JP5131905B2

JP5131905B2 - ジャイロトロン高効率化方法

Info

Publication number: JP5131905B2
Application number: JP2007248439A
Authority: JP
Inventors: 慶司坂本
Original assignee: Japan Atomic Energy Agency
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2007-09-26
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2027-09-26
Also published as: JP2009081001A

Description

本発明は、大電力マイクロ波発生装置ジャイロトロンの高効率化を可能とする方法に関するものである。

ジャイロトロンの概念図と電源構成を図１および図２に示す。大電力マイクロ波発生装置ジャイロトロン１は、ソレノイドコイル（主コイル）１２に挿入され、ジャイロトロンの軸方向に静磁場が印加される。電子銃２に電圧を印加すると熱電子が引き出される。ここで、ジャイロトロンにおける電子放出部４は、一般にエミッションベルト４と呼ばれる幅の細いリング形状をしており、円筒型の電子ビームが形成される。電子がエミッションベルトから引き出される際、電子の引き出し方向と静磁場の磁力線方向の間に有限の角度を付けると、引き出される電子に回転速度が与えられる。電子の軌道に沿って加速電界と磁場強度が変化する配位を設けると、有効に電子に回転速度が与えられる。このタイプの電子銃をマグネトロン入射型電子銃と呼ぶ。ここから放出された電子は、静磁場に巻き付いて、磁力線に沿って下流の空胴共振器５に導入される。

空胴共振器は、磁場発生装置であるソレノイドコイル１２の中心部に配置される。磁場の強度は、電子銃２部から空胴共振部５に向かって強くなるため、電子の磁気モーメント保存則により、電子の進行エネルギーは回転エネルギーに変換され、電子の回転速度と進行速度の比、いわゆる回転比（ピッチファクタ）は進行するにつれて上昇し、空胴共振器では１．０程度以上の回転エネルギー成分の大きい電子ビームができる。

ジャイトロン１は、空胴共振器５内において、電子サイクロトロン共鳴メーザーの効果で、電子の回転エネルギーを電磁波（マイクロ波）のエネルギーに変換する電子管であり、高い回転比の電子ビームを作ることが重要である。３極電子銃（電子放出部であるカソード部４と、引き出し電界を印加するためのアノード部３、さらに加速電圧を与えるボディ電極３ａから成る）の場合、電子ビームのエネルギーを一定に保ちながらアノード電圧を制御することにより、回転比を制御することができる。また、電子銃部の磁場を変えることによっても回転比は変化するが、この場合電子ビームの位置が変化するため、空胴共振器５の磁場（以下、空胴磁場）と連動させ、かつ空胴共振器内において、最適の電子ビーム位置にあわせる必要がある。

また、コントロールアノード電極がない２極電子銃では、電子ビームのエネルギーを変えることにより制御できるが、発振条件が変化するため、ソレノイドコイル１２（主コイル），ソレノイドコイル１３（電子銃部）による空胴磁場を同時に変更する。

空胴共振器５の内部では、電子ビームの位置と印加磁場強度に応じ、固有の共振周波数を持つ共振モードの電磁波が励起される。この電磁波は、電子銃２側には電磁波のカットとなるため漏れてこず、下流側にのみ伝播する。この電磁波をモード変換器６によりガウス型電磁ビーム８に変換し、真空窓（出力窓７）を介して外部に準光学電磁ビームとして放出する。空胴共振器５で電磁波生起に利用された後のエネルギーを失った電子ビーム１０ａは、磁場に沿って進みコレクタ９に捕捉される。

空胴共振器のサイズの目安は、例えば、発振モードがＴＥ３１，８の空胴共振器を持つ周波数１７０ギガヘルツのジャイロトロンの場合、空洞共振器の半径は１７．９ｍｍ、円筒電子ビームの半径９．１３ｍｍ、電子ビームの厚み約０．４ｍｍである。それぞれの電子は、磁場に巻き付き、ら円運動しながら空胴共振器に打ち込まれるが、これらの回転半径は約０．２ｍｍである。

空胴共振器内において、目的の発振モードを、高いエネルギー変換効率（発振効率）で発振させるためには、最適な電子ビームの回転周波数と、回転比を選択する必要がある。一般には、回転比を上げ、回転周波数を下げると発振効率が上がる。空胴共振器内で回転周波数を下げることは、空胴磁場を下げることに対応する。

なお、ジャイロトロン装置の構造およびジャイロトロン装置の出力調整方法に関する文献も存在している（特許文献１および２）。
特開平７−３０７１３２号公報特開平８−２０３４４１号公報

通常のジャイロトロンオペレーションでは、空胴磁場を固定し、電子銃に印加する電圧を０Ｖから設定値（例えば、数１０キロボルト）まで数１０ミリ秒程度までの短い時間で立ち上げる。電子ビーム電流は、電子銃への電圧印加と同時に発生し、電圧の上昇に伴い増加する。所定の電子ビームエネルギー、回転比、電子ビーム電流で決まる発振開始条件が満たされた時、目的の発振モードの高周波電力がノイズレベルより指数関数的に成長する。そしてついには成長が飽和し、発振出力は定常値に落ち着く。この成長時間は約１マイクロ秒程度以下であり、一般に通常の電圧の立ち上げ時間に比べて十分短い。その後は設定されたパルス幅まで、固定された電圧で発振を続ける。

一方、理論上予測される高い発振効率は、難発振開始領域（図３および４参照）と呼ばれる、ノイズレベルからは成長し得ないオペレーション領域に存在する。これは通常ジャイロトロンが運転される空胴磁場よりも、さらに低い空胴磁場領域に存在するが、従来の方法に従ってこの空胴磁場に設定してオペレーションを行おうとすると、より低い周波数の発振モードが成長してしまい、目的モードの発振が得られなかった。

また、一方、ジャイロトロンの発振開始にはオペレーションパラメータが安定せず、当初の設定条件からはずれ、エネルギー変換効率が下がるという問題があった。具体的には、電流が時間とともに減少する。ジャイロトロン内にイオンが蓄積し、ビーム電圧が変化する、回転比が下がる、空胴共振器の熱膨張により発振周波数が下がる、等であり、最悪の場合は、目的モードの発振が止まり他のモードに取って代わられる。これを防ぐためには空胴磁場を上げる、等の対策によりより安定な発振条件を設定する必要があるが、その代わりエネルギー変換効率が下がってしまっていた。

これらの事情により、これまでのジャイロトロンでは、理論上予測されるよりも発振効率が大幅に低かった。これは、連続出力のジャイロトロンを考えた場合、電源容量が大きくなるにのみならず、コレクタ１０の熱負荷が大きくなるとともに寿命が短くなる、冷却設備が過大になる、等の大きな不都合が生じてしまう。

本発明においては、従来固定パラメータで行われていた発振を、ジャイロトロンの発振中にジャイロトロンの電子ビームパラメータを積極的に制御することにより、高効率のジャイロトロン発振を得る、新しいジャイロトロン運転制御手法とこれを実現するための機器構成を提示する。電子ビームパラメータとは、空胴共振器内における電子ビームの回転周波数、回転比、電子ビーム位置、電子ビーム電流などが含まれる。

これらのパラメータを発振中に制御するために有効な、外部より制御する項目として、以下の５つがある。
（１）空胴磁場
（２）電子銃磁場
（３）電子ビーム加速電圧
（４）３極電子銃の中間電極電圧（２極電子銃の場合は制御不可）
（５）電子銃ヒーター電源
３極電子銃を用いた場合、電子ビーム加速電圧を一定に保った状態で、空胴磁場と電子銃の中間電極電圧の２つのみでも有効なビームパラメータの制御が可能で、最高効率領域への到達が容易に可能となる。制御の方式としては、プレプログラム制御、フィードバック制御、マニュアル制御のいずれも有効である。

本発明によれば、従来低い発振効果でしか運転できなかったジャイロトロンを、最大効率で安全かつ確実にオペレーションされることができる。また、仮にジャイロトロンパラメータが運転中にずれた場合でも、確実にジャイロトロンパラメータを追尾し、最適の発振を達成させることが可能となる。

本発明を図１及び図２に示したジャイロトロン及び電源構成を用いて説明する。図１と図２は電源配置（電源配線）のみ異なり、ジャイロトロンは同一である。
ジャイロトロンを発振させるためには、まず電子銃のヒーター電源１８を立ち上げ、電子銃のヒーターを加熱し、電子銃２に電子ビーム加速電圧を印加すれば熱電子が放出される状態を作る。超伝導コイル１２，１３を所定の電流に立ち上げ、空胴磁場、および電子銃磁場を印加した後、主電源１４、および電子ビーム加速電源１５を立ち上げ、回転電子ビームを引き出すとともに加速し、空胴共振器の所定の位置に打ち込み、目的のモードを発振させる。

発振した後、先述のように発振条件が変化し、発振効率が下がって行く。これに対応するために、発振条件の変化に応じて制御パラメータをコントロールさせ、最高発振効率を実現させることができる。

上記（課題を解決するための手段）で示した制御項目（１）〜（５）を使って難発振開始領域における高効率発振を得るための手順は数多く存在するが、最も容易な制御手順は、（ａ）まず効率は低いが安定な発振が確実に得られる領域（通常発振領域、図４参照）で発振を確立する。（ｂ）ここで時間が経過するとともにジャイロトロンパラメータが安定化する。（ｃ）次に、アノード電圧制御部１６の電源を制御することにより、３極電子銃のアノード電圧を上げ、（ｄ）ついで超伝導コイル１２の電流を制御して磁場を下げる。これは目的モードの発振を行わせながら電子ビームの回転比を上げた後、回転周波数を下げることに対応する。その結果、効率が上昇し最終的には難発振開始領域に到達させることができる。

又、上記（ｃ）及び（ｄ）において、３極電子銃のアノード電圧を上げながら同時に磁場を下げることも可能である。これは、図４に示されるように、初期発振の初期値から目的のポイント（例えば、最高効率）までは目的モードの通常発振領域であればどの経路を通っても良いからである。

（実施例１）ジャイロトロン運転制御における目的モードの出力と空胴磁場との関係
図３は、目的モードの出力と空胴磁場、すなわち電子ビームの回転周波数の関係の１例を示す。すなわち、図３は、目的モード２１（ＴＥ３１，８モード）と近傍モード２３（ＴＥ３０，８モード）における電子ビームの回転出力の空胴磁気依存性を示す図である。図中黒四角印■が安定な発振領域２０（空胴磁場：６．７ステラ、出力：０．６ＭＷ）である。この例では、まずノイズレベル（縦軸の出力ゼロの位置）から目的とする発振モード２１（ＴＥ３１，８モード）を発振させ、すべての制御パラメータが変化した後に、出力を上げて電子ビームの回転比を上げ、エネルギー源となる電子の回転エネルギーを上昇させる（矢印２２）。次に、空胴磁場を下げると発振電力が上昇して行き（発振領域２０からの左方向上昇矢印）、ついには最高効率（目的モードである空胴磁場：６．６３テスラ、出力：０．８ＭＷ）が得られる。

上記モードについては、図６に示されるＴＥ３１，８モードの電界分布図（空胴共振器の断面図）に示されるように、ＴＥｍ、ｍｎモードの場合は半径方向にｎ個のピーク、周方向に２ｍ個のピークが現れる。具体的には、ＴＥ３１，８モードの場合、図６に示されるように、半径方向に８個のピーク、周方向に３１個の山と谷（図６では、山３１個、谷３１個合計６２個）が見える。円筒状の電子ビームは内側のピークに合わせて打ち込まれる。なお、外周の壁は空胴共振器の内壁を示している。
（比較例）ジャイロトロン運転制御における近傍モードの出力と空胴磁場との関係
図３において、さらに空胴磁場を下げると（６．６３テスラ以下）、目的モード２１が維持できなくなり、そのかわりパワーの低い近傍モード（ＴＥ３０，８）が現れる。この近傍モード２３（空胴磁場：６．６３テスラ以下、出力：０．４ＭＷ以下）の周波数は、目的モードよりも周波数は低い。ここで反対に空胴磁場を上げても近傍モードが引続き発振するが、ある時点（空胴磁場：６．６６テスラ付近）で目的モードが復活し、近傍モードが消える。

このパワーが復活した空胴磁場よりも低い磁場領域が難発振開始領域黒丸●に対応する。すなわち、矢印２３で示されるように、出力がゼロの領域から発振を立ち上げようとしても、所定の目的モードは立上らず、その代わりパワーの低い近傍モード２３（ＴＥ３０，８モード）が現れる。難発振開始領域にある、効率の高い（パワーの高い）発振を得ようとすれば、一旦通常発振領域（図４参照）で目的モードを立ち上げ、ついで磁場を下げて目的モードの発振を維持したまま、最高効率領域を得る必要があることが分かる。
（実施例２）ジャイロトロン運転制御におけるアノード電圧と空胴磁場との関係
図４は、空胴磁場とアノード電圧をパラメータとしたときの出力パワーの値を等高線で描いたものである。すなわち、空胴磁場とアノード電圧に対する目的モード（ＴＥ３１，８）の発振出力依存性を示す図であり、図中、目的モードの発振出力を等高線で描いており、矢印は発振中のパラメータ制御経路である。

図３で行った固定磁場で回転比を上げることは、図４中、経路（１）に対応し、磁場を下げることは経路（２）に対応する。目的の最高効率領域には、図４中の通常発振領域で発振を確立させた後、目的モードへの発振領域内の経路を通って到達する。

電子ビームを立ち上げた直後には種々のパラメータが変化するため、通常発振領域自体が変化するため、パラメータの変化に発振がなるべく左右されない領域での初期発振が重要である。

図４では、空洞磁場６．７１５テスラ、電子銃のアノード電圧４０．０ｋＶで初期発振させ、アノード電圧を４２．５ｋＶに上昇させた後に空洞磁場を６．６４テスラに下降させると、電子ビームへの出力が０．５ＭＷから０．８ＭＷに上昇し、その回転比が上昇することが示されている。
（実施例３）ジャイロトロンパラメータの電子ビーム加速電圧２０、電子引き出し電圧２１及び空洞磁場２２と経過時間との関係
図５に示されるように、（１）において、電子ビーム加速電圧２０を一定に保ったままアノード電圧を上げると、すなわち電子ビーム加速電圧とアノード電圧の差である電子引き出し電圧２１が増えると、電子の回転比が上昇して電子ビームに回転エネルギーが与えられる。その後、（２）において空胴磁場２２を下げると、最高効率点に到達する。図５中の（１）、（２）は図４の制御経路（１）、（２）に対応している。すなわち、図５は、パラメータ（電子ビーム加速電圧２０、電子引き出し電圧２１、空胴磁場２２）の具体的制御図である。（２）で大きく出力（０．５ＭＷから０．８ＭＷへ：図４参照）を上昇させるためには、図４から分かるように、（１）で十分に回転比を上げておくことが重要である。

他に最高効率点に到達する方法として、発振中に電子ビーム加速電源１５または１５ａを制御し、電子ビーム加速電圧を上げる方法もある。これは、電子ビームの回転周波数が磁場のみならず、相対論効果によって電子ビームのエネルギーによっても変化することによる。具体的には、電子の回転周波数ｆ（ヘルツ）は

で決まる。ここで、Ｂは空胴磁場で単位はテスラ、Ｖ_Ｂは空胴共振器中の電子ビームのエネルギーで単位はキロ電子ボルトである。

産業上の利用分野

現在は、国際熱核融合炉実験炉ＩＴＥＲや、現在運転中の核融合研究用磁場閉じ込め型のプラズマ発生装置で使用されます。今後は、プラズマプロセッシング装置、イオン源、レーダー、加速器、高周波加熱装置、医療などへの利用可能性も考えられる。

カソード接続型ジャイロトロンとその電源配置を示す図である。コレクタ接続型ジャイロトロンその電源配置を示す図である。ジャイロトロン制御パラメータにおける目的モードと近傍モードの出力の空胴磁気依存性を示す図である。空胴磁場とアノード電圧に対する目的モードの発振依存性を示す図である。パラメータの具体的制御例を示す図である。目的モードの電界分布の空胴共振器における断面図である。

符号の説明

１．ジャイロトロン装置
２．電子銃
３．３極電子銃アノード電極
３ａ．ボディ電極
４．電子放出部（エミッションベルト）
５．空胴共振器
６．放射器
７．出力窓
８．電磁ビーム
９．上部コレクタ
１０．下部コレクタ
１１．絶縁セラミック
１２．超伝導ソレノイドコイル（主コイル）
１３．超伝導ソレノイドコイル（電子銃部）
１４．主電源
１５．電子ビーム加速電源（カソード接続型）
１５ａ．電子ビーム加速電源（コレクタ接続型）
１６．アノード電圧制御部
１７．分圧抵抗
１８．電子銃ヒーター電源
１９．電子銃ビーム減速電圧
２０．電子銃ビーム加速電源への制御指令
２１．アノード電圧制御指令
２２．超伝導コイル（主コイル）電流制御指令
２３．超伝導コイル（電子銃）電流制御指令
２４．ヒーター入力電力制御指令

Claims

ジャイロトロンの軸方向に静磁場が印加され、電子銃から出射された電子が、旋回電子ビームとしてこの静磁場にそって空胴共振器に入射され、この空胴共振器において電子サイクロトロン共鳴メーザーの原理で電子ビームの回転エネルギーが電磁波のエネルギーに変換されるジャイロトロン装置において、初期発振後に、アノード電圧を上昇させて電子の回転速度と進行速度の比である回転比を上昇させ、次いで空洞磁場を下降させて回転周波数を下げ、最高発振効率を達成する、ジャイロトロンの運転方法。
ジャイロトロンの軸方向に静磁場が印加され、電子銃から出射された電子が、旋回電子ビームとしてこの静磁場にそって空胴共振器に入射され、この空胴共振器において電子サイクロトロン共鳴メーザーの原理で電子ビームの回転エネルギーが電磁波のエネルギーに変換されるジャイロトロン装置において、初期発振後に、アノード電圧を上昇させて電子の回転速度と進行速度の比である回転比を上昇させ、同時に空洞磁場を下降させて回転周波数を下げ、最高発振効率を達成する、ジャイロトロンの運転方法。