JP4212514B2 - Electromagnetic wave oscillator using surface wave - Google Patents
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Description
本発明は、表面波を用いた電磁波発振器、特にミリ・サブミリ・テラヘルツ波発振器に関するものである。 The present invention relates to an electromagnetic wave oscillator using surface waves, and more particularly to a millimeter / submillimeter / terahertz wave oscillator.
従来、高周波数領域、特にテラヘルツ領域の電磁波光源としては、例えば、円筒コルゲート導波管に電子ビームを入射することによって高周波の電磁波を出力することができるＢＷＯなどが一般に使用されている。
一方、高出力の電磁波光源としては、一般に、直円筒導波管を用いた発振器として、超伝導磁石の生み出す強磁場を利用したジャイロトロンが使用されている。
Conventionally, as an electromagnetic wave light source in a high frequency region, particularly a terahertz region, for example, a BWO that can output a high-frequency electromagnetic wave when an electron beam is incident on a cylindrical corrugated waveguide is generally used.
On the other hand, as a high-power electromagnetic wave light source, a gyrotron using a strong magnetic field generated by a superconducting magnet is generally used as an oscillator using a straight cylindrical waveguide.
なお、上記従来の技術が記載された公知特許文献であって特許を受けようとする者が特許出願の時に知っているものはないので、その文献公知発明に関する情報の所在を記載をすることはできない。 In addition, since there is no known patent document in which the above prior art is described and the person who is going to receive a patent knows at the time of filing a patent application, it is not possible to describe the location of information related to the known invention Can not.
しかしながら上記従来のＢＷＯでは、その出力が１Ｗ未満と小さいという問題があり、更に、高周波、特にテラヘルツ領域の電磁波を発生させるためには、ＢＷＯの導波管の内壁に極めて微細な加工（導波管の内壁のコルゲート波長を細密化する加工）を施すか、または該導波管の内径を小さくする必要がある。該導波管の内壁に微細な精密加工を施す場合には、加工・工作コストが増加するためにコストアップにつながるという問題があるとともに、微細精密加工には加工限界があるため、更なる高周波化を図ることが困難であるという問題があった。また、該導波管の内径を小さくする場合には、入射する電子ビームを減らさざるを得ず、電子ビームの強度の低下に比例して出力が小さくなるという問題があった。
一方、上記従来のジャイロトロンでは、その発振周波数が１ＴＨｚ未満と低いという問題があり、更に、高出力の電磁波を発生させるためには、１０Ｔ以上の強磁場が必要となるため、磁場発生装置が大規模化し、装置の製造コストが増加するという問題があった。
従って、従来、高周波（１ＴＨｚ以上）かつ高出力（１Ｗ以上）の電磁波を発振する電磁波発振器は一般に提供されていなかった。
However, the conventional BWO has a problem that its output is as small as less than 1 W. Furthermore, in order to generate electromagnetic waves in a high frequency, particularly in the terahertz region, extremely fine processing (waveguide) is performed on the inner wall of the BWO waveguide. It is necessary to make the corrugated wavelength of the inner wall of the tube fine, or to reduce the inner diameter of the waveguide. When fine precision machining is performed on the inner wall of the waveguide, there is a problem that the machining / working cost increases, leading to an increase in cost, and the fine precision machining has a processing limit. There was a problem that it was difficult to make it easier. Further, when the inner diameter of the waveguide is reduced, the incident electron beam has to be reduced, and there is a problem that the output is reduced in proportion to a decrease in the intensity of the electron beam.
On the other hand, the conventional gyrotron has a problem that its oscillation frequency is as low as less than 1 THz. Further, in order to generate a high output electromagnetic wave, a strong magnetic field of 10 T or more is required. There is a problem that the manufacturing cost of the apparatus increases due to the increase in scale.
Therefore, conventionally, an electromagnetic wave oscillator that oscillates an electromagnetic wave having a high frequency (1 THz or more) and a high output (1 W or more) has not been generally provided.
本発明は上記従来の課題を解決するための手段として、一方向に周期的な波形が付与されているコルゲート金属板２と、該コルゲート金属板２の表面から所定距離ｄを隔てて電子ビームＥを一方向に発生させる電子ビーム発生装置４とを有し、該コルゲート金属板２の電磁表面波Ｓを該電子ビームＥによって励起して電磁波Ｘの発振を行なう表面波Ｓを用いた電磁波発振器１を提供するものである。
該コルゲート金属板２は電磁波成長部分２ａと出力取出し部分２ｂとからなり、該出力取出し部分２ｂのコルゲート波長λｂ、即ちコルゲート金属板に付されている周期的な波形の波長は、該電磁波成長部分２ａのコルゲート波長λａよりも長く設定されていることが望ましい。
また、該電子ビームＥはシートビームＥｓであることが望ましい。ここで、シートビームＥｓとはシート状の電子ビームＥをいう。
As means for solving the above-described conventional problems, the present invention provides a
The
The electron beam E is preferably a sheet beam Es. Here, the sheet beam Es refers to a sheet-like electron beam E.
本発明の表面波Ｓを用いた電磁波発振器１では、コルゲート金属板２の表面波Ｓが電子ビームＥとの相互作用によって励起され、該表面波Ｓは電子ビームＥの進行方向に成長する。したがって、コルゲート金属板２の一方向の長さを長くすることによって、高出力の電磁波Ｘを発振させることができる。更にこの場合、大規模な磁場発生装置を必要とすることがないので、装置を小型化することができる。
また、発振される電磁波Ｘの周波数ωはコルゲート金属板２のコルゲート波長λに依存するため、該コルゲート波長λを短くすることによって、高周波領域、特にテラヘルツ領域の電磁波Ｘを発生させることができる。更にこの場合、コルゲート金属板２の表面の加工は、導波管の内壁の加工に比べて、加工作業が容易であるため、加工・工作コストが安くなるだけでなく、更なる高周波化を図ることも可能となる。
従って本発明の電磁波発振器１では、高周波かつ高出力の電磁波を発振することができ、更なる高周波化や小型化が可能となる。
In the
Further, since the frequency ω of the oscillated electromagnetic wave X depends on the corrugated wavelength λ of the
Therefore, the
更に、該コルゲート金属板２が電磁波成長部分２ａと出力取出し部分２ｂとからなり、該出力取出し部分２ｂのコルゲート波長λｂが、該電磁波成長部分２ａのコルゲート波長λａよりも長く設定されている場合には、該出力取出し部分２ｂにおいて表面波Ｓ（電磁波Ｘ）が垂直方向の伝播成分を持つこととなるため、発振した電磁波Ｘを斜め方向に取り出すことができ、電磁波Ｘと電子ビームＥとを容易に分離することができる。
また更に、該電子ビームＥがシートビームＥｓである場合には、平面的に存在するコルゲート金属板２の表面波Ｓを平面的なシートビームＥｓによって効率良く励起することができるため、電磁波発振の高効率化を図ることができる。
Furthermore, when the
Furthermore, when the electron beam E is a sheet beam Es, the surface wave S of the
本発明を図１および図２に示す一実施例によって説明する。
図１および図２に示すように、表面波Ｓを用いた電磁波発振器１は、ｙｚ平面上に置かれた金属平板をｚ方向に周期的にコルゲートさせたコルゲート金属板２と、該コルゲート金属板２の表面から所定距離ｄを隔ててｙｚ平面上に沿ってシートビームＥｓをｚ方向に向けて発生させるカソード３を備えた電子ビーム発生装置４とを有している。
そして、該コルゲート金属板２は、電磁波成長部分２ａと出力取出し部分２ｂとを有しており、該出力取出し部分２ｂのコルゲート波長λｂは、該電磁波成長部分２ａのコルゲート波長λａよりも長く設定されている。
The present invention is illustrated by the example shown in FIGS.
As shown in FIGS. 1 and 2, an
The
該電子ビーム発生装置４にはガイド磁場発生装置（図示せず）が備えられており、該ガイド磁場発生装置からは、カソード３から放出されるシートビームＥｓのシート形状を安定に保持するためのガイド磁場（図示せず）がｚ方向に向けて発生される。
なお、該ガイド磁場は、シートビームＥｓのシート形状が保持できる強度の磁場であれば十分であり、強磁場は必要とされないため、該ガイド磁場発生装置は小型化することができる。
The
It is sufficient that the guide magnetic field is a magnetic field having a strength capable of maintaining the sheet shape of the sheet beam Es, and a strong magnetic field is not required. Therefore, the guide magnetic field generator can be downsized.
上記の電磁波発振器１を使用して電磁波Ｘを発振させる場合には、図１および図２に示すように、該電磁波発振器１のカソード３からシートビームＥｓをｚ方向に向けて発生させて、該シートビームＥｓを該コルゲート金属板２の表面から所定距離ｄを隔ててｙｚ平面上に沿って通過させる。このとき、ガイド磁場発生装置からはガイド磁場が発生されており、該ガイド磁場によって該シートビームＥｓはシート形状が安定に保持されている。
When the electromagnetic wave X is oscillated using the
そうすると、コルゲート金属板２の表面波ＳがシートビームＥｓとの相互作用によって励起され、該表面波ＳはシートビームＥｓの進行方向（ｚ方向）に成長する。このとき、該コルゲート金属板２の出力取出し部分２ｂのコルゲート波長λｂが、電磁波成長部分２ａのコルゲート波長λａよりも長く設定されているので、該出力取出し部分２ｂにおいて表面波Ｓ（電磁波Ｘ）は垂直方向の伝播成分を持つこととなり、発振した電磁波Ｘは斜め方向に取り出され、電磁波ＸとシートビームＥｓとが分離される（図１および図２参照）。
Then, the surface wave S of the
これは、一般に、該コルゲート金属板２のコルゲート波長λを長くすると、該コルゲート金属板２の進行方向の波数ｋｚ、すなわち表面波Ｓ（電磁波Ｘ）の進行方向の波数ｋｚは強制的に小さくなり、周波数ωは不変であるため、表面波Ｓ（電磁波Ｘ）の垂直方向の波数ｋ⊥は実数成分を有することになって、表面波Ｓ（電磁波Ｘ）は垂直方向の伝播成分を持つこととなるためである。
Generally, when the corrugated wavelength λ of the
上記のような電磁波発振器１では、コルゲート金属板２の表面波ＳがシートビームＥｓとの相互作用によって励起され、該表面波ＳはシートビームＥｓの進行方向（ｚ方向）に成長するため、コルゲート金属板２の一方向の長さを長くすることによって、高出力（１Ｗ以上）の電磁波Ｘを発振させることができる。更に本実施例では、小型のガイド磁場発生装置は必要となるものの、大規模な磁場発生装置を必要とすることがないので、装置（電磁波発振器１）を小型化することができる。
In the
また、発振される電磁波Ｘの周波数ωはコルゲート金属板２のコルゲート波長λに依存するため、該コルゲート波長λを短くすることによって、高周波領域、特にテラヘルツ領域（１ＴＨｚ以上）の電磁波Ｘを発生させることができる。更に、コルゲート金属板２の表面の加工は、導波管の内壁の加工に比べて、加工作業が容易であるため、加工・工作コストが安くなるだけでなく、更なる高周波化を図ることも可能となる。
Further, since the frequency ω of the oscillated electromagnetic wave X depends on the corrugated wavelength λ of the
例えば、上記の電磁波発振器１を用いて、８０ｋｅＶのシートビームＥｓを使用した場合には、λａ＝１５ｍｍ、λｂ＝３０ｍｍ、ｄ＝１７ｍｍに設定することによって、１０ＧＨｚの電磁波Ｘを発振させることができる。
また、λａ＝１．５ｍｍ、λｂ＝３．０ｍｍ、ｄ＝１．７ｍｍに設定することによって、１００ＧＨｚの電磁波Ｘを発振させることができ、更に、λａ＝０．１５ｍｍ、λｂ＝０．３０ｍｍ、ｄ＝０．１７ｍｍに設定することによって、１ＴＨｚの電磁波Ｘを発振させることができる。
For example, when an 80 keV sheet beam Es is used using the
Further, by setting λa = 1.5 mm, λb = 3.0 mm, and d = 1.7 mm, an electromagnetic wave X of 100 GHz can be oscillated, and λa = 0.15 mm, λb = 0.30 mm, By setting d = 0.17 mm, an electromagnetic wave X of 1 THz can be oscillated.
また更に、本実施例では、電子ビームＥがシート状のシートビームＥｓであるため、平面的に存在するコルゲート金属板２の表面波Ｓを平面的なシートビームＥｓによって効率良く励起することができ、電磁波発振の高効率化を図ることができる。
Furthermore, in this embodiment, since the electron beam E is a sheet-like sheet beam Es, the surface wave S of the
以上、本発明の実施の形態を実施例により説明したが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではなく、請求項に記載された範囲内において目的に応じて変更・変形することが可能である。
例えば、本実施例では、電子ビームＥが平面状のシートビームＥｓである場合を例示したが、本実施例以外、電子ビームＥは直線状の電子ビームであってもよい。
The embodiments of the present invention have been described above by way of examples. However, the scope of the present invention is not limited to these embodiments, and can be changed or modified in accordance with the purpose within the scope of the claims. It is.
For example, in the present embodiment, the case where the electron beam E is a planar sheet beam Es is illustrated, but the electron beam E may be a linear electron beam other than the present embodiment.
本発明は、高周波かつ高出力の電磁波を発振することができ、更なる高周波化や小型化が可能な電磁波発振器として、産業上利用することが出来る。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used industrially as an electromagnetic wave oscillator that can oscillate high-frequency and high-output electromagnetic waves and can be further reduced in frequency and size.
１ 電磁波発振器
２ コルゲート金属板
２ａ 電磁波成長部分
２ｂ 出力取出し部分
４ 電子ビーム発生装置
ｄ コルゲート金属板表面とシートビームとの間の距離
Ｅ 電子ビーム
Ｅｓ シートビーム
Ｓ 表面波
Ｘ 電磁波
λａ 電磁波成長部分のコルゲート波長
λｂ 出力取出し部分のコルゲート波長
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Claims (3)
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|---|---|---|---|
| JP2004143162A JP4212514B2 (en) | 2004-05-13 | 2004-05-13 | Electromagnetic wave oscillator using surface wave |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP2004143162A JP4212514B2 (en) | 2004-05-13 | 2004-05-13 | Electromagnetic wave oscillator using surface wave |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| JP2005328217A JP2005328217A (en) | 2005-11-24 |
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