JP2006278285A - Gyrotron - Google Patents

Gyrotron Download PDF

Info

Publication number
JP2006278285A
JP2006278285A JP2005099772A JP2005099772A JP2006278285A JP 2006278285 A JP2006278285 A JP 2006278285A JP 2005099772 A JP2005099772 A JP 2005099772A JP 2005099772 A JP2005099772 A JP 2005099772A JP 2006278285 A JP2006278285 A JP 2006278285A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electron gun
cavity
gyrotron
magnet
collector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2005099772A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tasaburou Saji
他三郎 佐治
Masaji Miyake
正司 三宅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kinki University
Original Assignee
Kinki University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kinki University filed Critical Kinki University
Priority to JP2005099772A priority Critical patent/JP2006278285A/en
Publication of JP2006278285A publication Critical patent/JP2006278285A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gyrotron which saves on power and is designed compact. <P>SOLUTION: In this gyrotron, the inside 2 of an oscillation tube is constituted of three areas comprising: an electron gun part 21 provided with an electron gun 3; a cavity part 22 corresponding to a position where a magnet 5 is provided; and a collector part 23 located in donwstream of the cavity part, in the electron gun part, an electron beam outputted from the electron gun reaches the cavity through a tube line 211 whose diameter gradually decreases, the electron beam outputted from the electron gun is converted into electromagnetic waves in the cavity, the collector part is provided with a taper tube line part 231 whose diameter continuously increases from the cavity part, electromagnetic waves are oscillated from an output window through the collector part and a collector part wall surface catches the electrons of the electron beam passing the cavity. An outer diameter of the middle part of the oscillation tube is smaller than maximum diameters of the electron gun part and the taper shape part in the collector part, and a ring magnet externally fitted with the middle part has a sprit structure. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、ミリ波を発生させるジャイロトロンに関し、より詳しくは、省電力且つコンパクト設計可能なジャイロトロンに関する。   The present invention relates to a gyrotron that generates millimeter waves, and more particularly to a power-saving and compactly designed gyrotron.

近年の通信技術の発達により、電磁波が産業上利用される機会が著しく増大している。電磁波の技術開発の歴史は、1752年のフランクリンの実験を皮切りに、マクスウェルの電磁場理論(1864年)、ヘルツによる電磁場の実証(1888年)、そしてマルコーニの大西洋横断通信(1901年)に行われたことがよく知られている。   With recent developments in communication technology, the opportunities for industrial use of electromagnetic waves have increased significantly. The history of electromagnetic technology development began with Franklin's experiment in 1752, Maxwell's electromagnetic field theory (1864), Hertz's demonstration of electromagnetic field (1888), and Marconi's transatlantic communication (1901). It is well known that

通信分野の電磁波の利用の歴史を見ると、ラジオ放送(中波)から始まり、短波を利用した国際通信に発展し、その後、テレビ放送において、超短波や極超短波が用いられるようになり、現在では、衛星放送にマイクロ波が用いられている。
このように現代の生活において電磁波の利用は欠かすことのできないものとなり、その利用範囲はますます増大の一途を辿るが、このような技術的発展は1つの問題を抱えている。
Looking at the history of the use of electromagnetic waves in the communications field, it started with radio broadcasting (medium wave) and developed into international communications using short waves. After that, ultra-short waves and ultra-high frequencies were used in television broadcasting. Microwaves are used for satellite broadcasting.
In this way, the use of electromagnetic waves is indispensable in modern life, and the range of use continues to increase, but such technological development has one problem.

上記の通信分野における電磁波の利用の例を鑑みる。
同じ周波数に複数の電波が存在すると、混信を生ずるという問題がある。一般に1つの電波は周波数に広がりを有するので、例えば、1つの電波が1MHzの広がりを持つとき、100MHzから110MHzの間には10個以上の電波を並べることができない。このような観点から、電波は有限な資源ということができ、上記の技術的発展は、利用可能な周波数帯の枯渇、即ち資源の枯渇をもたらすこととなる。
Consider an example of the use of electromagnetic waves in the above communication field.
There is a problem that interference occurs when multiple radio waves exist at the same frequency. In general, since one radio wave has a spread in frequency, for example, when one radio wave has a spread of 1 MHz, ten or more radio waves cannot be arranged between 100 MHz and 110 MHz. From this point of view, radio waves can be said to be a finite resource, and the above technical development leads to the depletion of available frequency bands, that is, the depletion of resources.

ミリ波(波長1mm以上1cm以下、周波数約30GHz以上約300GHz以下の電磁波)の利用は、高出力で安定的に動作する光源及び高感度受信機の欠如のため、開発がこれまでほとんど行われてこなかった唯一の電磁波領域であり、「電磁波の谷間」とされている。ミリ波の利用は、これまで軍事用レーダなどといった特殊な用途にしか用いられていない。   The use of millimeter waves (electromagnetic waves with a wavelength of 1 mm or more and 1 cm or less and a frequency of about 30 GHz or more and about 300 GHz or less) has been mostly developed so far due to the lack of a high-power, stable light source and a highly sensitive receiver. This is the only electromagnetic field that did not exist, and is considered to be an “electromagnetic valley”. The use of millimeter waves has so far been used only for special purposes such as military radar.

ミリ波の特性として、直進性が強くなり、物の後ろに回り込む性質が低いことが挙げられる。また、金属以外の物体にも遮られるという性質も備える。また、分子の振動の影響を受けやすく、例えば、水や酸素があるとミリ波が吸収されるという性質も備える。上記ミリ波の特性から、ミリ波は、遠方に飛ぶことができないという性質がある。この特性は、遠方への通信には不向きな一方、遠方からの混信を受けにくいという特性を意味し、短距離の通信には、非常に適した電磁波ということがいえる。このようなミリ波の特性から、ミリ波は、自動車衝突防止用レーダや高速無線LANなどといった分野への応用が期待されている。   As a characteristic of the millimeter wave, it is mentioned that the straightness is strong and the property of going around behind the object is low. It also has the property of being shielded by objects other than metal. Further, it is easily affected by molecular vibrations, and for example, has the property that millimeter waves are absorbed when water or oxygen is present. Due to the characteristics of the millimeter wave, the millimeter wave has a property that it cannot fly far away. This characteristic means that it is not suitable for far-distance communication but is difficult to receive interference from a long distance, and can be said to be an electromagnetic wave that is very suitable for short-distance communication. Due to such characteristics of millimeter waves, millimeter waves are expected to be applied to fields such as automobile collision prevention radars and high-speed wireless LANs.

更には、ミリ波を用いた加熱は、従来の電子レンジ等に用いられるマイクロ波を用いる自己発熱効率よりも高い効率の発熱効果を得ることが可能である。これは、電磁波が照射された被加熱物の発熱量は、照射される電磁波の周波数に比例し、ミリ波の方がマイクロ波よりも周波数が高いことに起因する。また、ミリ波は、金属の加熱も可能であり、アークを発生させることなく、金属体の一様な加熱を行うことも可能である。   Furthermore, heating using millimeter waves can provide a heat generation effect with higher efficiency than self-heating efficiency using microwaves used in conventional microwave ovens and the like. This is because the amount of heat generated by the heated object irradiated with the electromagnetic wave is proportional to the frequency of the irradiated electromagnetic wave, and the millimeter wave has a higher frequency than the microwave. Further, the millimeter wave can heat a metal, and can uniformly heat a metal body without generating an arc.

このため、ミリ波は、核融合実験のプラズマ昇温など、高温を要求する技術分野への応用が進められている。更には、近年においては、材料研究の場において用いられ、例えば、セラミックスの焼結実験や窒化金属の開発などが行われている。   For this reason, millimeter waves are being applied to technical fields that require high temperatures, such as plasma heating in fusion experiments. Furthermore, in recent years, it has been used in the field of material research, for example, sintering experiments of ceramics and development of metal nitrides.

ミリ波を作り出す装置として、ジャイロトロンが知られ、様々なジャイロトロンが提案されている(例えば、特許文献1や2)。
図4に、従来のジャイロトロンの基本構成の概略を示す。
ジャイロトロン(J)は、発振管(T)を備える。発振管(T)内部において、発振管(T)の一端部には電子銃(G)が配設され、電子銃(G)は発振管(T)軸方向に電子ビームを出力する。そして、電子ビームは発振管(T)の他端部に向かって進む。発振管(T)他端部には出力窓(W)が配される。
A gyrotron is known as a device that generates millimeter waves, and various gyrotrons have been proposed (for example, Patent Documents 1 and 2).
FIG. 4 shows an outline of a basic configuration of a conventional gyrotron.
The gyrotron (J) includes an oscillation tube (T). Inside the oscillation tube (T), an electron gun (G) is disposed at one end of the oscillation tube (T), and the electron gun (G) outputs an electron beam in the axial direction of the oscillation tube (T). Then, the electron beam travels toward the other end of the oscillation tube (T). An output window (W) is disposed at the other end of the oscillation tube (T).

発振管(T)の内部は、3つの領域に分けられ、図4中左方から電子銃部(T1)、キャビティ部(T2)及びコレクタ部(T3)とされる。
電子銃部(T1)には、上述の如く、電子銃(G)が配される。電子銃(G)から先に延びる電子銃部(T1)の管路はキャビティ部(T2)に向けて連続的に狭くなるテーパ形状とされる。
キャビティ部(T2)は、上述の如く電子銃部(T1)の管路と連通する細く形成された一定断面の管路である。
キャビティ部(T2)の後にコレクタ部(T3)が配される。コレクタ部(T3)の管路はキャビティ部(T2)から徐々に径大となるテーパ状に形成される部分と、その後一定断面となる部分を備える。
キャビティ部(T2)に対応する位置において、環状の磁石(M)が配される。磁石(M)は、キャビティ部(T2)の長さよりも長く形成され、その両端部は、キャビティ部(T2)の入口側及び出口側に形成されたテーパ管路部分の途中部の位置に至る。
The inside of the oscillation tube (T) is divided into three regions, which are an electron gun part (T1), a cavity part (T2) and a collector part (T3) from the left in FIG.
As described above, the electron gun (G) is arranged in the electron gun section (T1). The tube of the electron gun portion (T1) extending from the electron gun (G) first has a tapered shape that continuously narrows toward the cavity portion (T2).
The cavity part (T2) is a narrowly formed pipe having a constant cross section that communicates with the pipe of the electron gun part (T1) as described above.
The collector part (T3) is arranged after the cavity part (T2). The pipe line of the collector part (T3) includes a part formed in a tapered shape gradually increasing in diameter from the cavity part (T2), and a part thereafter having a constant cross section.
An annular magnet (M) is disposed at a position corresponding to the cavity portion (T2). The magnet (M) is formed longer than the length of the cavity portion (T2), and both end portions thereof reach the positions of the middle portions of the tapered pipe line portions formed on the inlet side and the outlet side of the cavity portion (T2). .

電子銃(G)から出力された電子ビームは磁石(M)に引き出されるとともに、電子銃部(T1)のテーパ管路に案内されて竜巻状の回転エネルギの大きな電子の渦となる。電子渦を構成する電子の1秒当りの回転数(相対論的電子サイクロトロン周波数)は、電子銃(G)から放出される電子と磁石(M)の磁場によって定められる。この電子渦はキャビティ部(T2)に導入される。
共鳴周波数がこの電子の回転数と一致するとき、電子の運動エネルギが、電磁波(ミリ波)へと変換される。この変換は、メーザの原理に基づくものである。
キャビティ部(T2)で、電子の運動エネルギから変換された電磁波は、発振管(T)の軸に沿って直進し、コレクタ部(T3)の管路を通り、出力窓(W)を介して、発振管(T)の外へ出力される。一方、キャビティ部(T2)を通り抜けた電子は、コレクタ部(T3)の壁面と衝突し、コレクタ部(T3)に吸収される。
出力窓(W)から出力された電磁波は、出力窓(W)の下流側に取り付けられた電磁波ガイド管(F)によりガイドされ更に直進する。
The electron beam output from the electron gun (G) is drawn out to the magnet (M), and is guided to the tapered pipe line of the electron gun section (T1) to form a tornado-like electron vortex with large rotational energy. The number of rotations per second (relativistic electron cyclotron frequency) of the electrons constituting the electron vortex is determined by the electrons emitted from the electron gun (G) and the magnetic field of the magnet (M). This electron vortex is introduced into the cavity portion (T2).
When the resonance frequency matches the number of rotations of the electrons, the kinetic energy of the electrons is converted into an electromagnetic wave (millimeter wave). This conversion is based on the maser principle.
The electromagnetic wave converted from the electron kinetic energy in the cavity part (T2) travels straight along the axis of the oscillation tube (T), passes through the pipe line of the collector part (T3), and passes through the output window (W). Are output to the outside of the oscillation tube (T). On the other hand, the electrons passing through the cavity (T2) collide with the wall surface of the collector (T3) and are absorbed by the collector (T3).
The electromagnetic wave output from the output window (W) is guided further by the electromagnetic wave guide tube (F) attached to the downstream side of the output window (W) and further advances straight.

特開平6−196099号公報Japanese Patent Laid-Open No. 6-196099 特開平7−94106号公報JP 7-94106 A

上述のように、様々な分野への利用が期待されるミリ波を作り出すジャイロトロンは以下のような課題を有する。
より高出力のミリ波を作り出そうとするとき、電子を回転運動させるための磁場を強力にする必要がある。このため、磁石(M)に永久磁石を用いた場合には、発振管(T)途中部を外嵌する環状の磁石(M)が大型になり、これはジャイロトロン及びジャイロトロンを組み込んだ装置の大型化を招くこととなっていた。磁石(M)が電磁石である場合には、高電流を磁石(M)に供給する必要があった。
或いは、高速度で電子を発生させる電子銃(G)を用いることも、高出力ミリ波を作り出す手段の1つであるが、このような電子銃(G)は高価であり、高速化のための技術的限界もある。
したがって、従来においては、高出力ミリ波を発生させるジャイロトロンは、高電力を要し或いは大型のものしか存在せず、低電力或いは小型で高出力のミリ波を発生可能なジャイロトロンの出現が望まれていた。
As described above, the gyrotron that generates millimeter waves expected to be used in various fields has the following problems.
When trying to produce a higher output millimeter wave, it is necessary to strengthen the magnetic field for rotating the electrons. For this reason, when a permanent magnet is used for the magnet (M), the annular magnet (M) that fits the middle part of the oscillation tube (T) becomes large, and this is a device incorporating a gyrotron and a gyrotron. Was supposed to lead to an increase in size. When the magnet (M) is an electromagnet, it is necessary to supply a high current to the magnet (M).
Alternatively, the use of an electron gun (G) that generates electrons at a high speed is one of the means for generating a high-power millimeter wave. However, such an electron gun (G) is expensive and has a high speed. There are also technical limitations.
Therefore, conventionally, only high-power millimeter-wave gyrotrons that require high power or large-sized gyrotrons are available, and low-power or small-sized gyrotrons that can generate high-power millimeter waves have emerged. It was desired.

請求項1記載の発明は、内部を真空状態とされる筒状の発振管と、前記発振管の一端部に配されるとともに電子ビームを前記発振管軸方向に出力する電子銃と、該電子銃が配される端部と対向する端部に配される出力窓と、前記発振管途中部を外嵌する環状の磁石からなり、前記発振管内部は、電子銃が配される電子銃部と、前記磁石が配される位置に対応するキャビティ部と、前記キャビティ部下流に位置するコレクタ部の3つの領域から構成され、前記電子銃部において、前記電子銃から電子ビームが出力されるとともに、該出力された電子ビームは徐々に径小となる管路を介して、前記キャビティ内に至り、該キャビティ内で前記電子銃から出力された電子ビームが電磁波に変換され、前記コレクタ部は、前記キャビティ部から連続的に径大となるテーパ管路部分を備え、前記電磁波がコレクタ部を通じて前記出力窓から発振されるとともに、前記コレクタ部壁面は前記キャビティを通過した電子ビームの電子を捕捉するジャイロトロンであって、前記発振管途中部の外径が、前記電子銃部及び前記コレクタ部内のテーパ形状部分の最大径よりも径小とされ、該途中部を外嵌する環状磁石が分割構造とされることを特徴とするジャイロトロンである。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a cylindrical oscillating tube whose inside is evacuated, an electron gun disposed at one end of the oscillating tube and outputting an electron beam in the axial direction of the oscillating tube, and the electron An output window disposed at an end opposite to the end where the gun is disposed, and an annular magnet that externally fits the middle portion of the oscillation tube, and the inside of the oscillation tube includes an electron gun portion where an electron gun is disposed And an electron beam is output from the electron gun in the electron gun portion, and a cavity portion corresponding to a position where the magnet is disposed and a collector portion located downstream of the cavity portion. The output electron beam reaches the inside of the cavity through a pipe having a gradually decreasing diameter, and the electron beam output from the electron gun in the cavity is converted into an electromagnetic wave. Continuous from the cavity A tapered pipe portion having a large diameter, the electromagnetic wave is oscillated from the output window through the collector portion, and the collector wall surface is a gyrotron that captures electrons of the electron beam that has passed through the cavity, The outer diameter of the middle part of the oscillation tube is smaller than the maximum diameter of the tapered portion in the electron gun part and the collector part, and the annular magnet that fits the middle part has a divided structure. It is a gyrotron.

請求項2記載の発明は、前記磁石が永久磁石であることを特徴とする請求項1記載のジャイロトロンである。
請求項3記載の発明は、前記磁石が電磁石であることを特徴とする請求項1記載のジャイロトロンである。
A second aspect of the present invention is the gyrotron according to the first aspect, wherein the magnet is a permanent magnet.
A third aspect of the present invention is the gyrotron according to the first aspect, wherein the magnet is an electromagnet.

請求項1記載の発明によれば、磁石からキャビティ部までの距離が短くなり、より小型の磁石或いは電磁石へのより少ない電力供給であっても、従来のジャイロトロンと同程度の出力のミリ波を発生させることができる。
また、高い磁力の磁石を用いれば、従来のジャイロトロンよりも高出力のミリ波を発生させることが可能となる。
請求項2記載の発明によれば、従来のジャイロトロンよりも小型のジャイロトロンを構築することが可能となる。
請求項3記載の発明によれば、従来のジャイロトロンよりも低い要求電力のジャイロトロンを構築することが可能となる。
According to the first aspect of the present invention, the distance from the magnet to the cavity portion is shortened, and even if less power is supplied to a smaller magnet or electromagnet, the millimeter wave has the same output as the conventional gyrotron. Can be generated.
In addition, if a magnet having a high magnetic force is used, it is possible to generate a millimeter wave having a higher output than a conventional gyrotron.
According to the second aspect of the present invention, it is possible to construct a gyrotron that is smaller than the conventional gyrotron.
According to the third aspect of the present invention, it is possible to construct a gyrotron having a required power lower than that of the conventional gyrotron.

以下、本発明に係るジャイロトロンの実施形態について、図を参照しつつ説明する。図1は本発明に係るジャイロトロンの軸方向に沿う断面図である。
ジャイロトロン(1)は、筒状の発振管(2)を備える。発振管(2)の内部は真空状態とされる。発振管(2)の内部は、3つの領域に分けられる。図1中左方に形成される空間は、電子銃(3)が配される電子銃部(21)とされ、電子銃部(21)に連通する空間はキャビティ部(22)とされ、キャビティ部(22)の右方に配され、キャビティ部と連通する空間がコレクタ部(23)とされる。
Hereinafter, embodiments of the gyrotron according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view taken along the axial direction of a gyrotron according to the present invention.
The gyrotron (1) includes a cylindrical oscillating tube (2). The inside of the oscillation tube (2) is in a vacuum state. The inside of the oscillation tube (2) is divided into three regions. A space formed on the left side in FIG. 1 is an electron gun part (21) in which an electron gun (3) is arranged, and a space communicating with the electron gun part (21) is a cavity part (22). A space that is arranged to the right of the part (22) and communicates with the cavity part is a collector part (23).

電子銃部(21)内には電子銃(3)が配設される。電子銃(3)は棒状のカソード(31)と、カソード(31)外周から所定の距離を開けて該カソード(31)を囲むように形成されたアノード(32)を備える。電子銃(3)は電子銃部(21)左端に固定されている。電子銃(3)はカソード(31)左端から延出する電源コード(311)から電力を供給され、カソード(31)先端から右方に向かって電子ビームを発射する。
尚、アノード(32)の右端は、カソード(31)先端よりも右方に位置し、カソード(31)先端から照射された電子ビームが発振管(1)に沿って進むようにガイドする。
An electron gun (3) is disposed in the electron gun section (21). The electron gun (3) includes a rod-like cathode (31) and an anode (32) formed so as to surround the cathode (31) at a predetermined distance from the outer periphery of the cathode (31). The electron gun (3) is fixed to the left end of the electron gun section (21). The electron gun (3) is supplied with power from a power cord (311) extending from the left end of the cathode (31), and emits an electron beam from the tip of the cathode (31) toward the right.
The right end of the anode (32) is positioned to the right of the tip of the cathode (31), and guides the electron beam irradiated from the tip of the cathode (31) to travel along the oscillation tube (1).

電子銃部(21)は更に、テーパ管路部(211)を備える。テーパ管路(211)は、カソード(31)先端より右側に形成され、カソード(31)先端から離れるにつれて連続的に径小となるテーパ管路となっている。
カソード(31)から照射された電子ビームは、徐々に径小となるテーパ管路(211)を通じて、キャビティ部(22)に至る。
The electron gun section (21) further includes a tapered pipe section (211). The tapered pipe line (211) is formed on the right side of the tip of the cathode (31), and is a tapered pipe line that continuously decreases in diameter as the distance from the tip of the cathode (31) increases.
The electron beam irradiated from the cathode (31) reaches the cavity part (22) through the tapered pipe line (211) having a gradually decreasing diameter.

キャビティ部(22)は、細く形成された断面一定の管路である。テーパ管路(211)からキャビティ部(22)に至った電子ビームの電子の回転運動エネルギは、キャビティ部(22)で電磁波(ミリ波)に変換される。   The cavity part (22) is a thin pipe line having a constant cross section. The rotational kinetic energy of the electron beam from the tapered pipe (211) to the cavity (22) is converted into electromagnetic waves (millimeter waves) by the cavity (22).

キャビティ部(22)を通過した電子ビームはコレクタ部(23)に至る。
コレクタ部(23)は、キャビティ部(22)と連通するとともに、キャビティ部(22)から離れるにつれて連続的に径大となるテーパ管路(231)と、テーパ管路(231)と連通するとともに、断面一定となって下流方向に延びる定管路(232)からなる。
The electron beam that has passed through the cavity portion (22) reaches the collector portion (23).
The collector part (23) communicates with the cavity part (22), and with the tapered pipe line (231) and the tapered pipe line (231) that continuously increase in diameter as the distance from the cavity part (22) increases. It consists of a constant pipe line (232) having a constant cross section and extending in the downstream direction.

キャビティ部(22)を通過する電子ビームを構成する電子は旋回運動をしているが、テーパ管路(231)に至ると、旋回運動に起因する遠心力によって、電子は発振管(2)の軸から離れていく。即ち、旋回運動の半径が大きくなっていく。そして、電子は、コレクタ部(23)壁面と衝突し、コレクタ部(23)壁面に捕捉される。一方、キャビティ部(22)で作られた電磁波は直進性を備えるので、発振管(2)の軸に沿って直進し、コレクタ部(23)右端に固定された出力窓(4)に向かう。
尚、出力窓(4)は、ダイヤモンドから形成されることが好ましい。ダイヤモンドからなる出力窓(4)を用いることで、熱損傷を最小限化できる。
The electrons constituting the electron beam passing through the cavity portion (22) are making a swivel motion. When the electrons reach the taper pipe (231), the electrons are caused to oscillate in the oscillation tube (2) by the centrifugal force caused by the swivel motion. Move away from the axis. That is, the radius of the turning motion increases. Then, the electrons collide with the wall surface of the collector part (23) and are captured by the wall surface of the collector part (23). On the other hand, since the electromagnetic wave produced in the cavity part (22) has straightness, it goes straight along the axis of the oscillation tube (2) and goes to the output window (4) fixed to the right end of the collector part (23).
The output window (4) is preferably formed from diamond. By using the output window (4) made of diamond, thermal damage can be minimized.

発振管(2)の外部構造において、キャビティ部(22)の軸方向位置に対応する部分が途中部(220)とされる。
途中部(220)において、発振管(2)の外径は、キャビティ部(22)左右に形成されるテーパ管路(211,231)の最大径部分の直径よりも小さく形成される。
途中部(220)における発振管(2)の外径は、テーパ管路(211,231)の最大直径に対して10%以上80%以下とされることが好ましい。10%未満の直径であると、電磁波を作り出すことが困難となり、80%以上であると、省電力或いは設計のコンパクト化の効果がさほど得られなくなるためである。尚、最も好ましい途中部(220)の外径寸法の範囲は、テーパ管路(211,231)の最大直径に対して、30%以上60%以下である。
In the external structure of the oscillating tube (2), a portion corresponding to the axial position of the cavity portion (22) is an intermediate portion (220).
In the middle part (220), the outer diameter of the oscillation pipe (2) is formed smaller than the diameter of the maximum diameter part of the tapered pipe lines (211 and 231) formed on the left and right sides of the cavity part (22).
The outer diameter of the oscillation pipe (2) in the middle part (220) is preferably 10% or more and 80% or less with respect to the maximum diameter of the tapered pipe lines (211 and 231). If the diameter is less than 10%, it is difficult to produce electromagnetic waves, and if it is 80% or more, the effect of power saving or design compactness cannot be obtained so much. In addition, the range of the outer diameter dimension of the most preferable middle part (220) is 30% or more and 60% or less with respect to the maximum diameter of the taper pipes (211 and 231).

図2は、磁石を示す。図2(a)、(b)及び(c)はそれぞれ異なる磁石の分割構造を示す。
途中部(220)に、環状の磁石(5)が外嵌する。図2に示す如く、磁石(5)は分割構造とされる。分割構造の形態は、途中部(220)を外嵌可能であれば特に限定されず、例えば、図2(a)に示す如く2等分としてもよいし、3等分以上としてもよい。また必ずしも、分割が等分で行われる必要はなく、例えば、図2(b)に示す如く、分割された磁石(5)を小片からなる部分と大片からなる部分としてもよい。
尚、図2(c)に示すように、環状の磁石(5)の内径部分から平行な接線を引くように磁石(5)を大片と小片とに分割すると好ましい。このようにすると、大片からなる部分が途中部(220)の外周大半を覆うため、キャビティ部(22)内において均一な磁場を得やすくなる。また、途中部(220)と磁石(5)内壁が密着するので、より強い磁場をキャビティ部(22)にもたらすことができる。
FIG. 2 shows a magnet. 2A, 2B, and 2C show different magnet division structures.
An annular magnet (5) is fitted on the middle part (220). As shown in FIG. 2, the magnet (5) has a divided structure. The form of the divided structure is not particularly limited as long as the middle part (220) can be fitted, and for example, it may be divided into two equal parts as shown in FIG. Further, the division does not necessarily have to be performed equally. For example, as shown in FIG. 2B, the divided magnet (5) may be a small piece portion and a large piece portion.
In addition, as shown in FIG.2 (c), it is preferable to divide | segment a magnet (5) into a large piece and a small piece so that a parallel tangent line may be drawn from the internal diameter part of an annular magnet (5). If it does in this way, since the part which consists of large pieces will cover most outer periphery of a middle part (220), it will become easy to obtain a uniform magnetic field in a cavity part (22). Further, since the intermediate part (220) and the inner wall of the magnet (5) are in close contact, a stronger magnetic field can be provided to the cavity part (22).

このように分割構造の磁石(5)を用いることで、くびれるように形成された途中部(220)に磁石(5)の内壁面を密着させることができる。磁場の強さは、距離の2乗に反比例するので、このようにくびれ構造の発振管(1)の途中部(220)に磁石(5)内壁を密着させることで、キャビティ部(22)内により強い磁場を作り出すことが可能となる。   In this way, by using the magnet (5) having the divided structure, the inner wall surface of the magnet (5) can be brought into close contact with the intermediate portion (220) formed to be constricted. Since the strength of the magnetic field is inversely proportional to the square of the distance, the inner wall of the magnet (5) is brought into close contact with the intermediate portion (220) of the constricted oscillating tube (1), so that the inside of the cavity (22) It is possible to create a stronger magnetic field.

尚、途中部(220)はキャビティ部(22)より長く形成され、途中部(220)の左右端は、テーパ管路(211,231)の途中部分に位置し、磁石(5)左右端面も同様にテーパ管路(211,231)の途中部分に位置する。   The middle part (220) is formed longer than the cavity part (22), the right and left ends of the middle part (220) are located in the middle part of the taper pipes (211 and 231), and the left and right end surfaces of the magnet (5) are also Similarly, it is located in the middle part of a taper pipe line (211, 231).

図1に示す如く、出力窓(4)の右側には、円筒状の出力案内管(6)が取り付けられている。出力案内管(6)は、出力窓(4)から出た直後の電磁波の方向を整える。これにより、出力窓(4)から出た後の電磁波も発振管(2)軸方向に直進する。   As shown in FIG. 1, a cylindrical output guide tube (6) is attached to the right side of the output window (4). The output guide tube (6) adjusts the direction of the electromagnetic wave immediately after coming out of the output window (4). Thereby, the electromagnetic wave after coming out from the output window (4) also goes straight in the axial direction of the oscillation tube (2).

図3は、ジャイロトロン(1)の作動原理を示す図である。
電子銃(3)から放出された電子は、磁石(5)及び電子銃(3)の放電圧力により、磁石(5)からの磁力線に巻きつくように移動し、旋回運動しながら電子銃部(21)のテーパ管路(211)に至る。テーパ管路(211)内で電子の旋回半径は徐々に低減する一方で、その回転数は増加する。このようにして、電子銃(3)からの電子ビームは竜巻状の電子渦を形成する。そして、電子ビームはキャビティ部(22)に至る。
磁石(5)の内壁面は、キャビティ部(22)に近い位置に配されるので、より高い磁場がキャビティ部(22)内に形成される。これにより、電子の回転数と共鳴周波数の同調による電子の運動エネルギの電磁波への変換によって生ずる電磁波の周波数をより高いものとすることができる。
キャビティ部(22)を通過した電子(e)は、その回転運動の遠心力及びキャビティ部(22)との接続部から連続的に径大となるテーパ管路(231)の形状により、発振管(2)の軸から離れるように移動し、コレクタ部(23)の壁面と衝突し、コレクタ部(23)に捕捉される。
一方で、電磁波(w)は発振管(2)の軸に沿って直進し、出力窓(4)を介して発振管(2)外に放出される。
FIG. 3 is a diagram showing the operating principle of the gyrotron (1).
The electrons emitted from the electron gun (3) move so as to wrap around the magnetic lines of force from the magnet (5) due to the discharge pressure of the magnet (5) and the electron gun (3), and while rotating, the electron gun part ( 21) to the tapered pipe line (211). In the taper pipe (211), the turning radius of electrons gradually decreases, while the rotation speed increases. In this way, the electron beam from the electron gun (3) forms a tornado-like electron vortex. Then, the electron beam reaches the cavity portion (22).
Since the inner wall surface of the magnet (5) is disposed at a position close to the cavity part (22), a higher magnetic field is formed in the cavity part (22). Thereby, the frequency of the electromagnetic wave generated by the conversion of the kinetic energy of the electron into the electromagnetic wave by tuning the rotation speed of the electron and the resonance frequency can be made higher.
The electrons (e) that have passed through the cavity portion (22) are caused by the centrifugal force of the rotational movement and the shape of the tapered pipe line (231) that continuously increases in diameter from the connection portion with the cavity portion (22). It moves away from the axis of (2), collides with the wall surface of the collector part (23), and is captured by the collector part (23).
On the other hand, the electromagnetic wave (w) travels straight along the axis of the oscillation tube (2) and is emitted out of the oscillation tube (2) through the output window (4).

本発明のジャイロトロンと従来の途中部(220)により形成されるくびれを備えないジャイロトロンの比較を、具体的数値を用いて行う。
ここで、出力15kW、周波数30GHz、発振モードTE01のジャイロトロンを設計する場合を考える。発振周波数30GHzを基本波で得るためには、キャビティ部で1.0テスラの磁場が必要となる。第2高調波にすると、必要とされる磁場は0.5テスラであるが、発振効率が基本波と較べて低くなる。
このような出力特性を備えるジャイロトロンを従来の機構を用いて設計すれば、コレクタ部及び電子銃部に必要とされる外径はφ100mm程度となり、従来においてはくびれ構造が採用されていないため、ジャイロトロンの中間位置、即ち途中部の外径寸法は約φ100mm程度となる。本発明の途中部(220)によって形成されるくびれ及び分割構造の磁石(5)を用いたジャイロトロン(1)の途中部(220)における発振管(2)の外径寸法は、くびれ部分に水冷構造を備えることを考慮したとしても、約φ25mmで十分である。
上記寸法のジャイロトロンに適用される永久磁石の重量は、従来構造の場合、0.5テスラの磁場を得るためには、500kgのNd−Fe−B系永久磁石が要求されるのに対して、本発明においては、80kgのNd−Fe−B系永久磁石が必要とされる。即ち、重量を約6分の1に低減できる。これに比例して、製造コストの低減も同様に図ることができる。
尚、本発明のジャイロトロンの構造を最適設計した場合、キャビティの寸法は約φ9mmであり、このときのジャイロトロンのくびれ部分の外径寸法は、水冷機能等を考慮して、約φ20mm程度となる。
このとき、従来構造の場合、電磁石の消費電力は36kWとなるのに対して、本発明の場合、同等の出力を得るのに1.8kWしか要さない。したがって、省電力化に優れることとなる。永久磁石を用いた場合においては、従来構造において必要とされる永久磁石の重量に対して10分の1程度の重量の50kgの永久磁石を用いることが可能であり、非常に軽量化されたジャイロトロンの構造を構築可能となる。
A comparison between the gyrotron of the present invention and the conventional gyrotron without the constriction formed by the middle part (220) is performed using specific numerical values.
Consider a case where a gyrotron with an output of 15 kW, a frequency of 30 GHz, and an oscillation mode TE 01 is designed. In order to obtain an oscillation frequency of 30 GHz with a fundamental wave, a magnetic field of 1.0 Tesla is required at the cavity. When the second harmonic is used, the required magnetic field is 0.5 Tesla, but the oscillation efficiency is lower than that of the fundamental wave.
If a gyrotron having such output characteristics is designed using a conventional mechanism, the outer diameter required for the collector part and the electron gun part will be about φ100 mm, and a constriction structure is not conventionally adopted. The outer diameter of the middle position of the gyrotron, that is, the middle part is about φ100 mm. The outer diameter dimension of the oscillation tube (2) in the middle part (220) of the gyrotron (1) using the constricted and divided structure magnet (5) formed by the middle part (220) of the present invention is Even considering the provision of a water cooling structure, about φ25 mm is sufficient.
The weight of the permanent magnet applied to the gyrotron of the above dimensions is that, in the case of the conventional structure, in order to obtain a magnetic field of 0.5 Tesla, a 500 kg Nd-Fe-B permanent magnet is required. In the present invention, 80 kg of Nd—Fe—B permanent magnet is required. That is, the weight can be reduced to about 1/6. In proportion to this, the manufacturing cost can be similarly reduced.
In addition, when the structure of the gyrotron of the present invention is optimally designed, the dimension of the cavity is about φ9 mm, and the outer diameter of the constricted portion of the gyrotron at this time is about φ20 mm in consideration of the water cooling function and the like. Become.
At this time, in the case of the conventional structure, the power consumption of the electromagnet is 36 kW, whereas in the case of the present invention, only 1.8 kW is required to obtain an equivalent output. Therefore, it is excellent in power saving. In the case of using a permanent magnet, it is possible to use a 50 kg permanent magnet having a weight of about one-tenth of the weight of the permanent magnet required in the conventional structure. The structure of TRON can be constructed.

本発明は、ミリ波を省電力或いはコンパクト設計で出力可能なジャイロトロンに関する。   The present invention relates to a gyrotron capable of outputting millimeter waves with power saving or a compact design.

本発明に係るジャイロトロンの断面図である。It is sectional drawing of the gyrotron which concerns on this invention. 本発明に係るジャイロトロンに用いられる磁石を示す図である。It is a figure which shows the magnet used for the gyrotron which concerns on this invention. 本発明に係るジャイロトロンの作動原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of operation of the gyrotron which concerns on this invention. 従来のジャイロトロンの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional gyrotron.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・・・ジャイロトロン
2・・・・・発振管
21・・・・電子銃部
211・・・テーパ管路
22・・・・キャビティ部
23・・・・コレクタ部
231・・・テーパ管路
3・・・・・電子銃
4・・・・・出力窓
5・・・・・磁石
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Gyrotron 2 ... Oscillation tube 21 ... Electron gun part 211 ... Tapered pipe line 22 ... Cavity part 23 ... Collector part 231 ... Taper Pipe 3 ... Electron gun 4 ... Output window 5 ... Magnet

Claims (3)

内部を真空状態とされる筒状の発振管と、
前記発振管の一端部に配されるとともに電子ビームを前記発振管軸方向に出力する電子銃と、
該電子銃が配される端部と対向する端部に配される出力窓と、
前記発振管途中部を外嵌する環状の磁石からなり、
前記発振管内部は、電子銃が配される電子銃部と、前記磁石が配される位置に対応するキャビティ部と、前記キャビティ部下流に位置するコレクタ部の3つの領域から構成され、
前記電子銃部において、前記電子銃から電子ビームが出力されるとともに、該出力された電子ビームは徐々に径小となる管路を介して、前記キャビティ内に至り、
該キャビティ内で前記電子銃から出力された電子ビームが電磁波に変換され、
前記コレクタ部は、前記キャビティ部から連続的に径大となるテーパ管路部分を備え、前記電磁波がコレクタ部を通じて前記出力窓から発振されるとともに、前記コレクタ部壁面は前記キャビティを通過した電子ビームの電子を捕捉するジャイロトロンであって、
前記発振管途中部の外径が、前記電子銃部及び前記コレクタ部内のテーパ形状部分の最大径よりも径小とされ、
該途中部を外嵌する環状磁石が分割構造とされることを特徴とするジャイロトロン。
A cylindrical oscillator tube whose inside is evacuated,
An electron gun disposed at one end of the oscillation tube and outputting an electron beam in the axial direction of the oscillation tube;
An output window disposed at an end facing the end where the electron gun is disposed;
It consists of an annular magnet that fits the middle part of the oscillation tube,
The inside of the oscillation tube is composed of three regions: an electron gun portion where an electron gun is disposed, a cavity portion corresponding to a position where the magnet is disposed, and a collector portion located downstream of the cavity portion,
In the electron gun portion, an electron beam is output from the electron gun, and the output electron beam reaches the inside of the cavity through a conduit having a gradually decreasing diameter,
The electron beam output from the electron gun in the cavity is converted into electromagnetic waves,
The collector portion includes a tapered pipe line portion that continuously increases in diameter from the cavity portion, and the electromagnetic wave is oscillated from the output window through the collector portion, and the collector wall surface is an electron beam that has passed through the cavity. A gyrotron that captures the electrons of
The outer diameter of the middle part of the oscillation tube is smaller than the maximum diameter of the tapered part in the electron gun part and the collector part,
A gyrotron characterized in that an annular magnet that externally fits the middle part has a divided structure.
前記磁石が永久磁石であることを特徴とする請求項1記載のジャイロトロン。   The gyrotron according to claim 1, wherein the magnet is a permanent magnet. 前記磁石が電磁石であることを特徴とする請求項1記載のジャイロトロン。   2. The gyrotron according to claim 1, wherein the magnet is an electromagnet.
JP2005099772A 2005-03-30 2005-03-30 Gyrotron Pending JP2006278285A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005099772A JP2006278285A (en) 2005-03-30 2005-03-30 Gyrotron

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005099772A JP2006278285A (en) 2005-03-30 2005-03-30 Gyrotron

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2006278285A true JP2006278285A (en) 2006-10-12

Family

ID=37212811

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005099772A Pending JP2006278285A (en) 2005-03-30 2005-03-30 Gyrotron

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2006278285A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111463540A (en) * 2020-04-21 2020-07-28 安徽华东光电技术研究所有限公司 Terahertz gyrotron high-frequency gradual change coupling cavity and manufacturing method thereof
CN114242545A (en) * 2021-11-23 2022-03-25 中国工程物理研究院应用电子学研究所 Compact kilowatt-level millimeter wave source

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111463540A (en) * 2020-04-21 2020-07-28 安徽华东光电技术研究所有限公司 Terahertz gyrotron high-frequency gradual change coupling cavity and manufacturing method thereof
CN114242545A (en) * 2021-11-23 2022-03-25 中国工程物理研究院应用电子学研究所 Compact kilowatt-level millimeter wave source

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. Research progresses on Cherenkov and transit-time high-power microwave sources at NUDT
JP4022590B2 (en) Microwave plasma generator
KR101723876B1 (en) Folded shape waveguide and traveling-wave tube having the same
JP2006278311A (en) Magnetron
Ishihara et al. Highly efficient operation of space harmonic peniotron at cyclotron high harmonics
JP2006278285A (en) Gyrotron
Kim et al. Three-dimensional particle-in-cell simulation study of a frequency tunable relativistic magnetron
Feuerstein et al. Design of a second harmonic MW-level coaxial gyrotron cavity
CN114512387B (en) Distributed radiation coupling loss circuit applied to rotary traveling wave tube
US4926093A (en) Gyrotron device
CN105161389B (en) Microwave-modulated cold cathode micro radiation source and implementing method thereof
JP4815146B2 (en) Magnetron
JP3799385B2 (en) High-frequency vacuum window and gyrotron device
CN111883406A (en) Back wave oscillator
JPS59114730A (en) Gyrotron oscillator of multibore cavity for reducing mode bycompetition
JP2010192353A (en) Electron tube
JPH11135028A (en) Gyrotron
Qiu et al. Nonlinear theory of a cyclotron autoresonance maser (CARM) amplifier with outer-slotted-coaxial waveguide
KR200162642Y1 (en) Magnetron
KR20170062122A (en) High Power Magnetron using Multiple-Tuning Structure
CN115764515A (en) Cerenkov oscillator for realizing S and C wave band selection
KR100266604B1 (en) Structure for preventing harmonic wave leakage in magnetron
JPH03192633A (en) Gyrotron oscillation tube
JP3144882B2 (en) Gyrotron oscillation tube
JPH11283517A (en) Magnetron