JP3622423B2 - ジャイロトロン装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビームと空胴共振器の固有モードの高周波電磁場との間の電子サイクロトロン共鳴メーザ作用を利用し、マイクロ波またはミリ波を発生するジャイロトロン装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の電子サイクロトロン共鳴メーザ相互作用を利用したジャイロトロン装置は、例えば、特開昭56−102045号公報に示されている。このジャイロトロン装置の断面構成およびこれをパルス動作させるための電源装置の概略構成を図26に示す。
図26において、1は電子ビーム9を放出する電子銃であり、2はカソード、3はカソード2上の電子放出部、4は第1アノード、5は第2アノードである。ここに示した電子銃においては、第1アノード4と第2アノード5間に絶縁が施され、このような電子銃は3極型電子銃と呼ばれる。6は電子ビーム9と高周波電磁場とが共鳴的に相互作用を起こし、高周波10を発生する空胴共振器、7は相互作用を終えた電子ビーム9を回収するコレクタ、8は高周波10を取り出す出力窓である。ジャイロトロン装置300は、電子銃1,空胴共振器6,コレクタ7,出力窓8などから構成されるジャイロトロン200と、電子ビーム9に旋回運動を起こさせるため、ジャイロトロン200の軸方向に磁場を発生する空胴共振器用磁場発生電磁石11および電子銃部用磁場発生電磁石12とにより構成される。この空胴共振器用磁場発生電磁石11をここでは主磁場発生電磁石と称する。
【0003】
また、26の波線で囲まれた部分はパルスビーム電源であり、20はコンデンサバンク、21はコンデンサバンク20を充電する充電器、22はジャイロトロン200内の電子ビーム9を加速するための電圧であるビーム電圧をスイッチングする制御管、23はパルス波形発生器、25a,25bは第1アノード4に電圧を印加するための分圧抵抗である。ただし、分圧抵抗25a,25bの代わりに真空管を用いて第1アノード4に印加される電圧を制御する場合もある。
【0004】
図26では3極型電子銃を採用したジャイロトロン200を示したが、特開平8−203441号公報で示された2極型電子銃を採用したジャイロトロンもある。このジャイロトロン装置を示す断面構成およびこれをパルス動作させるための電源装置の概略構成を図27に示す。
図27において、14は3極型電子銃の場合の第1アノードと第2アノードの役割を同時に行うアノードである。また、電源装置においては分圧抵抗が省かれて、簡単な回路構成となっている。
図26に示した3極型電子銃も、図27に示した2極型電子銃も、ジャイロトロンの発振に必要な電子ビームを放出する点で働きは同じである。
【0005】
次に動作について説明する。電子銃1のカソード上の電子放出部3から射出された電子ビームは、3極型電子銃ではカソード2・第1アノード4間の電界により、また2極型電子銃ではカソード2・アノード14間の電界により加速され、電子銃部磁場発生電磁石12によって発生された磁場により、旋回運動しながら軸方向にドリフトする。さらに、主磁場発生電磁石11によって発生された強力な磁場によって電子ビーム9は圧縮され、電子は磁場に対して垂直方向の速度を増大させ、磁場に対して平行方向速度を減少させながら、空胴共振器6に入る。前記主磁場発生電磁石11が発生する軸方向磁場によってサイクロトロン運動している電子は、通常円筒状空胴からなる空胴共振器6における固有モードの高周波電磁場とサイクロトロン共鳴メーザ相互作用し、電子の磁場に対して垂直方向の速度成分による運動エネルギーの一部は高周波エネルギーに変換される。空胴共振器6で相互作用を終えた電子ビームは、コレクタ7に回収され、空胴共振器6で励起された高周波は、出力窓8を透過して外部に取り出される。
【0006】
空胴共振器6において電子のエネルギーが効率的に高周波電磁場のエネルギーに変換されるのは、式(1)が成り立つ時である。
【0007】
【数1】
【0008】
ここで、ωは空胴共振器6における固有モードの電磁場の共振角周波数、kz は固有モードの軸方向波数、vz は電子の軸方向速度、sは高調波次数、Ωc は相対論的効果を考慮した電子のサイクロトロン角周波数である。
【0009】
電子の電荷をe(絶対値)、空胴共振器6内での軸方向磁束密度をB、相対論的係数をγ、電子の静止質量をm0 とすると、Ωc は式(2)で与えられる。
Ωc =eB/γm0 ・・・(2)
式(1)からわかるように、電子のエネルギーが効率的に高周波電磁場のエネルギーに変換され、強力な電磁波が発生するのは、式(1)の右辺が左辺より僅かに小さい時である。
【0010】
また、ビーム電圧をVb [kV]とすると、相対論的係数γは式(3)で与えられる。
γ=1+Vb /511 ・・・(3)
このようにジャイロトロン装置においては、磁場が発振のために本質的な役割を果たしている。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来のジャイロトロン装置では、ジャイロトロンをパルス動作させるために、図26,図27に示したようなパルスビーム電源26を用いていた。このようなパルスビーム電源では、数十kVにおよぶ加速電圧をスイッチングしてジャイロトロンをパルス動作させるが、パルスビーム電源26は上記のように加速電圧をスイッチングする制御管22や大容量のコンデンサバンク20を必要とするため、同等の電圧を発生する直流電源に比較して高価であるという問題点があった。
【0012】
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、低価格な直流のビーム電源を用い、ジャイロトロンの出力パワーをパルス的に変化させることができるジャイロトロン装置を提供することを目的としている。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の構成に係るジャイロトロン装置は、電子ビームを射出する電子銃と、この電子銃から射出された電子ビームを軸方向磁場により旋回運動させる電子銃部用磁場発生手段と、旋回運動する電子ビームを軸方向磁場により軸方向の速度を減少させる空胴共振器用磁場発生手段と、軸方向の速度が減少した電子ビームと固有モードで共振している高周波電磁場との間でサイクロトロン共鳴メーザ作用を起こさせる空胴共振器と、この空胴共振器内を通過した電子ビームを回収するコレクタと、サイクロトロン共鳴メーザ作用により発生したマイクロ波又はミリ波を外部に取り出す出力窓と、上記電子銃部内と上記空胴共振器内との少なくとも一方の磁束密度にパルス状の変動磁場を重畳して変調させる補助電磁石と、この補助電磁石にパルス状の電流を給電し、マイクロ波又はミリ波の平均出力パワーを変化させる補助電磁石用電源とを備えたものである。
【0015】
また、本発明の第2の構成に係るジャイロトロン装置は、第1の構成において、上記補助電磁石用電源が給電する電流のパルス幅を可変としたものである。
【0016】
また、本発明の第3の構成に係るジャイロトロン装置は、第1又は第2の構成において、上記補助電磁石用電源が給電する電流の周期を可変としたものである。
【0017】
また、本発明の第4の構成に係るジャイロトロン装置は、第1ないし第3のいずれかの構成において、上記補助電磁石用電源が給電する電流の波高値を可変としたものである。
【0018】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
以下、本発明の実施の形態1について説明する。図1は実施の形態1によるジャイロトロン装置を示す図である。図において、1は電子ビーム9を放出する電子銃、2はカソード、3はカソード2上の電子放出部、4は第1アノード、5は第2アノードである。ここに示した電子銃1においては、第1アノード4と第2アノード5間に絶縁が施されており、このような電子銃は3極型電子銃と呼ばれる。6は電子ビーム9と高周波電磁場とが共鳴的に相互作用を起こし、高周波10を発生する空胴共振器、7は相互作用を終えた電子ビーム9を回収するコレクタ、8は高周波10を取り出す出力窓である。ジャイロトロン装置300は、電子銃1,空胴共振器6,コレクタ7,出力窓8などによりなるジャイロトロン200と、電子ビーム9に旋回運動を起こさせるため、ジャイロトロン200の軸方向に磁場を発生する空胴共振器用磁場発生手段である空胴共振器用磁場発生電磁石11および電子銃部用磁場発生手段である電子銃部用磁場発生電磁石12とにより構成される。この空胴共振器用磁場発生電磁石11をここでは主磁場発生電磁石と称する。
【0019】
また、27はジャイロトロン200中で電子ビーム9を加速するためのビーム電圧を供給する直流ビーム電源、30は空胴共振器6内に磁場を発生する補助電磁石、31は主磁場発生電磁石11に電流を流す直流電源、32は補助電磁石30にパルス状の電流を流す補助電磁石用電源である。ここで、主磁場発生電磁石11が発生する磁場を定常磁場と呼ぶこととする。
電子銃1のカソード2・第1アノード4間、およびカソード2・第2アノード5間には直流ビーム電源27および分圧抵抗25a,25bによって、それぞれ電圧が印加されており、電子銃1から直流の電子ビーム9が放出されている。
【0020】
ビーム電圧およびビーム電流を一定としたときの、ジャイロトロンの出力パワー(縦軸)と空胴共振器6内の軸方向磁場の磁束密度(横軸)との関係を図2に示す。空胴共振器6内の軸方向磁場の磁束密度Bから、式(2)の関係で決まる電子のサイクロトロン周波数Ωc が、式(1)を満たすとき、空胴共振器6内で電子ビーム9と高周波電磁界とが相互作用し、強力な電磁波が発生する。その磁束密度の最適値がB1 であり、このとき最大出力パワーP1 が得られる。最大出力パワーを与える磁束密度B1 は、電子ビームの加速電圧や、電子ビーム電流に依存する。磁束密度をB1 から大きくすると、電子ビーム9と高周波電磁界との相互作用は徐々に弱くなり、それに伴なってジャイロトロン200の出力パワーも低下する。そして、磁束密度がB2 のときにはジャイロトロン200の出力パワーはP2 となる。この場合でも式(1)は満たされているが、さらに磁束密度をあげて、相互作用により電子ビーム9のエネルギーのうち高周波電磁界へ変換されるエネルギーが、空胴共振器6の電気的特性から決まる損失よりも小さくなると発振が停止し、出力パワーは零となる。
即ち、空胴共振器6内の軸方向磁場の磁束密度Bを制御すれば、ジャイロトロン200の出力パワーを制御することができる。
【0021】
ただし、空胴共振器6内の軸方向磁場の磁束密度をB1 より小さくすることによってもジャイロトロン200の出力パワーを小さくすることが可能であるが、B1 より磁束密度の大きな領域の方が、より安定にジャイロトロン200の出力パワーを制御できるため、本実施の形態ではB1 より磁束密度の大きな領域を利用している。
【0022】
ここで、磁束密度B1 と磁束密度B2 の差は、B1 またはB2 に対して2%程度の大きさであり、空胴共振器6内の磁束密度を僅かに変化させるだけで、ジャイロトロンの出力パワーを大きく変化させることができる。
このように、空胴共振器6内の軸方向磁場の磁束密度を僅かに変化させることを本明細書において、変調と呼ぶ。
【0023】
即ち、空胴共振器6内の磁束密度と出力パワーには、図2に示すような関係があり、特に空胴共振器6内の磁束密度の僅かな変化で、ジャイロトロンの出力パワーの大きな変化を得ることができる。このことから、例えば空胴共振器6内の軸方向磁場の磁束密度を図3に示すようにパルス的に変化させれば、ジャイロトロンの出力パワーを図4のようにパルス的に変化させることが可能である。
ここで、図3は、横軸に時間、縦軸に空胴共振器6内の軸方向磁場の磁束密度を示すグラフであり、図4は、横軸に時間、縦軸に出力パワーを示すグラフである。
【0024】
以下に、空胴共振器6内の磁束密度を変調することにより、ジャイロトロン200の出力パワーを変化させるための制御方法について、さらに具体的に説明する。
主磁場発生電磁石11は、図5に示すように、ジャイロトロンの最大出力パワーP1 に対応する磁束密度B1 を時間的に一定の定常磁場として発生しており、そのために必要な直流電流は直流電源31から供給される。補助電磁石30は図6に示すようなB1 とB2 の差に相当する磁場(B2−B1)を発生する。このために必要なパルス状の電流は補助電磁石用電源32から供給される。その結果、主磁場発生電磁石11による定常磁場(B1 )に、補助電磁石30によるパルス状の変動磁場が重畳され、空胴共振器6内の軸方向磁場の磁束密度は図7に示すように図3と同様、B1 とB2 の間でパルス的に変化することになる。従って、図4に示したように、ジャイロトロンの出力パワーをP1 とP2 の間でパルス的に変化させることができる。
【0025】
ここで、補助電磁石30の発生する磁場は、B1 とB2 の差に相当する弱い磁場であるから、それに必要な補助電磁石用電源32は小さい容量のものでよく、パルス電源で構成することが可能である。従って、この実施の形態の構成と制御方法によれば、高電圧を必要とする直流ビーム電源27および大容量を必要とする主電磁石用の直流電源31はいずれも直流電源でよく、小容量の補助電磁石用電源32のみをパルス状に変化させればよいので、装置を安価に構成することができ、制御が容易となる。また、小容量のパルス電源は容易に高速制御が可能である。
【0026】
このように、補助電磁石30にパルス状の電流を流すことによりジャイロトロンの出力パワーをパルス的に変化させるようにすると、マイクロ波の平均出力パワーの制御が可能となる。
以下に、マイクロ波の平均出力パワーを制御する具体例として、補助電磁石30に流す補助電磁石用電源32のパルス状の電流のパルス幅を可変にした制御について説明する。
例えば、図8(a)〜(c)は補助電磁石30に流す補助電磁石用電源32の電流波形を示すグラフであり、横軸に時間、縦軸に電流を示す。図8に示すように、補助電磁石用電源32が補助電磁石30に流すパルス状電流のパルス幅τをτ1 (図8(a)),τ2 (図8(b)),τ3 (図8(c))のように変化させ、パルスの周期tはt1 で一定とする。ただし、I1 は補助電磁石30が磁束密度B2−B1の磁場を発生するために必要な電流である。この結果、ジャイロトロンの出力パワーの波形は図9(a)〜図9(c)に示すようになる。即ち、一周期t1 中で、ジャイロトロンの出力パワーがP2 である時間がτ1 からτ3 まで変化し、平均出力パワーの制御が可能となる。また、このようなパルス幅を変える操作は短時間で行えるので、ジャイロトロンの平均出力パワーを短時間で変化させることができるという利点がある。
【0027】
また、マイクロ波の平均出力パワーを制御する他の具体例として、補助電磁石30に流す補助電磁石用電源32のパルス状の電流の周期を可変にした制御について説明する。
例えば、図10(a)〜(c)は補助電磁石30に流す補助電磁石用電源32の電流波形を示すグラフであり、横軸に時間、縦軸に電流を示す。図10に示すように、補助電磁石用電源32が補助電磁石30に流すパルス状電流の周期tをt2 (図10(a)),t3 (図10(b)),t4 (図10(c))のように変化させ、パルス幅τはτ4 で一定とする方法でもよい。ここで、図8と同様、I1 は補助電磁石30が磁束密度B2−B1の磁場を発生するために必要な電流である。この結果、ジャイロトロンの出力パワーの波形は図11(a)〜図11(c)に示すようになる。即ち、ジャイロトロンの出力パワーがP2 である時間がτ4 で一定で、出力パワーがP1 である時間(t−τ)が変化する結果、平均出力パワーの制御が可能となる。このようにしても、ジャイロトロンの平均出力パワーを短時間で変化させることができる。
【0028】
また、マイクロ波の平均出力パワーを制御するさらに他の具体例として、補助電磁石30に流す補助電磁石用電源32のパルス状の電流の波高値を可変にした制御について説明する。
例えば、図12(a)〜(c)は補助電磁石30に流す補助電磁石用電源32の電流波形を示すグラフで、横軸に時間、縦軸に電流を示す。図12に示すように、補助電磁石用電源32が補助電磁石30に流すパルス状電流の波高値Ix を変化させ、パルス幅τおよび周期tは一定とする方法でもよい。ここで、図8と同様、I1 は補助電磁石30が磁束密度B2−B1の磁場を発生するために必要な電流であり、波高値Ix は0からI1 の範囲内で変化させている。この結果、ジャイロトロンの出力パワーの波形は図13(a)〜図13(c)に示すようになる。即ち、ジャイロトロンの出力パワーの最大値はP1 であるが、出力パワーの最小値(図13(a)〜(c)におけるPx )が変化する結果、平均出力パワーの制御が可能となる。このようにしても、ジャイロトロンの平均出力パワーを短時間で変化させることができる。
【0029】
以上では、3極型電子銃を採用したジャイロトロンについて述べてきたが、2極型電子銃を採用したジャイロトロンについても同様である。
【0030】
このように、補助電磁石30および補助電磁石用電源32を用いて空胴共振器6内の磁束密度を変調することにより、安価な直流ビーム電源27および主磁場発生用直流電源31で、連続発振動作のみならずパルス動作が可能なジャイロトロンを得ることができる。その結果、例えば大きな平均電力が必要な場合は、連続発振動作を行い、平均電力は小さくてよいが瞬間的に大きな電力が必要な場合は、パルス動作を行うなど、それぞれの運転方式の特徴を生かした利用が可能となる。従って、ジャイロトロンを工業用に利用する場合の様々な要求に対して、1つの直流ビーム電源で対応できるため、低コスト化が可能であり、コストパフォーマンスも高いジャイロトロン装置が実現できる。
【0031】
また、補助電磁石用電源32が補助電磁石30に流すパルス状の電流の、パルス幅、周期、波高値のうちのいずれかを可変にしたり、または組み合わせて可変にすることにより、平均出力パワーの制御が可能であり、短時間で平均出力パワーを変化させることができ、操作性が良好になる。
【0032】
さらに、本実施の形態によれば、ジャイロトロン装置の性能試験時の安全性の向上も図ることができる。
即ち、工業用としてジャイロトロンを用いるには、ジャイロトロンからマイクロ波の被供給装置までマイクロ波の伝送系を組む必要があるが、このマイクロ波伝送系のコンポーネントであるモード変換器やモードフィルタ、マイターベンドなどの性能試験を、直流ビーム電源装置を用いながら平均出力パワーの小さいパルス発振動作で行うことができる。これは、伝送系の性能試験上、大変都合がよい。なぜなら、例えば伝送系に不備があって、マイクロ波の反射が大きい場合でも、平均出力パワーを小さく制御することができればジャイロトロンに重大な損傷を与えることがないからである。
また、例えば、モード変換器によって変換されたマイクロ波の電力密度分布を測定する方法として、マイクロ波をマイクロ波吸収体に照射して発熱させ、吸収体表面の温度分布を赤外線カメラなどで測定するという方法がある。この場合でも、マイクロ波の平均電力が大きければマイクロ波吸収体が過度に発熱するが、平均電力が小さければそのような恐れは無く、簡単に電力密度分布の測定が可能となる。
【0033】
実施の形態2.
実施の形態1では、主磁場発生電磁石11が磁束密度B1 の磁場を定常磁場として空胴共振器6内に発生するように構成し、発振効率の高い連続発振動作を通常の運転状態とした。これに対し、実施の形態2では、主磁場発生電磁石11が磁束密度B2 の磁場を定常磁場として空胴共振器6内に発生するように構成し、発振効率の低い連続発振動作を通常の運転状態とする。
【0034】
実施の形態2における装置構成は、図1と同様である。主磁場発生電磁石11は、図14に示すように、ジャイロトロンの小出力運転状態に対応する磁束密度B2 を時間的に一定の定常磁場として発生しており、そのために必要な直流電流は直流電源31から供給される。補助電磁石30は、図15に示すようなB1 とB2 の差に相当する磁場−(B2−B1)を発生する。即ち、補助電磁石30が、主磁場発生電磁石11の発生する磁場に対して逆方向の磁場を発生するように、パルス状の電流を補助電磁石用電源32より供給する。その結果、主磁場発生電磁石11による定常磁場(B2 )に、補助電磁石30によるパルス状の変動磁場が重畳され、空胴共振器6内の軸方向磁場の磁束密度は、図16に示すように変化し、図3と同様にB1 とB2 の間でパルス的に変化することになる。従って、図4に示したように、ジャイロトロンの出力パワーをP1 とP2 の間でパルス的に変化させることができる。
【0035】
また、このように構成した場合、補助電磁石30に電流を流さない通常の運転状態では、空胴共振器6内の磁束密度は小出力運転に対応するB2 となる。このため、ジャイロトロンの通常運転時には、小さな出力パワーP2 を出力したり、または主磁場発生電磁石11によって発生される磁束密度をB2 より大きく選ぶことによって、マイクロ波を放出しない状態とすることも可能である。
【0036】
また、実施の形態2においても、実施の形態1と同様にマイクロ波の平均出力パワーを制御することができる。そのためには、補助電磁石30に流すパルス状電流の波形を、以下に説明するように制御すればよい。
例えば、図17(a)〜図17(c)に示すように、補助電磁石用電源32が補助電磁石6に流すパルス状電流のパルス幅τを、τ5 からτ7 のように変化させ、それらの周期tはt5 で一定とする。ただし、−I1 は補助電磁石6が−(B2−B1 )の磁束密度の磁場を発生するために必要な電流である。ここで、電 流I1 の負符号は、補助電磁石6が発生する磁場の向きが、主磁場発生電磁石11が発生する磁場の向きと逆方向であるように、電流を流すことを意味する。その結果、ジャイロトロンの出力パワーの波形は、図18(a)〜図18(c)のように変化することになる。即ち、一周期t5 中で、ジャイロトロンの出力パワーがP1 である時間がτ5 からτ7 まで変化し、平均出力パワーの制御が可能となる。このような操作は短時間で行えるので、ジャイロトロンの平均出力パワーを短時間で変化させることが可能であるという利点がある。
【0037】
また、図19(a)〜図19(c)に示すように、補助電磁石用電源32が補助電磁石30に流すパルス状電流の周期tをt6 からt8 に変化させ、パルス幅はτ8 で一定とする方法でもよい。この場合は、ジャイロトロンの出力パワーの波形は図20(a)〜図20(c)のようになり、ジャイロトロンの出力パワーのパルス幅はτ8 で一定であり、周期がt6 からt8 に変化する。この結果、平均出力パワーの制御が可能となる。この方法でも短時間でジャイロトロンの平均出力パワーを変化させることができる。
【0038】
また、図21(a)〜図21(c)に示すように、補助電磁石用電源32が補助電磁石30に流すパルス状電流のパルス幅τ9 および周期t9 を一定として、波高値Iy を0から−I1 の範囲内で変化させてもよい。この場合、ジャイロトロンの出力波形は図22(a)〜図22(c)のようになり、出力パワーPy を変化させることによって、平均出力パワーを変化させている。この方法でも短時間でジャイロトロンの平均出力パワーを変化させることができる。
【0039】
本実施の形態によれば、実施の形態1と同様の効果が得られる上に、ジャイロトロンの小出力状態を通常の運転状態としているので、例えば、伝送系のコンポーネントのマイクロ波反射率が設計通りであることを確認しながら、またはマイクロ波の遮蔽が十分に行われていることを確認しながら平均電力を徐々に大きくするといったことも可能となる。このため、伝送系でマイクロ波の反射がある場合でも、ジャイロトロンへのマイクロ波電力の熱的原因による損傷を未然に防止することが可能となり、運転の安全性が向上する。
【0040】
実施の形態3.
実施の形態1,実施の形態2では、定常磁場を発生するために主磁場発生電磁石および電子銃部磁場発生電磁石などの電磁石を利用したジャイロトロンに関して説明した。本実施の形態では、電磁石の代わりに永久磁石によって定常磁場を発生する構成のジャイロトロンに適用したものを示す。例えば特開平7−307132号公報や特開平8−203441号公報に示されたジャイロトロンの断面構成を図23に示す。図において、36a〜36hは永久磁石である。この永久磁石36a〜36hは、実施の形態1,2における主磁場発生電磁石11と電子銃用磁場発生電磁石12の機能を兼ねており、空胴共振器6の磁場微調整電磁石35aおよび電子銃1の磁場微調整電磁石35bを組み合わせて用いている。
【0041】
本実施の形態においても、補助電磁石30および補助電磁石用電源を用いてパルス的に変化する磁場を発生させることにより、上記実施の形態1および実施の形態2と同様にジャイロトロンをパルス動作させることができる。ただし、図23では補助電磁石用電源,空胴共振器6の磁場微調整電磁石35aに電流を流すための電源,電子銃1の磁場微調整電磁石35bに電流を流すための電源,およびビーム電源は省略している。
【0042】
永久磁石36a〜36hの発生磁場の磁束密度は、永久磁石36a〜36hの温度変化や経年変化により変化する。このため、永久磁石36a〜36hのみで常に一定の磁束密度の定常磁場を発生させることは現実的には不可能である。そこで、発生磁場を微調整するために、直流磁場を発生する磁場微調整電磁石35a,35bを併用して、定常磁場を発生させることが必要となる。しかし、磁場微調整電磁石35a,35bが発生すべき磁場の磁束密度は、永久磁石36a〜36hが発生している磁場の磁束密度の5%程度以下であるため、消費電力の小さい小型の直流電源を要するのみである。さらに、永久磁石36a〜36hは励磁電源や冷却装置を必要としない。従って、ジャイロトロン装置の全体をコンパクトにできると同時に、運転コストを低減することができる。
【0043】
実施の形態4.
実施の形態1〜実施の形態3では全て空胴共振器内の磁場に関して述べてきたが、電子銃部の磁場についても同様の方法が適用できる。ただし、電子銃部の磁場を変化させたときのジャイロトロンの出力パワーが変化する理由は、空胴共振器6内の磁場を変化させる場合とは異なる。
空胴共振器6において、電子の磁場に対して垂直方向の速度の大きさは、電子の加速電圧,電子銃の電極形状,および磁場の圧縮比(空胴共振器内の磁場と電子銃部の磁場の比)により決定される。ジャイロトロンの出力パワーは電子の磁場に対して垂直方向の速度による運動エネルギーが源となっているため、一般的にこれが大きいほど、大きなジャイロトロンの出力パワーが得られる。従って、電子の加速電圧,電子銃の電極形状,および空胴共振器6内の磁場が一定の場合には、電子銃部の磁場を変化させることによって、ジャイロトロンの出力パワーを変化させることが可能である。
【0044】
電子銃部の磁場の磁束密度と出力パワーの関係は、図24に示すように、空胴共振器6内の磁場を変化させた場合(図2)と同じような傾向がある。図において、横軸は電子銃部の磁場の磁束密度、縦軸は出力パワーを示している。
従って、図25のように電子銃部に補助電磁石37を設け、これにパルス状の電流を流すための電源(図示せず)を接続して、実施の形態1,2で示した方法を電子銃磁場に対して適用すれば、同様に安価な直流ビーム電源を用いながらジャイロトロンをパルス的に動作させることが可能となり、実施の形態1,2と同様の効果が得られる。
【0045】
【発明の効果】
以上のように本発明の第1の構成によれば、電子ビームを射出する電子銃と、この電子銃から射出された電子ビームを軸方向磁場により旋回運動させる電子銃部用磁場発生手段と、旋回運動する電子ビームを軸方向磁場により軸方向の速度を減少させる空胴共振器用磁場発生手段と、軸方向の速度が減少した電子ビームと固有モードで共振している高周波電磁場との間でサイクロトロン共鳴メーザ作用を起こさせる空胴共振器と、この空胴共振器内を通過した電子ビームを回収するコレクタと、サイクロトロン共鳴メーザ作用により発生したマイクロ波又はミリ波を外部に取り出す出力窓と、上記電子銃部内と上記空胴共振器内との少なくとも一方の磁束密度にパルス状の変動磁場を重畳して変調させる補助電磁石と、この補助電磁石にパルス状の電流を給電し、マイクロ波又はミリ波の平均出力パワーを変化させる補助電磁石用電源とを備えたことにより、低価格な直流のビーム電源を用い、ジャイロトロンの出力パワーをパルス的に変化させることができるジャイロトロン装置が得られる。
【0047】
また、本発明の第2の構成によれば、第1の構成において、上記補助電磁石用電源が給電する電流のパルス幅を可変としたことにより、低価格な直流のビーム電源を用い、ジャイロトロンの出力パワーをパルス的に変化させることができるジャイロトロン装置が得られる。
【0048】
また、本発明の第3の構成によれば、第1又は第2の構成において、上記補助電磁石用電源が給電する電流の周期を可変としたことにより、低価格な直流のビーム電源を用い、ジャイロトロンの出力パワーをパルス的に変化させることができるジャイロトロン装置が得られる。
【0049】
また、本発明の第4の構成によれば、第1ないし第3のいずれかの構成において、上記補助電磁石用電源が給電する電流の波高値を可変としたことにより、低価格な直流のビーム電源を用い、ジャイロトロンの出力パワーをパルス的に変化させることができるジャイロトロン装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1によるジャイロトロン装置を示す断面構成図である。
【図2】実施の形態1に係わり、ジャイロトロンの出力パワーと空胴共振器内の軸方向磁場の磁束密度との関係を示すグラフである。
【図3】実施の形態1に係わり、空胴共振器内の軸方向磁場の磁束密度の時間変化を示すグラフである。
【図4】実施の形態1に係わり、図3に示したように時間的に変化する軸方向磁場を空胴共振器内に発生させた場合のジャイロトロンの出力パワーの時間変化を示すグラフである。
【図5】実施の形態1によるジャイロトロン装置の主磁場発生電磁石が空胴共振器内に発生させる磁場を示すグラフである。
【図6】実施の形態1によるジャイロトロン装置の補助電磁石が空胴共振器内に発生させる磁場の時間変化を示すグラフである。
【図7】実施の形態1によるジャイロトロン装置の空胴共振器内のトータルの軸方向磁束密度の時間変化を示すグラフである。
【図8】実施の形態1によるジャイロトロン装置において、補助電磁石に流すパルス状電流のパルス幅を変化させる様子を示したグラフである。
【図9】実施の形態1によるジャイロトロン装置において、図8のように補助電磁石に電流を流したときのジャイロトロンの出力パワーを示すグラフである。
【図10】実施の形態1によるジャイロトロン装置において、補助電磁石に流すパルス状電流の周期を変化させる様子を示したグラフである。
【図11】実施の形態1によるジャイロトロン装置において、図10のように補助電磁石に電流を流したときのジャイロトロンの出力パワーを示すグラフである。
【図12】実施の形態1によるジャイロトロン装置において、補助電磁石に流すパルス状電流の波高値を変化させる様子を示したグラフである。
【図13】実施の形態1によるジャイロトロン装置において、図12のように補助電磁石に電流を流したときのジャイロトロンの出力パワーを示すグラフである。
【図14】本発明の実施の形態2によるジャイロトロン装置の主磁場発生電磁石が空胴共振器内に発生させる磁場の時間変化を示すグラフである。
【図15】実施の形態2によるジャイロトロン装置の補助電磁石が空胴共振器内に発生させる磁場の時間変化を示すグラフである。
【図16】実施の形態2によるジャイロトロン装置の空胴共振器内のトータルの軸方向磁束密度の時間変化を示すグラフである。
【図17】実施の形態2によるジャイロトロン装置において、補助電磁石に流すパルス状電流のパルス幅を変化させる様子を示したグラフである。
【図18】実施の形態2によるジャイロトロン装置において、図17のように補助電磁石に電流を流したときのジャイロトロンの出力パワーを示すグラフである。
【図19】実施の形態2によるジャイロトロン装置において、補助電磁石に流すパルス状電流の周期を変化させる様子を示したグラフである。
【図20】実施の形態2によるジャイロトロン装置において、図19のように補助電磁石に電流を流したときのジャイロトロンの出力パワー示すグラフである。
【図21】実施の形態2によるジャイロトロン装置において、補助電磁石に流すパルス状電流の波高値を変化させる様子を示したグラフである。
【図22】実施の形態2によるジャイロトロン装置において、図21のように補助電磁石に電流を流したときのジャイロトロンの出力パワーを示すグラフ図である。
【図23】本発明の実施の形態3によるジャイロトロン装置で、磁場発生装置に永久磁石を用いた場合を示す断面構成図である。
【図24】本発明の実施の形態4に係わり、ジャイロトロンの出力パワーと電子銃部の磁場の磁束密度との関係を示すグラフである。
【図25】実施の形態4によるジャイロトロン装置を示す断面構成図である。
【図26】従来の3極型電子銃を採用したジャイロトロン装置を示す断面構成図である。
【図27】従来の2極型電子銃を採用したジャイロトロン装置を示す断面構成図である。
【符号の説明】
1 電子銃、2 カソード、3 電子放出部、4 第1アノード、5 第2アノード、6 空胴共振器、7 コレクタ、8 出力窓、9 電子ビーム、10 高周波、11 空胴共振器用磁場発生電磁石、12 電子銃部用磁場発生電磁石、20 コンデンサバンク、21 充電器、22 制御管、23 パルス波形発生器、25a,25b 分圧抵抗、26 パルスビーム電源、27 直流ビーム電源、30 補助電磁石、31 直流電源、32 補助電磁石用電源、35a 空胴共振器部の磁場微調整電磁石、35b 電子銃部の磁場微調整電磁石、36、36a〜36h 永久磁石、37 補助電磁石、200 ジャイロトロン、300 ジャイロトロン装置。
Claims (4)
- 電子ビームを射出する電子銃と、この電子銃から射出された電子ビームを軸方向磁場により旋回運動させる電子銃部用磁場発生手段と、旋回運動する電子ビームを軸方向磁場により軸方向の速度を減少させる空胴共振器用磁場発生手段と、軸方向の速度が減少した電子ビームと固有モードで共振している高周波電磁場との間でサイクロトロン共鳴メーザ作用を起こさせる空胴共振器と、この空胴共振器内を通過した電子ビームを回収するコレクタと、サイクロトロン共鳴メーザ作用により発生したマイクロ波又はミリ波を外部に取り出す出力窓と、上記電子銃部内と上記空胴共振器内との少なくとも一方の磁束密度にパルス状の変動磁場を重畳して変調させる補助電磁石と、この補助電磁石にパルス状の電流を給電し、マイクロ波又はミリ波の平均出力パワーを変化させる補助電磁石用電源とを備えたことを特徴とするジャイロトロン装置。
- 上記補助電磁石用電源が給電する電流のパルス幅を可変としたことを特徴とする請求項1に記載のジャイロトロン装置。
- 上記補助電磁石用電源が給電する電流の周期を可変としたことを特徴とする請求項1又は2に記載のジャイロトロン装置。
- 上記補助電磁石用電源が給電する電流の波高値を可変としたことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載のジャイロトロン装置。
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