JP5130519B2

JP5130519B2 - ジャイロトロン装置

Info

Publication number: JP5130519B2
Application number: JP2006312044A
Authority: JP
Inventors: 敏孝出原; サブチェブスキースピレン
Original assignee: University of Fukui
Current assignee: University of Fukui
Priority date: 2006-11-17
Filing date: 2006-11-17
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2026-11-17
Also published as: JP2008130292A

Description

本発明は、マイクロ波またはミリ波を発生するジャイロトロン装置に関し、特に、簡単な構造で周波数を変化させることのできるジャイロトロン装置に関する。

電子銃から放出された電子からサイクロトロン共鳴メーザ作用により電磁波を発生させ、この電磁波から電子ビームを分離させてマイクロ波やミリ波の高周波を取り出すジャイロトロン装置が知られている（例えば特許文献１，２参照）。
図５は、従来のジャイロトロン装置の全体構成を説明する縦断面図である。
ジャイロトロン装置１は、電子ビームを取り出す電子銃１１と、この電子銃１１によって取り出された電子ビームと高周波電磁場とが共鳴的に相互作用を起こし高周波を発生させる空胴共振器１２と、この空胴共振器１２の周囲を取り囲むように配置され、ジャイロトロン装置の軸方向に高周波電磁場を発生させる電磁石１３と、空胴共振器１２で相互作用を終えた電子ビームを回収するコレクタ１４と、空胴共振器１２で発生した高周波を取り出す出力窓１５とを有している。
電子銃１１は、カソード１１１、カソード１１１上に設けられた電子放出部１１２、第１アノード１１３、第２アノード１１４を有し、周囲に電磁石１１５を配置したものが知られている。
空胴共振器１２及びコレクタ１４は、それぞれ、電子銃１１の一端に取り付けられたジャイロトロン本体１０の内部の円筒空胴から形成され、出力窓１５と電子銃１１の電子放出部１１２とを連通状に連結している。

上記構成のジャイロトロン装置１では、電子銃１１１の電子放出部１１２から放出された電子ビームは、カソード１１１と第１アノード１１３との間の電界により加速され、電磁石１１５によって発生された磁場により、旋回運動しながら軸方向にドリフトする。さらに、電磁石１３によって発生された強力な磁場によって電子ビームは圧縮され、電子は磁場に対して垂直方向の速度を増大させ、平行方向速度を減少させながら、空胴共振器１２に入る。電磁石１３が発生する軸方向磁場によってサイクロトロン運動している電子は、空胴共振器１２における固有モードの高周波電磁場とサイクロトロン共鳴メーザとが相互作用し、電子の垂直速度成分によるエネルギーの一部は高周波エネルギーに変換される。空胴共振器１２で相互作用を終えた電子ビームは、コレクタ１４に回収され、空胴共振器１２で励起された高周波は、出力窓１５を透過して外部に取り出される。

上記したような従来のジャイロトロン装置では、一般に、空胴共振器の形状によって取り出される高周波の周波数が一義的に決定される。
その一方で、発振出力を調整可能にしたものが提案されており、例えば、特許文献１には、電磁石による磁場を精度良く調整することで、発振させたい固有モードの周波数に調整できることが記載されている。
また、特許文献２には、所望の発振出力を得るために空胴共振器における軸方向の磁束密度のうちの±１０％以下を調節する主磁場微調整電磁石を設けるか、電子銃のカソード上の電子放出部における軸方向の磁束密度のうちの±１０％以下を調節する電子銃磁場微調整電磁石を設けた技術が開示されている。
特開２００３−３０８７９４号公報（例えば段落００１３の記載参照）特開平８−２０３４４１号公報（請求項６，７の記載参照）

しかし、上記文献に記載の技術のように、磁場の磁束密度を変化させても、それほど大きな周波数変化を得ることはできず、簡単な構成で大きな周波数の変化を得ることができる技術の開発が求められていた。
本発明は、上記の要求に応えるべくなされたもので、簡単な構成で大きな周波数変化を得ることのできるジャイロトロン装置の提供を目的とする。

本発明は、電子ビームを射出する電子銃と、射出電子に旋回運動を起こさせる磁場発生装置と、サイクロトロン共鳴メーザ作用を起こさせる空胴共振器と、この空胴共振器内を通過した電子ビームを回収するコレクタと、前記サイクロトロン共鳴メーザ作用により発生した高周波を取り出す出力窓とを有するジャイロトロン装置において、電圧の印加により前記空胴共振器の軸線方向の寸法及び前記軸線に交叉する方向の寸法の少なくとも一方を変化させる形状変化手段と、この形状変化手段の外周面及び内周面に形成された導電被膜と、この導電被膜に接続され、前記外周面と前記内周面との間に電圧を印加する駆動手段とを有する構成としてある。

この構成によれば、外周面と内周面との間に電圧を印加することで、空胴共振器の径方向の寸法を変化させることができる。前記形状変化手段による空胴共振器の寸法変化方向は、径方向だけでもよいが、請求項２に記載するように径方向と軸線方向の両方を変化させてもよい。径方向又は径方向及び軸線方向の寸法が変化すれば、この変化量に比例した周波数変化を得ることができる。

前記駆動手段として前記形状変化手段に所定の電圧を印加する電圧印加手段を用い、かつ、前記形状変化手段として、印加された電圧に応じて寸法が変化する性質を有する材料から形成されたものを用いることで、周波数の変化量を制御することが容易になる。印加電圧によって形状が変化するものとしては、例えば、公知の圧電体を構成する材料と同じものを挙げることができる。

また、形状変化手段としてセラミック等の非導電性の材料を用いる場合は、請求項３に記載するように、形状変化手段の外周囲に電磁波の漏洩を防止するためのシールドを設けるとよい。

また、形状変化手段には、単一の駆動手段を接続するようにしてもよいが、複数の駆動手段を形状変化手段に接続するようにしてもよい。さらに、請求項４に記載するように、形状変化手段を複数の領域に区分けし、各領域を単一又は複数の駆動手段に接続するようにしてもよい。
請求項５に記載するように、前記形状変化手段の外側に、形状変化手段の伸長を調整するための付勢手段を設けてもよい。また、請求項６に記載するように、形状変化手段の外周囲にシールドを設ける場合、前記シールドを蛇腹状に形成するなどして付勢手段を形成するようにしてもよい。

本発明によれば、軸線方向の長さＬや径Ｒを変化させることで、この変化量に比例した周波数可変のジャイロトロン装置を得ることができる。すなわち、特許文献１，２に記載の技術と異なり、空胴共振器（キャビティ）の形状そのものを変化させることで、変化量に比例した大きな周波数変化が得られるわけである。
本発明では、形状変化手段として圧電体を用いることで、長さＬや半径Ｒに対してその変化量（ΔＬ．ΔＲ）を大きくとることができ、従って、より大きな範囲内で周波数の調整が可能になる。具体的には、従来では数十ＭＨｚ程度であった周波数の調整範囲を数百ＭＨｚ程度まで拡大することが可能になる。

以下、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
［参考例］
図１は、本発明の参考例にかかり、その構成を説明する空胴共振器の部分縦断面図である。
なお、以下の説明において、図５に示すジャイロトロン装置と同一部位、同一部材には同一の符号を付して、詳しい説明は省略する。
この参考例では、ジャイロトロン本体１０の図５中符号Ａで示す領域に、空胴共振器１２の軸線Ｃ方向の寸法を変化させる形状変化手段を取り付ける。すなわち、前記符号Ａで示す領域内で、ジャイロトロン本体１０を部分的に切除し、空間部１０１を形成する。

そして、この空間部１０１に、円筒状に形成された形状変化手段としての圧電体１０２を配置する。この圧電体１０２は、電圧が印加されることで電圧の印加方向に寸法が変化する性質（圧電効果）を有するものであればよく、公知の圧電素子（ピエゾ素子）と同種の材料で形成することができる。圧電体１０２の材料としては種々のものを用いることができ、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、酸化亜鉛、水晶、ニオブ酸リチウム(LiNbO₃)、窒化アルミニウム等を挙げることができる。この実施形態において圧電体１０２は、これら材料を用いて、いわゆる一体物として成形されている。

圧電体１０２の両端は、それぞれ、空間部１０１によって仕切られたジャイロトロン本体１０の前方部材１０ａ及び後方部材１０ｂの開口に嵌め込む。このとき、圧電体１０２の両端が全周にわたって金属製の前方部材１０ａ及び後方部材１０ｂに接触するようにして、後述する電源９からの電圧が圧電体１０２の両端の全周にわたって均一に印加されるようにする。
また、空胴共振器１２の真空状態を保つために、圧電体１０２の両端と前方部材１０ａ及び後方部材１０ｂとが接触する部分を精密な仕上げ面として仕上げ、かつ、両者を僅かに締まりばめ状態で嵌合するとよい。あるいは、パッキンやＯリング等の封止部材を圧電体１０２の両端と前方部材１０ａ及び後方部材１０ｂとの間に介在させてもよい。
さらに、絶縁性のばねを用いるか若しくは金属製のばねの両端を、絶縁部材を介在させた状態で前方部材１０ａ及び後方部材１０ｂと連結し、前記ばねの付勢力及び前方部材１０ａと後方部材１０ｂとで圧電体１０２を挟持させるようにしてもよい。

前方部材１０ａの後端及び後方部材１０ｂの前端にはフランジ１０ｃ，１０ｄを形成し、このフランジ１０ｃ，１０ｄに電極１０３ａ，１０３ｂを取り付ける。そして、この電極１０３ａ，１０３ｂを直流の電源９に接続する。電源９は、電極１０３ａ，１０３ｂ及び前方部材１０ａの後端及び後方部材１０ｂを介して圧電体１０２の両端に所望の電圧を印加することができ、かつ、予め設定された範囲内で印加電圧の大きさを調整できるものである。

圧電体１０２をチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）や窒化アルミニウム等のセラミックで形成した場合には、空胴共振器１２からの電磁波の漏洩を防止するために、圧電体１０２の周囲を、例えばリン青銅やステンレス等の導電性の金属で形成されたシールド１０４で取り囲むとよい。この実施形態では、前方部材１０ａと後方部材１０ｂとの間にシールド１０４を設けている。このシールド１０４は、絶縁部材１０４ａを介在させた状態で、その両端が前方部材１０ａと後方部材１０ｂに取り付けられ、かつ、圧電体１０２の軸線Ｃ方向の長さ変化に追随できるように、蛇腹状に形成されている。

なお、このシールド１０４を、一定の剛性とばね性とを有するステンレスやばね鋼等の金属材料で形成し、前方部材１０ａと後方部材１０ｂとを常時付勢するようにしてもよい。この場合、電圧の印加により圧電体１０２が伸長方向に変形する場合には、シールド１０４によって前方部材１０ａと後方部材１０とを互いに接近させる方向に付勢し、電圧の印加により圧電体１０２が短縮方向に変形する場合には、シールド１０４によって前方部材１０ａと後方部材１０とを互いに離間させる方向に付勢するようにしてもよい。
このような付勢手段を設けることで、圧電体１０２の軸線Ｃ方向の変形量を規制することができる。
また、先に説明したように、前方部材１０ａと後方部材１０ｂとを互いに接近させる方向に付勢するばね性のシールド１０４を用いることで、前方部材１０ａと後方部材１０ｂとで圧電体１０２を挟持することが可能になる。

この参考例では、電源９から圧電体１０２の両端に電圧を印加することで、圧電体１０２の軸線Ｃ方向の長さＬが、印加した電圧の大きさに応じて変化する。そして、印加電圧の大きさを制御して長さＬの変化量を調整することにより、周波数の変化量を調整することができる。

［第１の実施形態］
図２は、本発明の第１の実施形態にかかり、その構成を説明する空胴共振器の部分縦断面図である。
この実施形態においても、先の参考例と同様の空間部１０１に、円筒状の圧電体１１２を配置する。この圧電体１１２は、先の参考例と同様のものである。

圧電体１１２の外周面及び内周面は、金属や導電性樹脂で形成された導電層１１５ａ，１１５ｂによって被覆されている。そして、外周面の導電層１１５ａに電極１１３ａが取り付けられ、内周面の導電層１１５ｂに電極１１３ｂが取り付けられる。電極１１３ｂは、圧電体１１２の周壁に貫通形成された孔の内部に絶縁部材１１４ａとともに埋め込まれ、その先端が導電層１１５ｂに接触するように取り付けられる。

圧電体１１２と前方部材１０ａ及び後方部材１０ｂとは、絶縁部材１１４ｂを介在させた状態で突き合わせ接合する。この際、圧電体１１２の両端の径方向の形状変化を妨げないように、気密性，柔軟性及び絶縁性を併せ持つ公知のゴム系接着剤、ビニール系接着剤、シリコーンゴム系接着剤、プラスチック系接着剤等の樹脂接着材を用いることができる。
この実施形態では、電源９から電極１１３ａ，１１３ｂ及び導電層１１５ａ，１１５ｂを介して圧電体１１２に電圧を印加することで、圧電体１１２は径方向にその寸法（半径Ｒ）を変化させる。そして、この半径Ｒの寸法変化により、周波数を変化させることができる。

なお、導電層１１５ａ，１１５ｂとしては、径方向の寸法変化に追随することができる伸縮性を有するものを使用するとよく、公知の導電性樹脂の他、リン青銅やアルミ等の金属を用いることができる。また、導電層１１５ａ，１１５ｂによって電磁波の漏洩を十分に防止することができるのであれば、この実施形態では、先の参考例のようなシールド１０４は特に設ける必要はない。

［第２の実施形態］
図３は、本発明の第２の実施形態にかかり、その構成を説明する空胴共振器の部分縦断面図である。
この実施形態のジャイロトロン装置は、参考例と第１の実施形態とを組み合わせたものである。そのため、参考例及び第１の実施形態と同一部材、同一部位には同一の符号を付して詳しい説明は省略する。

図示するように、第１の実施形態と同様に、外周面と内周面とに導電層１１５ａ，１１５ｂを被覆した圧電体１１２を用いる。そして、圧電体１１２の両端に、導電性の金属から形成された前方部材１０ａ及び後方部材１０ｂを取り付ける。この実施形態では、導電層１１５ａ，１１５ｂに取り付けた電極１１３ａ，１１３を電源９ａに接続し、前方部材１０ａ及び後方部材１０ｂに取り付けた電極１０３ａ，１０３を別の電源９ｂに接続しているが、電極１１３ａ，１１３及び電極１０３ａ，１０３を共通の電源に接続してもよいことは勿論である。

圧電体１１２と前方部材１０ａ及び後方部材１０ｂとは、圧電体１１２の両端の径方向の形状変化を妨げないように、気密性，柔軟性及び導通性を有するハンダ等の軟質金属を用いた溶接や、導電性樹脂等を用いた接着により、突き合わせ接合するとよい。また、参考例と同様に、ばねにより前方部材１０ａと後方部材１０ｂとを付勢し、前方部材１０ａと後方部材１０ｂとによって圧電体１１２を挟持させるようにしてもよい。
この実施形態では、電源９ａ，９ｂから圧電体１１２に電圧を印加することで、長さＬ及び半径Ｒの両方が変化し、参考例及び第１の実施形態よりもより広い範囲で周波数の調整が可能になる。

［実施例］
本発明の発明者は、参考例のジャイロトロン装置を使って、実験を行った。
ここで、空胴共振器１２は、論文「S.Sabchevski, T.Idehara
and S. Fuiwara,
Conceptual design study of a novel gyrotron for
NMR/DNP spectoscopy,
Int. J. Infrared and Millimeter Waves 」に記載されているものと同じ形状を持つものを用いた。図４は、この空胴共振器１２の対応する三つの軸方向モード（ＴＥ０４１モード、ＴＥ０４２モード、ＴＥ０４３モード）に対する実験結果をグラフにしたもので、縦軸に周波数を、横軸に印加電圧をとっている。

なお、この実験では、圧電体１０２として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で形成された長さＬ＝１６．２６ｍｍ，半径Ｒ＝１．６０９ｍｍの円筒状のものを用いた。ＰＺＴのStrain
coefficient d₃₁（圧電歪定数）は、３００×１０^―１２ｍ／Ｖと仮定している。
この実験結果からわかるように、印加電圧を０Ｖから５００Ｖに変化させることで、周波数を約２００ＭＨｚの範囲内で直線的に変化させることができる。従来の調整可能範囲は約４０ＭＨｚであるから、本発明により、周波数の調整可能範囲が約５倍に拡大したことになる。

本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記の説明では、圧電体１０２，１１２を軸線Ｃ方向又は径方向に形状変化させるために、各々一つの電源９（９ａ，９ｂ）に接続しているが、各々複数の電源に接続するようにしてもよい。
また、上記の説明では、蛇腹状のシールド１０４を設けて空胴共振器１２からの電磁波の漏洩を防止するようにしているが、電磁波の漏洩を防止できるのであれば、シールドの形態はこれに限られず、例えば、軸方向に伸縮できるメッシュ状の金属筒を圧電体１０２の外周に設けるようにしてもよい。
さらに、第１の実施形態の導電層１１５ａ，１１５ｂにおいては、軸線Ｃ方向に導電層１１５ａ，１１５ｂを輪切り状に複数に分割し、各領域に一つ又は複数の電源を接続するようにしてもよい。

また、上記の説明では、印加電圧により形状が変化する圧電体を例に挙げて説明したが、長さ方向及び／又は径方向に均一にその形状を変化させることができるのであれば、形状変化手段としては、例えば温度変化により膨張又は収縮するものを用いてもよい。この場合は、例えば、誘導加熱コイルやヒータを用いて、ジャイロトロン本体１０を加熱し、膨張させるものを挙げることができる。

本発明は、マイクロ波またはミリ波を発生するジャイロトロン装置に好適に適用が可能である。

本発明の参考例にかかり、その構成を説明する空胴共振器の部分縦断面図である。本発明の第１の実施形態にかかり、その構成を説明する空胴共振器の部分縦断面図である。本発明の第２の実施形態にかかり、その構成を説明する空胴共振器の部分縦断面図である。参考例のジャイロトロン装置を使って、印加電圧と周波数との関係を調べた実験結果を示すグラフである。従来のジャイロトロン装置の全体構成を説明する縦断面図である。

符号の説明

１：ジャイロトロン装置
９：電源
１０：ジャイロトロン本体
１０ａ：前方部材
１０ｂ：後方部材
１０１：空間部
１０２：圧電体（形状変化手段）
１０３ａ，１０３ｂ：電極
１０４：シールド
１２：空胴共振器
１４：コレクタ

Claims

電子ビームを射出する電子銃と、射出電子に旋回運動を起こさせる磁場発生装置と、サイクロトロン共鳴メーザ作用を起こさせる空胴共振器と、この空胴共振器内を通過した電子ビームを回収するコレクタと、前記サイクロトロン共鳴メーザ作用により発生した高周波を取り出す出力窓とを有するジャイロトロン装置において、
電圧の印加により前記空胴共振器の軸線に交叉する方向に寸法が変化する形状変化手段と、
この形状変化手段の外周面及び内周面に形成された導電被膜と、
この導電被膜に接続され、前記外周面と前記内周面との間に電圧を印加する駆動手段と、
を有することを特徴とするジャイロトロン装置。
前記形状変化手段の軸線方向の両端に電圧を印加する駆動手段を接続し、前記両端に電圧を印加することで前記形状変化手段の寸法を軸線方向に変化させることを特徴とする請求項１に記載のジャイロトロン装置。
前記形状変化手段の外周囲に、前記空胴共振器からの電磁波の漏洩を防止するためのシールドを設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載のジャイロトロン装置。
前記形状変化手段を複数の領域に区分けし、各領域を単一又は複数の前記駆動手段に接続したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のジャイロトロン装置。
前記形状変化手段の外側に、前記形状変化手段を軸線方向に付勢する付勢手段を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のジャイロトロン装置。
前記前記形状変化手段の外周囲にシールドを設ける場合において、前記付勢手段が前記シールドとして形成されていることを特徴とする請求項５に記載のジャイロトロン装置。