特開2024-139878陰極、陽極、電磁波発生システム及び電磁波発生システムにおける電磁波発生方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024139878
(43)【公開日】2024-10-10
(54)【発明の名称】陰極、陽極、電磁波発生システム及び電磁波発生システムにおける電磁波発生方法
(51)【国際特許分類】
H01J 23/20 20060101AFI20241003BHJP
H01J 23/04 20060101ALI20241003BHJP
H01J 23/02 20060101ALI20241003BHJP
H01J 25/68 20060101ALI20241003BHJP
【ＦＩ】
H01J23/20 Z
H01J23/04
H01J23/02
H01J25/68
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023050812
(22)【出願日】2023-03-28
(71)【出願人】
【識別番号】000004237
【氏名又は名称】日本電気株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100149548
【弁理士】
【氏名又は名称】松沼 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100181135
【弁理士】
【氏名又は名称】橋本 隆史
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 美耶
(72)【発明者】
【氏名】服部 渉
(57)【要約】
【課題】本発明は、特定の周波数帯の電磁波の出力を大きくすることが可能な陰極、陽極、電磁波発生システム及び電磁波発生システムにおける電磁波発生方法を提供することを目的とする。
【解決手段】誘電体４の窓５を有する真空容器１内にて、陽極２と対向配置されかつ対向する表面が該陽極表面２Ａに平行配置された陰極３であって、陽極２と対向配置された陰極表面領域３Ａについて、取り出す電磁波Ｗの進行方向（矢印ａ方向）に沿う長さ（Ｌ）を、所望周波数の電磁波Ｗの波長の１／４以下とした所定の略長方形状又はそれに類する形状に形成するとともに、陽極表面２Ａに向けて多数の柱状体６の配列からなる柱状構造５１を設けたことを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】誘電体４の窓５を有する真空容器１内にて、陽極２と対向配置されかつ対向する表面が該陽極表面２Ａに平行配置された陰極３であって、陽極２と対向配置された陰極表面領域３Ａについて、取り出す電磁波Ｗの進行方向（矢印ａ方向）に沿う長さ（Ｌ）を、所望周波数の電磁波Ｗの波長の１／４以下とした所定の略長方形状又はそれに類する形状に形成するとともに、陽極表面２Ａに向けて多数の柱状体６の配列からなる柱状構造５１を設けたことを特徴とする。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
誘電体の窓を有する真空容器内にて、陽極と対向配置されかつ対向する表面が該陽極表面に平行配置された陰極であって、
前記陽極と対向配置された陰極表面領域について、取り出す電磁波の進行方向に沿う長さを、所望周波数の電磁波波長の１／４以下とした所定の略長方形状又はそれに類する形状に形成するとともに、前記陽極の表面に向けて多数の柱状体の配列からなる柱状構造を設けたことを特徴とする陰極。
前記陽極と対向配置された陰極表面領域について、取り出す電磁波の進行方向に沿う長さを、所望周波数の電磁波波長の１／４以下とした所定の略長方形状又はそれに類する形状に形成するとともに、前記陽極の表面に向けて多数の柱状体の配列からなる柱状構造を設けたことを特徴とする陰極。
【請求項2】
前記柱状構造は、前記波長のｉ倍の相互間隔で複数配置することを特徴とする請求項１に記載の陰極。
【請求項3】
前記柱状体は、柱幅の４倍以上２０倍以下となる間隔で配列し、かつ柱高さを前記間隔の０.２５倍以上４倍以下とすることを特徴とする請求項１に記載の陰極。
【請求項4】
前記柱状体は断面形状が円形に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の陰極。
【請求項5】
前記柱状体は断面形状が四角に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の陰極。
【請求項6】
請求項１に記載の陰極と対向配置される陽極であって、該陽極の表面は、前記柱状構造がある前記陰極表面領域と略同じ大きさに形成されていることを特徴とする陽極。
【請求項7】
請求項１に記載の陰極と対向配置される陽極であって、該陽極は、黒鉛又は炭素繊維強化炭素複合材料を主たる材料とすることを特徴とする陽極。
【請求項8】
請求項１に記載の陰極と、該陰極と対向配置される陽極と、これら陰極、陽極を収容する真空容器とを備え、
前記真空容器は、前記陽極及び陰極が収納される第１真空容器と、前記陽極の支柱を支持する導入端子が収納される第２真空容器と、これら真空容器を接続するように配置されかつ前記第１真空容器より小径に形成された第３真空容器と、を具備することを特徴とする電磁波発生システム。
前記真空容器は、前記陽極及び陰極が収納される第１真空容器と、前記陽極の支柱を支持する導入端子が収納される第２真空容器と、これら真空容器を接続するように配置されかつ前記第１真空容器より小径に形成された第３真空容器と、を具備することを特徴とする電磁波発生システム。
【請求項9】
前記第１真空容器では、
前記電磁波を取り出す誘電体の窓と、前記陰極の柱状体の配列中心位置との間における、当該電磁波の進行方向に沿った距離を、ｊを自然数として所望周波数の電磁波波長の
ｊ／２とし、
前記陰極の柱状体の配列中心位置と、前記窓と反対側に位置する当該第１真空容器の内壁面との間における電磁波の進行方向に沿った距離を、ｋを自然数として所望周波数の電磁波波長の「(２ｋ-１)／４」とすることを特徴とする請求項８に記載の電磁波発生システム。
前記電磁波を取り出す誘電体の窓と、前記陰極の柱状体の配列中心位置との間における、当該電磁波の進行方向に沿った距離を、ｊを自然数として所望周波数の電磁波波長の
ｊ／２とし、
前記陰極の柱状体の配列中心位置と、前記窓と反対側に位置する当該第１真空容器の内壁面との間における電磁波の進行方向に沿った距離を、ｋを自然数として所望周波数の電磁波波長の「(２ｋ-１)／４」とすることを特徴とする請求項８に記載の電磁波発生システム。
【請求項10】
誘電体の窓を有する真空容器内にて、陽極と対向配置されかつ対向する表面が該陽極の表面に平行配置された陰極を具備する電磁波発生システムにおいて、
前記陽極と対向配置された前記陰極の表面領域について、取り出す電磁波の進行方向に沿う長さを、所望周波数の電磁波波長の１／４以下とした所定の略長方形状又はそれに類する形状に形成した上で、前記陽極表面に向けて多数の柱状体の配列からなる柱状構造を設けた陰極を備え、前記陽極と前記陰極の間にパルス電圧を印加することにより電磁波を発生することを特徴とする電磁波発生方法。
前記陽極と対向配置された前記陰極の表面領域について、取り出す電磁波の進行方向に沿う長さを、所望周波数の電磁波波長の１／４以下とした所定の略長方形状又はそれに類する形状に形成した上で、前記陽極表面に向けて多数の柱状体の配列からなる柱状構造を設けた陰極を備え、前記陽極と前記陰極の間にパルス電圧を印加することにより電磁波を発生することを特徴とする電磁波発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、特定の周波数帯の電磁波の出力を大きくすることが可能な陰極、陽極、電磁波発生システム及び電磁波発生システムにおける電磁波発生方法に関する。
【背景技術】
【0002】
この種の電磁波発生システムとして特許文献１～４に示される技術が提供されている。
例えば、特許文献１に示される電磁波発生器（電磁波発生システム）は、いわゆる仮想陰極発振管からなり、陰極及び陽極を、真空管内で対向配置して形成されている。
陰極は、真空管の内壁に接するように設けられた金属柱状体の上面に微細繊維を貼り付けた構造である。この陰極は、陽極にパルス高電圧が印加されたときに発生する陽極と陰極との間の電界作用により、該陰極の上面（例えば金属上の微細繊維）から電子を放出させる。
例えば、特許文献１に示される電磁波発生器（電磁波発生システム）は、いわゆる仮想陰極発振管からなり、陰極及び陽極を、真空管内で対向配置して形成されている。
陰極は、真空管の内壁に接するように設けられた金属柱状体の上面に微細繊維を貼り付けた構造である。この陰極は、陽極にパルス高電圧が印加されたときに発生する陽極と陰極との間の電界作用により、該陰極の上面（例えば金属上の微細繊維）から電子を放出させる。
【0003】
陽極は、陽極にパルス高電圧が印加されたときに発生する陽極と陰極の間の電界作用により陰極から電子を放出させるとともに、放出させた電子を所定のエネルギーまで加速させることにより高密度の電子電流を生成させ、その電子電流を、例えばメッシュの隙間を介して陽極の裏側に通過させる。
陽極を通過した電子は空間電荷のために減速され、その結果として電子のたまり場（仮想陰極）が発生する。
陽極を通過した電子は空間電荷のために減速され、その結果として電子のたまり場（仮想陰極）が発生する。
【0004】
真空管は、例えば銅からなる導波管であり、グラウンドに接続されている。この真空管の電磁波の放射方向の壁面には、電磁波を真空管外に取り出す取出窓が設けられている。真空管から取り出された電磁波は、導波管・同軸変換部によって、モード変換された後、同軸線路に出力されるようになっている。
そして、この電磁波発生器では、一旦仮想陰極が発生すると、電子が陰極と仮想陰極の間を往復するようになり、この往復運動によって電磁波が発生する。電磁波の周波数は１ＧＨｚ以上１０ＧＨｚ以下であり、陰極と陽極との間隔などによってある程度制御可能である。つまり、電磁波発生器は、個々の誘電性物質の共鳴周波数の範囲内の電磁波を発生させることができる。
そして、この電磁波発生器では、一旦仮想陰極が発生すると、電子が陰極と仮想陰極の間を往復するようになり、この往復運動によって電磁波が発生する。電磁波の周波数は１ＧＨｚ以上１０ＧＨｚ以下であり、陰極と陽極との間隔などによってある程度制御可能である。つまり、電磁波発生器は、個々の誘電性物質の共鳴周波数の範囲内の電磁波を発生させることができる。
【0005】
なお、特許文献２～４の電磁波発生装置についても、特許文献１に示される電磁波発生器と同様な構成が示されており、詳しい説明を省略する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２００９-０５６２２２号公報
【特許文献2】特開２００９-１２９６６２号公報
【特許文献3】特開２０１９-０２９１５４号公報
【特許文献4】特開２０２１-０６４５７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ところで、特許文献１に示される電磁波発生器は、真空管の内壁に接するように設置された金属柱状体の上面に微細繊維を貼り付けてなる陰極構造である。
しかしながら、特許文献１には、陰極として金属柱状体と微細繊維とからなる構成体が示されているが、電磁波発生器の効率が未だ十分ではなく、さらなる高効率化が望まれていた。
しかしながら、特許文献１には、陰極として金属柱状体と微細繊維とからなる構成体が示されているが、電磁波発生器の効率が未だ十分ではなく、さらなる高効率化が望まれていた。
【0008】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、特定の周波数帯の電磁波の出力を大きくすることが可能な陰極、陽極、電磁波発生システム及び電磁波発生システムにおける電磁波発生方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するために本発明は以下の手段を提案している。
本発明の第１態様は、誘電体の窓を有する真空容器内にて、陽極と対向配置されかつ対向する表面が該陽極表面に平行配置された陰極であって、前記陽極と対向配置された陰極表面領域について、取り出す電磁波の進行方向に沿う長さを、所望周波数の電磁波波長の１／４以下とした所定の略長方形状又はそれに類する形状に形成するとともに、前記陽極表面に向けて多数の柱状体の配列からなる柱状構造を設けたことを特徴とする。
本発明の第１態様は、誘電体の窓を有する真空容器内にて、陽極と対向配置されかつ対向する表面が該陽極表面に平行配置された陰極であって、前記陽極と対向配置された陰極表面領域について、取り出す電磁波の進行方向に沿う長さを、所望周波数の電磁波波長の１／４以下とした所定の略長方形状又はそれに類する形状に形成するとともに、前記陽極表面に向けて多数の柱状体の配列からなる柱状構造を設けたことを特徴とする。
【0010】
本発明の第２態様は、誘電体の窓を有する真空容器内にて、陽極と対向配置されかつ対向する表面が該陽極の表面に平行配置された陰極を具備する電磁波発生システムにおける電磁波発生方法であって、前記陽極と対向配置された前記陰極の表面領域について、取り出す電磁波の進行方向に沿う長さを、所望周波数の電磁波波長の１／４以下とした所定の略長方形状又はそれに類する形状に形成するとともに、前記陽極表面に向けて多数の柱状体の配列からなる柱状構造を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、特定の周波数帯の電磁波の出力を大きくすることができ、効率の良い電磁波出力を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明の陰極構造に係る最小構成を示す概略構成図である。
【図2】本発明の第１実施形態に係る電磁波発生システムの概略構成図である。
【図3】第１実施形態に係る電磁波発生システムにおいて「陰極－陽極－仮想陰極」の位置関係を示す図である。
【図4】陰極における柱状体の配置を示す背面図である。
【図5】電磁波発生システム内の柱状構造の位置を具体的に示す図である。
【図6】本発明の第２実施形態に係る電磁波発生システムの概略構成図である。
【図7】第２実施形態に係る電磁波発生システムにおいて「陰極－陽極－仮想陰極」の位置関係を示す図である。
【図8】陰極における柱状体の配置を示す背面図である。
【図9】本発明の第３実施形態に係る電磁波発生システムの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
本発明に係る電磁波発生システム５０における陰極構造５１の最小構成について図１を参照して説明する。
【0014】
この電磁波発生システム５０は、真空容器１、陽極２及び陰極３を主な構成要素とする。
真空容器１は、内部で電磁波（符号Ｗで示す）を発生させるものであり、その側部には、発生した電磁波Ｗを外部に取り出すための誘電体４の窓５が設けられている。
真空容器１は、内部で電磁波（符号Ｗで示す）を発生させるものであり、その側部には、発生した電磁波Ｗを外部に取り出すための誘電体４の窓５が設けられている。
【0015】
陽極２には正の高電圧パルスが印加される。
陰極３は、陽極２と対向配置されかつ対向する表面が該陽極表面２Ａに平行配置されている。また、この陰極３は、陽極２と対向配置された表面領域３Ａについて、取り出す電磁波Ｗの進行方向（矢印ａ方向）に沿う長さ（Ｌ）を、所望周波数の電磁波Ｗ波長の１／４以下とした所定の略長方形状又はそれに類する形状（例えば、長方形状の他、楕円やレーストラック形状等も含む）に形成されるとともに、当該表面領域３Ａに、陽極表面２Ａに向けて多数の柱状体６の配列からなる柱状構造７を設けた構成である。
陰極３は、陽極２と対向配置されかつ対向する表面が該陽極表面２Ａに平行配置されている。また、この陰極３は、陽極２と対向配置された表面領域３Ａについて、取り出す電磁波Ｗの進行方向（矢印ａ方向）に沿う長さ（Ｌ）を、所望周波数の電磁波Ｗ波長の１／４以下とした所定の略長方形状又はそれに類する形状（例えば、長方形状の他、楕円やレーストラック形状等も含む）に形成されるとともに、当該表面領域３Ａに、陽極表面２Ａに向けて多数の柱状体６の配列からなる柱状構造７を設けた構成である。
【0016】
陽極２を挟んで陰極３の反対側には、当該陰極３から引き出された電子が、陽極２をすり抜けることで仮想陰極Ｖが形成される。
この仮想陰極Ｖは、陽極２に正の高電圧パルスを印加して、該陽極２と対向配置された陰極３から電子ビームが引き出された場合に、当該陰極３から引き出された電子が、陽極２をすり抜けることで、該陽極２を挟んだ陰極３の反対側に形成される。
そして、この電磁波発生システム５０では、真空容器１内の陽極２を挟んだ陰極３の反対側に、電子が停止し滞留する領域となる仮想陰極Ｖが形成されることで、「陰極３－陽極２－仮想陰極Ｖ」間で電子の振動的加速運動が生じ、その運動により、電磁波Ｗが発生しかつ発生した電磁波Ｗを誘電体４の窓５から外部へ出力させることができる。
この仮想陰極Ｖは、陽極２に正の高電圧パルスを印加して、該陽極２と対向配置された陰極３から電子ビームが引き出された場合に、当該陰極３から引き出された電子が、陽極２をすり抜けることで、該陽極２を挟んだ陰極３の反対側に形成される。
そして、この電磁波発生システム５０では、真空容器１内の陽極２を挟んだ陰極３の反対側に、電子が停止し滞留する領域となる仮想陰極Ｖが形成されることで、「陰極３－陽極２－仮想陰極Ｖ」間で電子の振動的加速運動が生じ、その運動により、電磁波Ｗが発生しかつ発生した電磁波Ｗを誘電体４の窓５から外部へ出力させることができる。
【0017】
以上詳細に説明した本発明に係る電磁波発生システム５０における陰極構造５１によれば、陽極２と対向配置された陰極３の表面領域３Ａに、陽極表面２Ａに向けて突き出す多数の柱状体６の配列からなる柱状構造７を設けたことで、柱状構造周辺で電界集中効果を生じさせることができる。その結果、上記陰極構造５１では、陰極３の柱状体６付近に高い強度の電界を形成することができ、電子を放出し易くなる。
また、上記陰極構造５１によれば、陽極２と対向配置された陰極３の表面領域３Ａ上の柱状構造７について、取り出す電磁波Ｗの進行方向（矢印ａ方向）に沿う長さ（Ｌ）を、所望周波数の電磁波Ｗ波長の１／４以下とした所定の略長方形状又はそれに類する形状に形成することで、当該領域で発生する電磁波Ｗの打ち消し合いを防止することができる。
その結果、上記陰極構造５１では、特定の周波数帯の電磁波Ｗの出力を大きくすることができ、効率の良い電磁波出力を可能とする。
また、上記陰極構造５１によれば、陽極２と対向配置された陰極３の表面領域３Ａ上の柱状構造７について、取り出す電磁波Ｗの進行方向（矢印ａ方向）に沿う長さ（Ｌ）を、所望周波数の電磁波Ｗ波長の１／４以下とした所定の略長方形状又はそれに類する形状に形成することで、当該領域で発生する電磁波Ｗの打ち消し合いを防止することができる。
その結果、上記陰極構造５１では、特定の周波数帯の電磁波Ｗの出力を大きくすることができ、効率の良い電磁波出力を可能とする。
【0018】
【0019】
第１実施形態の電磁波発生システム１００を構成している仮想陰極発振管１０は、真空容器１１、陽極１２及び陰極１３を主な構成要素とする。
真空容器１１は、図２に示すように、第１真空容器１１Ａ、第２真空容器１１Ｂ及びこれら真空容器１１Ａ，１１Ｂを接続する第３真空容器１１Ｃからなるものであって、内部が真空状態に保持される。
なお、真空状態としては、陰極１３から放出され、陽極１２に向けて加速される電子がその行程で気体分子等に衝突しない程度に、十分に高真空の状態に保持される。
また、真空容器１１（１１Ａ～１１Ｃ）は、ステンレス等の金属材料で構成されるとともに、図中、水平方向の軸線を中心とした同軸状の管体が接続された構造とされる。
真空容器１１は、図２に示すように、第１真空容器１１Ａ、第２真空容器１１Ｂ及びこれら真空容器１１Ａ，１１Ｂを接続する第３真空容器１１Ｃからなるものであって、内部が真空状態に保持される。
なお、真空状態としては、陰極１３から放出され、陽極１２に向けて加速される電子がその行程で気体分子等に衝突しない程度に、十分に高真空の状態に保持される。
また、真空容器１１（１１Ａ～１１Ｃ）は、ステンレス等の金属材料で構成されるとともに、図中、水平方向の軸線を中心とした同軸状の管体が接続された構造とされる。
【0020】
第１真空容器１１Ａは陽極１２及び陰極１３が収納される。また、第１真空容器１１Ａの図中右端部には、これら陽極１２及び陰極１３で発生した電磁波（符号Ｗ１で示す）を外部に取り出すための誘電体１４が、窓１５を封止するように設けられている。
第２真空容器１１Ｂは陽極１２の支柱１６を支持する導入端子１７が収納される。なお、導入端子１７は、良導体からなる支柱１６を介して陽極１２を側方から支持するものであって、第２真空容器１１Ｂの図中左端部を封止する絶縁体の壁１８を貫通しかつ当該壁１８で支持されている。
第３真空容器１１Ｃは、これら真空容器１１Ａ，１１Ｂを接続するように配置されかつ該真空容器１１Ａ，１１Ｂより小径に形成されている。
第２真空容器１１Ｂは陽極１２の支柱１６を支持する導入端子１７が収納される。なお、導入端子１７は、良導体からなる支柱１６を介して陽極１２を側方から支持するものであって、第２真空容器１１Ｂの図中左端部を封止する絶縁体の壁１８を貫通しかつ当該壁１８で支持されている。
第３真空容器１１Ｃは、これら真空容器１１Ａ，１１Ｂを接続するように配置されかつ該真空容器１１Ａ，１１Ｂより小径に形成されている。
【0021】
陽極１２の導入端子１７には正の高電圧パルスを印加するための高電圧パルス電源１９が設けられている。この高電圧パルス電源１９の他端の負極は接地される。
陰極１３は、良導体からなる支柱１３Ａによって第１真空容器１１Ａの壁面に上方から支持された陰極本体部１３Ｂを有する。
この陰極本体部１３Ｂは、陽極１２と対向配置されかつ対向する表面領域１３ｂが該陽極表面１２Ａに平行配置されているものであって、その表面領域１３ｂには、多数の柱状体１３Ｃ（後述する）の配列からなる柱状構造９０が設けられている（図３参照）。
陰極１３は、良導体からなる支柱１３Ａによって第１真空容器１１Ａの壁面に上方から支持された陰極本体部１３Ｂを有する。
この陰極本体部１３Ｂは、陽極１２と対向配置されかつ対向する表面領域１３ｂが該陽極表面１２Ａに平行配置されているものであって、その表面領域１３ｂには、多数の柱状体１３Ｃ（後述する）の配列からなる柱状構造９０が設けられている（図３参照）。
【0022】
陽極１２は、陰極１３から引き出された電子が陽極１２をすり抜けることのできる構造とされ、例えば、導電性材料のメッシュ構造が採用されている。
但し、陽極１２では、電子がすり抜けることのできる構造がこれに限られず、ミクロンオーダーからそれ以下の厚さを基準とする薄膜であっても良い。
なお、メッシュ構造の場合には、非貫通部分の厚さを取ることにより、力学的に強い構造としやすい、あるいは耐久性の高い陽極１２を作製しやすいといったメリットがある。
一方で、薄膜の場合には、電子のすり抜ける部分とすり抜けることのできない部分といった区別がなく、電子の透過性が一様であり、特性が均一化するというメリットがある。
但し、陽極１２では、電子がすり抜けることのできる構造がこれに限られず、ミクロンオーダーからそれ以下の厚さを基準とする薄膜であっても良い。
なお、メッシュ構造の場合には、非貫通部分の厚さを取ることにより、力学的に強い構造としやすい、あるいは耐久性の高い陽極１２を作製しやすいといったメリットがある。
一方で、薄膜の場合には、電子のすり抜ける部分とすり抜けることのできない部分といった区別がなく、電子の透過性が一様であり、特性が均一化するというメリットがある。
【0023】
そして、このような仮想陰極発振管１０では、高電圧パルス電源１９から数百ｋＶの正の高電圧パルスが、導入端子１７を介して真空容器１１内の陽極１２に供給されると、該陽極１２と陰極１３との間に電界を生じ、陰極１３から電子が引き出され、当該電子が陰極１３から陽極１２に向けて加速される。
陰極１３の表面から引き出された電子は、陽極１２の位置に到達するまで加速し続け、陽極位置にて最大速度となるため、そのほとんどは陽極１２をすり抜ける。
そして、陽極１２をすり抜けた後の電子は、再び陽極１２方向へ加速されるためいずれ停止し、その後、陽極１２方向へ進み始める。
陰極１３の表面から引き出された電子は、陽極１２の位置に到達するまで加速し続け、陽極位置にて最大速度となるため、そのほとんどは陽極１２をすり抜ける。
そして、陽極１２をすり抜けた後の電子は、再び陽極１２方向へ加速されるためいずれ停止し、その後、陽極１２方向へ進み始める。
【0024】
この電子が停止し滞留する領域を仮想陰極Ｖ１と呼ぶ。
すなわち、仮想陰極Ｖ１は、陽極１２に正の高電圧パルスを印加して、該陽極１２と対向配置された陰極１３から電子ビームが引き出された場合に、当該陰極１３から引き出された電子が、陽極１２をすり抜けることで、該陽極１２を挟んだ陰極１３の反対側に形成される。
そして、このような仮想陰極発振管１０では、「陰極１３－陽極１２－仮想陰極Ｖ１」における電子の振動的加速運動により電磁波Ｗ１が発生し、発生した電磁波Ｗ１が誘電体１４の窓１５から外部へと取り出される。
すなわち、仮想陰極Ｖ１は、陽極１２に正の高電圧パルスを印加して、該陽極１２と対向配置された陰極１３から電子ビームが引き出された場合に、当該陰極１３から引き出された電子が、陽極１２をすり抜けることで、該陽極１２を挟んだ陰極１３の反対側に形成される。
そして、このような仮想陰極発振管１０では、「陰極１３－陽極１２－仮想陰極Ｖ１」における電子の振動的加速運動により電磁波Ｗ１が発生し、発生した電磁波Ｗ１が誘電体１４の窓１５から外部へと取り出される。
【0025】
また、上記仮想陰極発振管１０では、陽極１２と対向配置された陰極１３の表面領域１３ｂについて、取り出す電磁波Ｗ１の進行方向（矢印ａ１方向）に沿う長さ（Ｌ１）を、所望周波数の電磁波Ｗ１の波長の１／４以下とした所定の略長方形状又はそれに類する形状（例えば、長方形状の他、楕円やレーストラック形状等も含む）に形成されるとともに、当該表面領域１３ｂに、陽極１２の表面１２Ａに向けて多数の柱状体１３Ｃの配列からなる柱状構造９０が設けられている。
この柱状構造９０は、図３及び図４に示すように、陰極１３の表面領域１３ｂから陽極１２の表面１２Ａに向かって伸びる断面形状四角の柱状体１３Ｃの集合体であって、マトリックス状に配置されることで柱状構造が実現されている。
ただし、柱状体１３Ｃの集合体の配置はマトリックス上に限られるものではなく、所望の電子ビームを形成する電子密度の断面プロファイルを得るために、例えば中心の柱状体１３Ｃの配置の密度を上げる、同心円状に配置するといったことも可能である。
この柱状構造９０は、図３及び図４に示すように、陰極１３の表面領域１３ｂから陽極１２の表面１２Ａに向かって伸びる断面形状四角の柱状体１３Ｃの集合体であって、マトリックス状に配置されることで柱状構造が実現されている。
ただし、柱状体１３Ｃの集合体の配置はマトリックス上に限られるものではなく、所望の電子ビームを形成する電子密度の断面プロファイルを得るために、例えば中心の柱状体１３Ｃの配置の密度を上げる、同心円状に配置するといったことも可能である。
【0026】
また、上記仮想陰極発振管１０の第１真空容器１１Ａでは、図２（本図では、真空容器１１Ａ内において、陰極１３の支柱１３Ａの先端部に柱状構造９０を設けた構造体を例示）及び図５（本図では、真空容器１１Ａ内において、陰極１３の支柱１３Ａが分岐されかつ各分岐部先端に、多数の柱状体１３Ｃの配列からなる柱状構造９０を設けた構造体を例示）に示すように電磁波Ｗ１を取り出す誘電体１４の窓１５と、陰極１３の柱状体１３Ｃの配列中心位置（符号О）との間における、電磁波Ｗ１の進行方向（矢印ａ１方向）に沿った距離（符号Ｄ１）を、ｊを自然数として所望周波数の電磁波Ｗ１の波長のｊ／２とする。
また、上記仮想陰極発振管１０では、陰極１３の柱状体１３Ｃの配列中心位置（符号О）と、第１真空容器１１Ａの前記窓１５と反対に位置する第１真空容器１１Ａの金属製内壁の壁面である金属壁Ａとの間における電磁波Ｗ１の進行方向（矢印ａ１方向）に沿った距離（符号Ｄ２）を、ｋを自然数として所望周波数の電磁波Ｗ１波長の (２ｋ-１)／４とする。
また、図５の陰極構造では、複数からなる柱状構造９０の配列を、ｉを自然数として所望周波数の電磁波Ｗ１波長のｉ倍とする相互間隔で配置している。
また、上記仮想陰極発振管１０では、陰極１３の柱状体１３Ｃの配列中心位置（符号О）と、第１真空容器１１Ａの前記窓１５と反対に位置する第１真空容器１１Ａの金属製内壁の壁面である金属壁Ａとの間における電磁波Ｗ１の進行方向（矢印ａ１方向）に沿った距離（符号Ｄ２）を、ｋを自然数として所望周波数の電磁波Ｗ１波長の (２ｋ-１)／４とする。
また、図５の陰極構造では、複数からなる柱状構造９０の配列を、ｉを自然数として所望周波数の電磁波Ｗ１波長のｉ倍とする相互間隔で配置している。
【0027】
上記構成によれば、陰極１３の柱状体１３Ｃの配列中心位置（符号О）で発生し、誘電体１４の窓１５方向に進行する電磁波Ｗ１と、同時に同位置で発生し、第１真空容器１１Ａ内の金属壁Ａの方向に進行した後、当該金属壁Ａにて反射して前記窓１５の方向に進行する電磁波Ｗ１との位相差は２πｎ [rad]となり、波を強め合う。
ここでｎは自然数とする。さらに上記構成によれば、取り出す電磁波Ｗ１の進行方向（矢印ａ１方向）に沿った長さ（Ｌ１）を、所望周波数の電磁波Ｗ１波長の１／４以下とした陰極１３において、発生した電磁波Ｗ１と、同時に同領域で発生し、第１真空容器１１Ａ内の金属壁Ａの方向に進行した後、当該金属壁Ａにて反射して前記窓１５方向に進行する電磁波Ｗ１との位相差はπ[rad]以下となる。
つまり、本実施形態の仮想陰極発振管１０では、陰極１３の領域で発生する所望周波数の電磁波Ｗ１が打ち消し合うことがない。
ここでｎは自然数とする。さらに上記構成によれば、取り出す電磁波Ｗ１の進行方向（矢印ａ１方向）に沿った長さ（Ｌ１）を、所望周波数の電磁波Ｗ１波長の１／４以下とした陰極１３において、発生した電磁波Ｗ１と、同時に同領域で発生し、第１真空容器１１Ａ内の金属壁Ａの方向に進行した後、当該金属壁Ａにて反射して前記窓１５方向に進行する電磁波Ｗ１との位相差はπ[rad]以下となる。
つまり、本実施形態の仮想陰極発振管１０では、陰極１３の領域で発生する所望周波数の電磁波Ｗ１が打ち消し合うことがない。
【0028】
なお、上記仮想陰極発振管１０では、第１真空容器１１Ａの内部構造が、陽極１２の支柱１６を中心とした同軸構造となっている。しかしながら、上記仮想陰極発振管１０では、陽極１２の支柱１６の形状や、周囲の陰極１３などの配置により完全な同軸構造とは異なる。
このため、本実施形態において、前述したような、所望周波数の電磁波Ｗ１波長の「(２ｋ-１)／４」とするとの記述は、例えば、電磁界シミュレーションや実測により当該波長に近似させることを意味する。
このため、本実施形態において、前述したような、所望周波数の電磁波Ｗ１波長の「(２ｋ-１)／４」とするとの記述は、例えば、電磁界シミュレーションや実測により当該波長に近似させることを意味する。
【0029】
さらに、上記仮想陰極発振管１０では、誘電体１４の窓１５と、陰極１３中心位置（符号О）との距離（符号Ｄ１）を波長のｊ／２とすることにより、誘電体１４の窓１５側の反射も抑制して透過波を強めることができる。
このとき、上記仮想陰極発振管１０では、内部から出力された誘電体１４の窓１５方向に進行する電磁波Ｗ１について、誘電体１４の窓１５の位置でその一部が自由端反射する。そして、本実施形態では、所望周波数の電磁波Ｗ１の自由端反射により、発生する定在波の腹が、ｊを自然数として所望周波数の電磁波Ｗ１波長のｊ／２となるので、電磁波Ｗ１を取り出す誘電体１４の窓１５と、陰極１３表面の四角柱状構造における配列中心位置（符号О）との間の距離（符号Ｄ１）をこの波長の長さにすることにより、誘電体１４の窓１５での反射を抑制して透過波を強めることができる。
このとき、上記仮想陰極発振管１０では、内部から出力された誘電体１４の窓１５方向に進行する電磁波Ｗ１について、誘電体１４の窓１５の位置でその一部が自由端反射する。そして、本実施形態では、所望周波数の電磁波Ｗ１の自由端反射により、発生する定在波の腹が、ｊを自然数として所望周波数の電磁波Ｗ１波長のｊ／２となるので、電磁波Ｗ１を取り出す誘電体１４の窓１５と、陰極１３表面の四角柱状構造における配列中心位置（符号О）との間の距離（符号Ｄ１）をこの波長の長さにすることにより、誘電体１４の窓１５での反射を抑制して透過波を強めることができる。
【0030】
また、上記構成によれば、陰極１３の表面領域１３ｂに四角柱状構造の柱状体１３Ｃを配列することにより、当該四角柱状構造の先端周辺で電界集中効果を生じて高い強度の電界が印加され、電子を放出し易くなる。従って、上記仮想陰極発振管１０では、仮想陰極Ｖ１を構成する電子の真空中への放出数を増やすことが可能である。
なお、図４に模式的に示す四角柱状構造は、柱状体１３Ｃの幅（符号ｄ１で示す）の４倍以上で、かつ２０倍以下の柱間隔（符号ｄ２で示す）で敷き詰られており、当該柱状体１３Ｃの高さ（図３に符号ｈで示す）は前記柱間隔の０.２５倍以上でかつ４倍以下とすることが望ましい。
ここで、図４では四角柱構造の配列は正方格子としている。正方格子は陰極１３表面の機械加工により容易に製造できる。
なお、図４に模式的に示す四角柱状構造は、柱状体１３Ｃの幅（符号ｄ１で示す）の４倍以上で、かつ２０倍以下の柱間隔（符号ｄ２で示す）で敷き詰られており、当該柱状体１３Ｃの高さ（図３に符号ｈで示す）は前記柱間隔の０.２５倍以上でかつ４倍以下とすることが望ましい。
ここで、図４では四角柱構造の配列は正方格子としている。正方格子は陰極１３表面の機械加工により容易に製造できる。
【0031】
また、上記仮想陰極発振管１０では、柱状体１３Ｃの幅の４倍以上で、かつ２０倍以下の柱間隔で当該柱状体１３Ｃを敷き詰め、かつ該柱状体１３Ｃの高さを前記柱間隔の０.２５倍以上でかつ４倍以下とすることにより、四角柱状構造を不要に細長くすることなく、高い電界集中効果を得られることが、静電界シミュレーションにより判明している。
これにより、上記仮想陰極発振管１０では、電子を放出し易く、四角柱状構造を無用に細長くすることないため熱伝導性を犠牲にすることなく、耐熱性の高い陰極１３を得ることが可能となる。
これにより、上記仮想陰極発振管１０では、電子を放出し易く、四角柱状構造を無用に細長くすることないため熱伝導性を犠牲にすることなく、耐熱性の高い陰極１３を得ることが可能となる。
【0032】
また、上記仮想陰極発振管１０では、陰極１３から電子を放出し易い、すなわち放出される電子が多い程、仮想陰極Ｖ１を形成する電子が多くなり、発振による電磁波Ｗ１出力も大きくなる。
すなわち、上記仮想陰極発振管１０では、所望周波数の電磁波Ｗ１の出力が大きくなる。また、上記仮想陰極発振管１０では、電子が放出される際に陰極１３が発熱するため、当該陰極１３に耐熱性が高い材料を使用することが好ましい。
さらに、上記仮想陰極発振管１０では、所望周波数の電磁波Ｗ１は打ち消し合うことが無くなるため、所望周波数の電磁波Ｗ１の出力が大きくなる。
すなわち、上記仮想陰極発振管１０では、所望周波数の電磁波Ｗ１の出力が大きくなる。また、上記仮想陰極発振管１０では、電子が放出される際に陰極１３が発熱するため、当該陰極１３に耐熱性が高い材料を使用することが好ましい。
さらに、上記仮想陰極発振管１０では、所望周波数の電磁波Ｗ１は打ち消し合うことが無くなるため、所望周波数の電磁波Ｗ１の出力が大きくなる。
【0033】
上記仮想陰極発振管１０では、図３及び図４に示すように、陽極１２の表面１２Ａが、四角柱状構造を有する陰極１３の表面領域１３ｂに対向しかつ略等しい領域に設けられているので、電磁波Ｗ１を発生する電子ビームの「陰極１３―陽極１２」間の断面形状を、容易に調整、制御することができる。
従って、上記仮想陰極発振管１０では、電磁波Ｗ１が打ち消し合わないという発生条件を、精度良く実施できる。
従って、上記仮想陰極発振管１０では、電磁波Ｗ１が打ち消し合わないという発生条件を、精度良く実施できる。
【0034】
また、上記仮想陰極発振管１０では、陽極１２の材質として、真空中でガスを放出することなく、高温に耐え、良電気伝導性と良熱伝導性を兼ね備える、黒鉛又は炭素繊維強化炭素複合材料を主たる材料とすることが望ましい。これにより、上記仮想陰極発振管１０では、真空容器１１中の高真空を劣化させることもなく、高温に耐える陽極１２を得ることができる。
以上の通り上記仮想陰極発振管１０では、発生する電磁波Ｗ１が打ち消し合うことがないという条件を精度良く実施できるとともに、また、仮想陰極形成時の発熱に耐えうる耐熱性を有していることにより、所望周波数の電磁波Ｗ１の出力を増大させることが可能である。
以上の通り上記仮想陰極発振管１０では、発生する電磁波Ｗ１が打ち消し合うことがないという条件を精度良く実施できるとともに、また、仮想陰極形成時の発熱に耐えうる耐熱性を有していることにより、所望周波数の電磁波Ｗ１の出力を増大させることが可能である。
【0035】
また、本実施形態の真空容器１１は、図２に示すように、第１真空容器１１Ａと、第１真空容器１１Ａと異なる径の第２真空容器１１Ｂと、これら真空容器１１Ａ，１１Ｂを接続する小径の第３真空容器１１Ｃとからなる。
そして、上記仮想陰極発振管１０では、第３真空容器１１Ｃを、第１真空容器１１Ａより小径としたことにより、内部を伝搬する電磁波Ｗ１に対してインピーダンス不整合が生じるため、陽極１２及び陰極１３から出力された第３真空容器１１Ｃ方向へ進む電磁波Ｗ１の多くが、第１真空容器１１Ａにおいて、窓１５と反対に位置する第１真空容器１１Ａと第３真空容器１１Ｃとの境界壁面である金属壁Ａで固定端反射をする。
そして、上記仮想陰極発振管１０では、第３真空容器１１Ｃを、第１真空容器１１Ａより小径としたことにより、内部を伝搬する電磁波Ｗ１に対してインピーダンス不整合が生じるため、陽極１２及び陰極１３から出力された第３真空容器１１Ｃ方向へ進む電磁波Ｗ１の多くが、第１真空容器１１Ａにおいて、窓１５と反対に位置する第１真空容器１１Ａと第３真空容器１１Ｃとの境界壁面である金属壁Ａで固定端反射をする。
【0036】
また、上記仮想陰極発振管１０では、所望周波数の電磁波Ｗ１の固定端反射により発生する定在波の腹が、ｋを自然数として所望周波数の電磁波Ｗ１の波長の「(２ｋ-１)／４」となる。
このため、上記仮想陰極発振管１０では、第１真空容器１１Ａの金属壁Ａの壁面と、陰極１３における柱状体１３Ｃの配列中心位置（符号О）との間の距離（符号Ｄ２）をこの波長の長さにすることにより、所望周波数の電極１２，１３からの進行波と金属壁Ａからの反射波との位相が揃い、互いに強め合う。
このため、上記仮想陰極発振管１０では、第１真空容器１１Ａの金属壁Ａの壁面と、陰極１３における柱状体１３Ｃの配列中心位置（符号О）との間の距離（符号Ｄ２）をこの波長の長さにすることにより、所望周波数の電極１２，１３からの進行波と金属壁Ａからの反射波との位相が揃い、互いに強め合う。
【0037】
また、上記仮想陰極発振管１０では、図２に示すように、真空容器１１として、異径に形成される第１真空容器１１Ａと第２真空容器１１Ｂとの間に、小径の第３真空容器１１Ｃが介在しているので、これら真空容器１１Ａ～１１Ｃ間においてインピーダンス不整合が生じる。
これにより上記仮想陰極発振管１０では、小径に設けられた第３真空容器１１Ｃの長さを調整することによって、第１真空容器１１Ａから第３真空容器１１Ｃを経て第２真空容器１１Ｂへと漏洩する電磁波Ｗ１を抑制することができる。
これにより上記仮想陰極発振管１０では、小径に設けられた第３真空容器１１Ｃの長さを調整することによって、第１真空容器１１Ａから第３真空容器１１Ｃを経て第２真空容器１１Ｂへと漏洩する電磁波Ｗ１を抑制することができる。
【0038】
その結果、上記仮想陰極発振管１０では、第１真空容器１１Ａにおいて、陽極１２及び陰極１３から誘電体１４の窓１５へ進行する電磁波Ｗ１と、第１真空容器１１Ａ内の金属壁Ａでの反射波とで共振させることができる。これに加えて、上記仮想陰極発振管１０では、第３真空容器１１Ｃを経由した複雑な反射波を抑制することで前記の共振をより正確に制御し、さらに誘電体１４の窓１５での反射を抑制し透過波を強めることにより、所望周波数の電磁波Ｗ１の出力を強めることが可能である。
【0039】
以上詳細に説明した第１実施形態の電磁波発生システム１００における陰極構造１０１によれば、陽極１２と対向配置された陰極１３の表面領域１３ｂに、陽極表面１２Ａに向けて突き出す多数の柱状体１３Ｃを配列したことで、柱状構造９０の周辺で電界集中効果を生じさせることができる。その結果、上記陰極構造１０１では、陰極１３の柱状構造９０付近に高い強度の電界を形成することができ、電子を放出し易くなる。
また、上記陰極構造１０１によれば、陽極１２と対向配置された陰極１３の表面領域１３ｂについて、取り出す電磁波Ｗ１の進行方向（矢印ａ１方向）に沿う長さ（Ｌ１）を、所望周波数の電磁波Ｗ１の波長の１／４以下とした所定の略長方形状又はそれに類する形状[SM7]に形成することで、当該領域で発生する電磁波Ｗ１の打ち消し合いを防止することができる。
その結果、上記陰極構造１０１では、特定の周波数帯の電磁波Ｗ１の出力を大きくすることができ、効率の良い電磁波出力を可能とする。
また、上記陰極構造１０１によれば、陽極１２と対向配置された陰極１３の表面領域１３ｂについて、取り出す電磁波Ｗ１の進行方向（矢印ａ１方向）に沿う長さ（Ｌ１）を、所望周波数の電磁波Ｗ１の波長の１／４以下とした所定の略長方形状又はそれに類する形状[SM7]に形成することで、当該領域で発生する電磁波Ｗ１の打ち消し合いを防止することができる。
その結果、上記陰極構造１０１では、特定の周波数帯の電磁波Ｗ１の出力を大きくすることができ、効率の良い電磁波出力を可能とする。
【0040】
【0041】
なお、以下において第１実施形態と構成を共通にする箇所に関しては重複した説明を省略する。
第２実施形態に係る仮想陰極発振管２０が、第１実施形態に係る仮想陰極発振管１０と構成を異にする点は、陰極１３の表面領域１３ｂから陽極１２の表面１２Ａに向かって配置される柱状体２１の形状（図７、図８参照）と、第１真空容器１１Ａ及び第３真空容器１１Ｃの接続箇所（図６参照）である。
第２実施形態に係る仮想陰極発振管２０が、第１実施形態に係る仮想陰極発振管１０と構成を異にする点は、陰極１３の表面領域１３ｂから陽極１２の表面１２Ａに向かって配置される柱状体２１の形状（図７、図８参照）と、第１真空容器１１Ａ及び第３真空容器１１Ｃの接続箇所（図６参照）である。
【0042】
具体的には、第２実施形態の陰極１３は、図７及び図８に示すように、陰極１３の表面領域１３ｂから陽極表面１２Ａに向かって複数の柱状体２１を有している。
これら柱状体２１は、陰極１３の表面領域１３ｂから陽極１２の表面１２Ａに向かって伸びる断面形状が円形の突状体であって、マトリックス状に配置されることで円柱状の柱状構造９１が実現される。
また、これら柱状体２１の先端部は半球形状（図７参照）を想定しているが、第１実施形態の柱状体１３Ｃのような角状体でも良い。
これら柱状体２１は、陰極１３の表面領域１３ｂから陽極１２の表面１２Ａに向かって伸びる断面形状が円形の突状体であって、マトリックス状に配置されることで円柱状の柱状構造９１が実現される。
また、これら柱状体２１の先端部は半球形状（図７参照）を想定しているが、第１実施形態の柱状体１３Ｃのような角状体でも良い。
【0043】
そして、上記陰極１３において、断面形状が円形の柱状体２１を用いた場合には、第１実施形態の四角柱状構造より先端位置の電界が均一になる効果を得ることができ、さらには柱状体２１の先端部を半球形状とすることで、角状の場合と比較してさらに電界が均一になる効果が得られる。
【0044】
従って、第２実施形態に係る仮想陰極発振管２０では、陰極１３において局所的な電界集中が緩和され、電子放出が柱状体２１先端で均一化される。
その結果、上記仮想陰極発振管２０では、電流密度も均一化してジュール熱の発生が均一化され、柱状構造先端の温度上昇が均一化される、すなわち、耐熱性が向上して、特定の周波数帯の電磁波Ｗ１の出力を大きくすることが可能となる。
その結果、上記仮想陰極発振管２０では、電流密度も均一化してジュール熱の発生が均一化され、柱状構造先端の温度上昇が均一化される、すなわち、耐熱性が向上して、特定の周波数帯の電磁波Ｗ１の出力を大きくすることが可能となる。
【0045】
なお、陰極１３において、第１実施形態に示される柱状体１３Ｃからなる四角柱状構造については、第２実施形態に示される柱状体２１からなる円柱状構造より、角の部分で電子放出しやすいというメリットもある。
しかしながら、第１実施形態に示される四角柱状構造、第２実施形態に示される円柱状構造のいずれにもメリット／デメリットがあるため、電子放出のし易さ又は耐熱性の観点から適宜最適な柱状構造を選択することができる。
例としては、断面が三角形としてより鋭角な角を持たせて電子放出のし易さを狙ったり、陽極１２に近い先端部分のみ四角柱状構造とし、根元の部分に近くなるほど円柱状にして耐熱性を持たせるといったことも可能である。
他の例としては、円柱状構造の断面形状として円に近い楕円であったり、三角形と四角形以外の多角形とすることも可能である。
しかしながら、第１実施形態に示される四角柱状構造、第２実施形態に示される円柱状構造のいずれにもメリット／デメリットがあるため、電子放出のし易さ又は耐熱性の観点から適宜最適な柱状構造を選択することができる。
例としては、断面が三角形としてより鋭角な角を持たせて電子放出のし易さを狙ったり、陽極１２に近い先端部分のみ四角柱状構造とし、根元の部分に近くなるほど円柱状にして耐熱性を持たせるといったことも可能である。
他の例としては、円柱状構造の断面形状として円に近い楕円であったり、三角形と四角形以外の多角形とすることも可能である。
【0046】
また、第２実施形態に示される円柱構造の柱状体２１の配列としては、図８に示すような三角格子としている。柱状体２１の配列を三角格子とする場合には、正方格子と異なり、柱状体２１間の間隔が均一になり、電界集中効果が均一化するという利点がある。
なお、柱状体の配列は、図４に示す正方格子や図８に示す三角格子状に限定されず、様々な配列であってもよい。例としては、陰極１３の中心部と周辺部とで、柱状構造の密度を変化させ、電界集中効果と陽極１２及び陰極１３で発生する電子ビームの密度を制御するといったことも可能である。
なお、柱状体の配列は、図４に示す正方格子や図８に示す三角格子状に限定されず、様々な配列であってもよい。例としては、陰極１３の中心部と周辺部とで、柱状構造の密度を変化させ、電界集中効果と陽極１２及び陰極１３で発生する電子ビームの密度を制御するといったことも可能である。
【0047】
また、第２実施形態では、第３真空容器１１Ｃが、第１真空容器１１Ａの端部に位置する平板状の金属壁Ａ（図２参照）ではなく、図６に示すような管状部分の湾曲した金属壁２２に連結されている。
これに対応して、第２実施形態では、第１真空容器１１Ａ´の管体が第３真空容器１１Ｃの管体に対して直交する位置関係に設けられ、また、陰極１３の支柱１３Ａ´が、陽極１２の支柱１６の延長方向に配置されている。
これに対応して、第２実施形態では、第１真空容器１１Ａ´の管体が第３真空容器１１Ｃの管体に対して直交する位置関係に設けられ、また、陰極１３の支柱１３Ａ´が、陽極１２の支柱１６の延長方向に配置されている。
【0048】
また、第１真空容器１１Ａ´において、図６に示すように陰極表面領域１３ｂに配列した柱状体２１の中心位置（符号О´）と、第１真空容器１１Ａ´の窓１５´と反対に位置する第１真空容器１１Ａ´の金属壁Ｂとの間における電磁波Ｗ１の進行方向（矢印ａ１方向）に沿った距離（符号Ｄ２´）を、lを自然数として導波管構造をもとに所望周波数の電磁波Ｗ１の波長の「(２l-１)／４」とする。
これにより、本実施形態の仮想陰極発振管２０でも、第１実施形態と同様、陰極１３の領域で発生する所望周波数の電磁波Ｗ１が打ち消し合うことがない。
これにより、本実施形態の仮想陰極発振管２０でも、第１実施形態と同様、陰極１３の領域で発生する所望周波数の電磁波Ｗ１が打ち消し合うことがない。
【0049】
第２実施形態に係る仮想陰極発振管２０では、第１真空容器１１Ａ´において、第１実施形態の金属壁Ａよりも、電磁波Ｗ１を反射する金属壁としてより面積的に大きく反射率の高い、金属壁Ｂを用いることができる。
従って、上記仮想陰極発振管２０では、発生する電磁波Ｗ１が打ち消し合うことがないという条件を精度良く実現できる。
従って、上記仮想陰極発振管２０では、発生する電磁波Ｗ１が打ち消し合うことがないという条件を精度良く実現できる。
【0050】
また、上記仮想陰極発振管２０では、第１真空容器１１Ａ´の金属壁Ｂ側の領域に、支柱等の電磁波Ｗ１伝搬に複雑な影響を及ぼす構造がないため、陰極表面領域１３ｂに配列した柱状体２１の中心位置（符号О´）と、第１真空容器１１Ａ´の金属壁Ｂとの間における電磁波Ｗ１の伝搬に関する計算を、導波管構造を基にした計算結果に良く合致させることができる。
従って、上記仮想陰極発振管２０では、発生する電磁波Ｗ１が打ち消し合うことがないという条件を精度良く実現でき、さらには特定の周波数帯の電磁波Ｗ１の出力を大きくすることが可能となる。
また、上記仮想陰極発振管２０では、陽極１２の支柱１６の向きに関わらずに第１真空容器１１Ａ´を第３真空容器１１Ｃと接続することができる。
すなわち、第１実施形態では、電磁波Ｗ１の出力方向が陽極１２の支柱１６の延長方向としていたが、第２実施形態の仮想陰極発振管２０では所望の方向に電磁波Ｗ１を出力することが可能である。
従って、上記仮想陰極発振管２０では、発生する電磁波Ｗ１が打ち消し合うことがないという条件を精度良く実現でき、さらには特定の周波数帯の電磁波Ｗ１の出力を大きくすることが可能となる。
また、上記仮想陰極発振管２０では、陽極１２の支柱１６の向きに関わらずに第１真空容器１１Ａ´を第３真空容器１１Ｃと接続することができる。
すなわち、第１実施形態では、電磁波Ｗ１の出力方向が陽極１２の支柱１６の延長方向としていたが、第２実施形態の仮想陰極発振管２０では所望の方向に電磁波Ｗ１を出力することが可能である。
【0051】
（実施形態３）
第３実施形態に係る電磁波発生システム３００における陰極構造３０１について、図９を参照して説明する。
なお、以下において第１実施形態と構成を共通にする箇所に関しては重複した説明を省略する。
第３実施形態に係る電磁波発生システム３００における陰極構造３０１について、図９を参照して説明する。
なお、以下において第１実施形態と構成を共通にする箇所に関しては重複した説明を省略する。
【0052】
第３実施形態は、第１真空容器１１Ａ内において、陰極１３の支柱３０が分岐されかつ分岐部先端に、多数の柱状体１３Ｃの配列からなる柱状構造９０が設けられている。
なお、第３実施形態の陰極構造３０１では、Ｈツリーによる二分岐構造により、支柱３０の分岐部先端において、柱状構造９０が図中水平方向に互いに等しい間隔（符号Ｍで示す）となるように複数設けられている。
なお、第３実施形態の陰極構造３０１では、Ｈツリーによる二分岐構造により、支柱３０の分岐部先端において、柱状構造９０が図中水平方向に互いに等しい間隔（符号Ｍで示す）となるように複数設けられている。
【0053】
また、第３実施形態の陰極構造３０１では、複数からなる柱状構造９０の配列を、ｉを自然数として所望周波数の電磁波Ｗ１波長のｉ倍とする間隔（符号Ｍで示す）で配置している。
そして、柱状構造９０の配列を、ｉを自然数として所望周波数の電磁波Ｗ１の波長のｉ倍の間隔をあけて配置することにより、電磁波Ｗ１が、各柱状構造９０で同時に発生し、かつ互いに打ち消し合うことがない。
また、多数の柱状体１３Ｃの配列からなる柱状構造９０は、所望周波数の電磁波波長の(２ｉ-１)／４以上、ｉ／２未満の間隙を開け、前記波長のｉ／２の間隔で複数配置する。[SM8]
そして、柱状構造９０の配列を、ｉを自然数として所望周波数の電磁波Ｗ１の波長のｉ倍の間隔をあけて配置することにより、電磁波Ｗ１が、各柱状構造９０で同時に発生し、かつ互いに打ち消し合うことがない。
また、多数の柱状体１３Ｃの配列からなる柱状構造９０は、所望周波数の電磁波波長の(２ｉ-１)／４以上、ｉ／２未満の間隙を開け、前記波長のｉ／２の間隔で複数配置する。[SM8]
【0054】
また、第３実施形態の陰極構造３０１では、柱状構造９０を複数設けることで、「陰極１３－陽極１２」間の対向面積を広くして、「陰極１３―陽極１２」間インピーダンスを低くすることができ、その結果、陰極１３から電子を放出し易くなる。
また、第３実施形態の陰極構造３０１では、柱状構造９０を支柱３０で支持するにあたり、前述のようなＨツリーによる二分岐構造を基本とすることが望ましい。このような構成にすれば、第１真空容器１１Ａに接続された陰極１３の支柱３０の根元から、各陰極１３までの長さを略等しくできる。
本発明に記載している仮想陰極発振管１０は極めて高出力であり、動作時には陰極１３に瞬間的に大電流が流れる。このような瞬間的な大電流の流れは、磁場を発生させるため経路のインダクタンスの不均一の影響を受けやすい。経路のインダクタンスは経路の長さに大きく依存するため、各陰極１３先端へ均一に電流を導くには、経路を等長とすることが望ましい。
これにより、第３実施形態に係る電磁波発生システム３００では、陰極１３の動作が均一化し、高耐熱性といった特徴を実現できる、すなわち、局所的な温度上昇を抑制でき、所望周波数の電磁波Ｗ１の出力を強めることが可能である。
なお、第３実施形態に係る電磁波発生システム３００では、断面形状が四角の柱状体１３Ｃからなる柱状構造９０を用いたが、これに限定されず、第２実施形態に示される断面形状が円形の柱状体２１からなる柱状構造９１を用いても良い。
また、第３実施形態の陰極構造３０１では、柱状構造９０を支柱３０で支持するにあたり、前述のようなＨツリーによる二分岐構造を基本とすることが望ましい。このような構成にすれば、第１真空容器１１Ａに接続された陰極１３の支柱３０の根元から、各陰極１３までの長さを略等しくできる。
本発明に記載している仮想陰極発振管１０は極めて高出力であり、動作時には陰極１３に瞬間的に大電流が流れる。このような瞬間的な大電流の流れは、磁場を発生させるため経路のインダクタンスの不均一の影響を受けやすい。経路のインダクタンスは経路の長さに大きく依存するため、各陰極１３先端へ均一に電流を導くには、経路を等長とすることが望ましい。
これにより、第３実施形態に係る電磁波発生システム３００では、陰極１３の動作が均一化し、高耐熱性といった特徴を実現できる、すなわち、局所的な温度上昇を抑制でき、所望周波数の電磁波Ｗ１の出力を強めることが可能である。
なお、第３実施形態に係る電磁波発生システム３００では、断面形状が四角の柱状体１３Ｃからなる柱状構造９０を用いたが、これに限定されず、第２実施形態に示される断面形状が円形の柱状体２１からなる柱状構造９１を用いても良い。
【0055】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【産業上の利用可能性】
【0056】
本発明は、特定の周波数帯の電磁波の出力を大きくすることが可能な電磁波発生システム及び電磁波発生方法に関する。
【符号の説明】
【0057】
１ 真空容器
２ 陽極
２Ａ 陽極表面
３ 陰極
３Ａ 陰極表面領域
４ 誘電体
５ 窓
６ 柱状体
７ 柱状構造
１０ 仮想陰極発振管
１１（１１Ａ～１１Ｃ） 真空容器
１２ 陽極（電極）
１２Ａ 陽極表面
１３ 陰極（電極）
１３Ａ 支柱
１３Ｂ 陰極本体部
１３ｂ （陰極）表面領域
１３Ｃ 柱状体
１４ 誘電体
１５ 窓
１６ 支柱
１７ 導入端子
１８ 壁
１９ 高電圧パルス電源
２０ 仮想陰極発振管
２１ 柱状体
２２ 金属壁
５０ 電磁波発生システム
５１ 陰極構造
９０ 柱状構造
９１ 柱状構造
１００ 電磁波発生システム
１０１ 陰極構造
２００ 電磁波発生システム
２０１ 陰極構造
３００ 電磁波発生システム
３０１ 陰極構造
Ｌ 陰極の長さ
Ｌ１ 陰極の長さ
Ｖ 仮想電極
Ｖ１ 仮想電極
Ｗ 電磁波
Ｗ１ 電磁波
２ 陽極
２Ａ 陽極表面
３ 陰極
３Ａ 陰極表面領域
４ 誘電体
５ 窓
６ 柱状体
７ 柱状構造
１０ 仮想陰極発振管
１１（１１Ａ～１１Ｃ） 真空容器
１２ 陽極（電極）
１２Ａ 陽極表面
１３ 陰極（電極）
１３Ａ 支柱
１３Ｂ 陰極本体部
１３ｂ （陰極）表面領域
１３Ｃ 柱状体
１４ 誘電体
１５ 窓
１６ 支柱
１７ 導入端子
１８ 壁
１９ 高電圧パルス電源
２０ 仮想陰極発振管
２１ 柱状体
２２ 金属壁
５０ 電磁波発生システム
５１ 陰極構造
９０ 柱状構造
９１ 柱状構造
１００ 電磁波発生システム
１０１ 陰極構造
２００ 電磁波発生システム
２０１ 陰極構造
３００ 電磁波発生システム
３０１ 陰極構造
Ｌ 陰極の長さ
Ｌ１ 陰極の長さ
Ｖ 仮想電極
Ｖ１ 仮想電極
Ｗ 電磁波
Ｗ１ 電磁波
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】