A virtual cathode oscillator with a stainless-steel mesh anode of various transparencies and wire diameters was studied experimentally for improvement of microwave power and its repetitive operations. The maximum microwave power was observed to be about 20 MW at 12 GHz for the diode voltage of 250 kV and the electron beam current of 39 kA using the anode mesh with the wire diameter of 0.22 mm and the transparency of 67 %. The microwave emission enhanced with decreasing the wire diameter as the mean beam scattering angle decreased with the smaller wire diameter. Also the increased transparency of fine mesh caused an enhancement of microwave emission. Use of mesh anode allowed us a few repetitive operations. キーワード:仮想陰極発振器,大電力パルスマイクロ波源,連続多ショット,ステンレスメッシュ陽極 Keywords : virtual cathode oscillator, high-power pulsed microwave source (HPM), repetitive operation, stainless-steel mesh anode 1. はじめに 大強度相対論的電子ビームを用いた大電力マイクロ波源 仮想陰極発振器(Virtual Cathode Oscillator)は,単純な構造で GW レベルの大電力マイクロ波が発生でき, さらに陽極-陰 極(A-K)ギャップ長や陰極の形状を変化させることによっ て,0.5~数 10 GHz の広い範囲での発振が可能である特徴を 持っている。このため,すでに多数の実験やコンピュータ ーシミュレーションが行われてきた (1,2) 。仮想陰極発振器の 実陰極に負の高電圧が印加されると電界放出によって電子 が放出され,高エネルギー相対論的電子ビームが発生する。 陽極が金属メッシュまたは電子の飛程以下の金属箔であれ ば,電子ビームは透過してドリフト空間に入射される。こ のとき,電子ビーム電流が空間電荷制限電流を越えると仮 想陰極が形成され,実陰極-仮想陰極間にポテンシャル井 戸が形成される。ポテンシャル井戸に捕捉された電子は, 実陰極-仮想陰極間を往復運動してマイクロ波を発生す る。一方,仮想陰極は後続の電子ビームによって維持され る不安定な領域であり,仮想陰極自身が時間的・空間的に 振動することによってもマイクロ波が発生する。このよう に、仮想陰極発振器では,2 つのマイクロ波発生機構が考え られているが,マイクロ波発生機構の実験的検証やダイオ ード内での電子ビームの挙動などは,必ずしも明らかでな い。 姫路工大では,アルミニウム箔陽極を用いた仮想陰極発 振器を開発し,発振周波数が 12 GHz で出力 10 MW のマイ クロ波を観測した (3) 。 アルミニウム箔陽極を用いた仮想陰極 発振器では,電子ビームが陽極へ衝突した際に陽極プラズ マが発生される。すると,陽極プラズマ内では電子ビーム の空間電荷による外向きの力は緩和され,ビームの自己磁 場によって円環状電子ビームは軸上にピンチする。ピンチ された電子ビームは,臨界電流をはるかに越え,強力な仮 想陰極を形成してマイクロ波発生が起こる (4)(5) 。しかし,こ のときの電子ビームからマイクロ波への変換効率は 1 %に 満たない。この低効率の原因の一つは,アルミニウム箔陽 極を通過するとき生じる電子ビームの散乱に起因すると考 えられる。事実,電子ビームの散乱角が大きいほどマイク ロ波出力が低下することが異なる厚さのアルミニウム箔陽 極を用いた計算機シミュレーションと実験により確認され ている (6) 。 そこで,本論文では,電子ビームの散乱角がアルミニウ ム箔陽極より小さい高透過率の金属メッシュ陽極を用いて マイクロ波出力の改善を試みた。また,アルミニウム箔陽 極は 1 ショットで破損するが,高融点で線径の大きな金属 * 姫路工業大学 大学院工学研究科電気系工学 〒671-2201 姫路市書写 2167 Electrical Engineering, Himeji Institute of Technology 2167, Shosha, Himeji 671-2201 ** 株式会社 ノーリツ 〒675-0066 加古川市加古川町寺家 62-7-906 NORITZ Corporation 62-7-906, Teraie, Kakogawa-cho, Kakogawa 675-0066 論 文