JPS58169758A - 開口部を有する一様磁場ソレノイド磁石 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 クライストロン及び進行波管のような大部分の線形ビー
ム電子管において、電子ビームは，ビーム軸に沿って向
けられる一様な磁場によって円筒状外形に集束されて保
持さｉる８大電力電子管において、磁場は、電子管の外
側にありビームと間軸のソレノイドコイルによって代表
的に生成される。鉄製シェルがソレノイドを包囲して、
電子管の相互作用領域に磁場を制限し且つその磁場を骸
餉域全体にわたり可能な限り一様にする。ビームの直径
は代表的にソレノイドよりもかなり小さく、そのため軸
線に非常に近い磁場が唯一の１賛な部分である。

第１図は、従来技術の集束磁石２０内のクライストロン
を示す。電子管１０は、上部から磁石２０内に滑動する
。クライストロンｌＯは、、電子の収束ビーム１２を生
成するための電子銃１１を含む。

ビーム１２は、中空ドリフト管ｌ４を通過する。

中空ドリフト管ｌ４においてビームｌ２は共鳴空胴ｌ６
及びｌ８の電磁場と相互作用して、代表的に小さい同軸
ケーブルである入力伝送線路（図示せず）を通って入力
空胴ｌ６内に供給される信号波を増幅する，。

空胴ｌ６及び１８の領域において、ビームｌ２は、ソレ
ノイド巻ー２０によし生じた軸方向磁場によって鉛篭形
状に集束し続ける。相互作用領域を越えたビーム１２は
、磁場を離れて自身の空間電荷斥力によって拡張し、大
きなコレクター・々ケラト２２の内表面上に達する。

磁石２０は、強磁性末端グレート２６に接合された外側
円筒２４から成る強磁性シェルを有する。

末端グレート２６は、クライストロンｌＯの一体部品で
ある内部ブールピース２７と磁気接触している，、各４
−ルピース２７は小さい中央開口４Ｂ及び５０を有し、
ビームｌ２を通過させる。穴４８及び５０の外側では磁
場は、無視できる値に急速に衰える。

磁石２０は、多数のソレノイドコイル３０から成る。し
かしながら、単一の長いソレノイド巻線がしばしば用い
られる。真に一様な磁場を得るために、コイル３０け、
鉄の末端グレート２６の間にずっと延在するべきてあえ
。しかしながら、クライストロンｌＯの高出力電力を伝
えるために、導波管３２が、出力空胴ｌ８における結合
開口３４から真空気密誘電窓３６を通って外部有効負荷
（図示せず）へと延在しなければならない。故に、従来
技術におけるコイル３（１、導波管３２の底部平面３７
ｔでしか軸方向に延在可能でなく、そのため出力ポール
ピース２７に隣接するギャップ３８を磁気的に未付勢の
まま放置していた。

第１図によって糸される構造において、空胴ｌ６及びｌ
８は、ロッド４２により内方及び外方に移動される同調
ｆＬ／−）４０によって同調される。

コイル３０は、機械的支持及び温度冷却を提供する非磁
性グレート４４によって分離される。非磁性プレート４
４は，同調ロッド４２のための通路を有する。

第２図は、全コイル３０が同一の電，流密度を有すると
きに磁石１０によって生じた軸方向磁場の強度のグラフ
である。磁場は、相互作用領域の大部分に亘って一様々
値４６を有し、ポールピース２７における入口開口４８
及び出口開口５０の近くで＃ミとんどゼロへ急速に衰乏
る。コイル３０を越えたギャツ７’３８によって、磁束
線はこの領域で広がって、軸方向磁場強度５２は徐々に
衰える。

もしコイル３０が連続するならば、磁場５３けほとＸ７
ど開口５０まで一様であるであろう。大電力線形ビーム
管の出力領域においてビームは高い空間電荷密度集群を
有し、そして電磁集束ばかし力を被る。故に、弱められ
た集束磁場５２ＦＪｉ、相互作用構造上で電子の妨害を
引き起こし、その結果電力の損失及び危険な加熱を生じ
させる。

磁場ひずみを減少するための種々の案が工夫されてきた
。上方ソレノイド部片３０において電流密度を増加させ
ることが出力領域における磁場を増加させるが、その紡
に磁場において望ましくないピークを創成する。１９６
０年１２月６日にリチャード・ビー・ネルソン（Ｒｌｃ
ｈａｒｄ　Ｂ、　Ｎｅ１ｓｏｎ）及ヒロノ譬−ト・ニス
・シモンズ（Ｒｏｂｅｒｔ　Ｓ、　Ｓ芦ｏｎ畠）に対し
て発行された米国特許第２，９６３，６１６号は、第３
図に図示した手段を記述している。第３図は、磁石２０
′及びクライストロン１０’の出力導波管３２′のみを
示す。第３図において導波管３２′は、インピーダンス
変圧器５４を介して集束磁石２０′の内□、１ 部領域の非常に薄い導波管５６へとだんだん下げられる
。かくシ・て未付勢空間３８′の高さが縮小されて、磁
場強度の減衰を減少させる。

他の従来技術案が、１９６０年５月３１日にリチャード
・ピー・ネルソンに対して発行された米国特許第２，９
３９，０３６号において記述されている。

ここで薄い出力導波管が、管の軸線に垂直である代りに
該軸線に平行に、コレクターの横に沿って造られている
１、あいにくこの案は、比較的低電力の管に制限される
。大電力管においてコレクターは、管本体よりも大きく
て導波管の妨げとなるであろう。

ンレノイドコイル３０（第１　ＩＩ　）は、ときどきワ
イヤで巻かれる。第４Ａ及び４Ｂ図によって図示される
他の有用な構造は、薄い金属箔（ｆｏｌｌ）で渦巻状に
巻かれるコイル３０〃を用いる。アルミニウム箔が、普
通用いられて陽極処理面によって絶縁される。アルミニ
ウム箔からの熱が短い全金属製経路を介して熱だめ４４
′へと軸方向に伝えられる。熱だめ４４′は、たとえば
箔巻線（ｆｏｌｌ　ｗｉｎｄｉｎｇ）３０〃の間の環状
銅板である。箔コイルの場合には、端末コイル６２にお
いて切込み６０を切り取り可能であり、出力導波管の通
路を形成することができる。切込み６０は、電流流＠６
４を、軸方向成分を流れに加えることによって切込み６
０よね下方に集中させる。コイル６２の残る周囲のまわ
りで電流は、コイル６２の断面じゆうに自由に広がる。

かくして、単一の切込み６０が非対称電流・−ターンを
創成する。＃非対称電流ノターンによって、軸に従う磁
力線が、磁石末端の出力導波管の近くで軸線からそれる
であろう。このこと１Ｌ電子ビームを曲げるであろう。

このひずみを補正するために、第２の切込み６３がコイ
ル６２において切込み６０から１８０度の位置に切り取
られて、切込み６０と１８０度回転対称を有するべく成
形される。結果九る電流流＠６４は切込み６０及び６３
の下方の領域６６内に制限されるが、介在する慟域６Ｂ
においては自由に広がる。流線６４ｔｌサドル形状を形
威し、軸線のまわ９に１８０度回転対称である。電流に
よって゛発生した磁力線は同一の対称性を有して、磁気
等Ｉテンシャル面はサドル形の面である。軸方向磁力線
は、ずっと軸に従う。電子ビームは磁石よりもかなり小
さいので、傾斜した軸はずれ磁場は１喪でない。

電流はスロット間領域６８においてコイル６２の頂端ま
で広′がり可能であり、そのため軸方向磁場強度の減衰
は、コイル全体が短く切られた第１及び２図の場合にお
いてほど激しくない。それにもかかわらず、コイル６２
の上半分における電流総量は下半分においてよりも少な
く、そのため磁場の実質的減衰がある、。

第５図において、曲線７０は、第４図に図示したような
コイルについて実験的に測定した軸方向磁場強度のグラ
フである。比較のために、穴を有するポールピースまで
完全に延在する一様なソレノイドの場合の磁場を、曲線
７１で示す。この曲線７１は、理想的状態である。／−
ルピースから離れた場所における磁場の上昇７２に注意
せよ。

この上昇７２け、切込み６０′Ｅｔび６２の下方の電流
の集中による。

〔発明の概要〕

本発明の目的は、一定の軸方向磁場を線形ビーム電子管
の相互作用ＩＪＭ全体で維持可能であり、且つ導波管の
外方通路が電子管を通るのを可能にするところのソレノ
イド磁石を提供することである。

この目的は、コイルの１方の端近くに対向して設置され
た開口を有するソレノイドコイルをもたらし、導波管を
通過させ且つ対称性を保つことによって、達成される。

他方の端近く１つ前記開口の間の空間は、電流の流れを
妨害する領域であって、周辺上これら領域部分において
電流を前記１方の熾近くに集中させる。かくして、両端
近くの平均電流を、等しくすることが可能である。融に
、軸方向磁場をほぼ一定にすることが可能である。

コイルは、サドル形対称性を有する形でワイヤ巻きにし
ても良い。箔巻コイルにおいて開口及び妨害領域は、箔
巻線から切り取られる部分とすることができる。

〔好適実施例の説明〕

主として箔巻磁石コイル（ｆｏｌｌ−ｗｏｕｎｄ　ｍａ
ｇｎｅｔｃｏｉｌ　）において実施するものとして、本
発明を説明する。又、本発明はワイヤ巻コイルにおいて
も実施可能であることを示す。

第６図は、本発明を実施する箔巻磁石コイルの斜視図で
ある。このコイル７４はソレノイド磁石の端末コイルで
あり、第４図の端末コイル６２と同様に線形ビーム電子
管の出力端に配列されるであろう。コイル７４は、出力
導波管（図示せず）を通過させるためにその上方端に切
込み又はスロット６０′を有する。反対側の対称的切込
み又はスロット６３′が、第４図と関連して説明されて
いるように軸方向磁場線を曲げることを補償する。スロ
ット６０′と６３′との間にはそれらの間に方位的に配
置されて、コイル７４の他端にもう１対のスロット７６
がある。スロット６０’及び６３′は、電流流路７８を
コイルの周囲上の該スロット６０′及ヒ６３′の位置６
６′においてそれらの下方に集中させる。。

補償用スロット７６け、同様に電流流路７８をコイルの
周囲上の皺スロット７６の位置６８′においてそれらの
上方に集中させる。結果として、流路７８はサドル形状
曲線を描き、コイル７４の中間平面の上方及び下方に振
動する。結果たる等磁位面もまたサドル形状である。１
対の補償用スロット７６もまた軸線のまわりに１８０度
回転対称であるならば、軸線上の磁力線は第４図に関連
して説明されるように正確に軸線に従うであろう。

回転対称の効果は、電流の各ベクトル成分が軸線上の各
位置に磁場のベクトル成分を生成するということに注意
することによって視覚化することができる。もし電流ベ
クトルを１８０度回転させるならば、磁場ベクトルもま
た軸との初期の角度を維持したまま１８０度回転する。

もとのベクトル及びその回転偉は軸を含む同一平面内に
あるので、軸に垂直なベクトル成分は消去される。かく
して電流の１８０度回転対称は、軸上に軸方向ａ場成分
のみを生成することになる。補償用スロット７６の付加
は、必要なスロット６０′及び６３′による電流流路７
８の正味の下方変位に対して平衡を保ち得る。このこと
は、スロット７６が軸方向反転に９０度回転を加えたも
のに関して対称構造をなすという意味でスロット６０’
、６３’と等しいならば、明白であろう。しかしながち
、異々る形状のスロット７６を作るための構造的又は温
度的理由があるか本しれない。スロット７６が如何なる
形状であっても、回転対称が保たれる限り、軸方向磁界
は直線であろう。、適正にスロット寸法をとりコイルの
長さを選択することによって、軸方向磁場強度減衰に対
する所望の補償がほとんど完全に達成可能である。第５
図を参照すると、曲線９２は、補償用スロットを有する
コイルについて測定した軸方向磁場強度のグラフであり
、第４図の従来技術］イル（曲線７０）を越える大きな
改良を示す。

第７図は、本発明がワイヤ巻コイルで実施化可能である
方法を図示する。ワイヤ８０は、シリンダー８２の表面
上に巻きつけらねる。ワイヤ８０は、交互に横断中心平
面８４の上方に上昇し又下方に降下する。導波管８６は
、ワイヤ８０が磁石端片から下方に除去される点におい
て、コイル８０と該端片との間の開口を通過するであろ
う。このコイル８０は、プラズマ閉込め実験において用
いうれる「ペースゲール」コイルとのいくつかの類似点
を有する。しかしながら、コイル８０ＩＩｉ閉込め用ξ
ラー磁場の代わりに一様な磁場を生成することから、形
状及び機能の両方において異なっている。

第８図は、本発明を実施化する箔巻コイルの断面図であ
る。コイルの底部付近の補償用領域は作動スロツ）６０
’及び６３’と岬しくする必要はなく、更にスロットで
ある必要さえないことを示してい　　４る。適切な如何
なる対称形状から成る一対のホール９０であっても、必
要な電流形成妨害をもたらすことが可能である。更に、
補償用領域は、コイル６２ＩＩを半径方向に真直ぐに通
って延在する必要もない。他の実施例は、幅広のスロッ
トはどは軸方向熱流と干渉しない狭いスロットを用いる
ものである。各補償用領域は、多数のスロット、溝又は
ホールから成っても良い。

本発明の範囲内で多くの他の実施例が可能であることは
当業者にとって明らかであろう。前記の実施例は例示的
であって、限定的なものではない１、適切な位置にあっ
て電流の流れを妨害する如何なる手段も十分である。軸
から外れたサドル形状のひすみは、それぞれ必要な対称
性を有する２対以上の電流妨害ｌｊ埴を用いることによ
って減少できる。もちろん、２対以上の妨害領域の使用
は、コイルの電気抵抗を増加させる。

本発明の範囲は、特許請求の範囲及びその法的郷価物に
よってのみ限定されるべきものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来技術磁石内のクライストロンの断面図で
ある。 第２図は、第１図の磁石の軸方向磁場強度のグラフであ
る。 第３図は、従来技術の磁石及び該磁石を用いた電子管の
一部の断面図である１、 第４Ａ図は、改良された従来技術の磁石の側面図である
。 第４Ｂ図は、第４Ａ図の磁石の軸方向断面図である。 第５図は、いくつかの磁石における磁場のグラフである
。 第６図は、本発明を実施する磁石コイルの斜視図である
。 第７図は、本発明の変形実施例の斜視図である。 第８図は、変形実施例の軸方向断面図である。 〔主要符号の説明〕 ６０’、６３’、７６・・・スロット ６６’、６８’・・・スロットの位置 ７４・・・コイル　　　　７８・・・電流流路９２・・
・曲＠　　　　　　ＳＯ・・・ワイヤ８２・・・シリン
ダー　　８４・・・横断中心平面８６・・・導波管　　
　　６０’、６３’・・・作動スロット６２’・・・コ
イル　　　　９０・・・ホール特許出願人　　・ぐリア
ン・アンシエイッ・インツー４レイテツド ＜−Ｉ ＦＩＧ、２ 手続補正占 ’ｔ’ｌ’ｎ’ｌ庁長官　若杉和夫殿 １、　　’４１件の表示　昭和５８年特許願第１００４
３号２　　′；こ明の　名称　開口部を有する一様磁場
ソレノイｉ鎮石３　補＋Ｅをする各 ・旧′Ｉとの関係　特許出願人 イＩ　　１ｉｌｉ　（１，ｌｉ所） 氏　２　（２１税’）　　パリアン・アソシエイツ・イ
ンツーｌレイデッド４、代理人 ｆｌ：　ｐｌ＋　　東５１１都？ｈ区西新橋１１’１１
６番２１弓募ｌ藺

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　はぼソレノイド状の電磁石コイルであって、当該
   ンレノイドの軸線に沿ったほぼ一様な磁場により荷電粒
   子の流れを方向づけ、コイル電流の流路を妨害する偶数
   の第１の領域が当該コイルの一端付近に周回的に間隔を
   置いて配置され、以って前記電流は前記一端の前記第１
   の領域のまわりから離れるように転向される、ところの
   コイルであって： 偶数の第２の領域を有しそれがコイル電流の流れを妨害
   し且つ該コイル電流を周回的流れから転向させ、前記第
   ２の領域は前記第１の領域の間で周回的に間隔を置いて
   配置され且つ前記一端から軸方向に離れているところの
   コイル。 ２、特許請求の範囲第１項に記載されたコイルであって
   ： 前記第１の領域が前記軸線のまわりに１８０度回転対称
   であるところのコイル。 ３、特許請求の範囲第１項に記載されたコイルであって
   ： 前記第２の領域が前記第１の領域の間の中間にあって前
   記軸線のまわりに方位的に配置されるところのコイル。 ４　特許請求の範囲第２項に記載されたコイルであって
   ： 前記第２の領域が前記軸線のまわりに１８０度回転対称
   であるところのコイル。 ５、特許請求の範囲第１項に記載されたコイルであって
   ： 前記コイルが１束のほぼ平行なフィラメント状の導電体
   から成り、前記領域が前記軸線に垂直な平面からの前記
   導電体の周期的軸方向変位によって形成されるところの
   コイル。 ６、特許請求の範囲第１項に記載されたコイルであって
   ： 周回的に巻かれた金属製ＩＪ　ｙｌ？ンの導電体から成
   るところのコイル。 ７、特ＩＩ！Ｆｔｌｌ！求の範囲第６項に記載されたコ
   イルであって： 前記第１の９Ａ塚が当該コイルの前ｆｌｅ一端における
   スロットから成るところのコイル。 ８　特許請求の範囲第７項に記載されたコイルであって
   ： ＡｆＪ配第２の領域が当該コイルの前記一端の反対端に
   おけるスロットから成るところのコイル。 ９、％許請求の範囲第７項に記載されたコイルであって
   ： 前記第２の領域が当該コイルにおりる穴から成るところ
   のコイル。