JP4805656B2

JP4805656B2 - マルチビームクライストロン装置

Info

Publication number: JP4805656B2
Application number: JP2005317122A
Authority: JP
Inventors: 節雄三宅
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electron Tubes and Devices Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Electron Tubes and Devices Co Ltd
Priority date: 2005-10-31
Filing date: 2005-10-31
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2025-10-31
Also published as: EP1964146B1; US20080157677A1; WO2007052774A1; EP1964146A4; JP2007123184A; US7471053B2; EP1964146A1

Description

本発明は、高周波電力を増幅するマルチビームクライストロン装置に関する。

従来、クライストロン装置は、電子ビームを発生する電子銃部、高周波電力を入力する入力部と、電子ビームと高周波電界との相互作用により高周波電力を増幅する高周波相互作用部、高周波相互作用部から高周波電力を出力する出力部と、用済みの電子ビームを捕集するコレクタ部を有するクライストロン本体と、このクライストロン本体に装着されて電子ビームを集束する集束磁界装置とを備えている。

集束磁界装置は、クライストロン本体の軸方向に沿って磁力線を発生させる電磁石を数個〜十数個配置した構成が多く使用されている。この電磁石の円環状のコイルをクライストロン本体の周囲に設置し、そのコイルに流す電流が作る磁界によって電子ビームを集束する。電子ビーム軸上での磁界の向きは、電子銃部のカソードからコレクタ部まで同一方向で、磁束密度は高周波相互作用部では概略一様で、出力部の付近は電子ビームが拡がらないように多少強くさせ、電子銃部およびコレクタ部ではそれよりはるかに弱い、ある適切な値となっている。

従来の電子ビームが１本のクライストロン装置の電子銃部は、高周波相互作用部の入口側の磁極であるポールピースの電子ビームが通る穴の径と電子銃部のカソードまでの距離および電子銃部の集束電極の形状を適正化することにより、ポールピースの穴から漏れる磁力線の拡がりに沿って逆に電子ビームを絞る、磁界界浸型集束を採用することが多い。

また、パービアンスと呼ばれるビーム電圧に対するビーム電流の割合が小さい方が、クライストロン装置の出力変換効率が高くなることが、当該分野では一般的に知られている。そして、電子ビームの数を従来の１本から数本〜数十数本とし、それぞれの電子ビームのパービアンスを低く設定し、電子銃部に印加するビーム電圧を抑えてなおかつ総合的に高出力変換効率が得られるマルチビームクライストロン装置が高効率化の１つの手段であることも知られている。

このマルチビームクライストロン装置の集束磁界装置では、ポールピースの中心軸から離れた場所において複数の電子ビームを通すための複数の穴が設けられる。そのため、ポールピースの中心軸から外れた場所に設けた穴から電子銃部に漏れ出す磁力線は集束磁界装置から遠ざかるに従って広がるために、電子銃部の各カソードなどは球面状のように３次元的に配置する必要がある。さらに、通常の磁界界浸型集束に使用する磁界分布では電子ビームのビーム径に対して非常に大きい穴をポールピースに設ける必要があり、ポールピースの穴を通過する電子ビームに対して他の電子ビーム用の穴から漏れ出す磁界が影響してしまう。

また、電子銃部のカソードの周辺に鉄−ニッケル−コバルト型などの磁性体である共有ポールピースを配置するとともに、集束磁界装置には電子銃部側に突出する１つの磁界発生素子を配置し、さらに、追加のポールピースおよび磁界発生素子を少なくとも１段設けることにより、電子銃部の各カソードなどは球面状の配置ではなく平面上に配置し、各電子ビームの集束に適した磁界を発生させるように考慮したマルチビームクライストロン装置がある（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１１−１６５０４号公報（第３−５頁、図１−３）

上述のように、複数の電子ビームの集束に適した磁界を発生させるように考慮したマルチビームクライストロン装置があるが、集束磁界装置から電子銃部側に突出する１つの磁界発生素子で発生する磁界には径方向の成分が発生し、電子ビームを曲げてしまう。

また、構造が複雑化し、特に、電子銃部に共有ポールピースを配置するために電子銃部が複雑になる問題がある。さらに、電子銃部のカソードは通常１０００℃付近で動作させるために、カソードだけでなく電子銃部の集束電極も数１００℃となるが、このカソードの直近で集束電極に包囲された場所に共有ポールピースを配置するため、カソード周辺の熱容量の増加に伴うヒータ電力の増加、ガス放出の増加、異種金属による熱変形などの問題があり、電子銃部の構成部品の熱変形を考慮して常温の状態での構成部品の設計、製作が難しくなる問題がある。

また、ビーム軸の軸上磁界分布を通常の単一ビーム管の場合とほぼ同じになるよう調整しているため、ポールピースの穴を通過する電子ビームに対して他の電子ビーム用の穴から漏れ出す磁界の影響は無視できず、これに対する対策が必要である。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、電子銃部を複雑にせず、中心軸から離れた電子ビーム軸付近に中心軸と平行な磁力線が得られるマルチビームクライストロン装置を提供することを目的とする。

本発明のマルチビームクライストロン装置は、複数の電子ビームを発生する電子銃部と、高周波電力を入力する入力部と、前記電子銃部で発生した電子ビームと高周波電界との相互作用により前記入力部から入力された高周波電力を増幅する高周波相互作用部と、前記高周波相互作用部から高周波電力を出力する出力部と、前記高周波相互作用部を通過する電子ビームを捕集するコレクタ部と、前記電子銃部の周囲に位置する電子銃部側磁界発生素子とこの電子銃部側磁界発生素子を覆うとともに内周面には電子ビーム進行方向に対応して複数の磁気間隙を設けた磁極とを有する電子銃部側磁界発生部、前記高周波相互作用部の周囲に位置する主磁界発生素子、およびこの主磁界発生素子と前記電子銃部側磁界発生部との間に位置する電子ビーム軌道補正用の補正用磁界発生素子を備え、前記電子銃部で発生した電子ビームを集束する集束磁界装置とを具備しているものである。

本発明によれば、電子銃部の周囲に電子銃部側磁界発生部の磁界発生素子を配置するとともに、この磁界発生素子を覆う磁極の内周面には電子ビーム進行方向に対応して複数の磁気間隙を設けることにより、高周波相互作用部の中心軸と平行な磁力線を発生させることができ、電子銃部の中心軸から離れた場所から発生する電子ビームでも、電子銃部の中心軸にある場合と同様に高周波相互作用部に導くことができる。

そのため、電子銃部側磁界発生部を設けるだけで、電子銃部が複雑化することなく、電子銃部のカソードなどを平面状に配置可能となるとともに、例えば、各電子ビームが通過する集束磁界装置のポールピースの各穴を狭くすることが可能となってポールピースの穴を通過する電子ビームに対して他の電子ビーム用の穴からの漏れ磁界の影響を低減できる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１ないし図７に第１の実施の形態を示す。

図１に示すように、マルチビームクライストロン装置11は、クライストロン本体12および集束磁界装置13を備えている。図１において、14はマルチビームクライストロン装置11の中心軸を示している。

図２に示すように、クライストロン本体12は、複数の電子ビームを発生する電子銃部18、電子ビームと高周波電界との相互作用により高周波電力を増幅する高周波相互作用部19、高周波相互作用部19に高周波電力を入力する入力部20、高周波相互作用部19から高周波電力を出力する出力部21、高周波相互作用部19を通過した用済みの電子ビームを捕集するコレクタ部22を備えている。

電子銃部18は、中心軸14を中心とする円周上にそれぞれ配置されて電子ビームを発生する複数のカソード26を有している。図５に示すように、各カソード26に対向してアノード27が配設され、カソード26の周囲に電子ビーム28を集束させる集束電極29が配設されている。なお、図５において、30は電子ビーム28の中心軸を示し、31は電子銃部18内での等電位線を示している。

図２に示すように、高周波相互作用部19は、中心軸14を中心とする円周上にそれぞれ配置されて各電子ビーム28が通過する複数のドリフト管33、入力部20が接続された入力空胴34、複数の中間空胴35、出力部21が接続された出力空胴36を有し、電子ビーム28と高周波電界との相互作用により高周波電力を増幅する。

次に、図１、図３および図４に示すように、集束磁界装置13は、高周波相互作用部19の周囲に配置される主磁界発生部40およびこの主磁界発生部40の一端側において電子銃部18の周囲に配置される電子銃部側磁界発生部41を備えている。なお、図３は集束磁界装置13の磁力線解析結果を示す説明図、図４は電子銃部18近傍を拡大した集束磁界装置13の磁力線解析結果を示す説明図であり、それぞれ、横軸はマルチ・ビーム・クライストロン装置の中心軸を０とした径方向の距離を示し、縦軸はカソード26の設計中心座標を０とした軸方向の距離を示す。これら図３および図４において、42は主磁界発生部40および電子銃部側磁界発生部41が発生する磁力線を示している。

主磁界発生部40は、軸方向に長い主磁界発生素子としての主コイル44を有し、この主コイル44の軸方向の両端に横磁界補正コイル45が配置され、主コイル44の一端側であって電子銃部側磁界発生部41との間に軸方向に２個の電子ビーム軌道補正磁石であってマッチングコイルである補正用磁界発生素子としてのマッチング磁石46が配置され、主コイル44の他端側であって出力空胴36より外側に配置される出力コイル47が配置されている。電子ビーム軌道補正磁石である
これら各コイル44，45，47およびマッチング磁石46の外周に外周磁極48が配置され、内側にリターンフレームである内周磁極49が配置され、外周磁極48の軸方向の両端、主コイル44の両端であって横磁界補正コイル45の外側および２個のマッチング磁石46の間に複数の円盤磁極であるポールピース50がそれぞれ配置されている。外周磁極48、内周磁極49および各ポールピース50は、磁性体で形成され、各コイル44，45，47およびマッチング磁石46の磁界を内側に発生させている。

図５に示すように、各ポールピース50には、中心軸14を中心とする円周上にそれぞれ配置されて各電子ビーム28が通過する複数の穴51が形成されている。

また、電子銃部側磁界発生部41は、主磁界発生部40における電子銃部18側のポールピース50の外側に配置され、バッキングコイルである１個の電子銃部側磁界発生素子としてのバッキング磁石52を有し、このバッキング磁石52は主磁界発生部40における電子銃部18側のポールピース50に接合された磁性体で構成される磁極としての電子銃部側磁極53によって取り囲まれている。電子銃部側磁極53は、外周磁極、内周磁極、軸方向の両端の磁極を有し、電子銃部側磁極53の内周面には軸方向であって電子ビームの進行方向に対応した２個の磁気間隙54，55が位置に形成されている。

そして、マルチビームクライストロン装置11では集束磁界装置13の中心軸14から外れた場所に複数の電子ビーム28が発生するが、中心軸14から外れた場所では主コイル44の両端において軸方向の磁界だけでなく横磁界が発生するために電子ビーム28が曲げられる恐れがあり、この横磁界を抑制するために軸方向の長さが長い主コイル44の上下に電流密度の高い横磁界補正コイル45が設けられている。出力空胴36付近での電子ビーム28の拡がりを抑制するために出力コイル47が設けられている。主コイル44と出力コイル47との相互の影響を避けるために主コイル44と出力コイル47との間を仕切るポールピース50が設けられている。そのため、高周波相互作用部19の各電子ビーム28が通る部分では中心軸14と平行な磁力線42が得られる。

電子銃部側磁界発生部41のバッキング磁石52が１個の場合、２箇所の磁気間隙54，55の距離は、電子ビーム28の上流側の磁気間隙54を広く、下流側の磁気間隙55を狭くするように磁気間隙長を調整すれば、図４に示すように、２箇所の磁気間隙54，55からの漏れ磁界により、中心軸14から離れた電子ビーム軸付近に中心軸14と平行な磁力線42が得られるように設定できる。

図４の磁力線42はバッキング磁石52の内周の磁気間隙54，55からの漏れ磁界がわかる範囲のみを示している。横軸の目盛り６０ｍｍは電子ビーム28の設計中心値、縦軸の目盛り０ｍｍはカソード26の設計中心座標を示し、カソード26に半径２０ｍｍを採用した場合、横軸の４０ｍｍから８０ｍｍの範囲でかつ縦軸の０ｍｍからポールピース50に至る範囲での磁力線42は中心軸14とほとんど平行であることが判る。

また、電子銃部18に平行磁界を印加した場合、電子銃部18の集束電極29による静電集束のみでは電子ビーム28が波状となるようなリップルが残ってしまう。このリップルを低減するために、主コイル44および横磁界補正コイル45とバッキング磁石52との間に磁気レンズである２個のマッチング磁石46が配置されている。各マッチング磁石46の軸方向の両端にはポールピース50がそれぞれ配置され、各マッチング磁石46の内周側には磁気間隙58，59が形成されている。

マッチング磁石46を用いることにより、図５の電子ビーム28の軌道解析結果に示すように、マッチング磁石46の付近で一旦、電子ビーム28が膨らみかかるが、マッチング磁石46の領域を過ぎると断面が一定な電子ビーム28が得られる。

図６に、中心軸14から６０ｍｍ離れた電子ビーム28の中心軸30での軸上磁束密度とカソード26の設計中心座標からの軸方向の距離との関係を示すが、カソード26の場所である０ｍｍから、ポールピース50の穴51から漏れ出す磁界が加わる直前の場所の５０ｍｍ程度まで、一定の磁束密度が得られている。したがって、電子ビーム28のリップルを低減できる。

このように、電子銃部18の周囲に電子銃部側磁界発生部41のバッキング磁石52を配置するとともに、このバッキング磁石52を覆う電子銃部側磁極53の内周面には軸方向に複数の磁気間隙54，55を設けることにより、中心軸14と平行な磁力線42を発生させることができ、電子銃部18の中心軸14から離れた場所から発生する電子ビーム28でも、電子銃部18の中心軸14にある場合と同様に高周波相互作用部19に導くことができる。しかも、マッチング磁石46を用いることにより、電子ビーム28のリップルを低減できる。

そのため、電子銃部側磁界発生部41を設けるだけで、特に電子銃部18が複雑化することなく、電子銃部18のカソード26などを平面状に配置可能となる。

また、通常の単一ビームクライストロン装置における電子銃部側のポールピースには、電子銃部での電子ビームの集束に必要な軸上磁束密度分布となるように、電子ビームの太さに対してかなり大きな穴を設ける必要があるが、本実施の形態では、電子銃部18に平行磁界を印加するので、電子銃部18側のポールピース50の穴51は電子ビーム28が通るための必要最小限の径でよく、従って、ポールピース50の穴51を通過する電子ビーム28に対して他の電子ビーム28用の穴51から漏れる磁界の影響を低減できる。

また、図７に示すように、主磁界が一定のままで、バッキング磁石52により中心軸14と平行な磁力線42のカソード磁界を変化させ、マッチング磁石46でリップル調整を実施することで、目的とする電子ビーム28の径を自由に変えることができる。図７では、カソード磁界を５０．７ガウス、６２．６ガウス、７４．５ガウス、８６．５ガウスに変化させた場合ビーム径が４．３ｍｍから５．５ｍｍの範囲で調整できる。

次に、図８に第２の実施の形態を示す。

なお、第１の実施の形態と同一部分は同一符号を用いてその説明を省略する。

電子銃部側磁界発生部41において、第１のバッキング磁石52aと第２のバッキング磁石52bとを用い、これらバッキング磁石52a，52bを軸方向に配置するとともに、電子銃部側磁極53の内周面には各バッキング磁石52a，52bの内周面に磁気間隙54，55が形成されている。電子ビーム28の下流側の磁気間隙55はほとんど開放状態に開口されて形成されているが、第２のバッキング磁石52bの条件などを変えれば、中心軸14から離れた電子ビーム軸付近に中心軸14と平行な磁力線42が得られるように設定できる。

そして、図８の磁力線42はバッキング磁石52a，52bの内周の磁気間隙54，55からの漏れ磁界がわかる範囲のみを示している。横軸の目盛り６０ｍｍは電子ビーム28の設計中心値、縦軸の目盛り０ｍｍはカソード26の設計中心座標を示し、カソード26に半径２０ｍｍを採用した場合、横軸の４０ｍｍから８０ｍｍの範囲でかつ縦軸の０ｍｍからポールピース50に至る範囲での磁力線42は中心軸14とほとんど平行であることが判る。

なお、磁極に磁気間隙を設けなくても、軸方向に２個のバッキング磁石を配置し、中心軸から離れた電子ビーム軸付近に中心軸と平行な磁力線が得られるように設定してもよい。

また、バッキング磁石は軸方向に３個以上用いてもよく、磁極の磁気間隙も軸方向の３箇所以上に設けて中心軸と平行な磁力線を発生させることもできる。

また、マッチング磁石は少なくとも１個あればよいが、２個あるいは３個以上の複数用いてもよい。

また、電子銃部は、電子ビーム毎に複数個に独立させてもよく、集束電極を共用してもよい。

本発明の第１の実施の形態を示すマルチビームクライストロン装置の断面図である。同上マルチビームクライストロン装置のクライストロン本体の断面図である。同上マルチビームクライストロン装置の集束磁界装置の磁力線解析結果を示す説明図である。同上マルチビームクライストロン装置の電子銃部近傍を拡大した集束磁界装置の磁力線解析結果を示す説明図である。同上マルチビームクライストロン装置の電子ビームの軌道解析結果を示す説明図である。同上マルチビームクライストロン装置の軸上磁束密度とカソードからの軸方向の距離との関係を示すグラフである。同上マルチビームクライストロン装置のカソード磁界を変えた場合のカソードからの軸方向の距離とビーム半径との関係を示すグラフである。本発明の第２の実施の形態を示すマルチビームクライストロン装置の集束磁界装置による磁力線解析結果を示す説明図である。

符号の説明

11 マルチビームクライストロン装置
13 集束磁界装置
18 電子銃部
19 高周波相互作用部
20 入力部
21 出力部
22 コレクタ部
41 電子銃部側磁界発生部
44 主磁界発生素子としての主コイル
46 補正用磁界発生素子としてのマッチング磁石
52，52a，52b 電子銃部側磁界発生素子としてのバッキング磁石
53 磁極としての電子銃部側磁極
54，55 磁気間隙

Claims

複数の電子ビームを発生する電子銃部と、
高周波電力を入力する入力部と、
前記電子銃部で発生した電子ビームと高周波電界との相互作用により前記入力部から入力された高周波電力を増幅する高周波相互作用部と、
前記高周波相互作用部から高周波電力を出力する出力部と、
前記高周波相互作用部を通過する電子ビームを捕集するコレクタ部と、
前記電子銃部の周囲に位置する電子銃部側磁界発生素子とこの電子銃部側磁界発生素子を覆うとともに内周面には電子ビーム進行方向に対応して複数の磁気間隙を設けた磁極とを有する電子銃部側磁界発生部、前記高周波相互作用部の周囲に位置する主磁界発生素子、およびこの主磁界発生素子と前記電子銃部側磁界発生部との間に位置する電子ビーム軌道補正用の補正用磁界発生素子を備え、前記電子銃部で発生した電子ビームを集束する集束磁界装置と
を具備していることを特徴とするマルチビームクライストロン装置。
前記電子銃部側磁界発生部の前記電子銃部側磁界発生素子および前記磁極の前記複数の磁気間隙は、少なくとも前記電子銃部で発生した電子ビームが前記高周波相互作用部に至る範囲内で前記高周波相互作用部の中心軸と平行な磁力線を発生する関係に設定されている
ことを特徴とする請求項１記載のマルチビームクライストロン装置。
前記電子銃部側磁界発生部の前記電子銃部側磁界発生素子は電子ビーム進行方向に複数設けられるとともに、前記磁極には前記各電子銃部側磁界発生素子の内周面に前記磁気間隙が設けられ、前記電子銃部側磁界発生部の前記複数の電子銃部側磁界発生素子および前記複数の磁気間隙は少なくとも前記電子銃部で発生した電子ビームが前記高周波相互作用部に至る範囲内で前記高周波相互作用部の中心軸と平行な磁力線を発生する関係に設定されている
ことを特徴とする請求項１記載のマルチビームクライストロン装置。
複数の電子ビームを発生する電子銃部と、
高周波電力を入力する入力部と、
前記電子銃部で発生した電子ビームと高周波電界との相互作用により前記入力部から入力された高周波電力を増幅する高周波相互作用部と、
前記高周波相互作用部から高周波電力を出力する出力部と、
前記高周波相互作用部を通過する電子ビームを捕集するコレクタ部と、
前記電子銃部の周囲でかつ電子ビーム進行方向に複数設けられる電子銃部側磁界発生素子を有する電子銃部側磁界発生部、前記高周波相互作用部の周囲に位置する主磁界発生素子、およびこの主磁界発生素子と前記電子銃部側磁界発生部との間に位置する電子ビーム軌道補正用の補正用磁界発生素子を備え、前記電子銃部で発生した電子ビームを集束する集束磁界装置と
を具備していることを特徴とするマルチビームクライストロン装置。