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(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】P2024179383
(43)【公開日】2024-12-26
(54)【発明の名称】電磁波発生装置
(51)【国際特許分類】
H01J 23/20 20060101AFI20241219BHJP
【ＦＩ】
H01J23/20 Z
【審査請求】有
【請求項の数】12
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023098192
(22)【出願日】2023-06-15
(11)【特許番号】
(45)【特許公報発行日】2024-06-21
(71)【出願人】
【識別番号】000006013
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002941
【氏名又は名称】弁理士法人ぱるも特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】服部 絵理
(72)【発明者】
【氏名】服部 泰佑
(72)【発明者】
【氏名】殿岡 俊
(57)【要約】
【課題】導波管内の真空状態を維持したまま導波管内部の陽極の位置を調整できるようにする。
【解決手段】陰極と、陰極に対向して配置され電子が通過可能な第一陽極と、この第一陽極の陰極とは反対側に接続された電磁波を導波する中空の導波管とを備え、陰極と第一陽極との間に高電圧パルスを印加して陰極から電子を引き出し、当該電子を第一陽極の方向に輸送し、第一陽極を通過した電子が導波管の内側で集群することにより仮想陰極を形成して電磁パルスが発生する電磁波発生装置において、導波管の内部に少なくとも１個の第二陽極が設置され、第二陽極は、導波管の外部に設置された駆動機構により、真空中に設置された状態で導波管の管軸と平行な方向に移動されるよう構成されている。
【選択図】図１
【解決手段】陰極と、陰極に対向して配置され電子が通過可能な第一陽極と、この第一陽極の陰極とは反対側に接続された電磁波を導波する中空の導波管とを備え、陰極と第一陽極との間に高電圧パルスを印加して陰極から電子を引き出し、当該電子を第一陽極の方向に輸送し、第一陽極を通過した電子が導波管の内側で集群することにより仮想陰極を形成して電磁パルスが発生する電磁波発生装置において、導波管の内部に少なくとも１個の第二陽極が設置され、第二陽極は、導波管の外部に設置された駆動機構により、真空中に設置された状態で導波管の管軸と平行な方向に移動されるよう構成されている。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
陰極と、前記陰極に対向して配置され電子が通過可能な第一陽極と、この第一陽極の前記陰極とは反対側に接続された電磁波を導波する中空の導波管とを備え、前記陰極と前記第一陽極との間に高電圧パルスを印加して前記陰極から電子を引き出し、当該電子を前記第一陽極の方向に輸送し、前記第一陽極を通過した電子が前記導波管の内側で集群することにより仮想陰極を形成して電磁パルスが発生する電磁波発生装置において、
前記導波管の内部に少なくとも１個の第二陽極が設置され、前記第二陽極は、前記導波管の外部に設置された駆動機構により、真空中に設置された状態で前記導波管の管軸と平行な方向に移動されるよう構成された電磁波発生装置。
前記導波管の内部に少なくとも１個の第二陽極が設置され、前記第二陽極は、前記導波管の外部に設置された駆動機構により、真空中に設置された状態で前記導波管の管軸と平行な方向に移動されるよう構成された電磁波発生装置。
【請求項2】
前記導波管は、真空容器の内部に設置され、前記駆動機構の少なくとも一部は前記真空容器と前記導波管との間の空間に設置された請求項１に記載の電磁波発生装置。
【請求項3】
前記駆動機構は前記真空容器の外部に設置された駆動装置により駆動される請求項２に記載の電磁波発生装置。
【請求項4】
前記第二陽極は、前記導波管に設けられ、管軸と平行な方向に延びるスリットを貫通する支持部材を介して前記導波管の外部に配置された陽極ホルダーにより支持され、前記陽極ホルダーが前記駆動機構により移動される請求項２に記載の電磁波発生装置。
【請求項5】
前記第二陽極は、前記導波管に設けられ、管軸と平行な方向に延びるスリットを貫通する支持部材を介して前記導波管の外部に配置された陽極ホルダーにより支持され、前記陽極ホルダーが前記駆動機構により移動される請求項３に記載の電磁波発生装置。
【請求項6】
前記導波管は、内部を真空に保持することが可能で前記導波管の管軸と平行な方向に伸縮可能な金属製のベロウズにより構成され、前記第二陽極は前記ベロウズに固定されるとともに、前記ベロウズの外部に前記駆動機構が設けられた請求項１に記載の電磁波発生装置。
【請求項7】
前記第二陽極が、前記導波管の管軸方向に複数配置された請求項１から６のいずれか１項に記載の電磁波発生装置。
【請求項8】
複数の前記第二陽極は、前記駆動機構により、それぞれ単独で前記導波管の管軸と平行な方向に移動されるよう構成された請求項７に記載の電磁波発生装置。
【請求項9】
前記第一陽極が、前記導波管の外部に設置された駆動機構により、真空中に設置された状態で前記導波管の管軸と平行な方向に移動されるよう構成され、前記第一陽極および前記第二陽極はそれぞれ単独で前記導波管の管軸と平行な方向に移動されるよう構成された請求項１から６のいずれか１項に記載の電磁波発生装置。
【請求項10】
前記第一陽極が、前記導波管の外部に設置された駆動機構により、真空中に設置された状態で前記導波管の管軸と平行な方向に移動されるよう構成され、前記第一陽極および複数の前記第二陽極はそれぞれ単独で前記導波管の管軸と平行な方向に移動されるよう構成された請求項７に記載の電磁波発生装置。
【請求項11】
前記陰極と前記第一陽極との間にパルス電圧を印加する高電圧パルス電源と、
前記導波管から出力される前記電磁パルスの強度を検出する電磁パルスモニタと、
設定される電磁パルスの周波数と前記電磁パルスモニタからの検出信号に基づいて、前記高電圧パルス電源と、前記駆動機構とを制御する制御器と
を備えた請求項１から６のいずれか１項に記載の電磁波発生装置。
前記導波管から出力される前記電磁パルスの強度を検出する電磁パルスモニタと、
設定される電磁パルスの周波数と前記電磁パルスモニタからの検出信号に基づいて、前記高電圧パルス電源と、前記駆動機構とを制御する制御器と
を備えた請求項１から６のいずれか１項に記載の電磁波発生装置。
【請求項12】
前記陰極と前記第一陽極との間にパルス電圧を印加する高電圧パルス電源と、
前記導波管から出力される前記電磁パルスの強度を検出する電磁パルスモニタと、
設定される電磁パルスの周波数と前記電磁パルスモニタからの検出信号に基づいて、前記高電圧パルス電源と、前記駆動機構とを制御する制御器と
を備えた請求項７に記載の電磁波発生装置。
前記導波管から出力される前記電磁パルスの強度を検出する電磁パルスモニタと、
設定される電磁パルスの周波数と前記電磁パルスモニタからの検出信号に基づいて、前記高電圧パルス電源と、前記駆動機構とを制御する制御器と
を備えた請求項７に記載の電磁波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、電磁波発生装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
高出力の電磁波を発生させる電磁波発生装置として、仮想陰極発振器（バーカトール、Ｖｉｒｃａｔｏｒ）と呼ばれる電子管が知られている。仮想陰極発振器では、真空に保たれた導波管内に空間電荷制限電流を越える電子ビームを入射する。このように入射した電子は、導波管内部に集群して仮想陰極を形成する。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）。
【0003】
仮想陰極発振器を高出力にする技術として、仮想陰極発振器の導波管内部に、１つ以上の、電子は透過し電磁波を反射する陽極を設ける技術がある（例えば、特許文献２参照）。導波管内部に陽極を設けた仮想陰極発振器では、仮想陰極から放射されて導波管内部の陽極を透過した電子ビームがさらに新たな仮想陰極を形成する。仮想陰極発振器は、仮想陰極を複数形成させることにより、より高出力の電磁パルスを発生させる。
【0004】
このような仮想陰極発振器から発生する電磁波の周波数、出力強度は目的に応じて変更する場合がある。仮想陰極発振器で生成された仮想陰極において、プラズマの振動周期が電磁波の周波数となる。陽極の間隔は、発生する電磁波の状態に応じて調整する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開平５－２６６８１０号公報
【特許文献2】国際公開第２００６／０３７９１８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
電磁波の周波数、出力強度を変更するためには、電子への印加電圧、陰極－陽極間距離の調整を行う。上記のように、発生した電磁波が導波管内部の陽極を通過して効率良く高出力の電磁波にするためには、導波管内部の陽極の位置を調整する必要がある。陽極が設置されている導波管内は真空が保持されている。このため、陽極の位置を変えるためには、導波管内の真空を破って一旦大気の状態にする作業が必要であり、作業が煩雑である。また、電磁波の出力を確認しながら導波管内部の陽極の位置を調整することができない。
【0007】
本開示は、上記の課題を解決するものであり、導波管内の真空状態を維持したまま導波管内部の陽極の位置を調整できる電磁波発生装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本開示の電磁波発生装置は、陰極と、前記陰極に対向して配置され電子が通過可能な第一陽極と、この第一陽極の前記陰極とは反対側に接続された電磁波を導波する中空の導波管とを備え、前記陰極と前記第一陽極との間に高電圧パルスを印加して前記陰極から電子を引き出し、当該電子を前記第一陽極の方向に輸送し、前記第一陽極を通過した電子が前記導波管の内側で集群することにより仮想陰極を形成して電磁パルスが発生する電磁波発生装置において、
前記導波管の内部に少なくとも１個の第二陽極が設置され、前記第二陽極は、前記導波管の外部に設置された駆動機構により、真空中に設置された状態で前記導波管の管軸と平行な方向に移動されるよう構成されたものである。
前記導波管の内部に少なくとも１個の第二陽極が設置され、前記第二陽極は、前記導波管の外部に設置された駆動機構により、真空中に設置された状態で前記導波管の管軸と平行な方向に移動されるよう構成されたものである。
【発明の効果】
【0009】
本開示の電磁波発生装置によれば、導波管内の真空状態を維持したまま導波管内部の陽極の位置の調整が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】実施の形態１による電磁波発生装置の構成を、内部を透視して示す斜視図である
【図2】実施の形態１による電磁波発生装置の構成を示す断面図である。
【図3】実施の形態１による電磁波発生装置の第二陽極および陽極ホルダーの構成を示す導波管の管軸に垂直な断面の拡大図である。
【図4】実施の形態１による電磁波発生装置の別の構成の第二陽極および陽極ホルダーの構成を示す導波管の管軸に垂直な断面の拡大図である。
【図5】実施の形態１による電磁波発生装置のさらに別の構成の第二陽極および陽極ホルダーの構成を示す導波管の管軸に垂直な断面の拡大図である。
【図6】実施の形態１による電磁波発生装置の第二陽極を導波管に挿入する方法を説明する断面図である。
【図7】実施の形態１による電磁波発生装置の別の構成を示す断面図である。
【図8】実施の形態２による電磁波発生装置の構成を示す断面図である。
【図9】実施の形態３による電磁波発生装置の構成を示す断面図である。
【図10】実施の形態４による電磁波発生装置の制御系の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
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１００の構成を、内部を透視して示す斜視図、図２は導波管の管軸を含む断面により示す断面図である。電磁波発生装置１００は、陰極１と、この陰極１に対向して設置された第一陽極２とを備え、第一陽極２の陰極１の反対側（下流）（陰極１に近い側を上流、陰極１から遠い側を下流と呼ぶことにする）には導波管３が設けられている。陰極１と第一陽極２とは電気的に絶縁されるよう、間に碍子１５が設けられている。導波管３の、第一陽極２が設けられている端部とは反対側の端部には電磁パルス７０を透過させる出力窓３１が設けられている。陰極１と第一陽極２の間の空間、および導波管３の内部は真空状態が保持されるように、陰極１、第一陽極２、導波管３の少なくとも一部、は真空容器４内に配置されており、導波管３の端に設けられている出力窓３１は導波管３と、気密に固定されている。
図１は、実施の形態１による電磁波発生装置１００の構成を、内部を透視して示す斜視図、図２は導波管の管軸を含む断面により示す断面図である。電磁波発生装置１００は、陰極１と、この陰極１に対向して設置された第一陽極２とを備え、第一陽極２の陰極１の反対側（下流）（陰極１に近い側を上流、陰極１から遠い側を下流と呼ぶことにする）には導波管３が設けられている。陰極１と第一陽極２とは電気的に絶縁されるよう、間に碍子１５が設けられている。導波管３の、第一陽極２が設けられている端部とは反対側の端部には電磁パルス７０を透過させる出力窓３１が設けられている。陰極１と第一陽極２の間の空間、および導波管３の内部は真空状態が保持されるように、陰極１、第一陽極２、導波管３の少なくとも一部、は真空容器４内に配置されており、導波管３の端に設けられている出力窓３１は導波管３と、気密に固定されている。
【0012】
導波管３は、円形導波管であり、その軸（導波管３の管軸）Ｚ－ｚは、透過窓３１と交叉する。陰極１は、導波管３の軸Ｚ－ｚの延長上にある。第一陽極２、真空容器４、導波管３は電気的に接続され、同電位に保たれている。通常、真空容器４は接地電位とするため、第一陽極２の電位も接地電位となる。導波管３の内部には、管軸方向に第一陽極２の側から順に、第二陽極２１および第二陽極２２の２つの陽極が配置されている。第二陽極２１および第二陽極２２は導波管３と同電位、すなわち第一陽極２と同電位になるよう構成されている。導波管３内部に設置されている第二陽極２１および第二陽極２２は、導波管３の外部に設けられた駆動機構５１および駆動機構５２により導波管の管軸と平行な方向に移動可能となっている。
【0013】
駆動機構５１は、駆動軸５１１、ギア５１２、ハンドル５１３、およびハンドル５１３の回転軸を、気密を保って真空容器４を貫通して回転可能にする磁性流体シール５１４、から構成されている。駆動機構５１のうち、少なくとも駆動軸５１１およびギア５１２は真空容器４の内部に配置されている。駆動機構５１を駆動する駆動装置であるハンドル５１３は、真空容器４の外部に設置され、ハンドル５１３を回転することにより、ギア５１２を介して駆動軸５１１が回転するよう構成されている。駆動軸５１１は第二陽極２１を支える陽極ホルダー２１１、および第二陽極２２を支える陽極ホルダー２２１を貫通している。陽極ホルダー２１１および駆動軸５１１には、貫通する部分にねじが設けられ、駆動軸５１１が回転することにより陽極ホルダー２１１が駆動軸５１１の延びる方向、すなわち導波管３の管軸と平行な方向に移動するよう構成されている。陽極ホルダー２２１の駆動軸５１１が貫通する部分は単なる貫通穴（バカ穴）となっている。駆動機構５２は、駆動機構５１と同様の構成であり、駆動軸５２１、ギア５２２、ハンドル５２３、および磁性流体シール５２４から構成されている。駆動軸５２１は第二陽極２１を支える陽極ホルダー２１１、および第二陽極２２を支える陽極ホルダー２２１を貫通している。陽極ホルダー２２１および駆動軸５２１には、貫通する部分にねじが設けられ、駆動軸５２１が回転することにより陽極ホルダー２２１が導波管３の管軸と平行な方向に移動するよう構成されている。陽極ホルダー２１１の駆動軸５２１が貫通する部分は単なる貫通穴（バカ穴）となっている。駆動軸５１１および駆動軸５２１は、真空容器４の下流側の端部の壁に、駆動軸が回転可能なように、例えば軸受けを介して固定されている。以上のように、駆動機構５１および５２は、駆動装置であるハンドル５１３および５２３が真空容器４の外部に設置され、磁性流体シール５１４により気密を保って、外部に設置された駆動装置により駆動されるように構成されている。
【0014】
図３は、第二陽極２１の部分の、導波管３の管軸に垂直な断面を示す拡大図である。第二陽極２１は、電子が透過しやすい金属メッシュあるいはμｍ程度の厚みを持つ金属薄膜にて構成される。第二陽極２１は４方向から、陽極ホルダー２１１に固定されている支持部材２１２により陽極ホルダー２１１の中央に支持されている。支持部材２１２は、導波管３の管壁に設けられたスリット３２を貫通して陽極ホルダーに固定されている。スリット３２は、導波管３の管軸と平行な方向に、第二陽極２１の移動可能な距離以上の長さに延びるスリットである。第二陽極２２の部分の断面も図３と同様である。なお、図３では、第二陽極２１を支持するため、４方向から支持部材２１２により支持する構成を例として示しているが、第二陽極２１を固定できれば、４方向から支持する構成でなくても例えば３方向から、あるいは２方向から支持する構成でもよい。
【0015】
図４は、実施の形態１による別の構成による第二陽極２１の部分の、導波管３の管軸に垂直な断面を示す拡大図である。図４に示すように、駆動軸５１１、および駆動軸５２１の周方向の位置は、支持部材２１２と同じ周方向の位置に設定する必要は無く、任意に設定できる。したがって、例えば第二陽極が３個ある場合は、図５に示すように、３つ目の第二陽極を駆動するための駆動軸５５１を含めて、駆動軸５１１、５２１、および５５１を周方向の適当な位置に設定することができる。
【0016】
電磁波発生装置１００は、真空状態において第一陽極２と陰極１との間に、高電圧パルス電源１０から高電圧パルスが印加されることにより電子ビームを発生させる。第一陽極２は、電子が透過しやすい金属メッシュあるいはμｍ程度の厚みを持つ金属薄膜にて構成される。電磁波発生装置１００は、真空状態において導波管３の内部で電磁パルスを発生させる。したがって、陰極１と第一陽極２の間、および導波管３の内部は、予め決められた真空度以下の真空度に保たれている必要がある。真空度を保つため、陰極１と第一陽極２、および導波管３は真空容器４の内部に収納されている。また、駆動機構５１および５２のうち、少なくとも駆動軸５１１および５２１は真空容器４の内部に収納されている。駆動機構５１および５２の、真空容器４の壁を貫通する部分にはそれぞれ磁性流体シール５１４および５２４を有し、気密を保って駆動軸５１１および５２１を外部から回転駆動できるようにしている。
【0017】
図６は、第二陽極２１を導波管３内に設置するときの方法を説明する断面図である。導波管を覆う真空容器４が陰極側の真空容器４と結合されていない状態で、支持部材２１２により陽極ホルダー２１１に支持されている第二陽極２１を、導波管３の陰極側の端部から挿入する。導波管３には、支持部材２１２が挿入される位置に陰極側の端部までスリットが形成されている。支持部材２１２が導波管３に形成されたスリットを貫通した状態で、例えば駆動軸５１１を回転させながら、所定の位置まで挿入される。図６では、第二陽極２２がすでに挿入された状態を図示しているが、第二陽極２２も同様の方法で挿入することができる。第二陽極２１および第二陽極２２を設置した後、図６に示す真空容器４を陰極側の真空容器４と気密結合する。
【0018】
図７は、実施の形態１による電磁波発生装置１００の別の構成を示す、導波管の管軸を含む断面図である。図７に示す電磁波発生装置１００は、図２に示す電磁波発生装置１００と、駆動機構５１、５２が異なり、その他の構成は図２に示す電磁波発生装置１００と同様である。図７における駆動機構５１および駆動機構５２は、真空容器４の出力窓３１側の、導波管３の管軸に垂直な壁に磁性流体シール５１４および５２４が挿入され、外部のハンドル５１３および５２３を回すことにより、ハンドル５１３および５２３のそれぞれの回転軸と同じ軸を有する駆動軸５１１および５２１が回転されるように構成されている。図２に示す構成と同じように、駆動軸５１１を回転させることにより、陽極ホルダー２１１が移動し、駆動軸５２１を回転させることにより陽極ホルダー２２１が移動する。図４の駆動機構５１および５２も、図２と同様、真空容器４の壁を貫通する部分にそれぞれ磁性流体シール５１４および５２４を有し、気密を保って駆動軸５１１および５２１を外部から回転駆動できるようにしている。
【0019】
図２および図７の電磁波発生装置１００において、駆動機構５１および５２の少なくとも駆動軸５１１および５２１が真空容器４の内部に配置され、それぞれ真空容器４の壁を貫通する磁性流体シール５１４および５２４を介して真空容器４の外部からハンドル５１３およびハンドル５２３のような駆動装置により駆動軸５１１および５２１を回転駆動して、真空容器４の内部の真空度を保ったまま、第二陽極２１および２２の位置をそれぞれ単独で移動させることができる。駆動装置であるハンドル５１３および５２３は、モーターなど電動制御できる駆動装置であってもよい。
【0020】
次に、電磁波発生装置１００の動作を説明する。真空容器４の内部は、気圧が、例えば、０．１ｍＰａ程度の高真空に保たれている。この状態で、高電圧パルス電源１０により第一陽極２と陰極１との間に、パルス幅が数１０ｎｓ～１００ｎｓ程度のパルス状の高電圧（数１００ｋＶ以上）が印加される。高電圧パルスが印加されると、陰極１から第一陽極２に向けて電子が引き出され、電子ビーム２０が生成される。電子ビーム２０は、第一陽極２を抜けて導波管３の内部に入射する。このとき、電子ビームの電流が以下の式（１）で表す導波管３内の空間電荷制限電流Ｉｃを越えると、導波管３の内部に、仮想陰極６が形成される。
Ic = 8.5×(γ2/3 - 1)2/3 / ln(r/b) [kA] （１）
Ic = 8.5×(γ2/3 - 1)2/3 / ln(r/b) [kA] （１）
【0021】
ただし、式（１）において、γ、ｒ、ｂは、それぞれ、電子のローレンツ因子、導波管半径、電子ビーム半径である。電子のローレンツ因子γは印可電圧Ｖ、電気素量ｅ、電子質量me、光速度ｃを用いて以下の式（２）の通り表される。
γ = １＋eV/（mec2） （２）
γ = １＋eV/（mec2） （２）
【0022】
仮想陰極６は空間的に電子が集群した領域である。そのため、第一陽極２を抜けて仮想陰極６に向かう電子は、仮想陰極６の電位により減速し、反射する。その結果、陰極１と仮想陰極６との間で、電子が振動運動を行い、電磁パルスが発生する。
【0023】
仮想陰極６は、第一陽極２と第二陽極２１の間に形成されるよう第一陽極２と第二陽極２１の距離を設定する。電子は、さらに第二陽極２１を抜けて、第二陽極２１と第二陽極２２の間に仮想陰極６１を形成する。第二陽極２２を抜けた電子は、第二陽極２２の下流にさらに仮想陰極６２を形成することもある。このようにして電子と電磁波の相互作用により、下流において高出力の電磁パルス７０となり、出力窓３１から電磁パルスが出射される。
【0024】
第一陽極２と陰極１との間の距離ｄと、電磁パルスの周波数ｆとの間には、式（３）の関係がある。
f = c/(2πd) ln[γ+(γ2-1)1/2] （３）
f = c/(2πd) ln[γ+(γ2-1)1/2] （３）
【0025】
また、第一陽極２と陰極１との間の距離ｄと、陰極１の表面の面積Ａに対し、高電圧パルス電源１０から見た電磁波発生装置１００のインピーダンスは、以下の式（４）のように表される。
Z = 0.429・106d2/(AV1/2) （４）
Z = 0.429・106d2/(AV1/2) （４）
【0026】
このため、電磁波発生装置１００で発生しようとする電磁パルスの周波数および高電圧パルス電源１０のインピーダンスにあわせて距離ｄおよび面積Ａが調整される。
【0027】
電磁波発生装置１００で発生させる電磁パルスの周波数は、式（３）となるため、電磁パルスの周波数を変更する場合は、第一陽極２と陰極１との間の距離ｄ、もしくは導波管を通過する電子のエネルギー、すなわち第一陽極２と陰極１間の印加電圧Ｖを調整する必要がある。例えば距離ｄ=１０[mm]を固定したとき、周波数３[GHz]の電磁パルスを発生させる場合は、電圧Ｖ=８０[kV]に調整し、周波数４[GHz]の電磁パルスを発生させる場合は、電圧Ｖ=２００[kV]に調整する。また、電圧Ｖ＝２００[kV]で固定したときは、周波数３[GHz]を発生させる場合は、距離ｄ=１３[mm]に調整し、周波数４[GHz]の電磁パルスを発生させる場合は、距離ｄ=１０[mm]に調整する。電磁パルスが導波管３を通過するためには、電磁波の周波数が導波管３の遮断周波数以上である必要がある。発振する電磁波はＴＭモードである。単一モードで電磁波を発振させるために、導波管の遮断現象を利用し、通常は基底モードであるＴＭ０１モードを発振させる。そのためには、発振する電磁波の周波数ｆを下記の通り選択する必要がある。
【0028】
f01 < f < f02 （5）
ただし、f01、f02はそれぞれＴＭ０１モード、ＴＭ０２モードの遮断周波数である。各モードの遮断周波数のうち、ＴＭ０２モードの遮断周波数f02が、基底モードであるＴＭ０１モードの遮断周波数f01に最も近い遮断周波数となる。遮断周波数は一般的にベッセル関数の根として与えられ、次のように導波管の半径rを用いて表される。
f01 = 1.20c/(rπ) （６）
f02 = 2.76c/(rπ) （７）
導波管３の半径ｒは一定であるので、電磁パルスの周波数を、f01とf02との間で変化させることができる。
ただし、f01、f02はそれぞれＴＭ０１モード、ＴＭ０２モードの遮断周波数である。各モードの遮断周波数のうち、ＴＭ０２モードの遮断周波数f02が、基底モードであるＴＭ０１モードの遮断周波数f01に最も近い遮断周波数となる。遮断周波数は一般的にベッセル関数の根として与えられ、次のように導波管の半径rを用いて表される。
f01 = 1.20c/(rπ) （６）
f02 = 2.76c/(rπ) （７）
導波管３の半径ｒは一定であるので、電磁パルスの周波数を、f01とf02との間で変化させることができる。
【0029】
導波管３のモードがＴＭ０１モードの場合、導波管３の壁面電流は導波管の管軸方向の成分のみである。第二陽極２１および第二陽極２２を支持する支持部材２１２および支持部材２２２が導波管３を貫通する部分に設けられているスリット３２は、管軸方向に長く幅が細いため、壁面電流を乱すことがほとんど無く、電磁パルスの損失への影響および外部への放射の問題がほとんどない。また、図６の説明で記載したように、スリット３２を導波管３の例えば陰極側の端部まで切っておくと、第二陽極２１および２２を容易に挿入でき、第二陽極の設置が簡単にできる。このような長いスリットであっても、電磁パルスの損失への影響および外部への放射の問題はほとんどない。
【0030】
電磁パルスの周波数が目的とした周波数になるよう、陰極１と第一陽極間の距離ｄ、または第一陽極２と陰極１間の印加電圧Ｖを調整する。陰極１と第一陽極間の距離は、例えば、陰極１を導波管３の管軸と平行な方向に移動可能として、陰極１の位置を移動させることにより調整可能である。または後述するように第一陽極２を移動可能とすることによっても調整可能である。
【0031】
第一陽極２と第二陽極２１の間の距離Ｄ１として、電磁パルスの出力が大きくなるよう第二陽極２１の位置を設定する。第一陽極２と第二陽極２１の間には、仮想陰極６が形成されるため、形成される仮想陰極６の状態により第二陽極２１の位置を最適化する必要がある。また、第二陽極２１と第二陽極２２の間の距離Ｄ２も電磁パルスの出力に影響する。したがって、第二陽極２２の位置も最適化する必要がある。第二陽極２１と第二陽極２２の間には、仮想陰極６１が形成される。仮想陰極６と仮想陰極６１とは、形成される領域および電子密度が異なるため、第一陽極２と第二陽極２１の間の距離Ｄ１と、第二陽極２１と第二陽極２２の間の距離Ｄ２の最適値は通常異なる。
【0032】
真空容器４内部の真空度を保ったまま、第二陽極２１は駆動機構５１により移動させ、第二陽極２２は駆動機構５２により移動させるように構成されている。したがって、真空容器４の内部の真空度を保ったままそれぞれの第二陽極を移動させることができるため、電磁パルスを発生させ、例えば、電磁パルスの出力を検知しながら、それぞれの第二陽極の最適位置を探査して、第二陽極２１と第二陽極２２の位置を決定することができる。
【0033】
以上のように、実施の形態１の電磁波発生装置によれば、導波管３内に設置されている第二陽極２１および第二陽極２２の位置を、真空容器４内部の真空度を保ったまま移動可能としたことにより、真空を破って導波管内に設置された第二陽極の位置を移動させることなく、第二陽極の位置を発生させる電磁パルスの周波数に適した位置に設定できるので、導波管の真空を保ったままで、目的の周波数を変更することができる。
【0034】
実施の形態２．
図８は、実施の形態２に係る電磁波発生装置２００の構成を示す、導波管の管軸を含む断面図である。電磁波発生装置２００は、導波管を、伸縮可能な金属製のベロウズ３０で構成している。第二陽極２１および２２はそれぞれ支持部材２１２および２２２を介してベロウズ３０の内側に支持されている。第二陽極２１が固定されている位置のベロウズ３０の外側に陽極ホルダー２１１がベロウズ３０に固定され、第二陽極２２が固定されている位置のベロウズ３０の外側に陽極ホルダー２２１がベロウズ３０に固定されている。それぞれの部材のベロウズ３０への固定は、例えばロウ付けなどにより行われている。
図８は、実施の形態２に係る電磁波発生装置２００の構成を示す、導波管の管軸を含む断面図である。電磁波発生装置２００は、導波管を、伸縮可能な金属製のベロウズ３０で構成している。第二陽極２１および２２はそれぞれ支持部材２１２および２２２を介してベロウズ３０の内側に支持されている。第二陽極２１が固定されている位置のベロウズ３０の外側に陽極ホルダー２１１がベロウズ３０に固定され、第二陽極２２が固定されている位置のベロウズ３０の外側に陽極ホルダー２２１がベロウズ３０に固定されている。それぞれの部材のベロウズ３０への固定は、例えばロウ付けなどにより行われている。
【0035】
図８の構成では、ベロウズ３０を気密とすることにより、ベロウズ３０の外側は大気に解放されている。真空容器４０とベロウズ３０を気密に接合することにより、真空容器４０は、陰極１と第一陽極２の間の空間を覆うように構成すればよい。
【0036】
図８の構成では、第二陽極２１および第二陽極２２を移動可能で、かつ調整した位置に固定するため、端板４５に固定され、導波管の管軸と平行な方向に延びた位置調整ねじ５１２を２本、駆動機構として備えている。位置調整ねじ５１２は、陽極ホルダー２１１および２２１を貫通している。陽極ホルダー２１１および２２１は、この貫通部分で、両側からナットで抑えることにより位置調整ねじ５１２に固定されている。固定される位置は、ナットを回すことにより、自由に移動させることができる。また、図７と同様の駆動機構を大気中に設置することにより、導波管の管軸、すなわちベロウズ３０の中心軸と平行な方向に移動させるようにしてもよい。この場合、駆動機構は、大気中において、例えば真空容器４０が固定されている基台に固定されている端板４５に、それぞれ、通常の軸受けを用いて取り付けることができる。
【0037】
実施の形態２に係る電磁波発生装置２００によれば、導波管を、ベロウズ３０で構成することにより、第二陽極２１および２２の位置を移動させるための駆動機構を真空中に設置することなく、真空中に設置されている第二陽極２１および第二陽極２２を移動させることができる。
【0038】
実施の形態３．
図９は、実施の形態３に係る電磁波発生装置３００の構成を示す、導波管の管軸を含む断面図である。電磁波発生装置３００は、第一陽極２の位置を移動可能としている。また、第二陽極は第一陽極２に近い側の第二陽極２１のみを備えている。ただし、第二陽極は２つ以上備えられても良いのは言うまでもない。
図９は、実施の形態３に係る電磁波発生装置３００の構成を示す、導波管の管軸を含む断面図である。電磁波発生装置３００は、第一陽極２の位置を移動可能としている。また、第二陽極は第一陽極２に近い側の第二陽極２１のみを備えている。ただし、第二陽極は２つ以上備えられても良いのは言うまでもない。
【0039】
第一陽極２は図３と同様の構成により、陽極ホルダー２０１に支持されている。すなわち、第一陽極２は４方向から、陽極ホルダー２０１に固定されている支持部材２０２により支えられている。支持部材２０２は、導波管３の管壁に設けられたスリットを貫通して陽極ホルダー２０１に固定されている。このスリットは、導波管３の管軸と平行な方向に、第一陽極２の移動可能な距離以上の長さに延びるスリットである。
【0040】
第一陽極２は、駆動機構５４により位置を移動させられる。駆動機構５４は、図２に示した駆動機構５１と同様であり、駆動軸５４１、ギア５４２、ハンドル５４３、磁性流体シール５４４から構成されている。図９に示すように駆動機構５４は上下２個備えられている。それぞれの駆動軸５４１は、第二陽極２１の陽極ホルダー２１１を貫通し、第一陽極２の陽極ホルダー２０１の貫通部にはねじが設けられ、駆動軸５４１が回転することにより、陽極ホルダー２０１が、導波管３の管軸と平行な方向に移動する構成となっている。
【0041】
同様に、第二陽極２１は、陽極ホルダー２１１により支持されており、上下に設けられた２つの駆動機構５３により、導波管３の管軸と平行な方向に移動する構成となっている。駆動機構５３は、図２に示した駆動機構５１と同様であり、駆動軸５３１、ギア５３２、ハンドル５３３、磁性流体シール５３４から構成されている。それぞれの駆動軸５３１は、第二陽極２１の陽極ホルダー２１１の貫通部にはねじが設けられ、駆動軸５３１が回転することにより、陽極ホルダー２１１が移動する。
【0042】
図９に示す駆動機構の構成、すなわち複数の陽極を移動させる構成は、実施の形態１あるいは実施の形態２の複数の第二陽極を移動させる電磁波発生装置に適用することができるのは言うまでもない。また、実施の形態１あるいは実施の形態２の複数の第二陽極を移動させる構成を、第一陽極と第二陽極を移動させる構成に適用することもできる。
【0043】
式（３）に示すように、陰極１と第一陽極２との間の距離ｄを変化させると、電磁パルスの周波数を変化させることができる。したがって、第一陽極２の位置を変化させて、電磁パルスの周波数を所望の周波数とするとともに、電磁パルスの周波数に合わせて第二陽極２１の位置を変化させることにより、所望の周波数の高出力の電磁パルスを効率高く発生させることができる。
【0044】
実施の形態４．
図１０は実施の形態４による電磁波発生装置の構成を、断面図および制御系統をブロック図で示す図である。図１０において、電磁波発生装置の要部は図２の構成を例として示し、制御系統をブロック図として付加している。ただし、図２に示した駆動機構５１の駆動装置としてのハンドル５１３、および駆動機構５２の駆動装置としてのハンドル５２３は、それぞれモーター５１５およびモーター５２５に置き換えている。駆動装置としてのモーター５１５および５２５は、制御器８０により制御される。
図１０は実施の形態４による電磁波発生装置の構成を、断面図および制御系統をブロック図で示す図である。図１０において、電磁波発生装置の要部は図２の構成を例として示し、制御系統をブロック図として付加している。ただし、図２に示した駆動機構５１の駆動装置としてのハンドル５１３、および駆動機構５２の駆動装置としてのハンドル５２３は、それぞれモーター５１５およびモーター５２５に置き換えている。駆動装置としてのモーター５１５および５２５は、制御器８０により制御される。
【0045】
制御器８０は、高電圧パルス電源１０の電圧を、発生する電磁パルスが所望の周波数となる電圧に設定する。実際に高電圧パルス電源１０により陰極１と第一陽極２の間に、設定された電圧を印加して電磁パルスを発生させ、出力窓３１から出射される電磁パルスを電磁パルスモニタ９０で検出する。制御器８０は、駆動装置であるモーター５１５、およびモーター５２５を制御し、第二陽極２１および第二陽極２２の位置を移動させながら、電磁パルスモニタ９０からの信号が最大となる位置を探索して、第二陽極２１および第二陽極２２の位置を決定する。
【0046】
以上のように、実施の形態４による電磁波発生装置１００は、出力される電磁パルスを検知する電磁パルスモニタ９０の出力を入力信号とする制御器８０を備え、制御器８０が、陰極１と第一陽極２の間に印加するパルス電圧を発生する高電圧パルス電源１０の電圧を設定し、電磁パルスモニタ９０の出力信号をモニタしながら第二陽極２１および第二陽極２２のそれぞれの駆動機構５１および５２を制御するように構成したので、真空容器４の真空を破ることなく、それぞれの第二陽極の適切な位置を探索することができる。
【0047】
本開示には、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。
【0048】
以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。
（付記１）
陰極と、前記陰極に対向して配置され電子が通過可能な第一陽極と、この第一陽極の前記陰極とは反対側に接続された電磁波を導波する中空の導波管とを備え、前記陰極と前記第一陽極との間に高電圧パルスを印加して前記陰極から電子を引き出し、当該電子を前記第一陽極の方向に輸送し、前記第一陽極を通過した電子が前記導波管の内側で集群することにより仮想陰極を形成して電磁パルスが発生する電磁波発生装置において、
前記導波管の内部に少なくとも１個の第二陽極が設置され、前記第二陽極は、前記導波管の外部に設置された駆動機構により、真空中に設置された状態で前記導波管の管軸と平行な方向に移動されるよう構成された電磁波発生装置。
（付記２）
前記導波管は、真空容器の内部に設置され、前記駆動機構の少なくとも一部は前記真空容器と前記導波管との間の空間に設置された付記１に記載の電磁波発生装置。
（付記３）
前記駆動機構は前記真空容器の外部に設置された駆動装置により駆動される付記２に記載の電磁波発生装置。
（付記４）
前記第二陽極は、前記導波管に設けられたスリットを貫通する支持部材を介して前記導波管の外部に配置された陽極ホルダーにより支持され、前記陽極ホルダーが前記駆動機構により移動される付記２または３に記載の電磁波発生装置。
（付記５）
前記導波管は、内部を真空に保持することが可能な金属製のベロウズにより構成され、前記第二陽極は前記ベロウズに固定されるとともに、前記ベロウズの外部に前記駆動機構が設けられた付記１に記載の電磁波発生装置。
（付記６）
前記第二陽極が、前記導波管の管軸方向に複数配置された付記１から５のいずれかに記載の電磁波発生装置。
（付記７）
複数の前記第二陽極は、前記駆動機構により、それぞれ単独で前記導波管の管軸と平行な方向に移動されるよう構成された付記６に記載の電磁波発生装置。
（付記８）
前記第一陽極が、前記導波管の外部に設置された駆動機構により、真空中に設置された状態で前記導波管の管軸と平行な方向に移動されるよう構成され、前記第一陽極および前記第二陽極はそれぞれ単独で前記導波管の管軸と平行な方向に移動されるよう構成された付記１から６のいずれかに記載の電磁波発生装置。
（付記９）
前記陰極と前記第一陽極との間にパルス電圧を印加する高電圧パルス電源と、
前記導波管から出力される前記電磁パルスの強度を検出する電磁パルスモニタと、
設定される電磁パルスの周波数と前記電磁パルスモニタからの検出信号に基づいて、前記高電圧パルス電源と、前記駆動機構とを制御する制御器と
を備えた付記１から８のいずれかに記載の電磁波発生装置。
（付記１）
陰極と、前記陰極に対向して配置され電子が通過可能な第一陽極と、この第一陽極の前記陰極とは反対側に接続された電磁波を導波する中空の導波管とを備え、前記陰極と前記第一陽極との間に高電圧パルスを印加して前記陰極から電子を引き出し、当該電子を前記第一陽極の方向に輸送し、前記第一陽極を通過した電子が前記導波管の内側で集群することにより仮想陰極を形成して電磁パルスが発生する電磁波発生装置において、
前記導波管の内部に少なくとも１個の第二陽極が設置され、前記第二陽極は、前記導波管の外部に設置された駆動機構により、真空中に設置された状態で前記導波管の管軸と平行な方向に移動されるよう構成された電磁波発生装置。
（付記２）
前記導波管は、真空容器の内部に設置され、前記駆動機構の少なくとも一部は前記真空容器と前記導波管との間の空間に設置された付記１に記載の電磁波発生装置。
（付記３）
前記駆動機構は前記真空容器の外部に設置された駆動装置により駆動される付記２に記載の電磁波発生装置。
（付記４）
前記第二陽極は、前記導波管に設けられたスリットを貫通する支持部材を介して前記導波管の外部に配置された陽極ホルダーにより支持され、前記陽極ホルダーが前記駆動機構により移動される付記２または３に記載の電磁波発生装置。
（付記５）
前記導波管は、内部を真空に保持することが可能な金属製のベロウズにより構成され、前記第二陽極は前記ベロウズに固定されるとともに、前記ベロウズの外部に前記駆動機構が設けられた付記１に記載の電磁波発生装置。
（付記６）
前記第二陽極が、前記導波管の管軸方向に複数配置された付記１から５のいずれかに記載の電磁波発生装置。
（付記７）
複数の前記第二陽極は、前記駆動機構により、それぞれ単独で前記導波管の管軸と平行な方向に移動されるよう構成された付記６に記載の電磁波発生装置。
（付記８）
前記第一陽極が、前記導波管の外部に設置された駆動機構により、真空中に設置された状態で前記導波管の管軸と平行な方向に移動されるよう構成され、前記第一陽極および前記第二陽極はそれぞれ単独で前記導波管の管軸と平行な方向に移動されるよう構成された付記１から６のいずれかに記載の電磁波発生装置。
（付記９）
前記陰極と前記第一陽極との間にパルス電圧を印加する高電圧パルス電源と、
前記導波管から出力される前記電磁パルスの強度を検出する電磁パルスモニタと、
設定される電磁パルスの周波数と前記電磁パルスモニタからの検出信号に基づいて、前記高電圧パルス電源と、前記駆動機構とを制御する制御器と
を備えた付記１から８のいずれかに記載の電磁波発生装置。
【符号の説明】
【0049】
１００、２００、３００ 電磁波発生装置、１ 陰極、２ 第一陽極、３ 導波管、４ 真空容器、６、６１、６２ 仮想陰極、１０ 高電圧パルス電源、２１、２２ 第二陽極、３０ ベロウズ、５１、５２、５３、５４ 駆動機構、５１２ 位置調整ねじ（駆動機構）、５１３、５２３、５３３、５４３ ハンドル（駆動装置）、５１５、５２５ モーター（駆動装置）、７０ 電磁パルス、８０ 制御器、９０ 電磁パルスモニタ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】