JPH0330242A - 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、ヘルムホルッ配置された２つのコイルが、電
子ビーム軸に関して軸対称の静磁場を発生し、電子ビー
ム軸に沿って磁場に平行に走る電子が強制的に旋回され
、２つのコイルの間に電子ビーム軸に垂直に配置された
共振器軸上に互に対向して配置された２つのミラーを備
えた準光学式共振器内に交流電磁場を励起する、準光学
式ジャイロトロンに関する。

（従来の技術） 頭初に挙げた形式の準光学式ジャイロトロンは、例えば
、特許ＣＨ−６６４０４５または論文”　Ｄａｓ　Ｇｙ
ｒｏｔｒｏｎ＋　Ｓｃｈｌ　ｔｉｓｓｅｌ−Ｋｏｍｐｏ
ｎｅｎｔ．ｅ　ｆ　ｕ　ｒＨｏｃｈｌｅｉｓｔｕｎｇｓ
−Ｍｉｋｒｏｗｅｌｌｅｎｓｅｎｄｅｒ　　　（ジャイ
ロトロン、高出力マイクロウエーブ送信器用のキーコン
ポーネント）　，　ＩＩ，　Ｇ．　Ｍａｔｈｅｗｓ　　
Ｍｉｎｈ　Ｑｕａｎｇ　Ｔｒａｎ，　Ｂｒｏｗｎ　Ｂｏ
ｖｅｒｉ　Ｒｅｖｉｅｗ　６−１　９　８　７　，　　
ｐ３０３〜３０７よって公知である。

このようなジャイロトロンのマイクロウェーブ出力は、
現在ではまだ、約１００Ｇ８２以上の周波数での動作で
せいぜい数１００ＫＷ程度であるが、将来は、核融合用
のプラズマ加熱への適用を考慮した連続波出力ＩＭＷ以
上を発生でき−Ｊ可能性をもっている。

共振器壁の無用な加熱は、このような高出力のジャイロ
１・ロンを得るのに対して１つの問題を提起している。

これは、共振器壁の有限な導電率のため、これらの壁が
共振器内の高周波電磁場によって加熱されるからである
。これが、到達可能なマイクロウェーブ出力を放散可能
な最大熱損失によって制限する。

壁の導電率を高めると熱損失が低下し、これに応してジ
ャイロトロンの出力性能を改善する。

方では、従来の共振器の壁にはもっぱら常電導金属が用
いられてきたこと、他方では最近は高温超電導体が入手
できるようになってきたという事実を考慮すると、共振
器の壁を常電導体から超電専体に代えることが手近かな
こととなった。これはすでに文献にも提案されている。

（例えば、Ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｉｅｓ　　ｆｏｒ　ｍ
ｉｃｒｓｗａｖｅ／ｆａｒ　　ｉｎｆｒａｒｅｄｃａｖ
ｉｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｉｎａｖｅｇｕｉｄｅｓ　ｕａｉ
ｎｇ　ｈｉｇｈ　　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｕｐｅｒ
ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ　″　（（高温超電導体を用いた
超赤外線空洞および導波管の可能性））、Ｄ．　Ｒ．Ｃ
ｏｈｎ，　Ｌ．　Ｂｒｏｉｂｅｒｇ，　Ｌ　Ｈａｌｖｅ
ｒｓｏｎ，　１３．　ＬａｘおよびＰ，Ｉ＋Ｉｏｓｃｏ
ｖ＋　Ｔｗｅｌｆｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎｄ　Ｃ
ｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎ　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　ａｎｄ　
Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ　Ｗａｖｅｓ　　Ｄｅｃ　　１　
４　〜１８、１　９　８　７　，　Ｌａｋｅ　Ｂｕｅｎ
ａ　Ｖｉｓｔａ　　ＦｌｏｒｉｄａＣｏｎｆｅｒｅｎｃ
ｅ　　Ｄｉ　ｇｅｓｔ，　　ＩＥＥＥ　　Ｃａｔａｌｏ
（Ｈ　　Ｎα　８　　Ｈ　　Ｃ　　Ｈ２４９０−１，ｐ
５１−〜５２参照｝。

（発明が解決しようとする課題） この場合の問題は、準光学式ジャイロ１・ロンでは、超
電導体が高周波電磁場（＞ＩＯＯＧ｝ｉｚ）の存在、お
よび強力な磁場（＞　５　７）の存在の両方の条件下で
動作しなければならないということである。しかしなが
ら、このような条件下では、従来の超電導体はすべて、
電気特性が銅よりも悪く、従って何等の利点もあたえな
い。

従って本発明の目的は、頭初に挙げた準光学式ジャイロ
トロンにおいて、典型的に１　０　０　Ｃ　Ｉｌ　ｚ以
上で、連続波（ＣＷ）出力ＩＭＷ以上のマイクロウェー
ブを発生できる新規な準光学式ジャイロトロンを提供す
ることである。

（課題を解決するための手段と作用） 本発明によればこの課題は、準光学式共振器のミラーに
超電導体の反射面を用い、さらに磁場をミラーの位置に
局限する手段を設けること−によって解決される。

本発明の核心は、電子を旋回させる磁場は可能な限り均
一でなければならず、但しこの磁場は電子ビームの領域
内のみに存在しなければならない、ということである。

この領域外で半径方向に勾配をもつことはかまわない。

本発明による遮蔽手段は磁場の勾配を発生させ、これに
よって磁場の強さは、超電導が損なわれないようになる
まで、−半径方向に大きく低下する。

本発明には多くの実施例がある。その１つは、実質的に
コイルを囲むヨークが設けられていることである。すな
わち、このヨークはコイル外部の磁束の大部分を通すよ
うに形成されている。このことは、ヨークが実質的に一
体のものである場合、および多分割ヨークである場合の
何れでも達戒できる。この構戒では、ヨークは高透磁率
の材料でつくる必要がある。

ヨークは好ましくは、蓋と底とを有する中空円筒の形で
、２つのコイルを囲むものとする。中空円筒は共振器用
の開口をもっている。この場合、共振器の截ラーは中空
円筒の外部の開口の後側に配置される。

ヨークを、複数のヨーク部分をコイルの周りに均等間隔
で配置して構戒すると、特に有利である。

考え方の少し異る他の実施例は、ミラーの位置における
磁場を、対応する反対磁場で補償するものである。この
反対磁場は、前記の旋回用のコイルの外側にもうけられ
た追加のコイル装置によって発生される。

その他の有効な実施例は、特許請求の範囲の従属項に示
されている通りである。

（実施例） 以下、本発明の各実施例を、図面を参照して詳細に説明
する。なお各図面において、同一部分または対応する部
分はすべて同一の参照番号で示している。

第１図は、本発明による準光学式ジャ，イロトロンを説
明するのに必須な用品を示している。図示していない電
子銃が、例えばリング状の電子ビーム１の形で電子を出
射する。電子は電子と、一ム軸２に沿って走る。２つの
コイル３ａ，３ｂは、電子ビーム軸２上にそれらの半径
に対応する距離で（いわゆるヘルムホルッ構成で）配置
される。これらのコイルは、電子ビーム軸２に平行に向
いた静磁場（典型的に４Ｔ以上の磁束密度の）を発生し
、これが電子を旋回状態にする。

２つのコイル３ａ，３ｂの間には、準光学式共振器が配
置されている。この共振器は、２つの球面円形果ラー４
ａ、４ｂから或り、２つのミラーは共振器軸５上に互に
対向して置かれている。

電子は、準光学式共振器内に交流電磁場を励起し、所要
のマイクロウエーブが一方の竃ラー４ａで結合され、窓
７および導波管８を通って負荷に送られる。２つのコイ
ル３ａ，３ｂ，共振器、および当然ながら電子ビームエ
は容器９内に高真空状態で置かれている。

上述した準光学式ジャイロトロンの各部分はすでに公知
（例えば前記したＭａ　ｔｈｅｗｓおよびＴｒａｎの論
文から）であり、従ってこれ以上の説明は不要である。

これに対して新規な点は、以下に述べるように、磁場を
シールドする手段および共振器の形式である。

磁場を外部からシールドするために、２つのコイル３ａ
，３ｂを実質的に包囲するヨーク１０が設けられている
。このヨークは高透磁率の材料、好ましくは鉄でできて
いる。

本発明の好ましい実施例によれば、ヨーク１０は、長さ
がＬで、蓋１２と底１３とによって軸方向に閉鎖された
中空円筒１１の形をもっている。

中空円筒１１は電子ビーム軸２に対して同軸になってい
る。中空円筒１工の長さＬおよび内部半径Ｒｉは、ヘル
ムホルッ配置の２つのコイル３　ａ　％３ｂ、またはこ
れらを囲む容器９がそれぞれこの中に入るような方法に
なっている。

中空円筒１１のｌＩ１２および底１３にはそれぞれ、電
子ビーム２用の透過開口が設けられている．透過開口は
できるだけ小さくしてある。−・中、空円筒ｌｌ自体も
また、直径方向に互に反対側に共振器用の２つの開口を
もっている。この２つの開口は、共振器内の交流電磁場
がこれらの開口によって邪魔されない丁度の大きさにな
っている。

２つのミラー４ａ、４ｂは共振器の壁を形成し、それぞ
れが超電導性の反射面６ａおよび６ｂをもっている。ま
た図示しない冷却装置が、超電導のため十分に低い温度
になるようにミラーを冷却している。超電導性の反射面
６ａ，６ｂは、例えば、高温超電導体から或る被覆で形
成されている。

２つの球状稟ラー４ａ，４ｂはヨーク１０の外側の、中
空円筒ｌ１の開口の前面に置かれている。

対称構造の実施例では、２つのミラーは、中空円筒１１
の外径２Ｒａよりも長い相対距離をもっている。

第２図は本発明によるシールドの効果を示している。第
２図は、横軸に半径ｒ、すなわち電子ビーム軸２から距
離を対称的にブロソトし、縦軸に磁束密度Ｂをブロソト
している。連続したカーブはヨーク１０が存在する場合
の磁場の変化を示している。ビーム軸に近接した、少く
とも電子ビーム１の直径に相当する領域では、磁場はほ
とんど均一である．磁場は半径ｒの増大と共に低減し、
ミラー４ａ、４ｂの位置では、少くとも超電導が損われ
ないような十分の低さになる。

点線のカーブは、本発明のヨークｌｏが無い場合の磁場
の変化を示している。この場合は、磁場はかなり広い領
域にわたって均一となり、半径の増大と共にゆるやかに
減少するだけである。

第３図はヨーク１０の断面を示している。すなわち、長
さしの中空円筒１１は、前述のように、共振器用の２つ
の開口を有し、図では片方の開口１４が見えている。こ
の間口１４は中空円筒ｌ１のはＮ”中心に設けられてい
る。この開口は典型的には円形であり、その中心を共振
器軸が通過する。

底ｌ３およびＭ１２は、それぞれ透過開口１６および１
５をもっている。さらに、中空円筒の内径Ｒｉおよび外
径Ｒａが図示されている。

第１図のヨークｌＯは、第３図のような半分体を２つ、
適当に結合することによって得−られる。

このようなヨークは磁場を最も良好にシールドすること
ができる。しかしながら重量が大きくなり、組立も困難
である。しかし、この不利点”は下記の実施例を用いる
ことによって除くことができる。

第４図は、複数のヨーク部分１７ａ．・−・，１７ｆか
ら或るヨークをもった準光学式ジャイロトロンを示して
いる。第４図には、共振器軸５、ミラー４ａ，４ｂ，２
つのコイルのうちの一方３ａｓおよびリング状の電子ビ
ーム１が再度示されている。

電子ビーム軸は第４図では画面に垂直である。

特に好ましい実施例では、ヨークは実質的に同一の６個
のヨーク部分１７ａ，・・・，１７ｆからできている。

これらのヨーク部分は互に等間隔で電子ビーム軸または
コイルの周りに配置されている。

直径方向で互に向き合った２つの中間スペースが共振器
用の開口として用いられている。

第５図はこのような２つのヨーク部分１７ｃ，１　７　
ｄ．を示すもので、ギャップ状の中間スペースが開口１
８として利用されている。ミラー４ｂは電子ビーム軸か
ら、ヨークの外径よりも長い距離をもっている。

ヨーク部分１７ａ，−・・，１７ｒは、底および蓋によ
って軸方向に閉鎖された中空円筒のセグメントを形成し
ている。これらは基本的に、第１図および第３図で説明
した中空円筒状ヨークの方位的に限定されたセクション
以外の何ものでもない。

これらは言わばパイの形をしている。

６個のヨーク部分１７ａ．・・・，１７ｆで形戒された
ヨークは実質上完全にコイルを囲んでいる。

その高透磁率によって、磁束の大部分はヨーク部分に集
中する。このため、ヨーク部分で囲まれたケース状領域
の外側の磁場は十分に小さくなる。

基本的に、電子ビーム１の軸の近傍領域で、磁場の回転
対称性が、シールドに関係なく、できるだけ良好に保た
れることが重要である。本質的に一体構威されたヨーク
を用いた場合には、このことは明白である。しかしなが
ら複数のヨーク部分を用いる場合には、この問題につい
て特別な考慮をはらう必要がある。従って、ジャイロト
ロンに対しては、好ましくは少くとも６個のヨ；ク部分
が用いられる。

回転対称性は、ヨーク部分の数を増やすほど、たしかに
向上して行くが、同時に等間隔の中間スペースも小さく
なって行く。しかしながら、同時に共振器自体も、その
動作のために最小限の間口が必要である。

このような考慮から、８個のヨーク部分をもったヨーク
も、本発明の好ましい実施態様として考察した。

勿論、ヨーク部分の構戒は、図面を参照して説明したも
のと正確に同じである必要はない。逆に本発明はいくつ
かの変形を含んでいる。すなわち、第１図および第３図
に示したケース状のヨークから適当な方法で“材料の除
去”を行い、ヨークの体積および重量が小さくなると共
に、同時に磁気シールド効果は実質的に保持されるよう
に変形できる。

原則的に、真空の透磁率に比べて高い透磁率をもつ材料
はすべてヨークに適している。この意味において、鉄は
１つの典型的な候補に過ぎないものである。

上記の例と少し異った実施例は、シールドとしてヨーク
の代りに補償磁場を用いる。この補償磁場は２つ以上の
別に追加したコイルによって発生する。これら追加のコ
イルは、ヘルムホルツコイルによって囲まれた円筒状空
間の外側に配置される。

例えば、追加のコイルも電子ビーム軸に対して同心にな
っている。この場合、追加コイルの半径、間隔、および
コイル電流は、共振器のミラーの場所におーける磁場の
強さがすべて、超電導に必要なしきい値以下になるよう
に選定される。実際の値は種々のパラメータ値に関係し
ており、計算によって容易に求めることができる。

“能動的”および“受動的”なアプローチは、幾何学的
に簡単なヨークの効果を、適当に設計された小形のコイ
ルを用いて改良することにより、状況に応じて組合せる
ことが可能である。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、超（導体を用いた
共振器壁の利点をフルに活用することによって、準光学
式ジャイロトロンの出力を著しく向上させることができ
る。

なお、上記の説明から分るように、本発明の多様の変形
が可能であり、従って特許請求の範囲に示されたスコー
プ内において、特に言及した以外の形で実施することも
可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による準光学式ジャイロトロンの一実施
例を示す全体断面図、第２図は共振器内の位置に対する
磁場の分布を示すグラフ図、第３図は本発明における中
空円筒ヨークの一例を示す図、第４図はヨークを複数の
ヨーク部分から横或した本発明の他の実施例を示す断面
図、第５図は第４図で用いられるヨーク部分を共振器と
の位置関係を含んで示す斜視図である。 １−・一電子ビーム ２−・一電子ビーム軸 ３ａ，３ｂ一・−コイル ４ａ，４ｂ・一ミラー ５・・一共振器軸 ６ａ、６ｂ−反射面 ７・・一窓 ８−・・導波管 ９・・一容器 １０−ヨーク １ｌ・・・中空円筒 １２・−・蓋 ｌ３・・一底 １４、１８−・開口 １５、１６・−・透過開口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ａ）ヘルムホルツ配置された２つのコイルが、電子
   ビーム軸に関して軸対称の静磁場を発生し、 ｂ）電子ビーム軸に沿って磁場に平行に走る電子が強制
   的に旋回され、２つのコイルの間に電子ビーム軸に垂直
   に配置された共振器軸上に互に対向して配置された２つ
   のミラーを備えた準光学式共振器内に交流電磁場を励起
   する、準光学式ジャイロトロンにおいて、 ｃ）準光学式共振器のミラーは超電導反射面を有するこ
   と、および ｄ）磁場をミラーの所在位置に局限する手段が設けられ
   ていること、 を特徴とする、準光学式ジャイロトロン。 ２、ａ）磁場をミラーの所在位置に局限する手段は、高
   い透磁率を有すると共に、実質的に２つのコイルを外部
   から囲むヨークを備えていること、および ｂ）共振器のミラーは共振器軸上に、実質的にヨークで
   囲まれた領域の外側にくるように配置されていること、 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、ａ）ヨークは、その軸方向に底と蓋とで囲まれた中
   空円筒として形成されていると共に、ｂ）中空円筒は、
   直径方向に対向した少くとも２つの共振器用開口を備え
   、さらに ｃ）底と蓋はそれぞれ、電子が電子ビーム軸に沿って通
   過するための、透過開口を備えていること、 を特徴とする、請求項２記載の準光学式ジャイロトロン
   。 ４、ａ）ヨークは電子ビーム軸の周りに等間隔に配置し
   た複数の同じヨーク部分から形成されていること、およ
   び ｂ）共振器用の開口は、直径方向に対向した２つの中間
   スペースで形成されていること、を特徴とする、請求項
   ２記載の準光学式ジャイロトロン。 ５、各ヨーク部分は、軸方向に蓋および底で閉鎖された
   中空円筒のセグメントであることを特徴とする請求項４
   記載の準光学式ジャイロトロン。 ６、ヨークは少くとも６個のヨーク部分から形成されて
   いることを特徴とする請求項４記載の準光学式ジャイロ
   トロン。 ７、ヨークは６個または８個のヨーク部分から形成され
   ていることを特徴とする請求項４記載の準光学式ジャイ
   ロトロン。 ８、高い透磁率を有する材料は鉄であることを特徴とす
   る請求項２記載の準光学式ジャイロトロン。 ９、磁場をミラーの所在位置に局限する手段は、上記ヘ
   ルムホルツ配置のコイルの外側に置かれ、さらに少くと
   も２つのコイル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。