JP3754033B2 - ジャイロトロン装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、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相互作用を利用し、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】
図４９は例えば特開昭５６−１０２０４５号公報に示された従来のジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、１は電子ビーム９を取り出す電子銃であり、２はカソード、３はカソード上の電子放出部、４は第１アノード、５は第２アノードである。６は上記電子ビーム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り、ジャイロトロン装置２００はこれら電子銃１、空胴共振器６、コレクタ７、出力窓８等によりなるジャイロトロン１００と、電子ビームに旋回運動を与えるため、ジャイロトロン１００の軸方向に磁場を発生する主電磁石１１と電子銃電磁石１２より構成される。
【０００３】
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、カソード・第１アノード間の電界により加速され、電子銃電磁石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、平行方向速度を減少させながら、空胴共振器６に入る。上記主電磁石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、電子の垂直速度成分による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。
空胴共振器６において電子ビームのエネルギーが効率的に高周波のエネルギーに変換されるのは、次式が成り立つ時である。
【０００４】
【数１】
【０００５】
ここで、ωは空胴共振器６の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。Ωc は電子の電荷をｅ（絶対値）、空胴共振器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 とすると次式で与えられる。
Ωc ＝ｅＢ／γｍ0 （２）
式（１）からわかるように、電子ビームのエネルギーが効率的に高周波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。
このようにジャイロトロン装置においては、磁場が本質的な役割を果たしており、磁場を精度良く合わせることが、ジャイロトロン装置を効率良く運転する上で重要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のジャイロトロン装置は以上のように構成されているので、電子に旋回運動を与えるための主電磁石１１、電子銃電磁石１２には超電導電磁石、または常電導電磁石、またはその両方を用いた電磁石が使用されており、電子ビームの加速電圧に応じて電磁石に流す電流を調整することにより、磁束密度を最適値に合わせていた。式（１）、（２）から分かるように、高周波数の発振を得るためには、空胴共振器内で高磁場が必要なため、例えば３０ＧＨｚ程度以上の発振を得る場合は主電磁石には超電導電磁石が用いられ、それ以下の周波数の発振を得る場合には、常電導電磁石が利用されることが多い。しかし、超電導電磁石は一般に高価であり、励磁するためには液体ヘリウムなどの冷媒を供給するか、冷凍機を使って、極低温にまで電磁石を冷却しなければならないなど、手間がかかり、また磁場を急激に変化させることが難しいという問題点があった。一方、常電導電磁石では、高磁場の発生には大容量の励磁電源が必要であり、大電力を消費すること、電磁石や励磁電源に冷却水を流す必要もあることなどを考慮すると、ランニングコストが高くなるという課題があった。
【０００７】
この発明は上記のような課題を解消するためになされたもので、発振効率を向上させて、ジャイロトロン装置の維持と操作性を容易にするとともに、電磁石の励磁電源を小型化し、ランニングコストを極めて安くすることができるジャイロトロン装置を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るジャイロトロン装置は、空洞共振器における磁束密度の軸方向分布を調節する主磁場微調整電磁石を磁場発生装置とは別に備え、且つ該主磁場微調整電磁石は、空洞共振器の電子銃側から出力窓側に向かって軸方向磁束密度が増加する傾斜磁場分布を作るものである。
【０００９】
この発明に係るジャイロトロン装置は、磁場発生装置を永久磁石と電磁石とで構成し、空洞共振器における磁束密度の軸方向分布を調節する主磁場微調整電磁石を上記の磁場発生装置とは別に備え、且つ該主磁場微調整電磁石は、空洞共振器の電子銃側から出力窓側に向かって軸方向磁束密度が増加する傾斜磁場分布を作るものである。
【００１０】
この発明に係るジャイロトロン装置は、磁場発生装置を永久磁石で構成したものである。
【００１１】
この発明に係るジャイロトロン装置の傾斜磁場は、空洞共振器の電子銃側の端に対して出力窓側の端の方が磁束密度で５〜１０％大きくなるように磁束密度に傾斜をつけた傾斜磁場である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図について説明する。図１はこの発明の実施の形態１によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において従来のものと同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。２０は永久磁石であり、例えば雑誌「インターナショナル ジャーナル オブ インフラレッド アンド ミリメーター ウェイブズ(International Journal of Infrared and Millimeter Waves)」（Vol.14, No.4, 1993, P.783 ）に示されるような方法により軸方向磁場を発生する。また、この永久磁石２０はジャイロトロン１００の軸方向の全長にわたって、ジャイロトロンの発振動作に必要な磁場の大部分を発生し、さらにこの永久磁石２０と空胴共振器６付近に置かれた主磁場微調整電磁石３０の両方で、ジャイロトロン１００の発振動作に必要な軸方向の磁束密度を空胴共振器６内に発生する。３１は電子銃磁場微調整電磁石である。２００は永久磁石２０及び主磁場微調整電磁石３０、電子銃磁場微調整電磁石３１から構成される磁場発生装置と、ジャイロトロン１００からなるジャイロトロン装置を示している。
【００１３】
既に記したように、ジャイロトロン１００の発振動作には磁場が本質的な役割を果たしており、空胴共振器６において発振させたい固有モードの発振周波数にあわせて、磁場を精度良く調整することが、ジャイロトロン装置２００を効率良く運転する上で重要である。前記式（１）、（２）からわかるように、高周波数の発振を得るためには、空胴共振器６において高磁場が必要であることから、従来のジャイロトロン装置２００の磁場発生装置には、常電導電磁石、または超電導電磁石、あるいはその両方が用いられてきた。電磁石は、発生させる磁場を容易に調整できるため、電子ビーム９の加速電圧やビーム電流値に合わせて発振出力を調整する上で便利である。しかし、常電導電磁石の励磁には大容量の励磁電源が必要で、消費電力も大きく、また励磁電源や電磁石を水冷する必要があり、一方超電導電磁石は一般に高価であり、液体ヘリウムなどで極低温にまで冷却する必要があるなど、いずれの電磁石を使用するにおいても初期コスト、ランニングコストが大きく、取扱い上の手間もかかるという問題点がある。
【００１４】
しかし、図１のように永久磁石と電磁石の両方を用いた磁場発生装置を用いるとこの問題点は解消する。たとえば、２倍高調波発振で周波数２８ＧＨｚの発振を得るためには式（１）でｓ＝２であるから、この式と式（２）（γ≒１）より空胴共振器６において約５ｋＧの軸方向磁束密度が必要である。このうちの例えば４ｋＧを永久磁石２０によって発生させ、残りの約１ｋＧを主磁場微調整電磁石３０で発生させれば、励磁電源は小型でもよく、消費電力は少なくてすむ。さらに、上述したように空胴共振器６内での電子と電磁場との共鳴的相互作用には、磁場が重要な役割を担っており、ジャイロトロン装置２００の発振効率が最高になる磁束密度は、電子ビーム９の加速電圧やビーム電流値に依存するため、空胴共振器６内の磁束密度も微調整できることが望ましい。主磁場微調整電磁石３０はこのためのものである。
【００１５】
また、電子銃１から射出される電子ビーム９の特性は、電子ビーム９の加速電圧やビーム電流値の他に、電子銃１付近での磁束密度によっても変化し、空胴共振器６において発生する高周波出力に微妙な影響を及ぼすことがわかっている。したがって、ジャイロトロン１００の電子銃１においても永久磁石２０の発生する固定磁場だけで電子ビーム９の加速電圧やビーム電流の色々な値に対して、ジャイロトロン装置２００の動作特性を最適状態にすることは難しく、電子銃１の磁束密度も微調整できることが望ましい。図１の電子銃磁場微調整電磁石３１はこのためのものである。さらに、電子銃１のカソード２や第一アノード４には電圧をかけるため、電気絶縁のための絶縁体１３が構成部材として利用される。
【００１６】
一般に絶縁体１３にはアルミナが用いられ、金属部との接続のため、アルミナの両端にはコバールがろう付けされている。しかし、コバールは磁性体であるため、付近の磁場分布を乱す可能性がある。電子銃１付近での磁場を永久磁石２０のみで発生させた場合、この磁場分布の乱れを補正することができないため、電子銃１から引き出される電子ビーム９は悪影響を及ぼされる恐れがある。電子銃磁場微調整電磁石３１は、この磁場分布の乱れを補正する役目を果たすこともできる。
【００１７】
このように、ジャイロトロン装置２００の磁場発生装置に、永久磁石と電磁石とで構成された磁場発生装置を用いれば、電磁石の励磁電源は小型、小容量のものでよく、消費電力も低減され、且つ発振出力の調整を行う場合の磁束密度の調整範囲は、この程度の電磁石でも十分発生可能な範囲にあるため、調整の容易さは、従来例の電磁石のみを用いたジャイロトロン装置２００となんら変わるところがない。なお、これらの主磁場微調整電磁石３０、電子銃磁場微調整電磁石３１は別々に励磁されてもよいし、電磁石の巻数を考慮して、直列に接続して励磁してもよい。
【００１８】
また、図では空胴共振器６付近と電子銃１の２個所に電磁石を置いているが、必ずしも両方に設置する必要はなく、永久磁石の発生する磁束密度によっては、どちらか片方に置くことで十分な場合もある。また、電磁石はそれぞれの部分に一個ずつ設置するように書かれているが、複数個の電磁石を設置してもよい。
【００１９】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。３２は主磁場微調整電磁石である。実施の形態１に示した永久磁石２０は、その内径が小さいほど軸方向の磁場を発生させやすく、小型、軽量、低コストになる。このためジャイロトロン１００の外面と永久磁石２０の内壁との間隔が狭い場合には、主磁場微調整電磁石３２はジャイロトロン１００の外面に密着巻、あるいは、さらに図２の実施の形態２に示すように、ジャイロトロン１００の空胴共振器６付近の外径を小さくして、この部分に主磁場微調整電磁石３２を取り付けるようにしてもよい。主磁場微調整電磁石３２にとっても、電磁石の内径が小さいほど、同一磁場を発生させるための消費電力は小さくて済むため、この実施の形態に示すように主磁場微調整電磁石３２を設置するほうがよい場合もある。
【００２０】
実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。３３は主磁場微調整電磁石である。前述したように永久磁石２０は、その内径が小さいほど軸方向の磁場を発生させやすく、小型、軽量、低コストになる。このためジャイロトロン１００の外面と永久磁石２０の内壁との間隔が狭くなり、空胴共振器６付近のジャイロトロン１００の外面と永久磁石２０内面との間に、主磁場微調整電磁石３２を設置できない場合には、図３に示すように永久磁石２０の外側に、主磁場微調整電磁石３３を配置してもよい。
【００２１】
実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。３４は磁場微調整電磁石である。ここに示した実施の形態４は、実施形態１における主磁場微調整電磁石３０と電子銃磁場微調整電磁石３１を１つの磁場微調整電磁石３４で構成したものである。このようにすると、電子銃と空胴共振器６内の軸方向磁束密度を独立に調整することはできないが、励磁電源が１台で済むという利点がある。
【００２２】
実施の形態５．
図５はこの発明の実施の形態５によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。実施の形態１から実施の形態４までは、ジャイロトロンの電子銃１は、永久磁石２０の中心ボア内に納まっていたが、この実施の形態５では、ジャイロトロン１００の電子銃１は永久磁石２０の一方の端面より外側に出ている。このような配置であっても、電子銃１付近に電子銃磁場微調整電磁石３１を置き、電子銃１の磁場を調整することは有効である。なおこの図では、空胴共振器６付近には主磁場微調整電磁石３０が設置されていないが、必要ならば設置してもよい。
【００２３】
実施の形態６．
図６はこの発明の実施の形態６によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。実施の形態１から実施の形態５までは、ジャイロトロン１００の電子銃１はカソード、第１アノード、第２アノードからなる３極型電子銃と呼ばれる電子銃であったが、図６に示すような２極型電子銃を用いたジャイロトロン１００であってもよい。２極型電子銃はカソード２とアノード１４からなり、空胴共振器６において固有モードの電磁場とサイクロトロン共鳴メーザ相互作用を行う電子ビーム９を引き出す点で、３極型電子銃と同様の働きをしている。したがって、以下の実施の形態で、３極型電子銃を用いたジャイロトロンについてのみ記した場合でも、２極型電子銃を用いたジャイロトロンについても同様のことが言えるものとする。
【００２４】
実施の形態７．
図７はこの発明の実施の形態７によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。３５は主磁場微調整電磁石である。ジャイロトロン１００を用いて、例えば２倍高調波発振で周波数２８ＧＨｚの発振を行わせる場合を考える。電子ビーム９の加速電圧をＶｂ［ｋＶ］とすると、相対論的係数は次式で与えられる。
γ＝１＋Ｖｂ／５１１ （３）
したがってＶｂ＝２０ｋＶならば、γ＝１．０４である。この電子についてサイクロトロン周波数が２８ＧＨｚになるときの磁束密度は式（２）より、約１０．４ｋＧである。したがって、２倍高調波発振で２８ＧＨｚの発振を行わせるには、式（１）より約５．２ｋＧより少し小さい程度の磁束密度を空胴共振器６内に発生させる必要がある。
【００２５】
空胴共振器６の中央部において、この約５．２ｋＧの磁束密度の９０％以上１１０％以下の磁束密度を永久磁石２０で発生させておけば、主磁場微調整電磁石３５は±０．５２ｋＧ程度以下の磁束密度を空胴共振器６内に発生させるだけでよく、主磁場微調整電磁石３５とその励磁電源は小型、軽量になり、消費電力も軽減され、ランニングコストが下がる。
なお上記マイナス符号の磁束密度は、永久磁石２０が作る磁場と逆方向の磁場を発生させるという意味であり、電磁石に流す電流の向きをプラス符号の磁場を発生させる場合に対して逆向きにすればよい。
【００２６】
実施の形態８．
図８はこの発明の実施の形態８によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。３６，３７，３８は空胴共振器６における磁束密度の軸方向の分布を調整する主磁場微調整電磁石である。既に記したように、ジャイロトロン１００の発振動作においては磁場が重要な役割を果たしており、特に電子ビーム９が電磁場と相互作用する空胴共振器６内での磁束密度の絶対値と空間的分布は、発振効率などに大きな影響を与える。しかしながら、電磁石と比較すると、永久磁石２０は高精度で設計通りの磁場を発生させるには困難な場合が多く、例えば軸方向の長い距離にわたって空間的に均一度の高い磁束密度の軸方向磁場を発生させることは難しい。
【００２７】
この実施の形態８において、永久磁石２０が作る磁束密度の設計値からの絶対値についてのずれだけではなく、磁束密度の空間的分布の不備を整形するための主磁場微調整電磁石３６，３７，３８を備えたものである。このような構成とすることにより、永久磁石２０の発生する磁束密度の空間的不均一性を補償できる。また、電子ビーム９の加速電圧に応じて磁束密度を微調整し、発振効率を最大にすることができるとともに、発振出力を調整することもできる。
【００２８】
実施の形態９．
図９はこの発明の実施の形態９によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。３９，４０，４１は空胴共振器６における磁束密度の軸方向の分布を調整する主磁場微調整電磁石である。ジャイロトロン１００の発振動作においては、空胴共振器６内での軸方向磁束密度が均一、一定であるよりも、適当な分布をもたせる方が、発振効率が高くなることが理論的にわかっている。例えば、空胴共振器６の電子銃１側の端に対して出力窓８側の端の方が磁束密度で５〜１０％大きくなるように磁束密度に傾斜をつけておくと発振効率が上昇する。
【００２９】
この実施の形態では、このような軸方向の磁束密度分布を空胴共振器６内につくるために、これらの電磁石をそれぞれ独立に励磁してもよいし、図９のように出力窓側の電磁石のコイルの巻数を多くするなどの工夫をして直列に励磁してもよい。図９での巻数は上記のようになっているが、ジャイロトロン１００の発振効率をよくする目的で、空胴共振器６内の軸方向の磁束密度分布を整形するならば、どのような巻数、巻き方、励磁方法でもよい。なお、この図には電子銃磁場微調整電磁石３１が描かれていないが、必要ならば設置してもよい。
【００３０】
実施の形態１０．
図１０はこの発明の実施の形態１０によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。４２は空胴共振器６における磁束密度の軸方向の分布を調整する主磁場微調整電磁石である。ここに示した実施の形態１０は、図９の実施の形態９の主磁場微調整電磁石３９，４０，４１を１つの主磁場微調整電磁石４２に置きかえたものである。空胴共振器６の電子銃１側から出力窓８側に向かって電磁石のコイルの巻数が多くなるように主磁場微調整電磁石４２が巻かれている。
【００３１】
このような電磁石を用いると軸方向の磁束密度分布を整形する際の自由度は減少するが、一台の励磁電源で、空胴共振器６内に電子銃１側から出力窓８側に向かって磁束密度が増加する分布を作ることができるという利点がある。図１０での主磁場微調整電磁石４２のコイルは、上述のように巻かれているが、ジャイロトロン１００の発振効率をよくする目的で、空胴共振器６内の軸方向の磁束密度分布を整形するならば、どのような巻き方であってもよい。なお、この図には電子銃磁場微調整電磁石３１が描かれていないが、必要ならば設置してもよい。
【００３２】
実施の形態１１．
図１１はこの発明の実施の形態１１によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。４３は主磁場微調整電磁石、８０はジャイロトロンからの出力高周波の一部を取り出すサンプリング穴、８１は出力検出器、８２は発振出力測定及び制御回路、９０は励磁電源である。一般に、ジャイロトロン１００の発振出力の調整は、電子ビーム９の加速電圧やビーム電流値を変えて行うのが普通である。そして、電子ビーム９の加速電圧やビーム電流値を変えたとき、ジャイロトロン１００の発振効率を最大にするためには、その都度、軸方向の磁束密度を調整して行う。これは電子ビーム９の加速電圧を変えると電子の相対論的係数γや電子の軸方向速度ｖz が変化するため、式（１），（２）からわかるように空胴共振器６内の軸方向磁束密度を調整し直す必要があるからである。
【００３３】
また、ビーム電流を変えて発振出力を変える場合でも、空胴共振器６内で共振している固有モードの電磁場強度が変わるため、電子ビーム９と電磁場との相互作用を最適状態にするためには、空胴共振器６内の軸方向磁場を調整し直す必要がある。従来のジャイロトロン装置の磁場発生装置には電磁石のみが用いられ、その励磁電源には、一定の速度で適当な設定値まで自動的に出力電流を増加、または減少させていく機能がついている場合が多かったが、最終的な微調整は手動に頼ることが多かった。また、特に電磁石が超電導電磁石の場合には、電磁石のインダクタンスが大きく、急激に電流を変化させられないため、磁場の微調整に時間がかかっていた。
【００３４】
さらに、ジャイロトロン１００の電子銃１のカソード２には熱カソードが用いられているため、発振出力の調整を電子ビーム９の電流値を変えて行う場合には、カソード２のヒーターの入力電力を変え、カソード２上の電子放出部の温度を変える必要があり、このためには、かなりの時間がかるのが普通である。したがって、発振効率を最大にするための磁場調整や、あるいは発振効率を多少犠牲にしても発振出力の調整を磁場を用いて行う必要がある場合には、軸方向磁束密度を自動的に、且つ速く調整する装置があると便利である。なお、平均出力を調整するのに電源のパルス幅で調整する方法があるが、この場合電源のコストが高くなるので、本実施の形態のように磁場で調整する方がコスト減になる。
【００３５】
この実施の形態１１にあっては、ジャイロトロン１００からの発振出力を検出し、最大出力、または予め設定された出力になるまで、自動的に空胴共振器６内の軸方向磁束密度を変化させる装置を持ったジャイロトロン装置であり、ジャイロトロン１００からの発振出力が、サンプリング穴８０を通して出力検出器８１で検出され、発振出力に比例した信号が出力検出器８１から出力される。この信号を受けた発振出力測定及び制御回路８２は、発振出力を計算して表示するとともに、そこまでの空胴共振器内での磁束密度の変化に伴う発振出力の履歴を参照して、より出力を上げる方向、あるいは予め設定された出力になるように、励磁電源９０に制御信号を送る。励磁電源９０はこの信号にしたがって主磁場微調整電磁石４３に流す電流を変化させ、これによってジャイロトロンの発振出力が変化する。このフィードバックループによって、発振出力が制御される。
【００３６】
なお、サンプリング穴８０の代わりに方向性結合器を利用することもできる。また、図１１においては主磁場微調整電磁石４３は一つであるが、複数個にしてもよく、電磁石の配置、電磁石のコイル巻数などについては、既にここまでの実施の形態で記してきた内容と同様のことが言える。また、図１１には電子銃磁場微調整電磁石３１が記されていないが、必要ならば設置してもよい。
【００３７】
実施の形態１２．
図１２はこの発明の実施の形態１２によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。２１は永久磁石、４４は主磁場微調整電磁石である。ジャイロトロンの発振出力を幅広く変えるためには、ジャイロトロン装置２００が、電子ビーム９の加速電圧やビーム電流の幅広い領域で動作できる必要がある。既に述べたように、電子ビーム９の加速電圧がＶｂ＝２０ｋＶならば、γ＝１．０４であるが、Ｖｂ＝８０ｋＶでは式（３）よりγ＝１．１６となり、この電子についてサイクロトロン周波数が２８ＧＨｚになるときの磁束密度は式（２）より、約１１．６ｋＧである。
【００３８】
したがって、例えば２倍高調波発振で周波数２８ＧＨｚの発振を行わせるには、式（１）より約５．８ｋＧより若干小さい程度の磁束密度を空胴共振器６内に発生させる必要がある。既に記したように、Ｖｂ＝２０ｋＶのときには、約５．２ｋＧより少し小さい程度の磁束密度を空胴共振器内に発生させる必要があったから、Ｖｂ＝２０ｋＶからＶｂ＝８０ｋＶの範囲でジャイロトロンを発振させるためには、Ｖｂ＝２０ｋＶのときに必要な軸方向磁束密度の９０％以上１１０％以下の磁束密度を永久磁石で発生させるのでは、Ｖｂ＝８０ｋＶのときに必要な軸方向磁束密度を主磁場微調整電磁石４４で調整しきれないおそれがある。
【００３９】
このような場合には、ジャイロトロンの発振動作に必要な全磁束密度に対する主磁場微調整電磁石４４の発生しうる磁束密度の割合を大きくすればよい。この実施の形態では、実施の形態７よりも主磁場微調整電磁石４４を大きくし、空胴共振器６の中央部において必要な軸方向磁場の±２０％の磁場を発生できるようになっており、したがって空胴共振器６の中央部において必要な軸方向磁束密度の８０％以上１２０％以下の磁場が永久磁石２１によって発生されている。また、図には電子銃磁場微調整電磁石３１は描かれていないが、必要ならば設置してもよい。
【００４０】
以上の構成により、励磁電源の容量や、消費電力を低減し、ランニングコストを下げるとともに、より広範囲の加速電圧の電子ビーム９に対しても、ジャイロトロンの発振動作に必要な軸方向磁束密度の調整が可能になる。
なお、本実施の形態の説明では、発振周波数は２８ＧＨｚの場合を例に挙げたが、他の周波数についても同様の議論が成り立つ。また、空胴共振器６の固有モードは異なる共振周波数をもつ多数のモードが存在する。従って、本実施の形態のように主磁場微調整電磁石４４での磁束密度の調整範囲を広くしておくことによって、異なる共振周波数をもつ複数の固有モードを別々に発振させることも可能になる。
【００４１】
実施の形態１３．
図１３はこの発明の実施の形態１３によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。この実施の形態では、３つの主磁場微調整電磁石４５，４６，４７を配置したものである。しかし、必ずしも３つである必要はなく、２つでも４つでもよく、ジャイロトロンの発振に必要な主磁場の発生と調整の目的のためには、必要な個数を配置してもよい。また、それらの主磁場微調整電磁石４５，４６，４７はそれぞれが独立に励磁できても、あるいは、独立に励磁できなくてもよい。
【００４２】
実施の形態１４．
図１４はこの発明の実施の形態１４によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。実施の形態１４では、主磁場微調整電磁石４８がジャイロトロン１００の発振動作に必要な軸方向磁束密度の±２０％の磁場を発生できる能力があることを除いて、実施の形態２と同じ構成、同じ働きをするものである。
【００４３】
実施の形態１５．
図１５はこの発明の実施の形態１５によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。この実施の形態１５では実施の形態９と同じ構成、同じ働きをすると同時に、さらに主磁場微調整電磁石４９，５０，５１がジャイロトロン１００の発振動作に必要な軸方向磁束密度の±２０％の磁場を発生できる能力を持つものである。このように構成することにより、実施の形態９よりも軸方向磁束密度を広い範囲で調整可能になるという効果がある。なお、図１５には電子銃磁場微調整電磁石３１は描かれていないが、必要ならば設置してもよい。
【００４４】
実施の形態１６．
図１６はこの発明の実施の形態１６によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。この実施の形態１６では、実施の形態１０と同じ構成、同じ働きをすると同時に、さらに主磁場微調整電磁石５２がジャイロトロンの発振動作に必要な軸方向磁束密度の±２０％の磁場を発生できる能力を持つものである。このようにすることにより実施の形態１０よりも軸方向磁束密度を広い範囲で調整可能になるという効果がある。
【００４５】
なお、主磁場微調整電磁石５２のコイルは、ジャイロトロン１００の空胴共振器６付近の外径を小さくして、その部分に取り付けられているが、永久磁石２１の内壁とジャイロトロン１００外面の間のすき間に余裕があれば、実施の形態１０のようにジャイロトロン１００の空胴共振器６付近の外面を必ずしも小さくしなくてもよい。また図中、電子銃磁場微調整電磁石３１は描かれていないが、必要ならば設置してもよい。
【００４６】
実施の形態１７．
図１７はこの発明の実施の形態１７によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。この実施の形態１７では実施の形態１１と同じ構成、同じ働きをすると同時に、さらに主磁場微調整電磁石５３がジャイロトロン１００の発振動作に必要な軸方向磁束密度の±２０％の磁場を発生できる能力を持つものである。以上の構成により、実施の形態１１よりも軸方向磁束密度を広い範囲で調整可能になるという効果がある。なお図中、電子銃磁場微調整電磁石３１は描かれていないが、必要ならば設置してもよい。
【００４７】
実施の形態１８．
図１８はこの発明の実施の形態１８によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。２２は永久磁石、５４は電子銃１のカソード２上の電子放出部３の磁場を微調整する電子銃磁場微調整電磁石である。一般に電子放出部３の磁場の磁束密度は主磁場磁束密度の１／５程度以下である。実施の形態７の説明の中で述べたように、例えば２倍高調波発振で周波数２８ＧＨｚの発振を得る場合、空胴共振器内の磁束密度は約５．２ｋＧであることから、電子放出部３の磁束密度は１．０４ｋＧ程度となる。このうちの５０％以上１５０％以下の磁束密度を永久磁石２２で発生させておけば、電子銃磁場微調整電磁石５４は±０．５２ｋＧ以下程度の磁束密度を電子放出部３に発生させるだけでよく、この電子銃磁場微調整電磁石５４とその励磁電源は小型、軽量になり、消費電力も軽減され、ランニングコストが下がる。
【００４８】
また、電子銃１のカソード２や第１アノード４には電圧をかけるため、電気絶縁のための絶縁体１３が構成部材として利用される。一般に絶縁体１３にはアルミナが用いられ、金属部との接続のため、アルミナの両端にはコバールがろう付けされている。しかし、コバールは磁性体であるため、付近の磁場分布を乱す可能性がある。電子銃付近の磁場を永久磁石のみで発生させた場合、この磁場分布の乱れを補正することができないため、電子銃から引き出された電子ビーム９は悪影響を受ける恐れがある。
【００４９】
さらに、上記の電子銃磁場微調整電磁石５４は、この磁場分布の乱れを補正する役目を果たすこともできる。なお、上記磁束密度のマイナス符号の意味は、電磁石５４が発生する磁場の向きが、永久磁石２２が作る磁場と逆方向であるということであり、電子銃磁場微調整電磁石５４に流す電流の向きをプラス符号の磁場を発生させる場合に対して逆向きにすればよい。
【００５０】
実施の形態１９．
図１９はこの発明の実施の形態１９によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。５５，５６は電子銃１における磁束密度の軸方向の分布を調整する電子銃磁場微調整電磁石である。既に記したように、ジャイロトロン１００の発振動作においては磁場が重要な役割を果たしており、電子が放出される電子放出部における磁束密度の絶対値や分布は、電子ビーム９の特性および空胴共振器における半径方向の通過位置などに大きく影響する。永久磁石２０は電磁石に比較して磁束密度の絶対値や、特に分布を微調整することが困難である。したがって、図１９のように電子銃磁場微調整電磁石５５，５６を設置すれば、磁束密度の絶対値や分布を容易に最適な状態にすることができ、発振効率を最大にすることができる。
【００５１】
さらに実施の形態１８で記したように、電子銃１には電気絶縁のための絶縁体１３が構成部材として利用される。一般に絶縁体にはアルミナが用いられ、金属部との接続のため、アルミナの両端にはコバールがろう付けされている。しかし、コバールは磁性体であるため、付近の磁場分布を乱す可能性がある。したがって、電子銃１の磁場を永久磁石２０のみで発生させた場合、この磁場分布の乱れを補正することができないため、電子銃１から引き出される電子ビーム９は悪影響を受ける恐れがある。上記の電子銃磁場微調整電磁石５５，５６は、この磁場分布の乱れを補正する役目を果たすこともできる。なお図中、電子銃磁場微調整電磁石５６、５７は２個であるが、３個以上でもよい。
【００５２】
実施の形態２０．
図２０はこの発明の実施の形態２０によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。５７は電子銃１のカソード２上の電子放出部３の磁場を微調整する電子銃磁場微調整電磁石、８３は発振出力測定及び制御回路、９１は電子銃磁場微調整電磁石５７の励磁電源である。実施の形態１１では発振効率を最大にしたり、発振出力の調整を主磁場微調整電磁石４３で行っていたが、この実施の形態では電子銃磁場を調整することによっても同様の調整が可能である。
【００５３】
まず、ジャイロトロン１００からの発振出力の一部が、サンプリング穴８０を通して出力検出器８１で検出され、発振出力に比例した信号が出力検出器８１から出力される。この信号を受けた発振出力測定及び制御回路８３は、発振出力を計算して表示するとともに、そこまでの電子銃１での磁束密度の変化に伴う発振出力の履歴を参照して、より出力を上げる方向、あるいは予め設定された出力になるように励磁電源９１に制御信号を送る。次に励磁電源９１は、この信号にしたがって電子銃磁場微調整電磁石５７に流す電流を変化させ、これによってジャイロトロン１００の発振出力が変化する。このフィードバックループによって、発振出力が制御される。
【００５４】
なお、サンプリング穴８０の代わりに方向性結合器を利用することもできる。また、電子銃磁場微調整電磁石５７は１つであるが、複数個にしてもよく、電磁石の配置、電磁石のコイル巻数などについては、上述の実施の形態に記した内容と同様のことが言える。
【００５５】
実施の形態２１．
図２１はこの発明の実施の形態２１によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。５８は主磁場微調整電磁石である。実施の形態１１，１７，２０ではジャイロトロン１００の発振効率や発振出力を調整するために、発振出力を検出し、その出力に応じて主磁場微調整電磁石、あるいは電子銃磁場微調整電磁石５７をそれぞれ単独で、それらの電磁石に流す電流を制御する方式であったが、図に示すように併用してもよい。このようにすれば、発振効率や発振出力のより微妙な調整が磁場の調節で可能になり、さらに高効率なジャイロトロン１００の発振動作が達成できる。
【００５６】
実施の形態２２．
図２２はこの発明の実施の形態２２によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。上記実施の形態２０，２１では、ジャイロトロン１００の電子銃１は、永久磁石２２の中心ボア内に納まっていたが、この実施の形態では、ジャイロトロン１００の電子銃１は永久磁石２２の一方の端面より外側に出ている。このような配置であっても、電子銃１付近に電子銃磁場微調整電磁石５９を置き、電子銃１の磁場を調整することが有効な場合もある。なお、空胴共振器６付近には主磁場微調整電磁石３０は描かれていないが、必要ならば設置してもよい。
【００５７】
実施の形態２３．
図２３はこの発明の実施の形態２３によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。７０はホール素子等よりなる磁束密度の検出手段であり、永久磁石２０の経年変化による発生磁場の変動を検出する。６０は磁場補正用電磁石である。一般的に永久磁石は、経年変化によって、発生している磁束密度を減じていくため、磁場の補正が必要になってくる場合がある。この補正量は、室温では普通永久磁石が発生する磁束密度の１％／年以下であるため、図のように１つあるいは複数個の磁場補正用電磁石６０と小型の励磁電源を用いて十分可能な量である。なお、この磁場補正用電磁石６０は上記実施の形態１から実施の形態２２までに記載した主磁場微調整電磁石を用いてある程度可能であるが、独立に設置してもよい。
【００５８】
また、図２４は実施の形態１５に記載した主磁場微調整電磁石４９，５０，５１を用いて、永久磁石２１の経年変化による発生磁場の変動を補正するものである。このような構成により、ジャイロトロン１００の効率良い運転や高周波出力の制御を初期の状態と同様に行うことができる。なお、図２３，２４では磁束密度を検出するホール素子７０等は電磁石４９，５０，５１，６０とジャイロトロン１００との間に取り付けられているが、電磁石４９，５０，５１，６０と永久磁石２０，２１との間に取り付けてもよい。
【００５９】
実施の形態２４．
図２５はこの発明の実施の形態２４によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。１０１はカソードフランジ１５と第１アノード４間の絶縁体、１０２は第１アノード４と第２アノード５間の絶縁体、１０３は空胴共振器６とコレクタ７間の絶縁体、１０４はコレクタ７と出力窓導波管１６間の絶縁体である。これらの絶縁体と各金属製部分とは磁性体材料を用いずに非磁性体材料、例えばモリブデンやタングステンを用い、これらにニッケルメッキを施して接合されている。なお、ニッケルは磁性材料であるがメッキのみであるので磁場に与える影響は少ない。なお図中、カソードフランジ１５、第１アノード４、第２アノード５、空胴共振器６、コレクタ７、出力窓導波管１６は金属製部分である。
【００６０】
ジャイロトロン１００では、電子銃１から電子を引き出すため、カソード２と第１アノード４間や、第１アノード４と第２アノード５間に電圧をかけたり、空胴共振器６、コレクタ７、出力窓８のそれぞれにどの程度の電子ビーム９が入射しているかを測定する目的で各部分の接続部の全て、あるいは一部に、電気絶縁を施す。この場合の電気絶縁部材には、アルミナとコバールをろう付けにより接合したものが広く用いられている。
【００６１】
したがって、アルミナは入手が容易で、強度が大きいなどの利点を持ち、コバールは熱膨張率がアルミナと同程度であるためろう付けの相手材料として広く用いられる。しかし、コバールは磁性体であり、このような部品を磁場中におくことは磁場の分布を乱し、電子ビーム９の軌道や特性に悪影響を与える可能性がある。その結果、空胴共振器６において、電子ビーム９が所定の位置を通過せず、設計モード以外の固有モードを発振させたり、あるいは発振効率の低下を招く可能性がある。さらには、電子ビーム９がコレクタに局所的に集中して当たり、コレクタが過熱したり、電子ビーム９が出力窓８にまで達し、出力窓を破損するなどの可能性がある。
【００６２】
従来のジャイロトロン装置の磁場発生装置には、電磁石のみが用いられてきたため、電磁石のコイルに流す電流を調節することによって、これらの問題に対処できたが、本発明において用いられる永久磁石と電磁石を併用した磁場発生装置の場合は、磁場の磁束密度の絶対値や磁束密度分布を調節できる範囲が従来の磁場発生装置ほど大きくないため、磁性体が存在することによる磁場の分布を補正しきれない可能性がある。
【００６３】
しかし、本実施の形態にあっては図１に示すようにジャイロトロン１００を磁場発生装置内に設置しても磁場発生装置が作る磁場の磁束密度の絶対値や磁束密度分布を乱さず、電子ビーム９の軌道や特性に悪影響を与えることがない。その結果、空胴共振器において、所定の位置を電子ビーム９が通過し、設計の固有モードで電磁波を発振させることができ、発振効率の低下を防ぎ、さらには、電子ビーム９がコレクタの所定の位置に導かれ、局所的に過熱されることがないため、信頼性の高いジャイロトロン１００となる。
【００６４】
実施の形態２５．
図２６はこの発明の実施の形態２５によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
この実施の形態２５では、絶縁体１０１，１０２，１０３，１０４の少なくとも内面、および軸方向端面、さらに金属製部分の絶縁体１０１，１０２，１０３，１０４と接する部分は、寸法精度よく加工され、はめ合い構造で組み立てられている。このようなはめ合い接合により、実施の形態２４で得られる効果の他に、ジャイロトロン１００の組み立てにおける各部の中心軸合わせが容易になるという効果がある。
【００６５】
実施の形態２６．
図２７はこの発明の実施の形態２６によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。１０１はカソードフランジ１５と第１アノード４間の絶縁体、１０２は第１アノード４と第２アノード５間の絶縁体であり、これらの絶縁体と金属製部分とは磁性体材料を用いずに実施の形態２４と同様の非磁性体材料で接合されている。このようにすれば、ジャイロトロン１００の発振動作上、特に重要な電子銃１、および電子銃１と空胴共振器６間の磁場の磁束密度の絶対値や磁束密度分布を乱さず、電子ビーム９の軌道や特性に悪影響を与えることがない。
【００６６】
その結果、空胴共振器６において、所定の位置を電子ビーム９が通過し、設計の固有モードで電磁波を発振させることができ、発振効率の低下を防ぎ、さらには、電子ビーム９がコレクタの所定の位置に導かれ、局所的に過熱されることがないため、信頼性の高いジャイロトロン１００となる。また、この発明はコレクタ、出力窓８に電気絶縁を施す必要がないジャイロトロン１００にも適用可能である。
【００６７】
実施の形態２７．
図２８はこの発明の実施の形態２７によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。１０５はカソードフランジ１５と第１アノード４間の絶縁体、１０６は第１アノード４と第２アノード５間の絶縁体、１０７は空胴共振器６とコレクタ７間の絶縁体、１０８はコレクタ７と出力窓導波管１６間の絶縁体であり、ここでは絶縁体材料としてガラス材を用いている。ガラス材と金属製部分のカソードフランジ１５、第１アノード４、第２アノード５、空胴共振器６、コレクタ７、出力導波管１６とは直接接合されるか、あるいはガラス材と上記の金属製部分との間にガラス材との直接接合可能な金属を挟んで接合されている。このガラス材に直接接合可能な金属には、銅、ステンレスなどの非磁性材料があり、この直接接合する方法にはハウスキーパーシールと呼ばれる方法がある。
【００６８】
このようにすれば、磁場発生装置が作る磁場の磁束密度の絶対値や磁束密度分布は乱されず、電子ビーム９の軌道や特性は悪影響を受けることがない。その結果、空胴共振器６において、所定の位置を電子ビーム９が通過し、設計の固有モードで電磁波を発振させることができ、発振効率が低下することもない。さらには、電子ビーム９がコレクタ７の所定の位置に導かれ、コレクタ７が局所的に過熱されることがないため、信頼性の高いジャイロトロン１００となる。
【００６９】
実施の形態２８．
図２９はこの発明の実施の形態２８によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。この実施の形態では絶縁体１０５，１０６，１０７，１０８の少なくとも内面および軸方向端面、さらに金属製部分の絶縁体１０５，１０６，１０７，１０８と接する部分は寸法精度よく加工され、はめ合い構造で組み立てられている。このようなはめ合い接合により、実施の形態２７で得られる効果の他に、ジャイロトロン１００の組み立てにおける各部の中心軸合わせが容易になるという効果がある。
【００７０】
実施の形態２９．
図３０はこの発明の実施の形態２９によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。実施の形態２７，２８ではジャイロトロン１００に用いられる絶縁体材料全てにガラス材を用いたが、この実施の形態では大きな強度が必要でない電子銃１のみガラス材の絶縁体１０５，１０６を用い、ジャイロトロン１００の運搬、吊り下げ、出力高周波の伝送系との接続等において十分な強度が必要なコレクタ７、出力窓８の絶縁部分にはアルミナとコバールを組み合わせた部品を用いればよい。
【００７１】
このようにすれば、ジャイロトロン１００の発振動作上、特に重要な電子銃１、および電子銃１と空胴共振器６間の磁場の磁束密度の絶対値や磁束密度分布を乱さず、電子ビーム９の軌道や特性に悪影響を与えることがない。その結果、空胴共振器６において、所定の位置を電子ビーム９が通過し、設計の固有モードで電磁波を発振させることができ、発振効率が低下することもない。
【００７２】
実施の形態３０．
図３１から図３３はこの発明の実施の形態３０によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
実施の形態２４から実施の形態２９までは、電子銃１がカソード２、第１アノード４、および第２アノード５の３つの電極からなる３極型電子銃を用いたジャイロトロン１００について述べてきた。この実施の形態では、電子銃１がカソード２とアノード１４の２つの電極からなる２極型電子銃を用いたジャイロトロン１００において実施されてもよく、同様の効果を奏する。
【００７３】
実施の形態３１．
図３４はこの発明の実施の形態３１によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。１７は高周波を導く導波管、１１０は例えば非磁性材料からなる枠であり、枠１１０は永久磁石２０および主磁場微調整電磁石３０、電子銃磁場微調整電磁石３１が作る磁場の磁束密度が５ガウス以上の領域が枠内に存在するように設置されている。ジャイロトロン１００の磁場発生装置に永久磁石２０を用いた磁場発生装置では、ジャイロトロン１００の運転時以外でも常に磁場が発生しているため、これにより様々な危険性、不都合が考えられる。たとえば、人体への影響、特にペースメーカを付けた人への影響は重大である。また、工具等が吸い寄せられ、永久磁石２０あるいはその周辺部へ衝突するなども考えられる。
【００７４】
アメリカＦＤＡ（食品医薬品局）の勧告により、一般に漏れ磁場の範囲として５ガウスの範囲の大きさが磁気シールドを施す際の一つの基準とされ、日本でもこの基準が用いられているため、本実施の形態では枠１１０を設置すれば、枠１１０外は磁場の微弱な領域であるので、ペースメーカを付けた人にも影響はなく、磁性体が吸い寄せられることもなくなり、安全である。なお、永久磁石２０に磁気シールドがあるものに同様の枠を設けて、磁気シールドからの漏れによる危険を防止するようにしてもよい。
【００７５】
実施の形態３２．
図３５と図３６とはこの発明の実施の形態３２によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。実施の形態３１では磁場発生装置の側面のみならず、電子銃１の側端面も覆うように設置された枠１１０を示したが、電子銃１と外部電源回路との電気的接続を行う必要があるため、本実施の形態では電子銃１の側端面に開口部を持った枠１１１を設けた。
【００７６】
実施の形態３３．
図３７から図３９はこの発明の実施の形態３３によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。本実施の形態では本体側の枠１１２と電子銃１側の枠１１３が分離可能になっている。このようにすれば電子銃１と外部電源回路との電気的接続や、ジャイロトロン装置２００の運搬が簡単でありながら、実施の形態３１と同様の効果を奏する。
【００７７】
実施の形態３４．
図４０はこの発明の実施の形態３４によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。本実施の形態ではハイブリッド型磁場発生装置で常時強力な磁場を発生している永久磁石２０が作る磁場の磁束密度が５ガウス以上の領域が枠１１４内に存在するように設置される。この枠１１４は実施の形態３１、実施の形態３２、実施の形態３３で示した物より小型で扱い易く、また、これを設置することによって磁束密度５ガウス以上の領域を囲むことができるので安全である。
【００７８】
実施の形態３５．
図４１はこの発明の実施の形態３５によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。１１５は枠１１０の外側面に設置された緩衝材である。緩衝材として、例えばウレタン、スポンジ、発泡スチロール、フェルト、グラスウール、スタイロフォーム、エアーキャップ、紙、木材などを利用できる。なお、この緩衝材１１５は５ガウス以上の領域を囲むどのような枠に設置されてもよい。このようにすれば、工具等が磁場に吸い寄せられ、衝突するようなことがあっても損傷を防ぐことができ、安全である。
【００７９】
実施の形態３６．
図４２はこの発明の実施の形態３６によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。７１はホール素子等よりなる磁束密度の検出手段であり、永久磁石２３の温度変化による発生磁場の変動を検出する。３０は主磁場微調整電磁石、３１は電子銃磁場微調整電磁石で、永久磁石が空胴共振器付近や電子銃付近に発生している磁場の温度変化による変動を補正する電磁石である。
【００８０】
一般に永久磁石は温度変化によって発生している磁束密度が変化する。この温度による磁束密度の変化を決める残留磁束密度温度係数は、ネオジム系磁石では−０．１％／℃程度であるが、サマリウム系では−０．０３％／℃となる。既に記したように、２倍高調波発振で周波数２８ＧＨｚの発振を起こさせるためには、空胴共振器６の中央部において約５．２ｋＧの磁束密度が必要であるから、永久磁石温度の１℃上昇につき約５．２Ｇの磁束密度が減少し、逆に１℃下降につき約５．２Ｇの磁束密度が増加する。したがって、±２０℃程度の温度変化による磁束密度の変動は±１０４Ｇ程度となるが、この程度の変動は、図４２に示すように、１つあるいは複数個の磁場微調整電磁石と小型の励磁電源を用いて十分に補正可能である。
【００８１】
本実施の形態では、永久磁石２３の温度変化による発生磁場の変動を補正する電磁石として、実施の形態１から実施の形態２２までに記載した磁場微調整電磁石を用いているが、実施の形態２３の説明に用いた磁場補正用電磁石６０を独立に設置してもよい。また、図４２ではホール素子７１は主磁場微調整電磁石３０や電子銃磁場微調整電磁石３１とジャイロトロン１００との間に置かれているが、永久磁石２３の温度変化による発生磁場の変動は、磁場が発生している所ならば別の場所でも検出できる。したがって、ホール素子７１を設置する位置は、必ずしも図４２に示されている場所でなくてもよい。
【００８２】
以上の構成によって、ジャイロトロン装置２００が置かれている周囲環境が変化して、永久磁石２３の温度変化による発生磁場の変動があっても、ジャイロトロンの効率良い運転や高周波出力の制御が可能になる。
【００８３】
実施の形態３７．
図４３（ａ）はこの発明の実施の形態３７によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図４３（ｂ）は筒型磁場発生装置が発生している中心軸上での軸方向磁場分布の概略図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示し説明を省略する。２５は永久磁石を用いた筒型磁場発生装置である。永久磁石を用いて軸方向磁場を発生させる方法として、例えばこの図に示されているように、磁化方向が略々径方向の筒状永久磁石２５ａ〜２５ｈを軸方向に複数個配置する方法が考えられる。磁化方向が略々径方向の筒状永久磁石２５ａ〜２５ｈは、それぞれ、例えば複数の台形状の磁石切片を各々径方向に磁化した後、ドーナツ状に組み合わせて、外部及び内部が多角形の筒状永久磁石２５ａ〜２５ｈを構成している。上記の磁石切片は扇型の磁石切片でもよく、その場合は各々径方向に磁化した後、ドーナツ状に組み合わせると内部、外部が円形の筒状永久磁石となる。さらに磁化方向が略々径方向の筒状永久磁石であるならば、これを構成する磁石切片は他の形状のものでもよい。このような実施の形態にあっては、筒型磁場発生装置２５の内側空間において軸方向磁場の向きが反転している部分（本図ではｚ＝ｚ1 、ｚ＝ｚ2 を境として軸方向磁場が反転している）が存在する。
【００８４】
ジャイロトロン１００の電子銃１におけるカソード２上の電子放出部３から引き出される中空状の電子ビーム９の速度は、電子放出部３の面上における電場と磁場で決まり、その後、電子ビーム９は図４３（ａ）に示されているように螺旋運動をしながら、磁場に対して垂直方向の速度を増しつつ、空胴共振器６に向かって進行する。このように電子放出部３から引き出された直後の電子の速度成分等は電子放出部３付近の電場や磁場によって決まるため、電子放出部３が図４３（ｂ）で、ｚ＝ｚ1 の位置よりも左側に存在していても電子銃１として動作する。
【００８５】
しかし、このような配置では、電子が軸方向に進行するとともに軸方向磁場が弱くなるため、螺旋運動の旋回半径が次第に大きくなり、中空状の電子ビーム９の半径も大きくなって、図４３（ａ）のアノード１４の壁に衝突したり、無秩序な運動となって空胴共振器６まで届かない。したがって、ジャイロトロン１００が正常に発振しないという問題点がある。このような問題点は、ジャイロトロン装置２００の磁場発生装置として、磁化方向が略々径方向の筒状永久磁石２５ａ〜２５ｈを軸方向に複数個配置することによって構成した筒型磁場発生装置２５を用いて軸方向の磁場を発生させる場合に生じる特有の問題点である。
【００８６】
この問題点を解消するためには、電子放出部３を図４３（ｂ）でｚ＝ｚ1 の位置よりも右側に配置しておけばよい。このようにしておけば、電子放出部３から引き出された電子ビーム９は、空胴共振器６に向かって次第に強くなる軸方向磁場によって、電子の螺旋運動の旋回半径を小さくしながら、また中空状の電子ビーム９の半径を小さくしつつ空胴共振器６に入射し、正常な発振動作を行う。
【００８７】
一方、図４９に示されている従来のジャイロトロン装置２００では、軸方向に磁場を発生する装置としてソレノイド状の電磁石が用いられるため、ジャイロトロン１００を設置する内部空間、及びその延長線上に軸方向の磁場の向きが反転している部分は存在しない。したがって、上記のような問題点は生じない。
【００８８】
実施の形態３８．
図４４はこの発明の実施の形態３８によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。実施の形態３７では図４３（ａ）に示すように、永久磁石を用いた筒型磁場発生装置２５は、ジャイロトロン１００の電子銃１側の筒状永久磁石２５ａ〜２５ｄはＳ極が内側を向き、コレクタ７側の筒状永久磁石２５ｅ〜２５ｈはＮ極が内側を向いていたが、これは逆であってもよい。即ち、図４４に示すように電子銃１側の筒状永久磁石２６ａ〜２６ｄはＮ極が内側を向き、コレクタ７側の筒状永久磁石２６ｅ〜２６ｈはＳ極が内側を向いていても軸方向磁場の向きが反転する部分は存在し、実施の形態３７で述べたことと同様のことが言える。
【００８９】
実施の形態３９．
図４５はこの発明の実施の形態３９によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。実施の形態３７や実施の形態３８では、永久磁石を用いた筒型磁場発生装置２５，２６は、すべての永久磁石の磁化方向が略々径方向の筒状永久磁石２５ａ〜２５ｈ，２６ａ〜２６ｈで構成されているが、図４３（ｂ）に示されているような空胴共振器部６に軸方向磁場が平坦な分布を発生させる方法として、図４５に示すように、空胴共振器６付近に、磁化方向が略々軸方向の筒状永久磁石２７ｉを配置してもよい。この場合でも電子銃付近に配置された筒状永久磁石の磁化方向は略々径方向であるので、中心軸上での磁束密度分布は図４３（ｂ）のようになり、実施の形態３７で述べたことと同様のことが言える。
【００９０】
実施の形態４０．
図４６はこの発明の実施の形態４０によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。２８は軸方向磁場を発生させるための永久磁石を用いた筒型磁場発生装置、２８ａ〜２８ｈは磁化方向が略々径方向の筒状永久磁石で、各々の筒状永久磁石のＮ極からＳ極に向かって引かれている矢印を付した線は、磁力線を概略的に示したものである。この筒型磁場発生装置２８は、実施の形態３７で記したものと同様の構造であるため、軸方向の磁束密度分布は図４３（ｂ）に示したように、軸方向磁場の向きが反転している部分をもつ分布となっており、図中のｚ＝ｚ1 の位置は図４６の筒状永久磁石２８ａのＳ極と記した付近に存在することが磁力線の様子からわかる。同様に、ｚ＝ｚ2 の位置は、図４６の筒状永久磁石２８ｈのＮ極と記した付近に存在することがわかる。
【００９１】
ジャイロトロン１００の電子銃１におけるカソード２とアノード１４との間には数１０ｋＶ程度の電圧がかかるため、これらの間は絶縁体１３を介して接続されている。この絶縁体１３にはアルミナ等のセラミック材料が使用され、その両端には金属と接合するための接合部品がろう接合されている。この接合部品には一般的にコバールが使用され、さらにコバールと金属は、主として溶接によって接合される。しかし、コバールは磁性体材料であるため、永久磁石が発生する磁場分布を乱し、カソード２の電子放出部３から引き出される電子ビーム９の特性に重大な影響を与え、ジャイロトロン１００の発振に悪影響を及ぼす恐れがある。この影響は図４３（ａ）の電子銃磁場微調整電磁石３１を用いても補正できない場合がある。（図４６では電子銃磁場微調整電磁石３１が省略されている。）
【００９２】
この問題を解決するために、本実施の形態ではコバールは軸方向磁場が反転する位置よりも左側に位置するようにし、電子が引き出される電子放出部３での軸方向磁場の向きとは逆方向の向きの軸方向磁場がかかるように配置している。このようにするとコバールの電子放出部３付近の磁場分布に与える影響は軽減され、ジャイロトロン１００を効率よく発振させることができる。なお、図４５では空胴共振器６付近の主磁場微調整電磁石を省略しているが必要ならばあってもよい。また、永久磁石を用いた筒型磁場発生装置は図４４や図４５に示されたものでもよく、その場合でも上記のコバールが、軸方向磁場が反転している位置に対して電子放出部３とは反対の位置に存在するように配置すればよい。さらに、コバール以外の接合部品を使用する場合でも、磁性体材料を使用する場合は同様の配置とすれば同等の効果が得られることは言うまでもない。
【００９３】
実施の形態４１．
図４７はこの発明の実施の形態４１によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。ジャイロトロン装置２００では、ジャイロトロン１００に安定な発振を行わせるために、ジャイロトロン内部を高真空に保つ必要がある。そのためには、電子ビーム９をコレクタ７に当てることによってコレクタ材料からの脱ガスを行うエージングを十分に行うことが必要である。エージングを効果的に行うためには、電子ビーム９がコレクタ７に当たる位置を大きな範囲で振り、脱ガスを十分に行うことが有効である。磁場発生装置として永久磁石を用いたジャイロトロン装置２００では、電子銃磁場微調整電磁石３１や主磁場微調整電磁石３０を用いて、電子ビーム９がコレクタ７に当たる位置を振ることはある程度可能であるが、コレクタ７の大きな領域にわたって電子ビーム９を移動させることは困難である。
【００９４】
しかし図４７に示すように、ジャイロトロン１００のコレクタ付近にコレクタ磁場発生用電磁石６５を設置することによって、コレクタ７において電子ビーム９をより大きな範囲で移動させることができるようになり、エージングを短時間に効果的に行うことができる。さらに、電磁石を構成するコイルの巻数、巻き方、励磁電流を適当に選ぶことによって電子ビーム９がコレクタに当たる面積も大きくすることもできるため、コレクタへの単位面積当たりの熱入力を低減し、信頼性の高いジャイロトロン装置とすることができる。
【００９５】
実施の形態４２．
図４８はこの発明の実施の形態４２によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。コレクタ磁場発生用電磁石６６，６７は図４８に示すように、２個あるいはそれ以上のコイルから構成してもよい。このような構成により上記の電磁石が発生する軸方向磁場分布の自由度が増えるため、さらにエージングを効果的に行ったり、また電子ビーム９によるコレクタ７への熱入力をより低減することが可能になる。
【００９６】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、空洞共振器における磁束密度の軸方向分布を調節する主磁場微調整電磁石を磁場発生装置とは別に備え、且つ該主磁場微調整電磁石は、空洞共振器の電子銃側から出力窓側に向かって軸方向磁束密度が増加する傾斜磁場分布を作るように構成したので、発振効率を向上することができ、ジャイロトロン装置も維持と操作性を容易にするとともに、電磁石の励磁電源を小型化し、ランニングコストを極めて安くすることができるジャイロトロン装置を得ることができる効果がある。
【００９７】
この発明によれば、磁場発生装置を永久磁石と電磁石とで構成し、空洞共振器における磁束密度の軸方向分布を調節する主磁場微調整電磁石を磁場発生装置とは別に備え、且つ該主磁場微調整電磁石は、空洞共振器の電子銃側から出力窓側に向かって軸方向磁束密度が増加する傾斜磁場分布を作るように構成したので、発振効率を向上することができる効果がある。
【００９８】
この発明によれば、磁場発生装置を永久磁石で構成したので、発振効率を向上することができる効果がある。
【００９９】
この発明によれば、傾斜磁場は、空洞共振器の電子銃側の端に対して出力窓側の端の方が磁束密度で５〜１０％大きくなるように磁束密度に傾斜をつけて構成したので、発振効率を向上することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図２】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図３】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図４】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図５】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図６】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図７】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図８】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図９】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図１０】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図１１】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図１２】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図１３】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図１４】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図１５】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図１６】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図１７】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図１８】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図１９】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図２０】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図２１】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図２２】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図２３】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図２４】 この発明の他の実施の形態による他のジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図２５】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す部分構成図である。
【図２６】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す部分構成図である。
【図２７】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す部分構成図である。
【図２８】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す部分構成図である。
【図２９】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す部分構成図である。
【図３０】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す部分構成図である。
【図３１】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す部分構成図である。
【図３２】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す部分構成図である。
【図３３】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す部分構成図である。
【図３４】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図３５】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図３６】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図３７】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図３８】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図３９】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図４０】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図４１】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図４２】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図４３】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図４４】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図４５】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図４６】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図４７】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図４８】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図４９】 従来のジャイロトロン装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 電子銃、２ カソード、３ 電子放出部、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、１３，１０１〜１０４ 絶縁体、２１〜２３ 永久磁石、３０，３２，３３，３５〜５３，５８ 主磁場微調整電磁石、３１，５４〜５７，５９ 電子銃磁場微調整電磁石、８１ 出力検出器、９０ 励磁電源、１００ ジャイロトロン、１１０〜１１４ 枠、１１５ 緩衝材、２００ ジャイロトロン装置。
【発明の属する技術分野】
この発明は、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相互作用を利用し、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】
図４９は例えば特開昭５６−１０２０４５号公報に示された従来のジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、１は電子ビーム９を取り出す電子銃であり、２はカソード、３はカソード上の電子放出部、４は第１アノード、５は第２アノードである。６は上記電子ビーム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り、ジャイロトロン装置２００はこれら電子銃１、空胴共振器６、コレクタ７、出力窓８等によりなるジャイロトロン１００と、電子ビームに旋回運動を与えるため、ジャイロトロン１００の軸方向に磁場を発生する主電磁石１１と電子銃電磁石１２より構成される。
【０００３】
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、カソード・第１アノード間の電界により加速され、電子銃電磁石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、平行方向速度を減少させながら、空胴共振器６に入る。上記主電磁石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、電子の垂直速度成分による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。
空胴共振器６において電子ビームのエネルギーが効率的に高周波のエネルギーに変換されるのは、次式が成り立つ時である。
【０００４】
【数１】
ここで、ωは空胴共振器６の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。Ωc は電子の電荷をｅ（絶対値）、空胴共振器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 とすると次式で与えられる。
Ωc ＝ｅＢ／γｍ0 （２）
式（１）からわかるように、電子ビームのエネルギーが効率的に高周波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。
このようにジャイロトロン装置においては、磁場が本質的な役割を果たしており、磁場を精度良く合わせることが、ジャイロトロン装置を効率良く運転する上で重要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のジャイロトロン装置は以上のように構成されているので、電子に旋回運動を与えるための主電磁石１１、電子銃電磁石１２には超電導電磁石、または常電導電磁石、またはその両方を用いた電磁石が使用されており、電子ビームの加速電圧に応じて電磁石に流す電流を調整することにより、磁束密度を最適値に合わせていた。式（１）、（２）から分かるように、高周波数の発振を得るためには、空胴共振器内で高磁場が必要なため、例えば３０ＧＨｚ程度以上の発振を得る場合は主電磁石には超電導電磁石が用いられ、それ以下の周波数の発振を得る場合には、常電導電磁石が利用されることが多い。しかし、超電導電磁石は一般に高価であり、励磁するためには液体ヘリウムなどの冷媒を供給するか、冷凍機を使って、極低温にまで電磁石を冷却しなければならないなど、手間がかかり、また磁場を急激に変化させることが難しいという問題点があった。一方、常電導電磁石では、高磁場の発生には大容量の励磁電源が必要であり、大電力を消費すること、電磁石や励磁電源に冷却水を流す必要もあることなどを考慮すると、ランニングコストが高くなるという課題があった。
【０００７】
この発明は上記のような課題を解消するためになされたもので、発振効率を向上させて、ジャイロトロン装置の維持と操作性を容易にするとともに、電磁石の励磁電源を小型化し、ランニングコストを極めて安くすることができるジャイロトロン装置を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るジャイロトロン装置は、空洞共振器における磁束密度の軸方向分布を調節する主磁場微調整電磁石を磁場発生装置とは別に備え、且つ該主磁場微調整電磁石は、空洞共振器の電子銃側から出力窓側に向かって軸方向磁束密度が増加する傾斜磁場分布を作るものである。
【０００９】
この発明に係るジャイロトロン装置は、磁場発生装置を永久磁石と電磁石とで構成し、空洞共振器における磁束密度の軸方向分布を調節する主磁場微調整電磁石を上記の磁場発生装置とは別に備え、且つ該主磁場微調整電磁石は、空洞共振器の電子銃側から出力窓側に向かって軸方向磁束密度が増加する傾斜磁場分布を作るものである。
【００１０】
この発明に係るジャイロトロン装置は、磁場発生装置を永久磁石で構成したものである。
【００１１】
この発明に係るジャイロトロン装置の傾斜磁場は、空洞共振器の電子銃側の端に対して出力窓側の端の方が磁束密度で５〜１０％大きくなるように磁束密度に傾斜をつけた傾斜磁場である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図について説明する。図１はこの発明の実施の形態１によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において従来のものと同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。２０は永久磁石であり、例えば雑誌「インターナショナル ジャーナル オブ インフラレッド アンド ミリメーター ウェイブズ(International Journal of Infrared and Millimeter Waves)」（Vol.14, No.4, 1993, P.783 ）に示されるような方法により軸方向磁場を発生する。また、この永久磁石２０はジャイロトロン１００の軸方向の全長にわたって、ジャイロトロンの発振動作に必要な磁場の大部分を発生し、さらにこの永久磁石２０と空胴共振器６付近に置かれた主磁場微調整電磁石３０の両方で、ジャイロトロン１００の発振動作に必要な軸方向の磁束密度を空胴共振器６内に発生する。３１は電子銃磁場微調整電磁石である。２００は永久磁石２０及び主磁場微調整電磁石３０、電子銃磁場微調整電磁石３１から構成される磁場発生装置と、ジャイロトロン１００からなるジャイロトロン装置を示している。
【００１３】
既に記したように、ジャイロトロン１００の発振動作には磁場が本質的な役割を果たしており、空胴共振器６において発振させたい固有モードの発振周波数にあわせて、磁場を精度良く調整することが、ジャイロトロン装置２００を効率良く運転する上で重要である。前記式（１）、（２）からわかるように、高周波数の発振を得るためには、空胴共振器６において高磁場が必要であることから、従来のジャイロトロン装置２００の磁場発生装置には、常電導電磁石、または超電導電磁石、あるいはその両方が用いられてきた。電磁石は、発生させる磁場を容易に調整できるため、電子ビーム９の加速電圧やビーム電流値に合わせて発振出力を調整する上で便利である。しかし、常電導電磁石の励磁には大容量の励磁電源が必要で、消費電力も大きく、また励磁電源や電磁石を水冷する必要があり、一方超電導電磁石は一般に高価であり、液体ヘリウムなどで極低温にまで冷却する必要があるなど、いずれの電磁石を使用するにおいても初期コスト、ランニングコストが大きく、取扱い上の手間もかかるという問題点がある。
【００１４】
しかし、図１のように永久磁石と電磁石の両方を用いた磁場発生装置を用いるとこの問題点は解消する。たとえば、２倍高調波発振で周波数２８ＧＨｚの発振を得るためには式（１）でｓ＝２であるから、この式と式（２）（γ≒１）より空胴共振器６において約５ｋＧの軸方向磁束密度が必要である。このうちの例えば４ｋＧを永久磁石２０によって発生させ、残りの約１ｋＧを主磁場微調整電磁石３０で発生させれば、励磁電源は小型でもよく、消費電力は少なくてすむ。さらに、上述したように空胴共振器６内での電子と電磁場との共鳴的相互作用には、磁場が重要な役割を担っており、ジャイロトロン装置２００の発振効率が最高になる磁束密度は、電子ビーム９の加速電圧やビーム電流値に依存するため、空胴共振器６内の磁束密度も微調整できることが望ましい。主磁場微調整電磁石３０はこのためのものである。
【００１５】
また、電子銃１から射出される電子ビーム９の特性は、電子ビーム９の加速電圧やビーム電流値の他に、電子銃１付近での磁束密度によっても変化し、空胴共振器６において発生する高周波出力に微妙な影響を及ぼすことがわかっている。したがって、ジャイロトロン１００の電子銃１においても永久磁石２０の発生する固定磁場だけで電子ビーム９の加速電圧やビーム電流の色々な値に対して、ジャイロトロン装置２００の動作特性を最適状態にすることは難しく、電子銃１の磁束密度も微調整できることが望ましい。図１の電子銃磁場微調整電磁石３１はこのためのものである。さらに、電子銃１のカソード２や第一アノード４には電圧をかけるため、電気絶縁のための絶縁体１３が構成部材として利用される。
【００１６】
一般に絶縁体１３にはアルミナが用いられ、金属部との接続のため、アルミナの両端にはコバールがろう付けされている。しかし、コバールは磁性体であるため、付近の磁場分布を乱す可能性がある。電子銃１付近での磁場を永久磁石２０のみで発生させた場合、この磁場分布の乱れを補正することができないため、電子銃１から引き出される電子ビーム９は悪影響を及ぼされる恐れがある。電子銃磁場微調整電磁石３１は、この磁場分布の乱れを補正する役目を果たすこともできる。
【００１７】
このように、ジャイロトロン装置２００の磁場発生装置に、永久磁石と電磁石とで構成された磁場発生装置を用いれば、電磁石の励磁電源は小型、小容量のものでよく、消費電力も低減され、且つ発振出力の調整を行う場合の磁束密度の調整範囲は、この程度の電磁石でも十分発生可能な範囲にあるため、調整の容易さは、従来例の電磁石のみを用いたジャイロトロン装置２００となんら変わるところがない。なお、これらの主磁場微調整電磁石３０、電子銃磁場微調整電磁石３１は別々に励磁されてもよいし、電磁石の巻数を考慮して、直列に接続して励磁してもよい。
【００１８】
また、図では空胴共振器６付近と電子銃１の２個所に電磁石を置いているが、必ずしも両方に設置する必要はなく、永久磁石の発生する磁束密度によっては、どちらか片方に置くことで十分な場合もある。また、電磁石はそれぞれの部分に一個ずつ設置するように書かれているが、複数個の電磁石を設置してもよい。
【００１９】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。３２は主磁場微調整電磁石である。実施の形態１に示した永久磁石２０は、その内径が小さいほど軸方向の磁場を発生させやすく、小型、軽量、低コストになる。このためジャイロトロン１００の外面と永久磁石２０の内壁との間隔が狭い場合には、主磁場微調整電磁石３２はジャイロトロン１００の外面に密着巻、あるいは、さらに図２の実施の形態２に示すように、ジャイロトロン１００の空胴共振器６付近の外径を小さくして、この部分に主磁場微調整電磁石３２を取り付けるようにしてもよい。主磁場微調整電磁石３２にとっても、電磁石の内径が小さいほど、同一磁場を発生させるための消費電力は小さくて済むため、この実施の形態に示すように主磁場微調整電磁石３２を設置するほうがよい場合もある。
【００２０】
実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。３３は主磁場微調整電磁石である。前述したように永久磁石２０は、その内径が小さいほど軸方向の磁場を発生させやすく、小型、軽量、低コストになる。このためジャイロトロン１００の外面と永久磁石２０の内壁との間隔が狭くなり、空胴共振器６付近のジャイロトロン１００の外面と永久磁石２０内面との間に、主磁場微調整電磁石３２を設置できない場合には、図３に示すように永久磁石２０の外側に、主磁場微調整電磁石３３を配置してもよい。
【００２１】
実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。３４は磁場微調整電磁石である。ここに示した実施の形態４は、実施形態１における主磁場微調整電磁石３０と電子銃磁場微調整電磁石３１を１つの磁場微調整電磁石３４で構成したものである。このようにすると、電子銃と空胴共振器６内の軸方向磁束密度を独立に調整することはできないが、励磁電源が１台で済むという利点がある。
【００２２】
実施の形態５．
図５はこの発明の実施の形態５によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。実施の形態１から実施の形態４までは、ジャイロトロンの電子銃１は、永久磁石２０の中心ボア内に納まっていたが、この実施の形態５では、ジャイロトロン１００の電子銃１は永久磁石２０の一方の端面より外側に出ている。このような配置であっても、電子銃１付近に電子銃磁場微調整電磁石３１を置き、電子銃１の磁場を調整することは有効である。なおこの図では、空胴共振器６付近には主磁場微調整電磁石３０が設置されていないが、必要ならば設置してもよい。
【００２３】
実施の形態６．
図６はこの発明の実施の形態６によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。実施の形態１から実施の形態５までは、ジャイロトロン１００の電子銃１はカソード、第１アノード、第２アノードからなる３極型電子銃と呼ばれる電子銃であったが、図６に示すような２極型電子銃を用いたジャイロトロン１００であってもよい。２極型電子銃はカソード２とアノード１４からなり、空胴共振器６において固有モードの電磁場とサイクロトロン共鳴メーザ相互作用を行う電子ビーム９を引き出す点で、３極型電子銃と同様の働きをしている。したがって、以下の実施の形態で、３極型電子銃を用いたジャイロトロンについてのみ記した場合でも、２極型電子銃を用いたジャイロトロンについても同様のことが言えるものとする。
【００２４】
実施の形態７．
図７はこの発明の実施の形態７によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。３５は主磁場微調整電磁石である。ジャイロトロン１００を用いて、例えば２倍高調波発振で周波数２８ＧＨｚの発振を行わせる場合を考える。電子ビーム９の加速電圧をＶｂ［ｋＶ］とすると、相対論的係数は次式で与えられる。
γ＝１＋Ｖｂ／５１１ （３）
したがってＶｂ＝２０ｋＶならば、γ＝１．０４である。この電子についてサイクロトロン周波数が２８ＧＨｚになるときの磁束密度は式（２）より、約１０．４ｋＧである。したがって、２倍高調波発振で２８ＧＨｚの発振を行わせるには、式（１）より約５．２ｋＧより少し小さい程度の磁束密度を空胴共振器６内に発生させる必要がある。
【００２５】
空胴共振器６の中央部において、この約５．２ｋＧの磁束密度の９０％以上１１０％以下の磁束密度を永久磁石２０で発生させておけば、主磁場微調整電磁石３５は±０．５２ｋＧ程度以下の磁束密度を空胴共振器６内に発生させるだけでよく、主磁場微調整電磁石３５とその励磁電源は小型、軽量になり、消費電力も軽減され、ランニングコストが下がる。
なお上記マイナス符号の磁束密度は、永久磁石２０が作る磁場と逆方向の磁場を発生させるという意味であり、電磁石に流す電流の向きをプラス符号の磁場を発生させる場合に対して逆向きにすればよい。
【００２６】
実施の形態８．
図８はこの発明の実施の形態８によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。３６，３７，３８は空胴共振器６における磁束密度の軸方向の分布を調整する主磁場微調整電磁石である。既に記したように、ジャイロトロン１００の発振動作においては磁場が重要な役割を果たしており、特に電子ビーム９が電磁場と相互作用する空胴共振器６内での磁束密度の絶対値と空間的分布は、発振効率などに大きな影響を与える。しかしながら、電磁石と比較すると、永久磁石２０は高精度で設計通りの磁場を発生させるには困難な場合が多く、例えば軸方向の長い距離にわたって空間的に均一度の高い磁束密度の軸方向磁場を発生させることは難しい。
【００２７】
この実施の形態８において、永久磁石２０が作る磁束密度の設計値からの絶対値についてのずれだけではなく、磁束密度の空間的分布の不備を整形するための主磁場微調整電磁石３６，３７，３８を備えたものである。このような構成とすることにより、永久磁石２０の発生する磁束密度の空間的不均一性を補償できる。また、電子ビーム９の加速電圧に応じて磁束密度を微調整し、発振効率を最大にすることができるとともに、発振出力を調整することもできる。
【００２８】
実施の形態９．
図９はこの発明の実施の形態９によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。３９，４０，４１は空胴共振器６における磁束密度の軸方向の分布を調整する主磁場微調整電磁石である。ジャイロトロン１００の発振動作においては、空胴共振器６内での軸方向磁束密度が均一、一定であるよりも、適当な分布をもたせる方が、発振効率が高くなることが理論的にわかっている。例えば、空胴共振器６の電子銃１側の端に対して出力窓８側の端の方が磁束密度で５〜１０％大きくなるように磁束密度に傾斜をつけておくと発振効率が上昇する。
【００２９】
この実施の形態では、このような軸方向の磁束密度分布を空胴共振器６内につくるために、これらの電磁石をそれぞれ独立に励磁してもよいし、図９のように出力窓側の電磁石のコイルの巻数を多くするなどの工夫をして直列に励磁してもよい。図９での巻数は上記のようになっているが、ジャイロトロン１００の発振効率をよくする目的で、空胴共振器６内の軸方向の磁束密度分布を整形するならば、どのような巻数、巻き方、励磁方法でもよい。なお、この図には電子銃磁場微調整電磁石３１が描かれていないが、必要ならば設置してもよい。
【００３０】
実施の形態１０．
図１０はこの発明の実施の形態１０によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。４２は空胴共振器６における磁束密度の軸方向の分布を調整する主磁場微調整電磁石である。ここに示した実施の形態１０は、図９の実施の形態９の主磁場微調整電磁石３９，４０，４１を１つの主磁場微調整電磁石４２に置きかえたものである。空胴共振器６の電子銃１側から出力窓８側に向かって電磁石のコイルの巻数が多くなるように主磁場微調整電磁石４２が巻かれている。
【００３１】
このような電磁石を用いると軸方向の磁束密度分布を整形する際の自由度は減少するが、一台の励磁電源で、空胴共振器６内に電子銃１側から出力窓８側に向かって磁束密度が増加する分布を作ることができるという利点がある。図１０での主磁場微調整電磁石４２のコイルは、上述のように巻かれているが、ジャイロトロン１００の発振効率をよくする目的で、空胴共振器６内の軸方向の磁束密度分布を整形するならば、どのような巻き方であってもよい。なお、この図には電子銃磁場微調整電磁石３１が描かれていないが、必要ならば設置してもよい。
【００３２】
実施の形態１１．
図１１はこの発明の実施の形態１１によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。４３は主磁場微調整電磁石、８０はジャイロトロンからの出力高周波の一部を取り出すサンプリング穴、８１は出力検出器、８２は発振出力測定及び制御回路、９０は励磁電源である。一般に、ジャイロトロン１００の発振出力の調整は、電子ビーム９の加速電圧やビーム電流値を変えて行うのが普通である。そして、電子ビーム９の加速電圧やビーム電流値を変えたとき、ジャイロトロン１００の発振効率を最大にするためには、その都度、軸方向の磁束密度を調整して行う。これは電子ビーム９の加速電圧を変えると電子の相対論的係数γや電子の軸方向速度ｖz が変化するため、式（１），（２）からわかるように空胴共振器６内の軸方向磁束密度を調整し直す必要があるからである。
【００３３】
また、ビーム電流を変えて発振出力を変える場合でも、空胴共振器６内で共振している固有モードの電磁場強度が変わるため、電子ビーム９と電磁場との相互作用を最適状態にするためには、空胴共振器６内の軸方向磁場を調整し直す必要がある。従来のジャイロトロン装置の磁場発生装置には電磁石のみが用いられ、その励磁電源には、一定の速度で適当な設定値まで自動的に出力電流を増加、または減少させていく機能がついている場合が多かったが、最終的な微調整は手動に頼ることが多かった。また、特に電磁石が超電導電磁石の場合には、電磁石のインダクタンスが大きく、急激に電流を変化させられないため、磁場の微調整に時間がかかっていた。
【００３４】
さらに、ジャイロトロン１００の電子銃１のカソード２には熱カソードが用いられているため、発振出力の調整を電子ビーム９の電流値を変えて行う場合には、カソード２のヒーターの入力電力を変え、カソード２上の電子放出部の温度を変える必要があり、このためには、かなりの時間がかるのが普通である。したがって、発振効率を最大にするための磁場調整や、あるいは発振効率を多少犠牲にしても発振出力の調整を磁場を用いて行う必要がある場合には、軸方向磁束密度を自動的に、且つ速く調整する装置があると便利である。なお、平均出力を調整するのに電源のパルス幅で調整する方法があるが、この場合電源のコストが高くなるので、本実施の形態のように磁場で調整する方がコスト減になる。
【００３５】
この実施の形態１１にあっては、ジャイロトロン１００からの発振出力を検出し、最大出力、または予め設定された出力になるまで、自動的に空胴共振器６内の軸方向磁束密度を変化させる装置を持ったジャイロトロン装置であり、ジャイロトロン１００からの発振出力が、サンプリング穴８０を通して出力検出器８１で検出され、発振出力に比例した信号が出力検出器８１から出力される。この信号を受けた発振出力測定及び制御回路８２は、発振出力を計算して表示するとともに、そこまでの空胴共振器内での磁束密度の変化に伴う発振出力の履歴を参照して、より出力を上げる方向、あるいは予め設定された出力になるように、励磁電源９０に制御信号を送る。励磁電源９０はこの信号にしたがって主磁場微調整電磁石４３に流す電流を変化させ、これによってジャイロトロンの発振出力が変化する。このフィードバックループによって、発振出力が制御される。
【００３６】
なお、サンプリング穴８０の代わりに方向性結合器を利用することもできる。また、図１１においては主磁場微調整電磁石４３は一つであるが、複数個にしてもよく、電磁石の配置、電磁石のコイル巻数などについては、既にここまでの実施の形態で記してきた内容と同様のことが言える。また、図１１には電子銃磁場微調整電磁石３１が記されていないが、必要ならば設置してもよい。
【００３７】
実施の形態１２．
図１２はこの発明の実施の形態１２によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。２１は永久磁石、４４は主磁場微調整電磁石である。ジャイロトロンの発振出力を幅広く変えるためには、ジャイロトロン装置２００が、電子ビーム９の加速電圧やビーム電流の幅広い領域で動作できる必要がある。既に述べたように、電子ビーム９の加速電圧がＶｂ＝２０ｋＶならば、γ＝１．０４であるが、Ｖｂ＝８０ｋＶでは式（３）よりγ＝１．１６となり、この電子についてサイクロトロン周波数が２８ＧＨｚになるときの磁束密度は式（２）より、約１１．６ｋＧである。
【００３８】
したがって、例えば２倍高調波発振で周波数２８ＧＨｚの発振を行わせるには、式（１）より約５．８ｋＧより若干小さい程度の磁束密度を空胴共振器６内に発生させる必要がある。既に記したように、Ｖｂ＝２０ｋＶのときには、約５．２ｋＧより少し小さい程度の磁束密度を空胴共振器内に発生させる必要があったから、Ｖｂ＝２０ｋＶからＶｂ＝８０ｋＶの範囲でジャイロトロンを発振させるためには、Ｖｂ＝２０ｋＶのときに必要な軸方向磁束密度の９０％以上１１０％以下の磁束密度を永久磁石で発生させるのでは、Ｖｂ＝８０ｋＶのときに必要な軸方向磁束密度を主磁場微調整電磁石４４で調整しきれないおそれがある。
【００３９】
このような場合には、ジャイロトロンの発振動作に必要な全磁束密度に対する主磁場微調整電磁石４４の発生しうる磁束密度の割合を大きくすればよい。この実施の形態では、実施の形態７よりも主磁場微調整電磁石４４を大きくし、空胴共振器６の中央部において必要な軸方向磁場の±２０％の磁場を発生できるようになっており、したがって空胴共振器６の中央部において必要な軸方向磁束密度の８０％以上１２０％以下の磁場が永久磁石２１によって発生されている。また、図には電子銃磁場微調整電磁石３１は描かれていないが、必要ならば設置してもよい。
【００４０】
以上の構成により、励磁電源の容量や、消費電力を低減し、ランニングコストを下げるとともに、より広範囲の加速電圧の電子ビーム９に対しても、ジャイロトロンの発振動作に必要な軸方向磁束密度の調整が可能になる。
なお、本実施の形態の説明では、発振周波数は２８ＧＨｚの場合を例に挙げたが、他の周波数についても同様の議論が成り立つ。また、空胴共振器６の固有モードは異なる共振周波数をもつ多数のモードが存在する。従って、本実施の形態のように主磁場微調整電磁石４４での磁束密度の調整範囲を広くしておくことによって、異なる共振周波数をもつ複数の固有モードを別々に発振させることも可能になる。
【００４１】
実施の形態１３．
図１３はこの発明の実施の形態１３によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。この実施の形態では、３つの主磁場微調整電磁石４５，４６，４７を配置したものである。しかし、必ずしも３つである必要はなく、２つでも４つでもよく、ジャイロトロンの発振に必要な主磁場の発生と調整の目的のためには、必要な個数を配置してもよい。また、それらの主磁場微調整電磁石４５，４６，４７はそれぞれが独立に励磁できても、あるいは、独立に励磁できなくてもよい。
【００４２】
実施の形態１４．
図１４はこの発明の実施の形態１４によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。実施の形態１４では、主磁場微調整電磁石４８がジャイロトロン１００の発振動作に必要な軸方向磁束密度の±２０％の磁場を発生できる能力があることを除いて、実施の形態２と同じ構成、同じ働きをするものである。
【００４３】
実施の形態１５．
図１５はこの発明の実施の形態１５によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。この実施の形態１５では実施の形態９と同じ構成、同じ働きをすると同時に、さらに主磁場微調整電磁石４９，５０，５１がジャイロトロン１００の発振動作に必要な軸方向磁束密度の±２０％の磁場を発生できる能力を持つものである。このように構成することにより、実施の形態９よりも軸方向磁束密度を広い範囲で調整可能になるという効果がある。なお、図１５には電子銃磁場微調整電磁石３１は描かれていないが、必要ならば設置してもよい。
【００４４】
実施の形態１６．
図１６はこの発明の実施の形態１６によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。この実施の形態１６では、実施の形態１０と同じ構成、同じ働きをすると同時に、さらに主磁場微調整電磁石５２がジャイロトロンの発振動作に必要な軸方向磁束密度の±２０％の磁場を発生できる能力を持つものである。このようにすることにより実施の形態１０よりも軸方向磁束密度を広い範囲で調整可能になるという効果がある。
【００４５】
なお、主磁場微調整電磁石５２のコイルは、ジャイロトロン１００の空胴共振器６付近の外径を小さくして、その部分に取り付けられているが、永久磁石２１の内壁とジャイロトロン１００外面の間のすき間に余裕があれば、実施の形態１０のようにジャイロトロン１００の空胴共振器６付近の外面を必ずしも小さくしなくてもよい。また図中、電子銃磁場微調整電磁石３１は描かれていないが、必要ならば設置してもよい。
【００４６】
実施の形態１７．
図１７はこの発明の実施の形態１７によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。この実施の形態１７では実施の形態１１と同じ構成、同じ働きをすると同時に、さらに主磁場微調整電磁石５３がジャイロトロン１００の発振動作に必要な軸方向磁束密度の±２０％の磁場を発生できる能力を持つものである。以上の構成により、実施の形態１１よりも軸方向磁束密度を広い範囲で調整可能になるという効果がある。なお図中、電子銃磁場微調整電磁石３１は描かれていないが、必要ならば設置してもよい。
【００４７】
実施の形態１８．
図１８はこの発明の実施の形態１８によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。２２は永久磁石、５４は電子銃１のカソード２上の電子放出部３の磁場を微調整する電子銃磁場微調整電磁石である。一般に電子放出部３の磁場の磁束密度は主磁場磁束密度の１／５程度以下である。実施の形態７の説明の中で述べたように、例えば２倍高調波発振で周波数２８ＧＨｚの発振を得る場合、空胴共振器内の磁束密度は約５．２ｋＧであることから、電子放出部３の磁束密度は１．０４ｋＧ程度となる。このうちの５０％以上１５０％以下の磁束密度を永久磁石２２で発生させておけば、電子銃磁場微調整電磁石５４は±０．５２ｋＧ以下程度の磁束密度を電子放出部３に発生させるだけでよく、この電子銃磁場微調整電磁石５４とその励磁電源は小型、軽量になり、消費電力も軽減され、ランニングコストが下がる。
【００４８】
また、電子銃１のカソード２や第１アノード４には電圧をかけるため、電気絶縁のための絶縁体１３が構成部材として利用される。一般に絶縁体１３にはアルミナが用いられ、金属部との接続のため、アルミナの両端にはコバールがろう付けされている。しかし、コバールは磁性体であるため、付近の磁場分布を乱す可能性がある。電子銃付近の磁場を永久磁石のみで発生させた場合、この磁場分布の乱れを補正することができないため、電子銃から引き出された電子ビーム９は悪影響を受ける恐れがある。
【００４９】
さらに、上記の電子銃磁場微調整電磁石５４は、この磁場分布の乱れを補正する役目を果たすこともできる。なお、上記磁束密度のマイナス符号の意味は、電磁石５４が発生する磁場の向きが、永久磁石２２が作る磁場と逆方向であるということであり、電子銃磁場微調整電磁石５４に流す電流の向きをプラス符号の磁場を発生させる場合に対して逆向きにすればよい。
【００５０】
実施の形態１９．
図１９はこの発明の実施の形態１９によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。５５，５６は電子銃１における磁束密度の軸方向の分布を調整する電子銃磁場微調整電磁石である。既に記したように、ジャイロトロン１００の発振動作においては磁場が重要な役割を果たしており、電子が放出される電子放出部における磁束密度の絶対値や分布は、電子ビーム９の特性および空胴共振器における半径方向の通過位置などに大きく影響する。永久磁石２０は電磁石に比較して磁束密度の絶対値や、特に分布を微調整することが困難である。したがって、図１９のように電子銃磁場微調整電磁石５５，５６を設置すれば、磁束密度の絶対値や分布を容易に最適な状態にすることができ、発振効率を最大にすることができる。
【００５１】
さらに実施の形態１８で記したように、電子銃１には電気絶縁のための絶縁体１３が構成部材として利用される。一般に絶縁体にはアルミナが用いられ、金属部との接続のため、アルミナの両端にはコバールがろう付けされている。しかし、コバールは磁性体であるため、付近の磁場分布を乱す可能性がある。したがって、電子銃１の磁場を永久磁石２０のみで発生させた場合、この磁場分布の乱れを補正することができないため、電子銃１から引き出される電子ビーム９は悪影響を受ける恐れがある。上記の電子銃磁場微調整電磁石５５，５６は、この磁場分布の乱れを補正する役目を果たすこともできる。なお図中、電子銃磁場微調整電磁石５６、５７は２個であるが、３個以上でもよい。
【００５２】
実施の形態２０．
図２０はこの発明の実施の形態２０によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。５７は電子銃１のカソード２上の電子放出部３の磁場を微調整する電子銃磁場微調整電磁石、８３は発振出力測定及び制御回路、９１は電子銃磁場微調整電磁石５７の励磁電源である。実施の形態１１では発振効率を最大にしたり、発振出力の調整を主磁場微調整電磁石４３で行っていたが、この実施の形態では電子銃磁場を調整することによっても同様の調整が可能である。
【００５３】
まず、ジャイロトロン１００からの発振出力の一部が、サンプリング穴８０を通して出力検出器８１で検出され、発振出力に比例した信号が出力検出器８１から出力される。この信号を受けた発振出力測定及び制御回路８３は、発振出力を計算して表示するとともに、そこまでの電子銃１での磁束密度の変化に伴う発振出力の履歴を参照して、より出力を上げる方向、あるいは予め設定された出力になるように励磁電源９１に制御信号を送る。次に励磁電源９１は、この信号にしたがって電子銃磁場微調整電磁石５７に流す電流を変化させ、これによってジャイロトロン１００の発振出力が変化する。このフィードバックループによって、発振出力が制御される。
【００５４】
なお、サンプリング穴８０の代わりに方向性結合器を利用することもできる。また、電子銃磁場微調整電磁石５７は１つであるが、複数個にしてもよく、電磁石の配置、電磁石のコイル巻数などについては、上述の実施の形態に記した内容と同様のことが言える。
【００５５】
実施の形態２１．
図２１はこの発明の実施の形態２１によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。５８は主磁場微調整電磁石である。実施の形態１１，１７，２０ではジャイロトロン１００の発振効率や発振出力を調整するために、発振出力を検出し、その出力に応じて主磁場微調整電磁石、あるいは電子銃磁場微調整電磁石５７をそれぞれ単独で、それらの電磁石に流す電流を制御する方式であったが、図に示すように併用してもよい。このようにすれば、発振効率や発振出力のより微妙な調整が磁場の調節で可能になり、さらに高効率なジャイロトロン１００の発振動作が達成できる。
【００５６】
実施の形態２２．
図２２はこの発明の実施の形態２２によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。上記実施の形態２０，２１では、ジャイロトロン１００の電子銃１は、永久磁石２２の中心ボア内に納まっていたが、この実施の形態では、ジャイロトロン１００の電子銃１は永久磁石２２の一方の端面より外側に出ている。このような配置であっても、電子銃１付近に電子銃磁場微調整電磁石５９を置き、電子銃１の磁場を調整することが有効な場合もある。なお、空胴共振器６付近には主磁場微調整電磁石３０は描かれていないが、必要ならば設置してもよい。
【００５７】
実施の形態２３．
図２３はこの発明の実施の形態２３によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。７０はホール素子等よりなる磁束密度の検出手段であり、永久磁石２０の経年変化による発生磁場の変動を検出する。６０は磁場補正用電磁石である。一般的に永久磁石は、経年変化によって、発生している磁束密度を減じていくため、磁場の補正が必要になってくる場合がある。この補正量は、室温では普通永久磁石が発生する磁束密度の１％／年以下であるため、図のように１つあるいは複数個の磁場補正用電磁石６０と小型の励磁電源を用いて十分可能な量である。なお、この磁場補正用電磁石６０は上記実施の形態１から実施の形態２２までに記載した主磁場微調整電磁石を用いてある程度可能であるが、独立に設置してもよい。
【００５８】
また、図２４は実施の形態１５に記載した主磁場微調整電磁石４９，５０，５１を用いて、永久磁石２１の経年変化による発生磁場の変動を補正するものである。このような構成により、ジャイロトロン１００の効率良い運転や高周波出力の制御を初期の状態と同様に行うことができる。なお、図２３，２４では磁束密度を検出するホール素子７０等は電磁石４９，５０，５１，６０とジャイロトロン１００との間に取り付けられているが、電磁石４９，５０，５１，６０と永久磁石２０，２１との間に取り付けてもよい。
【００５９】
実施の形態２４．
図２５はこの発明の実施の形態２４によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。１０１はカソードフランジ１５と第１アノード４間の絶縁体、１０２は第１アノード４と第２アノード５間の絶縁体、１０３は空胴共振器６とコレクタ７間の絶縁体、１０４はコレクタ７と出力窓導波管１６間の絶縁体である。これらの絶縁体と各金属製部分とは磁性体材料を用いずに非磁性体材料、例えばモリブデンやタングステンを用い、これらにニッケルメッキを施して接合されている。なお、ニッケルは磁性材料であるがメッキのみであるので磁場に与える影響は少ない。なお図中、カソードフランジ１５、第１アノード４、第２アノード５、空胴共振器６、コレクタ７、出力窓導波管１６は金属製部分である。
【００６０】
ジャイロトロン１００では、電子銃１から電子を引き出すため、カソード２と第１アノード４間や、第１アノード４と第２アノード５間に電圧をかけたり、空胴共振器６、コレクタ７、出力窓８のそれぞれにどの程度の電子ビーム９が入射しているかを測定する目的で各部分の接続部の全て、あるいは一部に、電気絶縁を施す。この場合の電気絶縁部材には、アルミナとコバールをろう付けにより接合したものが広く用いられている。
【００６１】
したがって、アルミナは入手が容易で、強度が大きいなどの利点を持ち、コバールは熱膨張率がアルミナと同程度であるためろう付けの相手材料として広く用いられる。しかし、コバールは磁性体であり、このような部品を磁場中におくことは磁場の分布を乱し、電子ビーム９の軌道や特性に悪影響を与える可能性がある。その結果、空胴共振器６において、電子ビーム９が所定の位置を通過せず、設計モード以外の固有モードを発振させたり、あるいは発振効率の低下を招く可能性がある。さらには、電子ビーム９がコレクタに局所的に集中して当たり、コレクタが過熱したり、電子ビーム９が出力窓８にまで達し、出力窓を破損するなどの可能性がある。
【００６２】
従来のジャイロトロン装置の磁場発生装置には、電磁石のみが用いられてきたため、電磁石のコイルに流す電流を調節することによって、これらの問題に対処できたが、本発明において用いられる永久磁石と電磁石を併用した磁場発生装置の場合は、磁場の磁束密度の絶対値や磁束密度分布を調節できる範囲が従来の磁場発生装置ほど大きくないため、磁性体が存在することによる磁場の分布を補正しきれない可能性がある。
【００６３】
しかし、本実施の形態にあっては図１に示すようにジャイロトロン１００を磁場発生装置内に設置しても磁場発生装置が作る磁場の磁束密度の絶対値や磁束密度分布を乱さず、電子ビーム９の軌道や特性に悪影響を与えることがない。その結果、空胴共振器において、所定の位置を電子ビーム９が通過し、設計の固有モードで電磁波を発振させることができ、発振効率の低下を防ぎ、さらには、電子ビーム９がコレクタの所定の位置に導かれ、局所的に過熱されることがないため、信頼性の高いジャイロトロン１００となる。
【００６４】
実施の形態２５．
図２６はこの発明の実施の形態２５によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
この実施の形態２５では、絶縁体１０１，１０２，１０３，１０４の少なくとも内面、および軸方向端面、さらに金属製部分の絶縁体１０１，１０２，１０３，１０４と接する部分は、寸法精度よく加工され、はめ合い構造で組み立てられている。このようなはめ合い接合により、実施の形態２４で得られる効果の他に、ジャイロトロン１００の組み立てにおける各部の中心軸合わせが容易になるという効果がある。
【００６５】
実施の形態２６．
図２７はこの発明の実施の形態２６によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。１０１はカソードフランジ１５と第１アノード４間の絶縁体、１０２は第１アノード４と第２アノード５間の絶縁体であり、これらの絶縁体と金属製部分とは磁性体材料を用いずに実施の形態２４と同様の非磁性体材料で接合されている。このようにすれば、ジャイロトロン１００の発振動作上、特に重要な電子銃１、および電子銃１と空胴共振器６間の磁場の磁束密度の絶対値や磁束密度分布を乱さず、電子ビーム９の軌道や特性に悪影響を与えることがない。
【００６６】
その結果、空胴共振器６において、所定の位置を電子ビーム９が通過し、設計の固有モードで電磁波を発振させることができ、発振効率の低下を防ぎ、さらには、電子ビーム９がコレクタの所定の位置に導かれ、局所的に過熱されることがないため、信頼性の高いジャイロトロン１００となる。また、この発明はコレクタ、出力窓８に電気絶縁を施す必要がないジャイロトロン１００にも適用可能である。
【００６７】
実施の形態２７．
図２８はこの発明の実施の形態２７によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。１０５はカソードフランジ１５と第１アノード４間の絶縁体、１０６は第１アノード４と第２アノード５間の絶縁体、１０７は空胴共振器６とコレクタ７間の絶縁体、１０８はコレクタ７と出力窓導波管１６間の絶縁体であり、ここでは絶縁体材料としてガラス材を用いている。ガラス材と金属製部分のカソードフランジ１５、第１アノード４、第２アノード５、空胴共振器６、コレクタ７、出力導波管１６とは直接接合されるか、あるいはガラス材と上記の金属製部分との間にガラス材との直接接合可能な金属を挟んで接合されている。このガラス材に直接接合可能な金属には、銅、ステンレスなどの非磁性材料があり、この直接接合する方法にはハウスキーパーシールと呼ばれる方法がある。
【００６８】
このようにすれば、磁場発生装置が作る磁場の磁束密度の絶対値や磁束密度分布は乱されず、電子ビーム９の軌道や特性は悪影響を受けることがない。その結果、空胴共振器６において、所定の位置を電子ビーム９が通過し、設計の固有モードで電磁波を発振させることができ、発振効率が低下することもない。さらには、電子ビーム９がコレクタ７の所定の位置に導かれ、コレクタ７が局所的に過熱されることがないため、信頼性の高いジャイロトロン１００となる。
【００６９】
実施の形態２８．
図２９はこの発明の実施の形態２８によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。この実施の形態では絶縁体１０５，１０６，１０７，１０８の少なくとも内面および軸方向端面、さらに金属製部分の絶縁体１０５，１０６，１０７，１０８と接する部分は寸法精度よく加工され、はめ合い構造で組み立てられている。このようなはめ合い接合により、実施の形態２７で得られる効果の他に、ジャイロトロン１００の組み立てにおける各部の中心軸合わせが容易になるという効果がある。
【００７０】
実施の形態２９．
図３０はこの発明の実施の形態２９によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。実施の形態２７，２８ではジャイロトロン１００に用いられる絶縁体材料全てにガラス材を用いたが、この実施の形態では大きな強度が必要でない電子銃１のみガラス材の絶縁体１０５，１０６を用い、ジャイロトロン１００の運搬、吊り下げ、出力高周波の伝送系との接続等において十分な強度が必要なコレクタ７、出力窓８の絶縁部分にはアルミナとコバールを組み合わせた部品を用いればよい。
【００７１】
このようにすれば、ジャイロトロン１００の発振動作上、特に重要な電子銃１、および電子銃１と空胴共振器６間の磁場の磁束密度の絶対値や磁束密度分布を乱さず、電子ビーム９の軌道や特性に悪影響を与えることがない。その結果、空胴共振器６において、所定の位置を電子ビーム９が通過し、設計の固有モードで電磁波を発振させることができ、発振効率が低下することもない。
【００７２】
実施の形態３０．
図３１から図３３はこの発明の実施の形態３０によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
実施の形態２４から実施の形態２９までは、電子銃１がカソード２、第１アノード４、および第２アノード５の３つの電極からなる３極型電子銃を用いたジャイロトロン１００について述べてきた。この実施の形態では、電子銃１がカソード２とアノード１４の２つの電極からなる２極型電子銃を用いたジャイロトロン１００において実施されてもよく、同様の効果を奏する。
【００７３】
実施の形態３１．
図３４はこの発明の実施の形態３１によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。１７は高周波を導く導波管、１１０は例えば非磁性材料からなる枠であり、枠１１０は永久磁石２０および主磁場微調整電磁石３０、電子銃磁場微調整電磁石３１が作る磁場の磁束密度が５ガウス以上の領域が枠内に存在するように設置されている。ジャイロトロン１００の磁場発生装置に永久磁石２０を用いた磁場発生装置では、ジャイロトロン１００の運転時以外でも常に磁場が発生しているため、これにより様々な危険性、不都合が考えられる。たとえば、人体への影響、特にペースメーカを付けた人への影響は重大である。また、工具等が吸い寄せられ、永久磁石２０あるいはその周辺部へ衝突するなども考えられる。
【００７４】
アメリカＦＤＡ（食品医薬品局）の勧告により、一般に漏れ磁場の範囲として５ガウスの範囲の大きさが磁気シールドを施す際の一つの基準とされ、日本でもこの基準が用いられているため、本実施の形態では枠１１０を設置すれば、枠１１０外は磁場の微弱な領域であるので、ペースメーカを付けた人にも影響はなく、磁性体が吸い寄せられることもなくなり、安全である。なお、永久磁石２０に磁気シールドがあるものに同様の枠を設けて、磁気シールドからの漏れによる危険を防止するようにしてもよい。
【００７５】
実施の形態３２．
図３５と図３６とはこの発明の実施の形態３２によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。実施の形態３１では磁場発生装置の側面のみならず、電子銃１の側端面も覆うように設置された枠１１０を示したが、電子銃１と外部電源回路との電気的接続を行う必要があるため、本実施の形態では電子銃１の側端面に開口部を持った枠１１１を設けた。
【００７６】
実施の形態３３．
図３７から図３９はこの発明の実施の形態３３によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。本実施の形態では本体側の枠１１２と電子銃１側の枠１１３が分離可能になっている。このようにすれば電子銃１と外部電源回路との電気的接続や、ジャイロトロン装置２００の運搬が簡単でありながら、実施の形態３１と同様の効果を奏する。
【００７７】
実施の形態３４．
図４０はこの発明の実施の形態３４によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。本実施の形態ではハイブリッド型磁場発生装置で常時強力な磁場を発生している永久磁石２０が作る磁場の磁束密度が５ガウス以上の領域が枠１１４内に存在するように設置される。この枠１１４は実施の形態３１、実施の形態３２、実施の形態３３で示した物より小型で扱い易く、また、これを設置することによって磁束密度５ガウス以上の領域を囲むことができるので安全である。
【００７８】
実施の形態３５．
図４１はこの発明の実施の形態３５によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。１１５は枠１１０の外側面に設置された緩衝材である。緩衝材として、例えばウレタン、スポンジ、発泡スチロール、フェルト、グラスウール、スタイロフォーム、エアーキャップ、紙、木材などを利用できる。なお、この緩衝材１１５は５ガウス以上の領域を囲むどのような枠に設置されてもよい。このようにすれば、工具等が磁場に吸い寄せられ、衝突するようなことがあっても損傷を防ぐことができ、安全である。
【００７９】
実施の形態３６．
図４２はこの発明の実施の形態３６によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。７１はホール素子等よりなる磁束密度の検出手段であり、永久磁石２３の温度変化による発生磁場の変動を検出する。３０は主磁場微調整電磁石、３１は電子銃磁場微調整電磁石で、永久磁石が空胴共振器付近や電子銃付近に発生している磁場の温度変化による変動を補正する電磁石である。
【００８０】
一般に永久磁石は温度変化によって発生している磁束密度が変化する。この温度による磁束密度の変化を決める残留磁束密度温度係数は、ネオジム系磁石では−０．１％／℃程度であるが、サマリウム系では−０．０３％／℃となる。既に記したように、２倍高調波発振で周波数２８ＧＨｚの発振を起こさせるためには、空胴共振器６の中央部において約５．２ｋＧの磁束密度が必要であるから、永久磁石温度の１℃上昇につき約５．２Ｇの磁束密度が減少し、逆に１℃下降につき約５．２Ｇの磁束密度が増加する。したがって、±２０℃程度の温度変化による磁束密度の変動は±１０４Ｇ程度となるが、この程度の変動は、図４２に示すように、１つあるいは複数個の磁場微調整電磁石と小型の励磁電源を用いて十分に補正可能である。
【００８１】
本実施の形態では、永久磁石２３の温度変化による発生磁場の変動を補正する電磁石として、実施の形態１から実施の形態２２までに記載した磁場微調整電磁石を用いているが、実施の形態２３の説明に用いた磁場補正用電磁石６０を独立に設置してもよい。また、図４２ではホール素子７１は主磁場微調整電磁石３０や電子銃磁場微調整電磁石３１とジャイロトロン１００との間に置かれているが、永久磁石２３の温度変化による発生磁場の変動は、磁場が発生している所ならば別の場所でも検出できる。したがって、ホール素子７１を設置する位置は、必ずしも図４２に示されている場所でなくてもよい。
【００８２】
以上の構成によって、ジャイロトロン装置２００が置かれている周囲環境が変化して、永久磁石２３の温度変化による発生磁場の変動があっても、ジャイロトロンの効率良い運転や高周波出力の制御が可能になる。
【００８３】
実施の形態３７．
図４３（ａ）はこの発明の実施の形態３７によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図４３（ｂ）は筒型磁場発生装置が発生している中心軸上での軸方向磁場分布の概略図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示し説明を省略する。２５は永久磁石を用いた筒型磁場発生装置である。永久磁石を用いて軸方向磁場を発生させる方法として、例えばこの図に示されているように、磁化方向が略々径方向の筒状永久磁石２５ａ〜２５ｈを軸方向に複数個配置する方法が考えられる。磁化方向が略々径方向の筒状永久磁石２５ａ〜２５ｈは、それぞれ、例えば複数の台形状の磁石切片を各々径方向に磁化した後、ドーナツ状に組み合わせて、外部及び内部が多角形の筒状永久磁石２５ａ〜２５ｈを構成している。上記の磁石切片は扇型の磁石切片でもよく、その場合は各々径方向に磁化した後、ドーナツ状に組み合わせると内部、外部が円形の筒状永久磁石となる。さらに磁化方向が略々径方向の筒状永久磁石であるならば、これを構成する磁石切片は他の形状のものでもよい。このような実施の形態にあっては、筒型磁場発生装置２５の内側空間において軸方向磁場の向きが反転している部分（本図ではｚ＝ｚ1 、ｚ＝ｚ2 を境として軸方向磁場が反転している）が存在する。
【００８４】
ジャイロトロン１００の電子銃１におけるカソード２上の電子放出部３から引き出される中空状の電子ビーム９の速度は、電子放出部３の面上における電場と磁場で決まり、その後、電子ビーム９は図４３（ａ）に示されているように螺旋運動をしながら、磁場に対して垂直方向の速度を増しつつ、空胴共振器６に向かって進行する。このように電子放出部３から引き出された直後の電子の速度成分等は電子放出部３付近の電場や磁場によって決まるため、電子放出部３が図４３（ｂ）で、ｚ＝ｚ1 の位置よりも左側に存在していても電子銃１として動作する。
【００８５】
しかし、このような配置では、電子が軸方向に進行するとともに軸方向磁場が弱くなるため、螺旋運動の旋回半径が次第に大きくなり、中空状の電子ビーム９の半径も大きくなって、図４３（ａ）のアノード１４の壁に衝突したり、無秩序な運動となって空胴共振器６まで届かない。したがって、ジャイロトロン１００が正常に発振しないという問題点がある。このような問題点は、ジャイロトロン装置２００の磁場発生装置として、磁化方向が略々径方向の筒状永久磁石２５ａ〜２５ｈを軸方向に複数個配置することによって構成した筒型磁場発生装置２５を用いて軸方向の磁場を発生させる場合に生じる特有の問題点である。
【００８６】
この問題点を解消するためには、電子放出部３を図４３（ｂ）でｚ＝ｚ1 の位置よりも右側に配置しておけばよい。このようにしておけば、電子放出部３から引き出された電子ビーム９は、空胴共振器６に向かって次第に強くなる軸方向磁場によって、電子の螺旋運動の旋回半径を小さくしながら、また中空状の電子ビーム９の半径を小さくしつつ空胴共振器６に入射し、正常な発振動作を行う。
【００８７】
一方、図４９に示されている従来のジャイロトロン装置２００では、軸方向に磁場を発生する装置としてソレノイド状の電磁石が用いられるため、ジャイロトロン１００を設置する内部空間、及びその延長線上に軸方向の磁場の向きが反転している部分は存在しない。したがって、上記のような問題点は生じない。
【００８８】
実施の形態３８．
図４４はこの発明の実施の形態３８によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。実施の形態３７では図４３（ａ）に示すように、永久磁石を用いた筒型磁場発生装置２５は、ジャイロトロン１００の電子銃１側の筒状永久磁石２５ａ〜２５ｄはＳ極が内側を向き、コレクタ７側の筒状永久磁石２５ｅ〜２５ｈはＮ極が内側を向いていたが、これは逆であってもよい。即ち、図４４に示すように電子銃１側の筒状永久磁石２６ａ〜２６ｄはＮ極が内側を向き、コレクタ７側の筒状永久磁石２６ｅ〜２６ｈはＳ極が内側を向いていても軸方向磁場の向きが反転する部分は存在し、実施の形態３７で述べたことと同様のことが言える。
【００８９】
実施の形態３９．
図４５はこの発明の実施の形態３９によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。実施の形態３７や実施の形態３８では、永久磁石を用いた筒型磁場発生装置２５，２６は、すべての永久磁石の磁化方向が略々径方向の筒状永久磁石２５ａ〜２５ｈ，２６ａ〜２６ｈで構成されているが、図４３（ｂ）に示されているような空胴共振器部６に軸方向磁場が平坦な分布を発生させる方法として、図４５に示すように、空胴共振器６付近に、磁化方向が略々軸方向の筒状永久磁石２７ｉを配置してもよい。この場合でも電子銃付近に配置された筒状永久磁石の磁化方向は略々径方向であるので、中心軸上での磁束密度分布は図４３（ｂ）のようになり、実施の形態３７で述べたことと同様のことが言える。
【００９０】
実施の形態４０．
図４６はこの発明の実施の形態４０によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。２８は軸方向磁場を発生させるための永久磁石を用いた筒型磁場発生装置、２８ａ〜２８ｈは磁化方向が略々径方向の筒状永久磁石で、各々の筒状永久磁石のＮ極からＳ極に向かって引かれている矢印を付した線は、磁力線を概略的に示したものである。この筒型磁場発生装置２８は、実施の形態３７で記したものと同様の構造であるため、軸方向の磁束密度分布は図４３（ｂ）に示したように、軸方向磁場の向きが反転している部分をもつ分布となっており、図中のｚ＝ｚ1 の位置は図４６の筒状永久磁石２８ａのＳ極と記した付近に存在することが磁力線の様子からわかる。同様に、ｚ＝ｚ2 の位置は、図４６の筒状永久磁石２８ｈのＮ極と記した付近に存在することがわかる。
【００９１】
ジャイロトロン１００の電子銃１におけるカソード２とアノード１４との間には数１０ｋＶ程度の電圧がかかるため、これらの間は絶縁体１３を介して接続されている。この絶縁体１３にはアルミナ等のセラミック材料が使用され、その両端には金属と接合するための接合部品がろう接合されている。この接合部品には一般的にコバールが使用され、さらにコバールと金属は、主として溶接によって接合される。しかし、コバールは磁性体材料であるため、永久磁石が発生する磁場分布を乱し、カソード２の電子放出部３から引き出される電子ビーム９の特性に重大な影響を与え、ジャイロトロン１００の発振に悪影響を及ぼす恐れがある。この影響は図４３（ａ）の電子銃磁場微調整電磁石３１を用いても補正できない場合がある。（図４６では電子銃磁場微調整電磁石３１が省略されている。）
【００９２】
この問題を解決するために、本実施の形態ではコバールは軸方向磁場が反転する位置よりも左側に位置するようにし、電子が引き出される電子放出部３での軸方向磁場の向きとは逆方向の向きの軸方向磁場がかかるように配置している。このようにするとコバールの電子放出部３付近の磁場分布に与える影響は軽減され、ジャイロトロン１００を効率よく発振させることができる。なお、図４５では空胴共振器６付近の主磁場微調整電磁石を省略しているが必要ならばあってもよい。また、永久磁石を用いた筒型磁場発生装置は図４４や図４５に示されたものでもよく、その場合でも上記のコバールが、軸方向磁場が反転している位置に対して電子放出部３とは反対の位置に存在するように配置すればよい。さらに、コバール以外の接合部品を使用する場合でも、磁性体材料を使用する場合は同様の配置とすれば同等の効果が得られることは言うまでもない。
【００９３】
実施の形態４１．
図４７はこの発明の実施の形態４１によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。ジャイロトロン装置２００では、ジャイロトロン１００に安定な発振を行わせるために、ジャイロトロン内部を高真空に保つ必要がある。そのためには、電子ビーム９をコレクタ７に当てることによってコレクタ材料からの脱ガスを行うエージングを十分に行うことが必要である。エージングを効果的に行うためには、電子ビーム９がコレクタ７に当たる位置を大きな範囲で振り、脱ガスを十分に行うことが有効である。磁場発生装置として永久磁石を用いたジャイロトロン装置２００では、電子銃磁場微調整電磁石３１や主磁場微調整電磁石３０を用いて、電子ビーム９がコレクタ７に当たる位置を振ることはある程度可能であるが、コレクタ７の大きな領域にわたって電子ビーム９を移動させることは困難である。
【００９４】
しかし図４７に示すように、ジャイロトロン１００のコレクタ付近にコレクタ磁場発生用電磁石６５を設置することによって、コレクタ７において電子ビーム９をより大きな範囲で移動させることができるようになり、エージングを短時間に効果的に行うことができる。さらに、電磁石を構成するコイルの巻数、巻き方、励磁電流を適当に選ぶことによって電子ビーム９がコレクタに当たる面積も大きくすることもできるため、コレクタへの単位面積当たりの熱入力を低減し、信頼性の高いジャイロトロン装置とすることができる。
【００９５】
実施の形態４２．
図４８はこの発明の実施の形態４２によるジャイロトロン装置を示す構成図であり、図において、従来のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。コレクタ磁場発生用電磁石６６，６７は図４８に示すように、２個あるいはそれ以上のコイルから構成してもよい。このような構成により上記の電磁石が発生する軸方向磁場分布の自由度が増えるため、さらにエージングを効果的に行ったり、また電子ビーム９によるコレクタ７への熱入力をより低減することが可能になる。
【００９６】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、空洞共振器における磁束密度の軸方向分布を調節する主磁場微調整電磁石を磁場発生装置とは別に備え、且つ該主磁場微調整電磁石は、空洞共振器の電子銃側から出力窓側に向かって軸方向磁束密度が増加する傾斜磁場分布を作るように構成したので、発振効率を向上することができ、ジャイロトロン装置も維持と操作性を容易にするとともに、電磁石の励磁電源を小型化し、ランニングコストを極めて安くすることができるジャイロトロン装置を得ることができる効果がある。
【００９７】
この発明によれば、磁場発生装置を永久磁石と電磁石とで構成し、空洞共振器における磁束密度の軸方向分布を調節する主磁場微調整電磁石を磁場発生装置とは別に備え、且つ該主磁場微調整電磁石は、空洞共振器の電子銃側から出力窓側に向かって軸方向磁束密度が増加する傾斜磁場分布を作るように構成したので、発振効率を向上することができる効果がある。
【００９８】
この発明によれば、磁場発生装置を永久磁石で構成したので、発振効率を向上することができる効果がある。
【００９９】
この発明によれば、傾斜磁場は、空洞共振器の電子銃側の端に対して出力窓側の端の方が磁束密度で５〜１０％大きくなるように磁束密度に傾斜をつけて構成したので、発振効率を向上することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図２】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図３】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図４】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図５】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図６】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図７】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図８】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図９】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図１０】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図１１】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図１２】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図１３】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図１４】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図１５】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図１６】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図１７】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図１８】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図１９】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図２０】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図２１】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図２２】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図２３】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図２４】 この発明の他の実施の形態による他のジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図２５】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す部分構成図である。
【図２６】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す部分構成図である。
【図２７】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す部分構成図である。
【図２８】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す部分構成図である。
【図２９】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す部分構成図である。
【図３０】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す部分構成図である。
【図３１】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す部分構成図である。
【図３２】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す部分構成図である。
【図３３】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す部分構成図である。
【図３４】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図３５】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図３６】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図３７】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図３８】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図３９】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図４０】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図４１】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図４２】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図４３】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図４４】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図４５】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図４６】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図４７】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図４８】 この発明の他の実施の形態によるジャイロトロン装置を示す構成図である。
【図４９】 従来のジャイロトロン装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 電子銃、２ カソード、３ 電子放出部、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、１３，１０１〜１０４ 絶縁体、２１〜２３ 永久磁石、３０，３２，３３，３５〜５３，５８ 主磁場微調整電磁石、３１，５４〜５７，５９ 電子銃磁場微調整電磁石、８１ 出力検出器、９０ 励磁電源、１００ ジャイロトロン、１１０〜１１４ 枠、１１５ 緩衝材、２００ 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、射出電子に旋回運動を起こさせる軸方向磁場を発生する磁場発生装置と旋回電子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円筒状空洞からなる空洞共振器と、この空洞共振器内を通過した電子ビームを回収するコレクタと、上記サイクロトロン共鳴メーザ作用により発生した高周波を取り出す出力窓を備えたジャイロトロン装置において、前記空洞共振器における磁束密度の軸方向分布を調節する主磁場微調整電磁石を上記の磁場発生装置とは別に備え、且つ該主磁場微調整電磁石は、空洞共振器の電子銃側から出力窓側に向かって軸方向磁束密度が増加する傾斜磁場分布を作ることを特徴とするジャイロトロン装置。
- 前記磁場発生装置を永久磁石と電磁石とで構成し、前記空洞共振器における磁束密度の軸方向分布を調節する主磁場微調整電磁石を上記の磁場発生装置とは別に備え、且つ該主磁場微調整電磁石は、上記の空洞共振器の電子銃側から出力窓側に向かって軸方向磁束密度が増加する傾斜磁場分布を作ることを特徴とする請求項１記載のジャイロトロン装置。
- 前記磁場発生装置を永久磁石で構成したことを特徴とする請求項１記載のジャイロトロン装置。
- 前記傾斜磁場分布は、空洞共振器の電子銃側の端に対して出力窓側の端の方が磁束密度で５〜１０％大きくなるように磁束密度に傾斜をつけた傾斜磁場分布であることを特徴とする請求項２または請求項３記載のジャイロトロン装置。
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