JP5377234B2

JP5377234B2 - クライストロン装置

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Publication number: JP5377234B2
Application number: JP2009253661A
Authority: JP
Inventors: 良久大久保
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electron Tubes and Devices Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Electron Tubes and Devices Co Ltd
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2009-11-05
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2029-11-05
Also published as: JP2011100590A

Description

本発明は、マルチセル出力空胴を有するクライストロン装置に関する。

クライストロン装置は、電子銃から放出された電子ビームの作用によって高周波電力を増幅する電子管である。従来のクライストロン装置は、管内にドリフト空間が形成されたドリフト管、ドリフト管の外周に設けられた入力空胴、共振空胴および出力空胴などから構成されている。ドリフト管の一端側には電子ビームを放出する電子銃が配設され、ドリフト管の他端側にはドリフト空間を通過した電子ビームを捕集するコレクタが配設されている。クライストロン装置は、入力空胴にて高周波電力が入力されて、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し、導波管および出力窓が接続された出力空胴にて高周波電力を出力する。

ここで、ピーク出力が大きなクライストロン装置や平均電力が大きなクライストロン装置においては、出力空胴が複数のセル空胴により構成された、いわゆるマルチセル出力空胴が採用されることがある（例えば、特許文献１を参照）。マルチセル出力空胴を採用すると、１つのセル空胴あたりでの電圧を低減して放電の発生を抑制でき、また、出力空胴の表面積が大きくなって出力空胴の放熱性を向上できることが知られている。

特開２００４−２５３２２７号公報

上述した従来のクライストロン装置では、複数のセル空胴の相互間の結合を大きくするためには、複数のセル空胴の間隔を狭くする必要がある。すなわち、複数のセル空胴を仕切っている複数の隔壁の板厚を薄く設計する必要がある。特に、動作周波数が大きなクライストロン装置においては、隔壁の板厚をより薄く設計する必要がある。このように、隔壁の板厚が薄くなると、隔壁の放熱性が低下して、クライストロン装置の動作効率が低下してしまう。

そこで、本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、マルチセル出力空胴を有するクライストロン装置において、出力空胴の冷却能力を向上させることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係るクライストロン装置は、管軸に沿って延びたドリフト空間に電子ビームを放出する電子銃と、前記ドリフト空間を囲っている管状のドリフト管と、内部が前記ドリフト空間と連通するように前記ドリフト空間の外周に前記ドリフト管と同軸的に設けられて、高周波信号が入力される環状の入力空胴と、前記入力空胴に比べて電子ビームの進行方向寄りに配置されて、内部が前記ドリフト空間と連通するように前記ドリフト空間の外周に前記ドリフト管と同軸的に設けられて、増幅された高周波信号が出力される環状の出力空胴と、前記出力空胴を前記ドリフト空間に沿って並んだ複数のセル空胴に仕切り、内周部が他の部分に比べて厚肉に形成されて前記内周部の内部に前記内周部に沿って冷却路が設けられた少なくとも１つの環板状の隔壁と、前記ドリフト空間を通過した電子ビームを捕集するコレクタと、を具備したことを特徴とする。

本発明によれば、マルチセル出力空胴を有するクライストロン装置において、出力空胴の冷却能力を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態に係るクライストロン装置を説明するための概略縦断面図である。図１における出力空胴部分の拡大図である。（ａ）図２のＸ−Ｘ矢視断面図である。（ｂ）図２のＹ−Ｙ矢視断面図である。本発明の第２の実施形態に係るクライストロン装置を説明するための図であって、各セル空胴の共振周波数のずれとクライストロン装置の動作効率との関係をシミュレーションした結果である。

［第１の実施形態］
本発明に係るクライストロン装置の第１の実施形態について、図１ないし図３を用いて説明する。

本実施形態に係るクライストロン装置１の概略について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るクライストロン装置を説明するための概略縦断面図である。

本実施形態に係るクライストロン装置１は、電子銃１０から放出された電子ビーム２の作用によって高周波信号を増幅する電子管である。クライストロン装置１は、電子銃１０、ドリフト管２０、入力空胴２４、共振空胴２７、出力空胴３０、コレクタ５０、および、集束コイル（図示しない。）などを有する。

電子銃１０は、電子ビーム２を発生させるカソード１１、および、電子ビーム２を加速させる環状のアノード１２を有する。電子ビーム２は、カソード１１からアノード１２に向かって飛び出し、アノード１２の環内を通り抜けて、電子銃１０から放出される。電子銃１０から放出された電子ビーム２は、クライストロン装置１の管軸３に沿って延びたドリフト空間２１を直進する。

ドリフト管２０は、クライストロン装置１の管軸３に沿って配置されて、ドリフト空間２１を囲っている。上述の電子銃１０は、ドリフト管２０の一端に配置されて、電子銃１０から放出された電子ビーム２は、ドリフト空間２１を通過する。

入力空胴２４、共振空胴２７、および、出力空胴３０は、ドリフト管２０の外周に管軸３と同軸的に設けられている。入力空胴２４、共振空胴２７、および、出力空胴３０は、それぞれの内部空間がドリフト空間２１と連通するように設けられている。入力空胴２２は、ドリフト管２０の電子銃１０側の端部に配置され、出力空胴３０は、他端（電子ビーム２の進行方向寄りの一端、すなわち、ドリフト管２０のコレクタ５０側の端部）に配置されている。共振空胴２７は、入力空胴２４と出力空胴３０との間に配置されている。すなわち、入力空胴２４と共振空胴２７との間、共振空胴２７同士の間、共振空胴２７と出力空胴３０との間、および、出力空胴３０とコレクタ５０との間には、ドリフト管２０が配置されている。なお、本実施形態では、ドリフト管２０の径は一様に設計されている。

入力空胴２４には、高周波信号を入力する同軸線路２５が接続されている。また、本実施形態では、管軸３方向に並んだ３つの共振空胴２７が設けられている。出力空胴３０には、高周波信号を出力する導波管５１が接続されている。この導波管５１には、ドリフト空間２１を真空に保って、高周波信号を透過する出力窓５２が設けられている。

コレクタ５０は、ドリフト管２０の一端（電子ビーム２の進行方向寄りの一端）に配置されている。コレクタ５０は、ドリフト空間２１を通過した電子ビーム２を捕集する。

集束コイルは、クライストロン管の外周を囲むように配置され、ドリフト空間２１を通過する電子ビーム２を集束する磁場を発生させる役割を果たす。集束コイルには、例えば電磁石が用いられる。

上述の構成において、電子銃１０から放出された電子ビーム２は、コイルの磁場により集束されて、ドリフト空間２１に入り、管軸３に沿って進行する。そして、電子ビーム２は、入力空胴２４に入力された高周波信号により速度変調され、ドリフト管２０および共振空胴２７を通過中に密度変調される。その後、電子ビーム２が出力空胴３０を通過するとき、増幅された高周波信号が取り出され、導波管５１を介して外部に出力される。ドリフト空間２１を出た電子ビーム２は、コレクタ５０に捕集される。

本実施形態に係るクライストロン装置１の出力空洞３０について、図２および図３を用いて詳細に説明する。図２は、図１における出力空胴部分の拡大図である。図３（ａ）は、図２のＸ−Ｘ矢視断面図であり、図３（ｂ）は、図２のＹ−Ｙ矢視断面図である。

出力空洞３０の内部空間は、２枚の環板状の隔壁３１，３２（電子銃１０側から順に、第１隔壁３１，第２隔壁３２）によって仕切られていて、出力空洞３０は、３つのセル空胴３４，３５，３６（電子銃１０側から順に、第１セル空胴３４，第２セル空胴３５，第３セル空胴３６）から構成されている。隔壁３１，３２は、互いに間隔を空けて、管軸３１に垂直に配置されていて、複数のセル空胴３４，３５，３６は、ドリフト空間２１に沿って並んでいる。隔壁３１，３２の内径は、ドリフト管２０の内径と略同一に設計されている。

隔壁３１，３２の環状の内周付近（以下、「内周部」）３８，３９は、他の部分に比べて、厚く形成されている。また、この内周部３８，３９に対向する出力空洞３０の内壁には、環状の凸部４１，４２が形成されている。内周部３８，３９および凸部４１，４２には、冷却路４４が内周部３８，３９および凸部４１，４２に沿って設けられていて、この冷却路４４には、出力空胴３０や隔壁３１，３２を冷却する冷却水が流される。この冷却により、出力空胴３０での高周波損失を抑制でき、クライストロン装置１の動作効率を向上することができる。

図３（ａ）に示すように、隔壁３１には、互いに隣り合った第１セル空胴３４の内部空間と第２セル空胴３５の内部空間とを連通する２つの第１結合孔４６が形成されている。２つの第１結合孔４６は、管軸３を中心にして互いに対向する位置に形成されている。また、図３（ｂ）に示すように、隔壁３２には、互いに隣り合った第２セル空胴３５の内部空間と第３セル空胴３６の内部空間とを連通する２つの第２結合孔４７が形成されている。２つの第２結合孔４７は、管軸３を中心にして互いに対向する位置に形成されている。なお、図３（ａ）および（ｂ）から分かるように、第１結合孔４６と第２結合孔４７とは、管軸３を中心にして９０°ずれた位置に形成されている。

ここで、隔壁３１，３２の厚さおよび内径、第１結合孔４６および第２結合孔４７の寸法は、第３セル空胴３６のＱ値と合わせて、３π／２モードで各セル空胴３４，３５，３６の電圧Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３を所望の値にするように決定される。

各セル空胴３４，３５，３６において高周波成分Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３が発生する場合、３π／２モードで各セル空胴３４，３５，３６において電圧Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３を誘起させるためには、第１セル空胴３４と第２セル空胴３５との間の結合係数ｋ_１２、第２セル空胴３５および第３セル空胴３６との間の結合係数ｋ_２３、第３セル空胴３６と外部との間の結合Ｑ_３は、式１、式２および式３を満足するように決定すれば良い（特許文献１を参照）。ただし、式１、式２および式３は、各セル空胴３４，３５，３６の共振周波数がクライストロン装置１の動作周波数ｆ_０と一致している場合に成り立つ。なお、各セル空胴３４，３５，３６のＲ／Ｑ値を（Ｒ／Ｑ）_１，（Ｒ／Ｑ）_２，（Ｒ／Ｑ）_３とする。

（式１）
｜ｋ_１２｜＝２×｛（Ｒ／Ｑ）_１・（Ｒ／Ｑ）_２｝^１／２×｜Ｉ_１｜／｜Ｖ_２｜，ｋ_１２＜０
（式２）
｜ｋ_２３｜＝２×｛（Ｒ／Ｑ）_２・（Ｒ／Ｑ）_３｝^１／２×｜Ｉ_２｜／｜Ｖ_３｜＋｛（Ｒ／Ｑ）_３／（Ｒ／Ｑ）_１｝×ｋ_１２×｜Ｖ_１｜／｜Ｖ_３｜，ｋ_２３＜０
（式３）
１／Ｑ_３＝（Ｒ／Ｑ）_３×｜Ｉ_３｜／｜Ｖ_３｜＋｛（Ｒ／Ｑ）_３／（Ｒ／Ｑ）_２｝^１／２×｜ｋ_２３｜／２×｜Ｖ_２｜／｜Ｖ_３｜
ここで、各セル空胴３４，３５，３６で同一の電圧Ｖを誘起させる場合に高周波損失が最小となり、このとき、式１、式２および式３は、それぞれ、式４、式５および式６となる。

（式４）
｜ｋ_１２｜＝２×｛（Ｒ／Ｑ）_１・（Ｒ／Ｑ）_２｝^１／２×｜Ｉ_１｜／｜Ｖ｜，ｋ_１２＜０
（式５）
｜ｋ_２３｜＝２×｛（Ｒ／Ｑ）_２・（Ｒ／Ｑ）_３｝^１／２×｜Ｉ_２｜／｜Ｖ｜＋｛（Ｒ／Ｑ）_３／（Ｒ／Ｑ）_１｝×｜ｋ_１２｜_，ｋ_２３＜０
（式６）
１／Ｑ_３＝（Ｒ／Ｑ）_３×｜Ｉ_３｜／｜Ｖ｜＋｛（Ｒ／Ｑ）_３／（Ｒ／Ｑ）_２｝^１／２×｜ｋ_２３｜／２
また、第１セル空胴３４と第２セル空胴３５との間の電子速度ｕ_１２に対し、第１セル空胴３４の中央部から第２セル空胴３５の中央部までの管軸３方向の距離ｄ_１２がおおよそ３π／２となるように、各セル空胴３４，３５の寸法および第１隔壁３１の厚さを決定する（式７）。同様に、第２セル空胴３５と第３セル空胴３６との間の電子速度ｕ_２３に対し、第２セル空胴３５の中央部から第３セル空胴３６の中央部までの管軸３方向の距離ｄ_２３がおおよそ３π／２となるように、各セル空胴３５，３６の寸法および第２隔壁３２の厚さを決定する（式８）。すなわち、各セル空胴３４，３５，３６の電磁波モードが３π／２モードとなっている。

（式７）
ｌ_１２＝ｕ_１２／ｆ_０／４
（式８）
ｌ_２３＝ｕ_２３／ｆ_０／４
なお、ｆ_０は、クライストロン装置１の動作周波数である。

さらに、各セル空胴３４，３５，３６での電子ビーム２の最外径でのＭ値をそれぞれＭｒ_１，Ｍｒ_２，Ｍｒ_３とし、各セル空胴３４，３５，３６での電子ビームｅの高周波電流値をＩω_１，Ｉω_２，Ｉω_３とすると、各セル空胴３４，３５，３６で誘起させる電圧Ｖは、式９ないし式１２を満たす。

（式９）
Ｖ＝α×Ｖ_０／｛（Ｍｒ_１＋Ｍｒ_２＋Ｍｒ_３）×３｝
（αは、各セル空胴３４，３５，３６での電圧の割合α_１、α_２、α_３の和であり、０．８〜１である。）
（式１０）
Ｉ_１＝Ｉω_１×Ｍｒ_１
（式１１）
Ｉ_２＝Ｉω_２×Ｍｒ_２
（式１２）
Ｉ_３＝Ｉω_３×Ｍｒ３
さらに、各セル空胴３４，３５，３６の共振周波数は、おおよそクライストロン装置１の動作周波数ｆ_０に等しく設定される。しかし、第１セル空胴３４と第３セル空胴３６との結合による効果（π／２モード，３π／２モードからのズレ分）を補正する必要がある。この補正は、第１セル空胴３４および第２セル空胴３５の共振周波数を、式１３に示すΔｆだけ動作周波数ｆ_０から低い値に設定する。

（式１３）
Δｆ＝ｋ_１３／４×｛（Ｒ／Ｑ）_１／（Ｒ／Ｑ）_３｝^１／２×ｆ_０≒ｋ_１３／４×ｆ_０
上述のとおり、式４ないし式１３に基づいて、各結合孔４６，４７の寸法、各隔壁３１，３２の厚さ、および、各セル空胴３４，３５，３６の共振周波数などが決定される。

本実施形態に係るクライストロン装置１の作用について説明する。

本実施形態によれば、隔壁３１，３２の内周部が、隔壁３１，３２の他の部分に比べて、厚く形成されているため、隔壁３１，３２の内周部３８，３９に冷却路４４を設けることが容易となる。その結果、マルチセル空胴の出力空胴３０を有するクライストロン装置１において、出力空胴３０の冷却能力を向上させることができる。特に、動作周波数が数ＧＨｚ以上の連続動作のクライストロン装置では、隔壁３１，３２の板厚を薄くする必要があるため、本実施形態の構成が効果的である。

また、隔壁３１，３２の内周部が、隔壁３１，３２の他の部分に比べて、厚く形成されている。そのため、各セル空胴３４，３５，３６のＲ／Ｑ値を大きくすることができる。ここで、各セル空胴３４，３５，３６での高周波損失は、１／｛（Ｒ／Ｑ）×Ｑ_i｝に比例する。すなわち、本実施形態によれば、Ｒ／Ｑ値が大きくなり、各セル空胴３４，３５，３６での高周波損失を低減することができる。

また、本実施形態では、電子速度ｕ_１２に対し、距離ｄ_１２がおおよそ３π／２となるように、各セル空胴３４，３５の寸法および第１隔壁３１の厚さが決定されている。また、電子速度ｕ_２３に対し、距離ｄ_２３がおおよそ３π／２となるように、各セル空胴３５，３６の寸法および第２隔壁３２の厚さを決定されている。そのため、距離ｄ_１２，ｌ_２３がπ／２となるように設計された場合に比べて、隔壁３１，３２の板厚が厚くなり、隔壁３１，３２の内部に冷却路４４を設けることがさらに容易となる。

また、本実施形態では、隔壁３１，３２の内径は、ドリフト管２０の内径と略同一に設計されている。そのため、隔壁３１，３２の内径がドリフト管２０の内径より大きく設計された、従来のクライストロン装置（例えば、特許文献１）に比べて、各セル空胴３４，３５，３６の電磁界と電子ビーム２との結合を大きくすることができ、クライストロン装置１の動作効率を向上することができる。

ここで、本実施形態では、隔壁３１，３２の内径がドリフト管２０の内径と略同一に設計されているため、隔壁３１，３２にそれぞれ第１結合孔４６と第２結合孔４７を形成して、各セル空胴３４，３５，３６同士の結合を行っている。出力空胴３０の電磁界分布を対称に近づけるために、２つの第１結合孔４６は、管軸３を中心にして互いに対向する位置に形成され、２つの第２結合孔４７は、管軸３を中心にして互いに対向する位置に形成されている。また、第１結合孔４６と第２結合孔４７とは、管軸３を中心にして９０°ずれた位置に形成されている。

［第２の実施形態］
本発明に係るクライストロン装置１の第２の実施形態について、図４を用いて説明する。図４は、本発明の第２の実施形態に係るクライストロン装置を説明するための図であって、各セル空胴の共振周波数のずれとクライストロン装置の動作効率との関係をシミュレーションした結果である。なお、本実施形態は、第１の実施形態の変形例であるため、重複説明を省略する。

本実施形態では、第１空胴セル３４の共振周波数をクライストロン装置１の動作周波数５ＧＨｚに比べて０．３％高く設定した。その結果、図４中の矢印６１で示したように、各セル空胴３４，３５，３６の共振周波数のずれがない場合（ΔＦ＝０のとき）において、各セル空胴３４，３５，３６の共振周波数が、第１の実施形態にて説明した第１セル空胴３４と第３セル空胴３６との結合係数ｋ_１３の補正後の各セル空胴の共振周波数の設定（第１空胴セル３４および第３空胴セル３６の共振周波数を式１３のΔｆだけ下げた設定）に比べて、クライストロン装置１の動作効率ηが向上する。

また、本実施形態によれば、各セル空胴３４，３５，３６の共振周波数が同一の場合に比べて、動作効率ηのピークが、図４中の矢印６２で示したように、ΔＦ＝０に向かってシフトしている。したがって、各セル空胴３４，３５，３６の共振周波数が同一の場合に比べて、ΔＦ＝０付近での動作効率ηの変動を小さくすることができる。

第１空胴セル３４の共振周波数をクライストロン装置１の動作周波数５ＧＨｚに比べて０．２〜０．６％高く設定した場合に、上述のようなシミュレーション結果が得られた。

［他の実施形態］
第１の実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。第１の実施形態では、２枚の隔壁３１，３２により３つのセル空胴３４，３５，３６が形成されているが、隔壁の枚数は１枚以上であれば良く、セル空胴の個数は２つ以上であれば良い。

また、第１の実施形態では、距離ｄ_１２，ｄ_２３は、電子ビームの速度ｕ_１２，ｕ_２３に対して、３π／２となるように設計されているが、π／２、５π／２のように、（２ｎ−１）π／２であれば良い（ｎ＝１、２、３…）。ただ、上述したように、冷却路４４を容易に設けることができる構造としては、ｎ≧３であることが好ましい。

また、第１の実施形態では、ドリフト管２０の径は一様に設計されているが、例えば、出力空胴３０とコレクタ５０との間のドリフト管２０の径が共振空胴２７と出力空胴３０との間のドリフト管２０の径に比べて大きく設計されていても良い。かかる場合には、隔壁３１，３２の内径は、共振空胴２７と出力空胴３０との間のドリフト管２０の径以上、出力空胴３０とコレクタ５０との間のドリフト管２０の径以下に設計されていることが好ましい。

１…クライストロン装置、２…電子ビーム、３…管軸、１０…電子銃、１１…カソード、１２…アノード、２０…ドリフト管、２１…ドリフト空間、２４…入力空胴、２５…同軸線路、２７…共振空胴、３０…出力空胴、３１…第１隔壁、３２…第２隔壁、３４…第１セル空胴、３５…第２セル空胴、３６…第３セル空胴、３８，３９…内周部、４１，４２…凸部、４４…冷却路、４６…第１結合孔、４７…第２結合孔、５０…コレクタ、５１…導波管、５２…出力窓

Claims

管軸に沿って延びたドリフト空間に電子ビームを放出する電子銃と、
前記ドリフト空間を囲っている管状のドリフト管と、
内部が前記ドリフト空間と連通するように前記ドリフト空間の外周に前記ドリフト管と同軸的に設けられて、高周波信号が入力される環状の入力空胴と、
前記入力空胴に比べて電子ビームの進行方向寄りに配置されて、内部が前記ドリフト空間と連通するように前記ドリフト空間の外周に前記ドリフト管と同軸的に設けられて、増幅された高周波信号が出力される環状の出力空胴と、
前記出力空胴を前記ドリフト空間に沿って並んだ複数のセル空胴に仕切り、内周部が他の部分に比べて厚肉に形成されて前記内周部の内部に前記内周部に沿って冷却路が設けられた少なくとも１つの環板状の隔壁と、
前記ドリフト空間を通過した電子ビームを捕集するコレクタと、
を具備したことを特徴とするクライストロン装置。
前記複数のセル空胴での電磁界モードが
（２ｎ＋１）π／２
（ｎ＝１，２，３…）
を満たす進行波モードであることを特徴とする請求項１に記載のクライストロン装置。
前記隔壁の内径がドリフト管の内径と同一であることを特徴とする請求項１または２に記載のクライストロン装置。
前記隔壁の内径が前記共振空胴と前記出力空胴との間のドリフト管の径以上、前記出力空胴と前記コレクタとの間の前記ドリフト管の径以下に設計されていることを特徴とする請求項１または２に記載のクライストロン装置。
少なくとも１つの前記隔壁には、隣り合った前記セル空胴を連通させる結合孔が形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載のクライストロン装置。
１つの前記隔壁に２つの前記結合孔が形成されて、前記２つの結合孔前記クライストロン管の管軸を中心にして互いに対向する位置に形成されていることを特徴とする請求項５に記載のクライストロン装置。
２つ以上の前記隔壁および３つ以上の前記セル空胴を具備したクライストロン装置であって、隣り合った前記隔壁に形成された前記結合孔が前記クライストロン管の管軸を中心にして９０°ずれた位置に形成されていることを特徴とする請求項６に記載のクライストロン装置。
前記複数のセル空胴の共振周波数が互いに隣接していない前記セル空胴間の結合係数分だけ補正されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載のクライストロン装置。
最も前記入力空胴に近い前記セル空胴の共振周波数が他のセル空胴の共振周波数に比べて０．２〜０．６％高く設定されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載のクライストロン装置。