは、ヘリックス４４゜４６の角度で計った
位置と、ヘリックス中を流れる直流電流の方向を示す。

ベクトルＢ、は、螺旋状の横方向の磁場の主成分の方向
を示す。ベクトルＦは、紙面内へ向う軸線方向に動くこ
とで、横方向の磁場ＢＰをカットするように前進する電
子５４（小さな円によって明示されている）における゛
誘導磁力の方向を示している。点線の円弧５６は、軸線
方向の磁場Ｂ。内の順方向電子５４のサイクロトロン軌
道を示し、その磁場Ｂ。は、紙面内に向いておシ、ソレ
ノイド２２によって形成される。

第２Ａ図は、陰極からコレクターへの流れに沿って動く
、順方向電子５４にかかる力と運動を表わしている。平
面Ｏで、横断磁場力は下向きであシ、時計回りのサイク
ロトロン軌道内で、電子５４を加速する働きをしている
。平面１／４で、力Ｆは右向きで、サイクロドローンの
運動と反対向きであり、サイクロトロンを減速している
。平ｉｉｉ　１／２で、力は再びサイクロトロンの運動
を加速し、平面３／４で再びサイクロトロンの運動を減
速する。平面１で、条件は再び平面Ｏでのものと同じに
なる。したがって、−次ビームの電子に対して、横方向
の磁場には、正味の影響はもつでおらず、電子５４は、
半分の時間は加速され、他の半分の時間は減速されるの
で、平均すると０となり、順方向電子について、その正
規のサイクロトロン軌道は、残っている影響下でも、実
質的に変化しない。

第２Ｂ図は、軸線方向の運動が紙面の外に向う反射電子
にかかる力と運動を図示している。軸線方向の磁場Ｂ。

のもとでの、そのサイクロトロンの運動は、順方向電子
５４の回転方向と反対の回転方向になるであろう。そし
て、それは、点線の円弧５６′で表わされている。平面
Ｏで、力Ｆは上を向き、反射電子５８を、そのサイクロ
トロン軌道内で加速する。平面１／４で、反射電子５８
は、サイクロトロン軌道の１／４の所に有シ、横方向の
磁場ＢＰは同じ角度だけ回転し、従って、力Ｆは、再び
サイクロトロンの運動を加速する。もし、横方向の磁場
の回転のピッチが、１サイクロトロン軌道周期の間に、
１つの電子が進む軸方向の距離とほぼ等しければ、この
条件は、全軌道を通して持続する。反射電子５８は、持
続的に加速されるので、サイクロトロン軌道５６′の直
径は、一様に大きくなる。反射電子は、ついには、ドリ
フト管２０の壁に衝突し、逆流ビームから除去される。

原理は、上記参照のハーシクイールドの特許の装置の第
１段階で見られるものと類似しておシ、そこでは、電子
ビームの横方向の速度は、軸方向の速度を犠牲にして増
加される。しかし、ここでは、増幅ではなく、電子フィ
ルター又はドラッグが設けられている。

電子トラツノ４２は、上述の第２図の説明に示されてい
るように、本質的に軸線方向に対称であるので、順方向
ビーム１０の、それ自身の軸対称性からの正味の変位は
ない。従って、順方向の電子は、集められず、コレクタ
ーに達する一次ビーム流の分布もまた、軸方向に対称で
ある。これは、全ビームの横方向への偏向に用いられる
先行技術のドラッグにおいて見られる、非一様な問題の
いくつかを除去する。

第３図は、ドリフト管２０′のまわ９に、縦てに螺旋形
になっている一組の永、久磁石６０．６２によって螺旋
形の横方向の磁場が与えられるところの、わずかに異っ
た実施例の軸線方向の部分である。それらは、示されて
いるように相反する向きに放射方向に磁化され、どの断
面でも、それらの磁化は同じ方向である。

第４Ａ図と第４Ｂ図は、もう１つの実施例の側面図と、
軸線に垂直な断面図である。ここでは、第３図の高価で
長い螺旋状の磁石の代シに、向い合った、別個の磁石６
４．６６の組が、ドリフト管２０〃に沿って、連続的に
並べられている３、このように認められた各々の組に対
して、例えば、磁石６４及び６６に対して、磁化は、同
じ方向である（第３図においてそうであるように）。連
続した、対向する組は、軸線方向に沿って間隔をあけ、
上述において定めたピッチで、その方向が回転している
。図示された実施例において、組は、１／４ピツチ隔て
て置かれ、先行する組から９００回転している。これは
必要条件ではない。１よシ大きいどんな整数の組も、軸
方向の１ピツチを作るのに利°用され得る。

本発明力玉、さまざまな他の形に実施されるかもしれな
いことは、当業者には明らかであろう。それら上述のも
のと異った、他の速度変調線形ビーム管は、本発明によ
シ利益を得ることができる。

実際、本発明は、密度変調電子ビーム管、ブラウン管（
ＣＲＴ）及びイオントラップ（１ｏｎ−ｔｒａｐ　）の
使用を含む、他の真空管の使用に応用できる。

記載した実施例は、発明の好適例であり、発明を限定す
るものではない。本発明は、前記の特許請求の範囲と、
それらの法律上相当するものによってのみ限定される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施するクライストロンの部分断面
略示図である。第２Ａ図は、−次ビーム内の電子の磁界偏向の線図であ
る。第２Ｂ図は、反射された電子の磁界偏向の線図である。第３図は、他の実施例の断面図である。第４図は、もう１つの実施例の断面図である。〔主要符号の説明〕ｌＯ・・・電子ビーム１２・・・陰極１４・・・陽極２０．２０′、２０〃、４８・・・ドリフト管２２・・
・ソレノイドマグネットコイル２６・・・中空コレクタ
ー３０・・・開口３８・・・出力空胴４０・・・出力ループ４２・・・反射電子トラップ４４．４６・・・導電へソックス５４・・・電子５８・・・反射電子６０．６２・・・永久磁石６４．６６・・・磁石特許出願人　　パリアン・アソシエイツ・インコーポレ
イテッド平面Ｏ（−め鱒平面０　　　　　　′Ｐ面ｈＦＩＧ、２４ＦＩＧ、２Ｂ

Claims

【特許請求の範囲】１、　高周波数の電磁波を発生させるだめの線形ビーム
電子管であって、ａ）電子の線形ビームを発生させるだめの手段と、ｂ）前記ビームと電磁波との間のエネルギー交換を行う
前ｉ己ビームの、線形速度変調のだめの電磁波を維持す
るための回路手段であって。前記ビームの通過のための軸線方向の通路を含むところ
の回路手段と、Ｃ）前記回路手段を通過後に、前記ビームを集めるため
の手段と、ｄ）前記回路手段から、電磁エネルギーを引き出すため
の手段と、ｅ）前記ビームを前記通路を通して一様な断面に集束さ
せるための、前記通路の軸線に沿った。向きの磁場を生
成する手段と、ｆ）前記ビームの一部に沿って、前記軸線を横断する周
期的磁場を発生させるだめの発生手段であって、前記周期的磁場は、前記軸線方向の磁場内で、前記ビー
ムの電子が、その１サイクロトロン周期の間に通過する
距離にはＩ了等しいピッチをもって、前記軸線に沿って
その磁場の向きを回転しているところの発生手段と、か
ら成る線形ビーム電子管。２、特許ｉｉｉ’２求の範囲第１項に記載された線形ビ
ーム電子管であって、前記周期的磁場を発生させるため前記発生手段が、前記
軸線の相対する側に１１Ｂかれ、前記軸線に対して垂直
な断面においで、同じ方向に磁化された永久磁石から成
るところの線形ビーム電子管。３、　　ｔ＋？許請求の範囲第１項に１１コ載された線
形ビーム電子管であって、前記周期的磁場を発生するための前記発生手段が、前記
通路を取り巻く、導電部材の二本のつる巻線から成ると
ころの線形ビーム電子管。４．特許請求の範囲第１項に記載された線形ビーム電子
管であって、前記周期的磁場の回転の向きが、前記軸線方向の磁場内
における電子のサイクロトロン回転の向きと反対であシ
、それによって、前記ビーム発生手段から離れるように
進む電子に、前記横断磁場内で、平均ゼロとなる横方向
の加速度を力え、また、前記ビーム発生手段の方へ逆行
する電子に、それらを前記ビームの外へ運び出す累積し
た横方向の加速度を与えるところめ、線形ビーム電子管
。５、線形ビームにおいて、線形速度調整された電子管で
あって、ａ）電子の線形ビームを発生させ、その電子の進路が軸
線を形成する手段と、ｂ）前記ビームを、前記軸線方向に沿って、一様な断面
に前記ビームを集束するだめに、前記軸線に沿った方向
にほぼ一様な磁場を生成する手段と、Ｃ）前記ビームの一部に沿って、前記軸線を横断する周
期的磁場を発生させるための発生手段であって、前記周期的磁場の方向が、前記一様な磁場内で、前記ビ
ームの電子が、その１サイクロトロン周期に通過する距
離にほぼ等しいピッチをもって、前記軸線に沿って回転
し、前記周期的磁場の回転が、前記一様な磁場内の電子
のサイクロ）ｏン回転と反対であるところの発生手段と
、から成る線形速度調整された電子管。６、特許請求の範囲第５項に記載された電子管であって
、さらに、前記進路の終端で前記ビームを集めるための手
段を含むところの電子管。７、　特許請求の範囲第５項に記載された電子管であっ
て、さらに、ビームの進路を形成するドリフト管を含むとこ
ろの電子管。８、特許請求の範囲第７項に記載された電子管であって
、さらに、電磁的入力信号による前記電子ビームの線形速
度調整のための前記ドリフト管の所々に、少なくとも１
つの共振相互作用空胴を含み、それらの間でエネルギー
交換相互作用が可能であるとζろの電子管。９、特許請求の範囲第５項に記載された電子管であって
、電磁的入力信号による前記電子の線形速度変調のための
遅波回路を含み、それらの間でエネルギー交換相互作用
が可能であるところの電子管。１０、　　線形ビー・電子管内幕１°゛パａ）電子の線
形ビームを発生させるだめの手段と、ｂ）前記ビームのための直線的進路を形成し、入力電磁
信号による前記ビームの線形速度調整のために入力電磁
信号を受は取るところの回路手段と、Ｃ）前記ビームを、前記進路に沿って、一様な断面に前
記ビームを集束するだめに、前記直線進路に沿った方向
にほぼ一様な磁場を生成する手段と、ｄ）前記ビームの一部に沿って、前記直線進路を横断す
る周期的磁場を発生させるだめの手段であって、前記周期的磁場の向きは、前記ビームの電子が、その電
子及び一様な磁場のサイクロトロンの一周期の間に通過
する距離にほぼ等しいピッチをもって、前記直線進路に
沿って回転するところの発生手段と、から成る電子管。１１、特許請求の範囲第１０項に記載された電子管であ
って、前記周期的磁場が、前記一様な磁場内の電子のサイクロ
トロンの回転の向きと反対の向きに回転していて、それ
によって、前記発生手段に向って進む逆行した電子は、
前記ビームの外に出され、一方、順行する電子は、正味
の影響は受けないところの電子管。１２、特許請求の範囲第１０項に記載された電子管であ
って、前記周期的磁場を発生させるだめの前記発生手段が、一
様な磁場を生成する前記手段内に位置しているところの
電子管。１３、特許請求の範囲第１０項に記載された電子管であ
って、さらに、前記進路の終端で前記ビームを集めるだめの手
段を含み、集めた電子のいくつかが、逆方向に進む電子を引き起こ
すために逃るところの電子管。