JPH0232733B2 - - Google Patents
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- JPH0232733B2 JPH0232733B2 JP56201264A JP20126481A JPH0232733B2 JP H0232733 B2 JPH0232733 B2 JP H0232733B2 JP 56201264 A JP56201264 A JP 56201264A JP 20126481 A JP20126481 A JP 20126481A JP H0232733 B2 JPH0232733 B2 JP H0232733B2
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- JP
- Japan
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- electron beam
- electron gun
- electron
- collector
- cathode
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- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 15
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
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- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
- H01J25/02—Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators
Landscapes
- Microwave Tubes (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明はジヤイロトロン、ジヤイロクライスト
ロン及びジヤイロ進行波管などのような電子サイ
クロトロンメーザの原理に基づく大電力マイクロ
波電子管に関する。
ロン及びジヤイロ進行波管などのような電子サイ
クロトロンメーザの原理に基づく大電力マイクロ
波電子管に関する。
ジヤイロトロン、ジヤイロクライストロン及び
ジヤイロ進行波管などの所謂電子ビームジヤイロ
装置は、高周波回路のTEモードと電子ビームの
サイクロトロンモードの結合を利用し、大電力の
電磁波を発生するものである。高周波回路はTE
モードが励起される円形導波管または中筒空胴で
あり、電子銃は横方向ビームエネルギーが管軸方
向ビームエネルギーに比べて十分に大きく、しか
も横方向ビームエネルギーのばらつきが少ない中
空ビームを形成射出するマグネトロン型のものが
用いられる。高周波回路のTEモードの周波数ω
と電子ビームのサイクロトロン周波数ωcとが、
nを整数として、ωnωcとなる同期条件を満足
するとき、強い相互作用が生じ、高周波回路内に
大電力電磁波が発生する。このような電子ビーム
のサイクロトロン運動を利用した相互作用は、電
子ビーム及び高周波回路の寸法が波長に比較して
大きくなることを可能にし、従来のミリ波帯にお
ける進行波管やクライストロンが当面する電力密
度の問題を回避することが出来る。
ジヤイロ進行波管などの所謂電子ビームジヤイロ
装置は、高周波回路のTEモードと電子ビームの
サイクロトロンモードの結合を利用し、大電力の
電磁波を発生するものである。高周波回路はTE
モードが励起される円形導波管または中筒空胴で
あり、電子銃は横方向ビームエネルギーが管軸方
向ビームエネルギーに比べて十分に大きく、しか
も横方向ビームエネルギーのばらつきが少ない中
空ビームを形成射出するマグネトロン型のものが
用いられる。高周波回路のTEモードの周波数ω
と電子ビームのサイクロトロン周波数ωcとが、
nを整数として、ωnωcとなる同期条件を満足
するとき、強い相互作用が生じ、高周波回路内に
大電力電磁波が発生する。このような電子ビーム
のサイクロトロン運動を利用した相互作用は、電
子ビーム及び高周波回路の寸法が波長に比較して
大きくなることを可能にし、従来のミリ波帯にお
ける進行波管やクライストロンが当面する電力密
度の問題を回避することが出来る。
これまでに報告されたジヤイロトロンの試作結
果によれば、28GHz帯において200kWのシヨート
パルス出力が30%以上の高い効率で得られてお
り、電子ビームジヤイロ装置はミリ波からサブミ
リ波帯における大電力源として各方面から期待を
集めている。とくに、ミリ波帯において高効率で
大電力が発生できることは、核融合炉のプラズマ
追加熱の手段として魅力的である。しかしなが
ら、プラズマ追加熱用としては、パルスが0.1〜
10秒程度のロングパルス動作もしくは連続波動作
が必要とされており、このような電子ビームジヤ
イロ装置を実現するためには、解決しなければな
らない技術的問題が数多くあり、各方面で活発な
研究がなされている。
果によれば、28GHz帯において200kWのシヨート
パルス出力が30%以上の高い効率で得られてお
り、電子ビームジヤイロ装置はミリ波からサブミ
リ波帯における大電力源として各方面から期待を
集めている。とくに、ミリ波帯において高効率で
大電力が発生できることは、核融合炉のプラズマ
追加熱の手段として魅力的である。しかしなが
ら、プラズマ追加熱用としては、パルスが0.1〜
10秒程度のロングパルス動作もしくは連続波動作
が必要とされており、このような電子ビームジヤ
イロ装置を実現するためには、解決しなければな
らない技術的問題が数多くあり、各方面で活発な
研究がなされている。
技術的問題の中で最も重要なものは、カソード
温度の安定化である。電子ビームジヤイロ装置の
電子銃では、先に述べたように横方向ビームエネ
ルギーを大きくし、ビームエネルギーのばらつき
を少なくするため、カソードを温度制限領域で用
い、電子の放射量すなわちビーム電流をカソード
温度で制御している。電子ビームジヤイロ装置の
カソード材料は、機械的工作精度が出せるという
ことと電流密度が高くとえるという理由から、多
孔質タングステンにバリウムを含浸させたものが
用いられ、カソード温度は850℃前後に選ばれて
いる。このカソード温度を維持するに要するヒー
タ電力は、カソードの大きさによつても異なるが
数10Wである。ロングパルスあるいは連続波動作
においては、カソードがヒータ電力以外のエネル
ギーによつて加熱を受け、カソード温度が上昇し
すぎて、ビーム電流が急増し電子ビームジヤイロ
装置が暴走するとか、極端な場合にはヒータが断
線するという重大な問題があつた。1977年11月に
米国で発行された著名雑誌Microwave Systems
News第7巻11月号75頁に記載の論文「Gyrotron
―reborn tube is a millimeter powerhouse」
(T.F.Godlove,V.L.Gravatstein著)には、電子
銃と高周波回路との間に電磁波減衰器を設けるこ
とによつて、カソードが高周波電力によつて加熱
されることを防止した従来技術が開示されてい
る。しかしながら、高周波電力によるカソードの
加熱を防止してもなお、ビーム電圧のパルス幅を
拡大したとき、ビーム電流が急増するという現象
があり、電子ビームジヤイロ装置のロングパルス
化あるいは連続波動作を困難にしている。
温度の安定化である。電子ビームジヤイロ装置の
電子銃では、先に述べたように横方向ビームエネ
ルギーを大きくし、ビームエネルギーのばらつき
を少なくするため、カソードを温度制限領域で用
い、電子の放射量すなわちビーム電流をカソード
温度で制御している。電子ビームジヤイロ装置の
カソード材料は、機械的工作精度が出せるという
ことと電流密度が高くとえるという理由から、多
孔質タングステンにバリウムを含浸させたものが
用いられ、カソード温度は850℃前後に選ばれて
いる。このカソード温度を維持するに要するヒー
タ電力は、カソードの大きさによつても異なるが
数10Wである。ロングパルスあるいは連続波動作
においては、カソードがヒータ電力以外のエネル
ギーによつて加熱を受け、カソード温度が上昇し
すぎて、ビーム電流が急増し電子ビームジヤイロ
装置が暴走するとか、極端な場合にはヒータが断
線するという重大な問題があつた。1977年11月に
米国で発行された著名雑誌Microwave Systems
News第7巻11月号75頁に記載の論文「Gyrotron
―reborn tube is a millimeter powerhouse」
(T.F.Godlove,V.L.Gravatstein著)には、電子
銃と高周波回路との間に電磁波減衰器を設けるこ
とによつて、カソードが高周波電力によつて加熱
されることを防止した従来技術が開示されてい
る。しかしながら、高周波電力によるカソードの
加熱を防止してもなお、ビーム電圧のパルス幅を
拡大したとき、ビーム電流が急増するという現象
があり、電子ビームジヤイロ装置のロングパルス
化あるいは連続波動作を困難にしている。
本発明の目的は、カソード温度の安定化を計り
電子ビームジヤイロ装置のロングパルス化あるい
は連続波動作を実現することである。
電子ビームジヤイロ装置のロングパルス化あるい
は連続波動作を実現することである。
この発明は、電子ビームによつて電離されたイ
オンが、負電位の電子銃に向つて加速され、その
衝突の際失われる運動エネルギーが熱に変換され
てカソード温度を高める要因になつていることに
着目して行なわれたものである。すなわち、通常
のジヤイロ装置は、イオンポンプにより10-8〜
10-9Torrの真空度が維持されており、残留ガス
主成分は水素分子であることが知られている。こ
のような残留ガスの水素分子にエネルギー80keV
程度の電子ビームを衝突させた場合、電離した水
素イオンは負電位の電子銃電極に向つて加速さ
れ、その際の衝撃エネルギーは、連続波動作の場
合数10Wに達する。これは、ヒータ電力とほぼ同
等のエネルギーであり、高周波電力による加熱を
防止したとしても、このイオン衝撃による加熱の
ためカソード温度が上昇し、電子ビームジヤイロ
装置の動作を不安定にすることが分つた。
オンが、負電位の電子銃に向つて加速され、その
衝突の際失われる運動エネルギーが熱に変換され
てカソード温度を高める要因になつていることに
着目して行なわれたものである。すなわち、通常
のジヤイロ装置は、イオンポンプにより10-8〜
10-9Torrの真空度が維持されており、残留ガス
主成分は水素分子であることが知られている。こ
のような残留ガスの水素分子にエネルギー80keV
程度の電子ビームを衝突させた場合、電離した水
素イオンは負電位の電子銃電極に向つて加速さ
れ、その際の衝撃エネルギーは、連続波動作の場
合数10Wに達する。これは、ヒータ電力とほぼ同
等のエネルギーであり、高周波電力による加熱を
防止したとしても、このイオン衝撃による加熱の
ためカソード温度が上昇し、電子ビームジヤイロ
装置の動作を不安定にすることが分つた。
本発明の電子ビームジヤイロ装置は、環状のカ
ソードとヒータを含む電子銃電極の先端に穴を設
けることによつて、電離したイオンが電子銃電極
の先端を衝撃しカソードを加熱することを防止し
たもので、穴を通り抜けたイオンは電子銃電極の
筒の中を進みヒートシンクを取付けたイオンコレ
クタに捕捉される。
ソードとヒータを含む電子銃電極の先端に穴を設
けることによつて、電離したイオンが電子銃電極
の先端を衝撃しカソードを加熱することを防止し
たもので、穴を通り抜けたイオンは電子銃電極の
筒の中を進みヒートシンクを取付けたイオンコレ
クタに捕捉される。
第1図は、本発明を実施したジヤイロトロン1
の全体図であり、同図には、電子銃組立体2と高
周波回路3と、コレクタ4と出力窓5及び出力導
波管6が管軸7に沿つて配列された構造が示され
ている。
の全体図であり、同図には、電子銃組立体2と高
周波回路3と、コレクタ4と出力窓5及び出力導
波管6が管軸7に沿つて配列された構造が示され
ている。
電子銃組立体2は環状のカソード8及びヒータ
9を含む電子銃電極10と環状の陽極11とが管
軸7に対し同軸に構成されている。電子銃電極1
0の先端には穴12が設けられ、電子銃電極10
の基底部はイオンコレクタ13になつておりその
外部には加熱翼14が設けられている。
9を含む電子銃電極10と環状の陽極11とが管
軸7に対し同軸に構成されている。電子銃電極1
0の先端には穴12が設けられ、電子銃電極10
の基底部はイオンコレクタ13になつておりその
外部には加熱翼14が設けられている。
典型的な値としては、ヒータ9に10V,5Aの
電力がヒータ電源15によつて供給され、高圧電
源16によつて電子銃電極10とカソード8には
−80kVのビーム電圧が印加され、陽極11には
−54kVの加速電圧が印加される。適当な直流電
源によつて励磁される電子銃ソレノイド17は電
子銃電極10及び陽極11を通る管軸7に沿つて
直流磁界を発生する。カソード8と陽極11との
間に印加される直流電圧、並びに、電子銃ソレノ
イド17によつて設定される直流磁界の相互作用
によつて電子銃組立体2から中空の螺旋運動を行
なう電子ビームが形成射出される。
電力がヒータ電源15によつて供給され、高圧電
源16によつて電子銃電極10とカソード8には
−80kVのビーム電圧が印加され、陽極11には
−54kVの加速電圧が印加される。適当な直流電
源によつて励磁される電子銃ソレノイド17は電
子銃電極10及び陽極11を通る管軸7に沿つて
直流磁界を発生する。カソード8と陽極11との
間に印加される直流電圧、並びに、電子銃ソレノ
イド17によつて設定される直流磁界の相互作用
によつて電子銃組立体2から中空の螺旋運動を行
なう電子ビームが形成射出される。
中空電子ビームは高周波回路3の中へ加速され
る。主ソレノイド18は高周波回路3に沿つた部
分に高強度直流磁界を発生する。その磁界強度は
中空電子ビームが管1の動作周波数のミリ波に近
い相対論的電子サイクロトロン周波数で螺旋運動
をするに充分大きいものである。
る。主ソレノイド18は高周波回路3に沿つた部
分に高強度直流磁界を発生する。その磁界強度は
中空電子ビームが管1の動作周波数のミリ波に近
い相対論的電子サイクロトロン周波数で螺旋運動
をするに充分大きいものである。
高周波回路3はその中心部に管1の動作周波数
においてTE021モードで共振する円筒空胴19を
含み、その電子銃側はTE01モードがカツトオフ
になるような径の小さい部分があり、コレクタ側
はTEpoが伝搬できるよう径を大きくしている。
円筒空胴19内のTE021モードに対し中空電子ビ
ームのサイクロトロンモードの角周波数が同期す
るように、主ソレノイド18を調整することによ
つて、電子ビームと円筒空胴19内の電磁波の間
に強い相互作用が生じ、電子ビームの運動エネル
ギーが電磁波エネルギーに変換されて大電力の電
磁波が発生する。中空電子ビームとTEモードの
電磁波の相互作用の詳細は前掲の論文に記載され
ている。円筒空胴19の内部で発生した大電力の
電磁波はコレクタ4,出力窓5を通じて出力導波
管6から外部の負荷へ導びかれる。
においてTE021モードで共振する円筒空胴19を
含み、その電子銃側はTE01モードがカツトオフ
になるような径の小さい部分があり、コレクタ側
はTEpoが伝搬できるよう径を大きくしている。
円筒空胴19内のTE021モードに対し中空電子ビ
ームのサイクロトロンモードの角周波数が同期す
るように、主ソレノイド18を調整することによ
つて、電子ビームと円筒空胴19内の電磁波の間
に強い相互作用が生じ、電子ビームの運動エネル
ギーが電磁波エネルギーに変換されて大電力の電
磁波が発生する。中空電子ビームとTEモードの
電磁波の相互作用の詳細は前掲の論文に記載され
ている。円筒空胴19の内部で発生した大電力の
電磁波はコレクタ4,出力窓5を通じて出力導波
管6から外部の負荷へ導びかれる。
一方、中空電子ビームは主ソレノイド18によ
る磁界が無くなるコレクタ4の領域において電子
自身の空間電荷力により発散しコレクタ4に捕捉
される。このとき電子ビームの有する運動エネル
ギーの大部分は熱エネルギーとしてコレクタ4の
表面で消費される。そのためコレクタ4の表面温
度は400℃程度に達しており、コレクタ4の表面
からはガス分子が遊離しやすくなつている。高温
金属表面から遊離したガス分子は、高エネルギー
の電子ビームと衝突し、電離してイオン化され
る。
る磁界が無くなるコレクタ4の領域において電子
自身の空間電荷力により発散しコレクタ4に捕捉
される。このとき電子ビームの有する運動エネル
ギーの大部分は熱エネルギーとしてコレクタ4の
表面で消費される。そのためコレクタ4の表面温
度は400℃程度に達しており、コレクタ4の表面
からはガス分子が遊離しやすくなつている。高温
金属表面から遊離したガス分子は、高エネルギー
の電子ビームと衝突し、電離してイオン化され
る。
電離されたイオンは、空間電荷により電位の下
つている中空電子ビームの内側にトラツプされ管
軸方向の電位の低い方向へドリフトする。従来技
術によるジヤイロトロンでは管軸上の電位が最も
低い電子銃電極10の先端部に衝突し、カソード
の温度を不安定にするという欠点があつた。
つている中空電子ビームの内側にトラツプされ管
軸方向の電位の低い方向へドリフトする。従来技
術によるジヤイロトロンでは管軸上の電位が最も
低い電子銃電極10の先端部に衝突し、カソード
の温度を不安定にするという欠点があつた。
本発明のジヤイロトロン1では電子銃電極10
の先端部に穴12を設け、基底部を放熱翼14の
付いたイオンコレクタ13としているので、電子
銃電極10の先端部に達したイオンは穴12を通
りイオンコレクタ13に捕捉される。イオンコレ
クタ13に捕捉されたイオン衝撃の熱は放熱翼1
4を通じて外部に放散されるので、カソード温度
の安定化が図れる。
の先端部に穴12を設け、基底部を放熱翼14の
付いたイオンコレクタ13としているので、電子
銃電極10の先端部に達したイオンは穴12を通
りイオンコレクタ13に捕捉される。イオンコレ
クタ13に捕捉されたイオン衝撃の熱は放熱翼1
4を通じて外部に放散されるので、カソード温度
の安定化が図れる。
第1図は本発明を実施するジヤイロトロンの全
体図である。 1……ジヤイロトロン、2……電子銃組立体、
3……高周波回路、4……コレクタ、5……出力
窓、6……出力導波管、7……管軸、8……カソ
ード、9……ヒータ、10……電子銃電極、11
……陽極、12……穴、13……イオンコレク
タ、14……放熱翼、15……ヒータ電源、16
……高圧電源、17……電子銃ソレノイド、18
……主ソレノイド、19……円筒空胴。
体図である。 1……ジヤイロトロン、2……電子銃組立体、
3……高周波回路、4……コレクタ、5……出力
窓、6……出力導波管、7……管軸、8……カソ
ード、9……ヒータ、10……電子銃電極、11
……陽極、12……穴、13……イオンコレク
タ、14……放熱翼、15……ヒータ電源、16
……高圧電源、17……電子銃ソレノイド、18
……主ソレノイド、19……円筒空胴。
Claims (1)
- 1 中空の螺旋運動を行なう電子ビームを形成射
出する電子銃組立体と、該中空電子ビームに沿つ
て円形導波管もしくは円筒空胴を含む高周波回路
と、前記電子ビームを捕捉するコレクタが配列さ
れ、該コレクタの先には出力窓と出力導波管が取
付けられた電子ビームジヤイロ装置において、前
記電子銃組立体は環状のカソードとヒータを含む
電子銃電極と環状の陽極とが管軸に対して同軸に
構成され、電子銃電極の先端に穴を有するととも
に電子銃電極の後端に前記穴を通過したイオンを
捕捉するイオンコレクタを有することを特徴とす
る電子ビームジヤイロ装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20126481A JPS58102439A (ja) | 1981-12-14 | 1981-12-14 | 電子ビ−ムジヤイロ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20126481A JPS58102439A (ja) | 1981-12-14 | 1981-12-14 | 電子ビ−ムジヤイロ装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS58102439A JPS58102439A (ja) | 1983-06-18 |
JPH0232733B2 true JPH0232733B2 (ja) | 1990-07-23 |
Family
ID=16438059
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP20126481A Granted JPS58102439A (ja) | 1981-12-14 | 1981-12-14 | 電子ビ−ムジヤイロ装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS58102439A (ja) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS531875U (ja) * | 1976-06-15 | 1978-01-10 |
-
1981
- 1981-12-14 JP JP20126481A patent/JPS58102439A/ja active Granted
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS531875U (ja) * | 1976-06-15 | 1978-01-10 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS58102439A (ja) | 1983-06-18 |
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