JP4533588B2 - クライストロン装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の空胴セルを有する出力空胴を備えたクライストロン装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、一般にこの種のクライストロン装置は、入力空胴、中間空胴および出力空胴が形成された長手環状のドリフト管を有する高周波相互作用部を備え、この高周波相互作用部のドリフト管の一端側に電子ビームを射出する電子銃部が配設され、ドリフト管の他端側には用済みの電子ビームを捕集するコレクタ部が配設されている。また、入力空胴から高周波電界を与え、電子ビームと高周波電界の相互作用により高周波電力を増幅し、出力空胴に出力導波管および出力窓を接続し、高周波電力を出力している。
【0003】
さらに、ドリフト管の周囲に設ける電子ビームの集束装置には、コイルをドリフト管の周囲に巻回した電磁石を用いコイルに発生した磁界により電子ビームを集束している。
【0004】
また、ピーク出力が大きなクライストロン装置としては、複数の空胴セルを有するいわゆるマルチセル空胴の出力空胴が知られている。このマルチセル空胴の出力空胴は、ドリフト管の長手方向に沿って複数の空胴セルが配設され、これら空胴セルの間に空胴セルより径小のアイリスが形成されている。また、出力空胴の各空胴セルでは発生する電圧を同一とすることが一般的であるため、空胴セルのインピーダンスを電子銃部から離れるに従い低下させる必要がある。そして、出力空胴では電子ビームを加速電圧に近い値まで減速する必要があり、空胴セルに発生する電圧は出力空胴でのトータルの電子ビームの減速電圧を所望の値に設定するために、アイリスは電子銃部から離れるに従い内径が径大に形成されている(たとえば特許文献1参照)。
【0005】
【特許文献1】
米国特許第5469022号明細書
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように、空胴セル間のアイリスの内径を電子銃部から離れるに従い径大にする場合、アイリスの内径が径大になることによりカップリングが低下したり、構造上変形を生じやすくなるおそれがある問題を有している。
【0007】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、確実にカップリングを図ることができるとともに構造上の強度の低下を防止したクライストロン装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電子ビームを発生する電子銃部と、一端にこの電子銃部が対向し真空気密を保つ長手管状のドリフト管、このドリフト管に設けられた入力空胴、および、このドリフト管の入力空胴に対して前記電子銃部側とは反対側に、前記電子銃部側から第1、第2および第3の空胴セルがドリフト管の長手方向に沿って形成され、これら空胴セル間に位置しそれぞれ内径は等しく前記電子銃部から遠ざかるに従い薄くなるアイリスが形成されたり、これら空胴セル間に位置し前記電子銃部から遠ざかるに従い空胴セル間の結合係数{kn,n+1(n=1,2)}を大きくしたそれぞれ内径は等しいアイリスが形成された出力空胴を備え、この出力空胴の各空胴セルでの前記電子銃部からの電子ビームの速度と出力空胴中の電磁波の速度とが一致するとともに、出力空胴でのトータルの電子ビームの減速電圧が加速電圧の0.8倍ないし1倍であり、各空胴セルに発生する電圧がV 1 、V 2 、V 3 、各空隙セルでの電子ビームの最外径と各空隙セルで発生する電磁界とのM値がそれぞれMr1、Mr2、Mr3のとき、減速電圧がMr1×|V 1 |+Mr2×|V 2 |+Mr3×|V 3 |で、|V 1 |:|V 3 |が1:2の関係にあり、高周波電力を増幅する高周波相互作用部と、この高周波相互作用部の入力空胴に高周波電力を入力する入力部と、前記高周波相互作用部の出力空胴からの高周波電力を出力する出力部と、前記高周波相互作用部のドリフト管の他端側に位置し電子ビームを捕集するコレクタ部とを具備したもので、空胴セル間のカップリングが良く、変形も生じにくく、電子銃部からの電子ビームと空胴セルで発生する電磁界の結合係数を設定することにより、出力空胴の空胴セルでの電子銃部からの電子ビームの速度と電磁波の速度を一致でき、大電力にも効率良く対応する。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のクライストロン装置の一実施の形態を図面を参照して説明する。
【0010】
図2に示すように、1はたとえば6GHz帯の高周波電力を増幅する大電力用のクライストロン装置で、このクライストロン装置1は下側となる基端側に電子ビームeを射出する電子銃部2が配設されている。この電子銃部2は、上方に向けたカソード3を有し、このカソード3の上方にカソード3に対向したアノード4が配設され、カソード3およびアノード4間には、電子ビームeを集束させる図示しない集束電極が配設されている。さらに、カソード3およびアノード4には、直流電源Eが接続されている。
【0011】
また、電子銃部2のアノード4には、長手状の高周波相互作用部6が気密に接続されている。この高周波相互作用部6は、中心に真空気密を保つ強度の大きい銅などの長手管状の金属製のドリフト管7を有し、このドリフト管7にはこのドリフト管7と同軸でドリフト管7より径大のいずれも同様に強度の大きい銅などの金属製の入力空胴11、中間空胴12〜14および出力空胴15が設けられている。そして、高周波相互作用部6では、電子ビームeおよび高周波電界の相互作用で高周波電力を増幅させ、ドリフト管7の周囲には電子ビームeを集束させる図示しない集束部が取り付けられている。
【0012】
そして、出力空胴15は、図1に示すように、電子銃部2側から複数の空胴セル、たとえば第1の空胴セル16、第2の空胴セル17および第3の空胴セル18のそれぞれ電子ビームeを変調する3つを有し、第1の空胴セル16および第2の空胴セル17の間には第1のアイリス21が形成され、第2の空胴セル17および第3の空胴セル18の間には第2のアイリス22が形成されている。また、第1のアイリス21の内径D1および第2のアイリス22の内径D2は等しくD1=D2の関係であり、第1のアイリス21の厚さW1と第2のアイリス22の厚さW2とは異なり、電子銃部2から離れ電子ビームeの進行に従い電子ビームeが遅くなる位置に従いそれぞれの第1ないし第3の空胴セル16〜18の間隔が短くなるように、電子銃部2から離れるに従い第1および第2のアイリス21,22の厚さが薄くなるように、W1>W2の関係である。ここで、第1のアイリス21の厚さW1、第2のアイリス22の厚さW2、第1のアイリス21の内径D1および第2のアイリス22の内径D2は、第3の空胴セル18のQ値と合わせてπ/2モードで第1の空胴セル16、第2の空胴セル17および第3の空胴セル18の電圧を所望の値とするように決定されている。
【0013】
また、第1の空胴セル16で高周波成分I1が発生し、第2の空胴セル17で高周波成分I2が発生し、第3の空胴セル18で高周波成分I3が発生する場合、π/2モードの第1の空胴セル16で電圧V1、第2の空胴セル17で電圧V2、第3の空胴セル18で電圧V3を誘起させるためには、第1の空胴セル16および第2の空胴セル17間の結合係数k12、第2の空胴セル17および第3の空胴セル18間の結合係数k23、第3の空胴セル18と外部の結合Q3は式1、式2および式3を満足するように決定すればよい。また、結合係数k12および結合係数k23をある値に選定し、トータルの電子ビームeの減速量が目標値となるように第3の空胴セル18および外部の結合Q3を選んでも同様である。ただし、これら式1、式2および式3は各第1の空胴セル16、第2の空胴セル17および第3の空胴セル18の共振周波数がクライストロン装置1の動作周波数foと一致している場合である(参考文献: T. Shintake, ”Recent Status of FCI: PIC Simulation of Coupled-Cavity Structure” KEK Preprint 96-121)。
【0014】
なお、第1の空胴セル16のR/Q値を(R/Q)1、第2の空胴セル17のR/Q値を(R/Q)2、および、第3の空胴セル18のR/Q値を(R/Q)3とする。
【0015】
(式1)
k12=2×((R/Q)1・(R/Q)2)1/2×|I1|/|V2|
(式2)
k23=2×((R/Q)2・(R/Q)3)1/2×|I2|/|V3|+((R/Q)3/(R/Q)1)×k12×|V1|/|V3|
(式3)
1/Q3=(R/Q)3×|I3|/|V3|+((R/Q)3/(R/Q)2)1/2×k23/2×|V2|/|V3|
また、第nの空胴セルおよび第mの空胴セル間での電子速度unmに対し、おおよそ第nの空胴セルおよび第mの空胴セルの間隔lmnがπ/2となるように第1のアイリス21の厚さW1、第2のアイリス22の厚さW2、第1ないし第3の空胴セル16〜18の高さを式4に示すように合わせている。
【0016】
(式4)
lmn=unm/f0/4
各セル電圧は各セルでの電子ビームeと電磁界の結合係数M値を考慮することにより電子ビームeの減速を任意の電圧比とすることも可能である。
【0017】
さらに、第nの空胴セルの電子ビームe最外径でのM値をMrn、第nの空胴セルの電圧の割合をαn、α1+α2+α3=0.8〜1とし、第nの空胴セルでの電子ビームeの高周波電流値をIωnとする。
【0018】
(式5)
V1=α1×V0/3/Mr1
(式6)
V2=α2×V0/3/Mr2
(式7)
V3=α3×V0/3/Mr3
(式8)
I1=Iω1×Mr1
(式9)
I2=Iω2×Mr2
(式10)
I3=Iω3×Mr3
そして、これら式5ないし式10を満足する構造とすれば、第1の空胴セル16ないし第3の空胴セル18の下流に行くに従い第1のアイリス21および第2のアイリス22の内径を広げる構造にすることなく、第1の空胴セル16ないし第3の空胴セル18に発生する電圧を所望の値にできる。進行波型空胴とするためには、第1の空胴セル16ないし第3の空胴セル18のインピーダンスを|V1|≒|V2|≒|V3|となるように下げた設定とし、式2で|V1|≒|V2|≒|V3|の時の結合係数k12、結合係数k23としなければならないが、本発明では|V1|≒|V2|≒|V3|の条件に拘る必要ない。そして、第1の空胴セル16ないし第3の空胴セル18の隣り合う間隔が式4に従って順次短くなるように第1のアイリス21の厚さW1に比べて第2のアイリス22の厚さW2の厚さを薄くし、このときの結合係数k12、結合係数k23および1/Q3が式1ないし式3、式5ないし式10により所望の電子ビームe減速、すなわちMr1×|V1|+Mr2×|V2|+Mr3×|V3|=必要な減速電圧を実現することが重要である。なお、第1の空胴セル16ないし第3の空胴セル18は下流であるほど電子ビームeの速度が遅くなりM値が小さくなるため、|V1|:|V3|≒1:2程度に設定されている。
【0019】
そして、ドリフト管7の下流にはコレクタ部25が取り付けられ、このコレクタ部25は高周波相互作用部6からの用済みの電子ビームeを捕集する。
【0020】
また、入力空胴11には、入力部31が気密に接続されている。この入力部31は入力空胴11に図示しない入力導波管が接続され、この入力導波管には入力窓が形成されて高周波電力を入力する。
【0021】
さらに、出力空胴15の第3の空胴セル18には出力部32が接続され、この出力部32は第3の空胴セル18に出力導波管33が接続され、出力導波管33には出力窓34が形成され高周波電力を出力する。
【0022】
ここで、上記実施の形態のクライストロン装置1の動作について説明する。
【0023】
まず、電子銃部2のカソード3から電子ビームeを射出し、高周波相互作用部6に入射する。この高周波相互作用部6では、入力部31の入力窓から入力空胴11に高周波電界を与え、高周波相互作用部6では中間空胴12〜14などで電子ビームeと高周波電界との相互作用により高周波電力を増幅し、出力空胴15から出力部32の出力窓34から高周波電力を出力する。
【0024】
また、出力空胴15では第1のアイリス21の厚さW1に比べ、第2のアイリス22の厚さW2が薄いため、第1から第3の空胴セル16〜18の間隔が順次短くなり、減速された電子ビームeの速度と出力空胴15中の電磁波の速度が一致する。また、W1>W2のため、出力空胴15内の隣り合う第1から第3の空胴セル16〜18間の結合係数kn,n+1(n=1,2)が順次大きくなり、第1から第3の空胴セル16〜18のインピーダンスを順次下げるが、アイリス内径を広げていないため、M値の低下を電子ビームeの減速によるもののみとし、各第1から第3の空胴セル16〜18電圧を制御できる。さらに、第1の空胴セル16ないし第3の空胴セル18のトータルの電子ビームeの減速電圧を加速電圧の0.8倍から1倍にする。
【0025】
一方、高周波相互作用部6で用済みの電子ビームeは、コレクタ部25で捕集され、外部にX線が漏洩することを防止する。
【0026】
上記実施の形態のように、第1のアイリス21および第2のアイリス22の内径を同じにすることにより、第1および第2のアイリス21,22の対向する内周での距離が広がらず、第1ないし第3の空胴セル16〜18間のカップリングが良く、構造上の強度も低下しないため出力空胴15にも変形が生じにくい。また、電子銃部2からの電子ビームeと第1ないし第3の空胴セル16〜18で発生する電磁界の結合係数を設定することにより、出力空胴15のそれぞれ第1ないし第3の空胴セル16〜18での電子銃部2からの電子ビームeの速度と電磁波の速度を一致でき、大電力にも効率良く対応できる。
【0027】
【発明の効果】
本発明によれば、空胴セル間のカップリングが良く、出力空胴に変形も生じにくく、さらには、電子銃部からの電子ビームと空胴セルで発生する電磁界の結合係数を設定することにより、出力空胴の空胴セルでの電子銃部からの電子ビームの速度と電磁波の速度を一致でき、大電力にも効率良く対応できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のクライストロン装置の一実施の形態の出力胴部を示す断面図である。
【図2】 同上クライストロン装置を示す断面図である。
【符号の説明】
1 クライストロン装置
2 電子銃部
6 高周波相互作用部
7 ドリフト管
11 入力空胴
15 出力空胴
16 第1の空胴セル
17 第2の空胴セル
18 第3の空胴セル
21 第1のアイリス
22 第2のアイリス
25 コレクタ部
31 入力部
32 出力部
e 電子ビーム
Claims (2)
- 電子ビームを発生する電子銃部と、
一端にこの電子銃部が対向し真空気密を保つ長手管状のドリフト管、このドリフト管に設けられた入力空胴、および、このドリフト管の入力空胴に対して前記電子銃部側とは反対側に、前記電子銃部側から第1、第2および第3の空胴セルがドリフト管の長手方向に沿って形成され、これら空胴セル間に位置しそれぞれ内径は等しく前記電子銃部から遠ざかるに従い薄くなるアイリスが形成された出力空胴を備え、この出力空胴の各空胴セルでの前記電子銃部からの電子ビームの速度と出力空胴中の電磁波の速度とが一致するとともに、出力空胴でのトータルの電子ビームの減速電圧が加速電圧の0.8倍ないし1倍であり、各空胴セルに発生する電圧がV 1 、V 2 、V 3 、各空隙セルでの電子ビームの最外径と各空隙セルで発生する電磁界とのM値がそれぞれMr1、Mr2、Mr3のとき、減速電圧がMr1×|V 1 |+Mr2×|V 2 |+Mr3×|V 3 |で、|V 1 |:|V 3 |が1:2の関係にあり、高周波電力を増幅する高周波相互作用部と、
この高周波相互作用部の入力空胴に高周波電力を入力する入力部と、
前記高周波相互作用部の出力空胴からの高周波電力を出力する出力部と、
前記高周波相互作用部のドリフト管の他端側に位置し電子ビームを捕集するコレクタ部と
を具備したことを特徴とするクライストロン装置。 - 電子ビームを発生する電子銃部と、
一端にこの電子銃部が対向し真空気密を保つ長手管状のドリフト管、このドリフト管に設けられた入力空胴、および、このドリフト管の入力空胴に対して前記電子銃部側とは反対側に、前記電子銃部側から第1、第2および第3の空胴セルがドリフト管の長手方向に沿って形成され、これら空胴セル間に位置し前記電子銃部から遠ざかるに従い空胴セル間の結合係数{kn,n+1(n=1,2)}を大きくしたそれぞれ内径は等しいアイリスが形成された出力空胴を備え、この出力空胴の各空胴セルでの前記電子銃部からの電子ビームの速度と出力空胴中の電磁波の速度とが一致するとともに、出力空胴でのトータルの電子ビームの減速電圧が加速電圧の0.8倍ないし1倍であり、各空胴セルに発生する電圧がV 1 、V 2 、V 3 、各空隙セルでの電子ビームの最外径と各空隙セルで発生する電磁界とのM値がそれぞれMr1、Mr2、Mr3のとき、減速電圧がMr1×|V 1 |+Mr2×|V 2 |+Mr3×|V 3 |で、|V 1 |:|V 3 |が1:2の関係にあり、高周波電力を増幅する高周波相互作用部と、
この高周波相互作用部の入力空胴に高周波電力を入力する入力部と、
前記高周波相互作用部の出力空胴からの高周波電力を出力する出力部と、
前記高周波相互作用部のドリフト管の他端側に位置し電子ビームを捕集するコレクタ部と
を具備したことを特徴とするクライストロン装置。
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