JPH07212114A - 空胴共振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】比較的簡単な構成で高周波増幅器の短縮を図る
とともに、周波数変更を迅速に行なえるようにする。 【構成】筒状の外部導体２２と、この外部導体２２内に
同軸的に配置される内部導体２３と、これら両導体２
２，２３間を短絡する短絡板２４とを備え、内部導体２
３を外部導体２２の中心線廻りで螺旋状をなす螺旋状内
部導体とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばトカマク型核融
合装置のプラズマ加熱用イオンサイクロトロン加熱装置
あるいは荷電粒子の加速機等に適用される高周波増幅器
の空胴共振器に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えばトカマク型核融合装置では従来よ
く知られているように、磁場を用いたトーラスプラズマ
の閉込みが行なわれる。

【０００３】図８は、このトーラスプラズマの磁場によ
る閉込みの原理を示している。即ち、トーラスプラズマ
１は、そのトーラス形状の中心線に沿って形成される垂
直磁場Ｂv と、同方向に沿って形成されるトロイダル磁
場Ｂt と、トーラスプラズマ１の内部を流れるプラズマ
電流Ｉp によって発生するポロイダル磁場Ｂp とにより
閉込められる。

【０００４】図９は、これらの磁場発生機構を示してい
る。即ち、垂直磁場Ｂv はトーラスプラズマ１の動径方
向に平行に置いたポロイダルコイル２により発生し、ま
たトロイダル磁場Ｂt はトーラスプラズマ１の動径方向
に沿って一定の間隔で並べたトロイダルコイル３により
発生する。さらにプラズマ電流Ｉp は、電磁誘導により
発生し、トーラス形状の中心部に置かれた誘導コイル４
の電流を急激に変化させた場合の磁束の時間変化によっ
て誘起されるプラズマ中の電場により、電子を加速する
ことで形成される。

【０００５】このようなトカマク型核融合装置で発生す
るトーラスプラズマ１の温度は通常、数千万度程度であ
り、核融合炉で必要な１億度以上にするためには何らか
の方法によるプラズマ加熱が必要となる。プラズマ加熱
の１つに、磁場中のイオンの旋回運動（これをサイクロ
トロン運動と呼ぶ）の周期と同期する周波数の高周波を
入射し、共鳴を介して高周波のエネルギをイオンに与え
てプラズマの加熱を行なうイオンサイクロトロン加熱が
ある。

【０００６】図１０は、従来の標準的なイオンサイクロ
トロン加熱装置の構成として、８本のアンテナ５に高周
波電力を供給する装置の一例を示している。

【０００７】この例では、原発信器６で発生させた小電
力の高周波を４分配し、移相器７により各列間に必要と
される位相差を設けてから電力増幅を行なう。原発信器
６からの高周波の電力は非常に小さく、そのままでは真
空管を使った電力増幅ができないため、前置増幅器８に
て適当なレベルまで電力上昇した後、電力増幅装置９に
高周波を入力する。電力増幅装置９は低電力増幅器（Ｌ
ＰＡ）９ａ，中間電力増幅器（ＩＰＡ）９ｂ，大電力増
幅器（ＨＰＡ）９ｃとから成り、この部分で１KW級の高
周波をＭＷ級まで電力増幅する。

【０００８】電流増幅装置９からの高周波は同軸給電線
等の伝送線１０によりアンテナ５に伝えられる。一般
に、アンテナ５の入力インピーダンスは伝送線１０の特
性インピーダンスと異なるため、伝送線１０の途中にス
タブ等で構成されたインピーダンス整合装置（ＩＭＳ）
１１を置き、反射電力をアンテナ５に押し戻している。

【０００９】ところで、従来の高周波加熱装置はプラズ
マの加熱を目的としていたが、高周波をトロイダルプラ
ズマの一方向に伝わるようにすると電磁誘導と異なりト
カマク型核融合装置のプラズマ中に連続的に電流を流す
ことが可能になる。これを高周波電流駆動と呼ぶ。

【００１０】イオンサイクロトロン加熱装置において
も、高周波により電子を加速する電流駆動が可能であ
る。その場合、イオンによる高周波の共鳴吸収を避ける
ため、加熱とは異なる周波数に変更する必要がある。例
えば国際協力で設計が進められている国際熱核融合実験
炉（ＩＴＥＲ）では２０〜９０ＭＨｚの範囲の高周波に
より実験を行なう予定であるが、この場合２０ＭＨｚの
低い周波数は電流駆動に用い、３０ＭＨｚより高い周波
数は加熱に用いる予定である。

【００１１】将来の核融合炉を想定する時、建設費と占
有空間の低減の観点から加熱用と電流駆動用と別個に装
置を設けることは無駄であり、同一の装置で加熱と電流
駆動が可能であることが望ましい。その際、容易に短時
間で周波数変更ができる高周波増幅装置が必要となる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】通常、周波数可変型の
高周波増幅器の出力側に設けられる空胴共振器は図１１
に示すように、内部導体１２と外部導体１３とを互いに
同軸状に配置し、その両端を短絡板１４，１５で短絡す
るリエントラント型空胴共振器１６である。短絡板１
４，１５間の距離Ｌは増幅する高周波の波長の１／４ま
たは３／４の長さに設定される。一方の短絡板１４は摺
動可能な金属接触子１６を有し、その位置を変えること
により共振周波数を変えることができる。周波数が２０
ＭＨｚの時、４分の１波長のＬは３．７５ｍとなり非常
に長く、短絡板１４を移動する機構部分を含めると全長
が４ｍ以上の空胴共振器になる。これに入力部分を含め
れば増幅器の全高は５ｍを超えるため、増幅器の組立が
非常に面倒になる。

【００１３】また、同一の装置で加熱と電流駆動の運転
をするため運転途中において周波数や位相差の変更を短
時間で行なわなければならない。位相差変更は電子回路
で行なうため、短時間で変更可能であるが、周波数変更
に際しては単に原発信器６の発振周波数を変えるだけで
なく、短絡板１４を移動し距離Ｌを変えて出力回路の同
調周波数を変更しなければならない。短絡板１４を移動
し同調周波数を調整するためには一定の時間がかかる。
このような運転変更の間は、インピーダンス整合状態を
保つことが困難なため高周波出力を停止または下げなけ
ればならないが、プラズマの温度、特に電子温度が下が
ると電流駆動の効率が著しく低下するため、加熱モード
から電流駆動モードへの移行に要する時間をできるだけ
短かくすることが要求される。

【００１４】しかしながら、短絡板１４には電気的な接
触を確実にするため一定の圧力で押し付けられる金属接
触子１６が取付けてあり、このような金属接触子１６は
短絡板１４の周方向に沿って多数取付けられ、一定の摩
擦抵抗を生じるため、短絡板１４の移動を瞬時に行なう
ことは不可能である。また、タンク板１４の移動速度を
極端に速めることは金属接触子１６の接触性能を損い、
信頼性が低くなり、寿命を短かくする。また短絡板１４
の移動速度を極端に速めることは短絡板１４を動かす駆
動力発生部の不釣り合いな巨大化を招く。

【００１５】なお、空胴共振器の全長を短かくするた
め、空胴共振器を構成する同軸導体を折り返した二重同
軸構造の空胴共振器も考えることができるが、空胴共振
器の構造が複雑になり、周波数を２０〜９０ＭＨｚまで
連続的に変えることが困難となる。

【００１６】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、比較的簡単な構成で高周波増幅器の短縮が図れ
るとともに、周波数変更を迅速に行なえる空胴共振器を
提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明（請求項１）は、筒状の外部導体と、この
外部導体内に同軸的に配置される内部導体と、これら両
導体間を短絡する短絡板とを備えた同軸型の空胴共振器
において、前記内部導体を前記外部導体の中心線廻りで
螺旋状をなす螺旋状内部導体としたことを特徴とする。

【００１８】本発明において、螺旋状内部導体は、外部
導体の中心部に配置した柱状のサポータに巻装固定され
た構成とすることが望ましい（請求項２）。

【００１９】また、短絡板は、駆動手段によって外部導
体および螺旋状内部導体の軸方向に移動可能に支持され
た構成とすることが望ましい（請求項３）。

【００２０】さらに、短絡板は、外部導体および螺旋状
内部導体の少なくともいずれか一方に対して非接触とす
ることが望ましい（請求項４）。

【００２１】さらにまた、サポータは、中空状をなし、
その内部に給電線または冷却水配管が挿通された構成と
することが望ましい（請求項５）。

【００２２】

【作用】本発明（請求項１）によれば、高周波は螺旋状
内部導体に沿って伝搬するため、軸方向の高周波の伝搬
速度を光速よりも遅くすることが可能となり、空胴共振
器の全長を短かくすることができる。

【００２３】なお、螺旋状内部導体が長い場合、自重に
より螺旋状内部導体が撓んで短絡板の金属接触子が圧潰
されたり、短絡板の移動が困難となる可能性がある。

【００２４】螺旋状内部導体をサポータに巻装した構成
（請求項２）によれば、螺旋状内部導体を撓み等の変形
なく確実に外部導体の中央に保持することができ、螺旋
状内部導体と外部導体との距離を一定に保つことによ
り、短絡板の金属接触子の確実な電気的接触と信頼性を
保つことができる。

【００２５】また、短絡板を移動可能とした構成（請求
項３）によれば、周波数変更の際の短絡板の移動距離も
短かくなるため、駆動速度を高める必要なく周波数変更
に要する時間を短縮することができ、摺動接触部分の信
頼性も保つことができる。

【００２６】さらに、螺旋状内部導体または外部導体と
の間の電気的な短絡を非接触型短絡板で行なう構成（請
求項４）によれば、各導体間の静電容量により高周波を
短絡することができ、金属接触子の接触圧による負荷を
軽減または除去して短絡板の高速移動を可能とすること
ができる。

【００２７】さらにまた、中空状サポータの内部に給電
線または冷却水配管を挿通した構成（請求項５）によれ
ば、高周波増幅器を構成する真空管の陽極への冷却水配
管や直流高圧ケーブルをコンパクトにまとめることがで
き、空間を有効に利用できる。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００２９】実施例１（図１〜図３） 図１は本実施例に係る空胴共振器の全体構成を示し、図
２は縦断面の一部を拡大して示し、図３は作用説明用の
角度，ピッチ等の関係を示している。

【００３０】本実施例の空胴共振器２１は、円筒状の外
部導体２２と、この外部導体２２の内部に同軸的に配置
された内部導体２３と、これら両導体２２，２３間を短
絡するリング状の短絡板２４とを備え、内部導体２３
は、外部導体２２の中心線廻りで螺旋状をなす螺旋状内
部導体とされている。

【００３１】この螺旋状内部導体２３は、帯状導電材を
一定の螺旋角度θおよびピッチｄで巻回したもので、外
部導体２２の軸方向両端部までに亘って延在し、その両
端部で固定されている。

【００３２】短絡板２４は図２に示すように、鍔状導電
材からなる本体２４ａの内外周縁部に間隔的に多数の金
属接触子２５を突設した構成とされ、この各金属接触子
２５が外部導体２２の内周面および螺旋状内部導体２３
の外周面に摺接している。

【００３３】短絡板２４は、外部導体２２の外側から駆
動手段２６によって支持され、両導体２３，２４の軸方
向に沿って移動可能とされている。この駆動手段２６
は、外部導体２２の軸方向一端側の外面に固定したケー
ス２７内に固定されたサーボモータ２８と、このサーボ
モータ２８にギア２９ａ，２９ｂを介して連結されたス
クリュシャフト３０と、このスクリュシャフト３０に螺
合したボール軸受３１と、このボール軸受３１に取付け
られ外部導体２２内に導入されて短絡板２４を支持する
複数の駆動シャフト３２とを備えた構成とされている。

【００３４】そして、サーボモータ２８の回転をギア２
９ａ，２９ｂを介してスクリュシャフト３０に伝達し、
スクリュシャフト３０の回転によってボール軸受３１が
軸方向に移動し、このボール軸受３１と一体移動する駆
動シャフト３２を介して短絡板２４の位置が変り、共振
周波数が変化する。

【００３５】次に作用を説明する。

【００３６】本実施例では、ＴＥＭモードの高周波は自
由空間の光の速度で螺旋状内部導体２に沿って伝搬す
る。したがって、高周波の軸方向の実効的な伝搬速度は
光速よりも遅くなる。

【００３７】即ち、図３に示すように、外部導体２２の
軸心Ｏに対する螺旋状内部導体２３の螺旋の角度をθ、
螺旋のピッチをｄとしたとき、軸方向の長さｄ当りの螺
旋状内部導体２３に沿う長さｈは次式で計算できる。

【００３８】

【数１】ｈ＝ｄ／ cosθ ……（１） この式（１）から、光速度ｃに対する高周波の軸方向の
速度ｖz の減速の程度は概略次式で与えることができ
る。

【００３９】

【数２】 ｖz ／ｃ＝ｄ／ｈ＝ cosθ ……（２） この式（２）から、螺旋の角度θが大きい程、高周波の
軸方向の伝搬速度が遅くなることがわかる。したがっ
て、この高周波の遅延効果により通常の４分の１波長ま
たは４分の３波長での短絡長Ｌを cosθ倍だけ短かくす
ることができる。

【００４０】例えば２０ＭＨｚの時の通常の４分の１波
長のＬは３．７５ｍであるが、θが６０°の螺旋状内部
導体２３を用いた空胴共振器２１の４分の１波長のＬは
１．８７５ｍとなる。

【００４１】以上の実施例１によれば、高周波は螺旋状
内部導体２３に沿って伝搬するため、軸方向の高周波の
伝搬速度を光速よりも遅くすることが可能となり、空胴
共振器２１の全長を短かくすることができる。また、こ
れにより周波数変更の際の短絡板２４の移動距離も短か
くなるため、駆動速度を高める必要なく周波数変更に要
する時間を短縮することができ、摺動接触部分の信頼性
も保持することができる。

【００４２】実施例２（図４および図５） 図４は本実施例に係る空胴共振器の全体構成を示し、図
５は要部の構成を拡大して示している。

【００４３】本実施例では、螺旋状内部導体２３が、外
部導体２２の中心部に配置した絶縁材製の中空な柱状
（例えば円筒状）のサポータ３３に巻装され、螺旋状内
部導体２３から突設した取付片３４をビス等の止着具３
５でサポータ３３に止着することにより固定されてい
る。

【００４４】その他の構成は前記実施例と変らないか
ら、図の対応個所に同一符号を付して説明を省略する。

【００４５】螺旋状内部導体２３が長い場合、自重によ
り螺旋状内部導体２３が撓んで短絡板２４の金属接触子
２５が圧潰されたり、短絡板２４の移動が困難となる可
能性がある。

【００４６】螺旋状内部導体２３をサポータ３３に巻装
した本実施例の構成によれば、螺旋状内部導体２３を撓
み等の変形なく確実に外部導体２２の中央に保持するこ
とができ、螺旋状内部導体２３と外部導体２２との距離
を一定に保つことにより短絡板２４の金属接触子２５の
確実な電気的接触と信頼性を保つことができる。

【００４７】実施例３（図６） 図６は本実施例に係る空胴共振器の全体構成を示してい
る。

【００４８】本実施例では、短絡板２４が、外部導体２
２および螺旋状内部導体２３に対して非接触とされ、金
属接触を有しない構成とされている。その他の構成は前
記実施例１と変らないから、図の対応個所に同一符号を
付して説明を省略する。

【００４９】このように、螺旋状内部導体２３と外部導
体２２との間の電気的な短絡を非接触型の短絡板２４で
行なう本実施例の構成によれば、各導体２２，２３間の
静電容量により高周波を短絡することができ、金属接触
子の接触圧による負荷を除去して短絡板２４の高速移動
を可能とすることができる。

【００５０】なお、本実施例では、短絡板２４を外部導
体２２および螺旋状内部導体２３の両方に対して非接触
としたが、外部導体２２および螺旋状内部導体２３のい
ずれか一方に対して非接触とし、金属接触子の接触圧に
よる負荷を軽減する構成としてもよい。

【００５１】実施例４（図７） 図７は、本実施例に係る空胴共振器の要部断面構成を示
している。なお、全体構成については前記実施例２と変
らないから、図示および説明を省略する。

【００５２】本実施例では、絶縁材製の中空なサポータ
３３の内部に、図示しない高周波増幅器構成用真空管の
陽極に直流高電圧を供給する直流高圧ケーブル等の給電
線３６と、同陽極を冷却する冷却水の供給および排出用
の一対の冷却水配管３７とが挿通されている。

【００５３】このように、中空状のサポータ３３の内部
に給電線３６と冷却水配管３７とを挿通した構成の本実
施例によれば、配線および配管等がコンパクト化され、
空間を有効に利用することができる。

【００５４】他の実施例 以上の実施例１〜４の単独構成のほか、本発明では実施
例１〜４を適宜組合せた構成とすることが可能である。

【００５５】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、高周波は螺旋状内部導体に沿って伝搬するため、軸
方向の高周波の伝搬速度を光速よりも遅くすることが可
能となり、空胴共振器の全長を短かくすることができ
る。

【００５６】なお、螺旋状内部導体が長い場合、自重に
より螺旋状内部導体が撓んで短絡板の金属接触子が圧潰
されたり、短絡板の移動が困難となる可能性がある。

【００５７】螺旋状内部導体をサポータに巻装した構成
（請求項２）によれば、螺旋状内部導体を撓み等の変形
なく確実に外部導体の中央に保持することができ、螺旋
状内部導体と外部導体との距離を一定に保つことによ
り、短絡板の金属接触子の確実な電気的接触と信頼性を
保つことができる。

【００５８】また、短絡板を移動可能とした構成（請求
項３）によれば、周波数変更の際の短絡板の移動距離も
短かくなるため、駆動速度を高める必要なく周波数変更
に要する時間を短縮することができ、摺動接触部分の信
頼性も保つことができる。

【００５９】さらに、螺旋状内部導体または外部導体と
の間の電気的な短絡を非接触型短絡板で行なう構成（請
求項４）によれば、各導体間の静電容量により高周波を
短絡することができ、金属接触子の接触圧による負荷を
軽減または除去して短絡板の高速移動を可能とすること
ができる。

【００６０】さらにまた、中空状サポータの内部に給電
線または冷却水配管を挿通した構成（請求項５）によれ
ば、高周波増幅器を構成する真空管の陽極への冷却水配
管や直流高圧ケーブルをコンパクトにまとめることがで
き、空間を有効に利用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る空胴共振器の実施例１を示す全体
構成図。

【図２】図１の一部を拡大して示す断面図。

【図３】前記実施例１の作用説明図。

【図４】本発明に係る空胴共振器の実施例２を示す全体
構成図。

【図５】図４の要部を拡大して示す斜視図。

【図６】本発明に係る空胴共振器の実施例３を示す全体
構成図。

【図７】本発明に係る空胴共振器の実施例４を示す要部
断面図。

【図８】トカマク型核融合装置の原理を示す図。

【図９】トカマク型核融合装置の磁場発生用コイルを示
す図。

【図１０】標準的イオンサイクロトロン加熱装置を示す
構成図。

【図１１】従来の空胴共振器の構成例を示す図。

【符号の説明】

２１ 空胴共振器 ２２ 外部導体 ２３ 螺旋状内部導体 ２４ 短絡板 ２５ 金属接触子 ２６ 駆動手段 ３３ サポータ ３６ 給電線 ３７ 冷却水配管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥津 平二 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝小向工場内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状の外部導体と、この外部導体内に同
   軸的に配置される内部導体と、これら両導体間を短絡す
   る短絡板とを備えた同軸型の空胴共振器において、前記
   内部導体を前記外部導体の中心線廻りで螺旋状をなす螺
   旋状内部導体としたことを特徴とする空胴共振器。
2. 【請求項２】 螺旋状内部導体は、外部導体の中心部に
   配置した柱状のサポータに巻装固定されている請求項１
   記載の空胴共振器。
3. 【請求項３】 短絡板は、駆動手段によって外部導体お
   よび螺旋状内部導体の軸方向に移動可能に支持されてい
   る請求項１または２記載の空胴共振器。
4. 【請求項４】 短絡板は、外部導体および螺旋状内部導
   体の少なくともいずれか一方に対して非接触とされてい
   る請求項１から３までに記載の空胴共振器。
5. 【請求項５】 サポータは、中空状をなし、その内部に
   給電線または冷却水配管が挿通されている請求項２から
   ４までに記載の空胴共振器。