JP4294679B2 - 電力終端器 - Google Patents

Description

本発明は、高周波帯で使用される大電力用の電力終端器（ダミーロード：電力吸収用模擬負荷抵抗）に関する。

例えばＵＨＦ帯の大電力で使用される粒子加速器等の電力給電系では、終端に、反射成分の電力を吸収するための電力終端器が取付けられる。矩形導波管型の電力終端器において、高周波電力を導入する開口部のうち、電界に平行な面（幅が狭い面）を「磁界面（Ｈ面）、電界に対して垂直となる面（幅が広い面）を「電界面（Ｅ面）」と呼ぶ。大電力の給電系では、電界面の発熱が無視できなくなるほどの大電力の給電では、発熱を抑制する構造にしたり、発熱を冷却させるための工夫を施しているのが一般的である。

図６は、冷却手段を有する従来の電力終端器の電界面の断面図である。この電力終端器は、高周波電力６０を導入するための矩形開口面が形成されたフランジ６２付の導波管６１の内側に、ガラス管等から成る冷却パイプ６３が取り付けられている。冷却パイプ６３には、導波管６１の終端部６４に設けられた入口栓６５から流入し、出口栓６６より流出する冷却水が充填され、この冷却水で高周波電力を吸収している。

図７は、従来の他の構成による電力終端器の磁界面の断面図である。この電力終端器は、高周波電力６０を導入するための矩形開口面が形成されたフランジ７２を有し、且つ、磁界面を終端部７４に向かうにつれて小さくした導波管７１の内面に、熱伝導度が良好で放出ガス量の小さい炭化珪素（以下、ＳｉＣ）等からなる抵抗体７３を取り付け、この抵抗体７３で、高周波電力６０を吸収するとともに、導波管７１の一対の電界面の外壁に、それぞれ冷却パイプ７５を取り付け、この冷却パイプ７５に冷却水を充填することにより、抵抗体７３における発熱を吸収している。

なお、ＳｉＣタイルを導波管内面に取り付けるとともに、導波管外壁に冷却水で冷却を行うようにした大電力終端器については、特開平９−１６２６０６号公報の記載を参考にすることができる。

特開平９−１６２６０６号公報

図６に示した構造の電力終端器では、導波管６１の内面で、冷却パイプ６３で冷却水を仕切っているため、冷却パイプ６３が破損すると、冷却水が導波管６１内に漏洩するおそれがあった。導波管６１内では、放電防止のためにＳＦ６ガス雰囲気や高真空に保たれている場合が多いので、冷却水が漏洩すると、導波管６１や、フランジ６２を通じて接続される加速管、電子管等の設備に重大な損害を与えるおそれがある。そのため、このような電力終端器では、長期間の使用にあたっての信頼性が問題となっていた。

ＳｉＣ等の抵抗体を導波管７１の内面に取り付けた図７に示した構造の電力終端器では、導波管７１の入り口付近の抵抗体７３での吸収電力が大きいため、発熱した抵抗体７３の温度がＳＦ６ガス等の分解温度以上になることがある。そのため、ＳＦ６等のガス雰囲気中で用いることが困難になる場合があるという問題があった。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、ガス雰囲気や高真空内における大電力での使用に適した電力終端器を提供することを目的とする。

本発明の電力終端器は、高周波電力を管軸方向に導入させるための開口面を有するフランジ部と、このフランジ部から延びる導波管部とを有し、導波管部は、その内壁断面サイズが、前記開口面から管軸を中心として終端方向に大きくなり、前記開口面から所定距離離れた前記内壁断面サイズが最大となる部位を起点に終端部方向に磁界面の高さが低くなるものであり、且つ、少なくとも前記所定距離離れた部位から終端部までの内壁のうち、電界に対して垂直となる部位に、電力吸収体が取り付けられていることを特徴とする。
このような構成の電力終端器では、開口面に導入された高周波電力の密度が、開口面から内壁断面サイズが最大となる部位に至るまで小さくなるので、電界の強さが相対的に高く、局所的に発熱が生じやすい開口面付近における電力吸収体の発熱密度を小さくすることができる。このようにして高周波電力を電力吸収体で吸収した後、磁界面の高さを終端部に至るまで小さくすることで、均一且つ効率的な電力吸収が可能になる。

前記導波管部の内壁断面サイズは、当該導波管部の磁界面の内壁高及び電界面の内壁幅の少なくとも一方に応じて変化する。つまり、内壁断面サイズが最大になるまでは、磁界面の内壁高のみ、電界面の内壁幅のみ、あるいは双方を大きくすることによって、内壁断面サイズを大きくする。より具体的には、導波管部の内壁断面サイズは、前記開口面から前記最大となる部位に至るまで、管内を伝送する高周波の実効波長、例えば導波管の基本伝送モード（ＴＥ１０モード）での高周波の実効波長の（λ）の１／４毎に大きくなるようにする。あるいは、前記開口面から前記最大となる部位に至るまで、テーパ状に大きくなるようにする。これにより、高周波特性を損なうことなく、局所的な発熱を抑制することができる。

なお、導波管部の内壁断面サイズが上記のように大きくなるのに加え、あるいは、導波管部の内壁断面サイズにかかわらず、前記導波管部の電界面のほぼ中央部、つまり電界強度が相対的に強い部分に、管軸に沿って終端部方向に延びるリッジ部を形成し、前記電力吸収体を、前記リッジ部の近傍の電界面の内壁、例えばリッジ部の両サイドに取り付けるようにしても良い。
これにより、導波管内部の電界強度の弱い部分で電力吸収体により高周波電力を吸収するので、導波管内部電界の最大点による電力吸収体の局所的発熱を抑えることができ、電力吸収体全体における発熱を均一化することができる。

本発明の他の実施形態による電力終端器は、前記導波管部の外壁に、冷却媒体が接触していることを特徴とする。冷却媒体は、例えば冷却ダクトを導波管部の外壁に設け、この冷却ダクト内に冷却水等を流すことによって具体化される。このように冷却媒体を設けることで、電力吸収体の熱的破壊や温度上昇によるＳＦ6ガス等の分解を防ぐことができる。

本発明によれば、導波管部における局所的な発熱が抑制され、発熱発生個所を分散することができるので、高電力高周波で、ガス雰囲気や高真空環境においても安全な電力終端器を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態例を説明する。
［第１実施形態］
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態の電力終端器の外観斜視図、同（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。
この実施形態の電力終端器は、フランジ部１１と、断面矩形状の第１導波管部１２及び第２導波管部１３と、終端部１４とを有する矩形導波管型の電力終端器である。フランジ部１１の中央部には、高周波電力を導入させるための開口部が形成されている。フランジ部１１及び終端部１４の中央部よりも外側に形成されている孔部は、ボルト接続のためのものである（以下、後述する各実施形態において同じ）、第１導波管部１２は、その内壁の磁界面の内壁高ａ１が、開口面から管軸を中心として終端方向に大きくなり、開口面から使用信号の波長λの１／２だけ離れた部位で最大値ｂ１となる。

第２導波管部１３は、内壁断面サイズが最大となる上記の部位を起点に、終端部１４の方向に磁界面の内壁高が低くなる。電界面の幅は、開口部付近から終端部１４に至るまで一定である。第２導波管部１３の電界面の内壁には、電力吸収体１５が取り付けられている。電力吸収体１５としては、導電性セラミックスであるＳｉＣを用いることができる。

この実施形態の電力終端器では、開口面に導入された高周波電力の密度が、開口面から磁界面の内壁高が最大となる部位に至るまで、徐々に小さくなる。高周波電力の電界の強さは、導入されたばかりの部位が相対的に高いので、当該部位での磁界面の内壁高を大きくすることにより発熱密度を小さくすることができ、電力吸収体１５の局所的な発熱を抑制することができる。そして、高周波電力を開口面付近の電力吸収体１５で吸収した後、磁界面の内壁高を終端部に至るまで小さくすることで、全体にわたって均一且つ効率的な電力吸収が可能になる。
なお、ｂ１／ａ１は、管内モードに悪影響を及ぼさない範囲で大きくすることができる。本発明者らの実測によれば、１〜１．８の範囲での実用化が可能である。

［第２実施形態］
図２（ａ）は、本発明の第２実施形態の電力終端器の外観斜視図、同（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。
この実施形態の電力終端器は、フランジ部２１と、断面矩形状の第１導波管部２２及び第２導波管部２３と、終端部２４とを有する。フランジ部２１の中央部には、高周波電力を導入させるための開口部が形成されている。第１導波管部２２は、磁界面の内壁高が、開口面から管軸を中心として終端方向に、ＴＥ１０モードで伝送する高周波の実効波長λの１／４毎にステップ的に大きくなり、開口面からλ／２だけ離れた部位で最大値となる。

第２導波管部２３は、磁界面の内壁高が最大となる上記の部位を起点に終端部２４の方向に磁界面の内壁高が低くなる。電界面の幅は、開口部付近から終端部２４に至るまで一定である。第２導波管部２３の電界面の内壁には、電力吸収体２５が取り付けられている。電力吸収体２５としては、ＳｉＣを用いることができる。
この実施形態の電力終端器では、第１実施形態の効果に加え、高周波特性に影響を与えることなく、第１導波管部２２の長さを短くすることができるという利点が生じる。

［第３実施形態］
図３（ａ）は、本発明の第３実施形態の電力終端器の外観斜視図、同（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。
この実施形態の電力終端器は、フランジ部３１と、断面矩形状の第１導波管部３２及び第２導波管部３３と、終端部３４とを有する。フランジ部３１の中央部には、高周波電力を導入させるための開口部が形成されている。第１導波管部３２は、その内壁の電界面の内壁幅ａ２が、開口面から管軸を中心として終端方向に大きくなり、開口面から使用信号の波長λの１／２だけ離れた部位で最大値ｂ２となる。

第２導波管部３３は、内壁断面サイズが最大となる上記の部位を起点に、電界面の幅が一定で、磁界面の内壁高が終端部３４に向かうにつれて低くなる。なお、図示を省略してあるが、第２導波管部３３の電界面の内壁には、ＳｉＣ等から成る電力吸収体が取り付けられている。

この実施形態の電力終端器では、開口面に導入された高周波電力の密度が、開口面から電界面の内壁幅が最大となる部位に至るまで、徐々に小さくなる。これにより、高周波電力が導入したばかりの部位における発熱密度が小さくなり、電力吸収体の局所的な発熱を抑制することができる。
なお、ｂ２／ａ２は、管内モードに悪影響を及ぼさない範囲で大きくすることができる。本発明者らの実測によれば、１〜１．８の範囲での実用化が可能である。

［第４実施形態］
図４（ａ）は、本発明の第４実施形態の電力終端器の外観斜視図、同（ｂ）は（ａ）の導波管部の電界面及び磁界面に対してそれぞれ直交する方向の断面図である。フランジ及び第１導波管部については、図示を省略してある。
この実施形態の電力終端器は、第２導波管部４３の一対の電界面のほぼ中央部に、それぞれ管軸に沿って終端部方向に延びるリッジ部４３１を形成し、このリッジ部４３１の近傍の電界面の内壁に、電力吸収体４３２を取り付けたものである。電力吸収体４３２としては、ＳｉＣを用いることができる。磁界面の内壁高については一定とする。
この実施形態の電力終端器では、電力吸収体４３２がリッジ部４３１のサイドに配されるので、第２導波管４３の電界強度の弱い部分で高周波電力が吸収されることになる。そのため、電界強度の最大点による電力吸収体の局所的発熱を抑えることができ、電力吸収体全体における発熱を均一化することができる。

［第５実施形態］
図５は、本発明の第５実施形態の電力終端器の外観斜視図である。
この実施形態の電力終端器は、発熱する部位に冷却媒体を取り付けたものである。例えば、第１実施形態の電力終端器において、第２導波管部１３の外壁のうち、電界面の外壁に第１の冷却ダクト５１の表面、磁界面の外壁に第２の冷却ダクト５２の表面を、それぞれロー付けにより接合させ、これにより、冷却ダクト５１，５２の表面が第２導波管部１３の外壁表面と接触するようにする。そして、各冷却ダクト５１，５２に、終端部１４の近傍に設けられた水供給機構５３から、それぞれ冷却水等を流すようにする。このような構造の冷却媒体を設けることで、電力吸収体の熱的破壊や温度上昇によるＳＦ6ガス等の分解を防ぐことができる。

以上、本発明の特徴を実施の形態例を示して説明したが、本発明は、上記の例に限定されるものではなく、種々の形態で実施が可能である。
例えば、第１及び第２実施形態では磁界面の内壁高を変え、第３実施形態では電界面の内壁幅を変えることによって、第２導波管部１３〜３３の内壁断面サイズを変える場合の例を示したが、磁界面の内壁高と電界面の内壁幅の双方を変えることによって、内壁断面サイズを変えるようにしても良い。

また、第４実施形態では、リッジ部４３１及び電力吸収体４３２を第２導波管部４３のみに設けた場合の例を示したが、これらは第１導波管部にも設けるようにしても良い。

また、第５実施形態では、冷却ダクト５１，５２が取り付けられる部位を、第１実施形態で示した第２導波管部１３の外壁とした場合の例を示したが、第２〜第４実施形態の第２導波管部２３，３３，４３の外壁に取り付けるようにしても良い。また、第５実施形態では、電界面の外壁と磁界面の外壁の双方に冷却ダクト５１，５２を取り付けた例を説明したが、発熱の顕著な部位、例えば、電力吸収体の取付部位に対応する第２導波管部の外壁のみに冷却ダクト５１，５２を取り付けるようにしても良い。さらに、第２導波管部のみならず、冷却媒体の取付部位を、第１導波管部にまで延びるようにしても良い。

本発明は、大電力の高周波を用いる粒子加速器、レーダ、通信機等で使用される導波管の終端に取付ける電力終端器として、広く利用が可能である。

（ａ）は、本発明の第１実施形態の電力終端器の外観斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。 （ａ）は、本発明の第２実施形態の電力終端器の外観斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。 （ａ）は、本発明の第３実施形態の電力終端器の外観斜視図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。 （ａ）は、本発明の第４実施形態の電力終端器の外観斜視図、（ｂ）は第２導波管部の断面図である。 本発明の第５実施形態の電力終端器の外観斜視図である。 従来の電力終端器の構成例を示す図。 従来の他の電力終端器の構成例を示す図。

符号の説明

１１，２１，３１，４１・・・フランジ部、１２，２２，３２・・・第１導波管部、１３，２３，３３，４３・・・第２導波管部、１４，２４，３４，４４，６４，７４・・・終端部，１５，２５，４３２，７３・・・電力吸収体、４３１・・・リッジ部、５１，５２・・・冷却ダクト、５３・・・水供給機構、６０・・・高周波電力、６１，７１・・・導波管、６３，７５・・・冷却パイプ、６５・・・入口栓、６６・・・出口栓。

Claims (5)

1. 高周波電力を管軸方向に導入させるための開口面を有するフランジ部と、このフランジ部から延びる導波管部とを有し、
   導波管部は、その内壁断面サイズが、前記開口面から管軸を中心として終端方向に大きくなり、前記開口面から所定距離離れた前記内壁断面サイズが最大となる部位を起点に終端部方向に磁界面の内壁高の高さが低くなるものであり、
   且つ少なくとも前記所定距離離れた部位から終端部までの内壁のうち、電界に対して垂直となる一対の電界面のそれぞれのほぼ中央部に、管軸に沿って終端部方向に延びるリッジ部が形成されており、前記リッジ部の近傍の前記一対の電界面のそれぞれの内壁に電力吸収体が取り付けられていることを特徴とする、
   電力終端器。
2. 前記導波管部の内壁断面サイズは、当該導波管部の磁界面の内壁高または電界面の内壁幅の少なくとも一方に応じて前記最大となる部位まで大きくなることを特徴とする、
   請求項１記載の電力終端器。
3. 前記導波管部の内壁断面サイズが、前記開口面から前記最大となる部位に至るまで、管内を伝送する高周波の実効波長の１／４毎に大きくなることを特徴とする、
   請求項２記載の電力終端器。
4. 前記導波管部の内壁断面サイズが、前記開口面から前記最大となる部位に至るまで、テーパ状に大きくなることを特徴とする、
   請求項２記載の電力終端器。
5. 前記導波管部の外壁に、冷却媒体が接触していることを特徴とする、
   請求項１ないし４のいずれかの項記載の電力終端器。

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