JP2001338586A

JP2001338586A - モード変換器およびそれを備えたジャイロトロン装置

Info

Publication number: JP2001338586A
Application number: JP2000158729A
Authority: JP
Inventors: Keiji Sakamoto; 慶司坂本; Atsushi Kasugai; 敦春日井; Yoshika Mitsunaka; 義加満仲
Original assignee: Toshiba Corp; Japan Atomic Energy Research Institute
Current assignee: Toshiba Corp; Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2000-05-29
Filing date: 2000-05-29
Publication date: 2001-12-07
Also published as: US6476558B2; US20020021095A1

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、ジャイロトロンの空胴共振器で発
生し、円形導波管内を伝播する高次モードのミリ波を自
由空間中を伝播するビーム状に変換するモード変換器の
寄生発振抑制および変換効率向上を目的とする。【解決手段】この発明のジャイロトロンのモード変換
器７を構成する概略円形導波管は、その横断内面形状が
入口端２７から放射開口部２３に向かって５ｍｍ以下
（０ｍｍを含む）の領域に真円形から非真円形となる領
域が存在し、そこから変形度が深くなる形状が与えられ
ている。それにより、モード変換器の入口付近が不所望
な空胴共振器を構成する可能性が低くなり、ジャイロト
ロンに内蔵した場合に生じる寄生発振を低減できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ミリ波のモード変
換器およびそれを備えるジャイロトロン装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】核融合等においてプラズマを加熱する手
段として、例えばミリ波帯の電磁波を用いる方法が知ら
れている。なお、ミリ波帯の電磁波を発振させるための
発振源として、高次モードジャイロトロン装置が有望視
されている。

【０００３】ジャイロトロン内の空胴共振器で発振した
高次モードの電磁波は、導波管での伝送損失が大きいた
めに、発振源から核融合炉まで数十メートルの大電力伝
送には不向きである。そこで、高次モードミリ波を自由
空間の伝播が可能なビーム状にモード変換器で変換し、
準光学的に伝送することが検討されている。

【０００４】このような高次モードのミリ波をビーム状
に変換するモード変換器としては、例えばビノグラド
フ，ドミトリバデイモビチによる特許提案である特表
平３−５０４１８７号（国際公開番号ＷＯ９０／０７８
００号）公報に、円形導波管内部に螺旋状に集束鏡と発
散鏡を交互に配置した構造を持つ導波管を用い、発散鏡
部のミリ波を散乱させて集束鏡部にミリ波を徐々に集め
ることにより、最後の集束鏡からミリ波を放射する形の
変換器が提案されている。以後、この提案を従来技術１
と呼ぶことにする。

【０００５】この凹凸のある導波管において、集束鏡と
は、導波管内面形状が軸方向に凹、周方向には凸になっ
ている領域を指し、発散鏡とは、導波管内面形状が軸方
向、周方向共に凹になっている領域を指すとされてい
る。

【０００６】ミリ波を放射する開口部のエッジにおける
ミリ波のエネルギー密度が大きければ大きいほど、ここ
で発生するミリ波の回折散乱効果は大きくなる。

【０００７】この点、従来技術１はそれ以前のＶＬＡＳ
ＯＶ型準光学モード変換器（例えばＶｌａｓｏｖ，Ｓ．
Ｎ．ｅｔａｌ．，１９７５，ＲａｄｉｏＥｎｇｉｎ
ｅｅｒｇａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＰｈｙｓｉ
ｃｓ，ｖｏ１．２１，Ｎｏ．１０，ｐｐ．１４−１７、
または和田、橋本、中島、電子情報通信学会技術研究報
告Ｖｏｌ．８８，Ｎｏ．６７，ＭＷ８８−８）等に比べ
て、放射されるミリ波の分布形状がガウシアンビームに
近いため、放射開口部のエッジにおけるミリ波電力密度
が低くなり、ミリ波の回折散乱効果が小さくなることが
期待できる。

【０００８】ただし、従来技術１には、放射開口部の形
状に関する詳しい記述がなく、しかもこの部分の形状が
ミリ波の回折散乱効果に大きく影響する。なお、放射開
口部の形状に関しては、特開平５−２８３０１５号公報
に記載された発明がある。

【０００９】また、従来技術１を改良し、出力ミリ波形
状のねじれを小さくすると共に構造を簡単にし、高い製
作精度と安い製作コストを実現可能なモード変換器が、
特開平７−２５４８０２号公報に開示されている。以
後、これを従来技術２と呼ぶことにする。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来技術１あるいは同
２によるモード変換器は、出力波を充分に整形してモー
ド変換効率を上げるために、内壁形状の変形量を小さく
抑え、軸方向に長い変換器とする必要がある。従来技術
１の明細書には、軸方向に３Ｌ_０以上の長さが必要とあ
るが、入力モードによっては、モード変換効率を最大に
するために、軸方向に１０Ｌ_０以上の長さが必要となる
場合もある。ここで、Ｌ_０は、２・ａ・ｓｉｎＷ／ｔａ
ｎＢを表す。

【００１１】モード変換器をジャイロトロン管に内蔵す
る場合には、空胴共振器での発振に使われた電子ビーム
が磁場にガイドされて徐々に広がりながらモード変換器
内を通過する。モード変換器の長さは、この電子ビーム
と接触しない程度の長さに抑える必要がある。この制限
のため、モード変換効率を落としてでも、モード変換器
の長さを短くせざるを得ない場合がある。

【００１２】一方、従来技術１または同２によるモード
変換器は、入口の円形導波管から徐々に変形量を大きく
していく構造のため、入口端から３０ｍｍ程度の距離の
入口付近は、ほとんど直線円形導波管に近い構造となっ
ており、ジャイロトロン管に内蔵した場合、この直線円
形導波管部分が空胴共振器の役割を果たして寄生発振を
起こしてしまうおそれがある。

【００１３】この発明の目的は、モード変換器を構成す
る概略円形導波管部が不所望な空胴共振器の役割を果た
して寄生発振することを抑制可能で、高いモード変換効
率が得られるモード変換器およびそれを備えるジャイロ
トロン装置を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明は、概略円形導
波管の横断内面形状が高次モードミリ波の入口側から放
射開口側に向かって進むにつれて真円形又は真円形に近
い円形から非真円形への変形度を徐々に強めていく形状
を有し、それによって上記概略円形導波管内を伝播する
高次モードのミリ波を自由空間中のミラー系を伝播する
主モードのミリ波へ変換するためのモード変換器におい
て、この概略円形導波管の非真円横断内面形状の始まる
位置が、入口側の端から放射開口側に向かって５ｍｍ以
下（０ｍｍを含む）の位置に存在するモード変換器であ
る。

【００１５】また、このようなモード変換器の一部また
は全部を管内に備えるジャイロトロン装置である。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の形態を詳細に説明する。図１は、この発明のモ
ード変換器が組み込まれたジャイロトロン装置の概略縦
断面図である。図１に示されるように、モード変換器内
蔵型のジャイロトロン装置は、管内部が真空状態に保た
れた管本体１の一端側にマグネトロン入射電子銃（以下
ＭＩＧと略称する）２を有している。

【００１７】また、ＭＩＧ２に対向する位置には、ＭＩ
Ｇ２から出射された電子ビームを捕獲するコレクタ３が
設けられている。ＭＩＧ２とコレクタ３との間には、Ｍ
ＩＧ２の側から順に、ビームトンネル４、空胴共振器
（キャビティ）５および円筒テーパ導波管６およびモー
ド変換器７からなる高周波伝搬回路が設けられている。

【００１８】このように、円筒テーパ導波管６の出力端
付近には、詳細には後述する概略円形導波管からなるこ
の発明のモード変換器７が連続的に設けられている。こ
の概略円形導波管７は、その横断内面形状が、空胴共振
器（キャビティ）５で発振し円筒テーパ導波管６を伝搬
してくる高次モードミリ波が入口端２７側から放射開口
部２３側に向かって進むにつれて横断内面が真円形又は
真円形に近い円形から非真円形への変形度を徐々に強め
ていく形状を有し、それによって上記概略円形導波管内
を伝播する高次モードのミリ波を自由空間中のミラー系
８を伝播する主モードのミリ波へ変換する機能を有す
る。

【００１９】モード変換器７およびミラー系８を介して
放射される電磁波９の経路には、電磁波９を管本体１の
内部から外部へと電磁波９を導く出力導波管１１が接続
されており、出力導波管１１には出力窓１２が取り付け
られている。

【００２０】ＭＩＧ２は、管本体１の内側に向けて設け
られた陰極１３と、この陰極１３の周りに対向配置され
た円筒状の陽極１４と、陰極１３および陽極１４に磁界
を印加するマグネット１５を備えている。また、陰極１
３には、ヒータ電源１６が、陰極１３および陽極１４と
の間および陽極１４とビームトンネル４ならびにコレク
タ３との間には、それぞれ高圧電源１７，１８が接続さ
れている。なお、管本体１のまわりで、空胴共振器５を
囲む位置には、主マグネット１９が設けられている。

【００２１】このように構成されたジャイロトロン装置
では、ヒータ電源１６が投入されるとともに、高圧電源
１７，１８が投入されると、ＭＩＧ２から螺旋運動する
円筒状の電子ビームが出射される。この電子ビームは、
主マグネット１９から提供される磁界のもとでサイクロ
トロン運動をしながらビームトンネル４を通過して空胴
共振器５に入射する。

【００２２】空胴共振器５に入射した電子ビームは、空
胴共振器５内において高周波電界との相互作用によりそ
の運動エネルギーの一部を高周波電界に付与し、これに
より、高次モードの電磁波が空胴共振器５内に生成され
る。エネルギーを失った電子ビームは、円筒テーパ導波
管６、モード変換器７およびミラー系８の内側領域を通
過して、コレクタ３に捕捉される。

【００２３】一方、空胴共振器５において、電子ビーム
と高周波電界との相互作用によって発生した電磁波は、
円筒テーパ導波管６を通って概略円形導波管からなるモ
ード変換器７に入射され、その放射開口部２３から真空
空間を伝搬可能なビーム状に変換されてミラー系８すな
わち対をなす反射ミラー８ａ，８ｂで準光学的な反射を
繰返して出力導波管１１の出力窓１２に向かって放射さ
れる。この準光学的なビーム状に変換された電磁波９
は、出力窓１２から外部に取出される。

【００２４】ところで、上述した従来のジャイロトロン
にあっては、概略円形導波管からなるモード変換器７を
円筒テーパ導波管６に連続的に接続しているため、モー
ド変換器７の入口端部を相当長い距離にわたって真円形
としている。そのため、モード変換器７の入口端付近の
この真円形領域が不所望な空胴共振器を構成して寄生発
振を起こすおそれがあることは先に説明した通りであ
る。

【００２５】以下、図２ないし図８を参照しながら本発
明の第１の実施の形態について説明する。図２は、図１
に示したジャイロトロンに組み込まれるモード変換器７
を構成する概略円形導波管の内面形状を表わす鳥瞰図で
あり、凹凸を強調して表わしてある。図３は、同モード
変換器７の内壁の形状の周方向展開図で、半径の大小を
等高線で表わしている。図４は、モード変換器７の内壁
形状の周方向展開鳥瞰図で、凹凸を強調して表わしてあ
る。

【００２６】図５は、単調増加関数を例示する図であ
る。図８は、モード変換器内面上のミリ波電界強度分布
を例示する分布図である。なお、図５において、Ｆ
（ｚ）の例は、後段に説明するＦ_１（ｚ）、Ｆ_２（ｚ）
にも当てはめることができる。また、図３、図４および
図８には、作用を判り易くするために実際には存在しな
い部分についても、描かれている。

【００２７】図２ないし図４に示されるように、モード
変換器７の主要部をなす概略円形導波管は、内面形状が
概ね円筒形状の導波管で、その仮想の入口端２２の横断
内面形状が真円形となっている。

【００２８】そしてこの概略円形導波管の内面形状は、
伝播方向すなわち実際の入口端２７から放射開口部２３
に向かって、真円形から周方向の凹凸の変形度合を漸次
大きくするようなものとなっている。なお、図２に示し
たモード変換器７を構成する概略円形導波管の放射開口
部２３は、ヘリカルカット部２４と、管軸に平行な方向
に切断された直線カット部２５を有している。また、こ
の概略円形導波管の軸方向の長さの一例を示すと、およ
そ２３０ｍｍ程度である。この長さは、長いほどモード
変換効率は上がるが、発散する電子ビームと接触しない
程度に長さを抑える必要があるため、動作周波数が例え
ば１１０ＧＨｚ帯のものでも、或いは１７０ＧＨｚ帯の
ものでも概ね上記と同じ程度の長さすなわちおよそ２３
０ｍｍ程度である。ただし、内径は同じ入力モードであ
れば高い動作周波数のものほど小さくなることは当然で
ある。

【００２９】モード変換器７を構成するこの概略円形導
波管の入口端２７は、図示されていない前段の円筒テー
パ導波管６に連続的に接続されており、ここから入力さ
れた高次モードのミリ波は、図２ないし図４に示された
変換器内壁面の凹凸によって集束され、放射開口部２３
から放射される。

【００３０】次に、モード変換器７を構成するこの概略
円形導波管の横断内面形状の構成について説明する。な
お、特段の断り書きをしない限り、形状に関する記述は
この概略円形導波管の横断内面形状についての記述であ
る。そこで、概略円形導波管の仮想の入口端２２は真円
形状であり、この発明の実際の入口端２７は、以下に説
明する通り、真円形状または非真円形状であって、この
入口端２７から放射開口部２３の方に向かって５ｍｍ以
下の範囲（０ｍｍを含む）に真円形から非真円形状にな
る位置が存在している。つまり、概略円形導波管の入口
側において、非真円の横断内面形状が始まる位置は、こ
の導波管の実際の入口端２７であってもよいし、或いは
この入口端２７から放射開口部２３の方に向かった５ｍ
ｍまでの範囲内にあればよい。

【００３１】なお、実際には、真円形状の仮想入口端２
２をも有する概略円形導波管の仮想入口端２２から実際
の入口端２７となる円筒領域２６を切断して製作するこ
とも可能である。この切断する範囲は、動作周波数に依
存して適切な範囲が規定される。

【００３２】すなわち、従来技術２では、先に説明した
とおり、円筒テーパ導波管と連続に接続するためにモー
ド変換器の入口端を円形としているため、入口端付近の
領域すなわち図２に一点鎖線で示す仮想入口端２２から
実際の入口端２７までの円筒領域２６は、真円形または
真円形からの変形度合が非常に小さく、この部分が所望
しない空胴共振器を構成して寄生発振を起こすおそれが
あることが知られている。

【００３３】このことから、図２ないし図４に示すよう
に、モード変換器７の入口端付近の領域２６を切断し、
実際の入口端２７ではわずかな非真円形状にするか、も
しくはこの入口端２７は真円形状でこの入口端２７から
放射開口部２３の方に向かって５ｍｍ以下の領域に非真
円形状が始まる領域が存在するようにしている。それに
よって、真円形状の領域が全く無いかもしくは５ｍｍ以
下に止められることから、この入口端付近の領域が実質
的な空胴共振器を構成して寄生発振を起こす可能性を小
さくできる。なお、実際の入口端２７は、非真円形であ
って真円形でない場合には、前段の円形テーパ導波管と
の接続面に不連続が生じるが、真円形からの変形度合が
小さいので、この不連続による反射またはモード変換に
よる影響を小さく抑えることは可能である。

【００３４】一方、入口側の真円形領域２６を取り除い
た分だけ、電子ビーム軌道との干渉で制限されているモ
ード変換器の全長を保ったまま、実効的な長さを長くす
ることもできるため、単位長さあたりの変形量を小さ
く、集束を緩やかにして、モード変換効率を改善するこ
とができる。

【００３５】図５（ａ）ないし図５（ｃ）は、円形導波
管２１の内面形状の単調増加関数を説明する概略図であ
る。

【００３６】本件出願のモード変換器７を構成する概略
円形導波管のように、伝搬方向に漸次変形度合が大きく
なっていく円筒導波管の内面形状は、入口半径ａ、管軸
方向座標ｚ、周方向座標φ、単調増加関数Ｆ（ｚ）、定
数Ｈと整数ｎを用いた時、円形導波管内面半径ｒを、ｒ＝ａ＋Ｆ（ｚ）・ｃｏｓ（Ｈ・ｚ＋ｎ・φ）で表わすことができる。

【００３７】なお、単調増加関数Ｆ（ｚ）は、図５
（ａ）に示すように、Ｆ（ｚ）＝Ａｚ図５（ｂ）に示すように、Ｆ（ｚ）＝Ａｓｉｎ（πｚ／２Ｌ）および図５（ｃ）に示すように、２つの円弧を並べた形
状である。

【００３８】また、前記定数Ｈは、図６および図７によ
り以下に説明する通り、πを円周率、ｍを入力モードの
周方向モード数、ｘを入力モードの固有値、ｋを入力波
の波数、Ｗをａｒｃｃｏｓ（ｍ／ｘ）、Ｂをａｒｃｓｉ
ｎ（ｘ／（ｋ・ａ））、Ｌを２・ａ・ｓｉｎＷ／ｔａｎ
Ｂとするとき、上述のｒ＝ａ＋Ｆ（ｚ）・ｃｏｓ（Ｈ・ｚ＋ｎ・φ）に対し、定数Ｈは、Ｈ＝（２・π−２・ｎ・Ｗ）／Ｌにより定義される。

【００３９】また、伝搬方向に漸次変形度合が大きくな
っていく周方向の凹凸の形状は、次のようにして求めら
れる。

【００４０】図６および図７に示されるように、半径ａ
の円形導波管Ｔを考えるとき、管内を伝搬する回転ＴＥ
_ｍ，ｎモード波を平面波展開すると、導波管の管軸と一
定の角度を保ちつつ導波管内面Ｔｆで反射されながら折
れ線螺旋状に進む光線群で表すことができ、導波管管軸
と光線群のなす角Ｂは、ｋが入力波の自由空間長、ｘが
入力波モードの固有値を示すとき、ｋ_Ｃが管内波長で、
ｋ_Ｃ＝ｘ／ａによりＢ＝ｓｉｎ^−１（ｋ_Ｃ／ｋ）で表わされる。

【００４１】なお、ミリ波を円形導波管Ｔの端部から放
射させると、導波管管軸と角Ｂをなす方向に放射される
ことから、角Ｂを軸方向ミリ波放射角と呼ぶ。

【００４２】上記の光線群は、導波管内に半径ρ_ｍｎの
包絡円筒面Ｆを形成する。ここで、ｍが入力モードの周
方向モード数を示すとき、包絡円筒面の半径ρ_ｍｎとｍ
との関係は、 ρ_ｍｎ／ａ＝ｍ／ｋ_Ｃａ＝ｍ／ｘとなる。

【００４３】また、光線Ｐと導波管内面Ｔｆとの交点す
なわち反射点Ｒにおける導波管内面Ｔｆと光線Ｐのなす
角をＷとすると、Ｗ＝ｃｏｓ^−１（ρ_ｍｎ）＝ｃｏｓ^−１（ｍ／ｘ）で表わされる。

【００４４】さらに、光線Ｐが反射点Ｒから角度Ｗだけ
進んだ時に、軸方向に進む距離Ｌｗは、Ｌｗ＝ａ・ｓｉｎＷ／ｔａｎＢであることから、光線Ｐが周方向に１回転する間に進む
軸方向距離をＬαとすると、Ｌα＝２・π・ａ・ｓｉｎＷ／Ｗ・ｔａｎＢで表わされる。

【００４５】従って、導波管管軸方向をｚ、周方向座標
をφとしたとき、光線Ｐの反射点Ｒを結ぶ導波管内面Ｔ
ｆ上の螺旋は、 φ＝±２πｚ／Ｌα で表わされる。なお、光線Ｐが右ねじ回りの場合は、
「＋」、左ねじ回りの場合は、「−」である。

【００４６】また、上記光線群のうちのある１本の光線
Ｐに着目すると、その光線Ｐが導波管内面Ｔｆで反射さ
れる反射点Ｒと次の反射点Ｒとの関係は、導波管管軸の
一点を原点とする円柱座標系において、周方向には角２
Ｗに相当し、軸方向にはＬに相当し、Ｌ＝２Ｌｗ＝２ａｓｉｎＷ／ｔａｎＢで表わされる。

【００４７】さらに、上記１本の光線Ｐの反射点Ｒが全
てねじ形状の山（または谷）になるようにするために
は、２つの方法があり、１つは、光線Ｐの反射点Ｒを結
ぶ螺旋ねじ形状の山（または谷）に、傾きとピッチとが
ともに一致するように、導波管内面Ｔｆの形状をねじ形
状とする方法であり、もう１つは、光線Ｐの反射点Ｒの
間隔にねじ形状のピッチだけを合わせて傾きは異なるよ
うにする方法である。

【００４８】ここで、円形導波管Ｔの内面半径ｒが、ｒ＝ａ＋Ｆ（ｚ）ｃｏｓ（Ｈｚ＋ｎφ）であるときに、Ｈ＝２π／Ｌαとした場合、ｎ＝−（±
１、複号同順）とすれば、ねじ形状の谷を、上記光線Ｐ
の反射点Ｒを結ぶ螺旋に一致させることができる。従っ
て、ミリ波を１本の螺旋の周辺に、徐々に集束させる
（主に軸方向）ことができる。

【００４９】このため、放射開口部の出力端を、ミリ波
が集束する１本の螺旋の周辺から外したヘリカルカット
部分とすることで、エネルギー密度を最小化でき、ミリ
波の回折散乱効果を最小化できる。

【００５０】また、Ｈ＝（２π−２ｎＷ）／Ｌとした場合、導波管内面Ｔｆの形状は、ある１本の光線
Ｐの反射点Ｒが常に山の位置にくることになる。従っ
て、ミリ波をねじ形状の山の周辺に徐々に集束（主に周
方向で、周方向に凹凸がある場合は、山の位置に集束さ
れ、軸方向には谷の位置に集束）させることができる。

【００５１】このため、図７に示すように、放射開口部
２３の出力端を谷の位置の直線カット部分とすること
で、エネルギー密度を最小化でき、ミリ波の回折散乱効
果を、最小にできる。なお、図８は、上述した計算方法
によって求めたミリ波がねじ形状の山の周辺に集束する
様子を示すミリ波電界強度分布図である。

【００５２】また、上述した数値および定数は、単調増
加関数Ｆ（ｚ）をより詳細に求めるために、２つの単調
増加関数Ｆ_１（ｚ），Ｆ_２（ｚ）を考えることにより、
より精密に定義可能であって、入口半径ａと管軸方向座
標ｚと周方向座標φと単調増加関数Ｆ_１（ｚ），Ｆ
_２（ｚ）と、定数Ｈ_１，Ｈ_２と整数ｎ_１，ｎ_２を用いた
とき、円形導波管内面半径ｒを、ｒ＝ａ＋Ｆ_１（ｚ）・ｃｏｓ（Ｈ_１・ｚ＋ｎ_１・φ）＋
Ｆ_２（ｚ）・ｃｏｓ（Ｈ_２・ｚ＋ｎ_２・φ）で表すことができる。

【００５３】また、このときの前記２つの定数Ｈ_１，Ｈ
_２は、ｒ＝ａ＋Ｆ_１（ｚ）・ｃｏｓ（Ｈ_１・ｚ＋ｎ_１・φ）＋
Ｆ_２（ｚ）・ｃｏｓ（Ｈ_２・ｚ＋ｎ_２・φ）に対し、πを円周率、ｍを入力モードの周方向モード
数、ｘを入力モードの固有値、ｋを入力波の波数、Ｗを
ａｒｃｃｏｓ（ｍ／ｘ）、Ｂをａｒｃｓｉｎ（ｘ・（ｋ
／ａ））、Ｌを２ａｓｉｎＷ／ｔａｎＢ、Ｌ_αを２πａ
ｓｉｎＷ／（ＷｔａｎＢ）とするとき、Ｈ_１＝２π／Ｌ_α Ｈ_２＝（２π−２ｎ_２Ｗ）／Ｌにより定義される。

【００５４】次に、本発明の第２の実施の形態を、図９
および図１０を参照して説明する。

【００５５】図９は、本発明の第２の実施の形態である
モード変換器７を構成する概略円筒導波管の内壁の形状
を表す鳥瞰図で、凹凸を強調して表してある。図１０
は、モード変換器７を構成する概略円筒導波管の内壁形
状の周方向の展開鳥瞰図で、図９と同様に、凹凸を強調
して表してある。

【００５６】図９および図１０において、モード変換器
を構成している内面形状が略円筒形状の概略円筒導波管
で、仮想入口端２２の内断面形状が真円形となってい
る。

【００５７】仮想入口端２２から放射開口部２３に向か
って概略円筒導波管の内面形状は、伝播方向に円形から
周方向の凹凸の変形度合を漸次大きくするようなものと
なっている。

【００５８】モード変換器７を構成する概略円筒導波管
の仮想入口端２２は、図示されていない前段の円形テー
パ導波管に接続されており、ここから入力された高次モ
ードのミリ波は、図９，図１０に示された変換器内壁面
の凹凸によって集束されて、放射開口部２３から放射さ
れる。

【００５９】従来技術１では、先に示したように、円筒
テーパ導波管６と連続的に接続するために、モード変換
器７を構成する概略円筒導波管の入口端２７から例えば
１０ｍｍ以上にわたって真円形としている。このため、
入口端付近の領域は、真円形または真円形からの変形度
合が小さく、空胴共振器を構成して、寄生発振を起こす
おそれがあることが知られている。

【００６０】このことから、図９および図１０に示す第
２の実施の形態においては、第１の実施の形態と同様
に、モード変換器７を構成する概略円筒導波管の入口端
付近の領域２６を、仮想入口端２２から所定長さにわた
って切除することにより、真円形からの変形度合が小さ
い領域を５ｍｍ以下というように短くし、空胴共振器を
構成して不所望な寄生発振を起こす可能性を小さくでき
る。なお、図９，図１０において、モード変換器７を構
成する概略円筒導波管は、複数の頂点２８ｐを有する集
束鏡２８と複数の頂点２９ｐを有する発散鏡２９とが、
螺旋円３０の母線上に順に配列されている構造を有して
いる。

【００６１】このようなモード変換器７を構成する概略
円筒導波管においては、実際の入口端２７は、非真円形
であって真円形ではないので、前段の円形テーパ導波管
との接続面に不連続が生じるが、真円形からの変形度合
が小さいので、この不連続による反射またはモード変換
による悪影響を小さく抑えることは可能である。

【００６２】また、入口側を取り除いた分、電子ビーム
軌道との干渉で制限されているモード変換器の全長を保
ったまま、実効的な長さを長くすることもできるため、
単位長さあたりの変形量を小さく、集束を緩やかにし
て、モード変換効率を改善することができる。

【００６３】このように、モード変換器７を構成する概
略円筒導波管の横断内面形状を、入口側から放射開口部
側に向かって進むにつれ、徐々に真円形から非真円形へ
の変形度が深くなるよう構成したものにおいて、概略円
筒導波管の入口端２７から放射開口部２３側に向かって
５ｍｍ以下（０ｍｍを含む）の位置に非真円形が始まる
位置を存在させたことにより、モード変換器の長さを短
縮できるとともにジャイロトロンに内蔵した場合の寄生
発振を未然に抑制することができる。

【００６４】また、円筒導波管の入口側を取り除いた分
だけ電子ビーム軌道との干渉に起因して制限されている
モード変換器の全長を保ったままで、実効的な長さを長
くできるため、単位長さあたりの変形量を小さく、集束
を緩やかにして、モード変換効率を改善することができ
る。

【００６５】なお、このようなモード変換器の一部また
は全部を管内に備えるようにジャイロトロン装置を構成
することができる。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、モード変換器の入口付近が不所望な空胴共振器を構
成する可能性が低くなり、モード変換器をジャイロトロ
ンに内蔵した場合に生じる寄生発振を抑制することがで
きる。

【００６７】また、電子ビーム軌道との干渉に起因して
制限されているモード変換器の全長を保ったまま実効的
な長さを長くできるため、単位長さあたりの変形量を小
さく、集束を緩やかにして、モード変換効率を改善する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態がジャイロトロン装置の
例を示す概略断面図。

【図２】図１に示したジャイロトロンに適用されるモー
ド変換器の円形導波管の第１の実施の形態を説明する鳥
瞰図。

【図３】図２に示したモード変換器の円形導波管の周方
向展開図。

【図４】図２に示したモード変換器の円形導波管の周方
向展開鳥瞰図。

【図５】図２に示したモード変換器の単調増加関数Ｆ
（ｚ），Ｆ_１（ｚ），Ｆ_２（ｚ）の一例を示す概略図。

【図６】図２に示したモード変換器の円形導波管の径方
向断面図。

【図７】図２に示したモード変換器の円形導波管を周方
向に展開した概略図。

【図８】図２に示したモード変換器の円形導波管の内面
上のミリ波電界強度の計算値を示す概略図。

【図９】図１に示したジャイロトロンに適用されるモー
ド変換器の円形導波管の第２の実施の形態を説明する鳥
瞰図。

【図１０】図９に示したモード変換器の円形導波管の周
方向展開図。

【符号の説明】

１・・・ジャイロトロン装置の管本体、２・・・電子銃（ＭＩＧ）、３・・・コレクタ、５・・・空胴共振器（キャビティ）、６・・・円筒テーパ導波管、７・・・モード変換器（概略円筒導波管）、８・・・ミラー系、１３・・・陰極、１４・・・陽極、２２・・・円筒導波管の仮想入力端、２３・・・放射開口部、２７・・・実際の入力端。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者春日井敦茨城県那珂郡那珂町大字向山801番地の１日本原子力研究所那珂研究所内 (72)発明者満仲義加栃木県大田原市下石上字東山1385番の１株式会社東芝那須電子管工場内Ｆターム(参考） 5C029 RR04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】概略円形導波管の横断内面形状が高次モー
ドミリ波の入口側から放射開口側に向かって進むにつれ
て真円形又は真円形に近い円形から非真円形への変形度
を徐々に強めていく形状を有し、それによって上記概略
円形導波管内を伝播する高次モードのミリ波を自由空間
中のミラー系を伝播する主モードのミリ波へ変換するた
めのモード変換器において、上記概略円形導波管の非真円横断内面形状の始まる位置
が、上記入口側の端から上記放射開口側に向かって５ｍ
ｍ以下（０ｍｍを含む）の位置に存在することを特徴と
するモード変換器。
【請求項２】上記概略円形導波管は、上記入口側の端で
その横断内面形状が非真円形状になっている請求項１記
載のモード変換器。
【請求項３】上記概略円形導波管の横断内面形状が非真
円形状である領域の内面形状は、入口半径ａと管軸方向
座標ｚと周方向座標φと単調増加関数Ｆ（ｚ）と、定数
Ｈと整数ｎを用いた時、円形導波管内面半径ｒが、ｒ＝ａ＋Ｆ（ｚ）・ｃｏｓ（Ｈ・ｚ＋ｎ・φ）で表わされることを特徴とする請求項１または請求項２
記載のモード変換器。
【請求項４】上記定数Ｈが、Ｈ＝（２・π−２・ｎ・Ｗ）／Ｌここで、πは円周率、ｎは整数、Ｗはａｒｃｃｏｓ（ｍ
／ｘ）、ｍは入力モードの周方向モード数、ｘは入力モ
ードの固有値、Ｌは２ａ・ｓｉｎＷ／ｔａｎＢ、Ｂはａ
ｒｃｓｉｎ（ｘ／（ｋ・ａ））、ｋは入力波の波数を表
わすで表わされることを特徴とする請求項３記載のモー
ド変換器。
【請求項５】上記概略円形導波管の上記入口側端部にそ
の横断内面形状が真円形状である領域が存在している場
合の内面形状は、入口半径ａと管軸方向座標ｚと周方向
座標φと単調増加関数Ｆ_１（ｚ），Ｆ_２（ｚ）と、定数
Ｈ_１，Ｈ_２と整数ｎ_１，ｎ_２を用いた時、円形導波管内
面半径ｒが、ｒ＝ａ＋Ｆ_１（ｚ）・ｃｏｓ（Ｈ_１・ｚ＋ｎ_１・φ）＋
Ｆ_２（ｚ）・ｃｏｓ（Ｈ_２・ｚ＋ｎ_２・φ）で表わされることを特徴とする請求項１に記載のモード
変換器。
【請求項６】上記定数Ｈ_１，Ｈ_２が、Ｈ_１＝２・π／Ｌ_α Ｈ_２＝（２・π−２・ｎ_２・Ｗ）／Ｌここで、πは円周率、Ｌ_αは２・π・ａ・ｓｉｎＷ／
（Ｗ・ｔａｎＢ）、Ｗはａｒｃｃｏｓ（ｍ／ｘ）、ｍは
入力モードの周方向モード数、ｘは入力モードの固有
値、Ｂはａｒｃｓｉｎ（ｘ／（ｋ・ａ））、ｋは入力波
の波数、ｎ_２は整数、Ｌは２・ａ・ｓｉｎＷ／ｔａｎ
Ｂ、を表わすで表わされることを特徴とする請求項５記
載のモード変換器。
【請求項７】請求項１ないし６のいずれかに記載のモー
ド変換器の一部または全部を管内に備えていることを特
徴とするジャイロトロン装置。