JPS6021462B2 - 交差電磁界放電装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、固定磁界の存在において反復的に動作でき
る冷陰極格子制御交差電磁界スイッチに４関する。

冷陰極放電装置は、ここに記載された状況においては増
幅器としての用途を有しているが、この装置は高周波パ
ルス化配電装置または配電ネットワークでの開閉スイッ
チとして本釆使用される。

交差電磁界スイッチの改良についての関連特許としては
「 米国特許Ｍ．３６級０６１、３Ｍ１交ね、３６０４
９７７、３５５８９６０、３６７８２８９、３７６９５
３７、及び夕 ３７４９９７８がある。この一連の特許
に於いて、米国特許船．３６斑０６１は、気体損失によ
りＯＦＦスイッチングしない適切な時間で導通させる。

米国特許Ｍ．３６４１紙４は、電極が非導通に於いて０
商いホールドオフ電圧を達成するように直列に接続され
、且つ導通したときの高い電流容量を得る為に並列に接
続される新規な電極構造を開示している。

米国特許船．３６０４９７７は、２個の電極の交差電磁
タ界スイッチに於いて導通可能となる臨界値を越えた磁
界強度を有する固定磁界（時間的に不変の磁場を持つ磁
界であって静磁界に相当するが「以下、この語旬を当該
明細書中において統一して用いる）を用いている。

１個の電極はバツキング磁０界を発生させ、磁界強度を
ＯＦＦスイッチングの臨界値以下に減少する為に用いら
れる。

米国特許Ｎｏ．３５５８９６０は、導通を制御する為に
交差電磁界スイッチのガス圧を維持する装置を開示して
いる。

タ 米国特許Ｍ．３６７８２８９は、磁界をスイッチが
非導通となる磁界強度となるまで一時的に減じることに
より、交差電磁界スイッチをＯＦＦスイッチングする装
置を開示している。

米国特許Ｎｏ．３７６９５３７は、穿孔電極を有し、且
つホールドオフ電圧の減少を最小にするか又は回避する
磁界が無い場合での電子の最大行路長を制限できるよう
に穿孔に近接したバアフルを有する２電極型交差電磁界
スイッチを開示している。

米国特許Ｎｏ．３７４９９７８は、所望期間において臨
界値以下に磁界を維持するように、ＯＦＦスイッチング
パルスコイルに結合される連続放電コンデンサの使用に
ついて開示している。米国特許船．ＲＥ２７５５７は、
回路抵抗を増す為に交差電磁界スイッチを開閉させる回
路を開示している。

上記米国特許は交差電磁界スイッチの動作、構造の詳細
、パラメータ及び２電極型交差電磁界スイッチのスイッ
チング制御を説明する技術背景となつている。

米国特許岬．４０３４２６０は、３電極型交差電磁界ス
イッチを扱っている点で、より興味深い。

この装置によると、格子と称される制御電極はパルスが
入力され管を導適状態に電子的に切換える。適切なトリ
ガと篤通の為に、格子・陰極ギャップ及び陽極・格子ギ
ャップの両方に磁界が存在することが必要である。ＯＦ
Ｆスイッチングは磁界を抑制又は遮断することにより達
成される。この装置によると、磁界は固定しなくともよ
いが、反復的なＯＮとＯＦＦスイッチング動作を行なう
為に周期的Ｊに発生させなければならない。これと似た
ものに従来の真空管やサィラトロンがある。

しかし、これらは袷陰極というよりはむしろ熱陰極を有
したスイッチング装置である。熱陰極は熱の存在に於い
て電子を放つ感熱コーティングを有している。それ故に
、電子を熱放出させるにはヒータを用いなければならず
、熱処理等の欠点がある。本発明は上記の点を鑑みてな
されものであって、その目的は、パルス化磁界を必要と
せず、高速でスイッチング動作をおこなうことができる
袷陰極格子制御の交差電磁界放電装置を提供するにある
。

本発明の他の目的は、パルス化磁界を必要とせず、高速
でかつ良好に制御改善されたスイッチング動作をおこな
うことができる冷陰極格子制御の交差電磁界放電装置を
提供するにある。

本発明の放電装置によれば、陰極及び陽極間にソース格
子が設けられた３電極構造を有し、ソース格子は励起さ
れ充電キャリアソースとして機能するとき、陰極及び格
子間ギャップ内に交差電磁界放電プラズマが最初に存在
するような固定磁界を有する。

ソース格子は、格子駆動電流から高利得を提供する程度
により電荷キャリア、電子、あるいはイオンを透過させ
るような、穿孔板や巻線構造体や他のオープン金属綱、
又は榛構造体となっている。この装置は、有限界までの
格子電流の機能として陽極電流のリニア制御を許容する
。陰極，陽極，ソース格子の３電極構造をもつ放電装置
は、短時間高圧で、プログラムされた様式にて大電流を
スイッチングし又は増幅するような、改善された交差電
磁界スイッチとして応用でき、これは冷陰極装置などの
熱的ヒー外ま必要とされない。このスイッチはウオーム
アップ時間ないこ動作開始ができる。反復性動作する為
のパルス化磁界は不要となる等の効果が得られる。当該
３電極型放電装置のスイッチング特性は「 ソース電流
を調整するかまたは制御格子、遮蔽格子を上記ソース格
子を含む電極構成に付加することによって、パルス長「
形状、電流、反復率等を更に効果的に制御することがで
きる。本発明の他の交差電磁界放電装置によれば、上記
３電極に加えて、陽極及びソース格子間に、スイッチン
グ動作制御の改善のための制御格子が更に設けられ、こ
れにより該放電装置は４電極構造を有する。

この制御格子は、上記放電装置の完全導通化に充分な電
荷を陽極回路に与えるのに必要な電流レベルにプラズマ
が上昇するまでの期間に負電圧が印加され、その後導通
を開始するために正電圧が印加される。従って、上述し
た熱的ヒータの不要、動作開始の短縮、パルス化磁界の
不要という効果が達成できるばかりでなく「更に、当該
放電装置でのスイッチング動作制御を一層効果的に改善
するこてができるという付加的な効果が得られる。本発
明を記述するのに、従来技術と対比すると、より理解が
容易になる。

２電極型交差電磁界スイッチは上述した米国特許に参照
されてあり、その概要や構造についての説明がなされて
いる。

以下、この発明の一実施例を従来技術と対比させながら
図面を参照して説明する。第１図は、従来型の交差電磁
界放電管又はスイッチの同中心円状の陽極電極Ａと陰極
電極Ｋを概０略的に示す。

・これらの電極は円筒形の外形を有している。一般的に
これらの電極は、内部電極の空間（スペース）又は間隙
（ギャップ）を充満する低圧力ガス中に封止されている
。この放電管は軸方向の磁界を印加することにより導適
するようにタ構成されており、その磁界は電極ギャップ
内にＢで示され、対面電極面に平行になっている。この
磁界は、電極ギャップを横断するように延在する放射状
電界Ｅと結合しており、一般によく知られている交差電
磁界放電の形態をとる。０ 導適状態は第２図に示され
ており、同図は横座標の磁界強度Ｂに対して、縦座標の
陽極陰極電圧Ｖをプロットしている曲線である。

例えば陽極陰極電圧Ｖ，に於いて、強度Ｂｏの磁界の印
加により管は導適する。更に高い陽極陰極電圧について
は、更に強い磁界強度が必要である。米国特許肺．４０
３４２６０で述べたように、高強度パルス磁界の使用は
タイムディレイ「一点火時の有効ジッタ、及び電極での
磁界誘起電流損失を生じさせるので改良が必要である。

高出力磁界パルスは、またスイッチのコストを上げる結
果となる。米国特許Ｎｏ．４０３４２６０の発明は、低
強度の磁界の存在時のＯＮスイッチングを達成すること
により性能を改善し「それは１０乃至１００キロボルト
の範囲の陽極陰極電圧に於いてＯＮとなるような交差電
磁界スイッチを必要とし、また０。０１乃至１００ガウ
スのオーダーの比較的低い強度の磁界を必要とする。

米国特許船．４０３４２６０での改良は「陰極Ｋに近接
した制御電極又は格子Ｇ（第３図参照）を追加し「格子
にパルス入力することによって静電的にＯＮスイッチン
グするようにしたことを含んでいる。

適切なトリガと導通の為に格子。陰極ギャップと陽極・
格子ギャップとの両方に磁界を必要とする。ＯＦＦスイ
ッチングは、磁界をパルス的にＯＦＦすることによって
行なわれる。反復性の交差電磁界スイッチ操作は磁界を
パルス化することを必要とする。以下に述べるようにこ
の発明は「電子流を発生させる為バイアスする電極を用
も、ち電荷キャリアたるイオンがトソースプラズマを陽
極電位に設定し維持することにより発生されることが理
解されよう。

この場合へイオンは陰極に流れ、陰極電位への電流路を
形成する。一方「電子（ェレクト。ン）‐は「プラズマ
中に突出するが「電流路形成の一助とはならない。従っ
て「イオンは電荷キャリアとして機能することになり、
電子は交差電磁界スイッチの内部動作に寄与する電荷キ
ャリアとは見なされない。この発明は〜反復性操作を行
なう為に磁界をパルス化させる必要のない構造構成と操
作様式とを具備することによって性能を改善している。

陽極電圧が磁界をＯＦＦさせる事なく再印加できるので
、上記のことはスイッチングの反復性速度を速くする点
において重要な利点となる。更に「装置をＯＮ状態に切
換える為に必要な時間は「磁界フリーギャップ間を電荷
が静電的に放電することにより減じられる。これは、サ
ブマィクロ秒のパルスで作動することが重要である。基
体スイッチング動作をおこなうための陰極，陽極，ソー
ス格子で成る３電極型構造に加えて、スイッチング特性
をより改善するために制御格子が付加された４電極構造
を有する交差電磁界スイッチは、第４図に示されている
。

交差電磁界スイッチＳは４つの略同軸の円筒形電極で構
成され、内部陽極Ａと、ソース格子Ｇｓと「制御電極則
ち格子Ｇｃ及び外部陰極Ｋとを含んでいる。適当な圧力
のガスは全ての電極ギャップあるいは内部電極スペース
を充満している。米国特許地．４０３４２６０に示すよ
うに、／電極構造はガスで充満されたタンク又は密閉容
器に収納されている。また第亀図に示すように、陰極Ｋ
は密閉容器として使用これ、この場合、バルブＶを通っ
たガスにより充満される。約５０ミリトルのヘリウムは
低圧グロー「交差電磁界放電に対して適切なガス雰囲気
を形成することが知られている。

絶縁体軍と２及び２ａは、図示された同軸配置において
〜陽極Ａと格子Ｇｓ，Ｇｃとを夫々支持する。ソース格
子。陰極間ギャップ内で電極面に対して実質的に平行な
鞠方向成分を有する磁界Ｆを発生する磁界発生部は、永
久磁石アレイＭ（第４図中左側に図示）又はコイルアレ
イＣ（同図中右側に図示）により構成される。永久磁石
アレイＭが上誌放電装置に採用される場合「該永久磁石
アレイＭも例えば図示のように一対の磁石はｔ陰極Ｋの
外方を園緩するように配置される。一方の磁石は陰極外
面側でＮ極を有し「他方の磁石は陰極外面側でＳ極を有
している。該永久磁石アレイＭは、陽極Ａの直径方向に
ついて対称となるように同軸に配置されている。このよ
うな構成により「磁界先端部がソース格子ら陰極間ギャ
ップ中に延在するような磁界を形成する。上記永久磁石
アレイＭの代替として、コイルアレイＣが用いられる場
合「該コイルアレイＣも同様に陰極Ｋの外方を園績し、
陽極の直径方向について対称となるように同軸に配置さ
れている。このようなコイルアレイＣによりその先端部
がソース格子Ｇ陰極間ギャップ中に延在するような磁界
を得ることができる。リード３，４は、陽極Ａと陰極Ｋ
とに夫々電気的に結合されており「格子ＧＳ及びＧｃへ
の電気的結合はリード５；６によってなされる。図示さ
れた本発明の実施例に於いては、磁界Ｆが理想的には、
図示されているようにソース格子・陰極ギャップだけに
延び、しかも残りのギャップは全く入り込まないかまた
は入り込んでも若干であるように磁界発生アレイが形成
される。従って、磁界が両電極を通ることを必要とする
米国タ特許地．４０３４２６０のスイッチとは違って、
ここでの磁界Ｆは、陽極・制御格子ギャップでのプラズ
マをト低陽極電圧によっても維持できる程度であり、決
して強度の大きいものではない。このことは、陽極電圧
がソース格子・陰極ギャップでの磁Ｚ界を遮断しないで
再印放させることを意味している。固定磁界しか必要と
されないので、パルス化磁界は削除される。陽極導通は
、プラズマを格子・陰極ギャップから陽極・格子ギャッ
プへの貫通させることによりＺ誘発されるような交差電
磁界放電に基づいてなされたものではない。

それよりもむしろ、ソース格子・陰極ギャップのプラズ
マは、格子ＧＳ及びＧｃによって制御される電子（ある
いはイオン）の効果的な発生源となる。該プラズマは、
陽極・ソー２ス格子・陰極間の各ギャップを横断でき以
つて、スイッチ導通に必要な処理をおこなう粒子源とし
て機能するが、それは、陽極及び陰極間に延在するよう
なプラズマ放電ではなく、ソース格子を物理的に貫通す
るものではない。 ２第４図に示されてい
るように、同筒状の格子Ｇｓ及びＧｃには格子駆動電流
に対して高利得を与える程度に電子を通過させる孔が形
成されている。尚、陽極電流は制御格子で、真空管と同
じように有限点までリニア的に制御できる。
３次に、制御格子の聡極側において電子が十分に多く
蓄積すると、どのようにしてイオンが制御格子を貫通し
プラズマを形成するかについて述べる。大軍子流の場合
、導通は、空間荷重が制限された状態となる。陽極・制
御格子ギャップでの竜３子の蓄積は、プラズマ中に浸さ
れている制御格子を介して、中性イオンを引き込む。多
数のィンンは、制御格子を貫通し、以つて、制御格子の
陰極側にプラズマを形成する。制御格子がプラズマで囲
まれたとき、該制御格子は実質的に非動作状態４となり
、格子制御は失われる。陽極と制御格子への電流供給が
停止されると、電流源によるサポートは断たれるから、
プラズマは消失する。プラズマが消失すると、陰極に衝
突して電子を生成させるためのイオンの発生源も存在し
なくなる。これにより、スイッチは初期の非導適状態に
戻る。この動作サイクルを通じて、磁界は調整されてい
ない。まずスイッチの陽極陰極端子に電圧を印加すると
固定磁界がソース格子・陰極ギャップに存在していると
きにソース格子によって得られ、ソース格子・陰極のプ
ラズマ源から制御格子・ソース格子ギャップに電子を移
動させる静電界制御によって導通が達成される。放電装
置でのスイッチング動作サイクルは、陰極，陽極，ソー
ス格子で成る上記３電極構成により、実現されることが
できる。

従って、制御格子は導通に対しては重要ではなく、それ
を陽極電位に保つことによって電子流は制御格子に直接
入り‐込み、プラズマが形成れると直ちにスイッチの導
通を開始させる。即ち、交差電磁界スイッチの基本的ス
イッチング動作は、陰極，陽極，ソース格子の３電極型
構成により構成され得る。制御格子の追加は、あくまで
も、放電装置の導通開始または終了のより効果的な制御
、即ち、放電装置のスイッチング動作に係る制御をより
効果的に改善するためのものである。この動作形態は、
（０．１マイクロ秒のオーダーの）一定時間を要し、そ
して、回路応答時間が短い場合、電流の増加がスイッチ
によって制限される−ことになる。

ソースプラズマの発生中制御格子を負に保持することに
より、全回路電流を支持するのに充分なプラズマが発生
するまで、導通の開始が延遅される。このとき、制御格
子は正にパルス制御され、さらに速いか若しくはプログ
ラムされた速さ、又はその両方を含む速さで陽極導通を
開始させる。必要な磁界強度は、第４図のＭに示される
ようにフィールドコイルの代用とされる永久磁石の範囲
にある。この交差電磁界スイッチは、ソースプラズマ電
流を調整して電子またはプラズマ放射量を変化させるこ
とにより「 または「真空管や気体放電管技術での教示
に従って補助格子（例えばサプレツサやスクリーン等）
を追加的に設けることにより、制御されることになる。
プラズマのためのソース電流を調整することにより、プ
ラズマから陰極に向ったイオン放射量が決定される。ソ
ース電流が減少するとイオン流もそれに従って減少し、
陰極からの電子放射量も減少する。従って、電子及びプ
ラズマ放射量は、ソース電流に応じて変化することにな
る。以下に述べる解析は、この発明をより理解するのに
役立つ。解析冷陰樋プラズマソースによる陽極頬流制御
｛１’序文 円筒状で対称的な３電極構造の半断面を大略的に示した
第６図の交差電磁界スイッチについて説明する。

第６図は、理論的な電子の軌跡をモデル的に示すダイヤ
グラムであってト図中、陽極と陰極は実線で示されもソ
ース格子Ｇｓは破線で、夫々モデル的に示されている。
半円弧状の軌跡はＬ電子の理想的な軌跡を示しており、
これによれば、陰極から放出された電子がトソース格子
及び陰極間に形成されているプラズマへ進入した後「再
び陰極表面に戻ることがわかる。（これは、同時にフラ
ットプレート機造としてみなされる）陽極電圧を設定し
、定常状態に配遣された磁界を用い「そしてソース格子
電位を上げることによって〜交差電磁界放電は「外側の
陰極Ｋとソース格子電極Ｇｓ間のスペース内で開始され
る。

格子Ｇｓは孔が設けられており「発生した電子に対して
効果的な透過性を与える。発生電子に対する外子ＧＳの
透過率はＳによって表わされ、該透過率Ｓは１又はこれ
以上の値を有する。プラズマが一度形成されると、電子
量は陽極によってトラップされる。この電流値は透過率
Ｓの強関数である。透過率Ｓを充分に大きくすると「陽
極電流は格子電流を必要としないで流れる。この変化点
を越えると〜陽極電流は格子が接地された後でも自己通
流する。高電子流密度では、放電は空間的に電荷制限さ
れ、イオンは格子。

陰極ギャップのソースプラズマから陽極格子スペース又
はギャップに引き出される。このことはプラズマ電位を
陽極に至るまで、中性電荷密度を安定させる。この状態
に平衡させるまでに要する時間は〜イオン通過時間（ｉ
ｏｎｔｒａｎｓ軍とｔｉｍｅ）によって決定される。そ
れ故に超高速度スイッチング動作は、３電極素子則ち、
陰極，陽極，ソース格子を用いた空間電荷制限以下で最
良に得られる。（２｝ ソースプラズマに於ける詳細な
電流バランシング陽極電流ｌａに基づくソース格子電流
聾ｇの算出には〜包含された重要な過程を考慮する必要
がある。

ここでは定常状態が考慮されている。第５図には、イオ
ン衝撃によって陰極から放射された１個の活性化二次電
子の軌跡が示されており、この電子は中性気体分子と衝
突して新しい電荷を生み出す。等密度とし、電荷を定常
状態として保つ為に、活性化された平均露子はその生存
中にそれ自身を正確に再生産する。陰極とソース格子間
に形成されたプラズマは実際には陰極表面に直接に接触
していないから、第６図に示されるように、プラズマと
電極との間には、薄い空間領域，即ち電極表面付近でプ
ラズマが存在していない領域が存在しており「以下「
これを“薄い陰極鎧菱”と称する。第６図では、この薄
い陰極鎧装を、参照符号“７”でモデル的に表わしてい
る。電子が一昼、該陰極鎧袋を通過しェネルギｃ＆を受
けると〜陰極Ｋに再び戻ってトラップされることはおこ
り得ない。これは、磁界が「一般に軌道を陰極からドリ
フトさせる小さな通常の成分を有しているからであり、
また「いくつかのヱネルギが常にプラズマを通過中に失
なわれてしまうからである。従ってそれは鎖装の陽極側
磁界中で曲げられることにより、且つ他の電極側で反発
する陰極降下電位で反射することによってトラツプされ
る。第５図を参照すると、電子が電離時に発生する衝突
によってヱネルギを失うこともある。全体の電離衝突の
数（Ｎ）は、各衝突がｅＶｉ（但しＶｉは平均イオン化
電圧）を放出するものと仮定することによって得られる
。即ち「電子は最初にヱネルギｃ傘を得ており、各電離
衝突毎にｅＶｉで表わされるェネルギを放出すると見な
されるから「電離衝突の全数（Ｎ）は初期ヱネルギｅめ
をｅＶｉで除算することにより得られる訳である。初期
の電子ヱネルギｅぐの一部は、放射衝突あるいは壁面で
の相互作用（格子や陽極での捕獲）等の非電離衝突によ
っても失なわれる。従って「 この種の非電離衝突をＥ
／２とおくと・上記電離衝突数（Ｎ）はトＮ＝号者
岬｛１｝ として表わされる。

上式｛１｝に於いて「“Ｅ”は実験的又は経済的に決め
られる変数であって、１又はこれ以下（Ｅ２１）となる
ように決められる。これらの衝突は等価数のイオン電子
対（ここでは最初のイオン化のみを仮定する）が生成さ
れる。イオンは、トラップされる場合陰極とソース格子
の両方へドリフトする。電子は一部１−Ｓ捕獲される場
合格子の方へドリフトし「そして、大部分（Ｓ）は格子
・陽極ギャップの高磁界領域を貫通し、その後陽極によ
って捕獲される。第５図は、当該スイッチ内部での種々
の電荷粒子の流れを総括的にかつ概略的に示したダイヤ
グラムであった、以下に示される数学的解析に基づいた
粒子流の軌道に表わしている。図中、“一周期”という
表現は、該放電スイッチの導通に際して、１個のＺ自由
電子が生成し、これにより考えられ得る粒子流パターン
が発生するまでの期間を意味しており、この間中に、電
子がプラズマから逃れるとともに、イオンが陰極に衝突
して別の電子を生成することになる。“一周期”という
表現を用いたのＺは、種々の粒子流及び軌道に対する数
学的処理が、電荷の不滅性及びプラズマの中性化によっ
て、反復的に繰り返されるという特性を明示するためで
ある。プラズマの電荷中性を保持する為に、陰極での正
味電流密度は格子近くの電流密度に等しくなればならな
い。つまり、Ｊｉｋ＋ＪｅｋニＪ槌一Ｊｉｇ
……■二次放射係数（ｙ）は一般に以下の関係によ
って定義され、ＪｅｋニｙＪｉｋ
……｛３，イオン化衝突過程によって初期の中性原子
の速度が著しく変わるだけではなく、結果として生ずる
イオンはランダムに分布し、電位が均一のときには陰極
と格子の両方に向って等しい数で移動する。

これらの電極での中性化の確率は、接近角度並びにェネ
ルギ及び他の幾何学的要因に依存し、特に一部は通過し
、一部は陽極から電界によって反射される場合に格子に
おいて中性化が可能となる。これら全ての要因は、以下
のように量（Ｑ）を定義することによって考慮される。
ｉ器１＝帯 ‐‐‐‐‐‐【４｝ 但し、Ｑは−１から１の範囲で変化する。

通常Ｊｉｇは小量の電位変化量及び格子スペースからの
反射の為、Ｕｉｋよりも若干小さくなる。

従ってＱは僅かであるが正の値をとる。式２，３及び４
より以下の式が導かれる。

Ｊｅｇニ２十ｙ（１十Ｑ）Ｊｉｇ ‘３｝利得 利得は、陽極電流と格子電流との関数として定義される
。

表面エリアをＡとすると、陰極，陽極及び格子電流は以
下のように定義される。ＩＫ＝ＪｅｇＡ−ＪｉｇＡニＪ
ｅｇＡ〔１一三法韓Ｑ）〕１＝ＳＪｅｇＡ また、 ＩＧ十・＾＝ＩＫ 従って、 ・Ｋ＝書〔・−２十（三幹Ｑ）〕 ・Ｇ＝誓〔・−２十（技昇≧Ｑ）〕−・Ａ（１‐Ｑ） ＝書〔（１−Ｓ）−２十ｙ（１十Ｑ） 最終的に装置の利得は、以下の比率によって求められる
。

あるいは −１ 一Ｓ。

／Ｓ−１但し Ｓ。

＝１−（１−Ｑ）２十ｙ（１十Ｑ）≦・ 従って、利得は１より小さい格子トランスミッション係
数により１個の極を有する。

このことは任意の陽極大軍流が格子小電流によって発生
されることを意味している。透過率Ｓが臨界値よりも大
きい場合、利得は負となる。

陽極電流は逆流し得ないので、格子電流が逆流する。電
流が陽極から流れ、格子と陰極から外側へ流出する現象
は、ホロー陰極放電に類似している。これは定常状態で
の陽極大電流にて見られる一般的な現象である。格子電
流が止まると、格子電位は格子へのイオン電流が減少す
るまで増加し、電子トラッブは高められ、放電電流は調
整される。■ プラズマ電位 衝突の数は、以下によって与えられる。

Ｊ＄＝（Ｎ＋１）Ｊｅｋ あるいは、 Ｎ＝−ヱ− ｙ（１十Ｑ） プラズマ電位秋ま式‘１’によりＮを用いて求められる
。

里２‐ ２ ２Ｖｉ−ｙ（１十Ｑ） ４Ｖｉ ？＝耳市庁前 上記のように、格子イオン鰭流が供Ｖ給されたとき透過
率Ｓは増加する。

これは順次プラズマ電位を減じ、その理由は陰極のイオ
ン衝撃がこの時点で放電で得られたイオンを有効に使用
するからである。（５’ 空間電荷制限 格子電流の応用は陽極方向の電子流の結果に見られる。

この電子流は空間電荷効果によって調整される。電流制
限された空間は既知の如く以下によって与えられる。Ｊ
的＝２．３３ｘｌｏ‐６Ｗ−少）３／２（ＭＫＳ単位）
ｄ２ここで、ｄは格子・陽極間ギャップである。

これが電子流ＳＪｅｇによって超過すると、過負電荷が
生じ格子を通ってリークするイオンによって順次に中和
される。この動的プロセスに依存して、プラズマ電位は
一時的に正にパルス化される。プラズマが任意の大電流
を供給し、相対的に陽極電圧を低い保持電圧以下に維持
し、ギャップをうめるような場合に於いても同様である
。従って、陽極電流がプラズマソースとして交差電磁界
放電を使用する冷陰極装置に於いて制御されることは明
白である。格子から陽極への電流利・得は、格子の電子
透過と格子・陰極の効果的なイオン反射係数に依存する
。この利得は有限の透過値に於いて有効性をもつている
。これを超えると格子制御は失なわれる。
４更に格子制御を連続的に行なう為には、そ
の陽極電流は電子流の空間電荷の制限によって決定され
た陽極電流よりも小さいか、あるいはイオン移動時間よ
りも短い時間内のいずれかの条件となつてし、なければ
ならない。しかしこの条件は「広い表面エリアを有する
冷陰極装贋に於いては問題ではなく、またクロージング
スイツチの応用に対しても全く重要性はない。タ こ
の発明は円筒状電極を用いた構造との関係で述べられた
が、必要な表面エリアが用意されている限り、亀極の形
状はさほど重要ではない。

この観劇こ於いて、平板状電極も考えられる。上記実施
例の動作解析に関する説明では、袷陰極，陽０極，ソー
ス格子の３電極を用いてスイッチングをおこなう実施可
能な交差電磁界放電装置が示された。該装置によれば、
陰極及びソース格子間ギャップ内だけに初期的に存在す
る固定磁界を用いており、ソース格子の静電界により制
御される。該タ放電装置におけるそれ以上の動作制御に
ついては、４電極構造により実現されることになる。即
ち、制御格子を含む４電極構造では、放電装置の導通関
婚を充分なプラズマが形成されるまで遅延させる等の、
スイッチング動作に関して、より効ひ果的な制御を可能
化することができる。またこの交差電磁界放電装置は、
陽極電流でのソースプラズマを維持する電極バイアスを
印加して動作し、この場合は電子よりもむしろイオンが
用いられる。夕 さらにソースプラズマは陽極と陰極電
位の上下間での電位にて維持される。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術での円筒形２電極型交差電磁界スイッ
チを棺塊略的に示す図、第２図は交差電磁０界スイッチ
の導適状態を示す特性曲線図、第３図は従来技術での特
に米国特許Ｎｏ．４０３４２６０に基づく円筒形３電極
型交差電磁界スイッチの概略図、第４図はこの発明の実
施例に従った交差電磁界スイッチの縦断面図、第５図は
この交差電磁界スイッチの陽極，格子及び陰極間での電
子とイオンの移動状態を示す図、そして第６図はこの交
差電磁界スイッチの電極雰囲気中の陰極に於いて電子が
トラップされ移動する状態を示す図である。 Ａ・・・陽極、Ｋ・・・陰極、Ｅ・・・電界、Ｂ・・・
磁界、Ｇ…格子、Ｍ…永久磁石アレイ、Ｃ…コイルアレ
イ、Ｇ。 ・・・制御格子、ＧＳ・・・ソース格子、Ｖ・・・バル
ブ、１，２，２ａ・・・絶縁体、３，４，５，６・・・
リード。Ｆｉｇ．１ Ｆｉｇ．２ Ｆｉｇ．３ Ｆｉｑ．４ Ｆ；９．５ Ｆｉｑ．６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内部が実質的に密閉された円筒形状の陰極電極と、
   前記陰極電極内に同軸に設けられ電子通過可能な開口部
   を有する円筒形状のソース格子と、前記ソース格子内に
   同軸に設けられる円筒形状の陽極電極と、前記陰極電極
   、前記ソース格子及び前記陽極電極が互いに絶縁されか
   つ前記ソース格子が前記陰極電極側に近接し前記陰極電
   極内部に２個の内部電極ギヤツプを形成するように前記
   陰極電極、前記ソース格子及び前記陽極電極を支持する
   電気絶縁手段と、前記内部電極ギヤツプにガスが所定圧
   で充満するように前記陰極電極にガスを供給するバルブ
   手段と、前記陽極及び陰極電極に電気回路を接続し前記
   両電極ギヤツプ間に延在する電界を形成する電界発生手
   段と、前記陰極電極外方を囲続するように設置され前記
   ソース格子と前記陰極電極との間の一方の内部電極ギヤ
   ツプを貫通する磁界成分を有するが他方の内部電極ギヤ
   ツプについては機能的に重要な貫通を与えない磁界を発
   生し、以つて前記一方の内部電極ギヤツプのガス雰囲気
   中に形成された電界と相互作用して電子及びイオン電荷
   の発生源たるプラズマを形成する磁界発生手段と、前記
   ソース格子に接続され、電荷キヤリアを発生させ該電荷
   キヤリアを前記プラズマから前記陽極電極へ移動させ以
   つて導通を開始させるための静電界を形成するように前
   記ソース格子に電圧を印加するリード手段とを具備する
   交差電磁界放電装置。 ２ 前記磁界発生手段は、前記ソース格子及び前記陰極
   電極間の前記一方の内部電極ギヤツプ内を延在しかつ前
   記陰極電極及び前記ソース格子の電極面と実質的に平行
   な軸方向磁界成分を有する磁界を発生するコイルアレイ
   を含んで構成される特許請求の範囲第１項記載の交差電
   磁界放電装置。 ３ 前記磁界発生手段は、前記ソース格子及び前記陰極
   電極間の前記一方の内部電極ギヤツプ内を延在しかつ前
   記陰極電極及び前記ソース格子の電極面と実質的に平行
   な軸方向磁界成分を有する磁界を発生する永久磁石アレ
   イを含んで構成される特許請求の範囲第１項記載の交差
   電磁界放電装置。 ４ 内部が実質的に密閉された円筒形状の陰極電極と、
   前記陰極電極内に同軸に設けられ電子通過可能な開口部
   を有する円筒形状のソース格子と、前記ソース格子内に
   同軸に設けられる円筒形状の陽極電極と、前記陰極電極
   、前記ソース格子及び前記陽極電極が互いに絶縁されか
   つ前記ソース格子が前記陰極電極側に近接し前記陰極電
   極内部に２個の内部電極ギヤツプを形成するように前記
   陰極電極、前記ソース格子及び前記陽極電極を支持する
   電気絶縁手段と、前記内部電極ギヤツプにガスが所定圧
   で充満するように前記陰極電極にガスを供給するバルブ
   手段と、前記陽極及び陰極電極に電気回路を接続し前記
   両電極ギヤツプ間に延在する電界を形成する電界発生手
   段と、前記陰極電極外方を囲繞するように設置され前記
   ソース格子と前記陰極電極との間の一方の内部電極ギヤ
   ツプを貫通する磁界成分を有するが他方の内部電極ギヤ
   ツプについては機能的に重要な貫通を与えない磁界を発
   生し、以つて前記一方の内部電極ギヤツプのガス雰囲気
   中に形成された電界と相互作用して電子及びイオン電荷
   の発生源たるプラズマを形成する磁界発生手段と、前記
   ソース格子に接続させ、電荷キヤリアを発生させ該電荷
   キヤリアを前記プラズマから前記陽極電極へ移動させ以
   つて導通を開始させるための静電界を形成するように前
   記ソース格子に電圧を印加するリード手段と、前記陰極
   電極内の前記ソース格子及び前記陽極電極間に同軸に配
   置され、完全導通化に十分な電荷を陽極回路に与えるに
   必要な電流レベルに前記プラズマが上昇するまでの期間
   に負電圧が印加され、その後導通を開始するために正電
   圧が印加される円筒形状の制御格子とを具備する交差電
   磁界放電装置。 ５ 前記磁界発生手段は、前記ソース格子及び前記陰極
   電極間の前記一方の内部電極ギヤツプ内を延在しかつ前
   記陰極電極及び前記ソース格子の電極面と実質的に平行
   な軸方向磁界成分を有する磁界を発生するコイルアレイ
   を含んで構成される特許請求の範囲第４項記載の交差電
   磁界放電装置。 ６ 前記磁界発生手段は、前記ソース格子及び前記陰極
   電極間の前記一方の内部電極ギヤツプ内を延在しかつ前
   記陰極電極及び前記ソース格子の電極面と実質的に平行
   な軸方向磁界成分を有する磁界を発生する永久磁石アレ
   イを含んで構成される特許請求の範囲第４項記載の交差
   電磁界放電装置。