JP2020009540A - 進行波管 - Google Patents

Abstract

【課題】電子ビームがろう材に衝突するのを抑制する進行波管を提供する。【解決手段】進行波管１は、遅波回路３、ＲＦ入力５、電子銃７、ＲＦ出力９およびコレクタ１１を備えている。遅波回路３は、導体管１３、へリックス１５、磁性部材１７、支持部材１９および導波管２１によって構成される。遅波回路部の導体管１３ａから延在して第１端部１５ａが接合されている部分に至るへリックス１５の部分では、へリックス１５の径が段階的に大きく形成されて、最終的に導体管１３の内径と同じ径になるように形成されている。へリックス１５は、管軸からへリックス１５の第１端部１５ａまでの距離が、管軸から遅波回路部の導体管１３ａ内に位置するへリックス１５の部分までの距離よりも長くなるように形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、進行波管に関し、特に、へリックスを備えた進行波管に関する。

進行波管には、電子管において電子銃から放射された電子ビームと、外部から入力されたマイクロ波とを相互作用させて、マイクロ波を増幅させる遅波回路が設けられている。進行波管における遅波回路には、らせん形状であり、電子管の管軸方向に延在する導体、すなわち、へリックスが設けられている。

このようなへリックスを備えた進行波管を開示した特許文献として、たとえば、特許文献１および特許文献２がある。

特許文献１では、進行波管と出力導波管とを備えた進行波管が提案されている。進行波管は、中空のバレルと低速波伝播構造と電子ビーム源と入力結合部と終端部とを有する。中空のバレル内に、螺旋が配置されている。電子ビーム源は、螺旋の内部通路中を通る電子ビームを生成するように配置されている。螺旋の終端側は、終端部に接合されている。

特許文献２では、円筒形導波管とへリックスと周期磁界収束装置と出力結合導波管と整合素子とを備えた進行波管が提案されている。へリックスは円筒形導波管内に挿入されている。整合素子の内径がへリックスの外径とほぼ同じ径とされて、へリックスの終端側が整合素子に接合されている。

特許文献１および特許文献２の他に、たとえば、特許文献３では、真空外囲器内に配置されたへリックスの内径寸法が、電子ビームの下流側へ向かって徐々に拡大するように構成された進行波管が提案されている。

特開２００１−１５５６５０号公報 特公昭６１−７７０１号公報 特開平４−３６６５３０号公報

従来の進行波管では、へリックスの終端側は、終端部（または整合素子）との間にろう材を挟み込んで、このろう材で溶着することにより終端部（または整合素子）に接続される。このとき、ろう材が溶け過ぎるか、または、ろう材の量が多いと、へリックスの内部通路にまでろう材がはみ出すことが想定される。ろう材が内部通路にまではみ出すと、内部通路を通過する電子ビームが、はみ出したろう材に衝突するおそれがある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、ろう材がらせん状導体の内部へはみ出しても、電子ビームがろう材に衝突するのを抑制する進行波管を提供することである。

本発明に係る進行波システムは、導体管と、らせん状導体と、第１導波管と、第２導波管と、電子銃と、コレクタとを備えている。導体管では高周波信号が伝播する。らせん状導体は、導体管内に支持部材を介在して、らせん状に配置されている。第１導波管は、導体管の一方側の端部である第１管端部から間隔を開けて導体管の軸方向に交差して接続されて導体管に連通する。第２導波管は、導体管の第１管端部とは反対側の端部である第２管端部から間隔をあけて導体管の軸方向に交差して接続されて導体管に連通する。電子銃は、導体管の第２管端部の側に配置され、第２管端部から第１管端部へ向けてらせん状導体の内部を通過する電子ビームを照射する。コレクタは、導体管の第１管端部の側に配置され、電子ビームを捕捉する。らせん状導体における第１管端部側の第１端部は、第１導波管が導体管に接続する箇所よりも第１管端部側で、第１ろう材を用いて導体管に接続されている。導体管の中心軸である管軸かららせん状導体のろう付けされる第１端部までの第１距離は、管軸から支持部材を介して導体管内に位置するらせん状導体までの第２距離よりも長い。

本発明に係る進行波管によれば、導体管の中心軸である管軸かららせん状導体のろう付けされる第１端部までの第１距離は、管軸から支持部材を介して導体管内に位置するらせん状導体までの第２距離よりも長い。これにより、電子ビームがらせん状導体の内部へはみ出したろう材に衝突することを抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る進行波管を示す、一部ブロック図を含む部分断面図である。 同実施の形態において、へリックスの構造を説明するための部分断面図である。 同実施の形態において、進行波管の製造方法の一工程を示す部分断面図である。 同実施の形態において、図３に示す工程の後に行われる工程を示す部分断面図である。 同実施の形態において、図４に示す工程の後に行われる工程を示す部分断面図である。 同実施の形態において、変形例に係る進行波管を示す、一部ブロック図を含む部分断面図である。 本発明の実施の形態２に係る進行波管を示す、一部ブロック図を含む部分断面図である。 同実施の形態において、へリックスの構造を説明するための部分断面図である。 同実施の形態において、進行波管の製造方法の一工程を示す部分断面図である。 同実施の形態において、図９に示す工程の後に行われる工程を示す部分断面図である。 同実施の形態において、図１０に示す工程の後に行われる工程を示す部分断面図である。

実施の形態１．
実施の形態１に係る進行波管について説明する。図１に示すように、進行波管１は、遅波回路３、ＲＦ（Radio Frequency）入力５、電子銃７、ＲＦ出力９およびコレクタ１１を備えている。遅波回路３は、導体管１３、らせん状導体としてのへリックス１５、磁性部材１７、支持部材１９および第１導波管としての導波管２１によって構成される。
導波管２１は、導体管１３の一方の側に端部である第１管端部１３ａａから間隔を開けて導体管１３の軸方向に交差するように接続されて導体管１３に連通する。また、後述するように、進行波管１は、導体管１３の第１管端部１３ａａとは反対側の端部である第２管端部１３ａｂから間隔を開けて導体管１３の軸方向に交差するように接続されて導体管１３に連通する第２導波管としての導波管２２を有する（図６参照）。電子銃７は、導体管１３の第２管端部１３ａｂの側に配置されて、第２管端部１３ａｂから第１管端部１３ａａへ向けて、へリックス１５の内部を通過する電子ビームを照射する。コレクタ１１は、導体管１３の第１管端部１３ａａの側に配置されて、電子ビームを捕捉する。

進行波管１では、導体管１３内に、ＲＦ入力５からマイクロ波が入力される。遅波回路３では、電子銃７から出射されて、ヘリックス１５の内側の領域を直進する電子ビームと、遅波回路３によって電子ビームとほぼ同程度の位相速度に調整されたマイクロ波とを相互作用させることで、マイクロ波の出力が増大される。遅波回路３を伝搬したマイクロ波は、導波管２１を経てＲＦ出力９から出力される。

導体管１３は、たとえば、無酸素銅等の金属から形成されている。導体管１３において、導波管２１と導波管２２との間に位置する部分である遅波回路部の導体管１３ａでは、その金属と磁性部材１７とが、導体管１３の中心軸としての管軸ＣＡ（図２参照）方向に交互に配置されている。導体管１３の内部は、通常、真空状態とされる。このため、導体管１３の内部は、リークしないように気密封止されている。

磁性部材１７として、たとえば、サマリウム・コバルトなどの永久磁石が適用されている。磁性部材１７は、遅波回路３を伝搬する電子ビームを集束させるために、管軸ＣＡ上で磁力線の向きが交互に反対向きになるように配置されている。

内導体としてのへリックス１５は、らせん状に管軸ＣＡ方向に沿って配置されている。ヘリックス１５の断面形状は長方形である。ヘリックス１５は、たとえば、タングステンなどの高融点金属から形成されている。支持部材１９は、たとえば、ボロンナイトライドなどの熱伝導率の良好な部材から形成されている。ヘリックス１５は、たとえば、３〜４本の支持部材１９によって、遅波回路部の導体管１３ａ内に支持されている。

図１および図２に示すように、へリックス１５における導波管２１側の第１端部１５ａ（終端側の端部）は、導体管１３に第１ろう材としてのろう材２３によって接続して固定されている。へリックス１５は、導波管２１が設けられている側の遅波回路部の導体管１３ａから離れる方向にらせん状にさらに延在している。

遅波回路部の導体管１３ａから延在して第１端部１５ａが接続されている部分に至るへリックス１５の部分では、へリックス１５の径が段階的に大きく形成されて、最終的に導体管１３の内径と同じ径になるように形成されている。ヘリックス１５の径は、たとえば、１〜３ピッチの間で徐々に大きくなるように設定されている。導体管１３の中心軸である管軸ＣＡからへリックス１５のろう付けされる第１端部１５ａまでの第１距離としての距離Ｌ１は、管軸ＣＡから支持部材１９を介して遅波回路部の導体管１３ａ内に位置するへリックス１５までの第２距離としての距離Ｌ２よりも長い。つまり、へリックス１５は、管軸ＣＡからへリックス１５の第１端部１５ａまでの距離Ｌ１が、管軸ＣＡから遅波回路部の導体管１３ａ内に位置するへリックス１５の部分までの距離Ｌ２よりも長くなるように形成されている。

次に、上述した進行波管１の動作原理について説明する。進行波管１の遅波回路３では、マイクロ波がらせん状のヘリックス１５に沿って伝搬するため、マイクロ波の伝搬速度は自由空間を伝搬するよりも遅くなる。また、ヘリックス１５の内側の領域では、磁性部材１７によって高密度に集束された電子ビームが遅波回路３の管軸ＣＡ方向に伝搬している。遅波回路３に入力されたマイクロ波は、電子ビームと相互作用することで増幅される。増幅されたマイクロ波は、遅波回路３の終端部から導波管２１を経て出力される。

次に、上述した進行波管１の製造方法の一例について説明する。図３に示すように、へリックス１５が、矢印に示すように、導体管１３内に挿入される。このとき、へリックス１５の第１端部１５ａと反対側の端部（第２端部）が、導体管１３の第１管端部１３ａａから挿入される。こうして、図４に示すように、へリックス１５は、へリックス１５の第１端部１５ａが導体管１３に接続されるべき位置にまで、遅波回路部の導体管１３ａに挿入される。

次に、図５に示すように、ろう材２３によって、へリックス１５の第１端部１５ａが導体管１３に接続して固定される。このとき、電子ビームが捕捉されるコレクタ１１が配置される側（矢印参照）からレーザ光を照射することによってろう材２３が溶融し、へリックス１５が導体管１３に接続される。その後、電子銃７、コレクタ１１等を配置することで、図１に示す進行波管１が完成する。

上述した進行波管１では、へリックス１５を導体管１３に接続するろう材２３に、電子ビームが衝突するのを抑制することができる。このことについて比較例に係る進行波管と比べて説明する。

第１の比較例（特許文献１）に係る進行波管では、前述したように、中空のバレル内に、螺旋（へリックス）が配置されている。電子ビーム源は、螺旋の内部通路中を通る電子ビームを生成するように配置されている。螺旋の終端側は終端部に接続されている。

その螺旋の終端側を終端部に接続させる際に、螺旋の終端側は、終端部との間にろう材を挟み込んで、終端部に溶接される。このとき、ろう材が溶け過ぎると、螺旋の内部通路にまでろう材が流れ込み、ろう材が螺旋の内部通路にはみ出すことが想定される。ろう材が内部通路にまで流れ込む（はみ出す）と、内部通路を通過する電子ビームが、はみ出したろう材に衝突するおそれがある。

また、第２の比較例（特許文献２）に係る進行波管では、へリックスは円筒形導波管内に挿入されている。整合素子の内径がへリックスの外径とほぼ同じ径とされて、へリックスの終端側が整合素子に接続されている。

そのへリックスの終端側を整合素子に接続させる際に、へリックスの終端側は、整合素子との間にろう材を挟み込んで、整合素子に溶接（接続）される。このとき、ろう材が溶け過ぎると、へリックスの内部通路にまでろう材が流れ込む（はみ出す）ことが想定される。ろう材が内部通路にまで流れ込む（はみ出す）と、内部通路を通過する電子ビームが流れ込んだ（はみ出した）ろう材に衝突するおそれがある。

一方、上述した進行波管１では、へリックス１５の第１端部１５ａを導体管１３に接続させる際に、へリックス１５の第１端部１５ａは、導体管１３との間にろう材２３を挟み込んで、導体管１３に溶接（接続）される。ここで、へリックス１５は、管軸ＣＡからへリックス１５の第１端部１５ａまでの距離Ｌ１が、管軸ＣＡから遅波回路部の導体管１３ａ内に位置するへリックス１５の部分までの距離Ｌ２よりも長くなるように形成されている。

これにより、へリックス１５の第１端部１５ａを導体管１３に溶接（接続）する際に、ろう材が溶け過ぎたような場合であっても、溶けたろう材が、管軸ＣＡ付近にまでに流れる（はみ出る）のを抑制することができる。その結果、へリックス１５の内側の領域を通過する電子ビームが、流れたろう材に衝突するのを防止することができる。

さらに、第３比較例（特許文献３）に係る進行波管システムでは、真空外囲器内に配置されたへリックスの内径寸法が、電子ビームの下流側へ向かって徐々に拡大するように構成されている。このため、へリックスの構造が真空外囲器内（遅波回路）の全体にわたって複雑になる。

一方、上述した進行波管１では、遅波回路部の導体管１３ａから延在して第１端部１５ａが接続されている部分に至るへリックス１５の部分において、へリックス１５の径が段階的に大きく形成されて、最終的に導体管１３の内径と同じ径になるように形成されている。遅波回路部の導体管１３ａに挿入されているへリックス１５の部分では、へリックス１５の径はほぼ一定の径に設定されている。これにより、第３比較例と比べて、へリックス１５の構造をシンプルな構造にすることができる。

なお、上述した進行波管１では、導波管２１が配置されている終端側とは反対側の、マイクロ波が入力される第２導波管としての導波管２２が配置されている側に位置するへリックス１５の部分について、終端側のへリックス１５の部分の構造と同じ構造にしてもよい。図６に示すように、へリックス１５の第２端部１５ｂが、導体管１３に第２ろう材としてのろう材２３によって固定されており、遅波回路部の導体管１３ａから延在して第２端部１５ｂが接続されている部分に至るへリックス１５の部分において、へリックス１５の径が段階的に大きく形成されて、最終的に導体管１３の内径と同じ径になるように形成されていてもよい。

実施の形態２．
実施の形態２に係る進行波管について説明する。図７に示すように、進行波管１では、へリックス１５における導波管２１側の第１端部１５ａ（終端側の端部）は、導体管１３に溶接された終端部材２５にろう材２３によって接続して固定されている。終端部材２５は、たとえば、モリブデンなどの金属から形成されている。終端部材２５の外周部分と導体管１３の内周部分とが接続して固定されている。その終端部材２５の内周部分に、へリックス１５の第１端部１５ａ（外周部分）が接続して固定されている。

遅波回路部の導体管１３ａから延在して第１端部１５ａが接続されている部分に至るへリックス１５の部分では、へリックス１５の径が段階的に大きく形成されて、最終的に導体管１３に溶接された終端部材２５に接続されるように形成されている。ヘリックス１５の径は、たとえば、１〜３ピッチの間で徐々に大きくなるように設定されている。

図８に示すように、へリックス１５は、管軸ＣＡからへリックス１５の第１端部１５ａまでの距離Ｌ１が、管軸ＣＡから遅波回路部の導体管１３ａ内に位置するへリックス１５の部分までの距離Ｌ２よりも長くなるように形成されている。なお、これ以外の構成については、図１等に示す進行波管１と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないことする。

次に、上述した進行波管１の製造方法の一例について説明する。図９に示すように、へリックス１５が、矢印に示すように、導体管１３内に挿入される。このとき、へリックス１５の第１端部１５ａと反対側の端部（第２端部）が、導体管１３の第１管端部１３ａａから挿入される。こうして、図１０に示すように、へリックス１５は、へリックス１５の第１端部１５ａが導体管１３（終端部材２５）に接続されるべき位置にまで、遅波回路部の導体管１３ａに挿入される。

次に、図１１に示すように、ろう材２３によって、へリックス１５の第１端部１５ａが導体管１３（終端部材２５）に接続される。このとき、コレクタ１１が配置される側（矢印参照）からレーザ光を照射することによってろう材２３が溶融し、へリックス１５が終端部材２５に接続される。その後、電子銃７、コレクタ１１等を配置することで、図７に示す進行波管１が完成する。

上述した進行波管１では、へリックス１５の第１端部１５ａを導体管１３に溶接された終端部材２５に接続させる際に、へリックス１５の第１端部１５ａは、終端部材２５との間にろう材２３を挟み込んで、終端部材２５に溶接（接続）される。ここで、へリックス１５は、管軸ＣＡからへリックス１５の第１端部１５ａまでの距離Ｌ１が、管軸ＣＡから遅波回路部の導体管１３ａ内に位置するへリックス１５の部分までの距離Ｌ２よりも長くなるように形成されている。

これにより、へリックス１５の第１端部１５ａを終端部材２５に溶接（接続）する際に、ろう材が溶け過ぎたような場合であっても、溶けたろう材が、管軸ＣＡ付近にまでに流れる（はみ出す）のを抑制することができる。その結果、へリックス１５の内側の領域を通過する電子ビームが、流れたろう材に衝突するのを防止することができる。また、終端部材２５が設けられていることで、へリックス１５から導波管２１へ変換する際のインピーダンス整合を図りやすくすることができる。

なお、上述した進行波管１においても、実施の形態１において説明した進行波管１の場合と同様に、導波管２１が配置されている終端側とは反対側の、マイクロ波が入力される導波管２２が配置されている側に位置するへリックス１５の部分について、終端側のへリックス１５の部分の構造と同じ構造にしてもよい（図示せず）。また、へリックス１５と導体管１３とを接続することができれば、ろう材２３に限られない。

なお、各実施の形態において説明した進行波管については、必要に応じて種々組み合わせることが可能である。

今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、へリックスを備えた進行波管に有効に利用される。

１ 進行波管、３ 遅波回路、５ ＲＦ入力、７ 電子銃、９ ＲＦ出力、１１ コレクタ、１３ 導体管、１３ａ 遅波回路部の導体管、１３ａａ 第１管端部、１３ａｂ 第２管端部、１５ へリックス、１５ａ 第１端部、１５ｂ 第２端部、１７ 磁性部材、１９ 支持部材、２１、２２ 導波管、２３ ろう材、２５ 終端部材、ＣＡ 管軸。

Claims (6)

1. 高周波信号が伝播する導体管と、
   前記導体管内に支持部材を介在して、らせん状に配置されたらせん状導体と、
   前記導体管の一方側の端部である第１管端部から間隔を開けて前記導体管の軸方向に交差して接続されて前記導体管に連通する第１導波管と、
   前記導体管の前記第１管端部とは反対側の端部である第２管端部から間隔をあけて前記導体管の軸方向に交差して接続されて前記導体管に連通する第２導波管と、
   前記導体管の前記第２管端部の側に配置され、前記第２管端部から前記第１管端部へ向けて前記らせん状導体の内部を通過する電子ビームを照射する電子銃と、
   前記導体管の前記第１管端部の側に配置され、前記電子ビームを捕捉するコレクタと
   を備え、
   前記らせん状導体における前記第１管端部側の第１端部は、前記第１導波管が前記導体管に接続する箇所よりも前記第１管端部側で、第１ろう材を用いて前記導体管に接続され、
   前記導体管の中心軸である管軸から前記らせん状導体のろう付けされる前記第１端部までの第１距離は、前記管軸から前記支持部材を介して前記導体管内に位置する前記らせん状導体までの第２距離よりも長い、進行波管。
2. 前記らせん状導体の前記第１端部は、前記第１ろう材を用いて前記導体管に直接接続された、請求項１記載の進行波管。
3. 前記導体管に接続された前記高周波信号の終端部材を備え、
   前記らせん状導体の前記第１端部は、前記第１ろう材を用いて前記終端部材に接続された、請求項１記載の進行波管。
4. 前記らせん状導体における前記第２管端部側の第２端部は、前記第２導波管が前記導体管に接続する箇所よりも前記第２管端部側で、第２ろう材を用いて前記導体管に接続され、
   前記管軸から前記らせん状導体のろう付けされる前記第２端部までの第３距離は、前記第２距離よりも長い、請求項１〜３のいずれか１項に記載の進行波管。
5. 前記第２導波管に接続され、前記高周波信号が入力される高周波信号入力部を備えた、請求項１〜４のいずれか１項に記載の進行波管。
6. 前記第１導波管に接続され、増幅された前記高周波信号を出力する高周波信号出力部を備えた、請求項１〜５のいずれか１項に記載の進行波管。
   

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