JPS61502502A - 補助グリッドを使用するワイヤ・イオン・プラズマ電子銃 - 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】 補助グリッドを使用するワイヤ・イオン・プラズマ電子銃几匪り五呈 本発明は、ワイヤ・イオン・プラズマ（ＷＩＰ　）電子銃としＷＩＰ電子銃は、 該分野では既知であり、ガス放電レーザを瞬動するため及び高圧力スイツチング ・デバイスを制御するために使用される高電圧放電電源を含む。−ＩＰ　Ｅ−銃 を開示する米国特許は例えば、Ｇｉｇｕｅｒｅ等に発行され、Ｈｕｃ）ｈｅＳＡ ｉｒｃｒａｆｔ　Ｃｏｍｐａｎｙに譲渡された”Ｗｉｒｅ　Ｉｏｎ　ｐｌａｓｍ ａ　Ｇｕｎ　”と題された米国特許第４，０２５，８１８号である。さらに、Ｗ ａｋａ　Ｉ　Ｏｐｕ　ｌ　Ｏ３に発行され、Ｈｕｇｈｅｓ　Ａｉｒｃｒａｆｔに 譲渡された”Ｉｏｎ　Ｐｌａｓｍａ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｇｕｎ　”と題された 米国特許第３．９７０．８９２号が、イオン・プラズマ電子銃を開示している。

ＷＩＰ　Ｅ−銃の効果は、陰極ヒータ電力が必要とされず、即時開始が提供され 、制御信号がグラウンド電位のパルス発生器から得られることができ、空気即ち スイッチ・ガスにさらされても、ＷＩＰ　Ｅ−銃があまり汚されないということ を含む。ＷＩＰＥ−銃は、低圧力ガス、典型的にヘリウムの源を必要とする。

既知の−ＩＰ　Ｅ−銃の欠点は、電子ビーム電流パルスの尾の（１５Ｉｌｓ以上 の）遅い立下がり時間であった。これは、数秒以下の時間でターン“オフ″する 、即ち中断するビームを必要とするガス放電レーザ・ポンピング及び電子ビーム 制御スイッチのような応用に於いて、ＷＩＰ　Ｅ−銃の有効性を制限していた。

例のみとして、本発明の譲受人によって売られた電子ビーム制御スイッチは、該 スイッチのための制御エレメントである一ＩＰ　Ｅ−銃を使用している。このＷ ＴＰ　Ｅ−銃は、持続期間の１０乃至１００ＩＪｓのビーム・パルスをフォロー する約１５ＩＪｓに達するビーム・パルス長で増すビーム電流立下がり時間を特 徴としている。

よって、特に１０ＩＪｓ以上の持続期間のパルスのために、ＷＩＰＥ−銃のパル ス形成能力の改良を提供することが本発明の目的である。

減ぜられた電流立下がり時間を持つＷＩＰ　Ｅ−銃を提供することが本発明の他 の目的である。

本発明のざらなる目的は、ＷＩＰ　Ｅ−銃からの電流パルスの尾の原因を確認す ることであり、且つこの尾を除去するための手段を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、電流パルスの立下がり時間を非常に減するように適 合された補助グリッドを使用するＷＩＰＥ−銃も提供することである。

１ｍ杓 ビーム電流の素早い中断のために適合されたＷＩＰ　Ｅ−銃が開示されている。

適合されたＥ−銃は、プラズマが減衰するまで、イオン化チェンバ・グリッドと Ｅ−銃陰極の間の補助グリッドを含む。上記補助グリッドは、ワ、イヤ電圧がタ ーン“′オフ″し、プラズマ減衰が落ちるヤ否や、もはやチェンバ・グリッドを 通り後けるイオンが、該補助グリッドによって作られた電位障壁を克服するに足 りる運動エネルギを持っていないように、イオン化チェンバ・グリッドの電位以 上にバイアスされる。よって、プラズマ減衰として、Ｅ−銃ギャップ中にイオン が漏れることから妨げられ、それによってイオン化チェンバ中に集まるために、 Ｅ−銃電流立下がり時間が、プラズマ電位のために必要とされた時間に減ぜられ る。

他の特徴及び効果が開示されている。

発明の詳細な説明 本発明は、イオン源の速いターン・オフのために適合された新奇なワイヤ・イオ ン・プラズマ電子銃＜ＷＩＰ　Ｅ−統）を含む。以下の説明は、本発明を当業者 に実施可能なように与えられたものでおり、特定の応用及び要求のために提供さ れたものである。好ましい実施例の種々の変更修正が当業者には容易に理解され ることができ、ここに定義された一般的な原理が他の実施例及び応用に応用され ることができる。従って、本発明は、示された実施例に限定されるものではなく 、ここに開示された原理及び新奇な特徴と一致した最も広い範囲が与えられるべ きである。

この発明の一実施例が、第１図に示されている。ここで、本発明を使用するＷＩ Ｐ　Ｅ−銃は、電子ビーム制御スイッチ（ＥＢＣ３）に使用されている。この発 明のための他の可能な応用は、自由電子レーザ（ＦＥＬ　）　、ガス・レーザ、 シャイラトロン及び速い立上がり及び立下がりパルス形で瞬動された電子源を必 要とする他の同様のデバイスを含む。

第１図に示されたＥＢＣ３に於いて、ＷＩＰ　Ｅ−銃は、以下のように動作する 。イオン化チェンバ１０は、低圧力のガス、典型的に２０ミリ・トルのヘリウム で満たされている。パルス回路３０によってワイヤ陽極１５に印加された（　５ ００−２０００Ｖの範囲内の）正電圧パルスは、細いワイヤ陽極１５の回りにト ラップされた速い電子によって、Ｈｅ原子のイオン化を開始させる。例えば、上 記イオン化チェンバ１０内のＨｅ原子のイオン化が始められるや否や、上記細い ワイヤ陽極１５に印加された（　５００−２０００Ｖの範囲内の）電圧によって プラズマが維持される。Ｈｅイオンは、イオン化チェンバ・グリッド（第１のグ リッド６０）を通して上記イオン化チェンバ１０から引出され、イオンがＥ−銃 陰極に衝突し且つ二次放射によって電子を放射させる、ワイヤ・イオン・プラズ マ（ＷＩＰ　）電子銃５０内に、高電圧（１５０ｋＶ）によって加速される。放 射された電子は、１５０ｋＶ　Ｅ−統ギャップ５５によって加速され、ＷＩＰ　 Ｅ−銃からスイッチ空洞２５を分離する１２０へ、イオン化チェンバを通り扱け る。高速（１５０ｋｅＶ）電子は、上記箔を貫通し、上記スイッチ空洞に入り、 スイッチ陰極４０と陽極４５の間め放電電流の閉鎖又は伝導を切換えさせるスイ ッチ・ガス（典型的に、４気圧のメタン〉をイオン化する。

必要とされるＷＢＣ３特性は、スイッチが素早く、例えば数μｓ以下でターン゛ ′オン″及びターン“オフ″することでおる。

速いターン゛オフパは、満たすことが困難な要求である。この要求は、順次に、 ワイヤ陽極電流及び電子ビーム電流パルスもまた激しい、即ち数μｓ以下の減衰 ￥ｆ＠を有ざねばならないζいうことを意味する。典型的なワイヤ陽極電流パル ス波形は、本発明を使用しないＷＩＰ　Ｅ−銃のための第２図に示されている。

速い陽極電流立下がり時間が達せられているということに注意されたい。しかし ながら、第３図に示された結果として生じる電子ビーム電流パルス波形は、１５ Ｉｌｓ以上の長い立下がり時間を持っている。長い立下がり時間は、数μｓ続く パルスをフォローすることが最も良くわかる。

本発明の態様は、ＷＩＰ　Ｅ−銃からの電流パルスの尾の原因の確認、及びこの 尾を除去するために適当なグリッドの展開を含む。電流パルスの終わりに、振幅 が略５０％増え、そして指数的に減衰するということが第３図から注目される。

この現象は、ワイヤ陽極パルスが突然終わるように、イオンがＥ−銃ギャップ中 に引出されるグリッド６０の表面にＣｈｉｌｄ−１ａｎｇｍｕ　ｉ　ｒイオン空 間電荷制限空間電荷層の衰弱によって生じさせられる。

この現象は、この領域の空間電荷層の詳細を調べることによって理解されること ができる。第４図に示されたように、典型的に２００−５００ＶのＥ−銃プラズ マ電位は、グラウンド電位のグリッドに、間隔ΔＸを越える空間電荷層を横切っ て落ちる。上記空間電荷層ΔＸのサイズは、Ｃｈｉ　Ｉｄ−Ｌａｎｇｍｕｉｒ理 論によって述べられたように、電圧とイオン電流密度によって決定される。

但し、に＝２．７３ｘｌＯ（ヘリウム・イオン）所定の電流密度のために、グリ ッド開口サイズは、上記空間電荷層が第５図（ａ）に示されたようにグリッド６ ０中に形成された開口の半径に比較して大きいように選択され、それだからたっ た１つのイオンがグリッドを通して加速されることができるのに対して、大部分 のプラズマはグリッド孔を直接通過されることはできない。しかしながら、ワイ ヤ陽極が突然“ターン・オフ”される時、冷陰極放電が終わらされ、２００Ｖの プラズマ電位は、グロー後のプラズマ中の電子とイオンがイオン化チェンバ１０ の壁ヘトリフトされるように、グリッド６０の電位よりだだ数ボルト上に（ワイ ヤ電圧として同様のタイム・スケールで）落ちる。プラズマ減衰時間は、イオン 慣性のためワイヤ電圧下降時間よりも非常に長い。この減衰時間が、特徴を示す ようである。

但し、■・はイオン音速、Ｌはイオン化チェンバ１０の長さである。ヘリウム・ イオン及びほぼ１８ＶのＴａのために、この時間は、典型的に１５Ｉｌｓでおる 。ワイヤ陽極パルスが１１Ｊｓ以下で終わらせられるならば（第２図）、プラズ マが非常に長く減衰する故に、イオン電流密度Ｊは、プラズマ電位がグリッド電 位近くに落ちるのに対して、事実上変化しないままであるだろう。式（１）は、 これらの事情では、ΔＸが、第５図（ｂ）に示されたように、個々のグリッド開 口を通してプラズマ貫通に極めて導く、事実上小さくなるだろうと予測する。こ の現象は、電子ビーム電流を順次に増すことをＥ−銃陰極へのイオン流量に許す 。電子ビーム電流に於ける増加は、ポイントＡからポイントＢへの増加として、 第３図に示されている。そして電流が１５μｓのプラズマ減衰タイム・スケール で、第３図のポイントＢから減衰し、従って長い１５（至）ビーム電流尾を生ず る。

本発明は、第６図（ａ）の慨略図に示されるような補助グリッド（第２のグリッ ド６５）の付加を含む。本発明の第２のグリッド６５なしに、伝導の間Ｅ−銃陰 極７ｏがらワイヤ陽４か１５への電位分イ５は、第６図（ｂ）の実線によって示 されている。ワイヤ陽）カミ圧がターン“オフ゛′した時、イオン化チェンバ１ ０中のプラズマ陽極は、第１のグリッド陽極よりただ数ポル１〜上に落ちる。第 ６図（ｂ）の破線は、イオン化チェンバ・プラズマ電位が第１のグリッド６０及 びＥ−銃ギャップ５５に関して落ちる電位レベルを表わす。イオン化チェンバ・ プラズマの電位が落ちる時、イオンは前述されたように電子ビーム電流の増７１ ０を生ずるＥ−銃ギャップ５５中に漏れる。

しかしながら、本発明に於いては、第２のグリッド６５が第１のグリッド６０よ りほぼ＋４０Ｖ上にバイアスされる。第１及び第２のグリッド配置で、ワイヤ陽 ）＋電圧が゛′オンパで必り且つプラズマ電位が２００Ｖ以上である時、Ｅ−銃 陰極７０へのイオン流は影響を受けない。伝導の間、第１のグリッド６０を通過 するイオンは、２００ｅＶに加速され、第２のグリッド６５を容易に貫く。伝導 の間Ｅ−銃陰極７０からワイヤ陽極１５への電位分布は、第６図（Ｃ）の実線に よって示されている。第２のグリッド６５は、第２のグリッド６５と第１のグリ ッド６０の間に４０の電位障壁を供給する。ワイヤ電圧がターン゛′オブ′され た時、イオン化チェンバ１０中のプラズマ電位は、約５ｖに落ちる。第６図（Ｃ ）の破線は、イオン化チェンバ・プラズマが第１のグリッド６０．第２のグリッ ド６５．及びＦ−銃ギャップ５５に関して落ちる電位レベルを表わしている。イ オン化チェンバ・プラズマ電位が落ちた時、第１のグリッド６０を通過するイオ ンはもはや、第２のグリッド６５で４０Ｖの電位障壁を克服するのに十分な運動 エネルギを持たない。それ故に、プラズマがイオン化チェンバ１０中で減衰する 時、イオンはＥ−銃ギャップ５５中への漏れから妨げられ、それによってイオン 化チェンバに集まるために、Ｅ−銃電流降下時間はプラズマ電位のために必要と される時間に減ぜられる。

イオン化チェンバの壁に関してバイアスされた唯一のグリッドよりはむしろ、２ つのグリッドの使用が、バイアスされたグリッドからのいくらかのフィードバッ クの絶縁のための要求によって必要とされる。唯一のバイアス・グリッドがワイ ヤ陽極電圧のターン゛オフ′°で陽極として働くだろう。陽極として動く唯一の バイアスされたグリッドは、プラズマ電位の増加に帰着するプラズマ中に有害な 電流を生成するだろう。従って、プラズマ電位の増加は、所望の電位障壁効果を 打消すだろう。

補助グリッドを使用する時得られたＷＩＰ　Ｅ−銃電流パルスは、第７図に示さ れている。その時電流降下時間は、補助グリッドなしの降下時間が１５ｉＪｓよ り長いのに対して、２汲より短い。

増された降下時間を得るために、補助グリッドを瞬動するよりはむしろ、ｄｃバ イアスが補助グリッドに印加されることが好ましい。

イオン化チェンバ・グリッド（第１のグリッド６０）と補助グリッド（第２のグ リッド６５）の両方は、電流パルス尾の長さを減することの所望の目的を達成す るために、適当に寸法される。グリッドは、実験的な且つ計算的な手順の組合わ せを使用して寸法された。開示された実施例のために、プラズマ密度と使用され た電流密度のためのプラズマ空間電荷層厚さの計算から、及び機械的安定度考慮 から、グリッド６０と６５の間の０．６Ｃｍの間隔が選択された。グリッド、ワ イヤ間の間隔のために、０．Ｏ３Ｃｍがイオン化チェンバ・グリフれた。ＥＣＣ ５で使用されたイオン化チェンバのこれらの寸法及びプラズマ・パラメータ特性 のために、補助グリッド電圧は０から＋１５０Ｖまで実験的に変えられ、最適の 電流尾シェープのためのセツティングは＋４０Ｖであると見出だされた。

電流パルスの尾を取除くために適当であるグリッドのための寸法の多数の組合わ せがあることは、当業者には明らかであろう。しかしながら、本発明の成る面は 、尾を生ずるイオンの源がイオン化チェンバ中のイオンの貯蔵所であると認める ことである。本発明に従って成し遂げられる目的は、プラズマが減衰するまで、 補助グリッドを用いたパルスの終わりにチェンバ内にこれらのイオンを含むこと である。

前述の実施例は、本発明の原理を表わすことができるいくらかの可能な特定の実 施例を単に示しているということが理解される。多数の及び種々の他の配置は、 本発明の精神及び意図から逸脱することなしに、当業者によってこれらの原理に 従って容易に工夫されることができる。

図面の簡単な説明 本発明のこれらの及び他の特徴及び効果は、添附図面に示されたようなそれらの 実施例の以下の詳細な説明からざらに明らかになるだろう。即ち、添附図面は、 第１図は、電子ビーム制御スイッチに使用された本発明を使用するＷＩＰ　Ｅ− 銃の概略図である。

第２図は、ＷＩＰ　Ｅ−銃のワイヤ陽極電流プラズマ波形をプロットするグラフ である。

第３図は、電流の比較的長い立下がり、即ちターン“オフ″時間を実証する、従 来の−ＩＰ　Ｅ−統の電子ビーム電流の波形をプロットするグラフである。

第４図は、Ｃｈｉ　ｌｄ−Ｌａｎｇｍｕｉｒ理論を示す、グリッドからの距離の 関数としてプラズマ電位をプロットするグラフである。

第５図（ａ）及び第５図（ｂ）は、２つのプラズマ電位、２００Ｖ　（又は、約 ２００Ｖ）及び約５Ｖのため、グリッドの回りで形成された空間電荷層の簡単な 描写である。

第６図（ａ）は、第６図（ｂ）及び第６０図（Ｃ）が、本発明の補助グリッドの ない（第６図（ｂ））、及び補助グリッドを有する（第６図（Ｃ））、ＷＩＰＥ −銃の軸方向の寸法に沿った電位分布を示しているのに対して、本発明の概略図 を水弟７図は、比較的速いターン・オフ性能を実証する、本発明に従った補助グ リッドを使用するＷＩＰ　Ｅ−統の電流パルス波形を示すグラフである。

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Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．ワイヤ陽極と，ガスで満たされ且つプラズマが上記ワイヤ陽極への正電位の 印加によるそのようなガスのイオン化によって作られることができるイオン化チ ェンバと，電子銃ギャップとイオン化チェンバ・グリッドによって上記イオン化 チェンバから分離された陰極とを使用するワイヤ・イオン・プラズマ電子銃（Ｗ ＩＰＥ−銃）に於いて、ワイヤ電位がターン・オフされた後、上記Ｅ−銃ギャッ プ中に引出されることからイオンを妨げるように、上記プラズマを含むための手 段を具備する改良。
2. ２．上記プラズマを含むための手段は、前記ギャップ中に配置され、且つ前記チ ェンバ・グリッドの電位より上にバイアスされた補助グリッドを具備する請求の 範囲第１項の改良。
3. ３．前記補助グリッドは、前記イオン化チェンバ・グリッドに隣接して配置され ている請求の範囲第２項の改良。
4. ４．前記補助グリッドは、中断されるワイヤ陽極電位とプラズマ電位降下で、前 記イオン化チェンバ・グリッドを貫通するイオンが前記補助グリッドによって作 られた電位障壁を克服するのに十分な運動エネルギを持たないように、前記イオ ン化チェンバ・グリッドの電位より十分に上にバイアスされる請求の範囲第３項 の改良。
5. ５．前記補助グリッドは、前記イオン化チェンバ・グリッドの電位より約４０Ｖ 上にバイアスされる請求の範囲第４項の改良。
6. ６．ガスを含むイオン化チェンバと、 それに対するイオン化電位の印加で、前記ガスをイオン化するために前記イオン 化チェンバ中に配置された陰極と、 ギャップによって前記イオン化チェンバから分離された陰極と、 前記陽極と前記陰極の間の高電位を提供するための手段と、 前記イオン化チェンバとギャップの間に配置された第１のグリッド手段と、 前記第１のグリッド手段と前記ギャップ中の前記陰極との間に配置された第２の グリッド手段と、及び前記第２のグリッド手段に電位を提供し、それによって前 記陽極に対する前記イオン化電位の中断で、前記第１のグリッドを通過するイオ ンが前記グリッド手段の電位障壁を克服するのに十分な運動エネルギを持たない 、前記第２のグリッド手段に電位を提供する手段と、を具備する電子銃プラズマ 源。
7. ７．前記第２のグリッドは、前記陽極に対するイオン化電位が中断された時、前 記プラズマの電位より上にバイアスされる請求の範囲第６項のプラズマ源。
8. ８．前記第１及び第２のグリッド及び前記第２のグリッドに電位を提供するため の手段は、上記イオン化電位が中断されるや否や、及び上記プラズマが上記イオ ン化チェンバ中で減衰する時、イオンが前記ギャップ中に漏れることから妨げら れるように協同して適合されている請求の範囲第７項のプラズマ源。
9. ９．前記第１及び第２のグリッドの寸法は、そのようなプラズマ源のプラズマ密 度及び電流密度に依存して決定される請求の範囲第８項のプラズマ源。
10. １０．前記第２のグリッド手段に電位を提供するための前記手段は、前記プラズ マ源の電流パルス形を完べきにするように適合されている請求の範囲第９項のプ ラズマ源。