(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス又は連続波形で増幅出力を発生するカスケード電圧増幅器であって、
ａ）少なくとも一つの非最終ステージはスイッチング手段兼クラスＡ又はＣ増幅手段として構成された電子管を含み、
ｂ）最終ステージはスイッチング手段兼クラスＡ又はＣ増幅手段として構成された電子管を含み、
ｃ）前記少なくとも一つの非最終ステージと前記最終ステージは直列接続され、
ｄ）前記増幅出力は少なくとも１０００ボルトの電圧を有し、
ｅ）各ステージは、円筒状の外側電極を含み、該円筒状の外側電極が少なくとも一つの同心円状で円筒状のグリッドを包囲し、該同心円状で円筒状のグリッドが更に同心円状で円筒状の内側電極を包囲し、
ｆ）前記円筒状の内側電極から前記円筒状のグリッドまでの半径方向の間隔は、これらの間に横方向の電磁モードを支持する円形のウェーブガイドを形成するように構成されており、
g）各非最終ステージはそれぞれ該非最終ステージの外側電極と該非最終ステージの後のステージの内側電極とを電気的に結合し、かつ、これらの主な機械的支持であるリンク構造を含み、該リンク構造は第1と第２の端部を有し、以下：
ｉ．前記第１と第２の端部の間に含まれる電気的相互接続；
ｉｉ．前記第１の端部は前のステージの外側電極を支持するための手段を含み；および
ｉｉｉ．前記第２の端部は後のステージの内側電極を支持するための手段を含む
ことを特徴とするカスケード電圧増幅器。
【請求項２】
前記少なくとも一つの非最終ステージと前記最終ステージは共通の真空エンクロージャ内に物理的に収容される
ことを特徴とする請求項１に記載のカスケード電圧増幅器。
【請求項３】
非最終ステージの数が２つである
ことを特徴とする請求項１に記載のカスケード電圧増幅器。
【請求項４】
非最終ステージの数が３つである
ことを特徴とする請求項１に記載のカスケード電圧増幅器。
【請求項５】
前記少なくとも一つの非最終ステージと前記非最終ステージは各々が冷陰極電界放射電子管を含む
ことを特徴とする請求項１に記載のカスケード電圧増幅器。
【請求項６】
各非最終ステージの前記リンク構造は一体型でギャップの無い連続構造である
ことを特徴とする請求項１に記載のカスケード電圧増幅器。
【請求項７】
前記電気的相互接続は電気的伝送線を含む
ことを特徴とする請求項１に記載のカスケード電圧増幅器。
【請求項８】
前記最終ステージは該最終ステージの外側電極と外部回路を電気的に結合し、かつ、これらの主たる機械的支持であるリンク構造を含み、該リンク構造は第１と第２の端部を有し、以下：
ａ）前記第１と第２の端部の間に含まれる電気的伝送線、
ｂ）前記第１の端部は前のステージの外側電極を支持するための手段を含むことを特徴とし、
ｃ）前記第２の端部は外部回路へ接続するための手段を含むことを特徴とし、
を含むことを特徴とする請求項１に記載のカスケード電圧増幅器。
【請求項９】
前記各非最終ステージのリンク構造は一体型でギャップの無い連続構造である
ことを特徴とする請求項８に記載のカスケード電圧増幅器。
【請求項１０】
前記外側電極はアノードであり前記内側電極はカソードである
ことを特徴とする請求項１に記載のカスケード電圧増幅器。
【請求項１１】
前記外側電極はカソードであり前記内側電極はアノードである
ことを特徴とする請求項１に記載のカスケード電圧増幅器。
【請求項１２】
前記非最終ステージの個数は２である
ことを特徴とする請求項１に記載のカスケード電圧増幅器。
【請求項１３】
前記非最終ステージの個数が３である
ことを特徴とする請求項１に記載のカスケード電圧増幅器。
【請求項１４】
共通の真空エンクロージャ内部にある複数のカスケード接続電子管ステージを起動する方法であって、前記方法は、
ａ）前記複数のカスケード接続電子管ステージを直列に、非最終ステージから最終ステージまで相互接続するステップであって、各非最終ステージにおいて電極が各々の電気的相互接続線により後続ステージの電極へ接続することを特徴とするステップと、
ｂ）前記各々の電気的相互接続線の少なくとも一つは前のステージの電極を後続のステージの電極へ電気的に結合し、かつ、それらの主たる機械的支持であるリンク構造を含むステップと、
ｃ）前記真空エンクロージャ内部に前記複数のカスケード接続電子管ステージを配置し前記エンクロージャから空気を排気するステップと、
ｄ）第１の直列接続ステージのカソードとアノードの間に電圧を掛けて該第１ステージへ電気的エネルギーを供給することにより、充分な量の前記エネルギーが何れかの中間ステージを通って前記最終ステージへ直列に伝搬し全電子管ステージの起動を容易にするようにするステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記第１の直列接続ステージの外側と内側の電極の間に電気的電圧を提供する前記ステップは、全ステージの起動を行うのに充分なエネルギーを供給する
ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
各リンク構造の全長は電気的伝送線を形成する
ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記電子管は冷陰極電界放射電子管である
ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記電気的相互接続は電気的伝送線を含む
ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
複数のカスケード接続電子管ステージはステージ数が３である
ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
複数のカスケード接続電子管ステージはステージ数が４である
ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、パルス又は連続波形で増幅出力を発生するクラスＡ又はクラスＣカスケード電圧増幅器に関係する。本発明はまたカスケード構造の複数の電子管ステージを起動する方法にも関係する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
高エネルギー高電圧パルスの生成は多くの近代的な電子用途で基本的な条件である。従来技術においてこの種のパルスを実現する回路としては以下のようなものが挙げられる:
１．コッククロフト−ウォルトン電圧増倍回路
２．マルクス発電機
３．パルスモジュレータ
前述の従来技術の回路は全て改良が望ましい問題を内包している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
コッククロフト−ウォルトン電圧増倍回路はもっとも簡単な種類の電圧増倍回路である。これは核物理実験用としてコッククロフトとウォルトンにより１９３２年に最初に作成され、コンデンサとダイオードによる電圧増倍回路はしご形ネットワークから形成されて高電圧を生成する。トランスとは異なり、コッククロフト−ウォルトン電圧増倍回路は鉄芯トランスを使用していない。発振回路、コンデンサ、ダイオードだけを使用しているこの電圧増倍回路は比較的低い電圧から超高電圧値までステップアップすることが可能で、その一方同時にトランスより軽量かつ安価である。このような電圧増倍回路では、カスケードの各ステージに掛かる電圧はピーク入力電圧の２倍だけに等しく、これによって比較的低コストのコンポーネントを使用することができる利点を有している。
【０００４】
しかしコッククロフト−ウォルトン電圧増倍回路は多数の欠点を有している。ステージ数が増加する程、高次ステージでの電圧に「サグ（sag）」が発生し始め、これは低次ステージでのコンデンサの交流インピーダンスが主たる原因である。出力電流を供給する場合、電圧リップルはステージ数が増えるほど急激に増加する。こうした理由から、超多ステージのコッククロフト−ウォルトン電圧増倍回路は比較的低い出力電流しか要求されない場合にのみ使用されるのが普通である。したがってこのような欠点を回避し高電圧パルスを実現する回路を提供することが望まれる。
【０００５】
マルクス発電機はもっと進化した種類の電圧増倍回路で、並列の複数のコンデンサを充電して、これらのコンデンサを直列に放電させることで成立している。並列−直列の切り替え動作は通常スパークギャップをスイッチとして使用することにより実現されている。高電圧および航空機用機器の試験中に雷の効果をシミュレーションするために広く使用されている。スパークギャップは最小限のジッタで（アークにより放射される）これらの間の最大紫外光（ＵＶ）交換のため可能な限り相互に接近させて配置される。
【０００６】
周知のマルクス発電機欠点としては、スパークギャップ・スイッチの損耗による信頼性の問題を抱えており、これにより動作が不安定になりジッタ量が増加する。これらの問題は重大な欠点である。前述の信頼性とジッタの問題を回避しつつ高電圧パルスを実現する回路を提供することが望ましい。
【０００７】
高電圧パルスを発生する第３の従来技術の回路はパルスモジュレータとして知られている。これは本来第２次世界大戦中にレーダーシステムの電源として開発されたものである。パルスモジュレータはパルス形成ネットワーク（PFN）を含み、これが比較的長時間にわたって電気エネルギーを蓄積し、貯蔵したエネルギーを比較的短い持続時間の公称方形波パルスの形で解放することで、様々なパルス出力用途に使用される。具体的には、PFNは高電圧電源を用いて充電され、ついで高電圧スイッチ例えばスパークギャップ又は水素熱陰極グリッド制御放電管（サイラトロン）などを介して負荷へ急速放電する。PFNは通常一連の高電圧エネルギー貯蔵コンデンサとインダクタで構成されるが、１つまたはそれ以上のコンデンサだけで構成することも可能である。これらのコンポーネントは「はしご状ネットワーク」として相互接続されており、長い伝送線と同様の挙動を示す。指令時に高電圧スイッチはPFN内部に蓄えられているエネルギーを負荷へ転送する。スイッチが「発射する」（閉じる）と、PFN内部のコンデンサとインダクタによるネットワークが持続時間の短い高出力の公称方形波出力パルスを発生する。この高出力パルスが負荷に対する高電圧の短時間供給源になる。多くのパルスモジュレータ回路では、特別設計のパルストランスがPFNと負荷の間に接続されてPFNと負荷の間のインピーダンス整合を改善し、電力伝達効率を改善するようにしてある。例えばこれのようなパルストランスは例えばPFNからクライストロンや又はマグネトロンなどの高インピーダンス・デバイスを駆動する場合に典型的に必要とされる。PFNは比較的長い時間にわたって充電され非常に短時間の間に放電されるので、出力パルスのピーク電力はメガワット級になることがある。
【０００８】
パルスモジュレータはパルストランスの条件による制限を受け、これは低速で大型であり飽和し易い。このような欠点を回避して高電圧パルスを実現する回路を提供するのが望ましい。
【０００９】
従来技術においてクラスＡ増幅器は連続波（例えば正弦波）ＲＦ信号として使用するためにカスケード接続することがあることも公知となっている。しかし、このような従来技術のカスケード接続増幅器は大型で非能率であると言う欠点を有している。もっと小型かつ更に効率の良いカスケード接続クラスＡ増幅器を提供することが望ましい。
【００１０】
電子管の起動はカソードが製造された時の状態から機能する電子放射器へと変換されるプロセスである。典型的には、このプロセスはカソードからアノードを経由して電流を引き出すことによるが、電子管は真空ポンプシステムへ接続されたままである。特定の実施は使用されるカソードの種類で変化する。起動には電子管の動作で通常遭遇する電圧と等しいか又はこれより大きな動作電圧を供給することが必要である。電子管が外部の真空ポンプシステムに接続されたままの状態で作動を行なう。これは起動プロセスによりカソードから放出される不純物の除去を容易にするために行なわれるものである。超高電圧電子管の場合、好適な電源のコストは非常に高いものになる。したがって、高電圧電源のコストを最小限に抑えることと製造プロセスを簡略化して促進させることが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
発明の簡単な要約
本発明の１つの態様はパルス又は連続波形で増幅出力を発生するカスケード電圧増幅器を提供する。増幅器はスイッチング手段兼クラスＡ又はＣ増幅手段として構成された電子管を有する少なくとも一つの非最終ステージを含む。最終ステージはクラスＡ又はＣ増幅手段として構成された電子管を含む。少なくとも一つの非最終ステージと最終ステージは直列に接続され、増幅出力は少なくとも１０００ボルトの電圧を有する。
【００１２】
前述のカスケード電圧増幅器はコッククロフト−ウォルトン電圧増倍回路の欠点である数ステージで出力電流を供給する場合の電圧リップルを回避する。これはまたはマルクス発電機の信頼性とジッタの問題を回避する。これはさらにパルスモジュレータの欠点である低速で大型のパルストランスを含むこととこれの飽和し易いことに関連する問題を回避する。
【００１３】
本発明の別の態様は共通の真空エンクロージャ内にある複数のカスケード接続電子管ステージを起動させる方法を提供する。本方法は複数のカスケード接続電子管ステージを直列に相互接続し、非最終ステージから最終ステージへ各々の非最終ステージにおいて電極が次のステージの電極へ各々の電気的相互接続線により接続されるような方法で相互接続することを含む。前記各々の電気接続線の少なくとも一つは電気的機械的に前ステージの電極を後続ステージの電極に連結するためのリンク構造を含む。複数のカスケード接続電子管ステージは真空エンクロージャ内部に配設されエンクロージャから空気を排気する。電気的電圧が第１の直列接続ステージのカソードとアノードの間に提供され第１ステージに電気エネルギーを供給する。充分な量の前記エネルギーが全ての中間ステージを通って最終ステージへと直列に伝搬し全部の電子管ステージの作動を容易に行なえるようにする。
【００１４】
前述の方法は従来技術による前述した個別の電子管を作動させる方法に見られる欠点を回避する。これは好適な態様において単一の電源のみを使用してカスケード接続された電子管ステージの全てのステージをほぼ同時に作動させることにより実現される。電源は初ステージ電子管の電圧条件に適合することだけが要求されるが、これは各々の後続ステージで要求される昇圧された電圧はその前ステージの電圧利得により提供されるためである。これは後続ステージのための大型であってなおかつ更にコストの高い電源の必要性を回避し、また例えば大型のフィードスルー（feedthrough）を用いると更に大きな真空エンクロージャが必要になりまた真空ポンプ動作の増加および加熱条件を要求する大型で実質的に更に複雑な排気装置の必要性を回避する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
発明の詳細な説明
説明においては（１）回路トポロジー、（２）好適な回路実装、（３）カスケード接続電子管を起動させる方法、の３点について説明する。
【００１６】
１．回路トポロジー
図１はスイッチング回路としてまた改良クラスＡ増幅回路として構成されたカスケード接続電圧増幅器（CVA）１０を図示している。クラスＡ増幅器動作については後述する。CVA１０は入力１２と出力１４端子および良好なＲＦ設計手法による接地１６を含む。以下の説明の目的で、CVA１０は１０００ボルトを超える出力を提供するように設計される。
【００１７】
図示したCVA１０の特定のバージョンは３つのステージ１８ａ、１８ｂ、１８ｃから構成される。最初のステージ１８ａは三極管構造の冷陰極電界放射管２０ａを含み、抵抗２７ａによりスタンドオフ状態にバイアスされたグリッドを有する。抵抗は可変が望ましい。インダクタ２１は、アンチキックバックチョークとして知られているもので逆パルスを阻止しマイナスの高電圧コンデンサ２８に到達したり入力端子１２に接続された電源（図示していない）を充電したりするのを抑制する。ブロッキングダイオード（図示していない）はこの機能を増加できる。抵抗２４ａとコンデンサ２６ａがＲＣネットワークを構成し電子管２０ａの導通をサポートする時定数を設定する。
【００１８】
動作において、エネルギー貯蔵コンデンサ２８は入力端子１２とＲＦ接地１６の間の電圧により充電される。電子管２０ａとの関連でインダクタ２２ａ、抵抗２４ａ、コンデンサ２６ａ、可変抵抗２７ａが二つの機能を実行する。これらの電子管はパルスを形成するためと、パルスを電子管２０ａが製造された利得にしたがい３dBから１０dBの間のどこかまで増幅するためとの両方に使用される。波形ペア１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄはCVA１０の各ステージの利得を示す。波形ペア１９ａ〜１９ｄの各々において、上側の波形は正弦波信号を表わしたもので、これはCVA１０の動作の１つのモードであり、下側の波形はパルス信号を表わし、こちらは別の動作モードである。波形ペア１９ａはCVA１０への入力を表わす。ペア１９ｂは第２ステージの入力に給電する最初のステージの出力を表わし、ペア１９ｃは最終ステージの入力に給電する第２ステージの出力を表わし、ペア１９ｄはCVA１０の出力を表わす。
【００１９】
後続ステージ１８ｂと１８ｃは前述のステージ１８ａと機能において同様であり各々がクラスＡ増幅回路として動作するように構成されている。重要な相違点は、各々のステージで電圧定格が異なる点である。CVA１０のコンポーネントの電圧定格は増幅器の各ステージで想定している電圧に適合したものである必要がある。同様に、電子管１８ｂと１８ｃは電圧増加に対応して寸法が段々大きなものになっている。
【００２０】
回路の全ステージは良好なＲＦ設計手法にしたがい共通のＲＦ接地１６へ接続される。
【００２１】
追加のステージを主回路と直列に追加することで更に高電圧に到達することが可能なことは特筆されるべきである。電圧定格と絶縁しようが遭遇する電圧に適合したものになることを確実にするよう注意を払う必要がある。各ステージの主な寸法はアークを発生させることなく高電圧に対応するように直線的に増加する。主な寸法としては電極間の間隔と電極の長さおよび直径が含まれる。２ステージ以上を使用することの結果として、CVA１０の立ち上がり時間がステージ数の増加に従い劣化する。
【００２２】
この種の回路を絶縁油タンクに入れたり、又は高圧絶縁性ガスタンクに入れて高い信頼性を得ようとするのは一般的ではない。好適なトランス絶縁油はテキサス州ヒューストンのシェル石油から入手可能なシェルディアラＡＸまたはこれと同等品である。好適なトランス絶縁ガスはペンシルバニア州アレンタウンのエアプロダクツアンドケミカルズ社から入手可能な６フッ化硫黄（SF６）又はこれと同等品である。
【００２３】
三極管構造の冷陰極電界放射型電子管の性能に関して電子管それ自体の製造中に各ステージの利得を設定することによりCVAのオーバー利得を制御することが可能である。CVA回路では、３dBから１０dBの範囲にある個々の電子管の利得が極めて安定した動作を提供する。電子管は２０dBまで個々の利得が高くなるように製造できるが、回路が発振したりリンギングしたりしないようにするのは困難である。これは注意深い回路設計により克服できるが、部品点数が増加し、回路インダクタンスの増加の結果として最大立ち上がり時間の相応の減少が発生する。
【００２４】
冷陰極電界放射管２０ａ、２０ｂ、２０ｃは相互に直列に直截接続されるように図示してあるが、直截直列接続は必ずしも望ましくない。例えば、中間回路素子例えばインダクタンスを電子管２０ａ、２０ｂ、２０ｃの間に間置できる。例えば、ステージ間にインダクタンスを追加することでもっと長いパルスが得られ、これにはレーダー、医用画像、砕石等の用途がある。インダクタンスを追加する１つの方法は中空フェライトチョーク（図示していない）をCVA１０のステージ間の電気的相互接続に配置することである。これは回路内の同じ点に従来のインダクタを挿入するのと電気的に等価である。
【００２５】
図１のCVA１０の各ステージ１８ａ〜１８ｃのクラスＡ動作の詳細は以下の通りである。クラスＡ増幅器は入力信号の極性変化がカットオフと飽和の限界内で発生するようにバイアスされる。三極管電子管の場合、例えば、グリッドがカソードよりプラス側になると、電子はグリッドにより阻止されアノード回路には電流が流れない。この状態はカットオフとして知られている。グリッドがエミッタに対してマイナスになると飽和が起こり、信号の変化がアノード電流に反映されなくなる。
【００２６】
このように増幅器をバイアスすることでカットオフと飽和の間にＤＣ動作点が置かれることになり、入力信号の全サイクル（３６０度）の間アノード電流が流れ、入力の複製である出力が提供される。この増幅器からの出力は入力に対して１８０度位相がずれるが、出力電流は入力の全持続時間にわたって流れる。
【００２７】
クラスＡ増幅器は典型的には正弦波回路などの連続波（ＣＷ）回路で使用する場合に高能率回路と見なされない。クラスＡ増幅器は入力信号の高精度増幅が特徴である。超短時間パルス増幅で使用する場合、例えば本発明で見られるような場合、能率は増加する。これはＣＷとパルス動作の差に起因している。ＣＷ動作において、出力ステージは連続導通状態になり、結果として回路は連続的に出力を引き出している。超短時間パルス動作において、状況は異なっている。出力ステージはパルスが存在する時間間隔の間だけ導通状態になり、結果的に回路能率は非常に高い。広帯域超短時間パルス設計において、ＤＣ結合動作はこの種の回路で共通に見られる大型コンデンサを必要としないのが現実的である。本明細書で用いているように、超短時間パルスはほぼ１０〜２０ナノ秒を超える立ち上がり時間を有するパルスである。
【００２８】
前述のパラグラフの特性の組み合わせにより、クラスＡ増幅器はパルス増幅用途に特に好適なクラスＡ増幅器となる。歴史的にはレーダー回路で使用されて来たが、これらの回路のパルスは本発明で企図しているパルスより実質的に長いものである。
【００２９】
CVAに冷陰極電界放射技術を使用することに加えて、熱イオンカソードとフィラメント電子供給源を具備する電子管を使用するCVAを実装することが可能である。この種の電子管の使用で、主として電流の取り扱いと全体としての電圧取り扱いの仕様に関して、回路性能に対して有意な制限が加わる。
【００３０】
前述の説明は高電圧パルスの作成を参照したものであるが、連続波（例えば正弦波）信号に対してカスケード接続電圧増幅器を作動させることが可能である。この場合連続高利得出力信号がコンパクトかつ効率的な方法で実現可能である。
【００３１】
２．好適な回路実装
図２Ａおよび図２Ｂは高電圧冷陰極電界放射型三極管３０の基本構造を示したもので、これは図１の回路の冷陰極電界放射管２０ａ〜２０ｃを実装するために好適に使用される。三極管３０は本発明の発明者らによる米国特許第４，９５０，９６２号に説明されているようにパルサトロンとしても知られている。パルサトロンは所望の電圧で連続モードにて動作するように寸法を加減することができる。三極管３０は円筒状の形状のカソード３２を含み、これが円筒状の形状のグリッド３４に取り囲まれ、グリッドは更に円筒状の形状のアノード３６に取り囲まれる。グリッド３４は破線で図示してあり電子がここを貫通移動するのに適した孔を有することを表わす。アノード３６、グリッド３４、カソード３２は共通の主軸（図示していない）を共有する。半径方向にカソード３２からグリッド３４への間隔は横断方向の電磁モード（ＴＥＭ）をサポートする円形ウェーブガイドをこれらの間に作成するようにしてある。図２Ａと図２Ｂにおいて、例として、カソード３２はグラファイト材料で作成され、グリッド３４は導電性金属例えばニッケル合金から作成され、アノード３６は耐熱性金属例えばタングステンから作成される。
【００３２】
図２Ｃおよび図２Ｄは図２Ｃの別の高電圧冷陰極電界放射型三極管４０の基本構造を示し、図１の回路の冷陰極電界放射型電子管２０ａ〜２０ｃを実装するものである。このような三極管は本発明の発明者らによる米国特許第４，９５０，９６２号に記載されているように、パルサトロンとしても知られている。三極管４０は円筒状の形状のアノード４２を含む。アノード４２を取り囲んでいるのは円筒状の形状のグリッド４４で、これがさらに円筒状の形状の中空カソード４６により取り囲まれる。グリッド４４は破線で図示し電子がここを通過するのに好適な孔を有することを表わしている。アノード４２とカソード４６とグリッド４４は共通の主軸を共有する（図示していない）。カソード４６からグリッド４４までの半径方向の間隔は横断方向電磁モード（TEM）をサポートする円形ウェーブガイドをこれらの間に作成できるようになっている。図２Ｃおよび図２Ｄにおいて、カソード４６はグラファイト材料から構成され、アノード４２とグリッド４４は導電性金属例えば高含有度ニッケル合金等から構成される。
【００３３】
冷陰極電界放射型電子管のグリッドを設計する際に適合させるべき幾つかの必須条件が存在する。これは、
（１）グリッド−カソード間又はグリッド−アノード間の間隔はグリッドの全長にわたって一定であること。これは通常グリッドに高い張力をかけて配置する、または堅固な構造体で構築することにより実現される。
（２）グリッドの素子数は充分に多くしてグリッド−カソード領域に又はグリッド−アノード領域に一定かつ均一な電場を確保できるようにする。
（３）グリッド構造体のどこにもバリの鋭利なエッジがないこと、個々の素子は丸めるか、平坦か、又は高い縦横比の楕円形状とすることができる。全てのエッジは完全に丸める必要がある。この意味で、完全に丸めるというのは問題となるエッジが部材の厚みの半分に等しい半径を有すると言うことである。
【００３４】
これらの設計ルールの現実の実施は製造されるグリッドのサイズで決定される。
【００３５】
図３と図４は本発明の態様によるカスケード接続電圧増幅器（CVA）５０の重要部品を示す。両方の図面を参照すると、ニッケル合金製の真空エンクロージャ５２は例えば増幅器５０の非最終ステージ５４と５６および最終ステージ５８を封入する。図４で最も良く図示してあるように、CVA５０は初ステージカソード入力５９ａとこれに付属する絶縁体５９ｂ、および最終ステージアノード出力５９ｃとこれに付属する誘電性絶縁体５３の絶縁体部分５９ｄを含む。
【００３６】
３ステージ全部に対して共通の真空エンクロージャ５２を使用する利点は製造効率、コンパクトな寸法、低いコストを含む。しかし、共通の真空エンクロージャ内に電子管を配置することが望ましくない、必要ではない、又は有用ではない幾つかの状況が存在する。共通の真空エンクロージャを排除することが適当な条件としては:高速の立ち上がり時間が問題にならないような回路、超高電圧が発生しそのために超大型エンクロージャを必要とするような回路、線形レイアウトが望ましくないような回路、およびプロトタイプ回路を含み、又これらに限定されない。
【００３７】
非最終ステージ５６はアノード５６ａ、グリッド５６ｂ、および内側がねじ切りしてあるカソード５６ｃを含み、これらは図２Ａと図２Ｂのアノード３６、グリッド３４、内側にねじ切りしてあるカソード３２に対応する。非最終ステージリンク構造６２は非最終ステージ５６のアノード５６ａを支持し、又後続ステージ５８のカソード５８ｃも支持する。リンク構造６２は一般に一方の端部が二股フォークの形状を有し両方の股６２ａと６２ｂが図４に図示してあり、カソードを取り付けるためのねじピンの形状をしたカソード支持６２ｄと、図５で最も良く分かるねじピン６２ｄにカソードを保持するための導電性で高融点の半球６２ｅを有する。導電性で高融点の半球６２ｅはカソードからの端部放射を阻止する第２の機能を有する。図２Ｃと図２Ｄのカソード４６、グリッド４４，アノード４２を使用する別の一体型CVAでは、中心に配置されたアノード４２がリンク構造６２へギャップを生じないように一体化される。これは個別のコンポーネント同士を溶接することによりリンク構造を組み立てるのではなく、リンク構造６２とアノード４２を鋳造することで実現可能できる。
【００３８】
リンク構造６２の一方の軸端（カソード５６ｃの軸に沿って）では、リンク構造６２はリング６２ｃに接続されており、望ましくはモールド型でほぼ最終的な形状に近い形に一体鋳造して後に最終寸法へ機械加工することによる。一体として鋳造することにより有利にも入力信号に対して高忠実度の出力信号を高速動作で得ることができる。別の製造方法としてはバルク材料から旋盤加工する股は旋盤加工した部材から組み立てることが挙げられ、組み立ての場合は通常溶接が必要で得られた表面の欠陥と不均一部分を機械加工で除去する必要がある。
【００３９】
リング６２ｃは典型的にはセンチメートルあたり３５本の内ねじを有し、これにアノード５６ａがねじ込まれる。リンク構造６２の右手側端部は最終ステージ５８のカソード支持６２ｄに終止する。望ましくは、リング６２ｃとカソード支持６２ｄとを含むリンク構造６２がモールド型による一体成形の結果として一体型でギャップの無い連続構造を形成する。リング６２ｃとカソード支持構造６２ｄを含むリンク構造６２は望ましくはニッケル合金から形成する。望ましくは、リンク構造６２はその全長にわたり電気的伝送線とする。これはリンク構造６２の電気的伝送線部分がパルスの波長の１／１０より大きいことを意味する。この長さがあると位相遅延および伝送線上の何らかの反射による干渉が重要になりシステムとして予想不可能な挙動を示すことがあるが、伝送線理論を用いて注意深く設計することはこれまでできなかった。
【００４０】
図４に最も良く図示してあるように、一般に半球形の形状のセラミック製インシュレータ６８は右手に面した側に溝６８ａがありリンク構造６２の突起部分を受け入れ、アノード５６ａの右手側端部の内側周辺に重なり合うリップ６８ｂを有する。
【００４１】
図３および図４を参照すると、真空エンクロージャ５２を通る非最終手段５６への電気的接続は以下のように行なわれる：ステージ５６のカソード５６ｃ（図３）へ（またステージ５４のアノード５４ａへも）接続される中間フィードスルー７２ａ、グリッドフィードスルー７２ｂ、およびステージ５６のアノード５６ａへ（またステージ５８のカソード５８ｃへも）接続される中間フィードスルー７２ｃ。グリッドフィードスルー７４により最終ステージ５８のグリッド５８ｂへの電気的アクセスが可能になり、グリッドフィードスルー７６によりグリッド５４ｂ（図３）への電気的アクセスが可能になる。ケミカルゲッターポンプ７８とこれに関連するフィードスルーも図４に図示してある。通例の通り、全てのフィードスルーは真空封止され誘電材料により電気的に絶縁されている。一体型CVA１０は全ての真空管に共通のその他の特徴例えば排気管７９を含み、必要なら能動型真空ポンプを含めることができる。
【００４２】
図３では例えば図４に図示してある全てのフィードスルーの代わりにグリッドフィードスルー７２ｂだけを図示するなど、簡略化のために各種部材を省略している。図３と図４で簡略化のために更に省略されている部材としては、電子管内部の各種部材の正確な位置決めと支持のための誘電性支持部材である。これらの支持部材を含めるのが当業者には日常的であろう。
【００４３】
通常、CVA１０の立ち上がり時間は最終ステージ５８の立ち上がり時間だけで決定される。しかし、意図的に入力パルスを低速化するか又は入力パルスのパルス幅を延長するのが望ましいような回路用途においては相互接続伝送線要素にフェライトチョークを配置することが可能である。例えば、図５に図示してあるように、対８４ａ、８４ｂの間に間置されたフェライトチョーク８２は、カソード支持構造６２ｄ上に配置可能である。フェライトチョークの更なる詳細については後述する。
【００４４】
フェライトチョークは非抵抗性電気回路素子であって鉄磁性化合物で形成されており、これには鉄と微量のニッケル、亜鉛、又は酸化マンガンを含む。フェライトチョークのインピーダンス特性のため高周波信号に対しては高抵抗として動作し低い周波数の信号に対しては低抵抗として動作する。このようにすると、高周波雑音が抑圧され吸収されたエネルギーが非常に小さい量の熱に変換される。ビーズに使用されるフェライト材料の種類で動作周波数が決定し、フェライトチョークの物理的寸法形状により可能なパルス変化量が決まる。
【００４５】
一体型カスケード接続電圧増幅器５０（図３〜図４）をクラスＣ増幅器回路で、また同様にクラスＡ増幅器回路で、使用することが可能である。
【００４６】
図３と図４の前述の説明は非最終ステージである第２ステージ５６に焦点を当てている。第１ステージ５４と最終ステージ５８は第２ステージ５６と共通に大半の部材を共有し、幾つかの主な相違点は次の通りである。第２ステージ５６とは異なり、第１ステージ５４はカソードが第１ステージカソード入力５９ａにより支持され、前ステージからのリンク構造（例えば６０等）によるものではない。最終ステージは最終ステージアノード出力５９ｃに終止するリンク構造６４を含み、これは後続ステージのカソード支持構造（例えば第２ステージ５６の６２ｄ）ではない。最終ステージ５８は誘電性インシュレータ５３により真空エンクロージャ５２から電気的に絶縁されている。更に、各ステージ５４、５６、５８の相対的寸法は第１ステージ５４から最終ステージ５８へ向かって増大する。最後に、本仕様においては同様な参照番号が同様な部材を図示しているので、例えば、第２ステージ５６のアノード５６ａの前述の説明は第１ステージ５４の参照番号５４ａと第３ステージ５８の参照番号５８ａにも適用される。
【００４７】
３．カスケード接続電子管の起動方法
電子管の起動は電子管製造において最後から２番目の処理ステップで、排気管を閉止する直前である。起動の目的は製造されたままのカソードを機能する電子放射素子へ変更することである。典型的には、この処理は電子管を真空ポンプシステムに接続したまま、アノードを通してカソードから電流を取り出すことによる。特定の実施は使用するカソードの種類により変化する。起動処理は電子管の電極ジオメトリや電子管ステージとは完全に独立していることを理解することが重要である。
【００４８】
本発明は図３および図４との関連で前述したように電子管の一体接続の性質において一体的に直列接続される電子管に関係する。熱イオンカソードの起動は主としてカソードの放射表面の化学的状態を変化させ、一方で冷陰極の起動を用いてカソードから不純物を除去する。
【００４９】
本発明の１つの態様は単一の電源を用いて連続するステージ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ（図３〜図４）を起動させることで、段階的に増加する電圧の３個の独立した電源を使用することに対向する。高電圧電源のコストは出力電圧定格が増加するにつれ急激に増加するので、超高電圧ステージを比較的低い電圧の電源で起動できる能力が望ましい。これは各ステージ（１８ａ、１８ｂ、１８ｃ）で提供される本質的な増幅を利用することにより実現する。最初のステージ１８ａは第２ステージ１８ｂを正しく起動するための正確なレベルまで電圧を昇圧する。同じプロセスが各々後続ステージでも繰り返される。最終ステージ（例えば１８ｃ又はもっと高次のステージ）では、増幅処理はまだ要求されるが内部的に使用されてそのステージを起動させるために使用される。
【００５０】
図６は一体型カスケード接続電圧増幅器（CVA）９２を起動するための方法９０を示している。増幅器９２は真空エンクロージャ９１内部で破線で図示してあり、図３および図４との関連で前述したCVAを好適に含む。可変高電圧電源９４は増幅器９２の入力端子１２に給電する。負荷抵抗９６が一端で出力端子１４に接続されシャント抵抗９８が他端に接続されている。シャント抵抗９８の他方の側は共通の接地１００に接続される。同軸ジャック１０２の中心動態は負荷抵抗９６とシャント抵抗９８の共通端子へ接続される。同軸ジャック１０２の接地接続はシャント抵抗接地接続１０４へ接続される。排気手段１０６は模式的に図示してあり、これを使用して真空エンクロージャ９１から空気と不純物を排気する。
【００５１】
CVA９２を起動するためには、真空エンクロージャ９１から排気手段１０６により空気を排気する。可変高電圧電源９４からの電気電圧をCVA９２内部で第１の直列接続された直列接続電子管ステージのアノードとカソードの間に印加する。電源９４から充分な量のエネルギーが何らかの中間ステージ（ここでは第２ステージ）を通って直列に最終ステージまで伝搬することで全ステージの起動を容易にする。望ましくは、電源９４により第１ステージのアノードとカソードへ供給されるエネルギーは全ステージの起動を行なわせるのに充分なものとする。有利にも、各ステージは入力起動電圧をその設計のおかげで先行する二つのセンテンスで説明したように起動レベルに正しい値まで増幅する。
【００５２】
図６と、暗示的に図３および図４も３ステージのカスケード接続電圧増幅器（CVA）を図示しているが、４ステージ又はそれ以上のステージ数をCVAに組み込むことも可能である。そして、図７では入力１２と出力１４の間に、ステージ１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃと鎖線で示したステージ１１０ｎまで中間の無数のステージ階が模式的に示している。これら４ステージ又はそれ以上のステージで図３と図４と図６の３ステージ構成に置き換えることが可能である。図７の各ステージの相互関係は図３と図４に図示してある連続ステージ間の相互関係から理解できる。特に詳しく説明すると、ステージ１１０ａ（図７）は第１ステージ５４（図３および図４）に対応し、図７のステージ１１０ｂ、１１０ｃおよびそれ以上の中間ステージは図３と図４の第２ステージ５６に対応し、図７の最終ステージ１１０ｎは図３と図４の最終ステージ５８に対応する。追加ステージを更に追加する結果として完成したCVAの立ち上がり時間にわずかな減少が見られるようになるが、これは最終ステージの立ち上がり時間で管理されスルーレート（dv/dt）の問題に影響されない。
【００５３】
本発明は図示した特定の実施例に関連して説明したが、当業者により幾多の変更および変化をなすことができよう。したがって添付の請求の範囲はこれらの変更および変化が本発明の真の範囲と精神に全て包含されることを意図していることは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
図面において同様の参照番号は同様の部材を表わす。
【図１】図１はパルス又は連続波形で増幅出力を提供する本発明の態様に係るカスケード電圧増幅器の模式図である。
【図２】図２Ａと図２Ｂは本発明で使用可能な高電圧冷陰極電界放射型三極管の略上面図とこれに関連する断面図で、図２Ｂは図２Ａの矢印２Ｂ〜２Ｂで見たものである。 図２Ｃと図２Ｄは図２Ａと図２Ｂに類似した略図で、本発明で使用可能な高電圧冷陰極電界放射電子管の変更を示し、図２Ｄは図２Ｃの矢印２Ｄ〜２Ｄで見たものである。
【図３】図３は本発明の態様に係る一体型３ステージカスケード電圧増幅器の重要部材の部分断面略斜視図で、簡略化のため各種部材を省略してある。
【図４】図４は図３の矢印４〜４で取った図３のカスケード電圧増幅器の重要部材について部分断面略側面平面図で、簡略化のため各種部材を省略してある。
【図５】図５は図３と図４に図示したリンク構造と、追加のステージ間フェライトチョークを合わせた詳細側面平面図である。
【図６】図６は一体型カスケード電圧増幅器を起動させる方法のブロック図である。
【図７】図７は本発明に係る可変ステージ数式のカスケード電圧増幅器のブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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