JP2015056348A - ヘリックス型進行波管およびヘリックス型進行波管の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ヘリックス型進行波管において装荷素子付き外囲器の寸法精度を向上する。【解決手段】筒状の外囲器８、外囲器８の一方の端部に取り付けられて、外囲器８の内部に電子ビームを照射する電子銃、および、外囲器８の他方の端部に取り付けられて、電子ビームの電子を捕捉するコレクタを備える。外囲器８の内面に、外囲器８の軸に平行に外囲器８と一体に複数のベイン１１が形成される。外囲器８の内部には、ヘリックス２が外囲器８と同軸に配置される。ヘリックス２は、ベイン１１と離隔して、ヘリックス２の外周面と外囲器８の内面の間に介在する３以上の支持体９で、外囲器８から離隔して支持される。そして、外囲器８の軸方向に所定の間隔で外囲器８の外面に接着固定された、複数の環状のポールピース４を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、ヘリックス型進行波管およびヘリックス型進行波管の製造方法に関する。

一般に進行波管等のマイクロ波管は、カソードより電子ビームを発射し、螺旋型伝送線路（へリックスと呼ばれる）等からなる相互作用部（進行波管では遅波回路部）においてマイクロ波を増幅させ、出力窓よりマイクロ波を取り出す。その際電子ビームは、遅波回路部の外周にあるポールピースと呼ばれる磁性体部品と永久磁石からなる磁気回路部によって集束され、一定のビーム径を保ちながら相互作用部内を透過し、最後にコレクタ部にて回収される。

ヘリックス型進行波管において、進行波管に入力した電磁波は導電性ヘリックス（螺旋型伝送線路）の遅波回路に沿って伝播する。電磁波は遅波回路にて電子ビームとの間で相互作用を行い増幅されて出力される。ヘリックスは誘電体のヘリックス支持体によって、内部が真空に保持される金属製の外囲器から絶縁された状態で電子管内に固定されている。ヘリックス型遅波回路を広帯域化する場合には、遅波回路が広い周波数に対し一定の位相速度をもつ必要がある。外囲器の内側にベインなどと称される段のついた構造物（装荷素子）を設置することで、周波数に対して遅波回路を伝播する電磁波の位相速度が一定となり広帯域化に効果がある。

一般に進行波管の広帯域性能を担保する方法として、装荷素子と呼ばれる金属体を、バレルと呼ばれる真空外囲器にロウ付け等の方法で接合する方法がある。しかしながら装荷素子とバレルを別々に用意し、それを接合するプロセスが必要となり、製造コストが大きくなる。

これを解決する方法として、特許文献１のヘリックス型進行波管では、外囲器の内面に、外囲器の軸に平行に外囲器と一体に複数のベインが形成される。また、特許文献２では、複数の凸部を外側からの押出しにより外囲器の壁を内側に凸状に突起させてベインを形成する。

特開２０１３−３０３７７号公報 実開平４−８５６３７号公報

しかしながら、特許文献１のヘリックス型進行波管では、装荷素子が外囲器の円筒の断面における径の方向に長く、円筒の断面における周の方向に短いと、押し出し成型や切削加工での製造が困難であり、寸法精度が低くなる。また、特許文献２のように複数の凸部を外側からの押出しにより外周器の壁を内側に凸状に突起させて形成したヘリックス型進行波管では、精度の良い広帯域化用凸部を形成するのが困難である。

本発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、ヘリックス型進行波管において装荷素子付き外囲器の寸法精度を向上することを目的とする。

本発明の観点に係るヘリックス型進行波管は、円筒状の外囲器、外囲器の一方の端部に取り付けられて、外囲器の内部に電子ビームを照射する電子銃、および、外囲器の他方の端部に取り付けられて、電子ビームの電子を捕捉するコレクタを備える。外囲器の内面には、外囲器の軸に平行に外囲器と一体に複数の装荷素子が形成される。外囲器の内部には、螺旋型伝送線路が外囲器と同軸に配置される。螺旋型伝送線路は、装荷素子と離隔して、螺旋型伝送線路の外周面と外囲器の内面の間に介在する３以上の支持体で、外囲器から離隔して支持される。そして、外囲器の軸方向に所定の間隔で外囲器の外面に接着固定された、複数の環状の磁性体を備える。

本発明によれば、ヘリックス型進行波管の外囲器と装荷素子が一体に形成され、外囲器の軸方向に所定の間隔で、複数の環状の磁性体が外囲器の外面に接着固定されているので、後の組立工程で歪みや変形が発生しにくくなり、装荷素子付き外囲器の精度を向上することができる。

本発明の実施の形態１に係るヘリックス型進行波管の構成を示す断面図である。 実施の形態１に係るヘリックス型進行波管のポールピース部分の断面図である。 実施の形態１に係るヘリックス型進行波管のスペーサ部分の断面図である。 本発明の実施の形態２に係るヘリックス型進行波管の構成を示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態に係るヘリックス型進行波管の構成を示す断面図である。ヘリックス型進行波管２０は、電子銃１、外囲器８、螺旋型伝送線路（以下、ヘリックスという）２およびコレクタ６を備える。外囲器８には、入力窓と出力窓が形成されている。外囲器８の外面に、環状の磁性体からなるポールピース４と環状のスペーサ１０が交互に配置されて接着固定されている。スペーサ１０の外側でポールピース４に挟まれるように永久磁石５が取り付けられている。永久磁石５は、スペーサ１０の外側にポールピース４と交互に配置される。

ヘリックス２は、支持体９によって、外囲器８の内部に外囲器８と中心軸が一致するように、外囲器８から離隔して支持される。入力部７から電磁波が入力され、ヘリックス型進行波管２０で増幅されて、出力部３から出力される。

図２は、本発明の実施の形態１に係るヘリックス型進行波管のポールピース部分の断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線で示すポールピース４がある部分におけるヘリックス型進行波管２０の断面を示す。押出成型又は切削加工などにより外囲器８の内側に、ベイン（装荷素子）１１が外囲器８の中心軸に平行に形成される。図２に示す例では、ベイン１１は、外囲器８の断面で互いに１２０°の間隔で３カ所に形成されている。外囲器８とベイン１１は、押し出し成型、切削加工、または押し出し成型後の切削・研磨加工等で、一体に形成される。ベイン１１の外囲器８の軸に直交する断面形状は、外囲器８の円筒の断面における径の方向の長さが、円筒の断面における周の方向の長さより短い。

図２に示す例では、ヘリックス２を支持する３つの支持体９が、外囲器８の中心軸に直交する断面で、１２０°の間隔で設けられている。支持体９は、外囲器８の内面とヘリックス２の外周面の間に介在し、ヘリックス２を外囲器８から離隔して支持する。また、ベイン１１は外囲器８より内面に張り出す形であるがヘリックス２からは完全に離れているため、ヘリックス２と外囲器８の間は絶縁が保たれる。

ヘリックス２は、タングステン（Ｗ）等の高融点材料で形成される。支持体９は、窒化ボロン（ＢＮ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）等の誘電体から形成される。ポールピース４は、鉄（Ｆｅ）等の磁性体材料で形成され、永久磁石５とともに磁気回路を構成する。

ポールピース４の内径は、外囲器８の外径とほぼ同じである。外囲器８の外面にポールピース４を嵌めると、外囲器８はポールピース４によって補強され、より変形しにくくなる。ポールピース４は、外囲器８の軸方向に所定の間隔で外囲器８の外面に接着固定される。ポールピース４は接着固定されて、外囲器８に対して回転せず、また軸方向にも移動しない。そのため、磁気回路の特性は安定する。特にポールピース４を外囲器８の外面にロウ付けすると、熱伝導度が大きくなり、ヘリックス型進行波管２０の放熱特性が向上する。本実施の形態では、ロウ付けは接着固定の一種であるとみなしている。

磁気回路の特性安定化および外囲器８からポールピース４への熱伝導性能向上のため、好ましくは外囲器８とポールピース４をロウ付け等により固定する。通常、ロウ付けの際に外囲器８とポールピース４の熱膨張係数の差により外囲器８に歪みが生じてしまう懸念があったが、ベイン１１と外囲器８を一体化させている本構成においては、強度向上により歪みの低減効果も併せて期待できる。所望の磁気回路性能を得るためには、ポールピース４同士の間に一定の空間を設ける必要がある。実施の形態１では、銅ニッケル（Ｃｕ−Ｎｉ）合金等からなるスペーサ１０を合せてロウ付け等により接合する。

図３は、本発明の実施の形態１に係るヘリックス型進行波管のスペーサ部分の断面図である。図３は、図１のＢ−Ｂ線で示すスペーサ１０がある部分におけるヘリックス型進行波管２０の断面を示す。スペーサ１０の内径は、外囲器８の外径とほぼ同じである。外囲器８の外面にスペーサ１０を嵌めると、外囲器８はスペーサ１０によって補強され、より変形しにくくなる。スペーサ１０の外側でポールピース４に挟まれるように永久磁石５が取り付けられる。

スペーサ１０は、ポールピース４と交互にポールピース４の間に、ポールピース４に接して外囲器８の外面に接着固定される。スペーサ１０は接着固定されて、外囲器８に対して回転せず、また軸方向にも移動しない。そのため、磁気回路の特性は安定する。特にスペーサ１０を外囲器８の外面にロウ付けすると、熱伝導度が大きくなり、ヘリックス型進行波管２０の放熱特性が向上する。

ヘリックス型進行波管２０は、以下のように製造する。まず、外囲器８とベイン１１を、押し出し成型、切削加工、または押し出し成型後の切削・研磨加工等で、一体に形成する。別に切削加工などで製作したポールピース４とスペーサ１０を交互に外囲器８に嵌めて、それぞれ位置決めしながら、外囲器８の外面にロウ付けしていく。

タングステン（Ｗ）等の高融点材料でヘリックス２を形成し、窒化ボロン（ＢＮ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）等の誘電体から支持体９を形成する。例えば、ヘリックス２の中心軸に直行する断面において１２０°の間隔で、ヘリックス２の外径に接着剤を用いて支持体９を仮止めして接合体を構成する。ここで、ヘリックス２の軸に直交する断面で、接合体の支持体９の外周が、外囲器８の内径としまりばめの関係になるような寸法に、それぞれを製作しておく。ここでしまりばめとは、強圧入、焼きばめもしくは冷しばめのしめしろであるはめあいの種類をいう。例えば、穴（外囲器８の内径）の公差域クラスがＨ６またはＨ７であって、軸（接合体における支持体９の仮想径）の公差域クラスがｒ５またはｓ６、ｔ６、ｕ６もしくはｘ６であるような場合をいう。

ヘリックス２と支持体９を仮止めした接合体を外囲器８に挿入するには、支持体９の仮想径と外囲器８の内径が同じであることから、外囲器８を高温にして熱膨張を利用して挿入する方法を用いることができる。外囲器８を高温に熱することで、外囲器８が常温と比較して膨張し外囲器８の内径が大きくなる。

外囲器８を高温に保持しておき、ヘリックス２および支持体９の接合体を、常温の外部環境から高温の外囲器８へ挿入する。挿入したのち、外囲器８とヘリックス２の中心軸が一致するように保持したまま、外囲器８の温度を常温に冷却する。支持体９の仮想径は外囲器８内径としまりばめの関係にあることから、外囲器８が常温に冷却されると、しめしろ分の圧力により支持体９と外囲器８が接合される。よって支持体９と外囲器８の間に接着剤を使用せず接合することができる。

ヘリックス２および支持体９を外囲器８の内部に固定したのち、永久磁石５をポールピース４の間に取り付けて、ヘリックス２に入力部７および出力部３を接合する。電子銃１およびコレクタ６を外囲器８の端部にそれぞれ取り付ける。そして、外囲器８の内部を真空にし、入力窓と出力窓を封止すれば（図示せず）、ヘリックス型進行波管２０が完成する。

外囲器８は、ポールピース４およびスペーサ１０で外面から補強されているので、ヘリックス２および支持体９を内部に固定しても歪みは小さく、外囲器８の精度の低下を抑えられる。さらに、ベイン１１の外囲器８の軸に直交する断面形状を、外囲器８の円筒の断面における径の方向の長さが、円筒の断面における周の方向の長さより短く形成することにより、外囲器８の加工精度が向上する。

ヘリックス２および支持体９を外囲器８に固定する方法は、上述のしまりばめには限られない。たとえば、ヘリックス２および支持体９と外囲器８を中間ばめにしておいて、接着を併用したり、ヘリックス２および支持体９と外囲器８をすきまばめにして、接着固定することもできる。

ポールピース４およびスペーサ１０と外囲器８の接着固定は、ロウ付けには限られず、その他の接着方法を用いてもよい。その場合、ポールピース４およびスペーサ１０の内径の寸法精度を高く加工しておくことが望ましい。ロウ付けは熱伝導以外にも、強度と耐熱安定性に優れている。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係るヘリックス型進行波管の構成を示す断面図である。実施の形態２では、実施の形態１の構成からスペーサ１０が省かれている。スペーサ１０の部分は空間であり、ポールピース４および永久磁石５の位置関係は、実施の形態１と変わりはない。その他の構成は、実施の形態１と同様である。

実施の形態２でも、ポールピース４を外囲器８の外面に接着固定する。例えば、ポールピース４と外囲器８をロウ付けする。ポールピース４と外囲器８の接着固定は、ロウ付けには限られず、その他の接着方法を用いてもよい。所望の磁気回路性能を得るためには、ポールピース４同士の間に一定の空間を設ける必要がある。そのため、ポールピース４をロウ付けするときに、ポールピース４の間に空間を空けて一定に保持するように、治具を挟み込んでロウ付けを実施する。治具は、ポールピース４をロウ付けしたのちにとりはずせるよう、分割しておく。ポールピース４の間隔を所定の長さに保てばよいので、治具は全周にわたって外囲器８の外面に密着する必要はない。

実施の形態２のヘリックス型進行波管２０では、スペーサ１０がないので、実施の形態１に比べてさらに、スペーサ１０の製造と接着固定を省略できる。その分のコストを低減することができる。

１ 電子銃、２ ヘリックス（螺旋型伝送線路）、３ 出力部、４ ポールピース（磁性体）、５ 永久磁石、６ コレクタ、７ 入力部、８ 外囲器、９ 支持体、１０ スペーサ（非磁性体）、１１ ベイン（装荷素子）、２０ ヘリックス型進行波管。

Claims (12)

1. 円筒状の外囲器と、
   前記外囲器の一方の端部に取り付けられて、前記外囲器の内部に電子ビームを照射する電子銃と、
   前記外囲器の他方の端部に取り付けられて、前記電子ビームの電子を捕捉するコレクタと、
   前記外囲器の内面に、前記外囲器の軸に平行に前記外囲器と一体に形成された複数の装荷素子と、
   前記外囲器の内部に、前記外囲器と同軸に配置される螺旋型伝送線路と、
   前記装荷素子と離隔して、前記螺旋型伝送線路の外周面と前記外囲器の内面の間に介在し、前記螺旋型伝送線路を前記外囲器から離隔して支持する３以上の支持体と、
   前記外囲器の軸方向に所定の間隔で前記外囲器の外面に接着固定された、複数の環状の磁性体と、
   を備える、へリックス型進行波管。
2. 前記磁性体は、前記外囲器の外面にロウ付けされている、請求項１に記載のへリックス型進行波管。
3. 前記磁性体の間に、前記磁性体に接して前記外囲器の外面に接着固定された環状の非磁性体を備える、請求項１または２に記載のへリックス型進行波管。
4. 前記非磁性体は、前記外囲器の外面にロウ付けされている、請求項３に記載のへリックス型進行波管。
5. 前記装荷素子の前記外囲器の軸に直交する断面形状は、前記外囲器の円筒の断面における径の方向の長さが、前記円筒の断面における周の方向の長さより短い、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のへリックス型進行波管。
6. 前記装荷素子は、前記外囲器とともに押し出し成型された、または、前記外囲器の内面に切削加工で形成された、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のへリックス型進行波管。
7. 前記外囲器の内径と前記３以上の支持体が内接する円の外径とが、しまりばめの関係である、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のへリックス型進行波管。
8. 円筒状の外囲器と、前記外囲器の内部に電子ビームを照射する電子銃と、前記電子ビームの電子を捕捉するコレクタと、前記外囲器の内部に前記外囲器と同軸に配置される螺旋型伝送線路と、前記螺旋型伝送線路の外周面と前記外囲器の内面の間に介在し、前記螺旋型伝送線路を前記外囲器から離隔して支持する３以上の支持体と、を備えるヘリックス型進行波管の製造方法であって、
   内径が、前記螺旋型伝送線路の外周面に接合された前記３以上の支持体が内接する円の外径と呼び径が同じである前記外囲器、および、前記外囲器の内面に前記外囲器と一体に、前記外囲器の軸に平行な複数の装荷素子、を形成する外囲器形成工程と、
   前記外囲器の円筒形の軸方向に所定の間隔で前記外囲器の外面に、磁気回路を形成する複数の環状の磁性体を接着固定する磁性体接着工程と、
   前記螺旋型伝送線路および前記螺旋型伝送線路の外周面に接合された前記支持体を、前記螺旋型伝送線路の中心軸と前記外囲器の中心軸が一致するように前記外囲器に挿入して、前記外囲器の内面に前記支持体を固定する工程と、
   を備えるヘリックス型進行波管の製造方法。
9. 前記磁性体接着工程では、前記磁性体を前記外囲器の外面にロウ付けする、請求項８に記載のヘリックス型進行波管の製造方法。
10. 前記磁性体接着工程では、前記磁性体の接着固定に加えて、前記磁性体の間に前記磁性体に接して、前記外囲器の外面に環状の非磁性体を接着固定する、請求項８または９に記載のヘリックス型進行波管の製造方法。
11. 前記磁性体接着工程では、前記非磁性体を前記外囲器の外面にロウ付けする、請求項１０に記載のヘリックス型進行波管の製造方法。
12. 前記外囲器形成工程では、前記装荷素子の前記外囲器の軸に直交する断面形状は、前記外囲器の円筒の断面における径の方向の長さが、前記円筒の断面における周の方向の長さより短い複数の装荷素子を、前記外囲器とともに押し出し成型する、または、前記外囲器の内面に切削加工で形成する、請求項８ないし１１のいずれか１項に記載のヘリックス型進行波管の製造方法。

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