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JP3436352B2 - High frequency electron gun - Google Patents
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JP3436352B2 - High frequency electron gun - Google Patents

High frequency electron gun

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JP3436352B2
JP3436352B2 JP2000123874A JP2000123874A JP3436352B2 JP 3436352 B2 JP3436352 B2 JP 3436352B2 JP 2000123874 A JP2000123874 A JP 2000123874A JP 2000123874 A JP2000123874 A JP 2000123874A JP 3436352 B2 JP3436352 B2 JP 3436352B2
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electron gun
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cusp
electron
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横山  稔
史彦 小田
正朗 傍島
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、熱電子源を用いて
バックボンバードメントを抑制した高周波電子銃に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high frequency electron gun in which back bombardment is suppressed by using a thermoelectron source.

【0002】[0002]

【従来の技術】高周波電子銃は従来から使用されてきた
静電型電子銃と比較して非常にエミッタンスが小さいビ
ームを得ることができる。特に熱電子源を用いた高周波
電子銃は、静電型電子銃にバンチャーを組み合わせたシ
ステムに比べて、装置を格段に小型することができるた
め自由電子レーザ装置や蓄積リング入射などに用いる電
子銃として利用価値が高い。高周波電子銃では、高周波
電場の位相が順方向のとき電子が進行方向に加速される
ものであるが、カソードで発生した電子が高周波電場の
逆位相に乗ると、カソード方向に逆向きに加速されてカ
ソードに衝突する現象、すなわちバックボンバードメン
トが起こる。バックボンバードメントが起こるとカソー
ドにダメージを与えてカソードが劣化する。また、バッ
クボンバードメントによりカソード温度が上昇するため
マクロパルスの後ろになるほど電流が増加するので、特
に自由電子レーザ発生装置において長いマクロパルスを
発生するときに安定した運転が難しいという問題があ
る。
2. Description of the Related Art A high frequency electron gun can obtain a beam having a very small emittance as compared with an electrostatic type electron gun which has been conventionally used. In particular, a high-frequency electron gun using a thermoelectron source can be made much smaller than a system in which a buncher is combined with an electrostatic electron gun. As a high utility value. In the high-frequency electron gun, when the phase of the high-frequency electric field is in the forward direction, the electrons are accelerated in the traveling direction.However, when the electrons generated at the cathode get in the opposite phase of the high-frequency electric field, they are accelerated in the opposite direction to the cathode. Back bombardment occurs. When back bombardment occurs, the cathode is damaged and the cathode is deteriorated. Further, since the cathode temperature rises due to the back bombardment, the current increases toward the end of the macro pulse, so that there is a problem that stable operation is difficult especially when a long macro pulse is generated in the free electron laser generator.

【0003】これに対して、特開平6−89680号公
報には、カソードを底とする凹面の壁を設けて一方の高
周波電極とし高周波電流を印加して、順位相では電子ビ
ーム出射ポートに向かって収束し逆位相では出射ポート
から凹面壁に向かって漸次拡径するような高周波電場を
形成する高周波電子銃が開示されている。開示された電
子銃では、逆位相で加速された電子はカソード周辺の壁
面に衝突して吸収されるので、カソードの劣化を防げ
る。しかし、開示の方法は、電極形状を選択することに
より加速電場自体を特定の形状にしたもので、加速空洞
形状の自由度が制限されるため設計に制約を受けること
になる。また、高エネルギー電子は偏向しにくいため、
カソードへの衝突を回避する効果には一定の制約があ
る。
On the other hand, in Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-89680, a concave wall having a cathode as a bottom is provided to serve as one of the high frequency electrodes, and a high frequency current is applied to the high frequency electrode. There is disclosed a high-frequency electron gun that forms a high-frequency electric field that converges and then gradually expands in diameter from the exit port toward the concave wall in the opposite phase. In the disclosed electron gun, the electrons accelerated in the opposite phase collide with the wall surface around the cathode and are absorbed, so that the deterioration of the cathode can be prevented. However, in the disclosed method, the accelerating electric field itself is made into a specific shape by selecting the electrode shape, and the degree of freedom of the accelerating cavity shape is limited, so that the design is restricted. Also, since high-energy electrons are difficult to deflect,
There are certain restrictions on the effect of avoiding collision with the cathode.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明が解決
しようとする課題は、加速空洞設計の自由度を確保しな
がらバックボンバードメントを抑制してカソードを長寿
命化するとともに安定した電子ビーム出力を得ることが
できる高周波電子銃を供給することである。
Therefore, the problem to be solved by the present invention is to suppress back bombardment while ensuring the degree of freedom in the design of the accelerating cavity to extend the life of the cathode and to provide a stable electron beam output. Is to supply a high frequency electron gun.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、熱電子源で放出される電子を高周波加速空洞に印加
する高周波電場により電子ビームとして開口から引き出
すようにした高周波電子銃において、高周波加速空洞内
で逆方向に走行する電子を熱電子源に衝突しないように
導く電子誘導磁場を高周波加速空洞内に形成したことを
特徴とする。本発明の高周波電子銃は、高周波加速空洞
内の電場性状を従来の電子銃と同じものに保持したま
ま、逆方向に走行する電子を熱電子源に衝突しないよう
に導く電子誘導磁場を付加したものである。高周波電場
の逆位相時に逆方向に加速され速度を持った電子は、磁
場に導かれて例えば加速空洞の径方向に偏向するので熱
電子源であるカソード電極に衝突する割合が減少する。
In order to solve the above problems, in a high frequency electron gun in which electrons emitted from a thermoelectron source are extracted as an electron beam from an aperture by a high frequency electric field applied to a high frequency acceleration cavity, high frequency acceleration is performed. It is characterized in that an electron induction magnetic field for guiding electrons traveling in the opposite direction in the cavity so as not to collide with the thermionic source is formed in the high frequency acceleration cavity. The high frequency electron gun of the present invention is provided with an electron induction magnetic field for guiding electrons traveling in the opposite direction so as not to collide with the thermionic source while keeping the electric field property in the high frequency acceleration cavity the same as that of the conventional electron gun. It is a thing. Electrons accelerated in the opposite direction and having a velocity when the high-frequency electric field is in the opposite phase are guided to the magnetic field and deflected, for example, in the radial direction of the accelerating cavity, so that the ratio of collision with the cathode electrode, which is the thermionic source, decreases.

【0006】したがって、熱電子源が大量の衝突エネル
ギーによって加熱されて電子放出量を変化させる心配が
少なくなり、電極の消耗が減少して寿命を保つことがで
きる。なお、高エネルギー電子のバックボンバードメン
トはカソードに与える熱エネルギーの大半を占める。し
かし、カソード温度への影響を考えると、低エネルギー
電子はカソードへの侵入深さが小さいため熱エネルギー
がカソード表面に局在することから、カソード表面温度
にはむしろ低エネルギー電子の影響が大きい。本発明の
高周波電子銃では低エネルギー電子に対する偏向作用が
大きいため、カソード温度の安定化に対して効率的に貢
献する。また、高周波電場の性状は従来と変わらず、高
周波を印加する電極も特別な形状にする必要がないの
で、これまで蓄積された加速空洞の知識を生かした設計
が可能である。
Therefore, it is less likely that the thermoelectron source is heated by a large amount of collision energy to change the amount of electron emission, and the consumption of the electrode is reduced to maintain the life. The back bombardment of high energy electrons occupies most of the thermal energy given to the cathode. However, considering the influence on the cathode temperature, the low-energy electrons have a small penetration depth into the cathode, so that thermal energy is localized on the cathode surface. Therefore, the low-energy electrons have a great influence on the cathode surface temperature. Since the high-frequency electron gun of the present invention has a large deflection effect on low-energy electrons, it effectively contributes to stabilization of the cathode temperature. Further, the property of the high-frequency electric field is the same as the conventional one, and the electrode for applying the high-frequency does not need to have a special shape, so that the design utilizing the accumulated knowledge of the accelerating cavity is possible.

【0007】本発明の高周波電子銃の逆方向に走行する
電子を導く電子誘導磁場は、カスプ磁場により実現する
ことができる。軸対称のカスプ磁場を、電子ビームの引
き出し軸と点カスプの軸が一致するように、また磁場の
強さがゼロになる線カスプ面が熱電子源の近傍に来るよ
うに形成すると、カソードに向かって逆走行する電子が
引き出し軸から僅かでもそれると、軸から遠ざかる方向
に形成された磁束に絡み付くように偏向するので、カソ
ードを直撃する電子が減少することになる。
The electron induction magnetic field for guiding the electrons traveling in the opposite direction of the high frequency electron gun of the present invention can be realized by a cusp magnetic field. An axisymmetric cusp magnetic field is formed so that the extraction axis of the electron beam and the axis of the point cusp coincide with each other, and the line cusp surface where the magnetic field strength becomes zero is close to the thermionic source. Even a slight amount of electrons traveling in the opposite direction from the extraction axis is deflected so as to be entangled with the magnetic flux formed in the direction away from the extraction axis, so that the number of electrons directly hitting the cathode is reduced.

【0008】カスプ磁場は、線カスプ面を挟んで同じ極
が隣接するように配設された1対のソレノイドコイルに
より発生することができる。1対のソレノイドコイル
が、カソードの僅か前方にあって引き出し軸に垂直な面
を挟んで加速空洞の壁の外に配設される。たとえば2つ
の同じソレノイドコイルに逆方向に同じ電流を流すと、
線カスプがソレノイドコイルの間にあって線カスプを挟
んで面対称のカスプ電場が形成される。
The cusp magnetic field can be generated by a pair of solenoid coils arranged so that the same poles are adjacent to each other with the line cusp surface sandwiched therebetween. A pair of solenoid coils are arranged outside the wall of the acceleration cavity, slightly in front of the cathode and sandwiching a plane perpendicular to the extraction axis. For example, if the same current is applied to two same solenoid coils in opposite directions,
The line cusp is between the solenoid coils, and a plane-symmetric cusp electric field is formed with the line cusp sandwiched.

【0009】また、加速空洞の外側に設けた1個のソレ
ノイドコイルと引き出し軸の延長上カソードの後ろ側に
設けらた1個の電磁石もしくは永久磁石によりカスプ電
場を形成することもできる。この場合は、線カプスはソ
レノイドコイルと電磁石または永久磁石の間に形成さ
れ、磁場の強さがゼロになる線カスプ面がカスプ磁場の
軸すなわち電子ビームの引き出し軸とカソードの前方近
傍で交差するようなカプス磁場が形成される。線カスプ
面が引き出し軸と垂直でなくても、逆方向の走行する電
子の軌跡がカソード部分を避けられるものであれば十分
である。
Further, the cusp electric field can be formed by one solenoid coil provided outside the acceleration cavity and one electromagnet or permanent magnet provided behind the cathode due to extension of the extraction shaft. In this case, a line cusp is formed between the solenoid coil and the electromagnet or permanent magnet, and the line cusp surface where the magnetic field strength becomes zero intersects the axis of the cusp magnetic field, that is, the extraction axis of the electron beam in the vicinity of the front of the cathode. Such a Kaps magnetic field is formed. Even if the line cusp surface is not perpendicular to the extraction axis, it is sufficient if the trajectory of electrons traveling in the opposite direction can avoid the cathode portion.

【0010】なお、ソレノイドコイルまたは電磁石の励
磁をマクロパルス幅と同等かそれより小さいパルス電流
を発生するパルス電源により行い、パルスの立ち上がり
あるいは立ち下がりの勾配を利用するようにすれば、さ
らに強い磁場を生成してバックボンバードメントを減少
させることができる。さらに、磁極を加速空洞の軸方向
に向けて複数の永久磁石を連ねた永久磁石輪を加速空洞
の外側に設け、この磁石輪と引き出し軸上に設けた1個
の電磁石もしくは永久磁石でカスプ電場を発生するよう
にしてもよい。永久磁石を用いれば、ソレノイドコイル
で発生する熱が加速空洞におよぼす影響を排除すること
ができる。
If the excitation of the solenoid coil or electromagnet is performed by a pulse power source that generates a pulse current equal to or smaller than the macro pulse width and the rising or falling gradient of the pulse is used, a stronger magnetic field is obtained. Can be generated to reduce back bombardment. Furthermore, a permanent magnet ring in which a plurality of permanent magnets are connected to each other with the magnetic poles directed in the axial direction of the acceleration cavity is provided outside the acceleration cavity, and the cusp electric field is provided by this magnet ring and one electromagnet or permanent magnet provided on the extraction shaft. May be generated. By using a permanent magnet, it is possible to eliminate the influence of heat generated in the solenoid coil on the acceleration cavity.

【0011】なお、ソレノイドコイルは、加速空洞の壁
の中や空洞内に設けたディスクの中に仕込んでもよい。
このように配設する場合は、ソレノイドコイルが引き出
し軸に近づき、コイル径を小さくすることができるの
で、より強い磁場を効率よく形成させることができる。
また、カソードの中心部に空間を形成して引き出し軸上
を高速で逆進してくる高エネルギー電子の衝突を避ける
ことにより、カソードの温度上昇を防止するようにして
もよい。さらに、加速空洞の磁場を逆進電子がカソード
の中心部に形成した空洞に集中するように分布させて、
カソード自体との衝突を回避させるようにしてもよい。
この空間をファラデーカップとして積極的に電子を吸収
させてもよい。本発明の高周波電子銃は、特に安定した
単波長レーザ出力が必要とされる自由電子レーザ装置に
用いることにより、産業上の有用性が期待される。
The solenoid coil may be placed in the wall of the acceleration cavity or a disk provided in the cavity.
With such an arrangement, the solenoid coil approaches the extraction shaft and the coil diameter can be reduced, so that a stronger magnetic field can be efficiently formed.
Alternatively, the temperature rise of the cathode may be prevented by forming a space in the center of the cathode and avoiding collision of high-energy electrons traveling backward on the extraction shaft at high speed. Furthermore, the magnetic field of the accelerating cavity is distributed so that the backward electrons are concentrated in the cavity formed in the center of the cathode,
The collision with the cathode itself may be avoided.
Electrons may be positively absorbed by using this space as a Faraday cup. The high-frequency electron gun of the present invention is expected to be industrially useful when used in a free electron laser device which requires a particularly stable single wavelength laser output.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下、本発明について実施例に基
づき図面を参照して詳細に説明する。図1は本発明の第
1の実施例を示す断面図と磁場強度分布図、図2は本実
施例に用いるカスプ磁場の磁束分布を表す図面、図3は
本発明の第2の実施例を示す断面図、図4は本発明の第
3の実施例を表す断面図、図5は本実施例に用いる永久
磁石輪を表す断面図、図6は本発明の第4の実施例を表
す断面図、図7は本発明の第5の実施例を表す断面図と
磁場強度分布図である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described below in detail based on embodiments with reference to the drawings. 1 is a sectional view showing a first embodiment of the present invention and a magnetic field strength distribution diagram, FIG. 2 is a drawing showing a magnetic flux distribution of a cusp magnetic field used in this embodiment, and FIG. 3 is a second embodiment of the present invention. 4 is a sectional view showing a third embodiment of the present invention, FIG. 5 is a sectional view showing a permanent magnet ring used in this embodiment, and FIG. 6 is a sectional view showing a fourth embodiment of the present invention. FIG. 7 and FIG. 7 are a sectional view and a magnetic field strength distribution diagram showing a fifth embodiment of the present invention.

【0013】[0013]

【実施例1】本実施例の高周波電子銃は、2個のソレノ
イドコイルを同じ極が隣接するように設置して、カソー
ド近傍にカスプ磁場を形成したものである。高周波電子
銃は、図1に概念的に示したように、高周波電場を導入
する加速空洞1と、熱電子を放出するカソード2と、カ
ソードと対向する位置に開けられた電子ビーム引き出し
開口3を備える。本実施例の電子銃は、加速空洞1の外
壁4の外に1対のソレノイドコイル5,6を配設してい
る。2個のソレノイドコイル5,6はカソード2の前方
近傍において引き出し軸に直交する面を挟んで対向する
位置し、互いに反対方向に磁化するように電流が流され
る。すると、ソレノイドコイルの対向面が同じ極になっ
て図2に示すようなカスプ磁場と呼ばれる磁力線分布状
態が発現する。
Embodiment 1 The high frequency electron gun of this embodiment is one in which two solenoid coils are installed so that the same poles are adjacent to each other, and a cusp magnetic field is formed near the cathode. As conceptually shown in FIG. 1, the high frequency electron gun has an accelerating cavity 1 for introducing a high frequency electric field, a cathode 2 for emitting thermoelectrons, and an electron beam extraction opening 3 formed at a position facing the cathode. Prepare In the electron gun of this embodiment, a pair of solenoid coils 5 and 6 are arranged outside the outer wall 4 of the acceleration cavity 1. The two solenoid coils 5 and 6 are located in the vicinity of the front of the cathode 2 so as to face each other with a surface orthogonal to the extraction axis interposed therebetween, and a current is applied so as to magnetize in opposite directions. Then, the opposing surfaces of the solenoid coils become the same pole, and a magnetic field line distribution state called a cusp magnetic field as shown in FIG. 2 appears.

【0014】本実施例におけるカスプ磁場は、電子ビー
ム引き出し軸zの方向に点カスプが出現し、ソレノイド
コイルに挟まれた面に線カスプが出現する。線カスプは
カソード2の前方近傍を通る面の上にある。なお、カソ
ード2から引き出される電子ビーム軸z上に沿った磁場
強度Bは、図1の下部図に表したように、線カスプ面上
でゼロを横切り、ソレノイドコイル付近で2個のコイル
で互いに符号の異なり絶対値が最大になる値をとり、軸
上遠方でまたゼロに近付くような変化をする。
In the cusp magnetic field in this embodiment, point cusps appear in the direction of the electron beam extraction axis z, and line cusps appear on the surface sandwiched by the solenoid coils. The line cusp is on a plane passing near the front of the cathode 2. Note that the magnetic field strength B along the electron beam axis z extracted from the cathode 2 crosses zero on the line cusp plane as shown in the lower diagram of FIG. The sign is different, and the absolute value takes the maximum value, and changes so that it approaches zero again at a distance on the axis.

【0015】このような磁場分布の下で、加速空洞に高
周波電場を印加すると、カソード2で放出された電子が
高周波電場の順位相で加速されて開口3から電子ビーム
として放射される。電子ビームが開口3を通る引き出し
軸zに沿って放出される場合は、カスプ磁場はむしろ電
子ビームを収束させる方向に力を及ぼすので障害となら
ない。放出電子が高周波電場の逆位相で減速もしくは逆
加速される場合は、カソード2に向かう軸方向において
カスプ磁場の磁束が線カスプに向かって拡散する方向に
出現しているので、引き出し軸zからそれた電子は磁束
に絡むようにしてさらに軸zから離れるように運動す
る。特に低エネルギー電子について磁場による偏向効果
が大きい。
When a high frequency electric field is applied to the accelerating cavity under such a magnetic field distribution, the electrons emitted from the cathode 2 are accelerated in the order phase of the high frequency electric field and radiated from the aperture 3 as an electron beam. If the electron beam is emitted along the extraction axis z through the aperture 3, the cusp magnetic field rather exerts a force in the direction of focusing the electron beam, which is not an obstacle. When the emitted electrons are decelerated or inversely accelerated in the opposite phase of the high frequency electric field, the magnetic flux of the cusp magnetic field appears in the axial direction toward the cathode 2 in the direction of diffusing toward the line cusp. The electrons move while being entangled with the magnetic flux and further away from the axis z. Especially for low energy electrons, the deflection effect by the magnetic field is great.

【0016】したがって、カスプ磁場がなければ高周波
電場の逆位相で加速された電子が殆どカソード2に衝突
するのに対して、高周波加速空洞にカスプ磁場が存在す
る本実施例の高周波電子銃では、カスプ磁場が電子誘導
磁場として作用し逆方向に走行する電子のうち多くがカ
ソード2を避けてカソード周辺の壁に衝突するようにな
る。このため、カソード2に対するバックボンバードメ
ントを原因とする発熱が小さく、熱電子が過剰に発生す
ることがないので、電子ビームが徐々に増大するような
ことがなく所定の強さで安定したマクロパルスを発生す
ることができる。自由電子レーザにおいては電子エネル
ギーが変化するとレーザ波長が変化するため電子ビーム
の安定性が要求されるが、本実施例の電子銃を自由電子
レーザ装置に用いることによりマクロパルス内における
電子ビームがより安定する。
Therefore, if there is no cusp magnetic field, most of the electrons accelerated in the opposite phase of the high frequency electric field collide with the cathode 2, whereas in the high frequency electron gun of this embodiment in which the cusp magnetic field exists in the high frequency acceleration cavity, The cusp magnetic field acts as an electron induction magnetic field, and most of the electrons traveling in the opposite direction avoid the cathode 2 and collide with the wall around the cathode. Therefore, the heat generation due to the back bombardment to the cathode 2 is small and thermions are not excessively generated, so that the electron beam does not gradually increase and a stable macro pulse with a predetermined intensity is obtained. Can occur. In the free electron laser, the stability of the electron beam is required because the laser wavelength changes as the electron energy changes. However, by using the electron gun of this embodiment in the free electron laser device, the electron beam in the macro pulse becomes more stable. Stabilize.

【0017】[0017]

【実施例2】本実施例の高周波電子銃は、図3に示すご
とく、1個のソレノイドコイル5を加速空洞1の外側に
カソード2の僅か前方に位置するように設置し、カソー
ド2の後方に永久磁石7を設置することにより、カスプ
磁場を形成したものであって、このほかの構成は実施例
1と同じであるので、重複を避けて異なる部分について
のみ説明する。本実施例におけるカスプ磁場は、電子ビ
ーム引き出し軸の方向に点カスプが出現し、ソレノイド
コイルと永久磁石7に挟まれた面に線カスプが出現す
る。磁場強度がゼロになる曲面は線カスプを裾としカソ
ード2の前方近傍に頂点を有する回転放物線面に似た形
状を示す。
Embodiment 2 In the high frequency electron gun of this embodiment, as shown in FIG. 3, one solenoid coil 5 is installed outside the accelerating cavity 1 so as to be located slightly in front of the cathode 2 and behind the cathode 2. Since the cusp magnetic field is formed by installing the permanent magnet 7 in the second embodiment and the other configurations are the same as those in the first embodiment, only different parts will be described while avoiding duplication. In the cusp magnetic field in this embodiment, point cusps appear in the direction of the electron beam extraction axis, and line cusps appear on the surface sandwiched by the solenoid coil and the permanent magnet 7. The curved surface where the magnetic field strength is zero has a shape similar to a paraboloid of revolution having a line cusp as a skirt and an apex near the front of the cathode 2.

【0018】本実施例の磁場分布では、引き出し軸から
それた逆加速電子が受ける偏向力は実施例1の場合より
小さいが、カソード2へのバックボンバードメントを減
少させる目的では十分な作用を有し、より簡単な構成に
より実現することができる。なお、カソード2の後方に
永久磁石の代わりに電磁石を設けても、作用は変わらな
いことはいうまでもない。なお、電磁石の励磁用電源と
して立ち上がり時間がマクロパルス幅と同程度かそれよ
り小さいパルス電源を用いて、高周波電場と同期させる
ようにすれば、立ち上がりや立ち下がりの急勾配を利用
してさらに効率よくバックボンバードメントを減少させ
ることができる。また、ソレノイドコイルを用いると励
磁電流により発生する熱が加速空洞の温度に影響を与え
るため、安定した電子ビームを得る上で障害となること
があるが、永久磁石を使用することによりコイルで発生
する熱の問題が緩和される利点もある。
In the magnetic field distribution of this embodiment, although the deflection force received by the inversely accelerated electrons from the extraction axis is smaller than that in the first embodiment, it has a sufficient action for the purpose of reducing back bombardment to the cathode 2. However, it can be realized with a simpler configuration. Needless to say, the operation does not change even if an electromagnet is provided behind the cathode 2 instead of the permanent magnet. If a pulsed power supply with a rise time that is equal to or smaller than the macro pulse width is used as the excitation power supply for the electromagnet and is synchronized with the high-frequency electric field, a steep rise and fall slope is used to further improve efficiency. Can reduce back bombardment well. Also, when a solenoid coil is used, the heat generated by the exciting current affects the temperature of the accelerating cavity, which may be an obstacle in obtaining a stable electron beam. There is also an advantage that the problem of heat generated is alleviated.

【0019】[0019]

【実施例3】本実施例の高周波電子銃は、図4に示すご
とく、実施例2のソレノイドコイルの代わりに、永久磁
石8を加速空洞4の外側にカソード2の僅か前方に位置
するように設置したものである。カソード2の後方には
永久磁石7を設置し、これらの磁場発生装置により、カ
スプ磁場を形成する。このほかの構成は実施例1と同じ
であるので、重複を避けて異なる部分についてのみ説明
する。加速空洞1の外側に設置される永久磁石8は、図
5に示すように、同じ磁極を軸方向に向けて複数の永久
磁石8が加速空洞1を輻射線状に取り囲んで磁極部分が
加速空洞外壁4に食い込むように配設されていて、永久
磁石8の反対側磁極同士を円環状のヨーク9で繋いだ形
態の磁石輪になっている。カソード2の部分に設けられ
た永久磁石7は、カソード2の前方に向いた磁極が磁石
輪の軸方向に向いた磁極と同じものになっている。本実
施例のカスプ磁場は、実施例2のものとほぼ同じ磁場分
布を有し、同様にカソード2に対する逆進電子のバック
ボンバードメントを減少させる作用を有する。
Third Embodiment As shown in FIG. 4, in the high frequency electron gun of this embodiment, instead of the solenoid coil of the second embodiment, a permanent magnet 8 is located outside the acceleration cavity 4 and slightly in front of the cathode 2. It was installed. A permanent magnet 7 is installed behind the cathode 2 and a cusp magnetic field is formed by these magnetic field generators. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, only different parts will be described while avoiding duplication. As shown in FIG. 5, the permanent magnet 8 installed outside the acceleration cavity 1 has a plurality of permanent magnets 8 that surround the acceleration cavity 1 in a radial direction with the same magnetic pole oriented in the axial direction, and the magnetic pole portion is the acceleration cavity. The magnet ring is arranged so as to bite into the outer wall 4 and has magnetic poles on the opposite side of the permanent magnet 8 connected to each other by an annular yoke 9. The permanent magnet 7 provided in the cathode 2 portion has a magnetic pole that faces the front of the cathode 2 and is the same as a magnetic pole that faces the axial direction of the magnet ring. The cusp magnetic field of this embodiment has almost the same magnetic field distribution as that of the second embodiment, and also has the effect of reducing the back bombardment of the backward electrons to the cathode 2.

【0020】[0020]

【実施例4】本実施例の高周波電子銃は、図6に示すご
とく、実施例1のソレノイドコイル5,6を加速空洞1
の外側に設ける代わりに、加速空洞4の壁の内部に仕込
んだものである。このほかの構成は実施例1と同じであ
るので、異なる部分についてのみ説明する。カソード2
の後方にあるべきソレノイドコイル6は加速空洞2の後
方壁中に埋設され、カソード2の前方にあるべきソレノ
イドコイル5は加速空洞外壁4から軸方向に突設したデ
ィスク10の中に仕込まれ埋設されている。本実施例の
配置によれば、磁場発生機構を引き出し軸近くに配設す
ることができるため、磁化の強さが小さくても軸付近に
強い磁場を発生させることができ、必要とされる電子誘
導磁場を加速空洞1内に効率的に形成することができ
る。なお、実施例2や実施例3においても同様に、ソレ
ノイドコイル5、電磁石、永久磁石7,8などを加速空
洞外壁4やディスク10などに埋設することによって強
い磁場を効率的に形成させることができる。
Fourth Embodiment As shown in FIG. 6, in the high frequency electron gun of the present embodiment, the solenoid coils 5 and 6 of the first embodiment are connected to the acceleration cavity 1.
Instead of being provided on the outside of, the inside of the wall of the acceleration cavity 4 is charged. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, only different parts will be described. Cathode 2
The solenoid coil 6 which should be located behind the accelerating cavity 2 is embedded in the rear wall of the accelerating cavity 2, and the solenoid coil 5 which is located in front of the cathode 2 is embedded and embedded in a disk 10 projecting axially from the accelerating cavity outer wall 4. Has been done. According to the arrangement of this embodiment, since the magnetic field generating mechanism can be arranged near the extraction axis, a strong magnetic field can be generated near the axis even if the strength of magnetization is small, and the required electron The induction magnetic field can be efficiently formed in the acceleration cavity 1. Similarly, in the second and third embodiments, a strong magnetic field can be efficiently formed by embedding the solenoid coil 5, the electromagnet, the permanent magnets 7 and 8 in the outer wall 4 of the accelerating cavity, the disk 10 and the like. it can.

【0021】[0021]

【実施例5】本実施例の高周波電子銃は、図7に示すご
とく、カソード2の中心部に空間を設けたものである。
上記実施例と同じ部分については説明を省略する。高エ
ネルギーを持った逆進電子は上記各実施例の電子誘導磁
場が存在しない場合は勿論、電子誘導磁場の作用によっ
ても大きく偏向しないで、カソード2にバックボンバー
ドメントして、カソード2の温度上昇や磨損を生じる原
因となる。本実施例の高周波電子銃は、カソード2の中
心部に穴を設けることにより、逆加速されて戻ってくる
高エネルギー電子が電極に衝突する割合を小さくしたと
ころに特徴を有する。
[Fifth Embodiment] As shown in FIG. 7, the high frequency electron gun of the present embodiment has a space provided at the center of the cathode 2.
The description of the same parts as those in the above embodiment will be omitted. The backward electrons having high energy are not largely deflected by the action of the electron induction magnetic field not only when the electron induction magnetic field of each of the above embodiments does not exist, but are back bombarded to the cathode 2 and the temperature of the cathode 2 rises. It may cause abrasion and abrasion. The high frequency electron gun of the present embodiment is characterized in that a hole is provided in the central portion of the cathode 2 so that the ratio of high-energy electrons that are reversely accelerated and returned to the electrode is reduced.

【0022】本実施例の高周波電子銃によれば、電子の
バックボンバードメントがあってもカソード2に与える
熱エネルギーが小さいので、カソード2の周辺に放出さ
れる熱電子の量がマクロパルス中に変化することを防止
して安定な電子ビームの生成が可能である。なお、カソ
ード2の中心部に設けた穴をファラデーカップとして形
成すると、衝突した電子を捕捉し電流として放流し、二
次電子や二次イオンの放出が防げるので、カソード2で
生成する熱電子に対する影響をより効果的に抑制するこ
とができる。
According to the high frequency electron gun of this embodiment, since the thermal energy applied to the cathode 2 is small even if there is electron back bombardment, the amount of thermoelectrons emitted to the periphery of the cathode 2 is reduced during the macro pulse. It is possible to prevent a change and generate a stable electron beam. If the hole provided at the center of the cathode 2 is formed as a Faraday cup, the colliding electrons are captured and discharged as a current, and secondary electrons and secondary ions can be prevented from being emitted. The influence can be suppressed more effectively.

【0023】また、例えば実施例1における加速空洞1
の外壁4の外に配設した1対のソレノイドコイル5,6
に同じ方向の電流を流して同じ方向の軸方向磁場を発生
させるようにすると、電子ビーム引き出し軸z上に図7
の下部図に示すような磁場強度B分布を生成し、カソー
ド2の近傍に磁束が集まるようになるので、逆方向に加
速された電子ビームを収束させることができる。加速空
洞1内にこのような電子誘導磁場が存在すると、バック
ボンバードメント電子の多くはカソード2の中心付近に
集中し、ファラデーカップ11に吸収されるので、バッ
クボンバードメントの影響を著しく抑制することができ
る。なお、1対のソレノイドコイル5,6に代えて、1
個のソレノイドコイルを用いてもよく、また磁石輪など
を用いても同様の効果が得られることはいうまでもな
い。
Further, for example, the acceleration cavity 1 in the first embodiment
Pair of solenoid coils 5 and 6 arranged outside the outer wall 4 of the
When an electric current in the same direction is made to flow in the magnetic field to generate an axial magnetic field in the same direction, the electron beam extraction axis z shown in FIG.
The magnetic field strength B distribution as shown in the lower part of FIG. 2 is generated, and the magnetic flux is gathered in the vicinity of the cathode 2, so that the electron beam accelerated in the opposite direction can be converged. When such an electron-induced magnetic field exists in the accelerating cavity 1, most of the back bombardment electrons are concentrated near the center of the cathode 2 and are absorbed by the Faraday cup 11, so that the effect of back bombardment is significantly suppressed. You can Instead of the pair of solenoid coils 5 and 6,
It goes without saying that the same effect can be obtained by using individual solenoid coils or by using a magnet ring or the like.

【0024】[0024]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の高周波電
子銃によれば、電子誘導磁場の作用によりバックボンバ
ードメント電子がカソードを避けてその周辺の壁に衝突
するようにしたり、カソードの中心部に設けたファラデ
ーカップに吸収して、カソードに衝突することを抑制す
ることができる。このため、カソードが放出する熱電子
量が安定する結果、電子ビームが安定し、自由電子レー
ザ発生装置などに使用する場合にも、マクロパルス内の
レーザ波長が安定する効果がある。また、カソードがバ
ックボンバードメント電子による損壊を免れるので長寿
命化し、運転・保全コストの節減をはかることができ
る。
As described above, according to the high frequency electron gun of the present invention, the back bombardment electrons are prevented from colliding with the wall around the cathode by the action of the electron-induced magnetic field, or the center of the cathode is collided. It is possible to prevent the Faraday cup provided in the section from absorbing and colliding with the cathode. Therefore, as a result of stabilizing the amount of thermoelectrons emitted from the cathode, the electron beam is stable, and the laser wavelength in the macropulse is stable even when used in a free electron laser generator or the like. Further, since the cathode is protected from damage due to back bombardment electrons, the life can be extended and the operation and maintenance cost can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1実施例を示す断面図と磁場強度分
布図である。
FIG. 1 is a sectional view and a magnetic field strength distribution diagram showing a first embodiment of the present invention.

【図2】第1実施例におけるカスプ磁場の磁束分布を表
す図面である。
FIG. 2 is a drawing showing a magnetic flux distribution of a cusp magnetic field in the first embodiment.

【図3】本発明の第2実施例を示す断面図である。FIG. 3 is a sectional view showing a second embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第3実施例を表す断面図である。FIG. 4 is a sectional view showing a third embodiment of the present invention.

【図5】第3実施例に用いる永久磁石輪を表す断面図で
ある。
FIG. 5 is a sectional view showing a permanent magnet ring used in a third embodiment.

【図6】本発明の第4実施例を表す断面図である。FIG. 6 is a sectional view showing a fourth embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第5実施例を示す断面図と磁場強度分
布図である。
FIG. 7 is a sectional view and a magnetic field strength distribution diagram showing a fifth embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 高周波加速空洞 2 カソード 3 電子ビーム引き出し開口 4 加速空洞外壁 5 ソレノイドコイル 6 ソレノイドコイル 7 永久磁石 8 永久磁石 9 ヨーク 10 ディスク 11 ファラデーカップ 1 High-frequency acceleration cavity 2 cathode 3 Electron beam extraction aperture 4 Acceleration cavity outer wall 5 solenoid coil 6 solenoid coil 7 Permanent magnet 8 permanent magnets 9 York 10 discs 11 Faraday cup

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平9−82254(JP,A) 特開 平11−176600(JP,A) 特開 平6−89680(JP,A) 特開2001−305300(JP,A) 特公 昭47−15200(JP,B1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G21K 5/04 H01J 37/07 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) Reference JP-A-9-82254 (JP, A) JP-A-11-176600 (JP, A) JP-A-6-89680 (JP, A) JP-A-2001-305300 (JP, A) JP-B 47-15200 (JP, B1) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) G21K 5/04 H01J 37/07

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 開口を有する高周波加速空洞内の該開口
に対向する位置に熱電子源を設け高周波電場により電子
ビームを前記開口から引き出すようにした高周波電子銃
において、前記高周波加速空洞内に電子ビームの引き出
し軸に点カスプを有し磁場の強さがゼロになる線カスプ
面が前記熱電子源の近傍にあるようなカスプ磁場である
電子誘導磁場を形成して、逆方向に走行する電子を前記
熱電子源に衝突しないように導くことを特徴とする高周
波電子銃。
1. A high-frequency electron gun by a high frequency electric field is provided thermionic source at a position opposed to the opening of the high-frequency accelerating cavity having an opening with an electron beam was set to withdraw from the opening, electrons in said high-frequency accelerating cavity Beam extraction
A line cusp that has a point cusp on the horizontal axis and the magnetic field strength is zero
A cusp field whose surface is near the thermionic source
To form an electron induced magnetic field, a high frequency electron gun, wherein the guide wolfberry to not collide electrons traveling in the opposite direction to the heat electron source.
【請求項2】 前記カスプ磁場が、前記線カスプ面を挟
んで同じ極が隣接するように配設された1対のソレノイ
ドコイルにより発生されることを特徴とする請求項
載の高周波電子銃。
Wherein said cusp magnetic field, a high frequency electron gun according to claim 1, wherein the same pole across the line cusp surface is generated by a pair of solenoid coils disposed so as to be adjacent .
【請求項3】 前記カスプ磁場が、前記加速空洞を囲う
ように設けられた1個のソレノイドコイルと前記引き出
し軸上に設けられた1個の電磁石もしくは永久磁石によ
り発生されることを特徴とする請求項記載の高周波電
子銃。
3. The cusp magnetic field is generated by one solenoid coil provided so as to surround the acceleration cavity and one electromagnet or permanent magnet provided on the extraction shaft. The high frequency electron gun according to claim 1 .
【請求項4】 前記ソレノイドコイルまたは電磁石の励
起を高周波電場の周波数と同等もしくはそれより短い立
ち上がりを有するパルス電源を用いて行うことを特徴と
する請求項2または3記載の高周波電子銃。
4. The high frequency electron gun according to claim 2, wherein the solenoid coil or the electromagnet is excited by using a pulse power source having a rising edge that is equal to or shorter than the frequency of the high frequency electric field.
【請求項5】 前記カスプ磁場が、極を内側に向けて前
記加速空洞を囲うように設けられた永久磁石輪と前記引
き出し軸上に設けられた1個の電磁石もしくは永久磁石
により発生されることを特徴とする請求項記載の高周
波電子銃。
5. The cusp magnetic field is generated by a permanent magnet ring provided so as to surround the acceleration cavity with a pole facing inward, and one electromagnet or a permanent magnet provided on the extraction shaft. The high frequency electron gun according to claim 1, wherein
【請求項6】 前記ソレノイドコイルが、加速空洞を形
成する壁体の中もしくはディスク円盤内に埋め込まれて
いることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載
の高周波電子銃。
Wherein said solenoid coil, high-frequency electron gun according to any one of claims 1 to 5, characterized in that embedded in or disk disk within the wall forming the accelerating cavities.
【請求項7】 開口を有する高周波加速空洞内の該開口
に対向する位置に熱電子源を設け高周波電場により電子
ビームを前記開口から引き出すようにした高周波電子銃
において、前記高周波加速空洞内で逆方向に走行する電
子を前記熱電子源に衝突しないように導く電子誘導磁場
を該高周波加速空洞内に形成し、また前記熱電子源の中
心部分にファラデーカップを配設し、前記電子誘導磁場
が電子ビームの引き出し軸に対称軸を有し前記熱電子源
の近傍で磁場の強さが最大になるような磁場であること
を特徴とする高周波電子銃。
7. An opening in a high frequency accelerating cavity having an opening.
A thermoelectron source is installed at a position facing the
A high-frequency electron gun in which the beam is extracted from the opening
In the high-frequency accelerating cavity,
Electron-induced magnetic field that guides the child so that it does not collide with the thermionic source
Is formed in the high-frequency accelerating cavity, and a Faraday cup is arranged at the center of the thermoelectron source, and the electron induction magnetic field has a symmetry axis in the extraction axis of the electron beam and a magnetic field near the thermoelectron source. high-frequency electron gun you wherein the strength of a magnetic field that maximizes.
【請求項8】 請求項1からのいずれかに記載の高周
波電子銃を使用した自由電子レーザ装置。
8. free electron laser apparatus using a high-frequency electron gun according to any one of claims 1 to 7.
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