JPS63175324A - プラズマ電子ガン - 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】 〈産業上の利用可能性〉 本発明はプラズマ電子ガン、ないしはプラズマ電子ガン
組立体に関する。

〈従来の技術〉 本発明によるプラズマ電子ガンは、米国特許第３９７０
８９２号に開示されたプラズマ電子ガンと一般に同一の
形式のものである。この米国特許に述べられているよう
に、例えば電子ビーム励起ガスレーザーに使用するため
の高エネルギー電子ビームの発生技術においての、最近
の進歩は、プラズマカソード電子ガンである。この電子
ガンによれば、カソードに対して比較的低電圧において
動作するアノード格子と中空カソード面との間の中空の
カソード放電域内においてプラズマを発生させる。電子
は放電プラズマからアノード格子及び制御格子を経て引
出され、これら２つの格子と加速プノードとの間のプラ
ズマのない領域において、高エネルギーをもつように加
速される。加速アノードは典型的には、カソードに対し
て比較的高電圧に保たれた薄いはく状の窓である。プラ
ズマカソード電子ガンの利点としては、構造が簡単で堅
強なこと、制御可能性及び効率が高く、コストが低置で
あり、大面積の電子ビームの発生に適していること、な
どが挙げられる。

米国特許第４０２５８１８号に開示されたイオンプラズ
マ電子ガンは、前記米国特許第３９７０８９２号に開示
されたものと基本的に同一であるが、プラズマ放電のた
めのワイヤアノードと、プラズマ室を順次連結可能とす
るための複数のバッフルとが付加されている。

これらの米国特許による電子ガンによって発生させた電
子ビーム内の電子の分布は、一般に、はく状の窓の中心
部にピークがあり、窓の縁部に向って強度が徐々に零ま
で減少するような分布となる。

〈発明が解決しようとする問題点〉 本発明の１つの目的は、はく状の窓を出るときの全ビー
ムの幅方向の電子の分布が一様になるような電子ビーム
を発生させるようにした改良型の構造を提供することに
ある。

本発明の他の目的は、長時間のラン操作において高効率
を示すように作成された改良型のプラズマ電子ガンを提
供することにある。

〈問題点を解決するための手段〉 これらの目的は、本発明によれば、互いに隣接しその間
に開口を含む第１室及び第２室を形成する電導性の減圧
されたハウジングと、該第１室中に正イオンを発生させ
るための正イオン発生手段と、該ハウジングから隔たて
られ且つ絶縁された関係において、該第２室中に配置さ
れ、２次電子放出面を備えている。カソードと、該カソ
ードと該ハウジングとの間に負の高電圧を印加して該カ
ソードにより正イオンを該第１室から該第２室に吸引し
て該カソードの該２次電子放出面に衝突させ該面から２
次電子を放出させるための、電圧印加手段と、該カソー
ドに対向する該第１室の先端にある該ハウジングの開口
部上に延在する電導性の電子透過はく材と、を有し、該
はく材は、該２次電子のためのアノードを形成するよう
に該ハウジングに電気的に接続してあり、該２次電子を
電子ビームとして、該はく材に通過させ、そのほかに、
該カソードの該２次電子放出面に近接して該第２室中に
取付けられた電導性引出し格子を有し、該引出し格子は
該２次電子放出面に静電界を発生させて、そこから２次
電子を該取出し格子の通し孔を経て該第１室に移行させ
るように、該ハウジングに連結してあり、そのほかに該
はく材に近接して該第１室中に取付けてあり、該はく材
及び該ハウジングに連結されている電導性の支持格子を
有し、該支持格子は、該はく材を支持するために用いら
れ、該引出し格子の通し孔に整列された通し孔を備えて
おり、該取出し格子と共働して２次電子を該はく材に向
って加速するようにした、イオンプラズマ電子ガン組立
体によって達成される。

次に本発明を図面に基づいて一層詳細に説明する。

〈実施例〉 第１図には９本発明の一実施例によるプラズマ電子ガン
の基本的な要素が図示されている。プラズマ電子ガンは
電導性の接地された外囲いを含み、この外囲いは高電圧
室１３．イオンプラズマ放電室１２及びはく形の電子透
過窓２から成っている。

ワイヤ４はプラズマ放電室１２を通って延長している。

電子透過窓２は、接地された外囲いに電気的に接続して
あり、電子をそれに向って、またそれを通って加速する
ためのアノードを形成している。外囲いには１〜１０ｍ
トルのヘリウムが満たされている。カソード６は高圧室
１３中に配置されている。カソードインサート５はその
下面上に取付けられている。インサート５は典型的には
モリブデンからできているが、２次放出係数の高い他の
任意の材料からできていてもよい。高電圧のカソード６
は、パッシェン・ブレークダウンを防止するように、外
囲いから一様に離隔されている。

高電圧供給源１０は、ケーブル９を経てカソード６に、
２００〜３００ｋＶの負の高電圧を供給し、このケーブ
ル９は、カソード６との間に介在させた抵抗器８まで、
エポキシ絶縁体１４を通って延長している。カソード６
とカソードインサート５とは、配管７を経て圧送される
適宜の冷却液例えば油によって冷却される。

プラズマ放電室１２は、機械的及び電気的に一緒に接続
された多数の金属製リブ３を備えている。

これらのリブ３は、ワイヤ４が構造物全体を通過しうる
ようにするための切欠を中心部に備えている。カソード
６と向い合ったリブ３の側面は、引出し格子１６を、ま
たリブ３の反対側の側面は、はく形の電子透過窓２を支
持するための支持格子１５をそれぞれ形成している。液
冷用のダクト１１は、プラズマ放電室１２からの熱を除
去するために用いられる。

電子透過窓２は、０．０２５４ｍｍ　（１ミル）の厚さ
のチタンはくから成り、このチタンはくは、支持格子１
５によって支持され、○リングにより外囲いに対してシ
ールされている。ガスマニホルド１０は、加圧された窒
素によって電子透過窓２を冷却し且つビーム領域からオ
ゾンを除去するために用いられる。

モジュレータ−１は、コネクター４Ａ（第２図）を経て
ワイヤ４に接続されている。モジュレータ−１が付勢さ
れると、正のヘリウムイオン放電がワイヤ４によってプ
ラズマ放電室１２中に発生する。モジュレータ−１は直
流電源であっても、また２０〜３０ＭＨｚの無線周波数
発生器でもよい。

イオン放電が一度設定されると、電子ビームがオンにス
イッチする。プラズマ中に生成した正のヘリウムイオン
は、引出し格子１６を経てプラズマ放電室１２中に洩れ
る。電界によって、カソード６に向って吸引される。こ
の電界は数１００ｖから１　、０００　Ｖの範囲におい
て変動しうる。イオンは引出し格子１６を経て高電圧室
１３中に、電気力線に沿って流れる。イオンはここで全
ポテンシャルを横切って加速され、コリメートされたビ
ームとして、カソードインサート５に衝突する。インサ
ート５によって放出した２次電子は、その放出方向の余
弦分布のため少し空間的に広がる。その結果としての電
子流は、引出し格子１６上に部分的に衝突し、これによ
り系統の効率を低下させる。

系統の効率は、第２ｒｊ！Ｉに示した組立体によって増
大させることができる。第２図にカソードインサート５
を示し、インサート５は一例として、銅その他の適宜の
導電性材料からできており、２次電子を放出するための
角度をもったスロット５Ａを含み、これらのスロットは
例えばモリブデンによって表面が被覆され、引出し格子
１６のリブ３の間のスペースに対し整列されている。こ
の幾何学的形状は、２次放出率を増大させると共に、引
出し格子１６のリブ３から離れるように電子を指向させ
ることに役立ち、その結果として５１出し格子１６によ
って電子が遮えぎられることか少くなる。

第２図の実施例によれば、引出し格子１６は電子透過窓
２の支持格子１５から離隔されている。

カソードインサート５からの電子は、プラズマ領域に入
り、電子透過窓２を通過し、プラズマ電子ガンから発生
する電子ビームを形成する。支持格子１５のリブ３は引
出し格子１６のリブ３に整列されている。電子はプラズ
マ放電室１２に入った後少し広がり、支持格子１５のリ
ブ３に衝突しようとする。しかしこの遮えぎりは、格子
１５，１６間の距離を減少させることによって最小とし
うる。

引出し格子１６の形状は、電子ビーム中の電子の分布に
とってたいせつである。第２図に示すように引出し格子
１６の深さは、格子構造物が存在しない場合に開口部を
透過する電界に比例する。

その結果として、一様な電界透過が得られると共に、扁
平な引出し格子又は一様な引出し格子から得られるもの
よりも実質的により均質な分布をもった電子ビームが得
られる。

第３図には第１図のプラズマ電子ガンの筒状の高電圧フ
ィードスルー組立体が詳細に図示されており、この組立
体はエポキシ樹脂の絶縁体１４、抵抗器８及びカソード
６を支持するエポキシ真空絶縁体１７を有し、冷却流体
例えば油をカソードインサート５に供給する。抵抗器８
から絶縁体１７を経てカソード６まで連結部が延長して
いる。

第４図にはプラズマ放電室１２及びはく状の電子透過窓
２が図示されている。真空ハウジングはプラズマ放電室
１２°のリブ３を収納している。支持フレーム１８は、
０リングシール３０によって電子透過窓２を真空外囲い
即ち高電圧室１３に対しシールしている。ガスマニホル
ド１０′は、はく面を窒素ガス冷却するために透過窓２
の上方に配置されている。ビーム測定構造物はガスマニ
ホルド１０′の上方に配置してあり、電子ビームを遮え
ぎって電圧又は抵抗を記録するワイヤ２１を備えている
。この電圧又は抵抗は測定され、電流密度に変えられる
。これによりビーム内の電子の分布が実時間でモニター
される。

はく状の電子透過窓２の組立体の詳細な構造は、第５図
に示されている。この組立体は熱接触抵抗を減少させる
ように、支持格子１５のリブにろう付けされている。こ
の組立体は冷却の目的のためにスロット２３を経てはく
面にガスを放出すると共にはくの電子透過効率を増大さ
せるための前記ガスマニホルド１０′を備えている。

第６図に示した実施例において、プラズマソースの面積
は、発生した電子ビームの幅を増大させるために増大さ
れる。多数のワイヤ６は、引出し格子１６のリブの間に
配置されている。これらのワイヤ６は、前記の実施例の
単一のワイヤ４に代るもので、電子ビームの均質性を改
善することに役立つ、冷却ダクト１１だけでなく、支持
格子１５のリブ及び引出し格子１６のリブも、前記の実
施例と同様に整列されている。

長いラン時間の操作にとっては、プラズマ電子ガンの真
空外囲い中の実際の圧力をモニターするための何らかの
手段が必要になる。真空圧の変化は、プラズマ密度に、
従って電子流の密度に影響する。第７図にプラズマ電子
ガンの電流及び圧力を安定化させるのに適した装置系が
示されている。

外囲い中の初圧は、高圧ガス源１３０からプラズマ放電
室１２の内部に延長している配管１２８中の弁１２６に
よって設定される。プラズマは、モジュレータ−１をオ
ンに操作することによって開始する。電圧モニター１２
９は瞬時的な静止圧力と真空容器から生成しうる不純物
とを測定する。

電圧の上昇はより低い圧力を指示する。電圧モニター１
２９の出力は弁制御器１２７を経て弁１２６を制御する
ことによりガンの内部の真空圧力を制御するために用い
られる。モジュレータ−１からの電流も図示のように電
圧モニター１２９によって制御される。第７図に示した
装置系は、安定した出力の電子ビーム流を確実にする。

第８図の実施例において、カソードインサート５′は、
その表面上に延在する複数の円錐状の凹みを有し、これ
らの凹みはモリブデン又は他の２次放出材料のライニン
グを備えている。引出し格子１６′は円錐状の凹みに軸
方向に整列された多数の孔を備えており、支持格子１５
′は引出し格子１６′の孔に軸方向に整列された多数の
孔を備えている。

第９図に示した実施例は、第１図の例とほぼ同様である
が、イオンソースとしてのワイヤ４の代りに１対のプラ
ズマワイヤ４′が用いられており、これらのプラズマワ
イヤ４′は電子ビームの経路からオフセットされた室１
００の内部に配置されている。イオンはこれらの室１０
０の側面のスロット１０２を経て、カソード６に吸引さ
れ、これらのスロット１０２は、プラズマ放電室中に一
様な電界を形成する形状を備えている。

この実施例によれば、カソード６によって放出された２
次電子が全て透過窓２に向って自由な妨げられない経路
をもつため、作動効率が高くなる。

本発明をその特定の実施例について以上に説明したが１
本発明は前述した実施例以外にもいろいろと変形して実
施できるので、前述した特別の構成は単なる例示に過ぎ
ず、本発明を限定するものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のプラズマ電子ガンの一実施例の基本的
な構成部分を示す一部断面斜視図、第２図は第１図の同
等の部材に対して形状が変更されたカソードインサート
を含む第１図のガンのいくつかの内部要素を示す斜視図
、第３図は第１図のプラズマ電子ガンに組込まれる高電
圧フィードスルー組立体を、より詳細にわずかな変更部
分と共に示す断面図、第４図は第１図に示したプラズマ
電子ガンのプラズマ放電室及びはく型の電子透過窓を、
より詳細に、わずかな変更部分と共に示す斜視図、第５
図は第４図のはく型の電子透過窓及びその支持リブの部
分的な斜視図、第６図はプラズマ電子ガンによって発生
させる電子ビームの幅を増すためにプラズマソースの面
積を大きくした変形実施例によるプラズマ電子ガンの構
造を示す斜視図、第７図は第１図のプラズマ電子ガンの
圧力−電流安定化装置を示すブロック図、第８図はプラ
ズマ電子ガンの格子構造の変形例を示す斜視図、第９図
は第１図に対してわずかに変形されたプラズマ電子ガン
の構造を示す第１図と同様の一部断面斜視図、第１０図
は第９図の実施例の一部分を示す斜視図である。 ２・・電子透過ｇ（電子透過はく材）、４・・ワイヤ（
正イオン発生手段）、１２・・プラズマ放電室（第１室
）、１３・・高圧室（第２室）、１５・・支持格子、１
６・・引出し格子。 特許出願人　　アール・ピー・シー・インダストリイズ 代理人弁理士　　兼　　坂　　　　　真岡　　　　　　
酒　　井　　　　　　−同　　　　　兼　　坂　　　　
　繁 日０．４ ／Ａいご−ムのアラス゛マツ−ＸＦＩＧ、６ＦＩＧ、　
８

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）互いに隣接しその間に開口を含む第１室及び第２室
   を形成する電導性の減圧されたハウジングと、該第１室
   中に正イオンを発生させるための正イオン発生手段と、
   該ハウジングから隔だてられ且つ絶縁された関係におい
   て、該第２室中に配置され、２次電子放出面を備えてい
   る、カソードと、該カソードと該ハウジングとの間に負
   の高電圧を印加して該カソードにより正イオンを該第１
   室から該第２室に吸引して該カソードの該２次電子放出
   面に衝突させ該面から２次電子を放出させるための、電
   圧印加手段と、該カソードに対向する該第１室の先端に
   ある該ハウジングの開口部上に延在する電導性の電子透
   過はく材と、を有し、該はく材は、該２次電子のための
   アノードを形成するように該ハウジングに電気的に接続
   してあり、該２次電子を電子ビームとして、該はく材に
   通過させ、そのほかに、該カソードの該２次電子放出面
   に近接して該第２室中に取付けられた電導性引出し格子
   を有し、該引出し格子は該２次電子放出面に静電界を発
   生させて、そこから２次電子を該取出し格子の通し孔を
   経て該第１室に移行させるように、該ハウジングに連結
   してあり、そのほかに該はく材に近接して該第１室中に
   取付けてあり、該はく材及び該ハウジングに連結されて
   いる電導性の支持格子を有し、該支持格子は、該はく材
   を支持するために用いられ、該引出し格子の通し孔に整
   列された通し孔を備えており、該取出し格子と共働して
   ２次電子を該はく材に向って加速するようにした、イオ
   ンプラズマ電子ガン組立体。 ２）該引出し格子及び支持格子が、互いに整列された前
   記通し孔を形成する複数の互いに離隔された平行なリブ
   を各々有する特許請求の範囲第１項記載のイオンプラズ
   マ電子ガン組立体。 ３）該引出し格子及び支持格子が、互いに整列された前
   記通し孔を形成する孔を備えた部材を各々含む特許請求
   の範囲第１項記載のイオンプラズマ電子ガン組立体。 ４）前記カソードが、内部の冷却通路と、これらの通路
   に冷却流体を導入するための導入手段とを有する特許請
   求の範囲第１項記載のイオンプラズマ電子ガン組立体。 ５）前記カソードの前記２次電子放出面に、電子の放出
   量を増大させて該引出し格子の該通し孔を経て電子を向
   けるための溝を所定の角度に形成した特許請求の範囲第
   １項記載のイオンプラズマ電子ガン組立体。 ６）該ハウジングを経て該第２室中に延長する筒状の高
   電圧給与部材と、該カソードを該第２室中に支持するた
   めに該カソードに固着され、該筒状の高電圧給与部材中
   に取付けられている、絶縁部材と、該給与部材及び該絶
   縁部材を経て延長し該カソードに連結されているケーブ
   ルを含む手段とを更に有する特許請求の範囲第１項記載
   のイオンプラズマ電子ガン組立体。 ７）該絶縁部材が該カソードに冷却流体を供給するため
   の冷却通路を内部に有する特許請求の範囲第６項記載の
   イオンプラズマ電子ガン組立体。 ８）該ケーブルと該カソードとの間に直列に接続され該
   筒状の高電圧給与部材中に取付けられた抵抗器を有する
   特許請求の範囲第６項記載のイオンプラズマ電子ガン組
   立体。 ９）前記正イオン発生手段に電流を供給するように前記
   ハウジングとの絶縁関係において該第１室中に取付けら
   れたワイヤを更に有する特許請求の範囲第１項記載のイ
   オンプラズマ電子ガン組立体。 １０）該ワイヤを経て直流電流を供給するための直流電
   圧源を更に有する特許請求の範囲第９項記載のイオンプ
   ラズマ電子ガン組立体。 １１）該ワイヤを経て無線周波数の電流を供給するため
   の無線周波数電圧源を含む特許請求の範囲第９項記載の
   イオンプラズマ電子ガン組立体。 １２）フレーム部材を更に有し、該フレーム部材は、該
   はく材に近接して該ハウジング上に取付けてあり、該は
   く材の表面に冷却ガスを向けるためのガスマニホルドを
   備えている特許請求の範囲第１項記載のイオンプラズマ
   電子ガン組立体。 １３）前記引出し格子及び支持格子のための冷却流体を
   導く通路をこれらの格子の各々に備えた特許請求の範囲
   第１項記載のイオンプラズマ電子ガン組立体。 １４）前記引出し格子及び支持格子が各々扁平な部材を
   含み、複数の整列された孔を有し、前記カソードの前記
   ２次電子放出面は、これらの孔に整列された複数の円錐
   状の凹みを有する特許請求の範囲第１項記載のイオンプ
   ラズマ電子ガン組立体。 １５）前記はく材の有効な冷却を与えるように前記はく
   材を前記支持格子にろう付けした特許請求の範囲第１３
   項記載のイオンプラズマ電子ガン組立体。 １６）前記引出し格子を前記支持格子から長手方向に離
   隔させると共に、前記引出し格子の深さを可変とした特
   許請求の範囲第１項記載のイオンプラズマ電子ガン組立
   体。 １７）前記第１室が、複数の隣接した区画を含み、対応
   した複数のワイヤがこれらの区画を通って延長し、該支
   持格子は、該第１室の該隣接した区画中に配された対応
   した複数の隣接した区画を備えている特許請求の範囲第
   １項記載のイオンプラズマ電子ガン組立体。 １８）加圧された電離可能なガスのソースと、該ソース
   を該第１室の内部に接続するための配管手段と、該第１
   室中の電離可能なガスの圧力を制御するために該配管手
   段中に取付けた弁と、該第１室中の瞬時的な静止ガス圧
   力の関数である電気信号を発生させるように該第１室に
   連結されたモニター手段と、該モニター手段からの該電
   気信号に応答して該弁を調整し該第１室中の前記電離可
   能なガスの或る所定の動作圧力を保持するようにした前
   記弁の制御手段と、を更に有する特許請求の範囲第９項
   記載のイオンプラズマ電子ガン組立体。 １９）前記ワイヤ及びモニター手段に接続してあり、前
   記モニター手段からの電気信号に応答して、該ワイヤを
   通る電流を制御するようにした電流源を更に有する特許
   請求の範囲第１８項記載のイオンプラズマ電子ガン組立
   体。 ２０）複数のワイヤを含み、これらのワイヤが、はく材
   の窓の下方に支持され、ワイヤの個別の抵抗の測定によ
   って電子ビームの均質性をモニターするようにした特許
   請求の範囲第１項記載のイオンプラズマ電子ガン組立体
   。 ２１）前記第１室中に正イオンを発生させるための正イ
   オン発生手段が、該第１室を通って延長するワイヤを含
   む特許請求の範囲第１項記載のイオンプラズマ電子ガン
   組立体。 ２２）前記第１室中に正イオンを発生させるための正イ
   オン発生手段が、少くとも１つのワイヤを含み、このワ
   イヤが前記第１室から横方向に隔だてられた室を経て延
   長しスロットを経て該第１室と連通されている特許請求
   の範囲第１項記載のイオンプラズマ電子ガン組立体。 ２３）互いに隣接しその間に開口を含む第１室及び第２
   室を形成する電導性の減圧されたハウジングと、 該第１室中に正イオンを発生させるための正イオン発生
   手段と、 陣ハウジングから隔だてられ且つ絶縁された関係におい
   て、該第２室中に配置され、２次電子放出面を備えてい
   るカソードと、 該カソードと該ハウジングとの間に負の高電圧を印加し
   て該カソードにより正イオンを該第１室から該第２室に
   吸引させて該カソードの該２次電子放出面に衝突させ該
   面から２次電子を放出させるための電圧印加手段と、 該カソードに対向する該第１室の先端にある該ハウジン
   グの開口部上に延在する電導性の電子透過はく材と、を
   有し、該はく材は該２次電子のためのアノードを形成す
   るように該ハウジングに電気的に接続してあり、該２次
   電子を電子ビームとして、該はく材に通過させ、そのほ
   かに、 該カソードの該２次電子放出面に近接して該第２室中に
   取付けられている電導性引出し格子を有し、該引出し格
   子は該２次電子放出面に静電界を発生させてそこから２
   次電子を該引出し格子の通し孔を経て該第１室中に移行
   させるように、該ハウジングに連結してあり、該引出し
   格子の表面は、該第１室中の該静電界に比例する可変の
   深さをもつことにより、前記静電界の強さの変動が実質
   的に除かれ、実質的に一様な電子ビームが該カソードか
   ら該はく材を経て放出され、そのほかに、 前記はく材に近接して前記第１室中に取付けてあり、該
   はく材及び前記ハウジングに連結されている、前記はく
   材の支持用の電導性支持格子 を有するイオンプラズマ電子ガン組立体。