JPH0945253A - Magnetic device for gyrotron - Google Patents
Magnetic device for gyrotronInfo
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- JPH0945253A JPH0945253A JP7196833A JP19683395A JPH0945253A JP H0945253 A JPH0945253 A JP H0945253A JP 7196833 A JP7196833 A JP 7196833A JP 19683395 A JP19683395 A JP 19683395A JP H0945253 A JPH0945253 A JP H0945253A
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Landscapes
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、エミッタ領域とコ
レクタ領域との間に、ジャイロトロン用の軸線方向一様
磁界を形成するための磁気装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic device for forming a uniform axial magnetic field for a gyrotron between an emitter region and a collector region.
【０００２】[0002]
【従来の技術】ジャイロトロンは、核融合プラズマ加熱
用に必要であるような、高周波での高マイクロ波電力発
生源である。典型的なオーダは、１ＭＷの出力電力で、
１００ＧＨｚの領域内の周波数である。BACKGROUND OF THE INVENTION Gyrotrons are high microwave power sources at high frequencies, such as those required for fusion plasma heating. Typical order is 1 MW output power,
It is a frequency in the region of 100 GHz.
【０００３】ジャイロトロンの基本構成及びその説明に
関しては、Meinke-Gundlach著の刊行物 "Taschenbuch d
er Hochfrequeztechnik" (Springer Verlag社 ベルリ
ン、ハイデルベルク、ニューヨーク、東京 1986年刊行)
第M82-M85頁に示されている。ジャイロトロンオシレー
タは、特別なコストを掛けずに、バキューム管及び案内
磁界形成用磁気装置に分解することができる。殊に、高
電力ジャイロトロンは、核融合プラズマ用の付加加熱体
として設けられている(S17及びS18参照)。Regarding the basic structure of the gyrotron and its explanation, the publication "Taschenbuch d" by Meinke-Gundlach.
er Hochfrequeztechnik "(Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo, 1986)
It is shown on pages M82-M85. The gyrotron oscillator can be disassembled into a vacuum tube and a magnetic device for forming a guiding magnetic field without extra cost. In particular, the high power gyrotron is provided as an additional heating element for fusion plasma (see S17 and S18).
【０００４】従来、ジャイロトロンでの電子ビームの不
安定度を制御するための単なる理論的研究しか行なわれ
て来なかった。刊行物Int. Journ. of Infrared and Mi
llimeter Waves, Vol.14,No.4,1993年刊には、A.N.Kuft
in 他の論文 "Theory of Helical Electron Beams in G
yrotrons" が発表されている。そこでは、螺旋状電子ビ
ームの案内用の永久磁石装置について、考察されてい
る。この永久磁石装置は、軸線方向に極性付けられた中
央の永久磁石と、その両端面に装着された、同じく軸線
方向に極性付けられた相互に対向し合った両永久磁石と
から構成されている。この装置でも依然として、ジャイ
ロトロンの電子ビーム領域内で、軸線方向磁界の強逆転
磁場及び単数乃至複数の境界部で、磁界の比較的強力な
上昇が起こる。Heretofore, only theoretical studies have been conducted for controlling the instability of electron beams in gyrotrons. Publication Int. Journ. Of Infrared and Mi
llimeter Waves, Vol.14, No.4, 1993, ANKuft
in Other Papers "Theory of Helical Electron Beams in G
"Yrotrons" is presented, where a permanent magnet arrangement for guiding a spiral electron beam is considered. This permanent magnet arrangement consists of an axially polarized central permanent magnet and its two ends. It also consists of two axially poled permanent magnets, facing each other, which are also axially polarized, and still have a strong reversal of the axial magnetic field in the electron beam region of the gyrotron. A relatively strong rise of the magnetic field occurs at the magnetic field and at the boundary or boundaries.
【０００５】全ての電子が同一の初期条件を有している
ならば、エミッタ領域内で磁界が強力に上昇しても構わ
ないし、更には、実効性の小さいエミッタリングを使用
することさえも構わないが、エミッタリング及び磁界
を、精確に調整しなければならない。If all the electrons have the same initial conditions, the magnetic field may rise strongly in the emitter region, and even a less effective emitter ring may be used. However, the emitter ring and magnetic field must be precisely adjusted.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】コレクタでの逆転磁場
は、コレクタの設計の際に制約となり、殊に、バイアス
されたコレクタでは制約となる。Reversed magnetic fields at the collector become a constraint in the design of the collector, especially in a biased collector.
【０００７】技術的に考えると、当時のジャイロトロン
の電気効率は、50%に達成していた(サイクロトロン周波
数の第１高調波での作動の場合)。この電気効率を更に
一層上昇させることは、少なくとも当時は、緊急の課題
ではなかった。何れにせよ、ジャイロトロンは、産業的
な用途、例えば、表面皮膜被着技術及びセラミック焼結
技術等の用途のために関心がもたれており、従って、効
率を比較的高くするという問題、及び、それと関連し
て、所要冷却電力を比較的低くするという問題並びに材
料コストを比較的小さくするという問題も科学技術的に
重要である。From a technical point of view, the electrical efficiency of the gyrotron at that time had reached 50% (when operating at the first harmonic of the cyclotron frequency). Raising this electrical efficiency even further was not an urgent task, at least back then. In any case, gyrotrons are of interest for industrial applications, such as surface coating deposition technology and ceramic sintering technology, and thus the problem of relatively high efficiency, and In connection therewith, the problem of relatively low cooling power required and the problem of relatively low material cost are also technologically important.
【０００８】そのようなジャイロトロンのパラメータ
は、低電力（例えば、１０ｋＷ）の場合の比較的低い周
波数である。大きな効率損失が、相互作用空間として使
用されるジャイロトロン共鳴部で生じ、最大の冷却用電
力消費がコレクタで生じ、２番目に大きな冷却用電力消
費が、常伝導磁石で作動するジャイロトロンの場合、各
磁石で生じる。磁石での損失は、永久磁石に取り替える
ことによって、極端に低減することができる。The parameter of such a gyrotron is the relatively low frequency at low power (eg 10 kW). In the case of a gyrotron operating with a normal conduction magnet, a large efficiency loss occurs in the gyrotron resonance part used as an interaction space, and a maximum cooling power consumption occurs in the collector. , Occur in each magnet. The loss in the magnet can be extremely reduced by replacing it with a permanent magnet.
【０００９】そこで、本発明の目的は、コスト高な電流
作動型ジャイロトロン磁気装置（例えば、慣用の電磁
石、又は、超伝導電磁石）を、ジャイロトロン管自体の
構成を改造するための手段を必要とせずに、メインテナ
ンス不要の永久磁石装置に取替えることにある。Therefore, an object of the present invention is to provide a means for modifying the structure of the gyrotron tube itself from a costly current-operated gyrotron magnetic device (for example, a conventional electromagnet or a superconducting electromagnet). Instead, it is to replace with a permanent magnet device that does not require maintenance.
【００１０】つまり、本発明の課題は、従来使用されて
いた超伝導磁石又は常伝導磁石を永久磁石装置に取り替
えて、その際、この永久磁石（従来構成されていた永久
磁石装置とは別）を、ジャイロトロン管に関して付加的
に基礎研究的乃至構成的に作業する必要がなく、また、
従来入手することができたジャイロトロンの構造を更に
改良して使用する（例えば、バイアスされたコレクタと
の装着）ことが制約を受けることもなく、又は、そのこ
とが不可能でもないようにすることにある。付加的に、
ジャイロトロン内での電子ビームの反射及び電子ビーム
の不安定性を回避する必要がある。That is, the object of the present invention is to replace the conventionally used superconducting magnet or normal conducting magnet with a permanent magnet device, and at this time, this permanent magnet (separate from the conventionally configured permanent magnet device). Does not require additional basic research or constructive work on the gyrotron tube, and
No further restrictions on the use of previously available gyrotron structures (eg mounting with biased collectors) are possible or impossible. Especially. Additionally,
There is a need to avoid electron beam reflections and electron beam instabilities within the gyrotron.
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】この課題は、本発明によ
ると請求項１の各特徴要件によって解決される。This object is achieved according to the invention by the features of claim 1.
【００１２】半径方向に極性付けられた中央の環状磁
石、コレクタ領域の方向に向かって上方に電子ビームを
案内するように、軸線方向に極性付けられた環状磁石、
及び、中央の環状磁石の反対側の端面に装着されてい
て、磁界の流出を阻止する環状磁石装置によって、電子
ビーム領域内で所望の磁界経過特性が基本的に形成され
る。所要の磁界経過特性に基づいて、永久磁石の幾何学
的形状が計算機を用いて決定される。強逆転磁場は、全
く生じないか、又は、強逆転磁場が生じたとしても、エ
ミッタの延長部内の電子ビーム領域の外側でしか生じ
ず、容易に補償することができる。従来技術の磁石装置
で生じていた磁界の第２の逆転は回避され、又は、その
振幅があまり影響を及ぼさないようにすることができ
る。磁気装置の機械的な取付けは、技術的に公知の手段
である。A centrally magnetized radial magnet, an annular magnet axially polarized so as to guide the electron beam upwards in the direction of the collector region,
A desired magnetic field profile is basically formed in the electron beam region by means of an annular magnet device which is mounted on the opposite end face of the central annular magnet and blocks the outflow of the magnetic field. Based on the required magnetic field profile, the geometry of the permanent magnet is determined using a computer. No strong reversal field occurs, or even if a strong reversal field occurs, it only occurs outside the electron beam region within the extension of the emitter and can be easily compensated. The second reversal of the magnetic field, which occurs in prior art magnet arrangements, can be avoided or its amplitude can be less affected. Mechanical attachment of magnetic devices is a means known in the art.
【００１３】請求項２は、極めて簡単な構成、即ち、対
称的な構成であって、何れにせよ、永久磁石装置の材料
強化された構成を示す。Claim 2 shows a very simple construction, namely a symmetrical construction, in any case, a material-reinforced construction of the permanent magnet arrangement.
【００１４】請求項３は、電子ビーム領域外に、強逆転
磁場（しかし、何等影響はない）が発生されるような、
材料を節約した永久磁石装置の非対称的な構成を示す。According to claim 3, a strong reversal magnetic field (but no influence) is generated outside the electron beam region.
3 shows an asymmetrical construction of a material-saving permanent magnet device.
【００１５】エミッタ領域内の軸線方向に極性付けられ
た簡単な永久磁石を用いて、軸線方向のエミッタ一様磁
界（軸線方向共鳴一様磁界よりも著しく弱い）が形成さ
れる（請求項５）。A simple axially polarized permanent magnet in the emitter region is used to form an axial emitter uniform magnetic field (significantly weaker than the axial resonant uniform magnetic field). .
【００１６】磁界の補正及び磁束の凝縮のために、電流
作動型ソレノイド及び軟鉄構造群が使用される（請求項
６及び７）。更に公知の、軸線方向一様磁界の補正手段
は、シフト可能なソレノイドによって達成することがで
きる。Current-operated solenoids and soft iron structures are used for magnetic field correction and magnetic flux condensation (claims 6 and 7). The further known means for correcting the axially uniform magnetic field can be achieved by a shiftable solenoid.
【００１７】次に、本発明の装置について図１〜図６を
用いて説明する。Next, the apparatus of the present invention will be described with reference to FIGS.
【００１８】[0018]
【実施例】図１には、静磁界の発生用の本発明による装
置を有するジャイロトロンの基本的な構成が示されてい
る。1 shows the basic construction of a gyrotron having a device according to the invention for generating a static magnetic field.
【００１９】図１のジャイロでは、電子が、ホールビー
ムとして螺旋上の経路で（静磁界により案内されて）キ
ャノンから共鳴部に伝播され、この共鳴部から離れて
「使用済み」ビームとしてコレクタに達し、このコレク
タでは、発生ｄｑ熱が排出される必要がある。In the gyro of FIG. 1, electrons are propagated as a Hall beam in a spiral path (guided by a static magnetic field) from the cannon to the resonance and away from the resonance to the collector as a "spent" beam. Reached and at this collector, the generated dq heat needs to be exhausted.
【００２０】電子ホールビームＲの半径Ｒは、以下の関
係式による案内磁界Ｂにより決められる。即ち： B R2 = const （これに対して、及び以下に対して、刊行物"Gyrotron
Oscillators, Their Principles and Practice" C.J.Ed
gcombe,Taylor & Francis著, 1993年刊; 殊に、第5章.
B.Pioscyk参照) 所定の速度比α及び共鳴部内の磁界及
び選択可能な（トライオード）圧縮比（各ホールビーム
半径の比）又は固定された（ダイオード）圧縮比（各ホ
ールビーム半径の比）の場合、エミッタでの軸線方向磁
界も決定されている。螺旋状経路で伝播される電子の場
合、横方向速度成分と軸線方向速度成分との比 α = ｖ⊥／ｖ|| は、式 ｖ⊥2／Ｂ = const により決定される。横方向速度が全速度に達すると、電
子ビームは反射される(磁気鏡効果)。The radius R of the electron hole beam R is determined by the guide magnetic field B according to the following relational expression. Ie BR 2 = const (for this and for the publication "Gyrotron
Oscillators, Their Principles and Practice "CJEd
gcombe, Taylor & Francis, 1993; especially Chapter 5.
B. Pioscyk) For a given velocity ratio α and magnetic field in the resonance and selectable (triode) compression ratio (ratio of each hole beam radius) or fixed (diode) compression ratio (ratio of each hole beam radius) In this case, the axial magnetic field at the emitter has also been determined. For electrons propagating in a spiral path, the ratio of lateral velocity component to axial velocity component α = v⊥ / v || is determined by the equation v⊥ 2 / B = const. When the lateral velocity reaches the full velocity, the electron beam is reflected (magnetic mirror effect).
【００２１】この静磁界は、電子ビームの案内のために
使用するのみならず、式 ωc = eB / m によって、共鳴部内での電子のサイクロトロン周波数を
決定する。ｍは、電荷ｅの電子の相対的な質量である。
Ｂは、磁束密度である。ジャイロトロンにより発生され
る周波数は、 ω = ｎωc である。This static magnetic field is not only used for guiding the electron beam, but also determines the cyclotron frequency of the electron in the resonance by the formula ω c = eB / m. m is the relative mass of the electrons of charge e.
B is the magnetic flux density. The frequency generated by the gyrotron is ω = nω c .
【００２２】ｎは、整数であり、サイクロトロン高調波
の次数として示されている。３０ＧＨｚでのマイクロ波
出力を発生するジャイロトロンの場合、所要磁界は、第
１高調波では、ほぼ1.1 T の大きさであり、第２高調波
では、ほぼ0.55 T の大きさである。ジャイロトロンの
軸線に沿って形成される磁界は、図２に示されている。N is an integer and is shown as the order of the cyclotron harmonic. In the case of a gyrotron that produces a microwave output at 30 GHz, the required magnetic field is approximately 1.1 T for the first harmonic and approximately 0.55 T for the second harmonic. The magnetic field created along the axis of the gyrotron is shown in FIG.
【００２３】超伝導体での磁界の形成のためには、装置
に高いコストが掛かり、更に、作動中定常的にヘリウム
又は窒素を必要とする。通常導体の磁石での磁界の形成
のためには、高い接続及び冷却電力を必要とする。各磁
石のエネルギ消費は、発生電力に比して無視することが
できない。The formation of the magnetic field in the superconductor is expensive in terms of equipment and additionally requires a constant helium or nitrogen during operation. The formation of a magnetic field in a normally conductive magnet requires high connections and cooling power. The energy consumption of each magnet cannot be ignored compared to the generated power.
【００２４】永久磁石での磁界形成の際には、従来の種
々の装置の場合、基本的な問題が生じていた。この装置
は、基本的に、軸線方向に極性付けられた真中の磁石と
半径方向に極性付けられた２つの磁石とから構成されて
いる（刊行物Int. J. of Infrared and Millimeter Wav
es, Kuftin. Fig.3参照)。その種の装置の欠点は、軸線
上での磁力線のゼロ点通過が生じること、及び、利用し
ない磁界(比較的悪い効率)が生じること、並びに、磁界
が端部で急峻に低下することにある。このような、端部
での磁界の急峻な低下は、エミッタ側の場合、調整ジャ
イロトロン-磁石が臨界状態となり、実効エミッタ幅が
制限されるという欠点を有している。磁力線のゼロ点通
過の結果、負磁界が増大して、軸線に沿って電子ビーム
が反射されることがあり(磁気鏡効果)、コレクタを構成
することは困難になる（エネルギを回復するようにバイ
アスされたコレクタを使用することは実際上不可能であ
るので）。When forming a magnetic field with a permanent magnet, a basic problem has occurred in various conventional devices. This device basically consists of an axially polarized middle magnet and two radially polarized magnets (publication Int. J. of Infrared and Millimeter Wav
es, Kuftin. See Fig. 3). The disadvantages of such a device are that the zero point passage of the magnetic field lines on the axis occurs, that there is an unused magnetic field (relatively poor efficiency), and that the magnetic field drops sharply at the edges. . Such a sharp decrease of the magnetic field at the end has a drawback that the adjusting gyrotron-magnet is in a critical state on the emitter side and the effective emitter width is limited. As a result of the passing of the magnetic field lines at the zero point, the negative magnetic field increases and the electron beam may be reflected along the axis (magnetic mirror effect), making it difficult to configure the collector (to recover energy). It is practically impossible to use a biased collector).
【００２５】しかし、効率を高めるためには、バイアス
されたコレクタを使用することは不可欠である。電子の
取り出しエネルギと、元のエネルギとの比は、電気効率
nelである。全効率は、ビームを、バイアスされたコレ
クタに衝突させることができるようにして高めることが
でき、それにより、使用済みのビームのエネルギの一部
分を効率ncで回復することができる。バイアスされたコ
レクタを用いるジャイロトロンの全効率は、n = nel / 1 - nc (1 - nel) である。バイアスされたコレクタを使用することは、電
子ビーム路に沿った軸線方向案内磁界の極性の逆転によ
り実際には不可能であり、又は、きわめて困難である。However, the use of a biased collector is essential for increased efficiency. The ratio of the electron extraction energy to the original energy is the electrical efficiency
n el. The overall efficiency can be increased by allowing the beam to impinge on a biased collector, which allows a portion of the energy of the used beam to be recovered with an efficiency n c. The total efficiency of a gyrotron with a biased collector is n = n el / 1- n c (1- n el). The use of biased collectors is practically impossible or extremely difficult due to the reversal of the polarity of the axial guiding field along the electron beam path.
【００２６】キャノン側では、層状カソードを使用出来
るようにするため、及び、調整の問題を小さくしておく
ために、カソード領域内では、軸線方向磁界を局所的に
一定にしておかなければならない（図２）。On the Canon side, the axial magnetic field must be kept locally constant in the cathode region in order to be able to use a layered cathode and to keep the adjustment problem small ( (Fig. 2).
【００２７】図１には、ジャイロトロンの原理的な該略
構成が示されている。つまり、ジャイロトロンに関して
の本質的技術思想は、刊行物マインケ・グルントラッハ
著"Taschenbuch der HF-Technik" 第M82頁以下を参照す
るとよい。FIG. 1 shows the schematic construction of the gyrotron in principle. In other words, for the essential technical idea regarding the gyrotron, it is recommended to refer to the publication, Maine Grundlach, "Taschenbuch der HF-Technik", page M82 and subsequent pages.
【００２８】図２には、既述のように、ジャイロトロン
領域（エミッタ、圧縮部、共鳴部、減圧部及びコレク
タ）内での所望の軸線方向一様磁界の経過特性が示され
ている。磁束密度の波動状の経過特性は、設計に応じ
て、つまり、永久磁石での内部マントル状面の構造によ
り多少誘発される（特許出願Moebius/Dumbrajs参照)。FIG. 2 shows the characteristic of the desired uniform magnetic field in the axial direction in the gyrotron region (emitter, compression section, resonance section, decompression section and collector), as described above. The wavelike course of the magnetic flux density is somewhat induced depending on the design, ie by the structure of the inner mantle-like surface with permanent magnets (see patent application Moebius / Dumbrajs).
【００２９】エミッタ領域内の磁界強度は、共鳴部領域
内での軸線方向一様磁界のほぼ５〜２５％である。The magnetic field strength in the emitter region is approximately 5 to 25% of the axial uniform magnetic field in the resonance region.
【００３０】図３には、永久磁石装置の対称的な構成の
うち右半部だけが計算機によるプリントアウトとして示
されている（ジャイロトロンにとって重要な磁力線経過
特性が示されている）。半径方向に極性化された中央の
磁石（図示の軸線方向の半部）は、保持部（軸線方向に
極性付けられた右側の磁石は図示されていない）を介し
て共通円錐面に亘って接触している。ジャイロトロン領
域内には、磁力線の容易に補償し得るゼロ点通過は、殆
ど生じないか、全く生じない。磁束全体は、ｚ軸線方向
に対して回転対称である。In FIG. 3, only the right half of the symmetrical construction of the permanent magnet arrangement is shown as a computer printout (the magnetic field curve characteristic important for the gyrotron is shown). Radially polarized central magnet (axial half shown) contacts across common conical surface via retainer (axially polarized right magnet not shown) are doing. Within the gyrotron region, there is little or no zero-point passage of the magnetic field lines that can be easily compensated. The entire magnetic flux is rotationally symmetrical with respect to the z-axis direction.
【００３１】ｚ軸（従って、部分的にジャイロトロン軸
線）に依存する一様磁界の経過特性は、図４に示されて
いる。この磁束密度の経過特性は、軸原点に対して点対
称であり、従って、そこには、一つしか磁力線のゼロ点
通過（澱み点）つまり逆転磁場を有していない。従っ
て、図３に示された半径方向に極性付けられた永久磁石
半部及びそこから右側に接続された軸線方向に極性付け
られた永久磁石は、基本的に、一様磁界をゼロ点通過な
しにジャイロトロン領域内に形成するのに適している。
エミッタ領域では、比較的弱い一様磁界しかない。しか
し、永久磁石材料の半部は、利用されない（どれ程、局
所的な磁界経過特性がゼロ点通過に対して対照的である
としても）。The characteristic of a uniform magnetic field which depends on the z-axis (and thus partially on the gyrotron axis) is shown in FIG. This characteristic of the magnetic flux density is point-symmetric with respect to the origin of the axis, so that there is only one zero-point passage (stagnation point) of the magnetic field lines, that is, a reversal magnetic field. Thus, the radially polarized permanent magnet halves shown in FIG. 3 and the axially polarized permanent magnets connected to the right of the same essentially have no uniform zero field crossing. Suitable for forming in the gyrotron region.
In the emitter region, there is only a relatively weak uniform magnetic field. However, half of the permanent magnet material is unused (however the local magnetic field profile is in contrast to the zero pass).
【００３２】図５図の磁石装置は、ジャイロトロンでの
一様磁界経過特性の要求を極めて良好に満たし、このよ
うな特性のものを用いると、特に、磁石材料を節約する
ことができる。この磁石装置は、半径方向に極性付けら
れた、中央の各環状永久磁石から構成されている。図の
右側（補正側）には、軸線方向に極性付けられた環状永
久磁石が続いている。左側には、磁界の流出を阻止する
磁石装置が続いている。このような幾何学的な構成形態
により、ジャイロトロンでの所要磁界構造が可能とな
る。エミッタ領域内での低一様磁界は、矩形の長手方向
断面を有する軸線方向に極性付けられた環状の小さな永
久磁石を重畳することにより完全に達成される。The magnet arrangement of FIG. 5 fulfills the requirements of uniform field profile in a gyrotron very well, and with such a characteristic, in particular the magnet material can be saved. The magnet system is composed of radially centered, central annular permanent magnets. On the right side (correction side) of the figure is an annular permanent magnet which is polarized in the axial direction. On the left side is a magnet system that blocks the outflow of the magnetic field. Such a geometrical configuration enables the required magnetic field structure in the gyrotron. A low uniform magnetic field in the emitter region is achieved completely by superimposing small axially polarized annular permanent magnets having a rectangular longitudinal cross section.
【００３３】強度及び符号の経過特性が、位置に依存し
て、図６に示されている。エミッタの後側に離隔して、
つまり、図の左側に、不可避な凝縮された強逆転磁場が
生じている。ジャイロトロン領域のエミッタ、圧縮部、
共鳴部、減縮部及びコレクタが示されている。このよう
にして、エミッタ領域内の一様磁界、共鳴部内の高い一
様磁界及びコレクタ領域内のほぼゼロに戻る一様磁界が
形成される。The intensity and code profile, depending on the position, is shown in FIG. Behind the emitter,
In other words, an unavoidable condensed strong reversal magnetic field is generated on the left side of the figure. Gyrotron region emitter, compression unit,
The resonance part, the reduction part and the collector are shown. In this way, a uniform magnetic field in the emitter region, a high uniform magnetic field in the resonance region and a uniform magnetic field in the collector region returning to almost zero are formed.
【００３４】磁界は、また、比較的完全に磁石装置の中
空孔を通るようにされている。軸線方向磁界の符号の逆
転は、ジャイロトロン領域内では起こらないか、又は、
僅かな強度でしか起こらず、しかも、但一回限りであ
る。従って、エミッタからの電子ビームは、コレクタに
至る迄安定して案内され得る。The magnetic field is also intended to be relatively completely through the hollow holes of the magnet system. The sign reversal of the axial magnetic field does not occur within the gyrotron region, or
It occurs only with a small amount of strength, and only once. Therefore, the electron beam from the emitter can be stably guided to the collector.
【００３５】内部マントル状面での精密構造化によっ
て、共鳴部中央では、一定又は所定の波動磁界が形成さ
れる。エミッタの領域内（図５参照）及びコレクタの領
域内に、付加的に軸線方向に極性付けられた磁石によっ
て、空間的に（局所的に）一定の磁界が形成される。弱
磁界のゼロ点通過は、そのようにして抑制され得る。Due to the fine structuring on the inner mantle-like surface, a constant or predetermined wave magnetic field is formed at the center of the resonance part. In the area of the emitter (see FIG. 5) and in the area of the collector, a spatially (locally) constant magnetic field is formed by additionally axially polarized magnets. The zero-point crossing of the weak magnetic field can be suppressed in that way.
【００３６】弱電磁石との結合により、磁界の調整を達
成することができ、又は、別の材料を節約することも達
成できる。適合調整のための別の手段は、半径方向及び
／又は軸線方向にシフト可能な磁石である。Coupling with a weak electromagnet can achieve a regulation of the magnetic field or can also save another material. Another means for adaptive adjustment is a radially and / or axially shiftable magnet.
【００３７】[0037]
【発明の効果】コスト高な電流作動型ジャイロトロン磁
気装置（例えば、慣用の電磁石、又は、超伝導電磁石）
を、ジャイロトロン管自体の構成を改造するための手段
を必要とせずに、メインテナンス不要の永久磁石装置に
取替えることができる。ジャイロトロン内での電子ビー
ムの反射及び電子ビームの不安定性を回避することがで
きる。EFFECT OF THE INVENTION Cost-effective current-operated gyrotron magnetic device (for example, conventional electromagnet or superconducting electromagnet)
Can be replaced with a permanent magnet device that does not require maintenance, without requiring any means for modifying the configuration of the gyrotron tube itself. Electron beam reflection and electron beam instability within the gyrotron can be avoided.
【図１】ジャイロトロンの原理的な該略構成を示す。FIG. 1 shows the basic schematic configuration of a gyrotron.
【図２】ジャイロトロン領域（エミッタ、圧縮部、共鳴
部、減縮部及びコレクタ）内での所望の軸線方向一様磁
界の経過特性を示す。FIG. 2 shows the characteristic curve of a desired uniform axial magnetic field in the gyrotron region (emitter, compression part, resonance part, reduction part and collector).
【図３】永久磁石装置の対称的な構成を示す。FIG. 3 shows a symmetrical configuration of a permanent magnet device.
【図４】ｚ軸（従って、部分的にジャイロトロン軸線）
に依存する一様磁界の経過特性を示す。FIG. 4 z-axis (and thus partially the gyrotron axis)
The characteristic of the uniform magnetic field depending on is shown.
【図５】ジャイロトロンでの一様磁界経過特性の要求を
極めて良好に満たす磁石装置を示す。FIG. 5 shows a magnet arrangement which very well fulfills the requirements for a uniform magnetic field profile in a gyrotron.
【図６】位置に依存する強度及び符号の経過特性を示
す。FIG. 6 shows a position-dependent intensity and code profile.
１ 陰極、 ２ エミッタリング、 ３ 加速陽極、
４ 相互作用空間、共鳴部、 ５ 減結合導線、 ６
コレクタ、 ７ ソレノイド、永久磁石、 ８ジャイロ
トロン軸線、 ９ エミッタ領域、 １０ 圧縮領域、
１１ 共鳴領域、 １２ 減縮領域、 １３ コレク
タ領域、 １４ 半径方向偏波、 １５ 軸線方向偏
波、 １６ 磁力線、 １７ 真空容器1 cathode, 2 emitter ring, 3 acceleration anode,
4 interaction space, resonance part, 5 decoupling wire, 6
Collector, 7 solenoid, permanent magnet, 8 gyrotron axis, 9 emitter area, 10 compression area,
11 resonance region, 12 reduction region, 13 collector region, 14 radial polarization, 15 axial polarization, 16 magnetic field line, 17 vacuum vessel
─────────────────────────────────────────────────────
─────────────────────────────────────────────────── ───
【手続補正書】[Procedure amendment]
【提出日】平成７年１０月３日[Submission date] October 3, 1995
【手続補正１】[Procedure amendment 1]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】全文[Correction target item name] Full text
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【書類名】 明細書[Document Name] Statement
【発明の名称】 ジャイロトロン用磁気装置Patent application title: Magnetic device for gyrotron
【特許請求の範囲】[Claims]
【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、エミッタ領域とコ
レクタ領域との間に、ジャイロトロン用の軸線方向一様
磁界を形成するための磁気装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic device for forming a uniform axial magnetic field for a gyrotron between an emitter region and a collector region.
【０００２】[0002]
【従来の技術】ジャイロトロンは、核融合プラズマ加熱
用に必要であるような、高周波での高マイクロ波電力発
生源である。典型的なオーダは、１ＭＷの出力電力で、
１００ＧＨｚの領域内の周波数である。BACKGROUND OF THE INVENTION Gyrotrons are high microwave power sources at high frequencies, such as those required for fusion plasma heating. Typical order is 1 MW output power,
It is a frequency in the region of 100 GHz.
【０００３】ジャイロトロンの基本構成及びその説明に
関しては、Ｍｅｉｎｋｅ−Ｇｕｎｄｌａｃｈ著の刊行
物”Ｔａｓｃｈｅｎｂｕｃｈ ｄｅｒ Ｈｏｃｈｆｒｅ
ｑｕｅｚｔｅｃｈｎｉｋ”（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒ
ｌａｇ社ベルリン、ハイデルベルク、ニューヨーク、東
京１９８６年刊行）第Ｍ８２−Ｍ８５頁に示されてい
る。ジャイロトロンオシレータは、特別なコストを掛け
ずに、バキューム管及び案内磁界形成用磁気装置に分解
することができる。殊に、高電力ジャイロトロンは、核
融合プラズマ用の付加加熱体として設けられている（Ｓ
１７及びＳ１８参照）。Regarding the basic configuration of the gyrotron and its description, the publication "Taschenbuch der Hochfre" by Meinke-Gundlach is published.
queztechnik ”(Springer Ver
lag Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo 1986) M82-M85. The gyrotron oscillator can be disassembled into a vacuum tube and a magnetic device for forming a guiding magnetic field without extra cost. In particular, the high power gyrotron is provided as an additional heating element for the fusion plasma (S
17 and S18).
【０００４】従来、ジャイロトロンでの電子ビームの不
安定度を制御するための単なる理論的研究しか行なわれ
て来なかった。刊行物Ｉｎｔ．Ｊｏｕｒｎ．ｏｆ Ｉｎ
ｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ Ｗａｖ
ｅｓ，Ｖｏｌ．１４，Ｎｏ．４，１９９３年刊には、
Ａ．Ｎ．Ｋｕｆｔｉｎ 他の論文”Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ
Ｈｅｌｉｃａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍｓ ｉｎ
Ｇｙｒｏｔｒｏｎｓ”が発表されている。そこでは、
螺旋状電子ビームの案内用の永久磁石装置について、考
察されている。この永久磁石装置は、軸線方向に極性付
けられた中央の永久磁石と、その両端面に装着された、
同じく軸線方向に極性付けられた相互に対向し合った両
永久磁石とから構成されている。この装置でも依然とし
て、ジャイロトロンの電子ビーム領域内で、軸線方向磁
界の強逆転磁場及び境界部での磁界の比較的強力な上昇
が起こる。Heretofore, only theoretical studies have been conducted for controlling the instability of electron beams in gyrotrons. Publication Int. Journ. of In
frared and Millimeter Wav
es, Vol. 14, No. 4, 1993,
A. N. Kuftin et al. "Theory of
Helical Electron Beams in
"Gyrotrons" has been announced.
Permanent magnet arrangements for guiding a spiral electron beam have been considered. This permanent magnet device has a central permanent magnet that is polarized in the axial direction and is mounted on both end surfaces of the permanent magnet.
It is also composed of two permanent magnets that are polarized in the axial direction and face each other. Even in this device, a strong reversal of the axial magnetic field and a relatively strong rise of the magnetic field at the boundary occur in the electron beam region of the gyrotron.
【０００５】全ての電子が同一の初期条件を有している
ならば、エミッタ領域内で磁界が強力に上昇しても構わ
ないし、更には、実効性の小さいエミッタリングを使用
すことさえも構わないが、エミッタリング及び磁界を、
精確に調整しなければならない。If all the electrons have the same initial conditions, the magnetic field may rise strongly in the emitter region, or even a less effective emitter ring may be used. But not the emitter ring and magnetic field,
It has to be adjusted precisely.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】コレクタでの逆転磁場
は、コレクタの設計の際に制約となり、殊に、バイアス
されたコレクタでは制約となる。Reversed magnetic fields at the collector become a constraint in the design of the collector, especially in a biased collector.
【０００７】技術的に考えると、当時のジャイロトロン
の電気効率は、５０％に達成していた（サイクロトロン
周波数の第１高調波での作動の場合）。この電気効率を
更に一層上昇させることは、少なくとも当時は、緊急の
課題ではなかった。何れにせよ、ジャイロトロンは、産
業的な用途、例えば、表面皮膜被着技術及びセラミック
焼結技術等の用途のために関心がもたれており、従っ
て、効率を比較的高くするという問題、及び、それと関
連して、所要冷却電力を比較的低くするという問題並び
に材料コストを比較的小さくするという問題も科学技術
的に重要である。From a technical point of view, the electrical efficiency of the gyrotron at that time had reached 50% (when operating at the first harmonic of the cyclotron frequency). Raising this electrical efficiency even further was not an urgent task, at least back then. In any case, gyrotrons are of interest for industrial applications, such as surface coating deposition technology and ceramic sintering technology, and thus the problem of relatively high efficiency, and In connection therewith, the problem of relatively low cooling power required and the problem of relatively low material cost are also technologically important.
【０００８】そのようなジャイロトロンのパラメータ
は、低電力（例えば、１０ｋＷ）の場合の比較的低い周
波数である。大きな効率損失が、相互作用空間として使
用されるジャイロトロン共鳴部で生じ、最大の冷却用電
力消費がコレクタで生じ、２番目に大きな冷却用電力消
費が、常伝導磁石で作動するジャイロトロンの場合、各
磁石で生じる。磁石での損失は、永久磁石に取り替える
ことによって、極端に低減することができる。The parameter of such a gyrotron is the relatively low frequency at low power (eg 10 kW). In the case of a gyrotron operating with a normal conduction magnet, a large efficiency loss occurs in the gyrotron resonance part used as an interaction space, and a maximum cooling power consumption occurs in the collector. , Occur in each magnet. The loss in the magnet can be extremely reduced by replacing it with a permanent magnet.
【０００９】そこで、本発明の目的は、コスト高な電流
作動型ジャイロトロン磁気装置（例えば、慣用の電磁
石、又は、超伝導電磁石）を、ジャイロトロン管自体の
構成を改造するための手段を必要とせずに、メインテナ
ンス不要の永久磁石装置に取替えることにある。Therefore, an object of the present invention is to provide a means for modifying the structure of the gyrotron tube itself from a costly current-operated gyrotron magnetic device (for example, a conventional electromagnet or a superconducting electromagnet). Instead, it is to replace with a permanent magnet device that does not require maintenance.
【００１０】つまり、本発明の課題は、従来使用されて
いた超伝導磁石又は常伝導磁石を永久磁石装置に取り替
えて、その際、この永久磁石（従来構成されていた永久
磁石装置とは別）を、ジャイロトロン管に関して付加的
に基礎研究的乃至構成的に作業する必要がなく、また、
従来入手することができたジャイロトロンの構造を更に
改良して使用する（例えば、バイアスされたコレクタと
の装着）ことが制約を受けることもなく、又は、そのこ
とが不可能でもないようにすることにある。付加的に、
ジャイロトロン内での電子ビームの反射及び電子ビーム
の不安定性を回避する必要がある。That is, the object of the present invention is to replace the conventionally used superconducting magnet or normal conducting magnet with a permanent magnet device, and at this time, this permanent magnet (separate from the conventionally configured permanent magnet device). Does not require additional basic research or constructive work on the gyrotron tube, and
No further restrictions on the use of previously available gyrotron structures (eg mounting with biased collectors) are possible or impossible. Especially. Additionally,
There is a need to avoid electron beam reflections and electron beam instabilities within the gyrotron.
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】この課題は、本発明によ
ると請求項１の各特徴要件によって解決される。This object is achieved according to the invention by the features of claim 1.
【００１２】半径方向に極性付けられた中央の環状磁
石、コレクタ領域の方向に向かって上方に電子ビームを
案内するように、軸線方向に極性付けられた環状磁石、
及び、中央の環状磁石の反対側の端面に装着されてい
て、磁界の流出を阻止する環状磁石装置によって、電子
ビーム領域内で所望の磁界経過特性が基本的に形成され
る。所要の磁界経過特性に基づいて、永久磁石の幾何学
的形状が計算機を用いて決定される。強逆転磁場は、全
く生じないか、又は、強逆転磁場が生じたとしても、エ
ミッタの後方延長部内の電子ビーム領域の外側でしか生
じず、容易に補償することができる。従来技術の磁石装
置で生じていた磁界の第２の逆転は回避され、又は、そ
の振幅があまり影響を及ぼさないようにすることができ
る。磁気装置の機械的な取付けは、技術的に公知の手段
である。A centrally magnetized radial magnet, an annular magnet axially polarized so as to guide the electron beam upwards in the direction of the collector region,
A desired magnetic field profile is basically formed in the electron beam region by means of an annular magnet device which is mounted on the opposite end face of the central annular magnet and blocks the outflow of the magnetic field. Based on the required magnetic field profile, the geometry of the permanent magnet is determined using a computer. No strong reversal field occurs, or even if a strong reversal field occurs, it only occurs outside the electron beam region in the rear extension of the emitter and can be easily compensated. The second reversal of the magnetic field, which occurs in prior art magnet arrangements, can be avoided or its amplitude can be less affected. Mechanical attachment of magnetic devices is a means known in the art.
【００１３】請求項２は、極めて簡単な構成、即ち、対
称的な構成であって、何れにせよ、永久磁石装置の材料
強化された構成を示す。Claim 2 shows a very simple construction, namely a symmetrical construction, in any case, a material-reinforced construction of the permanent magnet arrangement.
【００１４】請求項３は、電子ビーム領域外に、強逆転
磁場（しかし、何等影響はない）が発生されるような、
材料を節約した永久磁石装置の非対称的な構成を示す。According to claim 3, a strong reversal magnetic field (but no influence) is generated outside the electron beam region.
3 shows an asymmetrical construction of a material-saving permanent magnet device.
【００１５】エミッタ領域内の軸線方向に極性付けられ
た簡単な永久磁石を用いて、軸線方向のエミッタ一様磁
界（軸線方向共鳴一様磁界よりも著しく弱い）が形成さ
れる（請求項５）。A simple axially polarized permanent magnet in the emitter region is used to form an axial emitter uniform magnetic field (significantly weaker than the axial resonant uniform magnetic field). .
【００１６】磁界の補正及び磁束の凝縮のために、電流
作動型ソレノイド及び軟鉄構造群が使用される（請求項
６及び７）。更に公知の、軸線方向一様磁界の補正手段
は、シフト可能なソレノイドによって達成することがで
きる。Current-operated solenoids and soft iron structures are used for magnetic field correction and magnetic flux condensation (claims 6 and 7). The further known means for correcting the axially uniform magnetic field can be achieved by a shiftable solenoid.
【００１７】次に、本発明の装置について図１〜図６を
用いて説明する。Next, the apparatus of the present invention will be described with reference to FIGS.
【００１８】[0018]
【実施例】図６には、静磁界の発生用の本発明による装
置を有するジャイロトロンの基本的な構成が示されてい
る。FIG. 6 shows the basic construction of a gyrotron with a device according to the invention for generating a static magnetic field.
【００１９】図６のジャイロでは、電子が、ホールビー
ムとして螺旋上の経路で（静磁界により案内されて）キ
ャノンから共鳴部に伝播され、この共鳴部から離れて
「使用済み」ビームとしてコレクタに達し、このコレク
タでは、発生熱が排出される必要がある。In the gyro of FIG. 6, electrons are propagated as a Hall beam in a spiral path (guided by a static magnetic field) from the cannon to the resonance and away from the resonance to the collector as a "used" beam. Reached and at this collector the generated heat needs to be exhausted.
【００２０】電子ホールビームＲの半径Ｒは、以下の関
係式による案内磁界Ｂにより決められる。即ち： ＢＲ２＝ｃｏｎｓｔ （これに対して、及び以下に対して、刊行物”Ｇｙｒｏ
ｔｒｏｎ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ，Ｔｈｅｉｒ Ｐｒ
ｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ”Ｃ．
Ｊ．Ｅｄｇｃｏｍｂｅ，Ｔａｙｌｏｒ ＆ Ｆｒａｎｃ
ｉｓ著，１９９３年刊；殊に第５章．Ｂ．Ｐｉｏｓｃｙ
ｋ参照） 所定の速度比α及び共鳴部内の磁界及び選択
可能な（トライオード）圧縮比（各ホールビーム半径の
比）又は固定された（ダイオード）圧縮比（各ホールビ
ーム半径の比）の場合、エミッタでの軸線方向磁界も決
定されている。螺旋状経路で伝播される電子の場合、横
方向速度成分と軸線方向速度成分との比 α＝ｖ⊥／ｖ││ は、式 ｖ⊥２／Ｂ＝ｃｏｎｓｔ により決定される。横方向速度が全速度に達すると、電
子ビームは反射される（磁気鏡効果）。The radius R of the electron hole beam R is determined by the guide magnetic field B according to the following relational expression. BR 2 = const (for this and for the publication "Gyro
tron Oscillators, Their Pr
inciples and Practice "C.
J. Edgcombe, Taylor & Franc
Is, 1993; especially Chapter 5. B. Bioscy
k)) For a given velocity ratio α and magnetic field in the resonance and selectable (triode) compression ratio (ratio of each hole beam radius) or fixed (diode) compression ratio (ratio of each hole beam radius), The axial magnetic field at the emitter is also determined. For electrons propagating in a spiral path, the ratio α = v⊥ / v││ of the lateral velocity component to the axial velocity component is determined by the equation v⊥ 2 / B = const. When the lateral velocity reaches the full velocity, the electron beam is reflected (magnetic mirror effect).
【００２１】この静磁界は、電子ビームの案内のために
使用するのみならず、式 ωｃ＝ｅＢ／ｍ によって、共鳴部内での電子のサイクロトロン周波数を
決定する。ｍは、電荷ｅの電子の相対的な質量である。
Ｂは、磁束密度である。ジャイロトロンにより発生され
る周波数は、 ω＝ｎωｃ である。This static magnetic field is not only used for guiding the electron beam, but also determines the cyclotron frequency of the electron in the resonance by the formula ω c = eB / m. m is the relative mass of the electrons of charge e.
B is the magnetic flux density. The frequency generated by the gyrotron is ω = nω c .
【００２２】ｎは、整数であり、サイクロトロン高調波
の次数として示されている。３０ＧＨｚでのマイクロ波
出力を発生するジャイロトロンの場合、所要磁界は、第
１高調波では、ほぼ１．１Ｔの大きさであり、第２高調
波では、ほぼ０．５５Ｔの大きさである。ジャイロトロ
ンの軸線に沿って形成される磁界は、図５に示されてい
る。N is an integer and is shown as the order of the cyclotron harmonic. In the case of a gyrotron that produces a microwave output at 30 GHz, the required magnetic field is of the order of 1.1T for the first harmonic and 0.55T for the second harmonic. The magnetic field created along the axis of the gyrotron is shown in FIG.
【００２３】超伝導体での磁界の形成のためには、装置
に高いコストが掛かり、更に、作動中定常的にヘリウム
又は窒素を必要とする。通常導体の磁石での磁界の形成
のためには、高い接続及び冷却電力を必要とする。各磁
石のエネルギ消費は、発生電力に比して無視することが
できない。The formation of the magnetic field in the superconductor is expensive in terms of equipment and additionally requires a constant helium or nitrogen during operation. The formation of a magnetic field in a normally conductive magnet requires high connections and cooling power. The energy consumption of each magnet cannot be ignored compared to the generated power.
【００２４】永久磁石での磁界形成の際には、従来の種
々の装置の場合、基本的な問題が生じていた。この装置
は、基本的に、軸線方向に極性付けられた真中の磁石と
半径方向に極性付けられた２つの磁石とから構成されて
いる（刊行物Ｉｎｔ．Ｊ．ｏｆ Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａ
ｎｄ Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ Ｗａｖｅｓ，Ｋｕｆｔｉ
ｎ．Ｆｉｇ．３参照）。その種の装置の欠点は、軸線上
での磁力線のゼロ点通過が生じること、及び、利用しな
い磁界（比較的悪い効率）が生じること、並びに、磁界
が端部で急峻に低下することにある。このような、端部
での磁界の急峻な低下は、エミッタ側の場合、調整ジャ
イロトロン−磁石が臨界状態となり、実効エミッタ幅が
制限されるという欠点を有している。磁力線のゼロ点通
過の結果、負磁界が増大して、軸線に沿って電子ビーム
が反射されることがあり（磁気鏡効果）、コレクタを構
成することは困難になる（エネルギを回復するようにバ
イアスされたコレクタを使用することは実際上不可能で
あるので）。When forming a magnetic field with a permanent magnet, a basic problem has occurred in various conventional devices. This device basically consists of an axially polarized middle magnet and two radially polarized magnets (publication Int. J. of Infrared a).
nd Millimeter Waves, Kufti
n. FIG. 3). Disadvantages of such a device are that there is a zero-point passage of the magnetic field lines on the axis, there is an unused magnetic field (relatively poor efficiency), and the magnetic field drops sharply at the edges. . Such a sharp decrease of the magnetic field at the end has a drawback that the adjusting gyrotron magnet is in a critical state on the emitter side and the effective emitter width is limited. As a result of the zero point passage of the lines of magnetic force, the negative magnetic field increases and the electron beam can be reflected along the axis (magnetic mirror effect), making it difficult to configure the collector (to recover energy). It is practically impossible to use a biased collector).
【００２５】しかし、効率を高めるためには、バイアス
されたコレクタを使用することは不可欠である。電子の
取り出しエネルギと、元のエネルギとの比は、電気効率
ｎｅｌである。全効率は、ビームを、バイアスされたコ
レクタに衝突させることができるようにして高めること
ができ、それにより、使用済みのビームのエネルギの一
部分を効率ｎｃで回復することができる。バイアスされ
たコレクタを用いるジャイロトロンの全効率は、ｎ ＝ｎｅｌ／｛１−ｎｃ（１−ｎｅｌ）｝ である。バイアスされたコレクタを使用することは、電
子ビーム路に沿った軸線方向案内磁界の極性の逆転によ
り実際には不可能であり、又は、きわめて困難である。However, the use of a biased collector is essential for increased efficiency. The ratio of the electron extraction energy to the original energy is the electrical efficiency
n el. The overall efficiency can be increased by allowing the beam to impinge on a biased collector, which allows a portion of the energy of the used beam to be recovered with an efficiency n c. Overall efficiency of a gyrotron using biased collector is n = n el / {1- n c (1- n el)}. The use of biased collectors is practically impossible or extremely difficult due to the reversal of the polarity of the axial guiding field along the electron beam path.
【００２６】キャノン側では、層状カソードを使用出来
るようにするため、及び、調整の問題を小さくしておく
ために、カソード領域内では、軸線方向磁界を局所的に
一定にしておかなければならない（図５）。On the Canon side, the axial magnetic field must be kept locally constant in the cathode region in order to be able to use a layered cathode and to keep the adjustment problem small ( Figure 5).
【００２７】図６には、ジャイロトロンの原理的な該略
構成が示されている。つまり、ジャイロトロンに関して
の本質的技術思想は、刊行物マインケ・グルントラッハ
著”Ｔａｓｃｈｅｎｂｕｃｈ ｄｅｒ ＨＦ−Ｔｅｃｈ
ｎｉｋ”第Ｍ８２頁以下を参照するとよい。FIG. 6 shows the schematic construction of the gyrotron in principle. In other words, the essential technical idea regarding the gyrotron is described in "Taschenbuch der HF-Tech" by Maine Grundlach, a publication.
See “nik”, page M82 et seq.
【００２８】図５には、既述のように、ジャイロトロン
領域（エミッタ、圧縮部、共鳴部、減圧部及びコレク
タ）内での所望の軸線方向一様磁界の経過特性が示され
ている。磁束密度の波動状の経過特性は、設計に応じ
て、つまり、永久磁石での内部マントル状面の構造によ
り多少誘発される（ドイツ連邦共和国特許出願第４２３
６１４９号公報参照）。FIG. 5 shows the characteristics of the desired uniform magnetic field in the axial direction in the gyrotron region (emitter, compression section, resonance section, decompression section and collector), as described above. The wavelike profile of the magnetic flux density is somewhat dependent on the design, that is to say by the structure of the inner mantle-like surface with permanent magnets (German patent application 423).
(See Japanese Patent No. 6149).
【００２９】エミッタ領域内の磁界強度は、共鳴部領域
内での軸線方向一様磁界のほぼ５〜２５％である。The magnetic field strength in the emitter region is approximately 5 to 25% of the axial uniform magnetic field in the resonance region.
【００３０】図１には、永久磁石装置の対称的な構成の
うち右半部だけが計算機によるプリントアウトとして示
されている（ジャイロトロンにとって重要な磁力線経過
特性が示されている）。半径方向に極性化された中央の
磁石（ここでは、図示の軸線方向の半部）は、保持部
（軸線方向に極性付けられた右側の磁石は図示されてい
ない）を介して共通円錐面に亘って接触している。ジャ
イロトロン領域内には、従って、磁力線のゼロ点通過
は、全く生じないか、殆ど生じず、必要ならば、容易に
補償し得る。磁束全体は、ｚ軸線方向に対して回転対称
である。In FIG. 1, only the right half of the symmetrical construction of the permanent magnet arrangement is shown as a computer printout (the magnetic field curve characteristic important for the gyrotron is shown). The central, radially polarized magnet (here, the axial half shown) is connected to a common conical surface via a retainer (the right axially polarized magnet is not shown). They are in contact with each other. Within the gyrotron region, therefore, zero-point crossing of the magnetic field lines does not occur or hardly occurs and can easily be compensated if necessary. The entire magnetic flux is rotationally symmetrical with respect to the z-axis direction.
【００３１】ｚ軸（従って、部分的にジャイロトロン軸
線）に依存する一様磁界の経過特性は、図２に示されて
いる。この磁束密度の経過特性は、軸原点に対して点対
称であり、従って、そこには、一つしか磁力線のゼロ点
通過（澱み点）つまり逆転磁場を有していない。従っ
て、図１に示された半径方向に極性付けられた永久磁石
半部及びそこから右側に接続された軸線方向に極性付け
られた永久磁石は、基本的に、一様磁界をゼロ点通過な
しにジャイロトロン領域内に形成するのに適している。
エミッタ領域では、比較的弱い一様磁界しかない。局所
的な磁界経過特性は、ゼロ点通過に対して対照的であ
る。従って、エミッタ領域の後側の永久磁石材料の半部
は、利用されない。The characteristic of a uniform magnetic field which depends on the z-axis (and thus partially on the gyrotron axis) is shown in FIG. This characteristic of the magnetic flux density is point-symmetric with respect to the origin of the axis, so that there is only one zero-point passage (stagnation point) of the magnetic field lines, that is, a reversal magnetic field. Thus, the radially polarized permanent magnet halves shown in FIG. 1 and the axially polarized permanent magnets connected to the right from them essentially have no uniform zero field crossing. Suitable for forming in the gyrotron region.
In the emitter region, there is only a relatively weak uniform magnetic field. The local magnetic field profile is in contrast to the zero point passage. Therefore, half of the permanent magnet material behind the emitter region is unused.
【００３２】図３図の磁石装置は、ジャイロトロンでの
一様磁界経過特性の要求を極めて良好に満たし、このよ
うな特性のものを用いると、特に、磁石材料を節約する
ことができる。この磁石装置は、半径方向に極性付けら
れた、中央の各環状永久磁石から構成されている。図の
右側（補正側）には、軸線方向に極性付けられた環状永
久磁石が続いている。左側には、磁界の流出を阻止する
磁石装置が続いている。このような幾何学的な構成形態
により、ジャイロトロン領域内での所要の単一極性の磁
界構造が可能となる。エミッタ領域内での低一様磁界
は、矩形の長手方向断面を有する軸線方向に極性付けら
れた環状の小さな永久磁石を重畳することにより完全に
達成される。The magnet arrangement of FIG. 3 fulfills the requirements of uniform field profile in a gyrotron very well, and with such a characteristic, the magnet material can be saved in particular. The magnet system is composed of radially centered, central annular permanent magnets. On the right side (correction side) of the figure is an annular permanent magnet which is polarized in the axial direction. On the left side is a magnet system that blocks the outflow of the magnetic field. Such a geometrical configuration enables the required unipolar magnetic field structure in the gyrotron region. A low uniform magnetic field in the emitter region is achieved completely by superimposing small axially polarized annular permanent magnets having a rectangular longitudinal cross section.
【００３３】強度及び符号の経過特性が、位置に依存し
て、図４に示されている。エミッタの後側に離隔して、
つまり、ジャイロトロンの外側の図面の左側に、不可避
な凝縮された強逆転磁場が生じている。ジャイロトロン
領域のエミッタ、圧縮部、共鳴部、減縮部及びコレクタ
が示されている。このようにして、エミッタ領域内の一
様磁界、共鳴部内の高い一様磁界及びコレクタ領域内の
ほぼゼロに戻る一様磁界が形成される。The intensity and code profiles are shown in FIG. 4, depending on the position. Behind the emitter,
In other words, an unavoidable condensed strong reversal magnetic field is generated on the left side of the drawing outside the gyrotron. The gyrotron region emitter, compression section, resonance section, reduction section and collector are shown. In this way, a uniform magnetic field in the emitter region, a high uniform magnetic field in the resonance region and a uniform magnetic field in the collector region returning to almost zero are formed.
【００３４】磁界は、また、比較的完全に磁石装置の中
空孔を通るようにされている。軸線方向磁界の符号の逆
転は、ジャイロトロン領域内では起こらないか、又は、
僅かな強度でしか起こらず、しかも、但一回限りであ
る。従って、エミッタからの電子ビームは、コレクタに
至る迄安定して案内され得る。The magnetic field is also intended to be relatively completely through the hollow holes of the magnet system. The sign reversal of the axial magnetic field does not occur within the gyrotron region, or
It occurs only with a small amount of strength, and only once. Therefore, the electron beam from the emitter can be stably guided to the collector.
【００３５】内部マントル状面での精密構造化によっ
て、共鳴部中央では、一定又は所定の波動磁界が形成さ
れる。エミッタの領域内（図５参照）及びコレクタの領
域内に、付加的に軸線方向に極性付けられた磁石によっ
て、空間的に（局所的に）一定の磁界が形成される。弱
磁界のゼロ点通過は、そのようにして抑制され得る。Due to the fine structuring on the inner mantle-like surface, a constant or predetermined wave magnetic field is formed at the center of the resonance part. In the area of the emitter (see FIG. 5) and in the area of the collector, a spatially (locally) constant magnetic field is formed by additionally axially polarized magnets. The zero-point crossing of the weak magnetic field can be suppressed in that way.
【００３６】弱電磁石との結合により、磁界の調整を達
成することができ、又は、別の材料を節約することも達
成できる。適合調整のための別の手段は、半径方向及び
／又は軸線方向にシフト可能な磁石である。Coupling with a weak electromagnet can achieve a regulation of the magnetic field or can also save another material. Another means for adaptive adjustment is a radially and / or axially shiftable magnet.
【００３７】[0037]
【発明の効果】コスト高な電流作動型ジャイロトロン磁
気装置（例えば、慣用の電磁石、又は、超伝導電磁石）
を、ジャイロトロン管自体の構成を改造するための手段
を必要とせずに、メインテナンス不要の永久磁石装置に
取替えることができる。ジャイロトロン内での電子ビー
ムの反射及び電子ビームの不安定性を回避することがで
きる。EFFECT OF THE INVENTION Cost-effective current-operated gyrotron magnetic device (for example, conventional electromagnet or superconducting electromagnet)
Can be replaced with a permanent magnet device that does not require maintenance, without requiring any means for modifying the configuration of the gyrotron tube itself. Electron beam reflection and electron beam instability within the gyrotron can be avoided.
【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]
【図１】永久磁石装置の対称的な構成（静磁場の発生用
の本発明による装置の基本的構成及び軸線に沿った磁
場）を示す。1 shows a symmetrical configuration of a permanent magnet device (basic configuration of the device according to the invention for generating a static magnetic field and the magnetic field along the axis).
【図２】ｚ軸（従って、部分的にジャイロトロン軸線）
に依存する一様磁界の経過特性を示す。FIG. 2 z-axis (and thus partially the gyrotron axis)
The characteristic of the uniform magnetic field depending on is shown.
【図３】ジャイロトロンでの一様磁界経過特性の要求を
極めて良好に満たす磁石装置を示す。FIG. 3 shows a magnet arrangement which very well fulfills the requirements for a uniform magnetic field profile in a gyrotron.
【図４】位置に依存する強度及び符号の経過特性を示
す。FIG. 4 shows a position-dependent intensity and code profile.
【図５】ジャイロトロン領域（エミッタ、圧縮部、共鳴
部、減縮部及びコレクタ）内での所望の、ジャイロトロ
ン軸線方向の一様磁界の経過特性を示す。FIG. 5 shows the desired characteristics of the uniform magnetic field in the gyrotron axial direction in the gyrotron region (emitter, compression part, resonance part, reduction part and collector).
【図６】静磁場発生用の本発明による装置を有するジャ
イロトロンの原理的な該略構成を示す。FIG. 6 shows in principle the schematic construction of a gyrotron with a device according to the invention for generating a static magnetic field.
【符号の説明】 １ 陰極、 ２ 加速陽極、 ３ 加速陽極、 ７ 磁
石装置、 ８ ジャイロトロン軸線、 ９ エミッタ、
１０ 圧縮領域、 １１ 共鳴領域、 １２減縮領
域、 １３ コレクタ領域、 １４ 半径方向偏波、
１５ 軸線方向偏波、 １６ 磁力線、 １７ 真空容
器[Explanation of reference numerals] 1 cathode, 2 acceleration anode, 3 acceleration anode, 7 magnet device, 8 gyrotron axis, 9 emitter,
10 compression region, 11 resonance region, 12 reduction region, 13 collector region, 14 radial polarization,
15 axial polarization, 16 magnetic field lines, 17 vacuum vessel
【手続補正２】[Procedure amendment 2]
【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing
【補正対象項目名】全図[Correction target item name] All figures
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【図１】 FIG.
【図２】 [Fig. 2]
【図３】 [Figure 3]
【図４】 FIG. 4
【図５】 [Figure 5]
【図６】 FIG. 6
Claims (7)
ための、ジャイロトロン用の軸線方向一様磁界の形成用
磁気装置において、共鳴領域内に軸線方向一様磁界を形
成するための磁気装置は、永久磁石装置であり、該永久
磁石装置は、半径方向に極性付けられた中央の環状磁石
と、該環状磁石の一方の端面方向にコレクタを装着し
た、軸線方向に極性付けられた環状磁石と、他方の端面
に装着された環状磁石装置とから構成されており、前記
環状磁石装置は、磁界の流出を阻止する部分装置であ
り、前記永久磁石装置の各部分磁石は、該各部分磁石の
相互に対向し合った各面において直接接触し合ってお
り、前記各環状磁石の幾何学的形状及び該各環状磁石相
互の、前記共鳴領域内での機械的取付けによって、一定
又は所定の波動磁界が形成されて、コレクタ及びエミッ
タ領域内に至る迄、軸線方向での磁界の逆転が全く生じ
ないか、又は、どんな場合でも容易に補償することがで
きる程度にしか生じないようにされ、軸線方向の一様磁
界の逆転磁場は、エミッタ領域の延長部において、電子
の飛行経路の領域の外側で生じるようにしたことを特徴
とするジャイロトロン用の軸線方向一様磁界の形成用磁
気装置。1. A magnetic device for forming an axially uniform magnetic field for a gyrotron for guiding electrons emitted from an emitter, the magnetic device for forming an axially uniform magnetic field in a resonance region. A permanent magnet device, wherein the permanent magnet device includes a central annular magnet that is radially polarized, and an axially polarized annular magnet that has a collector mounted on one end face direction of the annular magnet. , The annular magnet device mounted on the other end surface, the annular magnet device is a partial device for blocking the outflow of the magnetic field, each partial magnet of the permanent magnet device, A constant or predetermined wave field that is in direct contact with each other facing each other and is dependent on the geometrical shape of the annular magnets and the mechanical attachment of the annular magnets to each other within the resonance region. Formed It is ensured that no axial reversal of the magnetic field occurs in the axial direction up to the collector and emitter regions, or in any case only to such an extent that it can be easily compensated. A magnetic device for forming a uniform magnetic field in the axial direction for a gyrotron, characterized in that the reversal magnetic field of the magnetic field is generated outside the region of the electron flight path in the extension of the emitter region.
して垂直な軸線に対して対称的である請求項１記載のジ
ャイロトロン用の軸線方向一様磁界の形成用磁気装置。2. A magnetic device for forming an axially uniform magnetic field for a gyrotron according to claim 1, wherein the permanent magnet device is symmetrical about an axis perpendicular to one axis of the device.
り、延長されたエミッタ領域内の、電子ビーム発生部の
外側に、強逆転磁場を発生する請求項１記載のジャイロ
トロン用の軸線方向一様磁界の形成用磁気装置。3. The axial direction for a gyrotron according to claim 1, wherein the permanent magnet device is constructed asymmetrically and generates a strong reversal magnetic field outside the electron beam generator in the extended emitter region. Magnetic device for forming uniform magnetic field.
に極性付けられた環状磁石は、構造化された内部マント
ル状面を有しており、それにより、共鳴領域内の一様磁
界の経過特性が所定の微細構造を有するようにされてい
る請求項２及び３記載のジャイロトロン用の軸線方向一
様磁界の形成用磁気装置。4. The axially polarized annular magnet extending in the collector direction has a structured inner mantle-like surface, whereby a uniform magnetic field in the resonance region is generated. 4. A magnetic device for forming a uniform magnetic field in an axial direction for a gyrotron according to claim 2, wherein the transition characteristic has a predetermined fine structure.
られた環状永久磁石を設け、該環状永久磁石の重畳によ
り、エミッタ領域内では比較的弱いが、局所的に一定の
一様磁界が形成されるようにした請求項４記載のジャイ
ロトロン用の軸線方向一様磁界の形成用磁気装置。5. An annular permanent magnet polarized in the axial direction is provided in the emitter region, and by superposition of the annular permanent magnets, a uniform uniform magnetic field is formed locally in the emitter region, though it is relatively weak. 5. A magnetic device for forming a uniform magnetic field in the axial direction for a gyrotron according to claim 4.
なくとも一つの電流作動型ソレノイドが、永久磁石装置
と組み合わせられている請求項５記載のジャイロトロン
用の軸線方向一様磁界の形成用磁気装置。6. The formation of an axially uniform magnetic field for a gyrotron according to claim 5, wherein at least one current-operated solenoid is combined with a permanent magnet arrangement for the correction of the axial magnetic field strength. Magnetic device.
ャイロトロン領域内での磁束の案内のために、軟鉄製構
造体が永久磁石装置に取り付けられている請求項５記載
のジャイロトロン用の軸線方向一様磁界の形成用磁気装
置。7. A gyrotron for a gyrotron according to claim 5, wherein a soft-iron structure is attached to the permanent magnet arrangement for the purpose of correcting the magnetic field profile in the axial direction and guiding the magnetic flux in the gyrotron region. Magnetic device for forming uniform axial magnetic field.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7196833A JPH0945253A (en) | 1995-08-01 | 1995-08-01 | Magnetic device for gyrotron |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7196833A JPH0945253A (en) | 1995-08-01 | 1995-08-01 | Magnetic device for gyrotron |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0945253A true JPH0945253A (en) | 1997-02-14 |
Family
ID=16364432
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7196833A Pending JPH0945253A (en) | 1995-08-01 | 1995-08-01 | Magnetic device for gyrotron |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0945253A (en) |
-
1995
- 1995-08-01 JP JP7196833A patent/JPH0945253A/en active Pending
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