JPS6012644A - 傾斜角度形電子銃 - 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】 （技術背景） サイクロトロン共振メーザ（すなわちジャイロトロン）
級の装置は複雑な高周波回路構成によらないでミリメー
トル波長の高周波電力を発生するだめの有効な装置であ
ることが証明されている。

要するに、動作の原理は、強い一様な軸方向磁界によっ
てサイクロトロン周波数が決定される中空モノエネルギ
ービームの電子が主として円筒形導波管内で進行波の横
方向無線周波電界と相互作用をすることに基づいている
、電子ビームからの電力取出しはドプラシフト・サイク
ロトロン周波数との導波管モード分散曲線の交点の（す
近で行われる。

ジャイロ増幅器の動作特性の決定的な局面はビーム形成
・集束装置の品質である。この装置は、強い磁界（調波
に応じて０４ないし１．８Ｔ）において長い無線周波相
互作用帯域（２５ないし５０サイクロトロン周期）にわ
たって尚い回転エネルギー成分を持った実質上モノエツ
ルギーのビーム（高効率のために低い軸方同速度広がり
）を首尾よく供給しなければならない。ビーム装置は次
に許容可能な電力密度レベル（＜　’）　ＫＷ／Ｉ！Ｍ
２）で外部冷却コレクタ面において変調及び非変調ビー
ムを共に適当に分布しなければならない。ビームの半径
方向の空間分布は所望モードとの相互作用を選択的に最
小にするために関心津のモードの電界の腹の近くの位置
に有利であるべきである。実際問題としては、戸斤与の
組のビームパラメータに対してこれらすべての要件を満
足させることは困難である。

所望のビームパラメータの間で実行できる妥協を行うた
めの従来技術における最も有効な方法はいわゆる１磁電
管注入銃Ｊ　（ＭＩＧ）である。ＭＩＧ形銃はジャイロ
トロン発振器に対しては十分な性能を与えろか、尚利得
でのジャイロ増幅に必要とされろはるかに長い相互作用
長に対してはぎりぎりの性能しか与えないようである。

ＭＩＧ形銃の欠陥は電子効率に悪影響を与える過度の軸
方同速度広がりであると認められている。

ＭＩＧ形銃に関係した幾（ｎｌ学的形状は狭いストリッ
プビームな発射するための適当な境界条件を与えろ。し
かしながら、洩つかの複雑な制限がある。実用的な電子
放出極の電流密度は現在約８Ａ／副２の上限を持ってい
る。表面のあらさ、放出電子の初期熱速度、及び特に低
速度での、ビームの空間雷、荷はｌ犬な軌道のひずみを
発生し、これが発射ビームにおける速度広がりを生じさ
せる。

このために、温度制限動作を採用して、放出極表面に１
０５〜ＩＤ６Ｖ／ｍ程度の局部的に高い電界を与えろこ
とによりビーム発射中の走行時間を減小させるようにす
ることが必要である。

磁界反転、及び？ａｔミラー比で動作したピアス形銃の
二本集束のような別の方策を用いろことによってビーム
形成状態を改善する形の試みもある。

磁界反転を使用した選へい中心極１ｃの公式化は、１テ
クニカル・ダイジェスト・アイ・イー・ディー・エムｊ
　３３６〜３３　ａ　イー　シルＢ載）、　ｘ　ｙ＜　
。

アール・バングーグラーツ・エイチ・イー・ブラウン及
びニス・アーンによる［中心磁極を備えた磁気遮へい式
電子銃」じＭａｑｎｅｔｉｃａｌ　Ｉｙ−ｓｈｉｅｌｄ
ｅｄＥｌｅｃｔｒｏｎ　Ｇｕｎｓ　ｗｉｔｈ　ａ　Ｃｅ
ｎｔｅｒ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｐＯ３ｔ＋”Ｎ、　Ｒｌ
Ｖａｎｄｅｒｐｌａａｔｓ、Ｈ，Ｅ、　Ｂｒｏｗｎ　ａ
ｎｄ　Ｓ、Ａｈｎ　＋Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｇｅｓ
ｔ　ＩＥＤＭ、ｐｐ、　３３６−３６８゜Ｗａｓｈ、（
１９８１）　）に記載されている。

ジャイロトロン形の無線周波相互作用に適する電子ビー
ムには通常のＯ形マイクロ波管に使用されたものとは実
質的に異なった電子銃を必要とする。電力変換はジャイ
ロビームの回転速ｈｉパワーに関係しているので、この
ルましい方の種類の装置に対するビーム形成は、有効な
動作のためには典型的には１．０ないし２．０である横
方向対軸方向速度比αを発生しなければならない。更に
、よりよい性能を与えるためには、長手方向速度広がり
を小さく（発振器に対しては２０係未満、増幅器に対し
ては５％未満）に保つことが望ましい。

（目　的） それゆえ、この発明の目的は、前述の要件ｋ　１４だす
新形式のジャイロビームに電子銃を与えることである。

この発明の別の目的は、従来の磁界式銃形態に関係した
制限事項の大部分を敗り除いた新規なビーム形成方策を
与えることである。

磁気集束の問題と静電ビーム形成の問題が別になってい
ることがこの発明の特徴である。

（発明の概要） この発明のこれら及びその他の目的及び特徴は、磁気的
に遮へいされた領域内で円すい形電子ビームを形成する
霜′子銃を与えろことによりこの発明によって達成され
る。磁気遮へい領域内の静電界は、ビームの電子が磁気
遮へい領域の出口領域の近くで互いにほぼ平行な経路で
進行するようにされるので、実質上層状のビームを与え
る。この層状ビームは実質上外部の磁界に注入される。

典型的には４５°である注入角度は、外部磁界の軸方向
と外部磁界の対称軸を横切る方向とにおいて実質上等し
い速度を持った電子ビームを与える。外部磁界は遮へい
領域の外側の領域においては実質上一様な磁束密度であ
るが、所望の小さい縦方向（長手方向）速度広がりを持
った中空のジャイロビームを発生する電子ビームの磁束
集束を与えるように制御された方法で遮へい領域の出力
開口に延びている。しかしながら、磁極を越えた外部磁
界を変えてαの最終速度比値を制御することができる。

この発明の遮へい読方式の利点は重要である。

第一に、磁界領域の外側の円すい形ビームの形成はＭＩ
Ｇ形銃によって代表されろ磁界浸し方式に固有の放出極
（エミッタ）電流密度制限事項の軽減を与える。第二に
、ビームの磁気集束と静電ビーム形成との分離により、
速度広がり特性において実際上不利のない空間電荷制限
動作が可能になる。第三に、空間電荷制限動作の結果と
して、この発明の銃を使用した増幅器の雑音指数は変動
電流の空間電荷平滑のためにＭＩＧ形銃に対して幾分低
い値を呈する。第四に、此へい領域において利用可能な
空間は電子ビームの非遮断格子制御を可能にする。第五
に、磁界へのかなり大きい（２００ないし５００）ビー
ム注入用度により、所要レベルの磁気圧縮を減小させる
初期横方向速度対軸方向速度比が発生される。

（実施例の発明） この発明のその他の目的及び特徴は添付の図面に関連し
て行われる次の説明において説明される。

第１図には、円すい形電子銃１Ｄの概略図が示されてお
り、ここで中心＠１極１９２上の同軸調整コイル１１を
流れる小駆動電流Ｉｃはビーム半径及びその横方向速度
比に対する制御パラメータとして機能する５円すい形条
片である放出面１４？：備えた１子放出極（エミッタ）
１６は磁気遮へい１７の内部領域１６において電子ビー
ム１５？：与えろ。ビーム１５の電子は集束させられ且
つ方向１Ｂにおいて磁束されて、磁気遮へい１７の開口
１９を通って無磁界領域１６から出る。磁気遮へい１７
の外側には超伝導形のものであるようなソレノイド２０
によって外部磁界Ｂが与えられている。磁束密度Ｂの大
きさは磁気遮へい１７の飽和点未満であり、従って磁気
遮へい１７の内部の磁界は実質上Ｏになる。正しく形成
された層流状のビーム１５は静電界によって、空間電荷
制限式動作に十分な温度に加熱された放出極から全電圧
に加速される。円すい形状の溝１９１を通過するさい、
ビーム１５は加速用静霜：界から免れて、磁極１９２・
１９６の形状によって決定される溝１９１内の集束磁界
に入る。

放出溝１９１は軸２１に対して約４５°の角度で傾斜し
ているので、開口１９におけるビーム１５の電子の横方
向対軸方向速度比αは１０程度の値を持っている。それ
ゆえ、磁界中へのビーム注入角度は磁界Ｂによる磁気圧
縮後の結果として生じるαを制御する。出口開口１９０
近くの溝１９１内の〉愼遊磁界は軌電離脱を最小にする
ような形状にされており、磁気捕獲帯域１９４の開始部
である。ビーム１５は軸２１の方向においては速度Ｖａ
で注入され且つ軸２１を横切る方向においてｐ速度Ｖｔ
で注入される。その結果、外８ｂ＝界Ｂの影響下にある
ビーム１５の各電子は軸２２の周りに回転を受け且っ又
４ｔ１２２の方向に浴って並進させられて軸２１を中心
とする中空ビームを形成する。

このために電子の壁が生じて、各電子は中心軸２１に平
行な軸２２０周りに半径ｒ。で回転する。軸２２が存在
する面の半径Ｙ＞はオリフィス１９から電子が出て来る
点におけるオリフィス１９の平均半径によって主として
決定される。各電子のサイクロトロン半径ｒ。は横方向
速度ｖｔ　及び磁界Ｂによって決定される。電子軌道２
３はラーモア長（Ｌａｒｍｏｒ　ｌｅｎｇｔｈ　）　２
４を持っているが、このラーモア長はビーム１５の横方
向速度Ｖ、の大きさ、外１１ｓ磁界Ｂの大きさ、及び電
子ビーム１５の軸方向速度ｖａ　によって決まる。遅波
導波管２６は回転電子中空ビーム２５を２囲し且つエネ
ルギーを電子ビームから導波管２６へ結合し且つ又これ
から電子ビームへ結合する。導波管２６０入口ポート２
７に供給されろ尚周波信号はそれにより増幅されて、出
口ポート２８に結合された負荷に供給される。甲墾ビー
ム２５は導波管２６に沿って進行し、集電極（コレクタ
）２９に当たると梃ｒして、ここでビームのエネルギー
は熱として散逸する。理解されろはずであるが、第１図
に示された構造物は真空構造体の内部に収容されている
。

但し、磁界Ｂの源２ｏ及び導波管２６は真空構造体の外
部に設けることもできる。表１は第１図に示されたもの
のような構造物に対する例示的な数値を与えるものであ
る。

表１ ビーム電圧Ｖｋ３．３　ｋＶ ビーム電流■。　１Ａ 放放出電電流密Ｊｍａｘ　２　Ａ／ｃｍ２導波管半径ｒ
ａ　２．７４５悶 速度比ｖｔ／ｖ２（磁気圧縮後）１．５サイクロトロン
半径ｒ　０．４２４ｂｉａ磁界Ｂ　１．２２　Ｔ 回転ビームの形成を二つの別個の部分に分割して％を子
ビームの発射を電子ビームの形成のさいの磁気集束から
切り離すようにするのが好都合である。最初に、適当な
電流、寸法及び層状性特性を与えるような電極形状及び
電圧ヲ確立するためにビーム形成の静電部分（低磁界音
域）が考察される。この段階に続いて、陽極ドリフト溝
１９１の内部から磁界帯域中へのビーム形成が考察され
る。

これにより、所望の低速度広がりレベルを達成するよう
な領域１９４の非断熱的遷移帯域における適当な磁界形
状を決定することかできる。

１唄斜角度形電子銃１０の主要な特徴は、その円すい形
ビームが大きい用度（４５°）で磁気捕獲帯域に注入さ
れて、はとんど１の初期速度比α（α＝　ｖ１／ｖ２）
が与えられ４．ことである。同じ注入ビームに対して異
なったαの案内中心半径ｒ３を得ろためには、磁気捕獲
帯域１９４における磁極形態の細部を変えるだけでよい
。又、この大きい挿入角度のために銃電極に対して且つ
又電圧ホールドオフに対して一層大きい空間が与えられ
る。放出−は最終案内中心半径１’ｇ　に対して大きい
半径値ｒｋ　に配籠されているので、陰極電流密度は、
対応するＭＩＧ形新に対して可能であるようなレベルよ
りも控え目なレベルに維持することができろ。このため
にそれに対応して狭い放出樋条片幅Ｗ４使用することか
でき、従って幅Ｓの比収的狭いビーム１５かａｆ能とな
る。Ｉ！２１転ビーム２５０半径ｒｇ及びそのサイクロ
トロン半径ｒ。は出口開口１９の半径、ビーム電圧Ｖｋ
、及び注入の醜域１９４の近傍における磁束密度Ｂの平
均の大きさによって決定される。磁界へのビームの入射
は非断熱的である（ビーム追跡を必要とする）が、この
帯域を越えた捕獲ビームの通過は断熱的であって、この
場合 γｖｔ−に１ｆｌｌ の断熱関係が生じ、無視できる静電界を考えるとｖｔ＋
ｖ２−に２（２） である。断熱関係式（１）から横方同速度広がりは不変
量である。軸方回速度広がりは式（２）を用いて、横方
同速度広がりとα値の平方とに比例することがわかる。

△ｙ、、／：ｙ、＝α２（△ｖｔ／ｖ４　）　（３１０
０ 但し、サブスクリプトＯは磁界Ｂへの初期伸入埴を示す
。式（３）かられかることであるか、円すい形溝１９１
内でモノエネルギーのノー流ビームを発生することによ
って横方同速度広がりを小さく保つことができれば電子
銃１０は低い軸方回速度広がりを持つことができるかも
しれない。

今度は第２図について述べると、図示した電子銃設計の
ものは高周波相互作用帯域におけろビーム速度の不変性
を維持しながらビーム電流レベルを制御できろ変調用陽
極２００を備えている。陽極２００はパルス式印加に対
しては非遮断式低エネルギー（２に■）格子スイッチン
グを与える。加えて、陽極２００は中心磁極１９２のた
めに必要とされろ空間を犠牲にすることなく静電集束の
ための物理的寸法を小さくしながら、高角度のビーム１
頃余１において半径方向磁極片１９ろに対して十分なゆ
とりな刀えろことができる。重要な目的は低い軸方回速
度広がり△Ｖアを得ろことであるから、変調格子形陽極
２００の電極方式の使用はこの点に関して少なくとも三
つの方法に＋ｌ」点を与える。

第一に、チャイルド・ラングミュア電位によって支配さ
れろ領域が短編され且つこの後に強い高′亀界の電界レ
ンズがあるので、磁気捕獲帯域１９４へのビームの走行
時間が相当に減小する。ビームの広がり及び速度広がり
に対する放出′電子の熱速度の不利な影響はそれにより
最小限に保たれろ。

第二に、第１変調陽極又は格子２００と陽極１７（接地
電位）との間の空間によって形成されろ強い電界レンズ
は磁気捕獲帯域１９４で終わる陽極溝１９１に比べて短
い焦点距離を持っている。レンズ作用は空間電荷力から
生じる正常な横方向ビーム広がりに対ずろ捕獲を与える
。

第三に、非遮断変調格子２００の集束電極の二つの半部
２０１・２０２を電気的に分離ずろことによって、陽極
溝１９１窒間に沼って円すい形ビームを中心配置するた
めに放出電極１ろの寸法位置における機械的公差に関係
した不一致に対ずろ電子光学的調整を与えるために電位
差（■２０１−Ｖ２０２）に数パーセントのバイアスを
与えるのカ好都合になる。磁気集束領域へのビームの入
射角度を補正することのできろこの能力ｔＳ＝ビーム伝
送を達成ずろためだけでなく機能的な電子銃方式におけ
る軸方回速度広がり特性の微調整σパこめにも重要であ
る。

第３図は第２図の放出極構造部１ろを更に詳細に示した
ものであり、この構造部は封入材料３２内のヒータ６１
から含浸形タングステン放出楔環１４−・の有効な熱伝
達を可能にするために放出極トラッピング形態を使用し
ている。放出極１６の再］６６はビーム集束のために所
望の静電界パターンを与える。

−１０，４ｋＶｌ）変調陽極２００（陽極４００　＆’
！存在せず）及び−２５ｋＶの放出陰極１６を用いた４
３°の角度の′電子銃の一例として、この例に対する軸
方向及び横方同速度広がり（電流型のはき）はそれぞれ
１２係及び１．４係で、注入α−０，９２５である。そ
れゆえ、　（変調格子２００・本体１７間の電界レンズ
作用のためにひどい角度広がりを持ってい７））この例
においては、軸方回速度広がりは（磁気圧紬後）α−２
においては６係未満であろう。この例は放出電子の熱速
度がこの発明の傾斜角度形電子銃１０の最終の速度広が
りにおいていかに重要な要因でないかを示すものである
。

再び第２図について述べると、中間電位の第２変調陽極
４００は弱い電界レンズ（常に収束する）のように作用
する。この作用は、やはり弱いレンズ作用を持つ格子電
極２００と関連して陽極４００を利用することによって
利用することができる。

この格子電極のレンズ作用は、この制御素子の焦点距離
を例示するために格子電極電圧を−２４，２ｋＶに下方
に調整し且つ空間電荷を慎重に抑制することによって減
小させられる。陽極２００・４Ｕシ１の二重レンズ系の
合成作用は磁気捕獲帯域１９４において形成ビームの最
小角度分布（層状）を与えろことである。このようにし
て、Ｍｌ、Ｇ形銃を含むすべての開口式ビーム形成方式
に固有の有限焦点距離の制限が有効に除去されろっ概念
的には、第２図の設計は、最小角度分布を持った層状ビ
ームを発生ずることのできろ格子・二重陽極被合方式に
対する実行可能な手段を示している。

ジャイロ増幅器方式に対する１１ｓ−Ｆ’［ｔの設計は
、速度広がり（〈５％）、ｔｌｉｌＪ御格子２００の電
圧（Ｖｋより５ｋＶ未満高い）、電流密度負荷（〈２Ａ
／ｃｎｒ２）　、及び第２図に示したような光学的補償
用陽極４００の使用の間の妥協を提供するコンビュ−タ
・シミュレーションの繰返しを伴う。所望の目的物は次
のビームにより得ることができる。すなわち１．／’＝
１．６（αの磁気圧縮比）、α＝２．０、ｌｋ＝２．８
Ａ、ｖｋ＝−２５ｋＶ、Ｖ２ｏｏ＝　−２３，５１＜■
、及び■４００．＝　１０．４　ｋＶ、第２高調波では
、ビーム旭絡緋パラメータは０．５００αｎの案内半径
ｒｇについてＲｍａｘ　＝　０．５４２　ｃｍ、　Ｒｒ
ｎ　ｉｎ　＝　０．４５７ｍである。無線周波相互作用
空間における速度広がりは△ＶＬ／Ｖｌ（１％、△Ｖｔ
／Ｖｚ＜４％である。

遅波ジャイロ増幅装置におけろ決定的な構成部分は磁気
集束装置である。これは高磁界を供給することができ且
つ集電極２９の領域と電子銃１０の領域とにおけるイ礎
界を調整又は整形する゛と共に無線周波相互作用帯域に
わたって規定形状の実際上りプルのない磁界を維持でき
るものでなければならない。３５　ＧＩ−１゜において
は、磁界のレベルは基本動作に対しては約１０．６ｋＧ
である。

前述の考察事項は、正しく形成された円すい形ビームラ
発射し且つこれを中ないし犬の角度ＧＢで集束磁界中に
注入することによって得られるはずの幾つかの実用的利
点を示している。その中には放出樋電流密度の明白な減
小がある。このような大きい角度条件下で低い速度広が
り特性を達成するためには、磁極１９２　、１９３の整
形は有効な技法である。

磁界のいわゆる磁束関数（ｆｌｕｘ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ
　）処理法を用いろことによって複雑な磁界分布におけ
る軌道の動きを説明するためにブツシュの定理（Ｂｕｓ
ｃｈｓ　ｔｌｌｅｏｒｅｍ　）　（ピー９カーステイン
１ジー１ギノ参ダブリユー・ウォーターズ著マグローヒ
ル社発行（１９６７年）「空間電荷の流れ」−Ｐ　、　
Ｋｉｒｓｔｅ　ｉｎ、　Ｇ、　Ｋ　ｉｎｏ＋Ｗ、Ｗａｔ
ｅ　ｒｓ　＋　”　Ｓ　ｐａｃｅ　ＣｈａｒｇｅＦｌｏ
ｗ、’　Ｍｃｇｒａｗ−Ｈｉｌｌ、Ｉｎｃ、　（１９６
７）を参照せよ）を利用することができる。それにより
、所与の罎極形態に対する磁束関数（又は磁束緋）が決
定されると、電子軌道を詳細に描くことができろ。磁束
関数ｗ（ｒ＋ｚ）は磁気ベクトルポテンシャル八〇の方
位白成分と半径値ｒとの槓として定義される（２は軸２
１に宿っての座標値である）。

すなわち、 Ｗ＝ｒＡθ（’ｚ） Ｗは半径ｒ内の全磁束を２πで割ったものである。

磁束関数の最も便利な利用法は対称軸についての宵、予
信速度を表現するブツシュの定理と関連して生じろ。す
なわち、 δ＝〔γｏｒ２ｏθ。＋ηｏ（Ｗ−Ｗｏ）〕／γｒ２（
４１（但し、サブスクリプトＯは任意所与の座標（ｒｏ
Ｉｚｏ）におけろ値を示す。方程式（４）は軸対称の系
についてのみ有効であり、−１この場合η。＝電子の電
荷対残余の質量比、γ−１＋ηｏ■／Ｃ２である。但し
、■＝静電位分布、Ｃ−光の速度（γ＝相対論的雀量補
正係数）、ｒ＝軸２１から測られた電子の瞬時半径であ
り、時間導関数は普通の点で示されている。

基準点は、電子の初期方位角速度■、が無視できるほど
小さい放出惟に選ぶのが有効である。方程式（４）は軌
道の数値計算を行うための貨車な道具であると共にこの
発明の電子銃について予想されろ速度広がりの動向な洞
察するための有効な案内者でもある。

この発明の磁気遮へい式中心磁極傾斜角度形知子銃から
のジャイロビーム形成のための磁束集束式方策は陰極電
子放出樋における電子放出点を結ぶ磁束線に潜って飛び
飛びの点で接触したままである個個の電子軌道からなっ
ている。第４図においては、ビーム１５の計算された電
子軌道２５は磁極ギャップ１９５におけろ磁束線５０に
浴って進んで磁気捕獲帯域１９４に入り、ここで磁束線
は急速に密度が増大して内方磁極１９２及び外方磁極１
９３から出て米るが、そのさい放出樋をつプエぐ磁束線
５０１は磁極ギャップを滑らかに通過することができる
。飽和磁化レベルより下で満足に動作するように設計さ
れた磁極材料で（工、溝１９１の内部領域における平均
磁束Ｍｌｉは非常Ｖこ小さい。従って、磁束は磁束素子
１９２．１９３により民囲された開口１９ではなく中心
磁穫１９２によって運ばれるので、軌道は実際上一様な
（しかし零ではない）磁束関数の領域内で開始される。

集束機構を説明するために、前の段落の力学的方程式は
静電界が無視できる領域に適用されろ。

放出樋における初期角速度が無視できるという合理的な
仮定の下で、方程式（４）、すなわち対称軸２１の囲り
の霜−予信速度θは δ＝η（ｗ−ｗ）／γｒ　”　ｆ５Ｊ ＯＯ となる。同様に、静電界がないという仮定の下では、半
径方向及び軸方向加速度方程式はτ−・δ′−７ｏδｗ
、／ｒ　ｆ６１ ２−一（η。／ｒγ）２（ｗ−ｗｏ）Ｗ２（７）によっ
て与えられる。Ｏ以外のサブスクリプトはスカラー関数
の部分導関数を示す。これら三つの関係式から明らかな
ことであるが、電子は、その軌道か放出樋１４において
電子の発射された磁束関数値Ｗ。に従うか又はこれと交
わるとぎには軸方向加速度を受けず且つ角速度を持たな
い。これらの点は平閃点と呼ばれろ。適当に遮へいされ
た放出樋に対しては、すべての軌道が同じ初期磁束関数
値Ｗ。の非常に近くで開始され、従って同じ磁束−に宿
って＋側点を持つようになることを知ることは■安であ
る。

方程式（７）は世軸方向広がり乞持ったジャイロビーム
の形成において重要な結果を有する。仮定により、ビー
ムは流動するモノエネルギービームであって、一定の大
きさの速度を持っている。適当な磁束関数分布を与える
ように磁極を形成することによって、軸方向加速度は、
磁気注入中わずかに正又はほとんど零に維持することか
できろ。これは、初期半径方向速度を軸方向速度に対す
る損失なしで方位角速度に変換できることを意味する。

計算された電子軌道２５及び磁束関数味５０は第４図に
示されている。溝１９１の磁極ギャップ１９５の内側で
は、小磁力だけが存在するっしかしながら、磁気捕獲帯
域１９４では、テーパの付いた中心磁極１９２をつなぐ
磁束関数勝は軸にほとんど平行である。更に、磁束差分
量Ｗ−Ｗｏが軌道４１に沿っての最初の半径方向極小点
においてその負のピーク値に接近するにつれて、軸方向
加速度ｗ　＋１はとんど零になる。これら二つの要因の
合成効果により磁気注入中はとんど一定の軸方向速度が
維持される。磁束側が軸に平行になる軸方向距離がラー
モア（Ｌａｒｍｏｒ　）ドリフト長２４（１オービツト
中に電子の進む軸方向距離）に比べて短く（理想的には
２分の１に）された場合、磁気注入から生じる速度広が
り分布は無意味なものにすることができろ。それゆえ、
磁極形成に適当な注意が払われたときには、半径方向注
入速度は磁束集束式ジャイロビーム形成法の場合の横方
向速度に対する基礎を形成する。又、初期横方向速度対
軸方向速度比は、磁極の幾例学的形状によって、又は放
出樋における値Ｗ。（これは実質上中心磁極１９２を通
る磁束である）を変える同軸調整コイル１１によって制
御することができろう円すい形ビームが磁界中に注入さ
れて個個の電子が１オービツト（軌道回転）を受けると
、磁界Ｂは任意所与の軸平面におけろビーム断面につい
てほとんど一様になる。このような条件下では、個個の
電子は、対称軸２１に対して案内中心半径ｒ　を持った
瞬間的円形軌道を有するものと考えることかできる。第
５図に見られるように、電子ハ系内中心ｒ８の囲りにサ
イクロトロン周波数ω。・サイクロトロン半径ｒ。で回
転する。対称軸２１に対して、瞬時半径ｒは時間の関数
としてｒ　＝　（ｒｏ”＋２ｒｏ−ｒｇｃｏｓω。ｔ　
＋’ｒｇ”　）Ｖ２ｉｓ）によって表される。ここで、
初期時点はθが極大半径値において零となる時にとられ
る。嫂何学によって案内半径は ｒｇ　ｒｃ　＋　ｒｅ から得られる。平衡半径ｒｅ　は、磁束関数″か放出樋
におけるものに等しい軌道上の点においてとられている
。サイクロトロン半径を得るために、瞬時速度比αが既
知であると仮定して、次の関係式％式％ 磁束等高線及び軌道計算はこれらの評価には絶対必要で
ある。初期速度比に対する良い見積もつに、第４図に描
いた磁束集束方式を用いて α””　ｔａｎ　１９　Ｂ である。ここで、θＢは注入された円すい形ビームの円
すいの半分の角度である。

規定の案内半径及び横方向速度比αを持ったジャイロビ
ームの発生は磁束集束法における磁束緋の詳細事項に当
然起因することがわかる。ビーム注入のこの方法に対す
る基礎になっているのは磁気ギャップを通る放出極から
の磁束結合である。

磁極の幾伺学的形状及び／又は小形同軸コイル１１によ
る中心磁極１９２を通過する磁束は、所望の磁束結合な
得るために且つ又ビームパラメータ制御を与えるために
調整することができる。

適当に形成された円すい形ビームの注入は、最初のオー
ビットの領域において（第４図におけるように）磁束線
を整形するように敗り計Ｓわれでいるならば、この発明
の磁束集束法により最小の速度広がりで滑らかに行うこ
とができる。方程式（７）の積分は、（ｗ−ｗｏ）がそ
のピーク値に近づくにつれてｗ２　を小さくすることが
できれば軸方向速度■２　に比べて小さくすることがで
きる。

磁束集束式注入は横方向速度比α。の有利な初期レベル
を促進する力瓢それは又次の理由のために低速度広がり
の達成の方向にうまく適している。

磁気ギャップにおけるビームは、（ａｔ放出極におけろ
熟達度広がり、（ｂａｔ極装置の静電的異常、及びｌｃ
）円すい形ビームの比較的小さい半径値においては一層
重要になる空間電荷膨張力；から生じるわずかな角度広
がりだけを持っている。この角度広がりはビームを圧縮
する傾向のあるわずかな磁気レンズ作用によって部分的
に補償される。方程式（７）の磁束差分因子ｗ−ｗｏは
、有限幅Ｓの円ずい形ビームが磁極ギャップから出て米
る軸平面において半径について符号の変更を受ける。円
すい形ビームの外側部分における軌道はビームの一層内
側の軌道よりも大きい減速度（すなわち、小さい加速度
）を受ける。それゆえ、ビームの現在のレベルに応じて
、磁気レンズ作用は角度広がり（補償前典型的には弧の
１°未満）を最小にするように調整される。

電子銃設計に嘔り入れることのできる性徴は、線種のレ
ベルの電流動作に対して「最適の」磁極形状を可能にす
るために中心磁極を真空包囲体から取り出せるようにす
るだめの手段である。他方、小形同軸コイル１１０使用
はこの目的のために磁束形状を調整するさいの代替手段
である。

磁気集束装置一対する超伝導ソレノイドの優先的使用を
考慮して、（半径方向磁極１９３を中心磁極１９２に結
ぶ）磁束遮へいを真空包囲体め外部の機械的に敗外し可
能な物品として設計するのが実用的である。このように
すると、電子銃組立体を限られた内径の集束用ソレノイ
ドに挿入するのが容易になろう。管組立体はソレノイド
内に配置されてしまうと、必要な機械的付属物を設ける
のが簡単になるであろう。この方法によれば、取外し可
能な外部ソレノイドの包囲体を用いてビーム形成時の磁
界調整を行うことが容易に可能となろう。

做するに、傾斜角変形電子銃は従来技術のＭＩＧ形浸し
放電極式電子銃に比して顕著な利点を持っている。第一
に、一層低い雑音指数及び一層安定な動作に結び付く空
間電荷制限動作がある。実質上の陰極は物理的に放出極
の上方に配置されているので、表面のあらさによる影＃
はない。第二に、放出極が鋭く１噴斜しているので、陰
極電流密度は物理的寸法を増大させることによって減小
させることができる。それゆえ、ビーム寸法は大抵放出
樋半径に無関係である。第三に、傾斜角度が太きいため
に、ビームはほとんどαの最終値で磁界中に挿入される
。第四に、静電、的問題が静磁気的問題から分離されて
いるので、速度広がり問題を背負い込むことなく陰極の
近くの高空間電荷を収容することのできる磁界整形用電
極によってビーム形成を促進することができる。それゆ
え、軸方回速度広がりは、約１．５ないし２．０の有効
な範囲におけるα値において５係未満に保持することが
できる。

この発明の採択した実施例について説明してきたので、
当業者には明らかなことであろうが、この発明の概念を
具体化したその他の線種の実施例も使用ずろことができ
る。それゆえ、この発明は開示された実施例に限定され
ろべぎものではなく、特許請求の範囲によってのみ限定
されるべきものであると思われる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の電子銃を備えたジャイロトロン管の
説明図である。 第２図はこの発明の傾斜角変形電子銃の一実施例を示す
断面図である。 第６図は第２図の放出極構造部の更に詳細な断面図であ
る。 第４図はジャイロトロン管の部分縦断面図に沿っての磁
束線及び電子軌道のプロット図である。 第５図は管軸の方向における電子軌道の図である。 これらの図面において、１０は電子銃、１１は同軸調整
コイル、１ろは電子放出極、１４は放出楔環、１５は電
子ビーム、１７は遮へい、１９は開口、２０はソレノイ
ド、２１は対称軸、２５は電子ビーム、２６は遅波導波
管、２９は集電極、１９１は円すい形の溝、１９２は内
側磁極、１９６は外ｌｌｌ１磁極、２００は変調用陽極
Ｃ制飢格子）、４００は陽極を示す。 （外５名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 王　対称軸な持った円すい形電、子ビームを与えるため
   の装置、 前記の電子ビームを磁気的に遮へいするための装置、 前記の遮へい装置内で前記の電、子ビームを集束させる
   ための装置、を備えていて、 前記の遮へい装置が、前記の円すい形電子ビームが前記
   の集束装置によって集束させられた後に前記の市′、子
   ビームが前記の遮へい装置から出るようにするための開
   口部を備えている、 電子銃。 ２、前記の遮へい装置が前記の対称軸に対して対称であ
   り、 前記の遮へい装置が、前記の軸に浴って延びていてこれ
   に対称に１よっている内側磁極を備えており、 前記の遮へい装置が、前記の軸を横切り且つこれに対称
   になっている半径方向に延びた外側磁極を備えており。 前記の内側磁極及び外側磁極が前記の軸と同心的な空間
   によって分離されて前記の開口部を形成し、前記の空間
   が前記の両磁極の間に円すい形９溝を形成しており、 前記の電子ビームが前記の円すい形の溝を通って前記の
   遮へい装置を出ろ、 特許請求の範囲第１項に記載の電子銃。 ６゜円すい形ビームの円すいの半角塵が２０肌より太き
   い、特許請求の範囲第１項に記載の電子銃。 ４、前記の電子ビームが層状のモノエネルギービームで
   ある、特許請求の範囲第１項にに戦の電子銃。 ５、前記の内側磁極及び外側磁極力陥ｉＪ記の溝の終端
   となる外部面を備えていて、ここで前孔の円すい形ビー
   ムが前記の遮へいを出、前記の外部面が前記の軸につい
   て対称な円すい面内にあるようにテーパを付けられてい
   て、前記の円すい形電子ビームが入り込む磁界が変わる
   ようになっている、特許請求の範囲第１項に記載の電子
   銃。 ６、円すい形電子ビームを発生するための前記の装置が
   、前記の軸と同軸的であり且つこれを横切る円形環状放
   出極からなっており、 前記の遮へい装置が前記の開口部で終わる一様な幅の円
   すい形溝な備えていて、前記の開口部が円形で前記の軸
   の周りに対称であり、 前記の円形放出極が、前記の円すい溝の延長によって形
   成される円すい面にある、 特許請求の範囲第１項に記載の電子銃。 Ｚ　前記の集束装置が変調用格子電極からなっており、
   且つ 前記の格子電極な前記の放出極に対してバイアスさせて
   、前記の格子電極と前記の放出極との間に空間電荷乞与
   えろようにするための装置が設けられている、 特許請求の範囲第１項に記載の電子銃。 ８、前記の放出極が前記の円すい形電子ビームを横切る
   円すい面上にある、特許請求の範囲第１項に記載の電子
   銃。 ９、　対称軸を備えた環の形をした電子放出極、前記の
   放出極を敗り囲み且つ前記の軸に対して対称な磁気遮へ
   い、 円すい形の溝によって分離された内側磁極及び外側磁極
   を備えた前記の遮−＼い、 前記の放出極の対称軸に一致した対称軸を備えた前記の
   円すい形の溝、 前記の遮へいと前記の放出極との間に電位差を加えて、
   前記の溝を通って前記の遮へいを出ろ円、７ずい形電、
   子ビームを与えるようにするだめの装置筺、を備えてい
   る電子銃。 １０、前記の遮へいと前記の放出極との中間に制御格子
   を備えていて、これに電ａＥＹ加えて電子ビーム’Ｉｉ
   ’、　１ｙｌｔの大きさを制御ずろことのできる、特許
   請求の範囲第９塊に記載の電子銃。 １１、前記の制御格子が数個の環からなっていて、各環
   が前記の軸に対して対称的であり、前記の第２及び第６
   の環の間の空間が十分に大きくて前記の円すい形電子ビ
   ームを通過させることができ、且つ又 前記の第２及び第６の変調用格子の間に電位差を与えろ
   ための装置が設けられている、特許請求の範囲第１０項
   に記載の電子銃。 １２、前記の遮へいと前記の制御格子との中間に集束用
   陽極を備えていて、この集束用陽極が前記の軸に対して
   対称であり、前記の集束用陽極が、それぞれ前記の軸に
   対して対称である二つの円形の第４及び第５の隔置され
   た環によって形成され、前記の第４及び第５の環の間の
   空間が十分に大きくて前記の円すい形電子ビームを通過
   させることのできる。 特許請求の範囲第１０項に記載の電子銃。 １６、円ずい形電子ビームを発生するための対称ｍを持
   った電子銃、 前記の電子ｆ／６対称軸と一致する対称軸を持った対称
   形遅波等波管、 前記の電子銃に隣接した領域に半径方向成分を持った磁
   界を前記の対称軸に浴って発生するためのソレノイド、 前記の磁界領域に磁極片を備えた前記の電子銃、軸方向
   において零に近く且つわずかに正でおる値に前記の電子
   の軸方向が加速度を維持する磁束分布を与えるように形
   成された前記の磁極片５を備えているジャイロトロン電
   子管。 １４、前記の電子銃が、 対称軸を備えた環の形をした市子放出極、前記の放出極
   を取り囲み且つ前記の軸に対して対称な磁気遮へい、 円すい形の溝によって分離された内側磁極及び外側磁極
   を備えた前記の遮へい、 前記の放出極の対称軸に一致した対称軸を備えた前記の
   円すい形の溝、 前記の遮へいと前記の放出極との間に電位差を加えて、
   前記の溝を通って前記の遮へいを出ろ円すい形電子ビー
   ムを与えるようにするための装置５を備えている、特許
   請求の範囲第１６項に記載の電子管。