JP5016904B2

JP5016904B2 - マルチビームクライストロン

Info

Publication number: JP5016904B2
Application number: JP2006330753A
Authority: JP
Inventors: 栄浩陳; 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: 2006-12-07
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2026-12-07
Also published as: JP2008146925A

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各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複数の空胴共振器を有し、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高周波電力を増幅する。

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。

図１４および図１５に、従来のマルチビームクライストロンの高周波相互作用部を示し、中心軸１から半径Rbの円周上に電子銃部で発生した各電子ビーム２が通過する複数のドリフト管３が配置され、これらドリフト管３の途中に円筒型の空胴共振器４が接続されている。

円筒型の空胴共振器４は、円筒状の外周壁4aおよびこの外周壁4aの両端面を閉塞する端面壁4bを有しており、各電子ビーム２が通過する位置に、各電子ビーム２の進行方向の上流側および下流側からドリフト管３が接続されるとともに空胴共振器４の内部に突出し、空胴共振器４の内部において上流側のドリフト管３と下流側のドリフト管３との間に空胴共振器４の内部に連通する間隙５が設けられている。

このような円筒型の空胴共振器４においては、図１６に図１５のＤ−Ｄ線上における電界強度分布を示すように、各電子ビーム２が中心軸１の位置にないため、各電子ビーム２における空胴共振器４の中心軸１側に臨む内側位置Rbiでの電界強度Eiと外周壁4a側に臨む外側位置Rboでの電界強度Eoとが大きく異なり、電子ビーム２の向きにより集群にばらつきが生じ、最適な集群ができず、出力変換効率が下がってしまう。

これを防止するために、中間空胴については、図１７および図１８に示すように、空胴共振器４の内部に各電子ビーム２毎に隔離する隔壁７を設けることにより、各電子ビーム２がそれぞれ専用の空胴共振器部８を持ち、それぞれの空胴共振器部８は各電子ビーム２に一定の電界分布で結合させようとしているものもある。但し、この場合は、それぞれの電子ビーム２に個別の空胴共振器部８を持たせるものであり、構成が複雑で高価になるとともに、その個別の空胴共振器部８の共振周波数などがばらつく可能性があり、各電子ビーム２の高周波成分、位相などがばらつき、その結果としてマルチビームクライストロンとしての総合的な出力変換効率を下げることになる（例えば、特許文献１参照）。
特開平４−２１５２３２号公報（第３−４頁、図１−２）

上述のように、円筒型の空胴共振器においては、電子ビームにおける空胴共振器の中心軸側に臨む内側位置での電界強度と外周壁側に臨む外側位置での電界強度とが大きく異なり、電子ビームの向きにより集群にばらつきが生じ、最適な集群ができず、出力変換効率が下がってしまう問題がある。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、出力変換効率を向上できる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から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各電子ビームが通過する複数のドリフト管を有するとともに、円筒状の内周壁および外周壁、これら内周壁および外周壁の両端面を閉塞する環状の端面壁が設けられ、前記中心軸を中心として中央部に開口部が設けられ、各電子ビームの進行方向の上流側および下流側から各ドリフト管が接続される環状の空胴共振器を有し、上流側の各ドリフト管と下流側の各ドリフト管との間に空胴共振器の内部に連通する間隙が形成されており、前記空胴共振器がその空胴共振器の内部で全ての電子ビームと結合されるとともに、各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した電子ビームを捕捉するコレクタ部とを具備し、前記高周波相互作用部の空胴共振器は、基本波空胴であり、ドリフト管の中心から空胴共振器の外周壁までの距離が、ドリフト管の中心から空胴共振器の内周壁までの距離に対して１．２〜１．６倍となる関係を有するものである。

また、本発明は、中心軸を中心とする円周上から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各電子ビームが通過する複数のドリフト管を有するとともに、円筒状の内周壁および外周壁、これら内周壁および外周壁の両端面を閉塞する環状の端面壁が設けられ、前記中心軸を中心として中央部に開口部が設けられ、各電子ビームの進行方向の上流側および下流側から各ドリフト管が接続される環状の空胴共振器を有し、上流側の各ドリフト管と下流側の各ドリフト管との間に空胴共振器の内部に連通する間隙が形成されており、前記空胴共振器がその空胴共振器の内部で全ての電子ビームと結合されるとともに、各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した電子ビームを捕捉するコレクタ部とを具備し、前記高周波相互作用部の空胴共振器は、第２高調波空胴であり、ドリフト管の中心から空胴共振器の外周壁までの距離が、ドリフト管の中心から空胴共振器の内周壁までの距離に対して１．１〜１．２５倍となる関係を有するものである。

本発明によれば、空胴共振器が、基本波空胴である場合、ドリフト管の中心から空胴共振器の外周壁までの距離が、ドリフト管の中心から空胴共振器の内周壁までの距離に対して１．２〜１．６倍となる関係を有することにより、電子ビームにおける空胴共振器の内周壁側に臨む内側位置での電界強度と外周壁側に臨む外側位置での電界強度とを揃えることができ、電子ビームの集群が安定し、最適な集群が可能となり、出力変換効率を向上できる。

また、本発明によれば、空胴共振器が、第２高調波空胴である場合、ドリフト管の中心から空胴共振器の外周壁までの距離が、ドリフト管の中心から空胴共振器の内周壁までの距離に対して１．１〜１．２５倍となる関係を有することにより、電子ビームにおける空胴共振器の内周壁側に臨む内側位置での電界強度と外周壁側に臨む外側位置での電界強度とを揃えることができ、電子ビームの集群が安定し、最適な集群が可能となり、出力変換効率を向上できる。

以下、本発明の一実施の形態を図面を参照して説明する。

図１ないし図６に第１の実施の形態を示す。

図６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６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を中心とする円周上から複数の電子ビーム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を中心とする円周上にそれぞれ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が含まれる。

図１および図２に示すように、空胴共振器33は、基本波空胴の場合を示し、円筒状の内周壁40および外周壁41、これら内周壁40および外周壁41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の両端面の端面壁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と下流側のドリフト管32間に空胴共振器33の内部に連通する間隙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ことにより同軸型の空胴共振器33に形成できる。この同軸型の空胴共振器33は、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。

次に、図５には、同軸型の空胴共振器33において、ドリフト管32の中心つまり電子ビーム17の軸17aから空胴共振器33の内周壁40までの距離d1とドリフト管32の中心つまり電子ビーム17の軸17aから空胴共振器33の外周壁41までの距離d2とが等しい場合であり、つまり空胴共振器33がd1＝d2の場合の図２のＡ−Ａ線上における電界強度分布を示す。この場合、各電子ビーム17における空胴共振器33の中心軸13側つまり内周壁40側に臨む内側位置Rbiでの電界強度Eiと外周壁41側に臨む外側位置Rboでの電界強度Eoとは、図１６に示した従来の方式ほどの差はないが異なることが分かる。

そのため、単に同軸型の空胴共振器33にしただけでは、目的とする周波数に共振点を調整できても、この電子ビーム17の内側位置Rbiと外側位置Rboとでの電界強度が異なり、電子ビーム17と空胴44との結合が方向によって異なってしまい、マルチビームクライストロンの出力変換効率の低下を招く可能性がある。

空胴共振器33の共振周波数は、空胴共振器33内に出っ張らしたドリフト管32の形状、間隙45の距離、空胴の高さ、空胴共振器33の外径および空胴共振器33の内径など色々なパラメータで調整することができる。

そして、３次元電磁界解析を繰り返し実施した結果、電子ビーム17の内側位置Rbiと外側位置Rboとの電界強度は、空胴共振器33の外形Roおよび空胴共振器33の内径Riを調整することにより揃えることができることを確認した。

３次元電磁界解析の結果、空胴共振器33の内周壁40から電子ビーム17の軸17aまでの距離d1と空胴共振器33の外周壁41から電子ビーム17の軸17aまでの距離d2とは、d1＜d2という条件で電子ビーム17の内側位置Rbiと外側位置Rboとの電界強度が揃う解があることが判明した。図３は共振周波数が一定となる条件でd1とd2との比率を変えて３次元電磁界解析を実施した結果を示し、d2／d1が約１．４のときEiとEoが略同じになることを確認した。空胴共振器33のいろいろなパラメータにより比率は異なったが、d2／d1＝１．２〜１．６とすれば電子ビーム17の内側位置Rbiと外側位置Rboとの電界強度の差が５％以下になるという解析結果が得られた。図４はd2／d1＝１．４とした場合の図２のＡ−Ａ線上における電界強度分布を示し、Ei／Eoは略同じになるという結果が得られた。そして、中心軸13から半径Rbの円周上に全ての電子ビーム17を配置しているので、全ての電子ビーム17の内側位置Rbiと外側位置Rboとの電界強度を同時に揃えることが可能となる。

なお、通常の同軸型空胴共振器は、図７および図８のような形状が一般的である。つまり、同軸型空胴共振器101の両端面から円筒部102を空胴103内に突出させ、この円筒部102に電子ビーム104が通る穴105を開けるのが一般的である。しかし、電界強度の高い部分である円筒部102の対向面積が多いと、円筒部102に電子が衝突した場合に発生する２次電子の影響により発生する、マルチパクタ効果と呼ばれるクライストロンの入出力特性および位相の不連続が発生する可能性が高くなる。それを防止するために、本実施の形態では、空胴共振器33の内部に突出する突出部分はドリフト管32のみとしている。

また、空胴共振器33の間隙45が狭い場合、間隙45内には中心軸13と並行で一様な電界が発生するので、空胴共振器33の内径寸法および外径寸法はある程度自由に設定できる。

このように、空胴共振器33が、基本波空胴である場合、ドリフト管32の中心から空胴共振器33の外周壁41までの距離d2が、ドリフト管32の中心から空胴共振器33の内周壁40までの距離d1に対して１．２〜１．６倍となる関係を有することにより、電子ビーム17における空胴共振器33の内周壁40側に臨む内側位置Rbiでの電界強度と外周壁41側に臨む外側位置Rboでの電界強度とを揃えることができ、電子ビーム17の集群が安定し、最適な集群が可能となり、出力変換効率を向上できる。

次に、図９ないし図１２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については同一符号で示してその説明を省略する。

空胴共振器33に、第２高調波空胴を採用した場合であり、電子ビーム17が配置される中心軸13からの距離は基本波空胴と同じであり、基本波空胴と同じモードを使用する場合には、基本波空胴に対して、空胴共振器33の内径は大きく、外径は小さく、高さは低くなる。この場合も、d2／d1は１より大きくなるが、最適値は基本波空胴の場合より１に近くなる。

基本波空胴の場合と同様に共振周波数が一定でd2／d1を変えた場合のEi／Eoの解析結果を図１２に示すが、d2／d1を１．１〜１．２５とすれば基本波空胴の場合と同じくEi／Eoが５％以内とできる。図１２はd2／d1＝１．１７５における図１０のＣ−Ｃ線上における電界強度分布を示し、Ei／Eoは略同じになるという結果が得られた。

このように、空胴共振器33が、第２高調波空胴である場合も、ドリフト管32の中心から空胴共振器33の外周壁41までの距離d2が、ドリフト管32の中心から空胴共振器33の内周壁40までの距離d1に対して１．１〜１．２５倍となる関係を有することにより、電子ビーム17における空胴共振器33の内周壁40側に臨む内側位置Rbiでの電界強度と外周壁41側に臨む外側位置Rboでの電界強度とを揃えることができ、電子ビーム17の集群が安定し、最適な集群が可能となり、出力変換効率を向上できる。

次に、図１３に第３の実施の形態を示す。

空胴共振器33の空胴44内には、上流側および下流側のうちのいずれか一方のドリフト管32のみを突出させ、他方のドリフト管32との間に間隙45を形成している。この場合にも、第１の実施の形態と同様の作用効果が得られる。なお、間隙45の位置は、空胴44の中央でも上流側寄りまたは下流側寄りの端部でもよく、任意の場所に設けても、同様の作用効果が得られる。

また、図１および図２に示す第１の実施の形態の場合と比較して、空胴共振器33の内外径を小さく高さを高くして、電子ビーム17が配置される半径Rbを小さくした例である。

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基本波空胴である空胴共振器の図２Ａ−Ａ断面視の平面図である。同上空胴共振器の断面図である。同上空胴共振器のd2／d1と電界強度Ei／Eoとの関係を示すグラフである。同上空胴共振器のd2／d1が１．４の場合の図２のＡ−Ａ線上における電界強度分布を示すグラフである。同上空胴共振器がd1＝d2の場合の図２のＡ−Ａ線上における電界強度分布を示すグラフである。同上マルチビームクライストロンのクライストロン本体の断面図である。比較例の空胴共振器の図８のＢ−Ｂ断面視の平面図である。比較例の空胴共振器の断面図である。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第２高調波空胴である空胴共振器の図１０のＣ−Ｃ断面視の平面図である。同上空胴共振器の断面図である。同上空胴共振器のd2／d1が１．１７５の場合の図１０のＣ−Ｃ線上における電界強度分布を示すグラフである。同上空胴共振器のd2／d1と電界強度Ei／Eoとの関係を示すグラフである。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空胴共振器の断面図である。従来のマルチビームクライストロンの空胴共振器の図１５のＤ−Ｄ断面視の平面図である。同上空胴共振器の断面図である。同上空胴共振器の図１５のＤ−Ｄ線上における電界強度分布を示すグラフである。他の従来のマルチビームクライストロンの空胴共振器の図１８のＥ−Ｅ断面視の断面図である。同上空胴共振器の断面図である。

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
32 ドリフト管
33 空胴共振器
40 内周壁
41 外周壁
42 端面壁
43 開口部
45 間隙

Claims

中心軸を中心とする円周上から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各電子ビームが通過する複数のドリフト管を有するとともに、円筒状の内周壁および外周壁、これら内周壁および外周壁の両端面を閉塞する環状の端面壁が設けられ、前記中心軸を中心として中央部に開口部が設けられ、各電子ビームの進行方向の上流側および下流側から各ドリフト管が接続される環状の空胴共振器を有し、上流側の各ドリフト管と下流側の各ドリフト管との間に空胴共振器の内部に連通する間隙が形成されており、前記空胴共振器がその空胴共振器の内部で全ての電子ビームと結合されるとともに、各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した電子ビームを捕捉するコレクタ部とを具備し、
前記高周波相互作用部の空胴共振器は、基本波空胴であり、ドリフト管の中心から空胴共振器の外周壁までの距離が、ドリフト管の中心から空胴共振器の内周壁までの距離に対して１．２〜１．６倍となる関係を有する
ことを特徴とする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から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各電子ビームが通過する複数のドリフト管を有するとともに、円筒状の内周壁および外周壁、これら内周壁および外周壁の両端面を閉塞する環状の端面壁が設けられ、前記中心軸を中心として中央部に開口部が設けられ、各電子ビームの進行方向の上流側および下流側から各ドリフト管が接続される環状の空胴共振器を有し、上流側の各ドリフト管と下流側の各ドリフト管との間に空胴共振器の内部に連通する間隙が形成されており、前記空胴共振器がその空胴共振器の内部で全ての電子ビームと結合されるとともに、各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した電子ビームを捕捉するコレクタ部とを具備し、
前記高周波相互作用部の空胴共振器は、第２高調波空胴であり、ドリフト管の中心から空胴共振器の外周壁までの距離が、ドリフト管の中心から空胴共振器の内周壁までの距離に対して１．１〜１．２５倍となる関係を有する
ことを特徴とするマルチビームクライストロン。