JP4991266B2

JP4991266B2 - マルチビームクライストロン

Info

Publication number: JP4991266B2
Application number: JP2006333099A
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: 2006-12-11
Filing date: 2006-12-11
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2026-12-11
Also published as: JP2008147027A

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に関する。

従来、クライストロンは、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捉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。

クライストロン本体の高周波相互作用部は、電子銃部で発生した電子ビームが通過するドリフト管、およびドリフト管の途中に電子ビームの進行方向に沿って設けられた入力空胴、中間空胴および出力空胴などの空胴共振器を備え、入力空胴に入力部が接続され、出力空胴に出力部が接続されている。

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、電子ビーム自身の空間電荷による反発が小さく、電子ビームの集群を高めることができ、クライストロン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が高効率化の１つの手段であることも知られている（例えば、特許文献１参照）。

従来、マルチビームクライストロンに採用される空胴共振器としては、図１１および図１２に示すように、空胴１の中心軸２から半径Rbの円周上に複数のドリフト管３が電子ビーム４の進行方向の上流側および下流側から空胴１の内部に突出されているとともに、空胴１内でドリフト管３に設けられた間隙５を通じて各電子ビーム３と結合された円筒型の空胴共振器６、あるいは、図１３および図１４に示すように、空胴１内に各電子ビーム４毎に隔離する隔壁７を設けた空胴共振器８がある。

しかし、出力空胴については、図１３および図１４に示す各電子ビーム４毎に隔離する隔壁７を設けた空胴共振器８を使用した場合、隔壁７で隔離した夫々の空胴から同軸あるいは出力導波管で取り出した高周波電力を合成する必要があり、複雑となり高価になるために実用的ではない。

そのため、出力空胴については、図１１および図１２に示す全ての電子ビーム４と結合された円筒型の空胴共振器６を使用することが多い。この空胴共振器６を出力空胴として使用した場合、出力空胴の外周壁に１つまたは複数の出力導波管が結合窓（アイリス）を介して接続される。つまり、出力空胴には、全ての電子ビームに結合して高周波を取り出すための出力導波管が接続されている。
特開平４−２１５２３２号公報（第３−４頁、図１−２）

しかし、全ての電子ビームに結合して高周波電力を取り出すための出力導波管が接続された出力空胴では、出力空胴の結合窓から出力導波管側に電界が漏れ出して拡がることから、結合窓の近傍に位置した間隙に発生する電界強度に対して、結合窓から離れて位置した他の間隙に発生する電界強度が低くなる傾向がある。

出力空胴の間隙に発生する電界強度が強すぎる場合には、間隙付近で電子銃方向に逆行する電子ビームが発生したり動作が不安定となり、逆に、出力空胴の間隙に発生する電界強度が弱い場合には、間隙を通る電子ビームから十分な高周波電力を取り出すことができず、出力変換効率が低下してしまう。従って、結合窓の近傍に位置する間隙での出力変換効率が最高となる電界強度になるように出力空胴のＱ値を調整した場合には、結合窓から離れて位置する他の間隙に発生する電界強度が低くなりすぎて間隙を通る電子ビームから効率よく高周波電力を取り出すことができない問題がある。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、出力空胴を通る各電子ビームに作用する電界強度の差を減少させて均一化し、各電子ビームから高周波電力を十分に取り出すことができ、出力変換効率の高いマルチビームクライストロンを提供することを目的とする。

本発明は、中心軸を中心とする円周上に配置される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、前記中心軸に沿って前記電子銃部側から入力空胴、中間空胴および出力空胴を有し、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空胴に入力された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出力空胴に接続された出力導波管を有し、この出力導波管を通じて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捉するコレクタ部とを具備し、前記出力空胴の外周壁の内面は、前記出力導波管に近い位置での前記中心軸からの距離が前記出力導波管から離れた位置での前記中心軸からの距離より狭く形成されているものである。

本発明によれば、出力空胴の外周壁の内面を、出力導波管に近い位置での中心軸からの距離が出力導波管から離れた位置での中心軸からの距離より狭く形成することにより、出力空胴から出力導波管へ電界が漏れ出して拡がるのを抑制し、各電子ビームに作用する電界強度の差を減少させて均一化し、各電子ビームから高周波電力を十分に取り出すことができ、出力変換効率の高いマルチビームクライストロンを提供できる。

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を参照して、第１の実施の形態を説明する。

図３に示すように、マルチビームクライストロン11は、クライストロン本体12、およびこのクライストロン本体12の電子ビームを集束する図示しない集束磁界装置を備えている。図３において、13はマルチビームクライストロン11の中心軸を示している。

クライストロン本体12は、中心軸13から半径Rbの円周上に例えば６本の電子ビーム17を発生する電子銃部18、電子ビーム17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17を捕捉するコレクタ部22を備えている。

電子銃部18は、中心軸13から半径Rbの円周上に配置されて電子ビーム17を発生する複数のカソード26を有している。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17を集束させる集束電極28が配設されている。

高周波相互作用部19は、中心軸13から半径Rbの円周上にそれぞれ配置されて各電子ビーム17が通過する複数のドリフト管32、これらドリフト管32に電子ビーム17の進行方向に沿って接続された複数の空胴共振器33を有している。空胴共振器33としては、入力部20が接続された入力空胴34、複数の中間空胴35、および出力部21が接続された出力空胴36が含まれている。

空胴共振器33は、円筒状の内周壁40、円筒状の外周壁41、これら内周壁40と外周壁41との間の両端面を閉塞する環状の端面壁42を有し、中心部に軸方向に開口する開口部43が形成された同軸型に形成されている。したがって、空胴共振器33の内部には、環状の空胴44が形成されている。空胴共振器33の各壁40，41，42は、例えば銅などの導電性が良い金属材料で形成されている。

空胴共振器33の両端面壁42には、中心軸13から半径Rbの円周上に、電子ビーム17の進行方向の上流側および下流側から複数のドリフト管32が接続されている。これら上流側および下流側のドリフト管32は空胴共振器33の内部に突出してこれら上流側のドリフト管32と下流側のドリフト管32との間に空胴共振器33の内部に開口する間隙45が形成されている。したがって、空胴共振器33は、その空胴共振器33の内部で全ての電子ビーム17と結合される。

そして、空胴共振器33は、中心軸13を中心として中心部に開口部43を設けて内外面を円筒状に設けた同軸型であるため、円筒型と異なり、中心軸13付近に発生する高周波の電界分布を使用するのではなく、電子ビーム17が配置された中心軸13から半径Rbの円形上に電界が発生する同軸型空胴の基本モードであるTM010で動作させることができる。

次に、図１および図２に示すように、出力空胴36の外周壁41には、中心軸13を中心とする対象的な２箇所にアイリスと呼ばれる結合窓49が開口形成され、これら結合窓49を通じて出力部21の出力導波管50が接続されている。出力導波管50は、出力窓51の耐電力性と電界強度の均一化を考慮して２つ用いられ、出力空胴36の中心軸13を中心として対象的な２方向に取り付けられている。各出力導波管50には、誘電体で構成された出力窓51が気密に取り付けられている。

中心軸13から半径Rbの円形上に配置される電子ビーム17は、出力空胴36の中心軸13と出力導波管50の中心であって結合窓49の中心とのなす軸線52上に位置しないようにずらして配置されている。例えば、電子ビーム17が６本の場合、中心軸13を中心として６０°毎に電子ビーム17が配置されることになるが、各結合窓49の近傍には各２つの電子ビーム17が配置され、これら各２つの電子ビーム17が同じ結合度で出力空胴36に接続されるようにこれら各２つの電子ビーム17が軸線52に対して３０°ずらして配置されている。

出力空胴36の外周壁41の内面は、出力導波管50に近い位置での中心軸13からの距離が出力導波管50から離れた位置つまり出力導波管50の接続方向に対して直角方向の位置での中心軸13からの距離より狭く形成されている。例えば、出力空胴36の外周壁41の内面の断面形状は、円形ではなく、出力導波管50の接続方向に対して直角方向にそれぞれ中心軸13から距離Ｙだけずらした２箇所の各位置に中心を有する半径R1の円によって、出力導波管50の接続方向に対して直角方向に長い長円形の形状としている。これにより、出力空胴36の外周壁41の内面は、出力導波管50に近い位置での中心軸13からの距離が出力導波管50から離れた位置での中心軸13からの距離より狭くなり、結合窓49から出力導波管50に漏れ出す電界の拡がりを抑制する形状に形成されている。

次に、このような形状に形成される出力空胴36の作用について説明する。

まず、出力空胴36の作用を説明するうえでの比較例を図４に示す。この比較例では、出力空胴36の外周壁41の内面の断面形状は、中心軸13を中心とする半径R2の円であり、また、６本の電子ビーム17は、各結合窓49の近傍に各１つの電子ビーム17が配置されるとともにこれら各１つの電子ビーム17が出力空胴36の中心軸13と出力導波管50の中心であって結合窓49の中心とのなす軸線52上に位置するように配列されている。

この比較例において、３次元電磁界計算による出力空胴36の電磁界解析結果（軸線52を中心として対象であるため半分について実施）を図５の電磁界強度分布図に示す。この図５の電磁界強度分布図には、電位差を等高線（等電位線）で示し、出力空胴36の壁の電位が零で、等高線１から等高線10の順に電位が高くなることを示している。

この場合、出力空胴36の各出力導波管50側に接続する結合窓49から電界が出力導波管50側に漏れ出して拡がっている。そのため、各結合窓49の近傍に位置する各１つの間隙45に発生する電界強度に対して、結合窓49から離れて位置する他の間隙45に発生する電界強度は、約１７．５％も低い値となった。

出力空胴36の間隙45に発生する電界強度が強すぎる場合には、間隙45の付近で電子銃部18の方向に逆行する電子ビーム17が発生したり動作が不安定となり、逆に、出力空胴36の間隙45に発生する電界強度が弱い場合には、間隙45を通る電子ビーム17から十分な高周波電力を取り出すことができず、出力変換効率が低下してしまう。従って、結合窓49の近傍に位置する間隙45での出力変換効率が最高となる電界強度になるように出力空胴36のＱ値を調整した場合には、結合窓49から離れて位置する他の間隙45に発生する電界強度が低くなりすぎて、間隙45を通る電子ビーム17から効率よく高周波電力を取り出すことができないことになる。

また、他の比較例を図６に示す。この他の比較例では、出力空胴36の外周壁41の内面の断面形状は、中心軸13を中心とする半径R2の円であり、また、６本の電子ビーム17は、各結合窓49の近傍に各２つの電子ビーム17が配置されるとともにこれら各２つの電子ビーム17が出力空胴36の中心軸13と出力導波管50の中心であって結合窓49の中心とのなす軸線52に対して３０°ずれるように配列されている。すなわち、図４に示す比較例と比べて、出力空胴36に対する出力導波管50の接続方向を３０°ずらしている。

この比較例において、３次元電磁界計算による出力空胴36の電磁界解析結果（軸線52を中心として対象であるため半分について実施）を図７の電磁界強度分布図に示す。この図７の電磁界強度分布図には、電位差を等高線（等電位線）で示し、出力空胴36の壁の電位が零で、等高線１から等高線10の順に電位が高くなることを示している。

この場合、各結合窓49の近傍に配置される各２つの電子ビーム17が同じ結合度で出力空胴36に接続され、各結合窓49の近傍に位置する各２つの間隙45に発生する電界強度に対して、結合窓49から離れて位置する他の間隙45に発生する電界強度は、約１１％低い程度で済んで改善されるとともに、出力変換効率が低くなるのも６本の電子ビーム17中の２本に改善されることが判明したが、まだ十分とは言えない。

そして、図１に示す本実施の形態の出力空胴36においては、出力空胴36の外周壁41の内面を、出力導波管50に近い位置での中心軸13からの距離が、出力導波管50から離れた位置での中心軸13からの距離より狭くなるようにし、また、６本の電子ビーム17は、各結合窓49の近傍に各２つの電子ビーム17が配置されるとともにこれら各２つの電子ビーム17が出力空胴36の中心軸13と出力導波管50の中心であって結合窓49の中心とのなす軸線52に対して３０°ずれるように配列している。

この本実施の形態の出力空胴36において、３次元電磁界計算による出力空胴36の電磁界解析結果（軸線52を中心として対象であるため半分について実施）を図２の電磁界強度分布図に示す。この図２の電磁界強度分布図には、電位差を等高線（等電位線）で示し、出力空胴36の壁の電位が零で、等高線１から等高線10の順に電位が高くなることを示している。

この場合、出力空胴36の外周壁41の内面の長径（R1＋Ｙ）に対して短径（R1）を８７％とすることにより、各結合窓49の近傍に位置する各２つの間隙45に発生する電界強度と結合窓49から離れて位置する他の間隙45に発生する電界強度との差は約１％以下となり、電界強度を均一化できた。

このように、出力空胴36の外周壁41の内面を、出力導波管50に近い位置での中心軸13からの距離が出力導波管50から離れた位置での中心軸13からの距離より狭くなるように形成することにより、出力空胴36から出力導波管50へ電界が漏れ出して拡がるのを抑制し、出力空胴36の全ての間隙45に発生する電界強度の差を減少させて均一化し、各電子ビーム17からの高周波電力を十分に取り出すことができ、マルチビームクライストロン11としての総合的な出力変換効率を高めることができる。

なお、図１では出力空胴36の外周壁41の内面形状を長円形としたが、楕円形、多角形、円および直線などを組み合わせることより、高い効果が得られるように構成できる。

また、中心軸13を中心として円周上に配置された電子ビーム17の数が出力導波管50の数で割り切れる場合は、物理的に対象であるから、出力空胴36の外周壁41の形状は単純な形状とすることができる。なお、割り切れない場合は、出力空胴36の形状は非対称で複雑な形状となる。

次に、図８および図９に第２の実施の形態を示す。

出力空胴36に１つの結合窓49を通じて１つの出力導波管50が接続された例を示す。

出力空胴36の外周壁41の内面は、出力導波管50に対して反対側の半分の領域が中心軸13から半径R2の円とし、出力導波管50側の半分の領域が出力導波管50が接続される方向に対して直角方向にそれぞれ中心軸13から距離Ｙだけずらした２箇所の各位置に中心を有する半径R1の円としている。これにより、出力空胴36から出力導波管50へ電界が漏れ出して拡がるのを抑制し、出力空胴36の全ての間隙45に発生する電界強度を均一化できる。

この場合にも、出力空胴36の外周壁41の内面形状は、楕円形、多角形、円および直線などを組み合わせることにより、高い効果が得られるように構成できる。

次に、図１０に第３の実施の形態を示す。

第１の実施の形態では電子ビーム17が６本の場合を示したが、この実施の形態では電子ビーム17が１２本の場合を示す。

電子ビーム17が６本の場合は出力導波管50の近傍に位置する間隙45と出力導波管50から離れて位置する間隙45とでの電界強度の２種類を考慮すれば良いのであるが、電子ビーム17が１２本の場合には３種類の間隙45での電界強度を揃える必要がある。

すなわち、結合窓49の最も近傍に位置する間隙45と結合窓49から最も離れて位置する間隙45との電界強度は揃えられるが、これらの中間に位置する間隙45の電界強度が低下してしまう。

そこで、出力空胴36の外周壁41の内面は、出力導波管50に対して直角方向にそれぞれ中心軸13から距離Ｙだけずらすだけでなく出力導波管50側にもそれぞれ中心軸13から距離Ｘだけずらした４箇所の各位置を中心とする半径R3の円とし、これら４つの各円を直線や緩やかな円弧で結んでいる。こうすることにより、全ての間隙45に発生する電界強度を均一化できる。

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の出力空胴の断面図である。同上マルチビームクライストロンの出力空胴の電磁界解析結果を示す電磁界強度分布図である。同上マルチビームクライストロンの断面図である。比較例を示す出力空胴の断面図である。比較例の出力空胴の電磁界解析結果を示す電磁界強度分布図である。他の比較例を示す出力空胴の断面図である。他の比較例の出力空胴の電磁界解析結果を示す電磁界強度分布図である。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の出力空胴の断面図である。同上マルチビームクライストロンの断面図である。本発明の第３の実施の形態を示すマルチビームクライストロンの出力空胴の断面図である。従来のマルチビームクライストロンの出力空胴の断面図である。同上図１１のＡ−Ａ断面視の平面図である。他の従来のマルチビームクライストロンの出力空胴の断面図である。同上図１３のＢ−Ｂ断面視の平面図である。

符号の説明

11 マルチビームクライストロン
13 中心軸
17 電子ビーム
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
34 入力空胴
35 中間空胴
36 出力空胴
41 外周壁
50 出力導波管

Claims

中心軸を中心とする円周上に配置される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、
前記中心軸に沿って前記電子銃部側から入力空胴、中間空胴および出力空胴を有し、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空胴に入力された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出力空胴に接続された出力導波管を有し、この出力導波管を通じて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捉するコレクタ部とを具備し、
前記出力空胴の外周壁の内面は、前記出力導波管に近い位置での前記中心軸からの距離が前記出力導波管から離れた位置での前記中心軸からの距離より狭く形成されている
ことを特徴とするマルチビームクライストロン。
出力空胴は、全ての電子ビームと結合されている
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。
複数の出力部を具備し、
電子ビームの数が出力部の数で割り切れる関係を有する
ことを特徴とする請求項１または２記載のマルチビームクライストロン。
中心軸を中心とする円周上に配置される複数の電子ビームは、出力空胴の中心軸と出力導波管の中心とのなす軸線上に配置されていない
ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載のマルチビームクライストロン。