JPH0418417B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ ワイヤ陽極と、ガスで満たされており、上記
ワイヤ陽極への正電位の印加による上記ガスのイ
オン化によつてプラズマが作られることができる
イオン化チエンバと、電子銃ギヤツプとイオン化
チエンバ・グリツドによつて上記イオン化チエン
バから分離された陰極とを使用するワイヤ・イオ
ン・プラズマ電子銃に於いて、 上記ギヤツプ中に上記イオン化チエンバ・グリ
ツドに隣接して配置された補助グリツドを含む上
記プラズマを収納する手段と、 ワイヤ陽極電位が中断しプラズマ電位が降下し
た時に、上記イオン化チエンバ・グリツドを通過
するイオンが上記補助グリツドによつて作られた
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、上記補助グリツドを上記イオン化
チエンバ・グリツドの電位よりも十分上にバイア
スする手段と、 を具備し、ワイヤ陽極電位がターン・オフされた
後、上記電子銃ギヤツプ中にイオンが出ることを
妨げるようにしたことを特徴とする改良されたワ
イヤ・イオン・プラズマ電子銃。 ２ 前記補助グリツドは、前記イオン化チエン
バ・グリツドの電位より40V上にバイアスされる
ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のワイ
ヤ・イオン・プラズマ電子銃。 ３ ガスを収容したイオン化チエンバと、 イオン化電位の印加によつて前記ガスをイオン
化する、前記イオン化チエンバ中に配置された陽
極と、 ギヤツプによつて前記イオン化チエンバから分
離された陰極と、 前記陽極と前記陰極の間に高電位を提供するた
めの手段と、 前記イオン化チエンバとギヤツプの間に配置さ
れた第１のグリツド手段と、 前記ギヤツプ中に前記第１のグリツド手段と前
記陰極の間に配置された第２のグリツド手段と、
及び 前記第２のグリツド手段に電位を提供する手段
と、 を具備し、それによつ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のグリツドを通過
するイオンが前記グリツ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ことを特
徴とする電子銃プラズマ源。 ４ 前記第２のグリツドは、前記陽極に対するイ
オン化電位が中断された時、前記プラズマ電位よ
り上にバイアスされることを特徴とする請求の範
囲第３項に記載の電子銃プラズマ源。 ５ 前記第１及び第２のグリツド及び前記第２の
グリツ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エンバ中で減衰する時、イオ
ンが前記ギヤツ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ことを特徴とする
請求の範囲第４項に記載の電子銃プラズマ源。 ６ 前記第１及び第２のグリツドの寸法は、当該
プラズマ源の密度及び電流密度に依存して決定さ
れることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の
電子銃プラズマ源。 ７ 前記第２のグリツド手段に電位を提供するた
めの前記手段は、当該プラズマ源の電流パルス形
を完ぺきにするように適合されていることを特徴
とする請求の範囲第６項に記載の電子銃プラズマ
源。 発明の背景 本発明は、ワイヤ・イオン・プラズマ（WIP）
電子銃として知られたプラズマ源デバイスに関す
る。 WIP電子銃は、該分野では既知であり、ガス
放電レーザを駆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。WIP Ｅ−銃を開示する米国特
許は例えば、Giguere等に発行され、Hughes
Aircraft Companyに譲渡された“Wire Ion
Plasma Gun”と題された米国特許第4025818号
である。さらに、Wakalopulos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3970892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、空気即ちスイツチ・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。WIP Ｅ−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WIP Ｅ−銃の欠点は、電子ビーム電流
パルスの尾の（15μs以上の）遅い立下がり時間で
あつた。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
ツ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
人によつて売られた電子ビーム制御スイツチは、
該スイツチのための制御エレメントであるWIP
Ｅ−銃を使用している。このWIP Ｅ−銃は、持
続期間の10乃至100μsのビーム・パルスをフオロ
ーする約15μs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。 よつて、特に10μs以上の持続期間のパルスのた
めに、WIP Ｅ−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。 本発明のさらなる目的は、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ずるように適合された補助グ
リツドを使用するWIP Ｅ−銃も提供することで
ある。 発明の要約 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、パルスの端でイ
オン化チエンバ内でイオンの貯蔵所を含むための
手段を使用する。好ましい実施例に於いては、こ
れは、イオン化チエンバ・グリツドとＥ−銃陰極
の間の補助グリツドを含む。上記補助グリツド
は、ワイヤ電圧がターン“オフ”し、プラズマ電
位が落ちるや否や、もはやチエンバ・グリツドを
通り抜けるイオンが、該補助グリツドによつて作
られた電位障壁を克服するに足りる運動エネルギ
を持つていないように、イオン化チエンバ・グリ
ツドの電位以上にバイアスされる。よつて、プラ
ズマ減衰として、Ｅ−銃ギヤツプ中にイオンが漏
れることから妨げられ、それによつてイオン化チ
エ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。

【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
付図面に示されたようなそれらの実施例の以下の
詳細な説明からさらに明らかになるだろう。即
ち、添付図面は、 第１図は、電子ビーム制御スイツチに使用され
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
ズマ波形をプロツ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WIP Ｅ−
銃の電子ビーム電流の波形をプロツトするグラフ
である。 第４図は、Child−Langmuir理論を示す、グリ
ツドからの距離の関数としてプラズマ電位をプロ
ツ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
リツ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６図ｃが、本発明
の補助グリツドのない（第６図ｂ）、及び補助グ
リツドを有する（第６図ｃ）、WIP Ｅ−銃の軸
方向の寸法に沿つた電位分布を示しているのに対
して、本発明の概略図を示している。 第７図は、比較的速いターン・オフ性能を実証
する、本発明に従つた補助グリツドを使用する
WIP Ｅ−銃の電流パルス波形を示すグラフでで
ある。

【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−銃）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
であり、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さ
れることができる。従つて、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WIP Ｅ−銃は、
電子ビーム制御スイツチ（EBCS）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・ジヤイラト
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EBSCに於いて、WIP Ｅ−
銃は、以下のように動作する。イオン化チエンバ
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
つてワイヤ陽極１５に印加された（500−2000V
の範囲内の）正電圧パルスは、細いワイヤ陽極１
５の回りにトラツプされた速い電子によつて、
He原子のイオン化を開始させる。例えば、上記
イオン化チエンバ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）電圧によつ
てプラズマが維持される。Heイオンは、イオン
化チエンバ・グリツド（第１のグリツド６０）を
通して上記イオン化チエンバ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つ
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
つて加速される。放射された電子は、150kV Ｅ
−銃ギヤツプ５５によつて加速され、WIP Ｅ−
銃からスイツチ空洞２５を分離する箔２０へ、イ
オン化チエンバを通り抜ける。高速（150keV）
電子は、上記箔を貫通し、上記スイツチ空洞に入
り、スイツチ陰極４０と陽極４５の間の放電電流
の閉鎖又は伝導を切換えさせるスイツチ・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WBCS特性は、スイツチが素早
く、例えば数μs以下でターン“オン”及びターン
“オフ”することである。速いターン“オフ”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以下の減衰特徴を有さね
ばならないと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、15μs以上の長い立下がり時間を持つてい
る。長い立下がり時間は、数μs続くパルスをフオ
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
の適当なグリツドの改良を含む。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−銃ギヤツプ中に引出されるグリツド６
０の表面にChild−Langmuirイオン空間電荷制限
空間電荷層の衰弱によつて生じさせられる。 この現象は、この領域の空間電荷層の詳細を調
べることによつ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ツド
に、問隔△×を越える空間電荷層を横切つて落ち
る。上記空間電荷層△×のサイズは、Child−
Langmuir理論によつて述べられたように、電圧
とイオン電流密度によつて決定される。 但し、Ｋ＝2.73×10（ヘリウム・イオン） 所定の電流密度のために、グリツド開口サイズ
は、上記空間電荷層が第５図ａに示されたように
グリツド６０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、それだからたつた１つ
のイオンがグリツ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ツド孔
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
イオン化チエンバ１０の壁ヘドリフトされるよう
に、グリツド６０の電位よりただ数ボルト上に
（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
の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。 τ＝Ｌ／V_i＝Ｌ／（Te／m_i）^1/2 但し、V_iはイオン音速、Ｌはイオン化チエンバ
１０の長さである。ヘリウム・イオン及びほぼ
1eVのT_eのために、この時間は、典型的に15μs
である。ワイヤ陽極パルスが、1μs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
電位がグリツ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、△×が、第５図ｂに示されたよう
に、個々のグリツ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、従つて長い
15μsビーム電流尾を生ずる。 本発明は、第６図ａの概略図に示されるような
補助グリツド（第２のグリツド６５）の付加を含
む。本発明の第２のグリツド６５なしに、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ｂの実線によつて示されている。ワ
イヤ陽極電圧がターン“オフ”した時、イオン化
チエンバ１０中のプラズマ陽極は、第１のグリツ
ド陽極よりただ数ボルト上に落ちる。第６図ｂの
破線は、イオン化チエンバ・プラズマ電位が第１
のグリツド６０及びＥ−銃ギヤツプ５５に関して
落ちる電位レベルを表わす。イオン化チエンバ・
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加を生ずるＥ−銃ギヤ
ツプ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
ツド６５が第１のグリツド６０よりほぼ＋40V上
にバイアスされる。第１及び第２のグリツド配置
で、ワイヤ陽極電圧が“オン”であり且つプラズ
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
グリツド６０を通過するイオンは、200eVに加速
され、第２のグリツド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の実線によつて示されている。第
２のグリツド６５は、第２のグリツド６５と第１
のグリツド６０の間に40Vの電位障壁を供給す
る。ワイヤ電圧がターン“オフ”された時、イオ
ン化チエンバ１０中のプラズマ電位は、約5Vに
落ちる。第６図ｃの破線は、イオン化チエンバ・
プラズマが第１のグリツド６０、第２のグリツド
６５、及びＥ−銃ギヤツプ５５に関して落ちる電
位レベルを表わしている。イオン化チエンバ・プ
ラズマ電位が落ちた時、第１のグリツド６０を通
過するイオンはもはや、第２のグリツド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
エンバ１０中で減衰する時、イオンはＥ−銃ギヤ
ツプ５５中への漏れから妨げられ、それによつて
イオン化チエ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。 イオン化チエンバの壁に関してバイアスされた
唯一のグリツドよりはむしろ、２つのグリツドの
使用が、バイアスされたグリツドからのいくらか
のフイードバツクの絶縁のための要求によつて必
要とされる。唯一のバイアス・グリツドがワイヤ
陽極電圧のターン“オフ”で陽極として働くだろ
う。陽極として働く唯一のバイアスされたグリツ
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。従つて、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。 補助グリツ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、補助グリツドなしの降下時間が
15μsより長いのに対して、2μsより短い。増され
た降下時間を得るために、補助グリツドを瞬動す
るよりはむしろ、dcバイアスが補助グリツドに
印加されることが好ましい。 イオン化チエンバ・グリツド（第１のグリツド
６０）と補助グリツド（第２のグリツド６５）の
両方は、電流パルス尾の長さを減ずることの所望
の目的を達成するために、適当に寸法される。グ
リツドは、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、グリツド６０と６５の間の0.6
cm間械が選択された。グリツド・ワイヤ間の間隔
のために、0.03cmがイオン化チエンバ・グリツド
のために選択され、0.1cmが補助グリツドのため
に選択された。EBCSで使用されたイオン化チエ
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、補助グリツド電圧は０から＋150V
まで実験的に変えられ、最適の電流尾シエープの
ためのセツテイングは＋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
ツ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、
本発明の或る面は、尾を生ずるイオンの源がイオ
ン化チエンバ中のイオンの貯蔵所であると認める
ことである。本発明に従つて成し遂げられる目的
は、プラズマが減衰するまで、補助グリツドを用
いたパルスの終わりにチエ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、当業者によつてこれらの原理に従
つて容易に工夫されることができる。