JPH03152831A - 準光学式ジャイロトロン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、 ａ）電子ビーム軸の方向に走行する電子ビームを発生す
る第１の手段、 ｂ）電子ビーム軸に平行に配列され、電子ビームを圧縮
し、強制的に旋回させる静磁場を発生する第２の手段、 Ｃ）電子ビーム軸に垂直に配列された共振器軸上に、互
に対向して配置された２つのミラーを有すると共に、電
子ビームの旋回によって共振器内に所定周波数の交番電
磁場が励起される準光学式共振器、および ｄ）電磁放射線を共振器から解放させる第３の手段、 を備えた準光学式ジャイロトロンに関する。

（従来の技術） 冒頭に挙げた形式の準光学式ジャイロトロンは、例えは
、特許ＣＨ−６６４０４５から、または論文”Ｄａｓ　
Ｇｙｒｏｔｒｏｎ、　５ｃｈｌｉｓｓｅｌ　ｋｏｍｐｏ
ｎｅｎｔｏ　ｆｉｎｌｌｏｃｈｌｅｉｓｔｕｎｇｓ−Ｍ
ｉｋｒｏ　ｗｅｌｌｅｎ　５ｅｎｄｅｒ”　（ジャイロ
トロン、大電力マイクロ波送信器用キーコーボーネント
）　、１１．Ｇ、　Ｍａｔｈｅｗｓ＋　Ｍｉｎｋ　Ｇｕ
ａｎｇ　Ｔｒａｎ、　　ブラウンボベリレビュー６−１
９８７　　ｐ、３０３〜３０７から公知である。このジ
ャイロトロンは、典型的には１００ＧＨｚ以上の周波数
で動作し、連続ドツト運転で、わずか１００ＫＨのビー
ム出力の発生が可能である。

ジャイロトロンは融合プラズマ加熱用の大電力マイクロ
波管となる。実際の融合設備では実験設備が問題となっ
ているので、送信器の周波数を広い周波数範囲で調整で
きることが必要である。

従来から知られている、共振器を用いた大電力ジャイロ
トロンではすべて、利用可能な振幅バンド幅は約１０〜
２０％である。振動周波数は最適な周波数からかなり大
きくずれているので、その効率は極めて低い。

通常の、準光学式のジャイロトロンの周波数範囲を拡大
する１つの可能性は、スイス特許ＣＨ１４９０〜８９で
提案されているように、十字形の共振器を用いることで
ある。十字形共振器の主利点は、短い時間幅（１秒以下
）内に１つの周波数から、その２倍の周波数に切換えら
れるということである。これは、共振器の構造寸法を、
第２の共振器の最適な振動範囲（同じビームパラメータ
で）が、第１の共振器の２倍の周波数になるように選定
することによって達成できる。さらに、２つの周波数を
独立して選択することも可能である。この場合は、共振
器たりてなく、磁場（磁場強さ）も交換する必要がある
。

しかしながら、十字形共振器を用いる方法でも、十分に
広い周波数範囲をカバーすることはできない。

さらに数年前から、ジャイロトロンの効率を、いわゆる
層ビーム銃によって改善する試みがなされてきた。円筒
対称によって最適化された準光学式ジャイ１７Ｉ・ロン
用の層ビーム銃は、例えばスイス特許出願ＣＨ−３０４
６／８９に記載されている。このような電子銃の利点は
、共振器内の電流密度が交番電磁場のノード面で小さい
値に保持され、これによって電子の運動エネルギが、で
きるだけ完全に放射エネルギに変換されるということで
ある。しかしながら現状では、十字形共振器の場合、異
る共振器内のノード面の位置が異るため、その利点を十
分に発揮していない。

（発明が解決しようとする課題） 従って本発明の課題は、冒頭に挙げた形式の準光学式ジ
ャイロトロンを、特に実験設備で要求される広い周波数
範囲をカバーできると共に、層ビーム銃の装着に適合す
るように構成することである。

（課題を解決するための手段と作用） 本発明による解決手段は、共振器の両つのミラーの各々
が、それぞれ少くとも１つの他のミラーと一緒に可動保
持体上に配設され、さらに交番電磁場の周波数を所定値
に調整するために、互に対応すると共に所望の周波数に
同調した２つのミラーが、可動保持体の作動によって共
振器軸上に移動できるようにすることである。

スペースの点から、ミラーを、共振器軸に平行な回転軸
をもった回転可能な保持体上に配設することが特に有利
である。

特に好ましい実施態様に従って、保持体をレボルバ形式
として６個までのミラーを装着すると、ジャイロトロン
は機械的に簡単で、かつ省スペース的に、大ていの適用
条件を満足させる十分に広い周波数範囲をカバーするこ
とができる。

ミラーを冷却することによって、最大限の放射エネルギ
を発生できる。本発明の有利な実施形態によれは、冷却
剤の供給は可動保持体の回転軸を貫通して行われる。

特に簡単な実施態様に対しては、スライドまたはレボル
バ方式の保持体上に設けた２つのミラーベアがあれば十
分である。

さらに、電磁放射線を解放する第３の手段は少くとも１
つのホログラムを有し、これが対応する２つのミラーの
それぞれ一方のミラー面上に移動し、これによって解放
された放射線は少くとも正確に１つの解放軸の方向に曲
げられると共に、この少くとも１つの解放軸は共振器軸
との間に、ゼロより大きい所定の角度αを囲むようにす
ると有利である。

所望のガウス波形式による放射線の解除のほかに、同様
な実施態様は、機械的に安定で問題の生じない保持器の
構造を与えることができる。

解放軸と共振器軸とは、電子ビーム軸に垂直な共通面上
に、はぼ位置している。

高い効率を考慮すると、電子ビームを発生ずる第１の手
段は、層ビーム銃を含むことが有利である。

さらに多くの他の実施態様は、全体の従属請求項から明
らかにすることができる。

（実施例） 以下、本発明を図面を参照して詳細に説明する。

なお各図面において同一の部分には同一の記号を付して
いる。

第１図は、本発明による準光学式ジャイロｌ−＋コンの
基本的な構成を示す図である。ごのジャイし１トロンは
、例えばリング状の電子ビームＩを発生する電子ビーム
銃６を有し、電子ビームは電子ヒ０ −ム軸２に沿って走行する。電子ビーム銃６としては、
周知のマグネトロン式射出銃でも、推奨形の層ビーム銃
でもよい。ヘルムホルツ配置の２つのコイル３ａ、３ｂ
（すなわち、その半径に相当する間隔をもっている）が
電子ビーム軸２に平行な静磁場を発生し、これによって
電子ビーム１が圧縮され、旋回される。

共振器軸５上に互に対向して置かれた２つのミラー４ａ
、４ｂから成る準光学式共振器が、上記内つのコイル３
ａ、３ｂの間に、その共振器軸５が電子ビーム軸２に垂
直の方向を向くように配設されている。

互に対応するミラー４ａ、４ｂは一定の周波数に対して
最適化されている。また、例えば球面上に弯曲すると共
に、円板状をしている。

電子の旋回によって、共振器内に高周波の交番電磁場１
４が励起され、これによって、所望の電磁放射が適当な
手段を用いて共振器から解放され、高周波窓および必要
により導波管を通って利用者に供給される。高周波窓（
第１図には示されていない）は、上記した各部分が装着
され′ζいる真空ケース９を外部空間から透明的に隔離
している。

両つのコイル３ａ、３ｂは互に強力な力を作し合うので
、支持構造７によって互に保持されている。この支持構
造は、共振器に適合した貫通口または自由空間をもって
いる。例えは、この支持構造７は貫通口を有する形鋼材
、またはチタン棒を適当に配列して作った保護架台とす
ることができる。全体は真空ケース内に装着される。

上述したジャイロトロンの各用品は、十分に周知のもの
（例えば冒頭に挙げた従来技術から）である。従って、
これに関する詳細な説明は省略する。

これに対して、種々の周波数を発生する共振器の構成は
新規なものである。

すなわち本発明のジャイロトロンは、互に対応する少く
とも２つの追加のミラー４ｃ、４ｄを有し、これら追加
のミラーはそれぞれ両つのミラー４ａ、４ｂと一緒に可
動の保持体８ａ、Ｂｂ上に配設されている。追加のミラ
ー４ｃ、４ｄは第１１ ２ の両ミラー４ａ、４ｂとは異る周波数に同調されている
。その他の点では同じ構造になっている。

両つの保持体８ａ、８ｂは好ましくは、共振器軸５に平
行な軸の周りに回転でき、さらに両つの追加のミラー４
ｃ、４ｄが第１の両つのミラー４ａ、４ｂの位置に移動
できるようになっている。

この場合、共振器軸５上にあるミラーペアが正確に位置
決めされ（中心に置かれ）、かつ固定され（ロックされ
）ることを確実にする手段が設けられていることは当然
である。

ジャイロトロンを１つの周波数から他の周波数に切換え
るには、両つの保持体８ａ、８ｂを回転させて、ミラー
４ａ、４ｂがミラー４ｃ、４ｄで置き換えられるように
する。同時に、コイル３ａ。

３ｂのコイル電流を増減させることによって、磁場を新
しい周波数に同調させる。

好ましい実施態様によれは、ミラー４ａ、　４ｂ、　４
ｃ。

４ｄは冷却剤１０で冷却される。冷却剤の供給は保持体
８ａ、８ｂのそれぞれの回転軸を通して行われる。

簡単のために、単に２つのミラーペア４ａ、　４ｂおよ
び４ｃ、４ｄの場合について述べたが３つ以上のミラー
ペアの場合にも同時である。特に好ましい実施態様とし
ては１つの保持体上に６個までのミラーが設けられる。

第２図は、６個のミラー４　ｅ　、　−−−，４ｋをレ
ボルバ方式で取付けた保持体８ａを示している。

本実施例では、ミラー４　ｅ　、　−−−−−−，４ｋ
は、互の間隔が６０°の個別アームに保持されている。

電磁放射の解放は、種々の、かつ公知の方法で行うこと
ができる。１つの可能性は、各ミラーは適当な解放用の
スリットを設けることである。もう１つの可能性はミラ
ーの周縁で解放を行うことである。この場合は、互に対
応する両つのミラーのうち、一方のミラーの直径を他方
のミラーよりも小さくする。

所望の電磁放射を、ホログラフ構造を用いて解放するこ
とは特に有利である。これについて以下詳細に説明する
。

第３図は共振器の断面を示しており、原理的に３ ４ は、すでに第１図で説明した通りである。両図において
、同じ部品には同じ記号を用いている。第３図において
、電子ビーム１は上から下へ走っている。支持構造７の
後側にはコイル３ｂが認められる。

ミラー４ｂの表面にはホログラムが設りられ、このホロ
グラムは、交番電磁場の小部分が解放軸１１に沿って解
放されるように作用する。解放軸１１は共振器軸５との
間で、ゼロより大きい所定の角度αを囲む。

典型的には、この角度αは３０°程度である。

高周波窓】５は所要の放射を放出すると共にケース９を
真空タイトに閉鎖している。

ホログラフによる解放の利点は主として、ガウス光が正
確に所定の方向に解放されるということである。ガウス
光だけが、長い行程にわたって損失はなく伝送可能であ
る。

しかし、本発明に関しては、ホログラフ式の解放はさら
に利点をもっている。すなわち、スリンｌ−やミラー周
縁による解放では、放射は共振器軸に沿って出力され、
このため保持体は止むを得ず光路上にくることになるが
、ホログラムを用いると、解放は言わば位置的に共振器
から分離される。

従って、この場合は、解放された放射が保持体によって
出来るだし」邪魔されないようにするだめの考慮を佛う
（他の実施態様では必要である）必要がなくなる。従っ
て保持体が簡単になり、問題無く装着することが可能と
なる。

さらに他の有利な実施態様は、リング状の電子ビームｌ
を発生する従来の電子ビーム銃６の代りに層ビーム銃を
用いることである。この層ビーム銃は、電子ビーム１が
方位角に沿って電流密度が変化するように作られたリン
グ状の陰極をもっている。また、共振器内の定常交番電
磁場８のノード面における電流密度は比較的小さく、波
の腹部、すなわち電場の強さの高い領域では電流密度が
大きくなってくる。この目的のために、陰極は交互に高
い出射能と低い出射能をもった複数のセグメントをもっ
ている。

第３図には、このような状態が示されている。

５ ６ 電子ビーム１は、陰極に対応して、例えは、それぞれ低
い電流密度の２つのセグメント１２ａ、　１２ｂと、高
い電流密度の２つのセグメント１３ａ、　１３ｂとを有
する。すでに示唆したように、低い電流密度のセグメン
ト１２ａ、１２ｂは、共振器内に、定常交番電磁場８の
ノード面で比較的小さな電流密度になるように形成され
、配置されている。

これらのセグメントは実質的に、（陰極に対応する）円
形リングに周期的なパターンを有する平行なリボンを（
交番電磁場の振幅パターンに対応して）積重ねることに
よって作られている。この場合のパターンは、好ましく
は、半波長と圧縮率の平方根との積に対応する周期をも
つものとする。

この場合、圧縮率とは、共振器位Ｗ（交番作用ゾーン）
における磁場の強さの、電子出射体（陰極）の位置にお
ける磁場の強さに対する比である。

電子ビームは前述の実施例では、２つの層ビームから構
成されている。上述のことは、当然ながらｎ重の層ビー
ムにもあてはまることである。層ビーム銃の詳細につい
ては、スイス特許出願ＣＨ３０４６／８９が引用できる
。

下記に、上記実施例に対するいくつかの変形例について
簡単にスケッチする。

複数のミラーをレボルバ式に保持する保持体は、必ずし
も個々のアームをもつ必要はない。特に、ミラーのスリ
ットによって解放を行う場合、あるいはポログラフによ
る解放の場合には、保持体は、充実した回転円板で構成
できる。この方法を用いると、必要な冷却が特に簡単か
つ効率的に実施できる。

また、保持体は好ましくはモータ駆動とし、かつ自動的
にロックされる。また、ミラーの微調整用として、例え
ばマイクロメータねしを設けることもできる。

また、ミラーを別置のエレメントとして後から保持体に
取付けるようにしてもよく、或いは保持体の集積部品（
例えば充実円板の場合）としてもよい。

また、円筒状の層ビーム銃のほかに、直線状の層ビーム
銃も当然ながら効率の向上に適している。

７ ８ 直線状の層ビーム銃の場合には、個々の層ビームはほぼ
、適当に配列された共通の平面内を走行する。

総括して言えは、本発明は、公知の準光学式ジャイロト
ロンの周波数領域を拡大する簡単な可能性を提供できる
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、準光学式ジャイロトロンの要部構成を示す長
手方向断面図、第２図は、６個のミラーを有するレボル
バ式の保持体を示す構成図、第３図は、ホログラフ式解
放手段を有する共振器の要部構成図である。 １−−−−−−一電子ビーム ２−・−電子ビーム軸 ３ａ、　３ｂ−−−−−−コイル ４ａ−・・、４に一ミラー ５−−−−−−一共振器軸 ６−−−−−−一電子ビーム銃 ７−−−−−支持構造 ８ａ、　８ｂ・−−−−−一保持体 ９ −一 〔カ − ９−−−−−ケース １０−−−−一冷却剤 １１−−−−−−一解放軸 １２ａ、１２ｂ−・−−−−一低い電流密度のセグメン
ト１３　ａ　、　１３　ｂ−−−−−−−高い電流密度
のセグメント１４−−−−・−交番電磁場 １５−−−−−−一高周波窓 ０ Ｃ（ ■ 工 −

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ａ）電子ビーム軸の方向に走行する電子ビームを発
   生する第１の手段、 ｂ）電子ビーム軸に平行に配列され、電子ビームを圧縮
   し、強制的に旋回させる静磁場を発生する第２の手段、 ｃ）電子ビーム軸に垂直に配列された共振器軸上に、互
   に対向して配置された２つのミラーを有すると共に、電
   子ビームの旋回によって共振器内に所定周波数の交番電
   磁場が励起される準光学式共振器、および ｄ）電磁放射線を共振器から解放させる第３の手段、 を備えた準光学式ジャイロトロンにおいて、 ｅ）共振器の両つのミラー（４ａ，４ｂ）の各々は、そ
   れぞれ少くとも１つの他のミラー（４ｃ，４ｄなど）と
   一緒に可動保持体（８ａ，８ｂ）上に配設され、さらに
   交番電磁場の周波数を所定値に調整するために、互に対
   応すると共に所望の周波数に同調した２つのミラーが、
   可動保持体（８ａ，８ｂ）の作動によって共振器軸（５
   ）上に移動できるようになっていることを特徴とする準
   光学式ジャイロトロン。 ２、ミラー（４ａ，−−−−−，４ｄ）は、共振器軸（
   ５）に平行な回転軸の周りに回転可能な、回転式保持体
   に取付けられていることを特徴とする請求項１記載の準
   光学式ジャイロトロン。 ３、回転式の保持体（８ａ，８ｂ）はレボルバ形式で６
   個までのミラー（４ｅ，−−−−−，４ｋ）を有するこ
   とを特徴とする請求項１記載の準光学式ジャイロトロン
   。 ４、ミラー（４ａ，−−−−−，４ｄ）は、冷却剤（１
   ０）を保持体（８ａ，８ｂ）の回転軸を貫通して供給す
   ることによって冷却されていることを特徴とする請求項
   ３記載の準光学式ジャイロトロン。 ５、第３の手段は少くとも１つのホログラムを有し、こ
   の少くとも１つのホログラムは共振器の両つのミラーの
   一方（４ｂ）のミラー面上に移動すると共に、解放され
   る放射線は、少くとも正確に１つの解放軸（１１）の方
   向に散乱されるようになっており、さらにこの少くとも
   正確に１つの解放軸（１１）は共振器軸（５）との間に
   、ゼロとは異る所定の角度αを囲んでいることを特徴と
   する請求項１記載の準光学式ジャイロトロン。 ６、解放軸（１１）と共振器軸（５）とは、電子ビーム
   軸（２）にほぼ直角な共通な平面上にあることを特徴と
   する請求項５記載の準光学式ジャイロトロン。 ７、電子ビーム（１）を発生する手段は、少くとも２つ
   の層ビームを有する層ビーム銃を有することを特徴とす
   る請求項１記載の準光学式ジャイロトロン。 ８、ａ）静磁場を発生する第２の手段は、電子ビーム軸
   （２）上に配列された、ヘルムホルツ構成の２つのコイ
   ル（３ａ，３ｂ）を有し、 ｂ）準光学式共振器は、両つのコイル（３ａ，３ｂ）の
   間に取付けられており、さらに ｃ）共振器軸（５）と解放軸（１１）とは、電子ビーム
   軸（２）に垂直な共通の平面上にあることを特徴とする
   請求項１記載の準光学式ジャイロトロン。