JPH0799026A

JPH0799026A - 電子ビームのための周期的永久磁石集束装置

Info

Publication number: JPH0799026A
Application number: JP6064298A
Authority: JP
Inventors: Robert S Symons; エスサイモンズロバート
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1993-04-02
Filing date: 1994-04-01
Publication date: 1995-04-11
Anticipated expiration: 2013-07-23
Also published as: GB2276761A; JP2777866B2; DE4411405A1; GB9405153D0; IL108916A; US5744910A; FR2703508A1

Abstract

(57)【要約】【目的】集束構成体を小型化するとともに、整相列レ
ーダその他の電子装置に有益に使用できる螺旋TWTを提
供する。【構成】第１通常方向に向けて、磁束をTWTのドリフ
ト管に誘導するとともに、ドリフト管(20)から第１通常
方向に対して直交する第２通常方向に磁束を誘導する磁
極片(52)の群を含んでいる。半径方向に磁化された永久
磁石(58₁)は、磁極片(52)の群の外部に設けられ、第１
対の永久磁石(58)は、第１極性方向を有し、第２対磁石
(58₂)は、第１方向に対向する第２極性方向を有してい
る。外殻(64)が、磁極片(52)の群と永久磁石(58)とを包
囲するとともに、磁束の帰路を提供している。電子ビー
ムはドリフト管(20)内を進行し、磁束は電子ビームを集
束する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロ波増幅管に関
し、特に、進行波管を互いに密接させて使用する、整相
列レーダ、その他の電子装置に使用されている、進行波
管のための周期的永久磁石集束装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】進行波管（TWT）などのマイクロ波増幅
管は、マイクロ波周波数範囲における、電磁波信号の利
得を増やす際に有効である。TWTは、一般に相互作用構
成体に内蔵されているトンネルまたはドリフト管を貫通
して伝搬する、電子銃から派生する電子ビームを利用す
るリニアビーム装置である。

【０００３】電子ビームは、その進行経路の終わりに、
使用済み電子ビームを効果的に捕獲するコレクタまたは
ビームダンプ内に保管される。電子ビームは、一般に、
装置の相互作用構成体内の磁界または静電界によって集
束され、相互作用構成体にエネルギー損を与えることな
く、電子銃からコレクタに効果的に搬送される。

【０００４】また電磁波については、この波が電子ビー
ムと相互作用する相互作用構成体を貫通して伝搬させる
ことができる。ビームは、伝搬波にエネルギーを引き渡
すことによって、電磁波のパワーをアップさせる。

【０００５】ある特定の型のTWTは、ドリフト管の軸方
向に螺旋ワイヤを利用している。電子ビームは、螺旋ワ
イヤの軸線方向に射入され、電磁波は、電子ビームとほ
ぼ同一速度で、螺旋ワイヤに沿って進行する。螺旋TWT
では、ビームと電磁波とは、ドリフト管全体にわたっ
て、相互作用をし続ける。螺旋TWTは、その極めて広い
帯域幅特性のために、広く普及している。

【０００６】螺旋TWTのある好ましい用途は、整相列レ
ーダ用の素子を提供することである。このレーダは、出
力端ビーム形成ネットワークにコヒレントに結合された
一連のアンテナで構成されている。出力は、別個のマイ
クロ波出力信号を発生するTWTを二次元的にマトリック
ス配列することによって得られる。整相列レーダ内で有
効にするには、TWTを、整相列レーダのアンテナ素子の
背後にフィットしうるように十分に小型とするととも
に、相当量のパワーを発生するべく十分に冷却する必要
がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】整相列レーダにおい
て、一般的な従来の螺旋TWTを使用する際の重要な問題
は、ビーム集束に使用される磁界の制御漏れである。TW
Tをマトリックス内で密接に配置すると、もし１つのTWT
からでも磁界が漏れると、隣接するTWTの磁界集束に打
撃をあたえるおそれが生じる。各素子を、マトリックス
内の定位置で試験して、隣接TWTからの磁気漏れに起因
する性能の低下を正確に測定しなければならない。その
ため、この磁気漏れの問題は、各TWTを十分に試験する
必要性を高めることになる。

【０００８】従来の螺旋TWTに付随する第２の問題点
は、管内部から外部のヒートシンクに至る、十分な熱路
を確保しなければならないことである。

【０００９】従来のTWTは、軸線方向に磁化された環状
のサマリウムコバルト磁石を利用して、ビームを集束し
ているが、このようにすると、軸方向の熱伝導率が低下
する。その結果、従来のTWTは、管を貫通して、外部の
冷却剤ジャッケットまたはヒートシンクに至る、ほぼ半
径方向の熱伝導率に依存している。

【００１０】TWTが密に並設されていると、TWT外部のヒ
ートシンクを含むに十分なスペースが得られない。その
代わりに、整相列表面等の、TWTの端部から熱を抽出し
なければならず、また、ヒートシンクに至る熱をTWTの
端部から引き出さなければならないこととなり、TWTの
軸線方向の熱伝導率を高める必要が生じる。

【００１１】従って、TWTを密接して設けた整相列レー
ダまたはその他の電子装置に、有利に使用できる螺旋TW
Tを提供することが必要である。TWTは、高い軸方向の熱
伝導率を持たせながら、実質的な磁界漏れを起こさせな
いようにすることが理想である。

【００１２】本発明によると、上記した従来のものにお
ける必要性および不利益性に対処しうるようにした螺旋
TWT用の改良型周期的永久磁石集束装置が提供されてい
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明による集束装置
は、第１び通常方向に向かって、TWTのドリフト管に磁
束を誘導するとともに、ドリフト管から、前記第１通常
方向に対して直角をなす第２通常方向に磁束を誘導する
磁極片構成体を備えている。この磁極片構成体の外部に
は、半径方向に磁化された磁石が設けられ、磁束を提供
している。第１の磁石対は、第１極性方向を有し、また
第２の磁石対は、第１極性方向と対向する第２の極性方
向を有している。外殻は、磁極片構成体と磁石とを包囲
するとともに、磁石のための磁束の帰路を提供してい
る。電子ビームは、ドラフト管内を進行し、磁束は、こ
の電子ビームを集束する。

【００１４】詳細に説明すると、磁極片構成体は、ドリ
フト管を通り、互いに平行して半径方向に延びる第１磁
極片を含んでいる。また第２磁極片も同様に、ドリフト
管を通り、互いに平行して半径方向に延びている。第２
磁極片は、第１磁極片と直交している。

【００１５】第１の端板が、第１磁極片の対向端部に当
接されている。第１磁極片と第１端板とは、第１梯子形
部材を構成している。同様に、第２端板は、第２磁極片
の対向端部に当接されている。第２磁極片と第２端板と
は、第２梯子形部材を構成している。第１及び第２磁極
片の間には、非磁性スペーサが設けられている。このス
ペーサは、ほぼ十字形を呈している。第１梯子形部材と
第２梯子形部材とは、互いに直交している。

【００１６】本発明の好適実施例では、磁極片は、ほぼ
矩形を呈している。磁石の第１部分は、第１磁極片に隣
接するとともに、第１極性方向を有しており、第２磁極
片に隣接する第２部分は、第２極性方向を有している。

【００１７】磁極片が直交しているため、第１および第
２磁極片部の内方で、外殻内にコーナーが形成される。
このコーナー空間内に、磁極片構成体の長手方向に沿っ
て軸向きに延び、かつこの構成体から軸線方向に放熱す
る冷却棒を設けることができる。

【００１８】さらに別の中空コーナー空間を設けること
によって、共軸ケーブルを貫入する出入空間を確保する
ことができる。

【００１９】

【実施例】以下に示す本発明好適実施例の詳細な説明か
ら、本発明による電子ビームのための周期的永久磁石集
束装置をよりよく理解できるとともに、本発明の上記し
た以外の利点及び目的が明らかとなると思う。次に添付
図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。

【００２０】図１は、従来の周期的永久磁石集束螺旋TW
T(１０）を示す。この螺旋TWT（１０）は、陰極表面
（１４）、およびこの面の下方に設けられた熱電子発熱
素子（１６）を備える電子銃（１２）を有している。

【００２１】発熱素子（１６）を付勢して、陰極に負の
高電圧を印加すると、電子ビーム（１８）は、陰極表面
（１４）から引き出され、螺旋TWT（１０）のドリフト
管（２０）を貫通して軸方向に進行し、コレクタ（２
８）に集められる。

【００２２】RF電磁波入力信号は、RF入力部（２２）か
ら供給され、ドリフト管（２０）の長手方向に延びる螺
旋体（２６）に沿って進行するが、この螺旋体（２６）
は、通常一本のコイル状のタングステンワイヤをコイル
状に巻いて形成されており、電子ビーム（１８）は、螺
旋の星形中心を通って、軸線方向に進行する。

【００２３】RF入力信号によって電界が形成され、電子
ビーム（１８）の電子を周期的に集めて束とするため、
電子から信号へ効率良くエネルギーを伝達できる。螺旋
TWT（１０)内の電子間の相互作用によって、増幅された
RF出力信号が発生して、RF出力部（２４）に送られる。
電子ビーム（１８）をドリフト管（２０）に通すため、
通常磁界集束手段が設けられている。

【００２４】図２は、螺旋TWT用の従来の集束構成体を
示している。螺旋体（２６）は、軸向き支持ロッド（４
２）によって、ドリフト管（２０）内に懸架され、ワッ
シャ形磁石（３８）と磁極片（３６）とによって包囲さ
れている。この磁極片（３６）は、通常、軟鉄等の高透
磁率材その他の磁気導電性鉄合金から形成されている。
磁石（３８）は、軸線方向に磁化されており、通常サマ
リウムーコバルト材で形成されている。

【００２５】非磁性導電スペーサ（３４）が、隣接する
磁極片（３６）の間に設けられているが、これは、銅ま
たは銅ニッケル材製である。スペーサ（３４）は、ドリ
フト管から磁極片（３６）に熱を伝導する。磁石（３
８）の外側部は、保持リング（３２）によって支持され
ている。通常、外部ヒートシンクまたは冷却剤ジャケッ
ト（図示せず）が、集束構成体の外部を包囲している。

【００２６】永久磁石は、ソレノイド型磁石に比較して
相当に軽量であるから、電子ビームの集束要に一般的に
使用されている。周期的永久磁石集束では、磁極片（３
６）は、磁石（３８）から、この磁石（３６）を通過し
て磁極片（３６）にいたるまで軸線方向に延びる経路に
あるドリフト管まで磁束を導く。次に、磁束は、磁極片
（３６）を貫通して半径方向内側に進行してドリフト管
に到達後、非磁性導電スペーサ（３４）によって形成さ
れた間隙を越えて、隣接する磁極片にジャンプする。そ
の後磁束は、磁極片（３６）を通過して、半径方向外側
に進み磁石（３８）に戻る。

【００２７】磁石（３８）の極性方向を交互に変える
と、ドリフト管（２０）に周期的に交番する磁界が発生
する。ビームは、交番磁界を横断するに従って、交互方
向に前後に振動する回転運動を発生させる。この回転に
よりビームは圧縮され、これを膨張させるおそれのある
空間電荷力を打ち消すことができる。

【００２８】図１および図２に示す従来の螺旋TWT（１
０）が、整相列のマトリックスでの使用に適さないこと
は明らかである。集束構成体は、その外部への磁束漏れ
を防ぐことはできないが、これに反して、磁束は、保持
リング（３２）を越えて、隣接する磁極片（３６）間を
容易に架橋できる。さらに、熱は、スペーサ（３４）を
介して限定的に軸線方向に伝導される。一般的には、磁
極片（３６）を通して、半径方向に伝導される。この様
な条件下では、螺旋TWT（１０）を、他の同様のTWTと密
接させて使用することは実際的ではない。

【００２９】本発明によると、これらの問題は、小型か
つ簡単な構成体により解決されている。図３及至図５
は、本発明による集束構成体（５０）を示す。この構成
体（５０）は、交互に向きを変えて重積された、ほぼ矩
形の複数個の磁極片（５２）を備えている。鉄等の導電
磁材からなっている。非磁性スペーサ（５６）が、隣接
する磁極片（５２）の間へ挿入されており、ほぼ十字形
を成している。また各隣接磁極片（５２）は、先の磁極
片から９０度偏倚されており、磁極片（５２）の側部
で、別の矩形非磁性スペーサ（５７）と接合されてい
る。スペーサ（５６）と（５７）とは、銅等の熱伝導性
の磁気絶縁材で形成されている。

【００３０】集束構成体（５０）を組み立てると、ほぼ
十字形になる。ビームトンネル（４８）は、各磁極片
（５２）およびスペーサ（５６）を貫通して軸線方向に
延び、ビームと螺旋体用のドリフト管を構成している。

【００３１】導電磁性の端板（６２）が、４つの各露出
端部のそれぞれにおいて、各磁極片（５２）に当接され
ている。端板（６２）を定位置に置くと、集束構成体
（５０）は、磁極片（５２）によって梯子の”横木”
が、また端板（６２）によってその”支柱”が構成され
ているような１対の交錯した梯子と似た形になる。

【００３２】ほぼ扁平な矩形状をなし、かつ半径方向に
磁化された永久磁石（５８）が、端板（６２）の露出外
面に取りつけられる。こうして、集束構成体全体は、導
磁材製の、ほぼ矩形の外殻（６４）内に包囲された状態
となる。

【００３３】半径方向に磁化された永久磁石は、かつて
は直線ビーム管に良く使用されたが、サマリウムーコバ
ルト磁石の出現によって衰退していった。従来は、アル
ニコ（アルミニウムーニッケルーコバルト合金）製の半
径方向に磁化された磁石が一般的に使用されていた。ア
ルニコ磁石は、その磁化に比較して、高い磁束密度でエ
ネルギーを発生する。その結果、間隙内で高い磁界強度
が必要な場合は、間隙長さと相当に永久磁石の直径を相
当に大きくしなければならなかった。

【００３４】サマリウムーコバルト磁石の出現と共に、
その磁束強度と磁化力が、最大エネルギー積に対して等
しいために、径方向の磁石は不要になった。軸線方向に
磁化されたワッシャ形永久磁石は、さらに小型のTWT構
成体の開発を可能にした。

【００３５】しかし、半径方向に磁化されたサマリウム
ーコバルト磁石は、本発明による集束構成体（５０）と
共に使用すると、有益な結果がもたらされる。永久磁石
（５８）の極性方向は、集束構成体（５０）の円周上で
交互する。永久磁石（５８₁）および（５８₃）は、構成
体（５０）から外側に向かうＳ磁極と、内側に向かうＮ
磁極とを有している。反対に、永久磁石（５８₂）と
（５８₄）とは、構成体（５０）から外側に向かうＮ磁
極と、内側に向かうＳ磁極とを有している。

【００３６】第１対の永久磁石（５８₁）と（５８₃）と
から出た磁束は、梯子の第１部分の磁極片（５２）を通
って、内側方へ進行する。磁束は、ビームトンネル（４
８）に到達すると、隣接するスペーサ（５６）を越え
て、第２梯子部の隣接磁極片（５２）に至る間隙を架橋
する。次に磁束は、第１梯子部から９０度偏倚された第
２梯子部の磁極片（５２）を貫通して外側に放射され、
第２対の磁石（５８₂）（５８₄）に到達する。外殻（６
４）は、磁束の帰路となって、集束構成体を磁気的に釣
り合った状態に保つ。従って、磁束は、外殻（６４）を
越えて延びることはない。

【００３７】磁極片梯子素子を交錯させることによっ
て、ドリフト管（２０）の磁界は、前記の従来の螺旋TW
T（１０）の様に、交番して電子ビームを集束するよう
になる。

【００３８】ほぼ十字形の集束構成体（５０）を外殻
（６４）内に配設すると４つの矩形空間（６６）が作り
出される。これらの空間（６６）は、種々の別の目的に
対しても有用である。冷却棒（６８）等の熱伝導体を、
空間（６６）に挿入して、各磁極片（５２）から熱を吸
い取ることができる。次にこの冷却棒（６８）によって
吸い取った熱を、従来の様に半径方向ではなく、軸線方
向に集束構成体から除去できる。

【００３９】また空間（６６）は、さらにRF入力および
出力信号を取りつける、螺旋体（２６）への共軸結合と
いった電気的接続の導管として有用である。コレクタま
たは陰極を電気的に接続できる。公知のように、コレク
タ相互接続部を十分に遮蔽して、ドリフト管内における
不要な磁界の変動を防止しなければならない。

【００４０】集束構成体（５０）は、TWT（１０）ため
の真空包絡体を提供しうることが期待される。通常、磁
極片とスペーサとをろう付けし、ビームトンネル（４
８）の気密シールを形成し、ビームトンネル内に真空を
形成できるようになっている一体型磁極片が使用され
る。

【００４１】しかし別の例として、TWT構成素子はろう
付けではなく、単に圧着されており、ビームトンネル
（４８）内には真空シールは形成されないようにするこ
ともある。この場合、別の管をビームトンネル内に滑り
嵌入させるとともに、この管内に螺旋体（２６）を配設
することができる。

【００４２】集束構成体（５０）の小型化が、本発明の
一目的であるため、TWTを一体化された磁極片形状にす
る。

【００４３】以上、螺旋TWTの周期的永久磁石集束構成
体の好適実施例を説明したが、これにより、本発明によ
るといくつかの利点が得られることが、当業者にはよく
理解しうると思う。本発明によって、従来の螺旋TWTに
比較して、実質的に磁束漏れが無く、軸線方向の導電性
が高く、かつ整相列レーダ形状に特に有用である集束構
成体が得られることを説明した。

【００４４】本発明は、その技術的範囲及び主旨を逸脱
することなく、種々な修正、変形および適用が可能であ
る。例えば、螺旋TWT用として、集束構成体（５０）を
説明したが、本発明の概念を、結合空洞管およびクライ
ストロン等のビーム装置にも適用できることは明らかで
ある。さらに、外殻（６４）については、前記のような
個々のTWTにではなく、整相列に使用されるマトリック
スにおける複数のTWTに対して共通の壁を有するものと
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の螺旋進行波管（TWT)の略図である。

【図２】従来の周期的永久磁石螺旋TWTの一部切欠斜視
図である。

【図３】本発明による集束構成体の磁極片とスペーサと
の分解斜視図である。

【図４】磁極片に付着され、かつ半径方向に磁化された
永久磁石を示す、集束構成体の斜視図である。

【図５】集束構成体を包囲する外殻を図３および図４に
示す本発明による集束構成体に施した斜視図である。

【符号の説明】

（１０）TWT （１２）電子銃（１４）陰極表面（１６）熱電子発熱素子（１８）電子ビーム（２０）ドリフト管（２２）RF入力部（２４）RF出力部（２６）螺旋（２８）コレクタ（３２）保持リング（３４）非磁性導電スペーサ（３６）磁極片（３８）ワッシャ形磁石（４２）支持ロッド（４８）ビームトンネル（５０）集束構成体（５２）矩形磁極片（５４）磁極片端部（５６）（５７）非磁性スペーサ（５８）永久磁石（６２）端板（６４）外殻（６６）矩形空間（６８）冷却棒

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】螺旋進行波管（TWT）の電子ビーム磁界
集束装置であって、複数の磁極片、前記磁極片の間に設けられた複数の非磁
性スペーサ、および前記磁極片の最外端に隣接し、かつ
径方向に磁化された永久磁石を含み、前記磁極片の第１
部分を、前記磁極片の第２部分に対して直角に、交互に
配設した集束構成体と、前記集束構成体を貫通して延び、前記電子ビームを受信
するビームトンネル、および前記集束構成体を包囲する
外殻とを備え、前記磁極片が、前記磁石から前記ビームトンネルに磁束
を指向させることによって、前記ビームを集束するとと
もに、前記外殻が、前記磁束の、前記磁石への帰路を与
えるようにしたことを特徴とする電子ビームのための周
期的永久磁石集束装置。