JPH06131985A - 放射方向にビームを抽出するジャイロトロン - Google Patents

放射方向にビームを抽出するジャイロトロン

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JPH06131985A
JPH06131985A JP4033939A JP3393992A JPH06131985A JP H06131985 A JPH06131985 A JP H06131985A JP 4033939 A JP4033939 A JP 4033939A JP 3393992 A JP3393992 A JP 3393992A JP H06131985 A JPH06131985 A JP H06131985A
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JP
Japan
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mode
gap
gyrotron
waveguide
wave
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Pending
Application number
JP4033939A
Other languages
English (en)
Inventor
Jeffrey M Neilson
ジェフリー・エム・ニールソン
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Varian Medical Systems Inc
Original Assignee
Varian Associates Inc
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J25/00Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • H01J25/02Tubes 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
    • H01J25/025Tubes 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
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J23/00Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
    • H01J23/36Coupling devices having distributed capacitance and inductance, structurally associated with the tube, for introducing or removing wave energy

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  • Microwave Tubes (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Waveguide Switches, Polarizers, And Phase Shifters (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 導波管内の間隙を通過させ大きなコレクタへ
と電子ビームを方向変換させるが、電磁波エネルギー
を、電磁波パワーの損失を減少させて間隙を通ってコレ
クタへと通過させるための手段を提供することである。 【構成】 ジャイロトロンは電子ビームを直線方向に伝
播させ、第1のTEモードで電磁波を維持できる相互作
用回路16と、第1のモードおよびームを相互作用回路
16からビームの下流に伝播させるための出力導波管2
0と、取り囲むコレクタ25′へと前記ビームを通過さ
せ、電磁波が伝播する出力導波管内の間隙と、間隙の下
流に導波管を横切る誘電性窓とから成り、導波管の一部
分20′が第1のモードの半径方向モード数よりも大き
いモード数をもつ第2のモードを伝播することができ、
相互作用回路16と間隙との間の出力導波管の一部分
が、エネルギーの一部を第1のモードから第2のモード
に転換するためのモードコンバータ30である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、非常に高い周波数で高
電磁波パワーを生成するためのジャイロトロン電子管に
関する。交差界ジャイロトロン管はこれら目的のために
最適なものとなってきている。
【0002】
【従来技術】本来のジャイロトロンは相互作用空洞から
下流に共軸に伸びている中空導波管内に使用済みの電子
ビームを伝播させ、また出力パワーを誘電性導波管窓を
通して伝播させていた。相互作用空洞を越えると、空洞
電場との相互作用に必要な磁場が減少し、ビーム中の電
子は外へと磁力線をたどり、電子が出力真空窓に到達す
る前に内側導波管壁上に集めらた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】この電子管の設計上に
二つの問題があった。ある電子が適切な弾道を離れ、そ
の窓に当たり、帯電し危険な加熱を生じさせる。また、
電子収集領域は、損失または不所望のモードへの転換な
くガイドコレクタを通って電磁波を伝播させる装置によ
り限定された。コレクタ領域の導波管を拡大することお
よび出力を取り出すところへ向けて先細りにする試み
は、拡大部分でスプリアス(高次)モードの発生のため
にうまく行かなかった。
【0004】導波管とコレクタの機能を分離する試み
は、ロバート・S・シモンズに与えられた米国特許第
4,200,820号(1980年4月29日発行)に
示されている。これは、ビームに対し十分大きな穴を有
する留め付けされた(mitered)ミラーによりビームから
放射方向に出力パワーを反射させる回路に関する。不完
全なミラーによりスプリアスモードが発生し、非常に多
くのパワーが穴を通っていくためこれも成功しなかっ
た。
【0005】他の装置が、ノーマル・テイラーに与えら
れた米国特許第4,460,846号(1984年7月
17日発行)に記載されている。より大きく取り囲むコ
レクタへと広がっていくビームが通過する出力導波管内
に1つの間隙を残しておくものである。電磁波は間隙を
横切って真っすぐに通過するが、電磁波は間隙の端部で
回折し、多くのパワーがコレクタに向かってロスする。
【0006】本発明の目的は、導波管内の間隙を通過さ
せ大きなコレクタへと電子ビームを方向変換させるが、
電磁波エネルギーを、電磁波パワーの損失を減少させて
間隙を通ってコレクタへと通過させるための手段を提供
することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】この目的は、導波管エネ
ルギーの少なくとも一部を高次のモードに変換し、少な
くともその高次のモードを間隙を横切るように伝播させ
ることにより成し遂げられる。高次のモードは、導波管
の中心により近くで最初のモードよりも多くのエネルギ
ーをもち、結果として生じたモードの混合は最初のモー
ドと比較して間隙へのエネルギー損失を非常に減少させ
ることができる(回折を減少させる)。
【0008】
【実施例】図1は従来のジャイロトロンの軸線方向の略
示断面図である。中空の電子ビーム10が円錐カソード
の放出ゾーン12から対向する円錐アノード14により
引き出される。強い軸線方向の磁場Hで、電子10の径
方向の運動が軸線を中心とする回転運動に変換される。
電場の軸線方向成分はビーム10が相互作用空洞16を
通って進むように軸線方向に運動をならしめる。この相
互作用空洞16では、電子の軌道運動は、空洞16の軸
線方向の磁場中で横断軌道を描く電子のサイクロトロン
周波数で電磁波を生成する。電磁波のパターンまたはモ
ードは空洞16の形および寸法により決定される。
【0009】相互作用空洞16の下流で、ビーム10お
よび出力波は、空洞16内の定在波を、少し大きい一様
な出力導波管20内の進行波に結合する出力結合部分1
8内に入る。導波管領域で、軸線方向の磁場は、取り囲
むソレノイド磁石(図示せず)が終わった所で減少す
る。電子は空間電荷斥力および外へと向かう磁力線によ
り外へ押しやられる。進行波は軸線方向に導波管20を
通過して進み、誘電性真空窓22を通って出て行く。
【0010】導波管20は、あまりにも小さく使用済み
電子を集めることも、そのエネルギーを消失させること
もできない。従来の装置では、循環する冷媒26により
熱が除かれるところの非常に大きなコレクタ表面25に
衝突するために電子ビーム10が通過していく導波管2
0内に間隙24がある。
【0011】この従来の装置で、間隙24の両端で回折
し、コレクタ25へと電磁波エネルギーが過度にながれ
ることが分かった。間隙の上流端は、両ロブが直接の主
ロブから広がるアンテナに似ている。
【0012】図2は、本発明を実施したジャイロトロン
の電磁波出力およびビームコレクタ部分の軸線方向の略
断面図である。出力導波管20′が高次のモードを伝え
るためにより大きいことを除き図1の従来装置と構造的
に類似する。出力テーパー部18′と間隙24′との間
の導波管20′の領域30が、電磁波エネルギーを相互
作用空洞のモードから、導波管壁での電流が下がり、間
隙24′の両端での回折による損失が少ない高次のモー
ドに転換するモードコンバータとなる。2つのモードの
混合により伝えられる電磁波エネルギーは、導波管部分
にわたってより平等に広がり、広がることなく間隙2
4′を横切って放射される。
【0013】間隙24′を越えると、2つのモードは特
大の導波管で混同され得る。その外に、最初の空洞モー
ドを復元することが望ましい。そのために、第2のモー
ドコンバータ31が、第1のコンバータ30で生じた高
次のモードを元に変換し最初の低次の空洞および導波管
モードに戻すために使用されてもよい。導波管20′は
適当な大きさの導波管36へと先細りにしてもよい。
【0014】図3、図4および図5は、相互作用モード
としてTEn1またはいわゆる“ささやきの回廊”モード
を使用する本発明の実施例のTE場のパターンを示す。
ここでnは大きな整数である。
【0015】図3は、円筒導波管でのTE8,1のTEの
電気力線40のグラフである。そのTE場は電子管の半
径近くに集中し、中心で急速にゼロになる。矢印41は
中空導波管面での電流を示す。間隙24′の両端でのこ
れら電流は間隙を通って散乱する電磁波を生成する。
【0016】図4は、同じ方位数をもち、次に高次のモ
ード、TE8,2の同様なグラフである。電場37の第2
のループが主ループ40′の内側に位置し、電磁波エネ
ルギーが導波管の中心近くにより流れる。したがって、
このモードは同じ全エネルギー流に対し、図3のTE8,
1よりも低い電磁波および導波管での壁電流をもつ。そ
れはコレクター25′への回折による放射損失がなく間
隙24′を横断する。2つのモードを結合することによ
り形成された混合モードでは損失は低下する。これらモ
ードは、明らかに実際に使用されべきものよりも低いモ
ード数である。またTEnmおよびTEm(m+2)のように1
ではなく2異なるモード数をもり、モードの競合を減ず
ることが望ましい。
【0017】図5はTEn1に対する場の放射方向の変化
38およびTEn2に対するその変化40の略示グラフで
ある。これらは、近接したものであるため最適なものと
いうわけではないが、原理が説明されている。TEn1
外壁近くに集中するエネルギーの変化38をもつが、T
n2は中心近くにより電磁波エネルギーの変化40をも
つ。2つのモードが混合するとき、その分布はより均一
となる。最適にするために、モードは間隙で適切な位相
関係をもつべきである。これらの位相速度が僅かに異な
るため、間隙での位相はモードコンバータ30と間隙2
4′との間の導波管34の最適な長さを選択することに
より固定され得る。この長さは調節可能なものでもよ
い。
【0018】上述したモードは理解を容易にするために
比較的低次の単純なものにしている。実際には、より高
次のモードがより高い出力パワーを取り扱うためのより
大きな構造を可能にするために使用されても良い。例え
ば、TE15,mは満足のいく結果をもたらした。この場
合、次のより高次のモードは次のTE15,m+1が好適なの
ではなく、さらに離れたTE15,m+2である。
【0019】
【発明の効果】本発明の効果の例として、理論的計算は
パワーの損失がTE15,2とTE15,3との混合した二重モ
ードに対し3%以下となることを予見している。図1の
従来技術の1つのモードの伝播に対して、予想損失値は
10%を越える。
【0020】モードコンバータ部分3(図2)は、簡単
に直径のところにリップル(ripple)32のような円筒
形導波管20′の壁にある周期的に続く不規則物によっ
て形成されている。リップルの間の周期的な長さは2つ
のモードの間のビート波長、すなわち2つのモードの相
対的位相がフルサイクルだけシフトする長さとなるべき
で、結局交差結合が累積的となる。
【0021】本発明の他の多くの実施例は当業者には明
らかである。たとえば、円形電場をもつTE0nでジャイ
ロトロンを動作させると、変換されたTE0,n+1または
TE0n+2は、間隙で回折損失を減少させるために利用
され得る。本発明は特許請求の範囲および法上の均等物
によってのみ限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術のジャイロトロンの軸線方向の断面図
である。
【図2】本発明を実施したジャイロトロンの出力部分の
軸線方向の断面図である。
【図3】図2のジャイロトロンの共振器でのTE場のグ
ラフである。
【図4】出力導波管における高次の導波管モードのTE
場のグラフである。
【図5】2つのモードの場の強度の放射方向の変化のグ
ラフである。
【符号の説明】
10 ビーム 16 相互作用空洞 18 結合部分 18′ テーパー部 20′ 導波管 22 真空窓 24′ 間隙 25 コレクタ 30 第1のコンバータ 31 第2のコンバータ 36 導波管

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電子ビームを直線方向に伝播させ、第1
    のTEモードで電磁波を維持できる相互作用回路と、 前記第1の波動モードおよび前記ビームを前記相互作用
    回路から前記ビームの下流に伝播させるための出力導波
    管と、 取り囲むコレクタへと前記ビームを通過させる、前記電
    磁波が伝播する前記出力導波管内の間隙と、 該間隙下流に前記導波管を横切る誘電性窓と、から成る
    ジャイロトロンであって、 少なくとも前記間隙の上流の前記導波管の第1の部分が
    前記第1のモードの半径方向モード数よりも大きいモー
    ド数をもつ第2の波動モードを伝播することができ、 前記相互作用回路と前記間隙との間の前記出力導波管の
    第1の部分が、エネルギーの一部を前記第1の波動モー
    ドから前記第2の波動モードに転換するためのモードコ
    ンバータから成り、 前記出力導波管から前記間隙を通って外へと漏れるエネ
    ルギーが減少することを特徴とするジャイロトロン。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のジャイロトロンであっ
    て、 前記モードがTEmnモードで、方位方向モード数mが大
    きな整数である、ところのジャイロトロン。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載のジャイロトロンであっ
    て、 前記モードがTEonモードである、ところのジャイロト
    ロン。
  4. 【請求項4】 請求項1に記載のジャイロトロンであっ
    て、 前記モードコンバータが、前記直線方向での周期的な、
    前記出力導波管の形の変動である、ところのジャイロト
    ロン。
  5. 【請求項5】 請求項5に記載のジャイロトロンであっ
    て、 前記変動の周期が前記第1の波動モードと前記第2の波
    動モードとの間のビート波長にほぼ等しい、ところのジ
    ャイロトロン。
  6. 【請求項6】 請求項5に記載のジャイロトロンであっ
    て、 前記出力導波が円筒形で、前記周期的な変動が前記導波
    管の半径でのリップルである、ところのジャイロトロ
    ン。
  7. 【請求項7】 請求項2に記載のジャイロトロンであっ
    て、 前記第2の波動モードを前記第1の波動モードに戻すた
    めの第2のモードコンバータから成る、前記間隙の下流
    にある前記出力導波管の第2の部分を更に含むジャイロ
    トロン。
  8. 【請求項8】 請求項7に記載のジャイロトロンであっ
    て、 前記導波管の大きさが第2のモードコンバータの下流で
    減少する、ところのジャイロトロン。
  9. 【請求項9】 請求項7に記載のジャイロトロンであっ
    て、 前記第2のモードコンバータが前記窓の外側にある、と
    ころのジャイロトロン。
JP4033939A 1991-01-25 1992-01-27 放射方向にビームを抽出するジャイロトロン Pending JPH06131985A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US645946 1984-08-30
US07/645,946 US5180944A (en) 1991-01-25 1991-01-25 Gyrotron with a mode convertor which reduces em wave leakage

Publications (1)

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JPH06131985A true JPH06131985A (ja) 1994-05-13

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ID=24591100

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US (1) US5180944A (ja)
EP (1) EP0522153B1 (ja)
JP (1) JPH06131985A (ja)
DE (1) DE69205348T2 (ja)
RU (1) RU2053580C1 (ja)
WO (1) WO1992013357A1 (ja)

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WO1992013357A1 (en) 1992-08-06
EP0522153A1 (en) 1993-01-13
US5180944A (en) 1993-01-19
DE69205348T2 (de) 1996-03-14
EP0522153B1 (en) 1995-10-11
EP0522153A4 (en) 1993-02-17
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