JPH05283013A - Gyrotron oscillating tube - Google Patents
Gyrotron oscillating tubeInfo
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- JPH05283013A JPH05283013A JP7694792A JP7694792A JPH05283013A JP H05283013 A JPH05283013 A JP H05283013A JP 7694792 A JP7694792 A JP 7694792A JP 7694792 A JP7694792 A JP 7694792A JP H05283013 A JPH05283013 A JP H05283013A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、ミリ波帯で大電力の電
磁波を出力するジャイロトロン発振管に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gyrotron oscillating tube that outputs a large power electromagnetic wave in the millimeter wave band.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、核融合炉のプラズマを加熱する手
段として電磁波を用いる方法が検討されている。核融合
炉のプラズマを加熱するには、周波数が100 GHz以上
で、500 kW乃至1 MWの電磁波を少なくとも数秒間発
生し得る発振管を必要とする。この条件を満たす発振管
として、モード変換器内蔵型のウィスパリングギャラリ
ーモードのジャイロトロン発振管が注目されている。2. Description of the Related Art Recently, a method of using electromagnetic waves has been studied as a means for heating plasma in a fusion reactor. To heat the plasma of the fusion reactor, an oscillating tube having a frequency of 100 GHz or more and capable of generating an electromagnetic wave of 500 kW to 1 MW for at least several seconds is required. As an oscillation tube that satisfies this condition, a whispering gallery mode gyrotron oscillation tube with a built-in mode converter is drawing attention.
【0003】このジャイロトロン発振管は、発振モード
にウィスパリングギャラリーモードを使用し、管内部に
おいてモード変換器でウィスパリングギャラリーモード
からTEMモードの電磁波に変換して出力するもので、
たとえば図2に示すように構成されている。This gyrotron oscillation tube uses a whispering gallery mode as an oscillation mode, and converts the whispering gallery mode electromagnetic wave into a TEM mode electromagnetic wave by a mode converter inside the tube for output.
For example, it is configured as shown in FIG.
【0004】すなわち、内部が真空状態に保たれた管本
体1の一端側にマグネトロン入射電子銃(以下、MIG
と略称する。)2を装着している。また、管本体1の壁
でMIG2に対向する位置にMIG2から出射された電
子ビームを捕捉するコレクタ3を設けている。そして、
MIG2とコレクタ3との間に、MIG2側から順にビ
ームトンネル4、空胴共振器5と円筒テーパ導波管6か
らなる高周波回路7を設けている。That is, a magnetron injection electron gun (hereinafter referred to as MIG) is attached to one end of the tube body 1 whose inside is kept in a vacuum state.
Is abbreviated. ) 2 is attached. Further, a collector 3 for trapping the electron beam emitted from the MIG 2 is provided at a position facing the MIG 2 on the wall of the tube body 1. And
A high frequency circuit 7 including a beam tunnel 4, a cavity resonator 5 and a cylindrical tapered waveguide 6 is provided between the MIG 2 and the collector 3 in this order from the MIG 2 side.
【0005】円筒テーパ導波管6の出力端付近には、放
射器8および反射鏡9からなるモード変換器10が配置
されている。モード変換器10を介して放射される電磁
波の経路には、管本体1の内部から外部へと電磁波を導
く出力導波管11が接続されており、この出力導波管1
1の先端部には出力窓12が取り付けられている。A mode converter 10 including a radiator 8 and a reflecting mirror 9 is arranged near the output end of the cylindrical tapered waveguide 6. An output waveguide 11 that guides the electromagnetic wave from the inside of the tube body 1 to the outside is connected to the path of the electromagnetic wave radiated through the mode converter 10. The output waveguide 1
An output window 12 is attached to the tip portion of 1.
【0006】MIG2は、管本体1の内側に向けて突設
された陰極21と、その回りに対向配置された円筒状の
陽極22と、これらに磁界を印加するマグネット23と
で構成されている。そして、陰極21と陽極22との
間、陽極22とビームトンネル4およびコレクタ3との
間には、それぞれ高圧電源25,26が接続されてい
る。また、管本体1の回りで、空胴共振器5を囲む位置
にはマグネット27が装着されている。なお、図中24
は陰極21を加熱するためのヒータ電源を示している。The MIG 2 is composed of a cathode 21 projecting toward the inside of the tube body 1, a cylindrical anode 22 arranged around the cathode 21, and a magnet 23 for applying a magnetic field thereto. .. High voltage power supplies 25 and 26 are connected between the cathode 21 and the anode 22 and between the anode 22 and the beam tunnel 4 and the collector 3, respectively. A magnet 27 is mounted around the tube body 1 at a position surrounding the cavity resonator 5. 24 in the figure
Indicates a heater power supply for heating the cathode 21.
【0007】このように構成されたジャイロトロン発振
管では次のような原理で電磁波を発生させる。すなわ
ち、ヒータ電源24を投入するとともに高圧電源25,
26を投入すると、MIG2から螺旋運動を行う円筒状
の電子ビームが出射する。この電子ビームは、マグネッ
ト27によって形成されたミラー磁界のもとでサイクロ
トロン運動を行いながらビームトンネル4を通過して空
胴共振器5に入射する。The gyrotron oscillator constructed as described above generates electromagnetic waves according to the following principle. That is, the heater power supply 24 is turned on and the high voltage power supply 25,
When 26 is input, a cylindrical electron beam that makes a spiral motion is emitted from the MIG 2. The electron beam passes through the beam tunnel 4 and enters the cavity resonator 5 while performing cyclotron motion under the mirror magnetic field formed by the magnet 27.
【0008】空胴共振器5に入射した電子ビームは、空
胴共振器5内において高周波電界との相互作用により、
その運動エネルギの一部を高周波電界に与える。これに
よってウィスパリングギャラリーモードの電磁波が生成
される。エネルギを失った電子ビームは、円筒テーパ導
波管6と放射器8とを通過してコレクタ3に捕捉され
る。The electron beam incident on the cavity resonator 5 interacts with a high frequency electric field in the cavity resonator 5,
A part of the kinetic energy is given to the high frequency electric field. This produces an electromagnetic wave in the whispering gallery mode. The electron beam that has lost energy passes through the cylindrical tapered waveguide 6 and the radiator 8 and is captured by the collector 3.
【0009】一方、空胴共振器5において電子ビームと
高周波電界との相互作用によって発生した電磁波は、円
筒テーパ導波管6を通ってモード変換器10に入射し、
放射器8から反射鏡9に向かって放射されて真空中を伝
搬するTEMモードに変換される。TEMモードに変換
された電磁波は、出力窓12を介して外部に放射され
る。On the other hand, the electromagnetic wave generated by the interaction between the electron beam and the high frequency electric field in the cavity resonator 5 enters the mode converter 10 through the cylindrical tapered waveguide 6.
It is radiated from the radiator 8 toward the reflecting mirror 9 and converted into a TEM mode propagating in a vacuum. The electromagnetic wave converted into the TEM mode is radiated to the outside through the output window 12.
【0010】しかしながら、上記のように構成されたジ
ャイロトロン発振管にあっても次のような問題があっ
た。すなわち、このジャイロトロン発振管では、空胴共
振器5によって励振される電磁波の発振モードとして、
円筒導波管内の伝送モードであるTEmnモードのうち、
m に対してn が十分小さく、かつn =2〜3 のウィスパリ
ングギャラリーモードと呼ばれるモードが使用される。
一般に、これらのモードには動径方向に逆向きに回転す
る2つのモードが存在し、電子の旋回方向と同一方向に
回転するモードは(-) モード、逆方向に回転するモード
は(+) モードと呼ばれている。上述したジャイロトロン
発振管では、通常、(-) モードが発振モードとして使用
される。ウィスパリングギャラリーモードが使用される
理由は、電磁界のピークが空胴共振器5の壁面近くに存
在するため、他のモードとのモード競合が少なく、単一
モードでの発振が可能であるという利点による。However, even the gyrotron oscillator constructed as described above has the following problems. That is, in this gyrotron oscillation tube, as the oscillation mode of the electromagnetic wave excited by the cavity resonator 5,
Of the TEmn modes which are the transmission modes in the cylindrical waveguide,
A mode called whispering gallery mode in which n is small enough for m and n = 2 to 3 is used.
In general, these modes have two modes that rotate in the radial direction in the opposite direction. The mode that rotates in the same direction as the electron's turning direction is the (-) mode, and the mode that rotates in the opposite direction is the (+) mode. It is called mode. In the gyrotron oscillator described above, the (-) mode is usually used as the oscillation mode. The reason why the whispering gallery mode is used is that since the peak of the electromagnetic field exists near the wall surface of the cavity resonator 5, mode competition with other modes is small, and oscillation in a single mode is possible. Depending on the benefits.
【0011】しかし、ウィスパリングギャラリーモード
で使用すると、空胴共振器5の熱負荷が大きくなるとい
う欠点がある。すなわち、空胴共振器5の熱負荷は、円
形TEmnモードの固有値をxmn としたとき、(xmn 2 −
m 2 ) 0.5 に反比例する。したがって、xmn 〜m のウィ
スパリングギャラリーモードは熱負荷の軽減には不向き
である。このため、1 MW連続発振を目標としているジ
ャイロトロン発振管において、現在採用されているm =1
5 までのウィスパリングギャラリーモードを使用する
と、空胴共振器5の熱負荷が大きくなり過ぎて対処でき
なくなる。However, the use in the whispering gallery mode has a drawback that the thermal load on the cavity resonator 5 becomes large. That is, the heat load of the cavity resonator 5 is (xmn 2 when the eigenvalue of the circular TEmn mode is xmn). −
m 2 ) 0.5 Inversely proportional to. Therefore, the whispering gallery mode of xmn ~ m is not suitable for reducing the heat load. For this reason, in the gyrotron oscillator that aims for 1 MW continuous oscillation, m = 1 currently used.
When the whispering gallery mode up to 5 is used, the thermal load on the cavity resonator 5 becomes too large and it cannot be dealt with.
【0012】そこで、空胴共振器5の熱負荷を小さくす
るためには、さらに高次のウィスパリングギャラリーモ
ードを使用する必要がある。しかし、このような高次の
ウィスパリングギャラリーモードでは、ウィスパリング
ギャラリーモードといえどもモード競合が起こり、単一
モードでの発振が困難となる。Therefore, in order to reduce the heat load on the cavity resonator 5, it is necessary to use a higher-order whispering gallery mode. However, in such a higher-order whispering gallery mode, mode competition occurs even in the whispering gallery mode, and oscillation in a single mode becomes difficult.
【0013】[0013]
【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来のジ
ャイロトロン発振管では、空胴共振器の熱負荷を小さく
するために、高次のウィスパリングギャラリーモードを
使用しようとすると、モード競合が起こり、単一モード
での発振が困難となる不具合があった。As described above, in the conventional gyrotron oscillator tube, if a higher order whispering gallery mode is used in order to reduce the heat load of the cavity resonator, mode competition occurs. However, there is a problem that it is difficult to oscillate in a single mode.
【0014】そこで本発明は、空胴共振器の熱負荷を小
さな値に抑えると同時にモード競合を少なくでき、もっ
て大出力化が可能なジャイロトロン発振管を提供するこ
とを目的としている。Therefore, an object of the present invention is to provide a gyrotron oscillation tube capable of suppressing the heat load of the cavity resonator to a small value and at the same time reducing the mode competition, thereby enabling a large output.
【0015】[0015]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るジャイロトロン発振管では、空胴共振
器が、電子ビームの入射する側を基準にして順に配置さ
れた円筒テーパ導波管と、円筒直線導波管と、発振モー
ドの回転方向によって放射波または収束波のどちらかを
発生する放射型モード変換器と、反射鏡と、部分反射鏡
とで構成されている。In order to achieve the above object, in a gyrotron oscillation tube according to the present invention, the cavity resonators are cylindrical tapered conductors arranged in order with respect to the electron beam incident side. It is composed of a wave tube, a cylindrical linear waveguide, a radiating mode converter that generates either a radiating wave or a converging wave depending on the rotation direction of the oscillation mode, a reflecting mirror, and a partial reflecting mirror.
【0016】[0016]
【作用】このように構成されたジャイロトロン発振管で
は、放射型モード変換器において、放射波となる回転モ
ードに対しては部分反射鏡との間で共振状態が形成され
ないので、必要な回転モードだけを発振させることがで
きる。したがって、大電力で、かつ単一モードで安定に
発振させることが可能となる。In the gyrotron oscillator constructed as described above, in the radiation mode converter, a resonance state is not formed between the partial reflection mirror and the rotation mode which becomes a radiation wave, so that the rotation mode required. Can only oscillate. Therefore, it is possible to stably oscillate with a large power and in a single mode.
【0017】[0017]
【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。Embodiments will be described below with reference to the drawings.
【0018】図1には本発明の一実施例に係るジャイロ
トロン発振管が示されている。なお、この図では、図2
と同一機能部分が同一符号で示してある。したがって、
重複する部分の説明は省略する。このジャイロトロン発
振管が従来の発振管と異なる点は、空胴共振器40の構
成にある。FIG. 1 shows a gyrotron oscillator tube according to an embodiment of the present invention. In addition, in FIG.
The same functional parts as those shown in FIG. Therefore,
The description of the overlapping parts will be omitted. This gyrotron oscillator tube is different from the conventional oscillator tube in the configuration of the cavity resonator 40.
【0019】空胴共振器40は、ビームトンネル4側か
ら順に配置された円筒テーパ導波管41と、円筒直線導
波管42と、放射型モード変換器43と、反射鏡44
と、周縁部だけが反射機能を有する部分反射鏡45とで
構成されている。The cavity resonator 40 includes a cylindrical taper waveguide 41, a cylindrical linear waveguide 42, a radiation mode converter 43, and a reflecting mirror 44 which are sequentially arranged from the beam tunnel 4 side.
And a partial reflecting mirror 45 having a reflecting function only in the peripheral portion.
【0020】このように構成された空胴共振器40にお
いては、放射型モード変換器43から出射する波が収束
波となる方向の回転モード場合に、放射型モード変換器
43から出射した波が反射鏡44によって部分反射鏡4
5の非反射部に収束され、一部が部分反射鏡45の反射
部によって反射され、放射型モード変換器43によって
導波管モードに変換されて円筒直線導波管42と円筒テ
ーパ導波管41に入射する。したがって、円筒テーパ導
波管41の入り口で遮断条件を満たすモードの波に対し
ては共振器を構成する。In the cavity resonator 40 thus constructed, the wave emitted from the radiation mode converter 43 is generated in the rotation mode in the direction in which the wave emitted from the radiation mode converter 43 becomes a converging wave. Partial reflector 4 by reflector 44
5 is partially converged on the non-reflecting portion of the mirror 5, part of which is reflected by the reflecting portion of the partial reflecting mirror 45, and is converted into a waveguide mode by the radiation type mode converter 43 to form a cylindrical linear waveguide 42 and a cylindrical tapered waveguide. It is incident on 41. Therefore, at the entrance of the cylindrical tapered waveguide 41, a resonator is formed for a wave of a mode satisfying the cutoff condition.
【0021】一方、放射型モード変換器43から出射す
る波が放射波となる方向の回転モードに場合には、放射
型モード変換器43から出射した波が反射鏡44を介し
ても収束されないので共振器を構成できない。On the other hand, when the wave emitted from the radiative mode converter 43 is in the rotation mode in which the wave becomes a radiant wave, the wave emitted from the radiative mode converter 43 is not converged even through the reflecting mirror 44. Cannot configure resonator.
【0022】このように空胴共振器40を構成するとと
もに発振モードとしてウィスパリングギャラリーモード
の(-) モードを選ぶことによって、モード競合の少ない
単一モード発振の可能なジャイロトロン発振管を構成で
きる。すなわち、ウィスパリングギャラリーモードの
(-) モードを発振モードに選んだ場合、このモードとの
競合が厳しいモードは回転波の異なる(+) モードであ
る。たとえば、発振モードにTE22,2(-) モードを選ん
だ場合には、競合モードはTE15,4(+) モードとTE1
2,5(+) モードとなるが、上述した空胴共振器40で
は、これらの(+) モードに対しては共振状態を構成しな
いので、TE22,2(-) モードの単一発振が容易に得ら
れ、結局、大電力で安定に発振させることができる。By thus constructing the cavity resonator 40 and selecting the (-) mode of the whispering gallery mode as the oscillation mode, a gyrotron oscillation tube capable of single mode oscillation with little mode competition can be constructed. .. Ie, whispering gallery mode
When the (-) mode is selected as the oscillation mode, the mode in which competition with this mode is severe is the (+) mode with a different rotating wave. For example, if the TE22,2 (-) mode is selected as the oscillation mode, the competitive modes are TE15,4 (+) mode and TE1.
2,5 (+) mode, but the cavity resonator 40 described above does not constitute a resonance state for these (+) modes, so that single oscillation of the TE22,2 (-) mode is easy. In the end, it is possible to oscillate stably with high power.
【0023】[0023]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
大電力化に適した高次のウィスパリングギャラリーモー
ドを発振モードに使用した場合でも、モード競合が少な
く、単一モードの発振が容易に得られるため、大電力
で、かつ安定に動作するジャイロトロン発振管を提供で
きる。As described above, according to the present invention,
Even when a high-order whispering gallery mode suitable for higher power is used for the oscillation mode, mode competition is small and single-mode oscillation is easily obtained. An oscillation tube can be provided.
【図1】本発明の一実施例に係るジャィロトロン発振管
の概略断面図、FIG. 1 is a schematic sectional view of a gyrotron oscillator tube according to an embodiment of the present invention,
【図2】従来のジャィロトロン発振管の概略断面図。FIG. 2 is a schematic sectional view of a conventional gyrotron oscillator tube.
1…管本体 2…マグネトロン
入射電子銃 3…コレクタ 4…ビームトンネ
ル 12…透過窓 23,27…マグ
ネット 40…空胴共振器 41…円筒テーパ
導波管 42…円筒直線導波管 43…放射型モー
ド変換器 44…反射鏡 45…部分反射鏡DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Tube main body 2 ... Magnetron incident electron gun 3 ... Collector 4 ... Beam tunnel 12 ... Transmission window 23,27 ... Magnet 40 ... Cavity resonator 41 ... Cylindrical taper waveguide 42 ... Cylindrical linear waveguide 43 ... Radiation type Mode converter 44 ... Reflecting mirror 45 ... Partial reflecting mirror
Claims (1)
る電子銃と、前記電子ビームとの相互作用により電磁波
を発生する空胴共振器と、電子ビームを捕捉するための
コレクタと、前記空胴共振器で発生した電磁波を外部へ
導く手段とを備えたジャイロトロン発振管において、前
記空胴共振器は、前記電子ビームが入射する側を基準に
して順に配置された円筒テーパ導波管と、円筒直線導波
管と、放射型モード変換器と、反射鏡と、部分反射鏡と
で構成されていることを特徴とするジャイロトロン発振
管。1. An electron gun for forming and emitting a spirally moving electron beam, a cavity resonator for generating an electromagnetic wave by the interaction of the electron beam, a collector for trapping the electron beam, and the cavity. In a gyrotron oscillation tube provided with a means for guiding the electromagnetic wave generated in the cavity resonator to the outside, the cavity resonator is a cylindrical taper waveguide arranged in order on the side on which the electron beam enters. A gyrotron oscillation tube comprising a cylindrical linear waveguide, a radiation mode converter, a reflecting mirror, and a partial reflecting mirror.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP07694792A JP3144882B2 (en) | 1992-03-31 | 1992-03-31 | Gyrotron oscillation tube |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP07694792A JP3144882B2 (en) | 1992-03-31 | 1992-03-31 | Gyrotron oscillation tube |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05283013A true JPH05283013A (en) | 1993-10-29 |
JP3144882B2 JP3144882B2 (en) | 2001-03-12 |
Family
ID=13619959
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP07694792A Expired - Lifetime JP3144882B2 (en) | 1992-03-31 | 1992-03-31 | Gyrotron oscillation tube |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3144882B2 (en) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS60133421U (en) * | 1984-02-17 | 1985-09-05 | 日本電信電話株式会社 | fiber optic cable |
-
1992
- 1992-03-31 JP JP07694792A patent/JP3144882B2/en not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS60133421U (en) * | 1984-02-17 | 1985-09-05 | 日本電信電話株式会社 | fiber optic cable |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP3144882B2 (en) | 2001-03-12 |
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