JP4805712B2 - 水媒体使用の電力終端器 - Google Patents

Description

本発明は、高周波帯で使用される大電力用の水媒体使用の電力終端器（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帯で大電力で使用される衝突型加速器等の電力給電系では、終端に反射成分を吸収するための電力終端器が取付けられる。１００［ｋＷ］を超える大電力の給電系では、電力給電に際して部品等の発熱を伴うことから冷却水による水冷を用いるのが一般的であるが、この冷却水をそのまま高周波電力の吸収体として用いた電力終端器が存在する。このような電力終端器は「ウォーターロード」とも呼ばれる。

従来のこの種の電力終端器としては、概ね図３に例示する構成のものが一般的である。図３に示した電力終端器は、一対のフランジ４１，４２を有する矩形導波管４０と、ＲＦ（高周波）窓５１及び流路接続部５２を有する矩形導波管（又は円形導波管）５０とを備えている。流路接続部５２には、水冷機構（図示省略）が接続される。矩形導波管４０のフランジ４１は、例えば加速器の電力系に接続される。フランジ４１は、ＲＦ窓５１を介して矩形導波管５０に接続される。矩形導波管５０には、水冷機構より流れ込んだ冷却水が充填される。この冷却水は、ＲＦ窓５１を通して入力される高周波電力を吸収する。

上述した従来の電力終端器では、ＲＦ窓５１の破損による冷却水の漏洩が問題となるうえに、冷却水の部分と空気（あるいは真空の部分）とのインピーダンス整合がとれないため、使用できる周波数が狭帯域になってしまうという問題があった。
また、一般に、第２導波管を長くするほど電力の減衰量を多く確保できるが、あまり長くすると、耐水圧が小さくなる。耐水圧を確保するために第２導波管の長さを短くすると、必要な減衰量が得られなくなる。

本発明は、このような問題を解消する水媒体使用の電力終端器を提供することを、その課題とするものである。

本発明の電力終端器は、高周波電力の給電系に接続される第１導波管と、その管路部分に電力吸収用の水媒体が充填される第２導波管と、前記第１導波管と前記第２導波管との間に介在して当該第１導波管と当該第２導波管とを電磁界結合させるための、水媒体が充填されたウォータージャケットとを有するものである。

ある実施の態様では、前記第１導波管を矩形導波管、前記第２導波管を円形導波管とする。前記ウォータージャケットは、例えば、前記第１導波管と前記第２導波管との接合部位を起点に前記第１導波管内にテーパ状に侵入する形状とする。このウォータージャケットは、好ましくは高周波電磁波を透過させる樹脂系部材、例えばテフロンで形成する。テフロンは、絶縁抵抗が高く、誘電体損失が少ないので、表面の漏れ電流が殆ど発生せず、ウォータージャケットには適した素材である。

水耐圧の向上を図る観点からは、前記第２導波管の電界の向きに対して垂直となる部位に、水媒体の流路及び流量制御用の金属プレートを取り付ける。また、前記第２導波管が、耐水圧が１ＭＰａ（１０ｋｇ／ｃｍ^２）以上の材質及びサイズのものを用いる。

本発明によれば、ウォータージャケットによって導波管同士を電磁界結合させるので、ＲＦ窓５１を用いた場合に比べて水媒体の部分と空気（あるいは真空）の部分との整合がとりやすくなり、使用できる周波数帯域が拡がるという効果がある。第１導波管を矩形導波管、第２導波管を円形導波管として、さらに、ウォータージャケットが第１導波管と第２導波管との接合部位を起点に第１導波管内にテーパ状に侵入する構造にすることにより、耐水圧を高めつつインピーダンス整合がとりやすくなり、上記の効果が顕著になる。
また、第２導波管の電界強度が最小となる部位に、水媒体の流路及び流量制御用の金属プレートを取り付けることで、水冷効果を確保され、また、耐水圧を、より高めることができるという効果も得られる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の実施の形態例となる電力終端器の上面図であり、図２は、その側面図である。

この実施形態による電力終端器は、矩形導波管１の後段に、フランジ１１，２１を介して円形導波管２を縦続して構成される。円形導波管２の両端部のうち矩形導波管側の端部には、ウォータージャケット３が設けられる。

ウォータージャケット３は、例えば、電波を透過させるテフロン樹脂のジャケット内に、水媒体を充填したものである。好ましくはウォータージャケットに水冷機構（図示省略）と接続された給水路及び排水路を設け、水媒体がウォータージャケット内に流路が形成されるようにする。
ウォータージャケット３の形状は、図１及び図２に示されるように、矩形導波管１と円形導波管２との接合部位、すなわち円形導波管２に設けられているフランジ２１を起点として、矩形導波管１内にテーパ状に、すなわち徐々に侵入する突形状とする。このような形状のウォータージャケット３を用いることにより、導波管間の電磁界結合がよりスムーズになり、インピーダンスの不整合が緩和される。

円形導波管２の他方の端部には、図示しない水冷機構と接続される給水路２２ａ及び排水路２２ｂが設けられている。また、円形導波管２の内部には、金属プレート４が設けれている。

この金属プレート４は、円形導波管２の電界の向きと垂直で、反射波を生じさせずに電磁波を透過させる部位に、溶接等によって固定される。金属プレート４の形状及びサイズは、図１に示されるように、給水路２２ａ及び排水路２２ｂ側の端部からフランジ２１までは円形導波管２の内径と同じ長さの短辺を有し、フランジ２１の近傍からウォータージャケット３の先端に近づくにつれて短辺が徐々に小さくなり、ウォータージャケット３の先端部分に、空間を形成する多角形とする。これにより、給水路２２ａから円形導波管２に水媒体が流入したときに、その水媒体が、金属プレート４で仕切られた一方の管内を通り、ウォータージャケット３の先端部分で折り返して、金属プレート４で仕切られた他方の管内を経て排水路２２ｂに向かうので、耐水圧を高めつつ、電力吸収時に生じた熱の冷却が可能になる。

以上のように構成される電力終端器では、円形導波管２に水媒体を充填（流入）させたときの水媒体部分と矩形導波管１内の空気（あるいは真空）との整合が円滑になり、使用可能な周波数帯がＲＦ窓５１を用いた場合に比べて格段に拡がる。また、耐水圧も金属プレート４を設けない場合に比べて格段に高まる。本発明者の検証によれば、５００［ＭＨｚ］の使用帯域において、一般的な材質及びサイズの円形導波管を使用した場合であっても、耐水圧が１ＭＰａ（１０ｋｇ／ｃｍ^２）以上となることが確認されている。
従来、耐電力が１［ＭＷ］以上の高性能の電力終端器では、全長が５ｍ以上の大型サイズになるが、反面、耐水圧を１０ＭＰａ（１０ｋｇ／ｃｍ^２）の信頼性が無かったため、水圧を低くして使用せざるを得なかったが、本発明の構成では、ほぼ同じ性能で、サイズを数１０［ｃｍ］程度まで小型化することができるので、その効果は絶大である。そのため、加速器のような、高い性能が要求される用途においても、本発明の電力終端器を使用することができるようになる。

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、本実施形態では、矩形導波管の後段に円形導波管を取り付けて電力終端器を構成した場合の例を示したが、耐水圧を問題にしない用途では、この組み合わせは逆であっても良い。また、矩形導波管と矩形導波管、あるいは、円形導波管と円形導波管とを組み合わせて電力終端器を構成することもできる。また、本実施形態では、ウォータージャケットの材質にテフロン樹脂を用いた場合の例を示したが、他の樹脂系部材を使用することも可能である。

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ダミーロードとして、広く利用が可能である。

本実施形態による電力終端器の構成例を示す正面図。 図１に示した電力終端器の側面図。 水媒体使用の従来の電力終端器の構成例を示す正面図。

符号の説明

１，４０ 矩形導波管
２，５０ 円形導波管
３ ウォータージャケット
４ 円形導波管内に取り付けられる金属プレート
１１，２１，４１，４２ 導波管のフランジ
５１ ＲＦ（高周波）窓
５２ 流路接続部

Claims (6)

1. 高周波電力の給電系に接続される第１導波管と、
   その管路部分に電力吸収用の水媒体が充填される第２導波管と、
   前記第１導波管と前記第２導波管との間に介在して当該第１導波管と当該第２導波管とを電磁界結合させるための、水媒体が充填されたウォータージャケットとを有し、
   前記第２導波管内に、前記第２導波管の電界の向きに垂直で、反射波を生じさせずに電磁波を透過させる部位に、水媒体の流路及び流量制御用の金属プレートが固定されており、この金属プレートにより前記第２導波管内に２つの導波管が形成される、
   水媒体使用の電力終端器。
2. 前記第１導波管が矩形導波管であり、前記第２導波管が円形導波管である、
   請求項１記載の電力終端器。
3. 前記ウォータージャケットが、前記第１導波管と前記第２導波管との接合部位を起点に前記第１導波管内にテーパ状に侵入している、
   請求項２記載の電力終端器。
4. 前記ウォータージャケットが、高周波電磁波を透過させる樹脂系部材から成る、
   請求項３記載の電力終端器。
5. 前記樹脂系部材がテフロンである、
   請求項４記載の電力終端器。
6. 前記第２導波管が、耐水圧が１ＭＰａ（１０ｋｇ／ｃｍ^２）以上の材質及びサイズから成る、
   請求項１乃至５のいずれかの項記載の電力終端器。

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