JP7011370B2

JP7011370B2 - クライストロン

Info

Publication number: JP7011370B2
Application number: JP2017115927A
Authority: JP
Inventors: 俊郎阿武; 良久大久保
Original assignee: Canon Electron Tubes and Devices Co Ltd
Current assignee: Canon Electron Tubes and Devices Co Ltd
Priority date: 2017-06-13
Filing date: 2017-06-13
Publication date: 2022-01-26
Anticipated expiration: 2037-06-13
Also published as: EP3640967A1; CN110753988A; KR20200009050A; EP3640967A4; WO2018230018A1; US20200118782A1; JP2019003766A

Description

本発明の実施形態は、クライストロンに関する。

クライストロンは、高周波電力の増幅に使用される電子管であり、電子を放出する電子銃部と、高周波電力の入力部および出力部と、高周波相互作用部と、使用済みの電子を捕捉するコレクタとを備えている。高周波相互作用部は、電子の進行方向に配列された複数の共振空胴から構成されている。共振空胴には、高周波電力を入力する入力空胴、高周波電力を出力する出力空胴、および入力空胴と出力空胴との間の複数の中間空胴が含まれる。電子銃部と高周波相互作用部との間、高周波相互作用部を構成する複数の共振空胴の間、高周波相互作用部とコレクタ部との間は、それぞれドリフト管で連結されている。

このような構成のクライストロンにおいて、電子銃部から放出された電子は、入力空胴を通り、その先にある複数の中間空胴と相互作用して集群する。集群した電子の運動エネルギーは入力空胴から入力された高周波に付与され、出力空胴において集群した電子が減速されることにより、出力部より目的とする出力に増幅された高周波電力として取り出される。

また、電子の集群効果を高め、高効率化するために、複数の中間空胴のうちの１つに第２高調波空胴を用いたクライストロンがある。

しかし、クライストロンでは、集群した電子同士が空間電荷により反発しやすいため進行方向に広がりやすく、また電子の速度にばらつきがあるため、電子を出力空胴で均一に減速できず、高周波電力への変換効率を向上させることが難しいという課題がある。

特開昭５５－３３７１８号公報

本発明が解決しようとする課題は、高周波電力への変換効率を向上させたクライストロンを提供することである。

本実施形態のクライストロンは、電子銃部、複数の共振空胴、コレクタ、およびドリフト管を備える。電子銃部は、電子を放出する。複数の共振空胴は、電子銃部からの電子の進行方向に沿って順に位置する入力空胴、複数の中間空胴、および出力空胴を含み、かつ中間空胴には複数の第２高調波空胴を含み、１０個以上の総数とする。コレクタは、共振空胴を通過する電子を捕捉する。ドリフト管は、電子銃部と共振空胴との間、隣り合う共振空胴の間、および共振空胴とコレクタとの間に設ける。複数の第２高調波空胴は、電子の進行方向に沿って配置される複数の中間空胴の位置のうち、電子の進行方向の上流側の第２高調波空胴と入力空胴との間、および電子の進行方向の下流側の第２高調波空胴と出力空胴との間に複数の中間空胴が介在する位置にそれぞれ設ける。

第１の実施形態のクライストロンの概略構造を示す断面図である。同上クライストロンの第２高調波空胴を示す断面図である。同上クライストロンの共振空胴の間隔を示す断面図である。第２の実施形態のクライストロンのドリフト管の直径を示す断面図である。第３の実施形態のクライストロンの空胴セルを示す断面図である。第４の実施形態のクライストロンの空胴セルを示す断面図である。

以下、第１の実施形態を、図１ないし図３を参照して説明する。

図１は、クライストロン10の概略構造を示す断面図である。クライストロン10は、電子11を放出する電子銃部Ａを備えている。電子銃部Ａは、電子11を発生する陰極12aや電子11を加速する陽極12b等を備えている。

電子11の進行方向である電子銃部Ａの前方には、高周波相互作用部Ｂが設けられている。高周波相互作用部Ｂは、筒状の管容器13、およびこの管容器13に形成されていて電子11の進行方向に沿って配列された例えば１０個の共振空胴14a～14jを備えている。

電子11の進行方向である高周波相互作用部Ｂのさらに前方には、高周波相互作用部Ｂ（共振空胴14a～14j）を通過した電子11を捕捉するコレクタ15が設けられている。

電子銃部Ａと高周波相互作用部Ｂとの間、複数の共振空胴14a～14jの間、高周波相互作用部Ｂとコレクタ15との間は、それぞれドリフト管16a～16kで連結されている。共振空胴14a～14jおよびドリフト管16a～16kを構成する管容器13は、例えば銅を材質として形成されている。

また、高周波相互作用部Ｂを構成する複数の共振空胴14a～14jのうち、電子銃部Ａ側に位置する共振空胴14aには、高周波電力を入力する入力部17、例えば同軸線路が接続され、また、コレクタ15側に位置する共振空胴14jには、高周波電力を出力する出力部18、例えば導波管が接続されている。

高周波相互作用部Ｂを構成する複数の共振空胴14a～14jのうち、電子銃部Ａ側に位置する共振空胴14aは入力空胴19であり、コレクタ15側に位置する共振空胴14jは出力空胴20であり、入力空胴19と出力空胴20との間に位置する複数の共振空胴14b～14iは中間空胴21b～21iである。

中間空胴21b～21iには、複数の基本波空胴22b，22c，22e，22f，22h，22i、および複数の第２高調波空胴23d，23gが含まれる。複数の第２高調波空胴23d，23gは中間空胴21b～21iのうちの任意の位置に設けられる。電子銃部Ａに近い側の第２高調波空胴23dは入力空胴19との間に複数の基本波空胴22b，22cが介在する位置に設けられ、コレクタ15に近い側の第２高調波空胴23gは出力空胴20との間に複数の基本波空胴22h，22iが介在する位置に設けられ、さらに、これら第２高調波空胴23d，23gはそれらの間に複数の基本波空胴22e，22fが介在する位置に設けられている。

本実施形態では、共振空胴14a～14jは１０個の場合で、中間空胴21b～21iは８個、第２高調波空胴23d，23gは２個の場合を示す。この場合、電子11の進行方向に対し、中間空胴21b～21iの２個おきの位置に第２高調波空胴23d，23gがそれぞれ設けられている。したがって、中間空胴21b，21c，21e，21f，21h，21iが基本波空胴22b，22c，22e，22f，22h，22iであり、中間空胴21d，21gが第２高調波空胴23d，23gである。

図２はクライストロン10の第２高調波空胴23d，23gを示す断面図である。第２高調波空胴23d，23gは、第２高調波空胴23d，23g以外の中間空胴21b，21c，21e，21f，21h，21iである基本波空胴22b，22c，22e，22f，22h，22iに比べて、形状が小さく形成されている。すなわち、第２高調波空胴23d，23gは、基本波空胴22b，22c，22e，22f，22h，22iに比べて、内径および外径が小さく、電子の進行方向における幅が狭く、空胴容積が小さく、ドリフト管16a～16k内に連通するギャップ（開口部）24の開口幅も小さく形成されている。

図３はクライストロン10の共振空胴14a～14jの間隔を示す断面図である。なお、図３には、共振空胴14e，14fを示すが、他の共振空胴14a～14d，14g～14jも同様である。共振空胴14a～14jは、ドリフト管16b～16j内に連通するギャップ24を有している。ドリフト管16b～16jを介して隣り合う共振空胴14a～14jのギャップ24の中心間の間隔Ｌは、共振空胴14a～14jの間隔である。集群した電子11の粗密が進行方向に伝搬するとき、その波長を表す低減プラズマ波長に対して、この間隔Ｌを０．０５～０．０８倍とすることが好ましい。

このように構成されたクライストロン10において、電子銃部Ａから放出された電子11は、高周波電力の入力部17をもつ電子銃部Ａ側の共振空胴14a（入力空胴19）を通り、その前方にある複数の共振空胴14b～14j（複数の中間空胴21b～21iおよび出力空胴20）と相互作用して集群する。集群した電子11がコレクタ15側の共振空胴14j（出力空胴20）において減速されることで、出力部18より目的とする出力に増幅された高周波電力として取り出される。

複数の共振空胴14b～14jと相互作用によって電子11を集群する際、複数の共振空胴14b～14j（複数の中間空胴21b～21i）には複数の第２高調波空胴23d，23gが含まれるため、これら第２高調波空胴23d，23gで発生する第２高調波が基本波に重畳し、電子11の集群効果を高める。

ここで、例えば５個の共振空胴を用いて電子を集群させた場合、各共振空胴での電子の集群度合が大きいため、集群した電子同士が空間電荷により反発し、電子がその進行方向に広がりやすく、また、電子の速度にばらつきがあるため、電子を出力部に接続された共振空胴（出力空胴）で均一に減速できず、高周波電力への変換効率を向上させることが難しい。

それに対し、本実施形態では、例えば１０個の共振空胴14a～14jにより、電子11を徐々に集群させることができる。これにより、集群した電子11はその進行方向への広がりが抑えられ、速度が均一化されることで、高周波電力への変換効率を向上させることができる。なお、共振空胴14a～14jの総数は、電子11を徐々に集群させるために１０個以上であることが好ましい。

さらに、例えば１０個の共振空胴14a～14jを用いることにより、中間空胴21b～21iには複数の第２高調波空胴23d，23gを含むことが可能となるため、電子11の集群効果をより高めることができる。それに加えて、複数の第２高調波空胴23d，23gを用いることにより、クライストロン10の全長を短くすることができる。

複数の第２高調波空胴23d，23gは、電子11の進行方向に沿って配置される複数の中間空胴21b～21iの位置のうち、電子11の進行方向の上流側の第２高調波空胴23dと下流側の第２高調波空胴23gとの間に複数の中間空胴21e，21fが介在する位置にそれぞれ設けることにより、電子11の集群効果をより高めることができる。

電子11の進行方向に対し、中間空胴21b～21iの複数個おきの位置に第２高調波空胴23d，23gをそれぞれ設けることにより、複数の中間空胴21b～21i中に複数の第２高調波空胴23d，23gを均等間隔で配置し、電子11の集群効果をより高めることができる。

また、第２高調波空胴23d，23gで発生する第２高調波を他の共振空胴14a～14c，14e，14f，14h～14jと電気的に結合しないようにするために、第２高調波空胴23d，23gに隣接するドリフト管16d，16e，16f，16hの直径を、第２高調波のＴＥ１１モードの電磁波が遮断周波数となる直径の半分以下とすることが好ましい。

また、ドリフト管16b～16jを介して隣り合う共振空胴14a～14jのギャップ24の中心間の間隔Ｌは、集群した電子11の粗密が進行方向に伝搬するとき、その波長を表す低減プラズマ波長に対して、０．０５～０．０８倍とすることにより、共振空胴14a～14jの配置を最適化することができる。

なお、共振空胴14a～14jのいずれを第２高調波空胴とするかは任意であり、第２高調波空胴を３つ以上用いてもよい。

次に、第２の実施形態のクライストロン10について、図４を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同じ構成については同じ符号を用い、その構成および作用効果の説明を省略する。

図４は第２の実施形態のクライストロン10のドリフト管16h～16kの直径を示す断面図である。

共振空胴14a～14jの総数をｎとし、電子銃部Ａに近い側から数えてｎ番目の共振空胴14jとｎ－１番目の共振空胴14iとの間に位置するドリフト管16jの直径Ｄnと、ｎ－１番目の共振空胴14iとｎ－２番目の共振空胴14hとの間に位置するドリフト管16iの直径Ｄn-1と、ｎ－２番目の共振空胴14hとｎ－３番目の共振空胴14gとの間に位置するドリフト管16hの直径Ｄn-2と、ｎ番目の共振空胴14jとコレクタ15との間に位置するドリフト管16kの直径Ｄcとは、次の式(1)を満たす。

Ｄn-2＜Ｄn-1＜Ｄn＜Ｄc・・・式(1)

例えばドリフト管16h～16kの直径をそれぞれＤ8、Ｄ9、Ｄ10、Ｄcとすると、式(1)から、Ｄ8＜Ｄ9＜Ｄ10＜Ｄcの関係になる。

そして、式(1)を満たすドリフト管16h～16kを用いることにより、集群した電子11をドリフト管16h～16kの直径方向に徐々に広げることができるようになり、電子11が空間電荷による反発で進行方向に広がることを抑えることができるため、高周波電力への変換効率の向上が容易となる。

なお、コレクタ15に近付く側ほど直径を徐々に広げることは、コレクタ15の近い側に位置するドリフト管16h～16kに限らず、ドリフト管16a～16kのうちの任意の複数のドリフト管をコレクタ15に近付く側ほど徐々に広げるようにしてもよい。

次に、第３の実施形態のクライストロン10について、図５を参照して説明する。なお、各実施形態と同じ構成については同じ符号を用い、その構成および作用効果の説明を省略する。

図５は第３の実施形態のクライストロン10の空胴セル25a～25cを示す断面図である。

出力空胴20である共振空胴14jは、３つの空胴セル25a～25cを有している。
それぞれの空胴セル25a～25cは、クライストロン10の管軸に沿って設けられたアイリス26a，26bにより電気的に結合されている。

そして、互いに電気的に結合した空胴セル25a～25cを共振空胴14jとして用いることにより、共振空胴14jと電子11との電気的な結合を高められるため、高周波電力への変換効率の向上が容易となる。

次に、第４の実施形態のクライストロン10について、図６を参照して説明する。なお、各実施形態と同じ構成については同じ符号を用い、その構成および作用効果の説明を省略する。

図６は第４の実施形態のクライストロン10の空胴セル25a～25cを示す断面図である。

空胴セル25a～25cは、空胴セル25a～25cの壁面に設けられた結合孔27a，27bにより電気的に結合されている。この結合孔27a，27bの形状は任意である。

以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、共振空胴14a～14jにより集群した電子11は進行方向への広がりが抑えられ、速度が均一化されることで、高周波電力への変換効率を向上させたクライストロン10を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

10 クライストロン
11 電子
14a～14j 共振空胴
15 コレクタ
16a～16k ドリフト管
19 入力空胴
20 出力空胴
21b～21i 中間空胴
23d，23g 第２高調波空胴
24 ギャップ
Ａ電子銃部

Claims

電子を放出する電子銃部と、
前記電子銃部からの電子の進行方向に沿って順に位置する入力空胴、複数の中間空胴、および出力空胴を含み、かつ前記中間空胴には複数の第２高調波空胴を含み、総数が１０個以上の共振空胴と、
前記共振空胴を通過する電子を捕捉するコレクタと、
前記電子銃部と前記共振空胴との間、隣り合う前記共振空胴の間、および前記共振空胴と前記コレクタとの間に設けるドリフト管と
を具備し、
複数の前記第２高調波空胴は、電子の進行方向に沿って配置される複数の前記中間空胴の位置のうち、電子の進行方向の上流側の前記第２高調波空胴と前記入力空胴との間、および電子の進行方向の下流側の前記第２高調波空胴と前記出力空胴との間に複数の前記中間空胴が介在する位置にそれぞれ設ける
ことを特徴とするクライストロン。
複数の前記第２高調波空胴は、電子の進行方向に沿って配置される複数の前記中間空胴の位置のうち、電子の進行方向の上流側の前記第２高調波空胴と下流側の前記第２高調波空胴との間に複数の前記中間空胴が介在する位置にそれぞれ設ける
ことを特徴とする請求項１記載のクライストロン。
前記共振空胴は、前記ドリフト管内に連通するギャップを有し、
隣り合う前記共振空胴の前記ギャップの中心間の間隔は、電子の低減プラズマ波長に対して０．０５～０．０８倍である
ことを特徴とする請求項１または２記載のクライストロン。