JPH031770B2 - - Google Patents
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- JPH031770B2 JPH031770B2 JP22162883A JP22162883A JPH031770B2 JP H031770 B2 JPH031770 B2 JP H031770B2 JP 22162883 A JP22162883 A JP 22162883A JP 22162883 A JP22162883 A JP 22162883A JP H031770 B2 JPH031770 B2 JP H031770B2
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- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims description 31
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
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- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
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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
- H01J25/025—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 with an electron stream following a helical path
Landscapes
- Microwave Tubes (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は直流磁界中をら線運動する電子ビーム
と空胴共振器または導波管中のTEモードの電磁
波との相互作用によつて該電磁波の発振ないし増
幅を行うミリ波およびサブミリ波帯の大電力管子
管に関するものである。
と空胴共振器または導波管中のTEモードの電磁
波との相互作用によつて該電磁波の発振ないし増
幅を行うミリ波およびサブミリ波帯の大電力管子
管に関するものである。
近年、該融合研究や高分解能レーダ研究の分野
においてミリ波からサブミリ波帯での効率の高い
大電力源が求められている。このような周波数帯
の大電力源としては、これまでにペニオトロンや
ジヤイロトロンなどが知られている。
においてミリ波からサブミリ波帯での効率の高い
大電力源が求められている。このような周波数帯
の大電力源としては、これまでにペニオトロンや
ジヤイロトロンなどが知られている。
ペニオトロンは、特公昭45−35334に開示され
ている通り、直流磁界中をら線運動するペンシル
状の電子ビームとダブルリツジ対導波管の高周波
回路を伝搬する電磁波との相互作用による位相分
離効果に基づき電磁波の増幅ないし発振を行う電
子管である。ペニオトロンでは、位相分離効果に
より電子ビームがすべて電磁波の減速電界に捕捉
されるので、電子ビームから電磁波へのエネルギ
の変換効率としては、原理的に100％近い値が期
待できることと、電子ビームのら線運動のサイク
ロトロン周波数ωcの高調波と電磁波との相互作
用を利用することにより、直流磁界の強度を下げ
られるという特長がある。しかし、ペンシル状の
電子ビームを用いているため電子ビームの直流入
力電力が制限されており、さらに高周波回路とし
てダブルリツジ対導波管を採用しているため、リ
ツジ部分の高周波電界強度の点からも電力的に制
約されるので、これまでに実現されている管の出
力電力としては数kWレベルどまりである。
ている通り、直流磁界中をら線運動するペンシル
状の電子ビームとダブルリツジ対導波管の高周波
回路を伝搬する電磁波との相互作用による位相分
離効果に基づき電磁波の増幅ないし発振を行う電
子管である。ペニオトロンでは、位相分離効果に
より電子ビームがすべて電磁波の減速電界に捕捉
されるので、電子ビームから電磁波へのエネルギ
の変換効率としては、原理的に100％近い値が期
待できることと、電子ビームのら線運動のサイク
ロトロン周波数ωcの高調波と電磁波との相互作
用を利用することにより、直流磁界の強度を下げ
られるという特長がある。しかし、ペンシル状の
電子ビームを用いているため電子ビームの直流入
力電力が制限されており、さらに高周波回路とし
てダブルリツジ対導波管を採用しているため、リ
ツジ部分の高周波電界強度の点からも電力的に制
約されるので、これまでに実現されている管の出
力電力としては数kWレベルどまりである。
一方、ジヤイロトロンは、1977年７月発行の米
国著名雑誌「IEEE Transactions on Theory
and Technigues」volume MTT−25の第514頁
から第527頁の論文「The Gyrotron」に開示さ
れている通り、直流磁界中をら線運動する円筒状
の電子ビームと円筒空胴共振器または円形導波管
などの高周波回路とから構成され、電子ビームの
相対論効果に基づき電磁波の増幅ないし発振を行
う電子管である。ジヤイロトロンでは、電子ビー
ムのら線運動の中心を円環状に配置しているの
で、電子ビームの直流入力電力を増大することが
可能であり、しかも高周波回路が構造的に単純で
ある上に電力容量を大きくできる特長がある。し
かし、相対論効果による電子ビームの集群作用で
は、電子ビームの一部分が電磁波の加速電界に捕
捉されるので、ペニオトロンのような高効率動作
を期待することができない。また、サイクロトロ
ン周波数ωcの高調波と電磁波との相互作用も理
論的には可能であるが、前記の論文に記載の如く
高調波動作での効率の低下が大きいという問題が
ある。
国著名雑誌「IEEE Transactions on Theory
and Technigues」volume MTT−25の第514頁
から第527頁の論文「The Gyrotron」に開示さ
れている通り、直流磁界中をら線運動する円筒状
の電子ビームと円筒空胴共振器または円形導波管
などの高周波回路とから構成され、電子ビームの
相対論効果に基づき電磁波の増幅ないし発振を行
う電子管である。ジヤイロトロンでは、電子ビー
ムのら線運動の中心を円環状に配置しているの
で、電子ビームの直流入力電力を増大することが
可能であり、しかも高周波回路が構造的に単純で
ある上に電力容量を大きくできる特長がある。し
かし、相対論効果による電子ビームの集群作用で
は、電子ビームの一部分が電磁波の加速電界に捕
捉されるので、ペニオトロンのような高効率動作
を期待することができない。また、サイクロトロ
ン周波数ωcの高調波と電磁波との相互作用も理
論的には可能であるが、前記の論文に記載の如く
高調波動作での効率の低下が大きいという問題が
ある。
本発明の目的は、ペニオトロンとジヤイロトロ
ンの特長だけを継承するようなミリ波及びサブミ
リ波帯の高効率大電力電子管を提供することにあ
る。
ンの特長だけを継承するようなミリ波及びサブミ
リ波帯の高効率大電力電子管を提供することにあ
る。
第１図は本発明を実施した超高周波電子管１の
全体図であり、同図には円筒状の電子ビーム３を
形成射出する電子銃組立体２と、高周波回路４
と、コレクタ電極６と、出力窓７及び出力導波管
８が管軸１０上に配列された構造が示されてい
る。
全体図であり、同図には円筒状の電子ビーム３を
形成射出する電子銃組立体２と、高周波回路４
と、コレクタ電極６と、出力窓７及び出力導波管
８が管軸１０上に配列された構造が示されてい
る。
ソレノイド９は高周波回路４に沿つた部分に高
強度の直流磁界を発生するものである。
強度の直流磁界を発生するものである。
高周波回路４はその中央部に管の動作周波数
ω0においてTE021モードで共振する円管空胴共振
器５を含み、電子銃側はTE02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TE02モードが伝搬できるよう径を大きくし
ている。円筒空胴共振器５内のTE021モードの電
磁波のドツプラーシフトした角周波数ωに対して
電子ビーム３のら線運動のサイクロトロン角周波
数ωcが(1)式を満足するようソレノイド９を調整
することによつて、電子ビーム３と円筒空胴共振
器５のTE021モードの電磁波との間に強い相互作
用が生じ、電子ビーム３の運動エネルギが電気エ
ネルギに変換されて大電力の電磁波が発生する。
ω0においてTE021モードで共振する円管空胴共振
器５を含み、電子銃側はTE02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TE02モードが伝搬できるよう径を大きくし
ている。円筒空胴共振器５内のTE021モードの電
磁波のドツプラーシフトした角周波数ωに対して
電子ビーム３のら線運動のサイクロトロン角周波
数ωcが(1)式を満足するようソレノイド９を調整
することによつて、電子ビーム３と円筒空胴共振
器５のTE021モードの電磁波との間に強い相互作
用が生じ、電子ビーム３の運動エネルギが電気エ
ネルギに変換されて大電力の電磁波が発生する。
ω（2n−１）ωc (1)
ただし、ｎは正の整数であり、電磁波の位相速
度をυpとし、電子ビーム３の管軸１１方向の速
度成分をυとすると、ω＝（１±υ／υp）ω0で
ある。
度をυpとし、電子ビーム３の管軸１１方向の速
度成分をυとすると、ω＝（１±υ／υp）ω0で
ある。
円筒空胴共振器５の内部で発生した大電力の電
磁波はコレクタ６、出力窓７を通じて出力導波管
８から外部の負荷へ導びかれる。
磁波はコレクタ６、出力窓７を通じて出力導波管
８から外部の負荷へ導びかれる。
第２図は空胴共振器５内のTE021モードの電界
分布と電子ビーム３の配置を示す断面図である。
TE021モードは第１電界リング２１と第２電界リ
ング２２がそれぞれ空間的に逆方向を向いてお
り、電子ビーム３のら線運動の中心を第１リング
２１と第２リング２２の中間に円環状に配置して
いる。
分布と電子ビーム３の配置を示す断面図である。
TE021モードは第１電界リング２１と第２電界リ
ング２２がそれぞれ空間的に逆方向を向いてお
り、電子ビーム３のら線運動の中心を第１リング
２１と第２リング２２の中間に円環状に配置して
いる。
第３図は空胴共振器５内のTE021モードの電界
強度Eθの半径γ方向の変化を示す曲線３１と電
子ビームのγ方向の配置領域３２を示す線図であ
る。第１電界リング２１と第２電界リング２２の
電界強度のピーク位置をそれぞれγ1、γ2とし、電
子ビーム３のら線運動の中心位置をγ0、ら線運動
の直径をＤとすればこれらの関係は次式のように
なる。
強度Eθの半径γ方向の変化を示す曲線３１と電
子ビームのγ方向の配置領域３２を示す線図であ
る。第１電界リング２１と第２電界リング２２の
電界強度のピーク位置をそれぞれγ1、γ2とし、電
子ビーム３のら線運動の中心位置をγ0、ら線運動
の直径をＤとすればこれらの関係は次式のように
なる。
γ1＜γ0＜γ2 (2)
Ｄ＜γ2−γ1 (3)
電子ビーム３のら線運動部分における電界強度
分布は、第３図に示すようにら線の中心γ0よりも
左右に遠ざかるに従い極性が逆転してその絶対値
が多くなつていることである。
分布は、第３図に示すようにら線の中心γ0よりも
左右に遠ざかるに従い極性が逆転してその絶対値
が多くなつていることである。
第４図はこのような強度分布をもつ電界中を円
環状に配置された電子ビーム３のら線を１つ取り
出したものと電界強度Eθのγ方向の変化曲線３
１を示している。
環状に配置された電子ビーム３のら線を１つ取り
出したものと電界強度Eθのγ方向の変化曲線３
１を示している。
まず最初に図の右側すなわち第２電界リング２
２において減速位相を経験するような電子を考え
ば、その回転半径を減じ、且つその回転中心を第
２電界リング側に移動して左側すなわち第１電界
リング２１に流入することになる。いま、式(1)の
条件が成立していれば、第１電界リング側におい
てこの電子が経験するのは、加速位相であるが、
先の回転半径の減少と回転中の移動のため、第２
電界リング側よりは電界強度の弱い部分で加速位
相を見ることになり、１回転当たりについて見れ
ば、この電子は電磁波にその運動エネルギを与え
ていることになる。しかも、第１電界リング側に
おける加速によつてもその回転中心は第２電界リ
ングに移動するので、以降の回転ではますます第
２電界リング側における減速の効果が優勢にな
り、遂には第１電界リング側に流入することな
く、第２電界リング側でその運動エネルギを電磁
波へ与えて行くようになる。
２において減速位相を経験するような電子を考え
ば、その回転半径を減じ、且つその回転中心を第
２電界リング側に移動して左側すなわち第１電界
リング２１に流入することになる。いま、式(1)の
条件が成立していれば、第１電界リング側におい
てこの電子が経験するのは、加速位相であるが、
先の回転半径の減少と回転中の移動のため、第２
電界リング側よりは電界強度の弱い部分で加速位
相を見ることになり、１回転当たりについて見れ
ば、この電子は電磁波にその運動エネルギを与え
ていることになる。しかも、第１電界リング側に
おける加速によつてもその回転中心は第２電界リ
ングに移動するので、以降の回転ではますます第
２電界リング側における減速の効果が優勢にな
り、遂には第１電界リング側に流入することな
く、第２電界リング側でその運動エネルギを電磁
波へ与えて行くようになる。
一方、最初の電界空間への入射時に第２電界リ
ング側で加速位置を経験するような電子について
も、前述の過程が逆転するのみで第１電界リング
側における減速の効果が第２電界リング側のそれ
より大きくなり１回転当たりでは同様に運動エネ
ルギを電磁波に与え最終的には第１電界リング側
にまつわりつくようになる。したがつて、入射電
子ビーム３は個々の電子の電界空間への入射位相
に応じ２つのグループに分離され、共にその運動
エネルギを電磁波に与え電磁波の増幅に寄与する
ことになる。このため、このような機構では、通
常の進行波管やジヤイロトロンの動作機構のよう
に電磁波からエネルギを受取るような好ましくな
い電子は全く存在しないことになり高い変換効率
が期待できる。
ング側で加速位置を経験するような電子について
も、前述の過程が逆転するのみで第１電界リング
側における減速の効果が第２電界リング側のそれ
より大きくなり１回転当たりでは同様に運動エネ
ルギを電磁波に与え最終的には第１電界リング側
にまつわりつくようになる。したがつて、入射電
子ビーム３は個々の電子の電界空間への入射位相
に応じ２つのグループに分離され、共にその運動
エネルギを電磁波に与え電磁波の増幅に寄与する
ことになる。このため、このような機構では、通
常の進行波管やジヤイロトロンの動作機構のよう
に電磁波からエネルギを受取るような好ましくな
い電子は全く存在しないことになり高い変換効率
が期待できる。
しかも従来のペニオトロンに比べてリツジ間隙
による高周波電界強度の制約がないことと、入射
できる電子ビームの電力を増大できることにより
本発明の超高周波電子管では大電力動作が可能で
ある。
による高周波電界強度の制約がないことと、入射
できる電子ビームの電力を増大できることにより
本発明の超高周波電子管では大電力動作が可能で
ある。
また、サイクロトロン高周波においても高効率
動作を維持できることから、ミリ波及びサブミリ
波帯でも磁界強度の低い大電力超高周波電子管を
実現できる。
動作を維持できることから、ミリ波及びサブミリ
波帯でも磁界強度の低い大電力超高周波電子管を
実現できる。
ここに示した空胴共振器TE021モードは一つの
例であり他の電界モードを利用することも可能で
ある。また、高周波回路として導波管を用いるこ
とにより増幅管を実現することができる。
例であり他の電界モードを利用することも可能で
ある。また、高周波回路として導波管を用いるこ
とにより増幅管を実現することができる。
第１図は本発明を実施した超高周波電子管の全
体図である。第２図は円筒空胴共振器内のTE021
モードの電界分布と電子ビームの配置を示す断面
図である。第３図は円筒空胴共振器内のTE021モ
ードの電界強度E〓の半径γ方向の変化と電子ビー
ムのγ方向の配置を示す線図である。第４図は電
子ビームのら線を１つ取り出したものと電界強度
E〓のγ方向の変化曲線を示している。 １……超高周波電子管、２……電子銃組立体、
３……電子ビーム、４……高周波回路、５……円
筒空胴共振器、６……コレクタ電極、７……出力
窓、８……出力導波管、９……ソレノイド、１０
……管軸、２１……第１電界リング、２２……第
２電界リング、３１……電界強度の半径方向の変
化曲線、３２……電子ビームの半径方向の配置領
域を示す直線。
体図である。第２図は円筒空胴共振器内のTE021
モードの電界分布と電子ビームの配置を示す断面
図である。第３図は円筒空胴共振器内のTE021モ
ードの電界強度E〓の半径γ方向の変化と電子ビー
ムのγ方向の配置を示す線図である。第４図は電
子ビームのら線を１つ取り出したものと電界強度
E〓のγ方向の変化曲線を示している。 １……超高周波電子管、２……電子銃組立体、
３……電子ビーム、４……高周波回路、５……円
筒空胴共振器、６……コレクタ電極、７……出力
窓、８……出力導波管、９……ソレノイド、１０
……管軸、２１……第１電界リング、２２……第
２電界リング、３１……電界強度の半径方向の変
化曲線、３２……電子ビームの半径方向の配置領
域を示す直線。
Claims (1)
- １ 直流磁界中をら線運動しそのら線運動の中心
を円環状に配置した円筒状電子ビームと導波管ま
たは空胴共振器のTEモード電磁波との相互作用
に基づく超高周波電子管において、前記TEモー
ド電磁波は電界の方向が空間的に逆向きの２つ以
上の電界成分を有し、前記電子ビームのら線運動
の中心は、TEモード電磁波の逆方向電界成分の
中間に位置し、電子ビームのら線運動のサイクロ
トロン角周波数ωcとTEモード電磁波のドツプラ
ーシフトした角周波数ωとの間にｎを正の整数と
してω＝（2n−１）ωcなる関係を有することを特
徴とする超高周波電子管。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22162883A JPS60115132A (ja) | 1983-11-25 | 1983-11-25 | 超高周波電子管 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22162883A JPS60115132A (ja) | 1983-11-25 | 1983-11-25 | 超高周波電子管 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60115132A JPS60115132A (ja) | 1985-06-21 |
| JPH031770B2 true JPH031770B2 (ja) | 1991-01-11 |
Family
ID=16769741
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22162883A Granted JPS60115132A (ja) | 1983-11-25 | 1983-11-25 | 超高周波電子管 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60115132A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102364161A (zh) * | 2011-11-29 | 2012-02-29 | 何东 | 一种不间断输出动力的齿轮变速装置 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0817081B2 (ja) * | 1988-10-31 | 1996-02-21 | 株式会社東芝 | 超高周波発振管装置 |
-
1983
- 1983-11-25 JP JP22162883A patent/JPS60115132A/ja active Granted
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102364161A (zh) * | 2011-11-29 | 2012-02-29 | 何东 | 一种不间断输出动力的齿轮变速装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60115132A (ja) | 1985-06-21 |
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