JPH10269957A - Gyrotron device - Google Patents

Gyrotron device

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JPH10269957A
JPH10269957A JP7245897A JP7245897A JPH10269957A JP H10269957 A JPH10269957 A JP H10269957A JP 7245897 A JP7245897 A JP 7245897A JP 7245897 A JP7245897 A JP 7245897A JP H10269957 A JPH10269957 A JP H10269957A
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magnetic field
gyrotron
electromagnet
generating
gradient magnetic
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Toshiyuki Kikunaga
敏之 菊永
Hiroyuki Asano
啓行 浅野
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To realize highly efficient oscillation without increasing the cost of a gyrotron, and provide a gyrotron capable of easily operating. SOLUTION: A gyrotron device 300 consists an electron gun 1, a cavity resonator 6, a collector 7, an output window 8, a main magnetic field generating electromagnet 11 for generating a magnetic field in the vicinity of the cavity resonator 6, and inclined magnetic field generating electromagnets 20a, 20b. The inclined magnetic field generating electromagnets 20a, 20b, when the device 300 oscillates the specified frequency, generate a magnetic field of 10% or less of the axial direction flux density in the central part of the cavity resonator 6, and desirable axial direction magnetic field distribution is generated on the inside and in the vicinity of the cavity resonator 6 by the magnetic field.

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】この発明は、電子ビームと空
胴共振器の固有モードの高周波電磁場との間の電子サイ
クロトロン共鳴メーザ作用を利用し、マイクロ波または
ミリ波を発生するジャイロトロン装置に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gyrotron apparatus for generating microwaves or millimeter waves by utilizing an electron cyclotron resonance maser effect between an electron beam and a high-frequency electromagnetic field in the eigenmode of a cavity resonator. It is.

【0002】[0002]

【従来の技術】電子ビームと空胴共振器の固有モードの
高周波電磁場との間の電子サイクロトロン共鳴メーザ相
互作用を利用したジャイロトロン装置は、例えば、特開
昭56−102045号公報に示されている。このよう
な従来のジャイロトロン装置の概略を図12に示す。図
12は従来の3極型電子銃を用いたジャイロトロン装置
を示す断面図であり、図において、101は電子ビーム
109を取り出す電子銃であり、102はカソード、1
03はカソード102上の電子放出部、104は第1ア
ノード、105は第2アノードで、通常、接地電位であ
る。106は電子ビーム109と高周波電磁場とが共鳴
的に相互作用を起こし、高周波110を発生する空胴共
振器、107は相互作用を終えた電子ビーム109を回
収するコレクタ、108は高周波110を取り出す出力
窓であり、ジャイロトロン装置300はこれら電子銃1
01、空胴共振器106、コレクタ107、出力窓10
8等からなるジャイロトロン200と、電子ビーム10
9に旋回運動を与えるため、ジャイロトロン200の軸
方向に磁場を発生する主磁場発生用電磁石111と電子
銃磁場発生用電磁石112とにより構成されている。こ
の主磁場発生用電磁石111、電子銃磁場発生用電磁石
112には、超電導電磁石、または常電導電磁石、ある
いはその両方を用いた電磁石が使用されている。
2. Description of the Related Art A gyrotron device utilizing an electron cyclotron resonance maser interaction between an electron beam and a high-frequency electromagnetic field in the eigenmode of a cavity resonator is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 56-102045. I have. FIG. 12 schematically shows such a conventional gyrotron device. FIG. 12 is a cross-sectional view showing a gyrotron device using a conventional tripolar electron gun. In the figure, 101 is an electron gun for extracting an electron beam 109, 102 is a cathode, and 1 is a cathode.
03 is an electron emission portion on the cathode 102, 104 is a first anode, and 105 is a second anode, which is usually a ground potential. Reference numeral 106 denotes a cavity resonator in which an electron beam 109 and a high-frequency electromagnetic field interact with each other in a resonant manner to generate a high frequency 110; 107, a collector for recovering the electron beam 109 after the interaction; 108, an output for extracting the high frequency 110 The gyrotron device 300 is a window.
01, cavity resonator 106, collector 107, output window 10
Gyrotron 200 composed of an electron beam 10 and the like
9 is provided with a main magnetic field generating electromagnet 111 and an electron gun magnetic field generating electromagnet 112 for generating a magnetic field in the axial direction of the gyrotron 200 in order to give a turning motion. As the electromagnet 111 for generating the main magnetic field and the electromagnet 112 for generating the magnetic field of the electron gun, an electromagnet using a superconductive electromagnet, a normal electroconductive magnet, or both of them is used.

【0003】次に動作について説明する。電子銃101
のカソード102上の電子放出部103から射出された
電子ビーム109は、カソード102と第1アノード1
04との間の電界により加速され、電子銃磁場発生用電
磁石112によって発生された磁場により、旋回運動し
ながら軸方向にドリフトする。そしてさらに、主磁場発
生用電磁石111によって発生された強力な磁場によっ
て電子ビーム109は圧縮され、電子は磁場に対して垂
直方向の速度を増大させ、磁場に対して平行方向の速度
を減少させながら、空胴共振器106に入る。主磁場発
生用電磁石111が発生する軸方向磁場によってサイク
ロトロン運動している電子は、空胴共振器106におけ
る固有モードの高周波電磁場とサイクロトロン共鳴メー
ザ相互作用し、電子の磁場に対して垂直方向の速度成分
によるエネルギーの一部は、高周波エネルギーに変換さ
れる。空胴共振器106で相互作用を終えた電子ビーム
109は、コレクタ107に回収され、空胴共振器10
6で励起された高周波110は、出力窓108を透過し
て外部に取り出される。
Next, the operation will be described. Electron gun 101
The electron beam 109 emitted from the electron emission portion 103 on the cathode 102 of the
The magnetic field generated by the electron gun magnetic field generating electromagnets 112 is accelerated by an electric field between the electron guns 04 and drifts in the axial direction while rotating. Further, the electron beam 109 is compressed by the strong magnetic field generated by the main magnetic field generating electromagnet 111, and the electrons increase their speed in the direction perpendicular to the magnetic field and decrease the speed in the direction parallel to the magnetic field. Enters the cavity resonator 106. The electrons that are cyclotron-moving by the axial magnetic field generated by the main magnetic field generating electromagnet 111 interact with the high-frequency electromagnetic field of the eigenmode in the cavity resonator 106 and the cyclotron resonance maser, and the velocity in the direction perpendicular to the magnetic field of the electrons. Some of the energy from the components is converted to high frequency energy. The electron beam 109 that has completed the interaction with the cavity resonator 106 is collected by the collector 107 and is
The high frequency 110 excited in 6 passes through the output window 108 and is extracted to the outside.

【0004】空胴共振器106において、電子ビーム1
09のエネルギーが効率的に高周波のエネルギーに変換
されるのは、次式が成り立つ時である。 ω−kzz ≒>sΩc (1) ここでωは、空胴共振器106における固有モードの電
磁場の共振角周波数、kz は固有モードの軸方向波数、
z は電子の軸方向速度、sは高調波次数、Ωc は相対
論的効果を考慮した電子のサイクロトロン角周波数、≒
>はω−kzz よりsΩc が僅かに小さいことを示
す。
In the cavity resonator 106, the electron beam 1
09 is efficiently converted to high-frequency energy when the following equation is satisfied. ω−k z v z ≒> sΩ c (1) where ω is the resonance angular frequency of the eigenmode electromagnetic field in the cavity resonator 106, k z is the axial wavenumber of the eigenmode,
v z is the axial velocity of the electron, s is the harmonic order, Ω c is the cyclotron angular frequency of the electron considering relativistic effects, 効果
> Indicates the Esuomega c be slightly smaller than the ω-k z v z.

【0005】このΩc は、電子の電荷をe(絶対値)、
空胴共振器106内での軸方向磁束密度をB、相対論的
係数をγ、電子の静止質量をm0 とすると次式で与えら
れる。 Ωc =eB/γm0 (2) (1)式から分かるように、電子ビーム109のエネル
ギーが効率的に高周波のエネルギーに変換され、強力な
電磁波が発生するのは、(1)式の右辺が左辺より僅か
に小さい時である。
[0005] This Ω c represents the charge of the electron as e (absolute value),
When the axial magnetic flux density in the cavity resonator 106 is B, the relativistic coefficient is γ, and the static mass of the electrons is m 0 , the following equation is given. Ω c = eB / γm 0 (2) As can be seen from the equation (1), the energy of the electron beam 109 is efficiently converted into high-frequency energy and a strong electromagnetic wave is generated on the right side of the equation (1). Is slightly smaller than the left side.

【0006】また、電子ビーム109の加速電圧をVb
[kV]とすると、相対論的係数γは次式で与えられる。 γ=1+Vb /511 (3) したがって、(3)式より、電子ビーム109の加速電
圧Vbを変えるとγが変わるため、(1)式を満たすた
めには、(2)式より、軸方向磁束密度Bを調整する必
要があることが分かる。
Also, the acceleration voltage of the electron beam 109 is set to V b
[kV], the relativistic coefficient γ is given by the following equation. γ = 1 + V b / 511 (3) Therefore, from equation (3), γ changes when the acceleration voltage V b of the electron beam 109 is changed. Therefore, in order to satisfy equation (1), axis It can be seen that the directional magnetic flux density B needs to be adjusted.

【0007】このようにジャイロトロン装置において
は、磁場が本質的な役割を果たしており、磁場を精度良
く合わせることが、ジャイロトロン装置を効率良く運転
する上で重要となる。
As described above, in the gyrotron device, the magnetic field plays an essential role, and it is important to accurately adjust the magnetic field in order to operate the gyrotron device efficiently.

【0008】次に他の従来例について説明する。図13
は従来の2極型電子銃を用いたジャイロトロン装置を示
す断面図である。上述した図12では、ジャイロトロン
200の電子銃101は、カソード102と第1アノー
ド104、第2アノード105からなる3極型電子銃で
あるが、図13ではカソード102とアノード114か
らなる2極型電子銃が用いられている。通常、2極型電
子銃では、アノード114が接地電位である。2極型電
子銃を用いたジャイロトロン装置は、例えば、雑誌:レ
ディオフィジックス クワンタム エレクトロニクス
(ボリューム.18,第2,1975年,204ペー
ジ)「Radiophys.Quantum Elec
tron.(Vol.18,No2,1975,P.2
04)」に示されている。図12の3極型電子銃も図1
3の2極型電子銃も、ともに中空状の電子ビーム109
を射出し、ジャイロトロン200を動作させる上での働
きは同じである。
Next, another conventional example will be described. FIG.
FIG. 1 is a sectional view showing a gyrotron device using a conventional bipolar electron gun. In FIG. 12 described above, the electron gun 101 of the gyrotron 200 is a three-pole type electron gun including a cathode 102, a first anode 104, and a second anode 105. In FIG. Type electron guns are used. Typically, in a two-pole electron gun, the anode 114 is at ground potential. A gyrotron device using a two-electron electron gun is described in, for example, "Radiophysics. Quantum Elec," magazine: Radiophysics Quantum Electronics (vol. 18, No. 2, 1975, p. 204).
tron. (Vol. 18, No. 2, 1975, P. 2)
04)). The three-pole type electron gun shown in FIG.
3 also has a hollow electron beam 109.
And the operation of operating the gyrotron 200 is the same.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】従来のジャイロトロン
装置は以上のように構成されているので、電子ビーム1
09の加速電圧や電子ビーム電流に応じて、電磁石11
1等に流す電流を調整することによって磁束密度を最適
値に合わせなければならず、非常に手間がかかるほか、
運転コストが高いなどの課題があった。すなわち、
(1)式および(2)式から分かるように、高周波数の
発振を得るためには、空胴共振器106内に高磁場を発
生させる必要があり、例えば、基本波発振(s=1)で
28GHzの周波数の発振を得るためには、約1Tの磁
場が必要であった。
Since the conventional gyrotron device is configured as described above, the electron beam 1
09 according to the accelerating voltage of 09 or the electron beam current.
The magnetic flux density must be adjusted to the optimum value by adjusting the current flowing to 1 etc., and it takes much time and effort.
There were issues such as high operating costs. That is,
As can be seen from Equations (1) and (2), in order to obtain high-frequency oscillation, it is necessary to generate a high magnetic field in the cavity resonator 106. For example, fundamental wave oscillation (s = 1) In order to obtain an oscillation at a frequency of 28 GHz, a magnetic field of about 1 T was required.

【0010】一方、ジャイロトロン装置の運転コストを
下げるためには、ジャイロトロンの発振効率を上げるこ
とが有効であるが、その一手段として、空胴共振器10
6内における軸方向の磁束密度に適当な分布を持たせる
と、当該効率が上がることが理論的に分かっている。例
えば、雑誌「アイイーイーイー トランザクションズオ
ン マイクロウエーブ セオリ アンド テクニクス
ボリューム.エムティティ ハイフン 28,第4,1
980年,318ページ(IEEE Transact
ions on Microwave Theory
and Techniques Vol.MTT−2
8,No4,1980,P.318)には、空胴共振器
の入口と出口で軸方向の磁束密度に10%程度の傾斜を
つけることによって効率が上がることが、計算機シミュ
レーションにより示されている。しかし、図12や図1
3に示した電磁石を用いたジャイロトロン装置におい
て、ジャイロトロンの空胴共振器106内に10%程度
の磁束密度の傾斜をつけることは実際上難しい、という
課題があった。上述したように、ジャイロトロンでは、
動作原理上、空胴共振器106内に高磁場が必要なた
め、かなり大きな電磁石が使用され、通常、ジャイロト
ロンは、空胴共振器106内の軸方向磁束密度をほぼ平
坦な分布にして運転されている。したがって、ジャイロ
トロンの発振周波数に対する自由空間波長の数倍程度の
長さである空胴共振器106の範囲内に、10%程度の
磁束密度の傾斜をつけるためには、図12や図13の2
個(必らずしも2個とは限らない。必要な主磁場が発生
できれば1個でも3個以上でもよい。)の主磁場発生用
電磁石111にそれぞれ異なる電流を流すか、あるいは
異なる巻き数や形状にしておかなければならない。しか
し、前者では複数個の励磁電源が必要で装置として高コ
ストとなり、後者では傾斜磁場分布の微調整が難しいと
いう課題があった。さらに、主磁場発生用電磁石111
の数を3個以上にしても、この状況は変わらない。
On the other hand, in order to reduce the operation cost of the gyrotron device, it is effective to increase the oscillation efficiency of the gyrotron.
It has been theoretically known that if the magnetic flux density in the axial direction in 6 has an appropriate distribution, the efficiency will increase. For example, the magazine “IEE Transactions on Microwave Theory and Technics”
volume. Emtyty Hyphen 28, 4th, 1st
980, p. 318 (IEEE Transact)
ions on Microwave Theory
and Techniques Vol. MTT-2
8, No. 4, 1980, p. 318) shows by computer simulation that the efficiency is improved by giving a gradient of about 10% to the axial magnetic flux density at the entrance and exit of the cavity resonator. However, FIG. 12 and FIG.
In the gyrotron device using the electromagnet shown in FIG. 3, there is a problem that it is practically difficult to provide a magnetic flux density gradient of about 10% in the cavity resonator 106 of the gyrotron. As mentioned above, in the gyrotron,
Due to the principle of operation, a high magnetic field is required in the cavity resonator 106, so a considerably large electromagnet is used. In general, a gyrotron operates with a substantially flat distribution of the axial magnetic flux density in the cavity resonator 106. Have been. Therefore, in order to provide a magnetic flux density gradient of about 10% in the range of the cavity resonator 106 having a length several times the free space wavelength with respect to the oscillation frequency of the gyrotron, FIG. 2
A different current may be applied to each of the main magnetic field generating electromagnets 111 (the number is not necessarily two, and may be one or three or more as long as a required main magnetic field can be generated), or the number of windings may be different. And shape. However, the former has a problem in that a plurality of excitation power supplies are required and the apparatus becomes costly, and the latter has a problem that it is difficult to finely adjust the gradient magnetic field distribution. Further, the main magnetic field generating electromagnet 111
This situation does not change even if the number is three or more.

【0011】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたもので、ジャイロトロン装置のコストを上
げないで高効率発振を実現し、かつ、その操作性も容易
にできるジャイロトロン装置を得ることを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems. A gyrotron device that realizes high-efficiency oscillation without increasing the cost of the gyrotron device and that can easily operate the gyrotron device is provided. The purpose is to gain.

【0012】また、この発明は、空胴共振器内において
比較的短区間に大きな傾斜磁場を発生することができ、
もってジャイロトロン発振の高効率化を図れるジャイロ
トロン装置を得ることを目的とする。
According to the present invention, a large gradient magnetic field can be generated in a relatively short section in a cavity resonator.
It is an object of the present invention to obtain a gyrotron device that can increase the efficiency of gyrotron oscillation.

【0013】さらに、この発明は、ジャイロトロンにお
ける電子ビームの加速電圧やその電流、発振出力に合わ
せて最適な傾斜磁場分布を選択することができ、操作性
が良いジャイロトロン装置を得ることを目的とする。
A further object of the present invention is to provide a gyrotron apparatus which can select an optimum gradient magnetic field distribution in accordance with the acceleration voltage and current of the electron beam in the gyrotron, and the oscillation output, and has good operability. And

【0014】さらに、この発明は、空胴共振器部に感電
の心配なく安全に傾斜磁場をつけることができ、ジャイ
ロトロンの発振効率を上げることができるジャイロトロ
ン装置を得ることを目的とする。
Another object of the present invention is to provide a gyrotron device which can safely apply a gradient magnetic field to the cavity resonator without fear of electric shock and can increase the oscillation efficiency of the gyrotron.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明に係
るジャイロトロン装置は、電子銃と、磁場発生手段と、
空胴共振器と、コレクタと、出力窓とを備え、前記磁場
発生手段は、前記空胴共振器付近に磁場を発生する主磁
場発生用電磁石と傾斜磁場発生用電磁石とを備え、当該
傾斜磁場発生用電磁石は、ジャイロトロン装置が所定周
波数の発振動作をしているときに、当該空胴共振器の中
心部における軸方向磁束密度の10%以下の磁場を発生
し、かつ、当該磁場によって当該空胴共振器の内部およ
びその付近に所望の分布をした軸方向磁場を発生させる
ものである。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a gyrotron apparatus comprising: an electron gun;
A cavity resonator, a collector, and an output window; the magnetic field generating means includes a main magnetic field generating electromagnet and a gradient magnetic field generating electromagnet that generate a magnetic field near the cavity resonator; The generating electromagnet generates a magnetic field of 10% or less of the axial magnetic flux density at the center of the cavity resonator when the gyrotron device is oscillating at a predetermined frequency, and generates the magnetic field by the magnetic field. This is to generate an axial magnetic field having a desired distribution in and around the cavity resonator.

【0016】請求項2記載の発明に係るジャイロトロン
装置は、傾斜磁場発生用電磁石は、同一方向に巻いた電
磁石を2個以上備え、当該同一方向に巻いた電磁石が発
生する軸方向磁場の向きが互いに逆方向となるように配
設したものである。
In a gyrotron apparatus according to a second aspect of the present invention, the gradient magnetic field generating electromagnet includes two or more electromagnets wound in the same direction, and the direction of the axial magnetic field generated by the electromagnet wound in the same direction. Are arranged so as to be opposite to each other.

【0017】請求項3記載の発明に係るジャイロトロン
装置は、傾斜磁場発生用電磁石は、右巻きの電磁石と左
巻きの電磁石をそれぞれ1個以上備え、当該右巻きの電
磁石と当該左巻きの電磁石が発生する軸方向磁場の向き
が互いに逆方向となるように配設したものである。
In a gyrotron apparatus according to a third aspect of the present invention, the electromagnet for generating a gradient magnetic field includes at least one right-handed electromagnet and at least one left-handed electromagnet, and the right-handed electromagnet and the left-handed electromagnet are generated. The directions of the axial magnetic fields are opposite to each other.

【0018】請求項4記載の発明に係るジャイロトロン
装置は、電子銃と、空胴共振器と、コレクタと、出力窓
とを備えたジャイロトロンは、2倍高調波発振動作をす
るように構成したものである。
A gyrotron device according to a fourth aspect of the present invention is configured such that the gyrotron including the electron gun, the cavity resonator, the collector, and the output window performs a double harmonic oscillation operation. It was done.

【0019】請求項5記載の発明に係るジャイロトロン
装置は、傾斜磁場発生用電磁石は、入出力端以外に1個
以上の中間タップを備えたものである。
In a gyrotron apparatus according to a fifth aspect of the present invention, the electromagnet for generating a gradient magnetic field has one or more intermediate taps in addition to the input / output terminals.

【0020】請求項6記載の発明に係るジャイロトロン
装置は、傾斜磁場発生用電磁石とジャイロトロン管との
間には、少なくとも1kV以上の電圧に耐える電気的絶
縁物を施したものである。
In the gyrotron apparatus according to the present invention, an electrical insulator withstanding a voltage of at least 1 kV is provided between the electromagnet for generating a gradient magnetic field and the gyrotron tube.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の一形態を
説明する。 実施の形態1.図1はこの発明の実施の形態1によるジ
ャイロトロン装置を示す断面図であり、図において、1
は電子ビーム9を取り出す電子銃であり、2はカソー
ド、3はカソード2上の電子放出部、4は第1アノー
ド、5は第2アノードである。6は電子ビーム9と高周
波電磁場とが共鳴的に相互作用を起こし、高周波10を
発生する空胴共振器であり、円筒状に形成されている。
7は相互作用を終えた電子ビーム9を回収するコレク
タ、8は高周波10を取り出す出力窓である。200は
これら電子銃1、空胴共振器6、コレクタ7、出力窓8
等からなるジャイロトロンである。11は電子ビーム9
に旋回運動を与えるためにジャイロトロン200の軸方
向に磁場を発生する主磁場発生用電磁石、12は電子銃
磁場発生用電磁石である。300はジャイロトロン20
0と、主磁場発生用電磁石11及び電子銃磁場発生用電
磁石12とから構成されるジャイロトロン装置である。
20a,20bは空胴共振器6において電子銃1側から
コレクタ7側に向かって軸方向磁束密度を大きくし傾斜
磁場をつける傾斜磁場発生用電磁石である。30は傾斜
磁場発生用電磁石20a,20bのコイル巻枠であり、
アルミニウムなどの熱伝導率の高い材料を使用して形成
されている。かかる材料を使用するのは、コイル巻枠3
0を空胴共振器6付近の外壁に接触させて傾斜磁場発生
用電磁石20a,20bの冷却効果を上げるためであ
る。したがって、かかる冷却効果を確保できれば、コイ
ル巻枠30はアルミニウムでもアルマイト加工したもの
でも、あるいは樹脂でもよい。さらに、空胴共振器6付
近の外壁との接触部での熱伝導性を良くするために、コ
イル巻枠30の内側の面や、コイル巻枠30を装着する
ジャイロトロン200の外壁面にグリースなどを塗って
もよい。また、コイル巻枠30の固定は、ジャイロトロ
ン200の外壁にネジを切り、ボルトで固定したり、あ
るいは当該外壁に対してボルトで突っ張ることにより位
置ずれしないように固定することができる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described below. Embodiment 1 FIG. FIG. 1 is a sectional view showing a gyrotron device according to Embodiment 1 of the present invention.
Denotes an electron gun for extracting an electron beam 9, 2 denotes a cathode, 3 denotes an electron emission portion on the cathode 2, 4 denotes a first anode, and 5 denotes a second anode. Numeral 6 denotes a cavity which generates a high frequency 10 by an interaction between the electron beam 9 and the high frequency electromagnetic field in a resonant manner, and is formed in a cylindrical shape.
Reference numeral 7 denotes a collector for collecting the electron beam 9 after the interaction, and reference numeral 8 denotes an output window for extracting the high frequency 10. Reference numeral 200 denotes the electron gun 1, the cavity resonator 6, the collector 7, and the output window 8.
A gyrotron consisting of 11 is electron beam 9
An electromagnet for generating a main magnetic field for generating a magnetic field in the axial direction of the gyrotron 200 to give a turning motion to the gyrotron 200, and an electromagnet 12 for generating a magnetic field of an electron gun. 300 is gyrotron 20
This is a gyrotron device composed of an electromagnet 11 for generating a main magnetic field and an electromagnet 12 for generating a magnetic field of an electron gun.
Reference numerals 20a and 20b denote electromagnets for generating a gradient magnetic field for increasing the magnetic flux density in the axial direction from the electron gun 1 side to the collector 7 side and applying a gradient magnetic field in the cavity resonator 6. Reference numeral 30 denotes a coil bobbin of the electromagnets 20a and 20b for generating a gradient magnetic field.
It is formed using a material having high thermal conductivity such as aluminum. Such a material is used for the coil form 3
This is for increasing the cooling effect of the gradient magnetic field generating electromagnets 20a and 20b by bringing 0 into contact with the outer wall near the cavity resonator 6. Therefore, as long as such a cooling effect can be ensured, the coil winding frame 30 may be made of aluminum, anodized aluminum, or resin. Further, in order to improve the thermal conductivity at the contact portion with the outer wall near the cavity 6, the grease is applied to the inner surface of the coil winding frame 30 and the outer wall surface of the gyrotron 200 to which the coil winding frame 30 is mounted. Etc. may be applied. The coil winding frame 30 can be fixed by cutting a screw on the outer wall of the gyrotron 200 and fixing it with a bolt, or by fixing the outer wall with a bolt so as not to be displaced.

【0022】また、図2は空胴共振器付近に傾斜磁場を
付けた軸方向磁束密度Bz分布を示すグラフ図である。
図において、Binは空胴共振器6の円筒部分の電子銃1
側端での軸方向磁束密度、△Bは空胴共振器6の円筒部
分のコレクタ7側端と電子銃1側端での軸方向磁束密度
の差である。理論計算によると、ジャイロトロン200
の発振効率を向上させるために必要な傾斜磁場の大きさ
△B/Binの最適値は、電子ビーム9の加速電圧やジャ
イロトロン200の出力等に依存するが、最大でも10
%程度以下であることが分かっている。
FIG. 2 is a graph showing an axial magnetic flux density Bz distribution in which a gradient magnetic field is applied near the cavity resonator.
In the figure, Bin denotes the electron gun 1 in the cylindrical portion of the cavity resonator 6.
The axial magnetic flux density at the side end, ΔB is the difference between the axial magnetic flux density at the collector 7 side end of the cylindrical portion of the cavity resonator 6 and the electron gun 1 side end. According to theoretical calculations, Gyrotron 200
Optimal value of the magnitude △ B / B in the gradient magnetic field required to improve the oscillation efficiency of, it depends on the output or the like of the acceleration voltage and a gyrotron 200 of the electron beam 9, at most 10
% Or less.

【0023】次に動作について説明する。電子銃1のカ
ソード上の電子放出部3から射出された電子ビーム9
は、カソード2と第1アノード4間の電界により加速さ
れ、電子銃磁場発生用電磁石12によって発生された磁
場により、旋回運動しながら軸方向にドリフトする。そ
してさらに、主磁場発生用電磁石11によって発生され
た強力な磁場によって電子ビーム9は圧縮され、電子は
磁場に対して垂直方向の速度を増大させ、平行方向速度
を減少させながら、空胴共振器6に入る。主磁場発生用
電磁石11が発生する軸方向磁場によってサイクロトロ
ン運動している電子は、空胴共振器6における固有モー
ドの高周波電磁場とサイクロトロン共鳴メーザ相互作用
し、電子の磁場に対して垂直方向の速度成分によるエネ
ルギーの一部は、高周波エネルギーに変換される。電子
が空胴共振器6の入り口に到達したときの速度をvとす
ると、相対論的係数γは次式で与えられる。 γ={1−(v/c)2-1/2 (4) ここで、cは光速であり、この(4)式のγは、上述し
た(3)式のγの別の表現式である。電子が空胴共振器
6内で高周波電磁場と相互作用し、エネルギーを失って
いくにつれて電子の速度は減少し、したがって(4)式
からγも減少することが分かる。すなわち、電子の質量
が減少するのである。したがって、(2)式から、相対
論的効果を考慮した電子のサイクロトロン角周波数Ωc
は、エネルギーを失っていく電子については大きくな
り、そうした電子については(1)式を満たさなくな
る。このような電子については、もはやその運動エネル
ギーは高周波エネルギーに変換されるのではなく、逆に
高周波電磁場からエネルギーを受け取り、加速されてい
く現象がおこる。このような現象は、「電子の再加速現
象」と呼ばれており、ジャイロトロン200の発振効率
を下げることになるため、この現象が発振効率の限界を
与えることになる。
Next, the operation will be described. The electron beam 9 emitted from the electron emitting portion 3 on the cathode of the electron gun 1
Is accelerated by an electric field between the cathode 2 and the first anode 4 and drifts in the axial direction while rotating, due to the magnetic field generated by the electromagnet 12 for generating an electron gun magnetic field. Further, the electron beam 9 is compressed by the strong magnetic field generated by the electromagnet 11 for generating the main magnetic field, and the electrons increase in the speed in the direction perpendicular to the magnetic field and decrease in the speed in the parallel direction. Enter 6. Electrons that are cyclotron-moving due to the axial magnetic field generated by the main magnetic field generating electromagnet 11 interact with a high-frequency electromagnetic field of the eigenmode in the cavity resonator 6 and a cyclotron resonance maser, and the velocity in the direction perpendicular to the magnetic field of the electrons. Some of the energy from the components is converted to high frequency energy. Assuming that the velocity at which the electrons reach the entrance of the cavity resonator 6 is v, the relativistic coefficient γ is given by the following equation. γ = {1− (v / c) 2 } −1/2 (4) where c is the speed of light, and γ in equation (4) is another expression of γ in equation (3) described above. It is. As the electrons interact with the high-frequency electromagnetic field in the cavity 6 and lose their energy, the speed of the electrons decreases, and it can be seen from equation (4) that γ also decreases. That is, the mass of electrons decreases. Therefore, from the equation (2), the electron cyclotron angular frequency Ω c considering the relativistic effect is obtained.
Becomes larger for electrons losing energy, and does not satisfy equation (1) for such electrons. Such electrons no longer convert their kinetic energy into high-frequency energy, but instead receive energy from a high-frequency electromagnetic field and are accelerated. Such a phenomenon is called an “electron re-acceleration phenomenon” and lowers the oscillation efficiency of the gyrotron 200, and this phenomenon limits the oscillation efficiency.

【0024】しかし、上述したように、空胴共振器6内
に傾斜磁場を印加することによって、傾斜磁場が無い場
合よりも発振効率を向上させることができることが理論
的に分かっている。図3は空胴共振器の軸方向距離Zと
電子の平均運動エネルギーとの関係を示すグラフ図であ
る。図において、横軸Zは空胴共振器6の軸方向距離を
示しており、Z=0が空胴共振器6の入口端、Z=10
0mmが出口端に一致する。縦軸は空胴共振器6内の高
周波電磁場と相互作用しながら進むいくつかの電子につ
いての平均の運動エネルギーであり、空胴共振器6入口
での運動エネルギーで規格化している。また、この計算
例は、発振周波数28GHz、発振モードがTE02モ
ードのジャイロトロンに関するものであり、電子ビーム
の加速電圧がVb =21kV、出力11kWとした時の
結果である。磁場が平坦な場合、すなわち、△B/Bin
=0%の場合には、Z=80mmを越えたあたりから電
子の平均運動エネルギーは増加しており、電子の再加速
現象が起こっていることが分かる。
However, as described above, it is theoretically known that by applying a gradient magnetic field to the cavity resonator 6, the oscillation efficiency can be improved as compared with the case where there is no gradient magnetic field. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the axial distance Z of the cavity resonator and the average kinetic energy of electrons. In the figure, the horizontal axis Z indicates the axial distance of the cavity resonator 6, where Z = 0 is the entrance end of the cavity resonator 6, Z = 10
0 mm corresponds to the outlet end. The vertical axis represents the average kinetic energy of some electrons traveling while interacting with the high-frequency electromagnetic field in the cavity 6 and is normalized by the kinetic energy at the entrance of the cavity 6. Further, this calculation example relates to a gyrotron having an oscillation frequency of 28 GHz and an oscillation mode of TE02 mode, and is a result when the acceleration voltage of the electron beam is Vb = 21 kV and the output is 11 kW. When the magnetic field is flat, that is, △ B / B in
In the case of = 0%, the average kinetic energy of the electrons increases from above about Z = 80 mm, and it can be seen that the electron reacceleration phenomenon occurs.

【0025】一方、△B/Bin=1.5%の場合、すな
わち、空胴共振器6の出口端の軸方向磁束密度が、入口
端での軸方向磁束密度Binに対して1.5%大きい傾斜
磁場を印加した場合には、Z=80mmを越えてもなお
電子の平均運動エネルギーは減少しており、全体として
の電子の再加速現象を回避して発振効率を向上させてい
ることが分かる。これは(2)式から分かるように、傾
斜磁場をかけることにより積極的に電子のサイクロトロ
ン角周波数を大きくし、電子が再加速される周波数領域
の外に出すことによって実現できている。この計算例で
は、△B/Bin=1.5%が最適の傾斜磁場であるが、
電子ビームの加速電圧や出力に依存して最適な傾斜磁場
が存在する。しかし、いずれの場合でも、最大10%程
度以下の傾斜磁場によってジャイロトロンの発振効率を
向上させることができる。
On the other hand, when ΔB / B in = 1.5%, that is, the axial magnetic flux density at the exit end of the cavity resonator 6 is 1.times. The axial magnetic flux density B in at the entrance end. When a gradient magnetic field larger than 5% is applied, the average kinetic energy of electrons is reduced even after Z exceeds 80 mm, and the oscillation efficiency is improved by avoiding the re-acceleration phenomenon of electrons as a whole. You can see that. As can be seen from equation (2), this can be realized by positively increasing the cyclotron angular frequency of the electrons by applying a gradient magnetic field, and moving the electrons out of the frequency range in which the electrons are reaccelerated. In this calculation example, △ B / B in = 1.5% is the optimum gradient magnetic field.
There is an optimum gradient magnetic field depending on the acceleration voltage and output of the electron beam. However, in any case, the oscillation efficiency of the gyrotron can be improved by a gradient magnetic field of about 10% or less at the maximum.

【0026】傾斜磁場発生用電磁石20a,20bを持
たない従来のジャイロトロン装置では、空胴共振器部に
局所的な軸方向傾斜磁場分布を発生させることは困難で
ある。上述したように、ジャイロトロン200の発振周
波数は空胴共振器6部に印加されている軸方向磁場に対
する電子のサイクロトロン周波数の整数倍であるため、
高い周波数の発振を得るためには、高磁場が必要とな
る。したがって、主磁場発生用電磁石11は、一般に複
数個のかなり大きな電磁石から構成されるため、主磁場
発生用電磁石11を用いてこのような局所的な傾斜磁場
を発生させることは難しい。仮に、傾斜磁場を発生させ
るとすれば、(a)上記の複数個の電磁石の巻数などを
変えることにより同一電流に対する発生磁場の大きさを
変える、(b)複数個の電磁石の配置を均等間隔にしな
いで適当な間隔で配置する、(c)それぞれの電磁石に
同一電流を流さないで、別々の電源から適当な電流を流
す、などの対処が考えられる。しかし、空胴共振器6長
は、ジャイロトロン200の発振周波数に対する電磁波
の自由空間波長の数倍から10倍程度であるため、例え
ば、28GHzの発振を行わせる場合には、50〜10
0mm程度となり、発振周波数が高くなるほど空胴共振
器6長は短くなる。したがって、大きな電磁石で、この
ような短区間へ局所的な傾斜磁場を発生させることは難
しい。さらに、これらの主磁場発生用電磁石11によっ
て発生される磁場は、電子銃1部にも影響を与えている
ため、ジャイロトロン200を動作させるための電子ビ
ーム9の加速電圧やビーム電流を変化させるたびに、主
磁場発生用電磁石11の励磁電流だけではなく、電子銃
磁場発生用電磁石12の励磁電流も調整する必要があ
り、ジャイロトロン200運転上の操作が煩雑になる。
In a conventional gyrotron device without the gradient magnetic field generating electromagnets 20a and 20b, it is difficult to generate a local axial gradient magnetic field distribution in the cavity resonator portion. As described above, the oscillation frequency of the gyrotron 200 is an integral multiple of the electron cyclotron frequency with respect to the axial magnetic field applied to the cavity resonator 6,
In order to obtain a high frequency oscillation, a high magnetic field is required. Accordingly, since the main magnetic field generating electromagnet 11 is generally composed of a plurality of considerably large electromagnets, it is difficult to generate such a local gradient magnetic field using the main magnetic field generating electromagnet 11. If a gradient magnetic field is to be generated, (a) the magnitude of the generated magnetic field for the same current is changed by changing the number of turns of the plurality of electromagnets, and (b) the arrangement of the plurality of electromagnets is equally spaced. (C) Appropriate currents are supplied from different power supplies without supplying the same current to each electromagnet. However, since the length of the cavity 6 is about several times to about 10 times the free space wavelength of the electromagnetic wave with respect to the oscillation frequency of the gyrotron 200, for example, when performing 28 GHz oscillation, 50 to 10
The length is about 0 mm, and the cavity resonator 6 length becomes shorter as the oscillation frequency becomes higher. Therefore, it is difficult to generate a local gradient magnetic field in such a short section with a large electromagnet. Further, since the magnetic field generated by these main magnetic field generating electromagnets 11 also affects the electron gun 1, it changes the acceleration voltage and beam current of the electron beam 9 for operating the gyrotron 200. Each time, it is necessary to adjust not only the exciting current of the main magnetic field generating electromagnet 11 but also the exciting current of the electron gun magnetic field generating electromagnet 12, and the operation of the gyrotron 200 becomes complicated.

【0027】これに対して、本実施の形態1の傾斜磁場
発生用電磁石20a,20bは、最大でも空胴共振器6
の中心付近の磁束密度密の10%程度を発生させればよ
い小型の電磁石を用いており、容易に空胴共振器6部に
軸方向の傾斜磁場を発生させることができ、また、その
磁場が電子銃1部へ影響することもないため、ジャイロ
トロン200の運転上、磁場の調整が容易である。
On the other hand, the electromagnets 20a and 20b for generating a gradient magnetic field according to the first embodiment have the cavity resonator 6 at the maximum.
A small electromagnet, which only needs to generate about 10% of the magnetic flux density near the center of the cavity, is used, and an axial gradient magnetic field can be easily generated in the cavity resonator 6 and its magnetic field can be increased. Does not affect the first part of the electron gun, so that the magnetic field can be easily adjusted in operation of the gyrotron 200.

【0028】以上のように、この実施の形態1によれ
ば、小型の傾斜磁場発生用電磁石20a,20bを設け
たことにより、容易に空胴共振器6部に軸方向の傾斜磁
場を発生させることができ、また、その磁場が電子銃1
部へ影響することもないため、高効率発振を実現し、か
つ、その操作性も容易にできる効果が得られる。
As described above, according to the first embodiment, the provision of the small gradient magnetic field generating electromagnets 20a and 20b facilitates the generation of the axial gradient magnetic field in the cavity resonator 6. And the magnetic field is
Since there is no influence on the section, high-efficiency oscillation can be achieved, and the operability thereof can be easily obtained.

【0029】なお、本実施の形態1では、傾斜磁場発生
用電磁石20a,20bは2個であるものとして説明し
たが、図2の△Bが小さくてもよい場合には、1個でも
空胴共振器6部に傾斜磁場をつけることが可能であり、
それで十分な場合にはそれでももちろんよい。
In the first embodiment, the number of the electromagnets 20a and 20b for generating the gradient magnetic field is described as two. However, if ΔB in FIG. It is possible to apply a gradient magnetic field to the resonator 6 part,
If that's enough, that's fine, of course.

【0030】実施の形態2.図4はこの発明の実施の形
態2によるジャイロトロン装置を示す断面図であり、図
において、1は2極型の電子銃であり、カソード2とア
ノード14から構成されている。上記実施の形態1にお
ける電子銃1は、カソード2、第1アノード4及び第2
アノード5からなる3極型電子銃と呼ばれる電子銃であ
るが、本実施の形態2では、図4に示すような2極型の
電子銃を用いたジャイロトロン200として構成したも
のである。動作は実施の形態1の場合とほぼ同様である
ので、説明を省略する。
Embodiment 2 FIG. FIG. 4 is a sectional view showing a gyrotron device according to Embodiment 2 of the present invention. In the figure, reference numeral 1 denotes a bipolar electron gun, which is composed of a cathode 2 and an anode 14. The electron gun 1 according to the first embodiment includes a cathode 2, a first anode 4, and a second anode 4.
Although this is an electron gun called a three-pole electron gun including the anode 5, in the second embodiment, it is configured as a gyrotron 200 using a two-pole electron gun as shown in FIG. The operation is almost the same as that of the first embodiment, and the description is omitted.

【0031】以上のように、この実施の形態2によれ
ば、2極型の電子銃1は、カソード2とアノード14と
からなり、3極型の電子銃1と比べると、第2アノード
5に対して負の電位を与える必要のある第1アノード4
がないので、簡単な構造にできる効果が得られる。ま
た、電子ビーム加速用の電源にとっても、第1アノード
4に与える電位のことを考慮しなくてもよいので、簡単
な構造にできる効果が得られる。
As described above, according to the second embodiment, the bipolar electron gun 1 is composed of the cathode 2 and the anode 14 and the second anode 5 Anode 4 which needs to be given a negative potential with respect to
Since there is no such effect, an effect that a simple structure can be obtained is obtained. In addition, the power supply for accelerating the electron beam does not need to consider the potential applied to the first anode 4, so that the effect of simplifying the structure can be obtained.

【0032】なお、3極型の電子銃1では、第1アノー
ド4の電位を調整してジャイロトロン200の発振を制
御できる利点がある。しかし、2極型の電子銃1、3極
型の電子銃1のいずれの電子銃も、空胴共振器6におい
て固有モードの高周波電磁場とサイクロトロン共鳴メー
ザ作用を行う電子ビーム9を引き出す点では同様の働き
をしている。したがって、以下の実施の形態で、3極型
電子銃1を用いたジャイロトロン200についてのみ記
した場合でも、2極型電子銃1を用いたジャイロトロン
200についても同様のことが言えるものとし、また逆
に、2極型電子銃1を用いたジャイロトロン200につ
いてのみ記した場合でも、3極型電子銃1を用いたジャ
イロトロン200についても同様のことが言えるものと
する。
The triode type electron gun 1 has an advantage that the oscillation of the gyrotron 200 can be controlled by adjusting the potential of the first anode 4. However, each of the two-pole type electron gun 1 and the three-pole type electron gun 1 is also similar in that it extracts an eigenmode high-frequency electromagnetic field and an electron beam 9 which performs a cyclotron resonance maser action in the cavity resonator 6. Work. Therefore, in the following embodiment, even when only the gyrotron 200 using the three-pole electron gun 1 is described, the same can be said for the gyrotron 200 using the two-pole electron gun 1, Conversely, even when only the gyrotron 200 using the two-pole electron gun 1 is described, the same can be said for the gyrotron 200 using the three-pole electron gun 1.

【0033】実施の形態3.図5はこの発明の実施の形
態3によるジャイロトロン装置を示す断面図であり、図
において、21a,21bは空胴共振器6部に軸方向磁
束密度についての傾斜磁場を発生させる傾斜磁場発生用
電磁石であり、ジャイロトロン200の空胴共振器6付
近の外径を若干小さくし、これに密着して巻かれてい
る。なお、この傾斜磁場発生用電磁石21a,21b
は、空胴共振器6付近の外径を小さくすることなく、そ
のまま取り付けてもよい。動作は、実施の形態1の場合
と同様であるので、説明を省略する。
Embodiment 3 FIG. 5 is a sectional view showing a gyrotron device according to Embodiment 3 of the present invention. In the figure, reference numerals 21a and 21b denote gradient magnetic fields for generating a gradient magnetic field with respect to an axial magnetic flux density in a cavity resonator 6 portion. The outer diameter of the gyrotron 200 in the vicinity of the cavity resonator 6 is slightly reduced, and is wound closely. The electromagnets 21a and 21b for generating gradient magnetic fields
May be attached as it is without reducing the outer diameter near the cavity resonator 6. The operation is the same as that of the first embodiment, and the description is omitted.

【0034】以上のように、この実施の形態3によれ
ば、傾斜磁場発生用電磁石21a,21bの内径を小さ
くできるため、同一磁場を発生させるための消費電力を
小さくできる効果がある。
As described above, according to the third embodiment, since the inner diameters of the gradient magnetic field generating electromagnets 21a and 21b can be reduced, the power consumption for generating the same magnetic field can be reduced.

【0035】実施の形態4.図6はこの発明の実施の形
態4によるジャイロトロン装置の傾斜磁場発生用電磁石
を示す側面図(a)とその軸方向磁束密度の分布を示す
グラフ図(b)であり、図において、22a,22bは
同一仕様のコイルを巻枠31に同一方向に巻いて形成し
た傾斜磁場発生用電磁石(同一方向に巻いた電磁石)、
40,41はそれぞれの傾斜磁場発生用電磁石22a,
22bに電流を流す直流電源である。その他の構成は、
実施の形態1の場合と同様である。
Embodiment 4 FIG. FIG. 6 is a side view (a) showing an electromagnet for generating a gradient magnetic field of a gyrotron apparatus according to Embodiment 4 of the present invention, and a graph (b) showing the distribution of the axial magnetic flux density. 22b is an electromagnet for generating a gradient magnetic field (an electromagnet wound in the same direction) formed by winding a coil of the same specification around the winding frame 31 in the same direction,
Reference numerals 40 and 41 denote respective electromagnets 22a for generating a gradient magnetic field.
This is a DC power supply that supplies current to 22b. Other configurations are
This is the same as in the first embodiment.

【0036】次に動作について説明する。傾斜磁場発生
用電磁石22a,22bのコイルは、巻枠31に対して
同一方向に巻かれているため、図6(a)に示すよう
に、直流電源40,41を接続すると、それぞれのコイ
ルを流れる電流方向が逆向きとなり、発生する軸方向磁
束密度(軸方向磁場)Bzも逆方向となる。したがっ
て、傾斜磁場発生用電磁石22a,22bが発生する軸
方向磁束密度Bzの分布は、図6(b)のようになり、
図中の磁束密度が零となるC点を挟んで比較的短区間に
大きな傾斜磁場を発生させやすく、ジャイロトロン発振
の高効率化のための空胴共振器6部に印加する傾斜磁場
の発生に適している。
Next, the operation will be described. Since the coils of the gradient magnetic field generating electromagnets 22a and 22b are wound in the same direction with respect to the bobbin 31, when the DC power supplies 40 and 41 are connected as shown in FIG. The direction of the flowing current is reversed, and the generated axial magnetic flux density (axial magnetic field) Bz is also reversed. Accordingly, the distribution of the axial magnetic flux density Bz generated by the gradient magnetic field generating electromagnets 22a and 22b is as shown in FIG.
It is easy to generate a large gradient magnetic field in a relatively short section across point C where the magnetic flux density becomes zero in the figure, and the generation of a gradient magnetic field applied to the cavity resonator 6 for improving the efficiency of gyrotron oscillation. Suitable for.

【0037】以上のように、この実施の形態4によれ
ば、空胴共振器6において比較的短区間に大きな傾斜磁
場を発生することができ、もってジャイロトロン発振の
高効率化を図れる効果が得られる。
As described above, according to the fourth embodiment, a large gradient magnetic field can be generated in a relatively short section in the cavity resonator 6, and the effect of increasing the efficiency of gyrotron oscillation can be achieved. can get.

【0038】なお、上記実施の形態4においては、傾斜
磁場発生用電磁石22a,22bのコイルは、同一仕様
で、流す電流も同じ値であるため、Bz分布はC点を挟
んで対称となるものとして説明したが、必ずしもその必
要はない。すなわち、最適なBz分布を発生させるため
に、コイルの巻数やコイル長などを異なったものにして
もよく、また流す電流を異なる大きさにしてもよい。そ
の場合は、図7に示すように、Bz分布はC点を挟んで
非対称な分布となる。ここで、図7は異なる傾斜磁場発
生用電磁石を用いた場合の軸方向磁束密度の分布を示す
グラフ図である。また、直流電源40,41とコイルと
の接続に注意して、図6(a)の傾斜磁場発生用電磁石
22a,22bを一電源に並列接続することによって
も、図6(b)に示すようなBz分布を得ることが可能
である。さらに、図6(a)では、傾斜磁場発生用電磁
石は2個であるが、必ずしも2個である必要はなく、最
適なBz分布を得るために3個以上を用いて構成しても
よい。
In the fourth embodiment, since the coils of the gradient magnetic field generating electromagnets 22a and 22b have the same specifications and the same current, the Bz distribution is symmetrical with respect to the point C. However, it is not always necessary. That is, in order to generate an optimal Bz distribution, the number of turns of the coil, the coil length, and the like may be different, and the current flowing may be different. In that case, as shown in FIG. 7, the Bz distribution is an asymmetric distribution with the point C interposed therebetween. FIG. 7 is a graph showing the distribution of the axial magnetic flux density when different electromagnets for generating a gradient magnetic field are used. Also, paying attention to the connection between the DC power supplies 40 and 41 and the coil, by connecting the gradient field generating electromagnets 22a and 22b of FIG. 6A to one power supply in parallel, as shown in FIG. 6B. It is possible to obtain a suitable Bz distribution. Further, in FIG. 6A, although the number of the electromagnets for generating the gradient magnetic field is two, the number is not necessarily two, and three or more electromagnets may be used to obtain an optimum Bz distribution.

【0039】実施の形態5.図8はこの発明の実施の形
態5によるジャイロトロン装置の傾斜磁場発生用電磁石
を示す側面図(a)とその軸方向磁束密度の分布を示す
グラフ図(b)であり、図において、23a,23bは
同一仕様のコイル(右巻きの電磁石と左巻きの電磁石)
であり、巻枠31に逆方向に巻いて傾斜磁場発生用電磁
石を形成したものである。その他の構成は、実施の形態
1の場合と同様である。
Embodiment 5 FIG. 8 is a side view (a) showing a gradient magnetic field generating electromagnet of a gyrotron apparatus according to Embodiment 5 of the present invention, and a graph (b) showing its axial magnetic flux density distribution. 23b is a coil of the same specification (a right-handed electromagnet and a left-handed electromagnet)
And an electromagnet for generating a gradient magnetic field is wound around the winding frame 31 in the opposite direction. Other configurations are the same as those in the first embodiment.

【0040】次に動作について説明する。傾斜磁場発生
用電磁石23a,23bのコイルは、巻枠31に対して
逆方向に巻かれているため、図8(a)に示すように、
連続して巻いてもそれぞれの傾斜磁場発生用電磁石23
a,23bが発生する軸方向の磁束密度Bzの方向は逆
であり、両者によって発生されるBz分布は、図8
(b)に示すようになる。このような傾斜磁場発生用電
磁石23a,23bを用いても、図中の磁束密度が零と
なるC点を挟んで、比較的短区間に大きな傾斜磁場を発
生させやすく、ジャイロトロン発振の高効率化のための
空胴共振器6部に印加する傾斜磁場の発生に適してい
る。
Next, the operation will be described. Since the coils of the gradient magnetic field generating electromagnets 23a and 23b are wound in the opposite direction with respect to the bobbin 31, as shown in FIG.
Each of the electromagnets 23 for generating a gradient magnetic field even if wound continuously.
The directions of the magnetic flux densities Bz in the axial direction where the a and 23b are generated are opposite, and the Bz distribution generated by the two is shown in FIG.
The result is as shown in FIG. Even with such electromagnets 23a and 23b for generating a gradient magnetic field, it is easy to generate a large gradient magnetic field in a relatively short section with respect to a point C where the magnetic flux density becomes zero in the figure, and high efficiency of gyrotron oscillation is obtained. It is suitable for generating a gradient magnetic field to be applied to the cavity resonator 6 for the purpose.

【0041】以上のように、この実施の形態5によれ
ば、空胴共振器6において比較的短区間に大きな傾斜磁
場を発生することができ、もってジャイロトロン発振の
高効率化を図れる効果が得られる。
As described above, according to the fifth embodiment, a large gradient magnetic field can be generated in a relatively short section in the cavity resonator 6, and the effect of increasing the efficiency of gyrotron oscillation can be achieved. can get.

【0042】なお、上記実施の形態5においては、傾斜
磁場発生用電磁石23a,23bのコイルは同一仕様で
2個使用するものとして説明したが、必ずしも同一仕様
である必要はなく、最適な傾斜磁場を得るために、巻数
やコイル長が異なっていてもよいし、また3個以上の傾
斜磁場発生用電磁石を用いてもよい。
In the fifth embodiment, two coils of the electromagnets 23a and 23b for generating the gradient magnetic field have been described as being used with the same specifications. However, the coils need not always have the same specifications. In order to obtain the above, the number of turns and the coil length may be different, or three or more electromagnets for generating a gradient magnetic field may be used.

【0043】実施の形態6.図9はこの発明の実施の形
態6によるジャイロトロン装置を示す断面図であり、図
において、6は空胴共振器であるが、基本波動作のジャ
イロトロン200よりも空胴共振器6長を長くして、電
子ビームと高調波電磁場とが相互作用している時間を長
くするように設計してある。その他の構成は、実施の形
態2の図4に示したものと同様であるので、説明を省略
する。
Embodiment 6 FIG. FIG. 9 is a sectional view showing a gyrotron device according to Embodiment 6 of the present invention. In FIG. 9, reference numeral 6 denotes a cavity resonator, which has a cavity length longer than that of the gyrotron 200 operating in a fundamental wave. It is designed to be longer to increase the time during which the electron beam interacts with the harmonic electromagnetic field. The other configuration is the same as that shown in FIG. 4 of the second embodiment, and the description is omitted.

【0044】次に動作について説明する。ジャイロトロ
ン200は、2倍高調波発振の動作をしている。ここ
で、2倍高調波発振の動作とは、上述した(1)式おけ
るsが、s=2の場合の発振動作のことであり、この
(1)式と(2)式とから分かるように、同一周波数の
発振を得る場合、空胴共振器6内の軸方向磁束密度B
は、s=1の基本波発振の場合の約1/2でよく、した
がって、主磁場発生用電磁石11やその励磁電源は、基
本波発振のジャイロトロン装置300よりも小型にな
る。しかし、空胴共振器6内での電子ビームと高周波電
磁場との相互作用は、高調波次数sが大きくなるほど弱
くなり、そのためにジャイロトロン200の発振効率も
下がる。したがって、2倍高調波動作のジャイロトロン
200では、基本波動作のジャイロトロン200よりも
空胴共振器6長を長くして、電子ビームと高調波電磁場
とが相互作用している時間を長くするように設計されて
いる。
Next, the operation will be described. The gyrotron 200 operates at double harmonic oscillation. Here, the operation of the double harmonic oscillation is an oscillation operation in the case where s in the above equation (1) is s = 2, and can be understood from the equations (1) and (2). In order to obtain the same frequency of oscillation, the axial magnetic flux density B in the cavity 6
May be about の of the case of the fundamental wave oscillation of s = 1. Therefore, the electromagnet 11 for generating the main magnetic field and its excitation power source are smaller than the gyrotron device 300 of the fundamental wave oscillation. However, the interaction between the electron beam and the high-frequency electromagnetic field in the cavity resonator 6 becomes weaker as the harmonic order s increases, and the oscillation efficiency of the gyrotron 200 also decreases. Therefore, in the gyrotron 200 of the double harmonic operation, the length of the cavity 6 is made longer than that of the gyrotron 200 of the fundamental wave operation, and the time during which the electron beam and the harmonic electromagnetic field interact is longer. It is designed to be.

【0045】このような2倍高調波動作のジャイロトロ
ン200にとっては、その発振効率を向上させるために
空胴共振器6内に傾斜磁場を印加する方法は、特に有効
である。なぜなら、同一周波数の発振を得るために必要
な軸方向磁束密度は、基本波発振の場合の約1/2でよ
いため、同程度の△B/Binを印加するにしても傾斜磁
場の大きさ△Bは小さくてよく、したがって、傾斜磁場
発生用電磁石20a,20bを小型にできたり、あるい
は傾斜磁場発生用電磁石20a,20bに流す電流が少
なくてよいからである。さらに、空胴共振器6長が、基
本波動作のジャイロトロン200のそれよりも長いた
め、適当な傾斜磁場分布を発生させ易いという利点もあ
る。
For the gyrotron 200 having such a double harmonic operation, a method of applying a gradient magnetic field in the cavity resonator 6 to improve the oscillation efficiency is particularly effective. The reason is that the axial magnetic flux density required to obtain the same frequency oscillation is about の of that of the fundamental wave oscillation, so that even if the same ΔB / B in is applied, the magnitude of the gradient magnetic field is large. This is because ΔB may be small, and thus the gradient magnetic field generating electromagnets 20a and 20b can be reduced in size, or the current flowing through the gradient magnetic field generating electromagnets 20a and 20b can be small. Furthermore, since the length of the cavity resonator 6 is longer than that of the gyrotron 200 operating in the fundamental wave, there is an advantage that an appropriate gradient magnetic field distribution is easily generated.

【0046】以上のように、この実施の形態6によれ
ば、ジャイロトロン発振の高効率化を図りつつ、基本波
発振動作のジャイロトロン装置よりもさらに小型に構成
できる効果がある。すなわち、基本波動作のジャイロト
ロン200よりも空胴共振器6長が長くなる2倍高調波
動作のジャイロトロン200にとっては、空胴共振器6
内に傾斜磁場を印加してジャイロトロン200の発振効
率を向上させる方法は有効であり、しかも長い距離にわ
たって平坦な磁場を発生させ易い電磁石と傾斜磁場発生
用電磁石20a,20bとを組み合わせた2倍高調波動
作のジャイロトロン装置200に特に有効な手段となる
効果が得られる。
As described above, according to the sixth embodiment, there is an effect that the gyrotron can be configured to be more compact than a gyrotron device of the fundamental wave oscillation operation while increasing the efficiency of the gyrotron oscillation. In other words, for the gyrotron 200 of the double harmonic operation in which the cavity resonator 6 has a longer length than the gyrotron 200 of the fundamental wave operation, the cavity resonator 6
A method of improving the oscillation efficiency of the gyrotron 200 by applying a gradient magnetic field to the inside is effective, and moreover, it is twice as large as combining an electromagnet which easily generates a flat magnetic field over a long distance and electromagnets 20a and 20b for generating a gradient magnetic field. An effect that is a particularly effective means for the gyrotron device 200 of the harmonic operation is obtained.

【0047】なお、3倍高調波以上の高調波動作のジャ
イロトロンは、空胴共振器内での電子ビームと高周波電
磁場との相互作用が弱くなってしまうので、高効率発振
のジャイロトロンを設計することは難しく、傾斜磁場に
よる高効率化はあまり期待できない。
In the gyrotron operating at a higher harmonic than the third harmonic, the interaction between the electron beam and the high-frequency electromagnetic field in the cavity is weakened. It is difficult to do so, and high efficiency by the gradient magnetic field cannot be expected very much.

【0048】実施の形態7.図10はこの発明の実施の
形態7によるジャイロトロン装置の傾斜磁場発生用電磁
石を示す側面図(a)とその軸方向磁束密度の分布を示
すグラフ図(b)であり、図において、24は傾斜磁場
発生用電磁石で、コイルの途中から3個の中間タップ2
5b,25c,25dが出ている。25a,25eは傾
斜磁場発生用電磁石24の両端部のコイル端(入出力
端)である。また、24a,24b,24c,24d
は、それぞれ25aと25bの間、25bと25cの
間、25cと25dの間、25dと25eの間に位置す
るコイル(傾斜磁場発生用磁石)である。32は傾斜磁
場発生用電磁石24の巻枠である。
Embodiment 7 FIG. FIG. 10 is a side view (a) showing an electromagnet for generating a gradient magnetic field of a gyrotron apparatus according to Embodiment 7 of the present invention, and a graph (b) showing the distribution of the axial magnetic flux density. An electromagnet for generating a gradient magnetic field.
5b, 25c and 25d come out. 25a and 25e are coil ends (input / output ends) at both ends of the gradient magnetic field generating electromagnet 24. 24a, 24b, 24c, 24d
Are coils (magnets for generating a gradient magnetic field) located between 25a and 25b, between 25b and 25c, between 25c and 25d, and between 25d and 25e, respectively. Reference numeral 32 denotes a winding frame of the electromagnet 24 for generating a gradient magnetic field.

【0049】次に動作について説明する。このような傾
斜磁場電磁石24を用いると、適当な中間タップを選択
し、流す電流の向きを考慮することによって、ジャイロ
トロン発振の高効率化のために、色々な軸方向分布の軸
方向磁束密度Bzを発生させることができる。図10
(b)はその一例を示したものであり、図において、傾
斜磁場#1は、コイル25aと25cとを両端とする2
4aと24bのコイルと、コイル25cと25eとを両
端とする24cと24dのコイルを用いて発生させた軸
方向の傾斜磁場分布である。傾斜磁場#2は、コイル2
5bと25dとを両端とする24bと24cのコイル
と、コイル25dと25eとを両端とする24dのコイ
ルを用いて発生させた軸方向の傾斜磁場分布である。こ
のようにコイル端として適当な中間タップを選択するこ
とにより、軸方向の傾斜磁場分布やその磁場の傾きを変
えることができるため、ジャイロトロン200における
電子ビーム9の加速電圧やその電流、発振出力に合わせ
て最適な傾斜磁場分布を選択することができる。
Next, the operation will be described. When such a gradient magnetic field electromagnet 24 is used, by selecting an appropriate intermediate tap and considering the direction of the flowing current, the axial magnetic flux density of various axial distributions can be increased in order to increase the efficiency of gyrotron oscillation. Bz can be generated. FIG.
FIG. 2B shows an example of this. In the figure, the gradient magnetic field # 1 is represented by 2 having both ends of the coils 25a and 25c.
The gradient magnetic field distribution in the axial direction is generated by using coils 24c and 24d having both ends of the coils 4a and 24b and the coils 25c and 25e. Gradient magnetic field # 2 is coil 2
This is an axial gradient magnetic field distribution generated using coils 24b and 24c having both ends 5b and 25d and coils 24d having both ends of coils 25d and 25e. By selecting an appropriate intermediate tap as the coil end in this way, the gradient magnetic field distribution in the axial direction and the gradient of the magnetic field can be changed. Therefore, the acceleration voltage of the electron beam 9 in the gyrotron 200, its current, and oscillation output , An optimal gradient magnetic field distribution can be selected.

【0050】以上のように、この実施の形態7によれ
ば、コイル端として適当な中間タップを選択することに
より、軸方向の傾斜磁場分布やその磁場の傾きを変える
ことができるため、ジャイロトロン200における電子
ビーム9の加速電圧やその電流、発振出力に合わせて最
適な傾斜磁場分布を選択することができ、操作性が良く
なる効果が得られる。
As described above, according to the seventh embodiment, the axial gradient magnetic field distribution and the gradient of the magnetic field can be changed by selecting an appropriate intermediate tap as the coil end. The optimum gradient magnetic field distribution can be selected according to the acceleration voltage of the electron beam 9 in 200, its current, and the oscillation output, and the effect of improving operability can be obtained.

【0051】実施の形態8.図11はこの発明の実施の
形態8によるジャイロトロン装置を示す断面図であり、
図において、16は、例えばアルミナなどの電気的絶縁
材料にて形成したスペーサであり、これによりスリット
17を作り、ジャイロトロン管としてのジャイロトロン
本体部分60(この部分はアノード14と導体でつなが
っており、電気的には同電位である)とコレクタ7とを
電気的に絶縁している。このスリット17の幅は、空胴
共振器6で発生される高周波10の波長の1/4以下に
設定してあり、高周波はその影響をほとんど受けずにコ
レクタ7の部分を伝搬し、出力窓8から取り出されるよ
うになっている。26a,26bは傾斜磁場発生用電磁
石、35は傾斜磁場発生用電磁石26a,26bを電気
的に絶縁するために、例えば、テフロンなどの絶縁物で
構成した巻枠(電気的絶縁物)である。50はカソード
2とアノード14間に電圧を印加するためのアノード電
源であり、その電圧をVaとする。51はカソード2と
コレクタ7間に電圧を印加するためのコレクタ電源であ
り、その電圧をVcとする。また、コレクタ7は接地さ
れているのが一般的である。
Embodiment 8 FIG. FIG. 11 is a sectional view showing a gyrotron device according to Embodiment 8 of the present invention.
In the figure, reference numeral 16 denotes a spacer formed of an electrically insulating material such as alumina, which forms a slit 17, and is connected to a gyrotron main body portion 60 as a gyrotron tube (this portion is connected to the anode 14 by a conductor. And have the same electrical potential) and the collector 7 are electrically insulated. The width of this slit 17 is set to 1 / or less of the wavelength of the high frequency 10 generated by the cavity resonator 6, and the high frequency propagates through the collector 7 without being affected by the high frequency, and the output window 8. Reference numerals 26a and 26b are electromagnets for generating a gradient magnetic field, and reference numeral 35 is a winding frame (electric insulator) made of an insulator such as Teflon for electrically insulating the electromagnets 26a and 26b for generating a gradient magnetic field. Reference numeral 50 denotes an anode power supply for applying a voltage between the cathode 2 and the anode 14, and the voltage is defined as Va. Reference numeral 51 denotes a collector power supply for applying a voltage between the cathode 2 and the collector 7, and the voltage is defined as Vc. The collector 7 is generally grounded.

【0052】次に動作について説明する。上記電圧の関
係を、 Va>Vc (5) としておくと、カソード2上の電子放出部3から放出さ
れた電子ビームは、電圧Vaにより加速されるが、空胴
共振器6で高周波電磁場と相互作用した後、コレクタ7
に回収されるまでに、電子の減速電圧(Vc−Va)を
経験する。この電子ビームの減速エネルギーは、コレク
タ電源51に回収されると考えることができ、全体とし
てジャイロトロンの発振効率を上げることができる。な
お、ここまでの実施の形態のジャイロトロン装置では、
ジャイロトロン管のアノード14、または第2アノード
5は接地電位であったが、本実施の形態8におけるジャ
イロトロン装置にあっては、図11から分かるように、
アノード14は接地電位よりも高く(Va−Vc>
0)、その大きさはジャイロトロンを運転する際の電子
ビームの加速電圧によって異なるが、数kVから30k
V程度である。したがって、傾斜磁場発生用電磁石26
a,26bとジャイロトロン本体部分60(アノード1
4と同電位であるため、接地電位より高い)との間を電
気的に絶縁しておく必要があり、このために設けたもの
が絶縁物としての巻枠35である。
Next, the operation will be described. Assuming that the relationship between the voltages is Va> Vc (5), the electron beam emitted from the electron-emitting portion 3 on the cathode 2 is accelerated by the voltage Va. After acting, collector 7
The electron experiences a deceleration voltage (Vc-Va) before being collected. The deceleration energy of the electron beam can be considered to be recovered by the collector power supply 51, and the oscillation efficiency of the gyrotron can be increased as a whole. In the gyrotron device according to the embodiment described above,
Although the anode 14 or the second anode 5 of the gyrotron tube was at the ground potential, in the gyrotron device according to the eighth embodiment, as can be seen from FIG.
The anode 14 is higher than the ground potential (Va−Vc>
0), the magnitude of which depends on the accelerating voltage of the electron beam when operating the gyrotron;
About V. Therefore, the gradient magnetic field generating electromagnet 26
a, 26b and the gyrotron main body 60 (anode 1)
4 is higher than the ground potential because the potential is the same as that of the grounding material 4), and the winding frame 35 as an insulator is provided for this purpose.

【0053】以上のように、この実施の形態8によれ
ば、電気的絶縁物としての巻枠35を設けたことによ
り、空胴共振器6部に感電の心配なく安全に傾斜磁場を
つけることができ、さらにジャイロトロンの発振効率を
上げることができる効果が得られる。
As described above, according to the eighth embodiment, by providing the winding frame 35 as an electrical insulator, the gradient magnetic field can be safely applied to the cavity resonator 6 without fear of electric shock. And the effect of further increasing the oscillation efficiency of the gyrotron is obtained.

【0054】[0054]

【発明の効果】以上のように、請求項1記載の発明によ
れば、電子銃と、磁場発生手段と、空胴共振器と、コレ
クタと、出力窓とを備え、前記磁場発生手段は、前記空
胴共振器付近に磁場を発生する主磁場発生用電磁石と傾
斜磁場発生用電磁石とを備え、当該傾斜磁場発生用電磁
石は、ジャイロトロン装置が所定周波数の発振動作をし
ているときに、当該空胴共振器の中心部における軸方向
磁束密度の10%以下の磁場を発生し、かつ、当該磁場
によって当該空胴共振器の内部およびその付近に所望の
分布をした軸方向磁場を発生させるように構成したの
で、小型の傾斜磁場発生用電磁石により、容易に空胴共
振器部に軸方向の傾斜磁場を発生させることができ、ま
た、その磁場が電子銃部へ影響することもないため、高
効率発振を実現し、かつ、その操作性も容易にできる効
果がある。
As described above, according to the first aspect of the present invention, an electron gun, a magnetic field generating means, a cavity resonator, a collector, and an output window are provided. An electromagnet for generating a main magnetic field and an electromagnet for generating a gradient magnetic field that generates a magnetic field near the cavity resonator, the electromagnet for generating a gradient magnetic field, when the gyrotron device is oscillating at a predetermined frequency, A magnetic field of 10% or less of the axial magnetic flux density at the center of the cavity is generated, and the magnetic field generates an axial magnetic field having a desired distribution inside and near the cavity. With such a configuration, a small gradient magnetic field generating electromagnet can easily generate an axial gradient magnetic field in the cavity resonator portion, and the magnetic field does not affect the electron gun portion. , Realize high efficiency oscillation, One, there is an effect that can be easily operability.

【0055】請求項2記載の発明によれば、傾斜磁場発
生用電磁石は、同一方向に巻いた電磁石を2個以上備
え、当該同一方向に巻いた電磁石が発生する軸方向磁場
の向きが互いに逆方向となるように配設して構成したの
で、空胴共振器内において比較的短区間に大きな傾斜磁
場を発生することができ、もってジャイロトロン発振の
高効率化を図ることができる効果がある。
According to the second aspect of the present invention, the electromagnet for generating a gradient magnetic field includes two or more electromagnets wound in the same direction, and the directions of the axial magnetic fields generated by the electromagnets wound in the same direction are opposite to each other. Since it is arranged so as to be oriented in the same direction, it is possible to generate a large gradient magnetic field in a relatively short section in the cavity resonator, which has the effect of increasing the efficiency of gyrotron oscillation. .

【0056】請求項3記載の発明によれば、傾斜磁場発
生用電磁石は、右巻きの電磁石と左巻きの電磁石をそれ
ぞれ1個以上備え、当該右巻きの電磁石と当該左巻きの
電磁石が発生する軸方向磁場の向きが互いに逆方向とな
るように配設して構成したので、空胴共振器内において
比較的短区間に大きな傾斜磁場を発生することができ、
もってジャイロトロン発振の高効率化を図ることができ
る効果がある。
According to the third aspect of the present invention, the electromagnet for generating a gradient magnetic field includes at least one right-handed electromagnet and at least one left-handed electromagnet, and the axial direction in which the right-handed electromagnet and the left-handed electromagnet are generated. Since the magnetic fields are arranged so that their directions are opposite to each other, a large gradient magnetic field can be generated in a relatively short section in the cavity resonator,
This has the effect of increasing the efficiency of gyrotron oscillation.

【0057】請求項4記載の発明によれば、電子銃と、
空胴共振器と、コレクタと、出力窓とを備えたジャイロ
トロンは、2倍高調波発振動作をするように構成したの
で、ジャイロトロン発振の高効率化を図りつつ、基本波
発振動作のジャイロトロン装置よりもさらに小型に構成
できる効果がある。
According to the fourth aspect of the present invention, an electron gun,
The gyrotron including the cavity resonator, the collector, and the output window is configured to perform the double harmonic oscillation operation. Therefore, the gyrotron of the fundamental oscillation operation is achieved while increasing the efficiency of the gyrotron oscillation. There is an effect that the device can be configured to be smaller than the tron device.

【0058】請求項5記載の発明によれば、傾斜磁場発
生用電磁石は、入出力端以外に1個以上の中間タップを
備るように構成したので、適当な中間タップを選択する
ことにより、軸方向の傾斜磁場分布やその磁場の傾きを
変えることができるため、ジャイロトロンにおける電子
ビームの加速電圧やその電流、発振出力に合わせて最適
な傾斜磁場分布を選択することができ、操作性が良くな
る効果がある。
According to the fifth aspect of the present invention, since the electromagnet for generating a gradient magnetic field is provided with one or more intermediate taps other than the input and output ends, by selecting an appropriate intermediate tap, Since the gradient magnetic field distribution in the axial direction and the gradient of the magnetic field can be changed, the optimal gradient magnetic field distribution can be selected according to the acceleration voltage of the electron beam in the gyrotron, its current, and the oscillation output. It has the effect of improving.

【0059】請求項6記載の発明によれば、傾斜磁場発
生用電磁石とジャイロトロン管との間には、少なくとも
1kV以上の電圧に耐える電気的絶縁物を施すように構
成したので、空胴共振器部に感電の心配なく安全に傾斜
磁場をつけることができ、ジャイロトロンの発振効率を
上げることができる効果がある。
According to the sixth aspect of the present invention, an electrical insulator withstanding a voltage of at least 1 kV is provided between the electromagnet for generating a gradient magnetic field and the gyrotron tube. It is possible to safely apply a gradient magnetic field without fear of electric shock to the device part, which has the effect of increasing the oscillation efficiency of the gyrotron.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 この発明の実施の形態1によるジャイロトロ
ン装置を示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing a gyrotron device according to Embodiment 1 of the present invention.

【図2】 空胴共振器付近に傾斜磁場を付けた軸方向磁
束密度Bz分布を示すグラフ図である。
FIG. 2 is a graph showing an axial magnetic flux density Bz distribution in which a gradient magnetic field is applied near a cavity resonator.

【図3】 空胴共振器の軸方向距離Zと電子の平均運動
エネルギーとの関係を示すグラフ図である。
FIG. 3 is a graph showing a relationship between an axial distance Z of a cavity resonator and an average kinetic energy of electrons.

【図4】 この発明の実施の形態2によるジャイロトロ
ン装置を示す断面図である。
FIG. 4 is a sectional view showing a gyrotron device according to a second embodiment of the present invention.

【図5】 この発明の実施の形態3によるジャイロトロ
ン装置を示す断面図である。
FIG. 5 is a sectional view showing a gyrotron device according to Embodiment 3 of the present invention.

【図6】 この発明の実施の形態4によるジャイロトロ
ン装置の傾斜磁場発生用電磁石を示す側面図(a)とそ
の軸方向磁束密度の分布を示すグラフ図(b)である。
6A is a side view showing an electromagnet for generating a gradient magnetic field of a gyrotron device according to a fourth embodiment of the present invention, and FIG. 6B is a graph showing the distribution of the magnetic flux density in the axial direction.

【図7】 異なる傾斜磁場発生用電磁石を用いた場合の
軸方向磁束密度の分布を示すグラフ図である。
FIG. 7 is a graph showing the distribution of axial magnetic flux density when different electromagnets for generating a gradient magnetic field are used.

【図8】 この発明の実施の形態5によるジャイロトロ
ン装置の傾斜磁場発生用電磁石を示す側面図(a)とそ
の軸方向磁束密度の分布を示すグラフ図(b)である。
FIG. 8A is a side view showing a gradient magnetic field generating electromagnet of a gyrotron device according to a fifth embodiment of the present invention, and FIG. 8B is a graph showing the distribution of magnetic flux density in the axial direction.

【図9】 この発明の実施の形態6によるジャイロトロ
ン装置を示す断面図である。
FIG. 9 is a sectional view showing a gyrotron device according to Embodiment 6 of the present invention.

【図10】 この発明の実施の形態7によるジャイロト
ロン装置の傾斜磁場発生用電磁石を示す側面図(a)と
その軸方向磁束密度の分布を示すグラフ図(b)であ
る。
FIG. 10 is a side view (a) showing a gradient magnetic field generating electromagnet of a gyrotron device according to a seventh embodiment of the present invention, and a graph (b) showing an axial magnetic flux density distribution.

【図11】 この発明の実施の形態8によるジャイロト
ロン装置を示す断面図である。
FIG. 11 is a sectional view showing a gyrotron device according to an eighth embodiment of the present invention.

【図12】 従来の3極型電子銃を用いたジャイロトロ
ン装置を示す断面図である。
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a gyrotron device using a conventional three-pole type electron gun.

【図13】 従来の2極型電子銃を用いたジャイロトロ
ン装置を示す断面図である。
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a gyrotron device using a conventional bipolar electron gun.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 電子銃、6 空胴共振器、7 コレクタ、8 出力
窓、9 電子ビーム、11 主磁場発生用電磁石、12
電子銃磁場発生用電磁石、20a,20b,21a,
21b,24,26a,26b 傾斜磁場発生用電磁
石、Bz 軸方向磁束密度の向き(軸方向磁場の向
き)、22a,22b 傾斜磁場発生用電磁石(同一方
向に巻いた電磁石)、23a,23b コイル(右巻き
の電磁石と左巻きの電磁石)、24a,24b,24
c,24d コイル(傾斜磁場発生用電磁石)、25
a,25e コイル端(入出力端)、25b,25c,
25d 中間タップ、35 巻枠(電気的絶縁物)、6
0 ジャイロトロン本体部分(ジャイロトロン管)、2
00 ジャイロトロン、300 ジャイロトロン装置。
REFERENCE SIGNS LIST 1 electron gun, 6 cavity resonator, 7 collector, 8 output window, 9 electron beam, 11 electromagnet for generating main magnetic field, 12
Electromagnets for generating an electron gun magnetic field, 20a, 20b, 21a,
21b, 24, 26a, 26b Electromagnet for generating gradient magnetic field, direction of Bz axial magnetic flux density (direction of axial magnetic field), 22a, 22b Electromagnet for generating gradient magnetic field (electromagnet wound in the same direction), 23a, 23b Coil ( Right-handed electromagnet and left-handed electromagnet), 24a, 24b, 24
c, 24d coil (electromagnet for generating gradient magnetic field), 25
a, 25e Coil end (input / output end), 25b, 25c,
25d intermediate tap, 35 reel (electrical insulator), 6
0 Gyrotron main body (gyrotron tube), 2
00 Gyrotron, 300 Gyrotron device.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電子ビームを射出する電子銃と、射出電
子に旋回運動を起こさせる軸方向磁場を発生する磁場発
生手段と、旋回電子と固有モードで共振している高周波
電磁場との間でサイクロトロン共鳴メーザ作用を起こさ
せる空胴共振器と、前記空胴共振器内を通過した前記電
子ビームを回収するコレクタと、前記サイクロトロン共
鳴メーザ作用により発生した高周波を外部に取り出す出
力窓とを備えたジャイロトロン装置において、前記磁場
発生手段は、前記空胴共振器付近に磁場を発生する主磁
場発生用電磁石と傾斜磁場発生用電磁石とを備え、当該
傾斜磁場発生用電磁石は、前記ジャイロトロン装置が所
定周波数の発振動作をしているときに、当該空胴共振器
の中心部における軸方向磁束密度の10%以下の磁場を
発生し、かつ、当該磁場によって当該空胴共振器の内部
およびその付近に所望の分布をした軸方向磁場を発生さ
せることを特徴とするジャイロトロン装置。
An electron gun for emitting an electron beam, magnetic field generating means for generating an axial magnetic field for causing a swirling motion of the emitted electrons, and a cyclotron between a high frequency electromagnetic field resonating with the swirling electrons in an eigenmode. A gyro including a cavity for causing a resonance maser effect, a collector for collecting the electron beam having passed through the cavity, and an output window for taking out a high frequency generated by the cyclotron resonance maser effect In the tron device, the magnetic field generating means includes a main magnetic field generating electromagnet and a gradient magnetic field generating electromagnet that generate a magnetic field near the cavity resonator. During the oscillation operation at the frequency, a magnetic field of 10% or less of the axial magnetic flux density at the center of the cavity is generated, and A gyrotron device which generates an axial magnetic field having a desired distribution inside and near the cavity resonator by a magnetic field.
【請求項2】 傾斜磁場発生用電磁石は、同一方向に巻
いた電磁石を2個以上備え、当該同一方向に巻いた電磁
石が発生する軸方向磁場の向きが互いに逆方向となるよ
うに配設したことを特徴とする請求項1記載のジャイロ
トロン装置。
2. The electromagnet for generating a gradient magnetic field includes two or more electromagnets wound in the same direction, and is arranged such that the directions of the axial magnetic fields generated by the electromagnets wound in the same direction are opposite to each other. The gyrotron device according to claim 1, wherein:
【請求項3】 傾斜磁場発生用電磁石は、右巻きの電磁
石と左巻きの電磁石をそれぞれ1個以上備え、当該右巻
きの電磁石と当該左巻きの電磁石が発生する軸方向磁場
の向きが互いに逆方向となるように配設したことを特徴
とする請求項1記載のジャイロトロン装置。
3. The electromagnet for generating a gradient magnetic field includes at least one right-handed electromagnet and at least one left-handed electromagnet, and the directions of the axial magnetic fields generated by the right-handed electromagnet and the left-handed electromagnet are opposite to each other. The gyrotron device according to claim 1, wherein the gyrotron device is arranged so as to be arranged as follows.
【請求項4】 電子銃と、空胴共振器と、コレクタと、
出力窓とを備えたジャイロトロンは、2倍高調波発振動
作をすることを特徴とする請求項1から請求項3のうち
のいずれか1項記載のジャイロトロン装置。
4. An electron gun, a cavity resonator, a collector,
4. The gyrotron device according to claim 1, wherein the gyrotron provided with the output window performs a double harmonic oscillation operation.
【請求項5】 傾斜磁場発生用電磁石は、入出力端以外
に1個以上の中間タップを備えたことを特徴とする請求
項1から請求項4のうちのいずれか1項記載のジャイロ
トロン装置。
5. The gyrotron device according to claim 1, wherein the electromagnet for generating a gradient magnetic field has one or more intermediate taps other than the input / output terminals. .
【請求項6】 傾斜磁場発生用電磁石と、当該傾斜磁場
発生用電磁石が装着されるジャイロトロン管との間に
は、少なくとも1kV以上の電圧に耐える電気的絶縁物
を施したことを特徴とする請求項1から請求項4のうち
のいずれか1項記載のジャイロトロン装置。
6. An electrical insulator capable of withstanding a voltage of at least 1 kV is provided between a gradient magnetic field generating electromagnet and a gyrotron tube to which the gradient magnetic field generating electromagnet is mounted. The gyrotron device according to any one of claims 1 to 4.
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KR101501004B1 (en) * 2013-10-18 2015-03-12 한국전기연구원 Superconducting magnet for gyrotron
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CN114242545A (en) * 2021-11-23 2022-03-25 中国工程物理研究院应用电子学研究所 Compact kilowatt-level millimeter wave source

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