JP7738520B2 - Electromagnetic wave generator - Google Patents
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Description
本願は、電磁波発生装置に関するものである。 This application relates to an electromagnetic wave generating device.
仮想陰極を利用した電磁波発生装置は、高電圧高速パルス発生器から印加された高電圧高速パルスによって、カソード電極表面から電界放出により電子を引き出して形成される仮想陰極を利用してマイクロ波帯の電磁波を発生する。マイクロ波帯の電磁波を発生させるためには、メッシュ状等の、電子が物理的に透過できるアノード電極をカソード電極に対向して配置させ、カソード電極から引き出された電子が電子ビームとなってアノード電極を透過し、アノードの背後に配置した導波管内で仮想陰極を形成することが重要である。形成された仮想陰極は、導波管内で時間的、空間的に電子を振動させる。仮想陰極発振器は、この電子の振動により、高出力なパルス状の電磁波（電磁パルス）を発生させる（例えば、特許文献１参照）。 An electromagnetic wave generator using a virtual cathode generates microwave-band electromagnetic waves by using a virtual cathode formed by electrons being drawn from the surface of a cathode electrode through field emission using high-voltage, high-speed pulses applied from a high-voltage, high-speed pulse generator. To generate microwave-band electromagnetic waves, it is important to place an anode electrode, such as a mesh-like electrode, through which electrons can physically pass, opposite the cathode electrode. The electrons drawn from the cathode electrode form an electron beam that passes through the anode electrode, forming a virtual cathode within a waveguide placed behind the anode. The formed virtual cathode oscillates electrons in time and space within the waveguide. A virtual cathode oscillator generates high-power pulsed electromagnetic waves (electromagnetic pulses) through this electron oscillation (see, for example, Patent Document 1).
電磁波を発生させるには仮想陰極の生成が不可欠であり、また高効率で電磁波を生成するためには、電子ビームの電流値の大きさが電磁波発生の出力につながる重要なパラメータのひとつである。電流値はカソード構造が大きく影響する。カソード電極の構造は、たとえば球状構造（特許文献１参照）があり、円筒構造を使用する例もある（特許文献２参照）。 The creation of a virtual cathode is essential for generating electromagnetic waves, and in order to generate electromagnetic waves with high efficiency, the magnitude of the electron beam current is one of the important parameters that leads to the output of the generated electromagnetic waves. The current value is greatly influenced by the cathode structure. Cathode electrode structures include, for example, a spherical structure (see Patent Document 1), and there are also examples where a cylindrical structure is used (see Patent Document 2).
このような電磁波発生装置のカソード構造にあっては、球状構造では中央部が最大電界発生範囲となり、アノード電極までの距離には依存するが中央部の微小範囲でしか電子ビームを発生できる範囲がない。また円筒構造ではアノード電極に対向する円盤の端の曲率部分にかけて最大電界発生範囲となり、中央部での電子放出が少なく、電子の発生範囲も小さい。カソード電極から放出する電子ビームで仮想陰極を形成する電磁波発生装置で高効率なマイクロ波を発生させるにはカソードから放出される電子ビームの電流を極大化させる必要がある。 In the cathode structure of such an electromagnetic wave generator, with a spherical structure, the center is the area where the maximum electric field is generated, and although it depends on the distance to the anode electrode, only a small area in the center can generate an electron beam. Furthermore, with a cylindrical structure, the maximum electric field is generated in the curvature of the edge of the disk facing the anode electrode, with fewer electrons emitted in the center and a smaller area where electrons are generated. In order to generate highly efficient microwaves in an electromagnetic wave generator in which a virtual cathode is formed by the electron beam emitted from the cathode electrode, it is necessary to maximize the current of the electron beam emitted from the cathode.
本願は、上記の課題を解決するものであり、電子ビームの電流を極力大きくさせることを目的としている。 This application aims to solve the above problem by maximizing the electron beam current.
本願に開示される電磁波発生装置は、カソード電極と、このカソード電極に対向して配置された電子が透過可能なアノード電極と、このアノード電極の前記カソード電極とは反対側に接続され電磁波を導波する中空の円筒形状の導波管とを備え、前記カソード電極と前記アノード電極との間に高電圧パルスを印加して電子ビームを発生させ、前記導波管の中に電子が集群することにより仮想陰極を形成して電磁波が発生する電磁波発生装置において、前記カソード電極の表面形状は、中央部に位置し前記アノード電極に対向する平坦面と、この平坦面の周囲に連なり、前記平坦面を取り囲む環状であって前記アノード電極から離れるように曲がる曲面とを有する形状であり、前記曲面は、前記平坦面から離れるにしたがって曲率半径が小さくなる複数の曲面で構成されるものである。 The electromagnetic wave generator disclosed in this application comprises a cathode electrode, an anode electrode opposite the cathode electrode and through which electrons can pass, and a hollow cylindrical waveguide connected to the opposite side of the anode electrode and guiding electromagnetic waves. A high-voltage pulse is applied between the cathode electrode and the anode electrode to generate an electron beam, and the electrons are concentrated in the waveguide to form a virtual cathode, generating electromagnetic waves. In this electromagnetic wave generator, the surface shape of the cathode electrode has a flat surface located in the center and facing the anode electrode, and a curved surface that is continuous with the periphery of the flat surface, surrounds the flat surface, and curves away from the anode electrode. The curved surface is made up of multiple curved surfaces whose radius of curvature decreases with increasing distance from the flat surface.
本願に開示される電磁波発生装置によれば、カソード電極の広い範囲から電子を放出させ、導波管内に電子を導入することができるため、電子ビームの電流を大きくすることが可能となる。 The electromagnetic wave generator disclosed in this application can emit electrons from a wide area of the cathode electrode and introduce them into the waveguide, making it possible to increase the current of the electron beam.
実施の形態１．
図１は実施の形態１による電磁波発生装置を示す断面図である。図１において、高速で高電圧パルスが発生するパルス発生器１が設けられている。パルス発生器１は、マルクス型を用いる場合、直列につながるコンデンサ群で複数段構成され（図示せず）、段間に入ったスイッチを閉じることでコンデンサに蓄えた電荷を一気に放出し、カスケード的に電圧が昇圧されて、最終段から高電圧のパルスが発生する仕組みとなる。パルス発生器１の出力部に相当する高電圧発生部２には金属導体３を接続し、金属導体３の先に陰極となるカソード電極４を備える。金属導体３の径方向周囲には真空のギャップをあけて真空容器６の筐体との絶縁をする。また、パルス発生器１を筐体６で支持するなどのため、主絶縁が真空以外の場合には、絶縁体５により絶縁を確保する。カソード電極４に対向させた位置に陽極となるアノード電極７を備える。アノード電極７のカソード電極４と反対側には導波管８を備える。アノード電極７はカソード電極４から放出した電子を透過するために、薄膜ないし穴があいた構造、たとえばメッシュ状の電極とする。導波管８は、たとえば中空の円筒形状の円形導波管などを用いる。アノード電極７と導波管８は電気的に接続状態で、パルス発生器１の接地電位と同電位となる。
Embodiment 1.
FIG. 1 is a cross-sectional view of an electromagnetic wave generator according to a first embodiment. In FIG. 1, a pulse generator 1 is provided that generates high-voltage pulses at high speed. When a Marx-type pulse generator 1 is used, it is configured with multiple stages of capacitors connected in series (not shown). Closing a switch between the stages releases the charge stored in the capacitors all at once, boosting the voltage in a cascade fashion until a high-voltage pulse is generated from the final stage. A metal conductor 3 is connected to a high-voltage generating section 2, which corresponds to the output section of the pulse generator 1, and a cathode electrode 4, which serves as the negative pole, is provided at the end of the metal conductor 3. A vacuum gap is provided around the radial periphery of the metal conductor 3 to insulate it from the vacuum vessel 6 housing. Furthermore, if the main insulation is not a vacuum, for example, to support the pulse generator 1 on the housing 6, insulation is ensured by an insulator 5. An anode electrode 7, which serves as the positive pole, is provided opposite the cathode electrode 4. A waveguide 8 is provided on the opposite side of the anode electrode 7 from the cathode electrode 4. The anode electrode 7 is a thin film or a perforated structure, such as a mesh electrode, to allow electrons emitted from the cathode electrode 4 to pass through. The waveguide 8 is, for example, a hollow cylindrical circular waveguide. The anode electrode 7 and the waveguide 8 are electrically connected and have the same potential as the ground potential of the pulse generator 1.
つぎに電磁波発生について説明する。パルス発生器１からの高電圧パルスが印加されると電界放出によりカソード電極４からアノード電極７に向かって電子が放出され、電子ビームが形成される。電子ビームの電流ICLは下記（１）式であらわされる。
強電界下では電子がアノード電極７に向かって移動し、電子が物理的に透過できる構造のアノード電極７を飛び越えてアノード電極７の背後にある導波管８に入射するようになる。電子が増加すると、導波管８の空間で電子が集群して仮想陰極９と呼ばれるポテンシャル群を形成するようになる。仮想陰極９が形成される条件はICLが導波管の空間制限電流ICを超える場合である。空間制限電流ICは下記（２）式であらわされる。
また、マイクロ波の周波数は下記（３）式であらわされる。
仮想陰極９が形成されると仮想陰極９の電位よりも低いエネルギーの電子は仮想陰極９にはね返されるため、仮想陰極９への電子の供給量が減少し、仮想陰極９の電位が低下する。すると、再び電子が仮想陰極９に流入するため仮想陰極９の電位は上昇し、再び電子を追い返すようになる。この繰り返し、すなわち仮想陰極９の時間的・空間的な変動によりマイクロ波１０が発生する。 When a virtual cathode 9 is formed, electrons with energy lower than the potential of the virtual cathode 9 are repelled by the virtual cathode 9, reducing the supply of electrons to the virtual cathode 9 and lowering the potential of the virtual cathode 9. Then, electrons flow into the virtual cathode 9 again, causing the potential of the virtual cathode 9 to rise and once again repel electrons. This process is repeated, i.e., the temporal and spatial fluctuations of the virtual cathode 9 generate microwaves 10.
マイクロ波の出力は電子ビームの電流と印加される電圧に大きく依存する。式（３）によると周波数はカソード電極４とアノード電極７の間隔dAKに依存するため、周波数帯を固定する場合はdAKを固定する必要がある。また、アノード電極７‐カソード電極４間（A-K間）の電圧を無限に高めることはできず印加できる電圧Vは限定される。したがって、マイクロ波の出力は電子ビームの電流に大きく依存することになる。電子ビームの電流を表す式（１）から、電流値を大きくするには、VおよびdAK以外のパラメータである電極面積Skを増加させる必要がある。 Microwave output is highly dependent on the electron beam current and the applied voltage. According to equation (3), the frequency depends on the distance dAK between the cathode electrode 4 and the anode electrode 7, so if the frequency band is fixed, dAK must be fixed. Furthermore, the voltage between the anode electrode 7 and the cathode electrode 4 (between AK) cannot be increased infinitely, so the voltage V that can be applied is limited. Therefore, microwave output is highly dependent on the electron beam current. From equation (1), which represents the electron beam current, to increase the current value, it is necessary to increase the electrode area Sk, a parameter other than V and dAK .
図２は実施の形態１による電磁波発生装置におけるカソード電極４の中心軸を含む断面図である。カソード電極４は軸対称構造、すなわち中心軸（後述の平坦面１１の中心を含み、平坦面１１に垂直な軸）に垂直な方向の断面形状が円形であり、中央部にカソード電極表面が平坦面１１となる構造を備えている。さらに、その平坦面１１の周囲に連なる第一曲面１２、および第一曲面１２に連なり、第一曲面の曲率半径よりも小さい曲率半径の第二曲面１３を備えた形状である。第一曲面１２と第二曲面１３で構成される曲面は、平坦面１１を取り囲む環状になっている。カソード電極の材質は金属電極であることが基本であり、たとえばアルミニウム、銅、鉄、などが単体素材、もしくはそれらの合金、真鍮、ステンレス、ジェラルミンなどを用いることができる。電子ビームを効率よく取り出すには素材の仕事関数が低い方がいい。また、電子ビームを効率よく発生させるには金属表面にベルベットなどの電子発生が高くなる素材を配置してもよく、この技術に関しては実施の形態４から６において詳述する。 Figure 2 is a cross-sectional view of the cathode electrode 4 in the electromagnetic wave generator according to embodiment 1, including the central axis. The cathode electrode 4 has an axially symmetrical structure, i.e., the cross-sectional shape perpendicular to the central axis (an axis including the center of the flat surface 11, described below, and perpendicular to the flat surface 11) is circular, with the flat surface 11 serving as the cathode electrode surface in the center. Furthermore, the cathode electrode has a first curved surface 12 extending from the periphery of the flat surface 11, and a second curved surface 13 extending from the first curved surface 12 and having a smaller radius of curvature than the first curved surface. The curved surface formed by the first curved surface 12 and the second curved surface 13 forms a ring that surrounds the flat surface 11. The cathode electrode is basically made of a metal electrode, and examples of such materials include aluminum, copper, and iron, as well as alloys of these materials, brass, stainless steel, and duralumin. A low work function material is desirable for efficient electron beam extraction. Furthermore, to efficiently generate electron beams, a material with high electron generation, such as velvet, may be placed on the metal surface; this technique will be described in detail in embodiments 4 to 6.
次に、カソード電極の機能を説明する。図３は実施の形態１による電磁波発生装置のカソード電極４における静電界分布を示した図である。図３には、あわせて、アノード電極７を導波管の管軸方向から見た平面図も示している。アノード電極７は、電子が透過できるよう、例えばメッシュ状の金属で構成されている。カソード電極４における静電界分布は、色の濃淡で電界の強さを示しており、色の濃い部分が電界集中している箇所を示す。比較例として、図４に球状電極４１の静電界分布を、図５に円筒状電極４２の静電界分布を示す。図４の球状電極４１では高電界は中央部付近にのみ発生しており、図５の円筒状電極４２では中央の平坦部の端部である曲線部周囲に高電界が発生しているのが確認できる。一方、図３に示す実施の形態１によるカソード電極４の形状の場合、中央部の平坦面全域にわたって高電界が発生しているのが確認できる。すなわち、本実施の形態１のような、中央部の平坦面１１と、この平坦面１１の周囲に連なる第一曲面１２、および第一曲面１２に連なり、第一曲面の曲率半径よりも小さい曲率半径の第二曲面１３を有する形状にすることで、カソード電極から広範囲にわたって電子が発生できる領域が存在し、電子ビームの電流値が大幅に増大するといった従来にない顕著な効果を奏する。 Next, the function of the cathode electrode will be explained. Figure 3 shows the electrostatic field distribution at the cathode electrode 4 of the electromagnetic wave generator according to embodiment 1. Figure 3 also shows a plan view of the anode electrode 7 as viewed from the axial direction of the waveguide. The anode electrode 7 is made of, for example, a metal mesh to allow electrons to pass through. The electrostatic field distribution at the cathode electrode 4 is indicated by shades of color, with darker areas indicating areas where the electric field is concentrated. As comparative examples, Figure 4 shows the electrostatic field distribution at a spherical electrode 41, and Figure 5 shows the electrostatic field distribution at a cylindrical electrode 42. In the spherical electrode 41 of Figure 4, a high electric field is generated only near the center, while in the cylindrical electrode 42 of Figure 5, a high electric field is generated around the curved portion at the end of the central flat portion. On the other hand, in the case of the cathode electrode 4 according to embodiment 1 shown in Figure 3, a high electric field is generated across the entire flat surface of the central portion. That is, by using a shape such as in the first embodiment, which has a flat surface 11 in the center, a first curved surface 12 that continues around the periphery of this flat surface 11, and a second curved surface 13 that continues to the first curved surface 12 and has a smaller radius of curvature than the first curved surface, a region where electrons can be generated from the cathode electrode exists over a wide range, resulting in a significant and unprecedented effect of significantly increasing the current value of the electron beam.
なお、ここでは、平坦面１１の周囲に連なる第一曲面１２と第二曲面１３とを有する形状としたが、平坦面１１の周囲に連なる曲面を、さらに多くの曲率半径の異なる曲面を有する形状としてもよい。例えば、第一曲面１２と第二曲面１３との間に、第一曲面１２の曲率半径よりも小さく第二曲面１３の曲率半径よりも大きい曲率半径の第三曲面を有してもよい。すなわち、平坦面１１の周囲に連なる曲面が、アノード電極７から離れるように曲がる曲面であり、曲率半径が、平坦面１１から離れるにしたがって小さくなる複数の曲面で構成されていてもよい。 In this example, the shape has a first curved surface 12 and a second curved surface 13 that connect to the periphery of the flat surface 11, but the curved surfaces that connect to the periphery of the flat surface 11 may also have a shape that has even more curved surfaces with different radii of curvature. For example, between the first curved surface 12 and the second curved surface 13, there may be a third curved surface whose radius of curvature is smaller than that of the first curved surface 12 and larger than that of the second curved surface 13. In other words, the curved surfaces that connect to the periphery of the flat surface 11 may be curved away from the anode electrode 7, and may be composed of multiple curved surfaces whose radius of curvature decreases with increasing distance from the flat surface 11.
実施の形態２．
導波管８は径の大きさによりマイクロ波を透過させる遮断周波数がある。式（４）で発生するマイクロ波の周波数のうち、発振させたい周波数の下限値を上回るように導波管径を決めないといけない。図１に示すように仮想陰極９は導波管内で発生するので、カソード電極から放出される電子ビームは導波管内に進行しないと、仮想陰極９が形成される条件となる、式（２）を式（１）が超えることが困難になる。式（１）には電流の損失は含まれておらず、損失が増加すれば、式（１）の値は下がり、仮想陰極９の形成が困難になっていく。カソード電極の平坦面の直径が導波管８の径よりも大きいと導波管８の径よりも外側に電子ビームが進行する。図６は、カソード電極４３の平坦面１１１の直径Ｄ２が導波管８の径Ｄよりも大きい場合の電界分布と電界ベクトルを同時に示している。電子ビームが発生する色の最も濃い領域において、電界ベクトルの方向に関して、中央部は導波管方向に向かっているが、平坦面１１１の端は導波管８の外側に向いており、端部から出る電子ビームは導波管８の外側に進行するようになり、その分は電流ロスにつながる。電圧が高い場合にはその経路で絶縁破壊が発生し、電流はその経路にしか流れなく、仮想陰極９の形成が困難になる。一方、図７のようにカソード電極４の平坦面１１の径Ｄ１が導波管８の径Ｄよりも小さいと、色の濃い電界が高い部分は導波管８の方向に電界ベクトルは向いている。すなわち、カソード電極４を、平坦面１１の径Ｄ１が導波管の径Ｄよりも小さい形状にすることで、導波管８にすべて電子ビームが進行し、電子ビームの電流値が大幅に増大するといった従来にない顕著な効果を奏するものである。
Embodiment 2.
The waveguide 8 has a cutoff frequency for transmitting microwaves, which depends on its diameter. The waveguide diameter must be determined so that the microwave frequency generated by Equation (4) exceeds the lower limit of the desired frequency. As shown in Figure 1, the virtual cathode 9 is generated within the waveguide. Therefore, if the electron beam emitted from the cathode electrode does not travel within the waveguide, it becomes difficult for Equation (1) to exceed Equation (2), which is the condition for the virtual cathode 9 to form. Equation (1) does not include current loss. As loss increases, the value of Equation (1) decreases, making it difficult to form the virtual cathode 9. If the diameter of the flat surface of the cathode electrode is larger than the diameter of the waveguide 8, the electron beam will travel outside the diameter of the waveguide 8. Figure 6 simultaneously shows the electric field distribution and electric field vectors when the diameter D2 of the flat surface 111 of the cathode electrode 43 is larger than the diameter D of the waveguide 8. In the darkest region where the electron beam is generated, the electric field vector in the center points toward the waveguide, but the end of the flat surface 111 faces outward from the waveguide 8, causing the electron beam emitted from the end to travel outside the waveguide 8, resulting in current loss. If the voltage is high, insulation breakdown occurs in that path, and current flows only along that path, making it difficult to form a virtual cathode 9. On the other hand, if the diameter D1 of the flat surface 11 of the cathode electrode 4 is smaller than the diameter D of the waveguide 8 as shown in Figure 7, the electric field vector in the dark, high-electric-field region points toward the waveguide 8. In other words, by designing the cathode electrode 4 so that the diameter D1 of the flat surface 11 is smaller than the diameter D of the waveguide, the electron beam travels entirely into the waveguide 8, resulting in a significant, unprecedented effect of significantly increasing the current value of the electron beam.
実施の形態３.
図２に示すように平坦面１１の周囲に連なる曲面は、平坦面１１の周囲に連なる第一曲面１２の曲率半径を大きくし、第一曲面１２に連なる第二曲面１３の曲率半径を小さくすることで、平坦面端部近傍の曲面の部分に発生する電界集中を押さえることが可能となり、面積の大きい平坦面で電子ビームが発生することが可能となる。加えて、図２に示す、陰極の中心軸を含む断面、すなわち平坦面１１の中心含み平坦面１１に垂直な断面において、第一曲面１２の曲率中心Ｏ１から第一曲面１２を見込む見込角θ１を、第二曲面１３の曲率中心Ｏ２から第二曲面１３を見込む見込角θ２よりも小さくすることでカソード電極４の全体径が小さくなり、真空容器の大きさを小さくできるといった従来にない顕著な効果を奏するものである。
Embodiment 3
As shown in Fig. 2, the curved surfaces extending around the flat surface 11 have a large radius of curvature for the first curved surface 12 extending around the flat surface 11 and a small radius of curvature for the second curved surface 13 extending from the first curved surface 12. This makes it possible to suppress electric field concentration in the curved surface portions near the edges of the flat surface, thereby enabling electron beams to be generated over a large-area flat surface. In addition, in a cross section including the central axis of the cathode shown in Fig. 2, i.e., a cross section including the center of flat surface 11 and perpendicular to flat surface 11, the apparent angle θ1 formed by viewing the first curved surface 12 from the center of curvature O1 of the first curved surface 12 is made smaller than the apparent angle θ2 formed by viewing the second curved surface 13 from the center of curvature O2 of the second curved surface 13. This reduces the overall diameter of the cathode electrode 4 and provides a significant, unprecedented effect of enabling the size of the vacuum vessel to be reduced.
実施の形態４．
前述したようにマイクロ波の出力は電子ビームの電流に大きく依存することになる。ここまでの実施の形態では、電子ビームの電流を表す式（１）から、電流値を大きくするために電極面積Skを増加させる技術を記述したが、定数aを増加させても電流を大きくできる。定数aにはさまざまな因子があるが、ひとつの因子として、陰極から電子を引き出しやすさがある。電界放出電子が電流量の主になるため、カソード電極の材料が大きく影響を及ぼす。前述したようにカソード電極の材料が金属ならば仕事関数が小さい金属材料を適用する、また、カソード電極の材料よりも電子が発生しやすい、すなわち電子の放出能が高い電子放出材料を電極表面に設けることが有効である。
Embodiment 4.
As mentioned above, microwave output is highly dependent on the electron beam current. In the embodiments described above, we have described a technique for increasing the electrode area Sk to increase the current value based on equation (1) representing the electron beam current. However, the current can also be increased by increasing the constant a. The constant a is determined by various factors, one of which is the ease with which electrons are extracted from the cathode. Since field-emitted electrons account for the majority of the current, the material of the cathode electrode has a significant impact. As mentioned above, if the cathode electrode is made of a metal, it is effective to use a metal material with a small work function. It is also effective to provide the electrode surface with an electron-emitting material that generates electrons more easily than the cathode electrode material, i.e., has a higher electron-emitting ability.
図８は、実施の形態４による電磁波発生装置のカソード電極の構成を示す断面図である。図８に示すようにカソード電極４の表面上に下地金属よりも電子を放出しやすい電子放出材料１４としてパイル状の織物をカソード電極４の電子が放出される表面の全面、あるいは一部の面につける。図８は全面につけた例を示している。パイルが付いた織物はいわゆるベルベットと称されるものである。パイル材料にはレーヨン、ポリエステルなどの化学繊維を使用することが多い。それ以外に綿、絹などがある。ベルベットは大量の細かい繊維が厚み方向に沿って伸びており、カソード電極４の表面に電子放出材料１４としてのベルベットを設けると繊維が電界方向にも沿う傾向になる。電界を印加すると大量の繊維先端に電界が集中し、電子放出が促されると考えられる。図９にステンレス（ＳＵＳ）を用いたＳＵＳ電極と、そのＳＵＳ電極上にベルベットを設けたベルベット電極との引き出し電流値の比較を示す。あきらかにベルベットを設けた電極のほうが、引き出し電流値が大きくなる。したがって、表面に電子放出材料１４としてベルベットのようなパイルを備えた電極にすることで、電子ビームの電流値が大幅に増大するといった従来にない顕著な効果を奏するものである。 Figure 8 is a cross-sectional view showing the configuration of the cathode electrode of an electromagnetic wave generator according to embodiment 4. As shown in Figure 8, a pile-like fabric is attached to the entire or partial surface of the cathode electrode 4, serving as the electron-emitting material 14, which emits electrons more easily than the underlying metal. Figure 8 shows an example in which the entire surface is covered. Fabrics with pile are commonly referred to as velvet. Pile materials are often synthetic fibers such as rayon and polyester. Other materials include cotton and silk. Velvet has a large number of fine fibers extending in the thickness direction. When velvet is attached to the surface of the cathode electrode 4 as the electron-emitting material 14, the fibers tend to align with the electric field direction. When an electric field is applied, the electric field concentrates at the tips of the numerous fibers, promoting electron emission. Figure 9 shows a comparison of the extraction current values between a stainless steel (SUS) electrode and a velvet electrode with velvet attached to the SUS electrode. The electrode with velvet clearly exhibits a higher extraction current value. Therefore, by creating an electrode with a velvet-like pile on the surface as the electron emission material 14, a remarkable effect not previously seen can be achieved, such as a significant increase in the current value of the electron beam.
実施の形態５．
実施の形態２に記述したようにカソード電極の平坦面の直径が導波管８の径よりも大きいと導波管８の径よりも外側に電子ビームが進行し、その分は電流ロスにつながる。さらに電圧が高い場合にはその経路で絶縁破壊が発生し、電流はその経路にしか流れなくなり、仮想陰極９の形成が困難になるといった事象が発生することがある。一方、図１０のように、電子放出材料１４を設ける領域が、導波管の直径Ｄを直径とする円形領域よりも小さい領域となるよう、カソード電極４の平坦面１１のみに電子放出材料１４としてベルベットを設ければ、電子ビームがすべて導波管８に進行し、電子ビームの電流値が大幅に増大するといった従来にない顕著な効果を奏するものである。
Embodiment 5.
As described in the second embodiment, if the diameter of the flat surface of the cathode electrode is larger than the diameter of the waveguide 8, the electron beam will travel outside the diameter of the waveguide 8, resulting in a corresponding current loss. Furthermore, if the voltage is high, insulation breakdown will occur in that path, and the current will flow only in that path, making it difficult to form the virtual cathode 9. On the other hand, as shown in Figure 10, if velvet is provided as the electron-emitting material 14 only on the flat surface 11 of the cathode electrode 4 so that the area where the electron-emitting material 14 is provided is smaller than the circular area whose diameter is the diameter D of the waveguide, all of the electron beam will travel into the waveguide 8, resulting in a significant and unprecedented effect of significantly increasing the current value of the electron beam.
実施の形態６．
実施の形態５で説明した図１０に示す電極のように下地金属電極単体で最適化したカソード電極に電子放出材料を備え付けただけだと、電子放出材料の端部が角部構造となり電子放出材料の厚み次第では端部に電界が集中する。そのため電子ビームの発生領域が偏る可能性があり、引き出し電流に影響を与える可能性がある。そこで図１１に示すように、下地となるカソード電極４の、電子放出材料としてのベルベット１４を設ける部分に凹部１６を形成する。凹部１６の深さはベルベット厚みと同じにして、凹部１６をベルベット１４で埋めることにより、ベルベット１４の端部がカソード電極表面から飛び出した構造にならないようにする。凹部は、図１０に示す平坦面１１に相当する部分に設けるのが好ましい。このような構造にすることで、電子放出材料としてのベルベット１４の端部に集中する電界を抑制でき、電界をベルベット１４上に均一に発生させることができ、電子ビームがベルベット上均一に発生できるといった、従来にない顕著な効果を奏するものである。
Embodiment 6.
If an electron-emitting material is simply attached to a cathode electrode optimized solely with a base metal electrode, as shown in FIG. 10 in the fifth embodiment, the edge of the electron-emitting material will have a corner structure, and depending on the thickness of the electron-emitting material, the electric field will concentrate at the edge. This may result in a biased electron beam generation area, potentially affecting the extraction current. Therefore, as shown in FIG. 11 , a recess 16 is formed in the portion of the underlying cathode electrode 4 where the velvet 14 serving as the electron-emitting material will be provided. The depth of the recess 16 is set to the same as the thickness of the velvet, and by filling the recess 16 with the velvet 14, the edge of the velvet 14 does not protrude from the surface of the cathode electrode. The recess is preferably located in the area corresponding to the flat surface 11 shown in FIG. 10 . This structure suppresses the electric field concentration at the edge of the velvet 14 serving as the electron-emitting material, allowing the electric field to be generated uniformly on the velvet 14, thereby achieving a remarkable effect not previously achieved.
実施の形態７.
図１から図８、および図１０、図１１はすべて軸対称構造であり、カソード電極４とアノード電極７は中心軸が一致した位置に配置している。カソード電極４とアノード電極７の配置が同軸上でない場合は、平坦面１１とアノード電極７の背後にある導波管開口部との位置がずれ、電子ビームが導波管８に全て入らず、仮想陰極９を形成するための電流にロスが発生し、仮想陰極９が成立することが困難となる。したがって、各実施の形態のようにカソード電極４とアノード電極７は中心軸が一致した位置に配置すれば、導波管８にすべて電子ビームが進行し、電子ビームの電流値が大幅に増大するといった従来にない顕著な効果を奏するものである。
Embodiment 7
1 to 8, 10, and 11 all have axially symmetric structures, with the cathode electrode 4 and the anode electrode 7 positioned so that their central axes coincide. If the cathode electrode 4 and the anode electrode 7 were not positioned coaxially, the flat surface 11 would be misaligned with the waveguide opening behind the anode electrode 7, causing the electron beam to not all enter the waveguide 8, resulting in a loss of current to form the virtual cathode 9 and making it difficult to establish the virtual cathode 9. Therefore, if the cathode electrode 4 and the anode electrode 7 are positioned so that their central axes coincide, as in each embodiment, the electron beam will all travel into the waveguide 8, resulting in a significant increase in the current value of the electron beam, an unprecedented and remarkable effect.
本願には、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。 This application describes various exemplary embodiments and examples, but the various features, aspects, and functions described in one or more embodiments are not limited to the application of a particular embodiment, but may be applied to the embodiments alone or in various combinations. Therefore, countless variations not illustrated are contemplated within the scope of the technology disclosed in this specification. For example, this includes cases where at least one component is modified, added, or omitted, or where at least one component is extracted and combined with components of another embodiment.
以下、本願の諸態様を付記としてまとめて記載する。
（付記１）
カソード電極と、このカソード電極に対向して配置された、電子が透過可能なアノード電極と、このアノード電極の前記カソード電極とは反対側に接続され電磁波を導波する中空の円筒形状の導波管とを備え、前記カソード電極と前記アノード電極との間に高電圧パルスを印加して電子ビームを発生させ、前記導波管の中に電子が集群することにより仮想陰極を形成して電磁波が発生する電磁波発生装置において、
前記カソード電極の表面形状は、中央部に位置し前記アノード電極に対向する平坦面と、この平坦面の周囲に連なり、前記平坦面を取り囲む環状であって前記アノード電極から離れるように曲がる曲面を有する形状であり、前記曲面は、前記平坦面から離れるにしたがって曲率半径が小さくなる複数の曲面で構成される電磁波発生装置。
（付記２）
前記カソード電極は、前記平坦面に平行な断面が円形である付記１に記載の電磁波発生装置。
（付記３）
前記平坦面の直径が、前記導波管の直径よりも小さい付記２に記載の電磁波発生装置。
（付記４）
前記曲面は、前記平坦面の周囲に連なる第一曲面と、この第一曲面に連なる、前記第一曲面の曲率半径よりも小さい曲率半径の第二曲面とを有する付記１から３のいずれかの付記に記載の電磁波発生装置。
（付記５）
前記平坦面の中心を含み前記平坦面に垂直な断面において、前記第一曲面の曲率中心から前記第一曲面を見込む見込角が、前記第二曲面の曲率中心から前記第二曲面を見込む見込角よりも小さい付記４に記載の電磁波発生装置。
（付記６）
前記カソード電極の材料が金属であり、前記カソード電極表面に、前記カソード電極の材料よりも電子の放出能が高い電子放出材料を設けた付記１から５のいずれかの付記に記載の電磁波発生装置。
（付記７）
前記電子放出材料は、レーヨン、ポリエステル、絹、綿のうちの少なくとも一つの繊維材料をパイル状の織物とした材料である付記６に記載の電磁波発生装置。
（付記８）
前記電子放出材料を設ける領域は、前記導波管の直径を直径とする円形領域よりも小さい領域である付記６または７に記載の電磁波発生装置。
（付記９）
金属の前記カソード電極表面に凹部を設け、前記電子放出材料を前記凹部に設けた付記６から８のいずれかの付記に記載の電磁波発生装置。
Various aspects of the present application will be summarized below as appendices.
(Appendix 1)
An electromagnetic wave generating device comprising: a cathode electrode; an anode electrode that is disposed opposite the cathode electrode and through which electrons can pass; and a hollow cylindrical waveguide that is connected to the anode electrode on the side opposite the cathode electrode and that guides electromagnetic waves; wherein a high voltage pulse is applied between the cathode electrode and the anode electrode to generate an electron beam, and the electrons are concentrated in the waveguide to form a virtual cathode, thereby generating electromagnetic waves;
The surface shape of the cathode electrode has a flat surface located in the center facing the anode electrode, and a curved surface that is continuous with the periphery of the flat surface, is annular and surrounds the flat surface, and curves away from the anode electrode, and the curved surface is an electromagnetic wave generating device composed of multiple curved surfaces whose radius of curvature decreases as the curved surface moves away from the flat surface.
(Appendix 2)
2. The electromagnetic wave generating device according to claim 1, wherein the cathode electrode has a circular cross section parallel to the flat surface.
(Appendix 3)
3. The electromagnetic wave generating device according to claim 2, wherein the diameter of the flat surface is smaller than the diameter of the waveguide.
(Appendix 4)
4. The electromagnetic wave generating device according to any one of claims 1 to 3, wherein the curved surface has a first curved surface that is continuous with the periphery of the flat surface, and a second curved surface that is continuous with the first curved surface and has a radius of curvature that is smaller than the radius of curvature of the first curved surface.
(Appendix 5)
5. The electromagnetic wave generating device according to claim 4, wherein in a cross section including the center of the flat surface and perpendicular to the flat surface, the angle of view of the first curved surface from the center of curvature of the first curved surface is smaller than the angle of view of the second curved surface from the center of curvature of the second curved surface.
(Appendix 6)
An electromagnetic wave generating device according to any one of appendices 1 to 5, wherein the material of the cathode electrode is a metal, and an electron emitting material having a higher electron emission ability than the material of the cathode electrode is provided on the surface of the cathode electrode.
(Appendix 7)
7. The electromagnetic wave generating device according to claim 6, wherein the electron emitting material is a pile-like woven material made of at least one fiber material selected from the group consisting of rayon, polyester, silk, and cotton.
(Appendix 8)
8. The electromagnetic wave generating device according to claim 6, wherein the region where the electron emission material is provided is smaller than a circular region having a diameter equal to the diameter of the waveguide.
(Appendix 9)
9. The electromagnetic wave generating device according to any one of claims 6 to 8, wherein a recess is provided on the surface of the metal cathode electrode, and the electron emitting material is provided in the recess.
４ カソード電極、７ アノード電極、８ 導波管、９ 仮想陰極、１１ 平坦面、１２ 第一曲面、１３ 第二曲面、１４ 電子放出材料、１６ 凹部 4 Cathode electrode, 7 Anode electrode, 8 Waveguide, 9 Virtual cathode, 11 Flat surface, 12 First curved surface, 13 Second curved surface, 14 Electron emitting material, 16 Recessed portion
Claims (9)
前記カソード電極の表面形状は、中央部に位置し前記アノード電極に対向する平坦面と、この平坦面の周囲に連なり、前記平坦面を取り囲む環状であって前記アノード電極から離れるように曲がる曲面を有する形状であり、前記曲面は、前記平坦面から離れるにしたがって曲率半径が小さくなる複数の曲面で構成される電磁波発生装置。 An electromagnetic wave generating device comprising: a cathode electrode; an anode electrode that is disposed opposite the cathode electrode and through which electrons can pass; and a hollow cylindrical waveguide that is connected to the anode electrode on the side opposite the cathode electrode and that guides electromagnetic waves; wherein a high voltage pulse is applied between the cathode electrode and the anode electrode to generate an electron beam, and the electrons are concentrated in the waveguide to form a virtual cathode, thereby generating electromagnetic waves;
The surface shape of the cathode electrode has a flat surface located in the center facing the anode electrode, and a curved surface that is continuous with the periphery of the flat surface, is annular and surrounds the flat surface, and curves away from the anode electrode, and the curved surface is an electromagnetic wave generating device composed of multiple curved surfaces whose radius of curvature decreases as the curved surface moves away from the flat surface.
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