JP6445342B2 - Coaxial magnetron - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロ波を発振するマグネトロン、特に陽極共振空胴の外側に外部同軸空胴を有する同軸マグネトロンの構造に関する。 The present invention relates to a structure of a magnetron that oscillates microwaves, and in particular, a coaxial magnetron having an external coaxial cavity outside an anode resonant cavity.
従来から、マグネトロンは簡便な構造で効率良く大出力のマイクロ波を発振可能なことから、様々な装置に利用されている。例えば、マイクロ波の周波数を変更して探知を行うレーダ装置や、マイクロ波を線形加速器に投入して高エネルギーの電子線を得るライナック装置等は、その発振周波数を精密に同調させる必要がある。このため、発振周波数を簡便に可変でき、かつ動作が安定な同軸型マグネトロンが使用されてきた。 Conventionally, magnetrons have been used in various devices because they can oscillate high-power microwaves efficiently with a simple structure. For example, a radar device that performs detection by changing the frequency of a microwave, or a linac device that obtains a high-energy electron beam by injecting a microwave into a linear accelerator needs to be tuned precisely. For this reason, a coaxial magnetron that can easily change the oscillation frequency and has stable operation has been used.
図5は、従来の同軸型マグネトロンの説明図である。図5に示すように、中心に配置された陰極1の周囲に、放射状に配置された陽極となるベーン2が陽極円筒3に接合されており、ベーン2と陽極円筒3により陽極共振空胴50が形成される。この陽極円筒3と円筒状側面5との間に、陽極共振空胴50と同軸となる外部同軸空胴60が形成される。ここで、陽極共振空胴50と外部同軸空胴60とは、高周波的に結合している。具体的には、陽極円筒3上にスロット4をベーン2に対して1つおきに設けることで、πモードで発振した陽極共振空胴50の高周波電磁場が、外部同軸空胴60においてTE011モードで共振する。陽極共振空胴50と外部同軸空胴60の上下には、入力部6に接続される入力側構造体7とチューニングボックス10に接続される上部構造体8が配置されることで、陰極1の上下それぞれにポールピース9a、9bが配置されている。
FIG. 5 is an explanatory diagram of a conventional coaxial magnetron. As shown in FIG. 5,
またチューニングボックス10に取り付けられているチューニング軸11を上下に調整することでチューニングアーム12を介して外部同軸空胴60内に配置されているチューニングピストン13の位置を上下に移動させ、外部同軸空胴60の共振周波数を変化させてマグネトロンの発振周波数を調整可能としている。
Further, by adjusting the
このような構成において、ピーク出力が数MW級で、平均出力が数kW級となるような高出力のマイクロ波を発振させる際には、陽極で発生する熱を冷却する必要があるため、入力側構造体7に冷却用通路11と上部構造体8に冷却用通路14を設けて冷却液を流すことで冷却を行っていた。この種の同軸型マグネトロンは、特許文献1に記載されている。
In such a configuration, when oscillating a high-power microwave with a peak output of several MW class and an average output of several kW class, it is necessary to cool the heat generated at the anode. Cooling is performed by providing a
この種の同軸型マグネトロンでは、入力側構造体7と上部構造体8からの冷却により、ベーン2の冷却特性が向上し、ピーク出力が数MWとなるような高出力においても、パルス駆動のデューティ比0.001程度までの動作が可能となっている。
In this type of coaxial magnetron, the cooling characteristics of the
一方、動作状態が高出力、高デューティ比になるほど、周波数ドリフトと呼ばれる現象が生じる。これは、ポールピース9bを介して、主に輻射によってチューニング軸11とチューニングアーム12の接合部周辺の温度が上昇することで、チューニング軸11やチューニングアーム12に熱膨張が生じ、チューニングピストン13の位置が、図面下方向に移動することが原因で生じる現象である。
On the other hand, as the operating state becomes higher in output and higher in duty ratio, a phenomenon called frequency drift occurs. This is because the temperature around the joint between the
ここで、同軸型マグネトロンの発振周波数は、外部同軸空胴60の共振周波数によって支配的に決まるので、上記チューニングピストン13の図面下方向の移動は、マグネトロンの発振周波数を高くさせることになる。さらに、冷却通路14を陽極円筒3近傍に設けるため、チューニングアーム12を長く形成する必要があり、上記周波数ドリフトを増長させる要因となっていた。
Here, since the oscillation frequency of the coaxial magnetron is dominantly determined by the resonance frequency of the external
そこで、上部構造体8に冷却用通路14を形成せず、チューニング軸11からチューニングアーム12を介してチューニングピストン13内まで、その内部に冷却用通路を形成し冷却液を流すことで周波数ドリフトを抑制することも可能であるが、この系は可動部であり、また細く長い冷却用通路を形成しなければならず、構造が非常に複雑になってしまう。
Therefore, the
また、陽極の冷却が冷却通路11のみとなるため、ピーク電力で数MW級の高出力発振では、デューティー比を低く、具体的には0.0002〜0.0008程度に抑える必要があった。
In addition, since the anode is cooled only by the
従来の同軸型マグネトロンにおいて数MW級のピーク電力で発振させる場合、上部構造体8に冷却用通路14を設けることで、デューティ比を0.001程度まで高くすることができるが、周波数ドリフトの問題を解消できなかった。一方周波数ドリフトを抑制するため、チューニング軸11からチューニングアーム12を介してチューニングピストン13の内部に冷却用通路を形成しようとすると、上部構造体8に冷却用通路14を設けることができず、デューティー比を0.0002〜0.0008と低く抑えなければならないという問題があった。本発明は、これらの問題点を解消し、パルス駆動のデューティー比が高く、周波数ドリフトを抑制することができる同軸型マグネトロンを提供することを目的とする。
When the conventional coaxial magnetron is oscillated with a peak power of several MW class, by providing the
上記目的を達成するため、本願請求項1に係る発明は、陰極の周囲に配置された陽極円筒にベーンを接合する陽極共振空胴と、前記陽極円筒の外側に設けられた外部同軸空胴とを有し、前記陽極共振空胴と前記外部同軸空胴の両端に入力側構造体および上部構造体が接合されており、前記陽極共振空胴と前記外部同軸空胴をスロットにより高周波的に結合させるとともに、前記外部同軸空胴に配置したチューニングピストンを、該チューニングピストンを支持するチューニングアームおよびチューニング軸を調整することで前記チューニングピストンの位置を移動させて共振周波数を調整する同軸型マグネトロンにおいて、少なくとも前記上部構造体に冷却液を流す冷却用通路を形成するとともに、中空構造とした前記チューニング軸内に、一端を前記チューニングアームに直接接合する放熱部材を配置していることを特徴とする。 In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 of the present application includes: an anode resonant cavity that joins a vane to an anode cylinder disposed around a cathode; and an external coaxial cavity provided outside the anode cylinder. An input side structure and an upper structure are joined to both ends of the anode resonant cavity and the external coaxial cavity, and the anode resonant cavity and the external coaxial cavity are coupled in a high frequency manner by a slot. In the coaxial magnetron that adjusts the resonance frequency by adjusting the tuning piston arranged in the external coaxial cavity, and adjusting the tuning arm and the tuning shaft that support the tuning piston to move the position of the tuning piston, to form a cooling passage for flowing at least the cooling liquid to the upper structure, in the tuning shaft is a hollow structure, Characterized in that it is arranged a heat dissipating member for bonding directly to end the tuning arm.
また本願請求項2に係る発明は、請求項1記載の同軸型マグネトロンにおいて、前記陰極と前記チューニングアームとの間の前記陽極共振空胴内に熱遮蔽板を備えたことを特徴とする。
The invention according to
本発明の同軸型マグネトロンは、上部構造体に設けた冷却用通路に冷却液を流すことにより、その近傍を冷却するとともに、陰極の近傍である同軸型マグネトロンの中心部分で発生した熱をチューニング軸内に設けた放熱部材を経由して外界に放熱する構造としており、チューニング軸やチューニングアームの熱応力変形を抑制、制御することが可能となる。その結果、数MW級の高出力動作においてもパルス駆動のデューティー比を高くし、かつ周波数ドリフトを効果的に抑制することが可能となる。 The coaxial magnetron of the present invention cools the vicinity by flowing a cooling liquid through a cooling passage provided in the upper structure, and at the same time heats generated in the central part of the coaxial magnetron near the cathode. It is structured to dissipate heat to the outside through a heat dissipating member provided inside, and it becomes possible to suppress and control thermal stress deformation of the tuning shaft and the tuning arm. As a result, it is possible to increase the duty ratio of the pulse drive and effectively suppress the frequency drift even in the high output operation of several MW class.
本発明の放熱部材は、チューニング軸の内部に、内接しないように間隙をとった同軸構造とし、チューニング軸よりも熱伝導の高い材料で構成することにより、簡便に製造、組立てを行うことができ、製造コストの上昇を招くこともないという利点がある。 The heat dissipating member of the present invention has a coaxial structure with a gap so as not to be inscribed inside the tuning shaft, and can be easily manufactured and assembled by being made of a material having higher heat conductivity than the tuning shaft. There is an advantage that the manufacturing cost is not increased.
また本発明は、陰極と上部構造体との間に熱遮蔽板を備える構造とすることで、チューニング軸近傍が受ける熱輻射を少なくすることで、放熱部材の放熱能力の飽和を防止することができ、確実に周波数ドリフト量を抑制することが可能となる。 In addition, the present invention has a structure including a heat shielding plate between the cathode and the upper structure, thereby reducing the heat radiation received in the vicinity of the tuning axis, thereby preventing saturation of the heat dissipation capability of the heat dissipation member. Thus, the frequency drift amount can be surely suppressed.
本発明の同軸型マグネトロンは、上部構造体に設けた冷却用通路に冷却液を流す構造とし、その近傍を冷却するとともに、陰極1の近傍である同軸型マグネトロンの中心部分で発生した熱を、チューニング軸11内に設けた放熱部材15を経由して放熱する構造としている。この放熱部材は、チューニングボックス10内に緩衝部材16によって固定配置されているため、放熱部材15が熱膨張しても、チューニングアーム12との熱接触を保つことで外部への放熱を行いつつ、チューニングアーム12に熱応力を伝えない構造となっている。その結果、チューニング軸11およびチューニングアーム12の温度上昇が抑えられ、周波数ドリフトを抑制することが可能となる。
The coaxial magnetron of the present invention has a structure in which a coolant flows through a cooling passage provided in the upper structure, cools the vicinity thereof, and generates heat generated in the central portion of the coaxial magnetron in the vicinity of the cathode 1. The structure is such that heat is radiated via a
また、陰極1とチューニングアーム12との間に熱遮蔽板17を設けることで、陰極1から輻射された熱を遮蔽し、チューニング軸11およびチューニングアーム12の温度上昇を抑制する構造とすることも可能である。以下、本発明の実施例について詳細に説明する。
Further, by providing a heat shielding plate 17 between the cathode 1 and the
図1は、第1の実施例の同軸型マグネトロンの説明図である。図1に示すように、中心に配置された陰極1の周囲に、放射状に配置された陽極となるベーン2が陽極円筒3に接合されており、ベーン2と陽極円筒3により陽極共振空胴50が形成される。陽極円筒3にはスロット4が設けられている。この陽極円筒3と円筒状側面5との間に、陽極共振空胴50と同軸となる外部同軸空胴60が形成される。この陽極共振空胴50と外部同軸空胴60の上下には、入力部6に接続される入力側構造体7と上部構造体8が配置されることで、陰極1の上下にポールピース9a、9bが配置されている。
FIG. 1 is an explanatory diagram of a coaxial magnetron according to the first embodiment. As shown in FIG. 1,
またチューニングボックス10に取り付けられているチューニング軸11を調整することでチューニングアーム12を介して外部同軸空胴60内に配置されているチューニングピストン13の位置を移動させ、外部同軸空胴60の共振周波数を変化させ、マグネトロンの発振周波数を調整可能としている。チューニングボックス10とチューニングアーム12は金属ベローズにより接続されており、陽極共振空胴50と外部同軸空胴60とを真空に保つ構造となっている。
Further, by adjusting the
本実施例の同軸型マグネトロンは、図5に示す従来例と相違し、陽極円筒3は上部構造体8にロウ接により接着した構造として熱抵抗を最小化し、冷却用通路14に流れる冷却液により陽極を効果的に冷却する構造となっている。このような構造とすることで、陽極の冷却効果が高まり、ピーク出力が数MW級となる様な高出力でも、パルス駆動のデューティ比が0.001を越え、0.002程度までの動作が可能となる。
The coaxial magnetron of this embodiment differs from the conventional example shown in FIG. 5 in that the
一方チューニング軸11は、中空構造として、その中空構造内部に放熱部材15をチューニング軸の内部に内接しないように間隙をとった同軸構造となるように配置している。放熱部材15は、チューニング軸11よりも熱伝導の高い材料で構成する。図1に示すように、放熱部材15は、一方の端部が、蛇腹状に加工した無酸素銅薄板等の緩衝部材によってチューニングボックス10に配置されているため、熱伝導により内部の熱を外部に放出することができる。また放熱部材15自体が放熱体して寄与する。放熱部材15は、円形の棒状構造に限らない。表面に溝を形成して表面積を増し、放熱特性を上げることも可能である。ここで放熱部材15は、無酸素銅棒、あるいはヒートパイプ等の高熱伝導材を用いることで、放熱効果を上げることができる。
On the other hand, the tuning
このように構成した本実施例の同軸型マグネトロンは、チューニングアーム12とチューニング軸11の接合付近の温度上昇が抑えられることになる。その結果、チューニング軸11の温度上昇が抑えられ、チューニング軸11自体の熱膨張が抑制される。またチューニングピストン13が、チューニング軸11とチューニングアーム12の接合付近よりも相対的に温度が高くなるので、チューニングアーム12は、図面上方向に熱応力変位し、チューニング軸11の熱膨張を相殺し、周波数ドリフトを低減することが可能となる。
In the coaxial magnetron of this embodiment configured as described above, the temperature rise near the junction between the tuning
図2は、従来の同軸型マグネトロンの発振周波数の周波数ドリフト量と本実施例の同軸型マグネトロンの発振周波数の周波数ドリフト量を比較した図である。本実施例では、周波数ドリフトが1/6程度に低減することがわかる。また、動作時間が15分程度経過後には熱的に安定し、わずかな周波数ドリフト量が一定に維持され、本発明の効果が大きいことがわかる。 FIG. 2 is a diagram comparing the frequency drift amount of the oscillation frequency of the conventional coaxial magnetron and the frequency drift amount of the oscillation frequency of the coaxial magnetron of the present embodiment. In this example, it can be seen that the frequency drift is reduced to about 1/6. In addition, it is found that after the operation time of about 15 minutes, it is thermally stable and a slight frequency drift amount is kept constant, so that the effect of the present invention is great.
次に第2の実施例について説明する。前述の通り、周波数ドリフトを低減するためには、チューニング軸11とチューニングアーム12の接合近傍の温度上昇を低減させることが効果的である。そこで図3に示すように、陰極1から熱がチューニングアーム12に輻射伝搬する経路に、熱を遮断する熱遮蔽板17を配置することも効果的である。熱遮蔽板17は、例えば、ニッケル薄板や鉄薄膜、あるいはタンタル薄膜を用いることができる。
Next, a second embodiment will be described. As described above, in order to reduce the frequency drift, it is effective to reduce the temperature rise in the vicinity of the junction between the tuning
第3の実施例は、放熱部材15の変形例である。図4に示すように、放熱部材15の先端の面積を拡げることで、放熱効果の増大を図ることが可能となる。同時に、チューニング軸11とチューニングアーム12の接合部が、比較的温度が高い中央部から離れることでチューニング軸11自体の温度上昇が抑えられ、周波数ドリフト量の抑制効果を奏する構造となる。
The third embodiment is a modification of the
1:陰極、2:ベーン、3:陽極円筒、4:スロット、5:円筒状側面、6:入力部、7:入力側構造体、8:上部構造体、9a、9b:ポールピース、10:チューニングボックス、11:チューニング軸、12:チューニングアーム、13:チューニングピストン、14冷却用通路、15:放熱部材、16:緩衝部材、17:熱遮蔽板 1: cathode, 2: vane, 3: anode cylinder, 4: slot, 5: cylindrical side surface, 6: input section, 7: input side structure, 8: upper structure, 9a, 9b: pole piece, 10: Tuning box, 11: Tuning shaft, 12: Tuning arm, 13: Tuning piston, 14 cooling passage, 15: Heat radiation member, 16: Buffer member, 17: Heat shielding plate
Claims (2)
少なくとも前記上部構造体に冷却液を流す冷却用通路を形成するとともに、中空構造とした前記チューニング軸内に、一端を前記チューニングアームに直接接合する放熱部材を配置していることを特徴とする同軸型マグネトロン。 An anode resonant cavity that joins a vane to an anode cylinder disposed around a cathode; and an external coaxial cavity provided outside the anode cylinder; the anode resonant cavity and the external coaxial cavity An input-side structure and an upper structure are joined to both ends, and the anode resonant cavity and the external coaxial cavity are coupled with each other at a high frequency by a slot, and a tuning piston disposed in the external coaxial cavity includes: In the coaxial magnetron that adjusts the resonance frequency by moving the position of the tuning piston by adjusting the tuning arm and the tuning shaft that supports the tuning piston,
A coaxial passage characterized by forming a cooling passage for flowing a coolant through at least the upper structure, and disposing a heat dissipating member having one end directly joined to the tuning arm in the hollow tuning shaft. Type magnetron.
前記陰極と前記チューニングアームとの間の前記陽極共振空胴内に熱遮蔽板を備えたことを特徴とする同軸型マグネトロン。 The coaxial magnetron according to claim 1,
A coaxial magnetron comprising a heat shielding plate in the anode resonant cavity between the cathode and the tuning arm .
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