JPS5878351A

JPS5878351A - サイクロトロン共振によるマイクロ波電子管

Info

Publication number: JPS5878351A
Application number: JP17680481A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Takahashi; 豊高橋
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1981-11-04
Filing date: 1981-11-04
Publication date: 1983-05-11
Also published as: JPS6348380B2

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】この発明は電子のサイクロトロン運動全利用して、電子
と電磁波とが相互作用し、発振の機能を有するマイクロ
波電子管に関する。

電子銃から放出された電子ビームは外部磁界による集束
過楓でサイクロトロン運動金持つ電子群に形成できる。

このような電子銃として、断熱型のマグネトロン入射電
子銃が用いられている。この電子銃において、弱いカソ
ード磁界中にあるエンツタ−表面を発する電子は、磁束
にほぼ垂直な電界成分によって加速され、サイクロトロ
ン周波数をもつ旋回運動のエネルギーを持つようになる
。

そして、軸方向にゆるやかに増大する磁界中に電子を引
き出してやると、磁界の増大と共に旋回運動のエネルギ
ーと軸方向運動のエネルギーとの比が増大し、電子の運
動は断熱圧縮される。軸対称電子銃では中空円筒の電子
ビームとなり、その径も次第に小さくなる。

電子は、軸方向に一様な磁束密度をもつ領域に到達する
と、安定なサイクロトロン運動を有す□るようになる。

この状態で高周波電磁界全与えると、電子は高周波電磁
界と相互作用を行なう。いま、電子のサイクロトロン軌
道の一つを取り出し、軸方向の磁束に垂直な高周波電界
を与え、その電子の集群過程金考える。電子はサイクロ
トロン軌道上で旋回運動を行なってお杉、高周波電界と
電子の運動方向との向きが同じ場合、電子は加速されそ
のサイクロトロン周波数の位相が遅れる。そして、向き
が反対の場合、電子は減速されその位相が進む。もし、
高周波電界と電子のサイクロトロン運動が完全に同期し
ている場合はサイクロトロン軌道上の電子の全エネルギ
ー全平均化すると常に一定になる。ところが、わずかに
高周波電界の周期を電子のサイクロトロン運動の周期よ
り早くすると、減速される電子が加速される電子よりサ
イクロトロン軌道上で多くなる。この現象は電子の運動
による相対論効果の影響によって起る。すなわち、高周
波電界によって加速され良電子は相対論効果から、その
電子の質量が初期の値より増加する。一方、減速された
電子はその質量が初期の値より減少する。そして、質量
の増加した電子は、高周波電界内を通過する間に、比較
的早く高いエネルギーレベルかう低いエネルギーレベル
へ落込むが質量の減少した電子は低いエネルギーレベル
に長い間停滞する。この結果、数周期後にはサイクロト
ロン軌道上での電子がある確率で減速領域に集群できる
。結局、サイクロトロン軌道上での電子の全エネルギー
は平均化して減少し、失なった電子の運動エネルギーは
高周波電磁界のエネルギー増大に寄与する。このようガ
相互作用はサイクロトロン共振メーザ−（ＣＲＭ）とし
て知られている。このメーザ作用は高周波電界の周期が
電子のサイクロトロン運動の周期に比べてあまり大きく
なると起らなくなる。

サイクロトロン共振によるメーザ作用を用いたマイクロ
波電子管として、軸対称系の中空円筒の電子ビームを用
いたのをジャイロトロンと呼んでいる。ジャイロトロン
の種類は、空胴共振器のような１個の共振回路に発生す
る電磁界と相互作用し、共振回路に蓄積される電磁波エ
ネルギーによって電子の運動エネルギーが失なわれて発
振現象を起すジャイロ七ノドロン、複数の空胴共振器を
用い電磁波の増巾現象金利用したジャイロクライストロ
ン、伝送回路内の進行波の電磁界とサイクロトロン運動
する電子との相互作用を用いたジャイロＴＷＴ、および
伝送回路内の後進波との結合による後進波ジャイロトロ
ンなどが考えられる。

もちろん、これらの特徴を利用し、その組合せも考えら
れる。

サイクロトロン運動を伴なう電子ビームと相互作用する
高周波電磁界には種々の電磁波モードが可能である。そ
して、共振回路や伝送回路にはそれぞれの回路寸法に応
じた基本波および高調波の電磁波モードを励起すること
ができ、電子とのサイクロトロン共振によりメーザ作用
を起す。一般には、相互作用領域に励起する電磁波モー
ドは電子ビームを補集する目的のコレクター内にもうけ
られた出力回路を伝送し、真空壁をかねる出力窓（ウィ
ンドウ）を介して電磁波エネルギーとして取り出される
。電子銃と相互作用領域の間は電磁波が伝送しないよう
に相互作用する電磁波モードの伝送を遮断できるように
設計される。しかし、５− 電子ビームの通過孔（ドリフト管）′ｔ−有していなけ
ればならない。

この発明は、電子と電磁波とがサイクロトロン共振によ
り相互作用し、発振現象を起すジャイロトロンに新しい
機能が追加されたことを特徴としている。その目的は、
従来のジャイロ七ノドロンに見られるわずかに限定され
た発振周波数を得ることではなく、数多くの発振周波数
が同一のジャイロトロンで任意に得られ、伝送モードも
同一なものに固定でき、安定にかつ大電力の電磁波の発
生源を提供するにある。

本発明によれば、電子銃から放出された電子ビームが、
磁界の影響でサイクロトロン運動葡し、電磁波と相互作
用するマイクロ波電子管において、相互作用領域に複数
個の空胴共振器を具備し、これら空胴共振器の共振周波
数が、電子銃側からコレクター側へ向って次第に低くな
るように構成していることｔ特徴とするサイクロトロン
共振によるマイクロ波電子管が得られる。

以下、この発明の詳細を図面によって説明する。

６− 第１図はサイクロトロン共振によるマイクロ波電子管と
して、もっとも代表的なジャイロモノトロンの構造を示
している。第１図において、陰極１のエミッター面２か
ら電子が放出される。陰極１はヒータ端子３とカソード
端子４の間にヒータ電力を与えることによって加熱され
る。アノード端子５はアノード６の電位を決定する。そ
して、陰極１とアノード６との間の電界が工きツタ−２
からの熱電子放出の電子を加速し、制御コイル７により
エミッター２に加わる磁界が決められ、放出された電子
はアノード６に衝突しないで磁界によって曲げられ、サ
イクロトロン運動を行なうようになる。さらに、ボディ
８の電位によってサイクロトロン運動上する電子が引き
出され、ドリフト管９の領域に進むことができる。また
、電子がドリフト管９へ進むにつれて、主コイル１０に
よって与えられた磁界が次第に強ン“なるので、電子は
゛断熱圧縮され、旋回運動のエネルギーが増加する。

もちろん、ボディ８．アノード端子５．　カソート二端
子４．およびヒータ端子３はそれぞれアルはナセラミッ
ク（Ａ１２０３）　　やガラスなどによって絶縁されて
いる。ドリフト管９に到達した電子は主コイル１０によ
って作られる一様磁界によ多安定なサイクロトロン運動
を行ないながら開口型共振器１１を通過する。ここで主
コイル１０によって作られた磁界による電子のサイクロ
トロン周波数と開口型共振器１１の共振周波数とがサイ
クロトロン共鳴条件金満たすように決定されると、サイ
クロトロン運動する電子と開口型共振器１１内に励起す
ることのできる電磁波とが相互作用する。

このとき、開口型共振器１１に蓄えられる電磁波エネル
ギーが電子から失なわれる運動エネルギーより多くなる
と発振現象を起すようになる。このような電磁波はアイ
レス１２ｆ、通ってコレクター１３に流入する。コレク
ター１３の内部は電磁波の伝送回路になっており、電磁
波は真空機密のためにもうけられたセラミックウィンド
ウ１４を通過して外部に取出される。一方、電磁波〆の
相互作用により、エネルギー金欠なった電子もアイレス
１２を通ってコレクタ１３に入りてくるが、主コイル１
０による磁界によって集束されていたのが開放されるの
でコレクタ１３の内壁にとらえられ発熱する。コレクタ
ー１３の外壁は水冷口１５から流入する冷却媒体が冷却
流路１６において熱をうばう。そして、この冷却媒体金
倉して外部に放熱される。この例ではボディ側にも冷却
流路１７があり、ボディ側で発生する熱を放熱できる。

この発明の適用例を第２図を用いて説明する。

第２図において、開口型共振器が１８．１９，２０゜２
１．２ｇ　　によって示され、複数個の共振器を具備し
ている。

ここで、複数の空胴共振器を用い電磁波の増巾現象を利
用したジャイロクライストロンとの違いを明らかにして
おく。まず、ジャイロクライストロンは相互作用領域に
設けられた複数個の共振器間が電磁波を伝送しないよう
に３ｍ断し、電子ビームの通過孔（ドリフト管）を有し
ている。この場合、前段の共振器に励起した電磁波とサ
イクロトロン運動をする電子ビームとの相互作用にょプ
生じるエネルギーは電子ビームを介して次の共振器９− ヘ運ばれる。また、共振器のもつ共振周波数も、従来の
マイクロ波管である直進形多空胴クライストロンに適用
されて−るところのスタガニ同調方式等により離調され
る。そして、広帯域の周波数特性を有する出力が得られ
る。一般に、ジャイロフライ哀トロンは入力空胴と出力
空胴を有しており、電磁波の増巾を目的としている。

この発明では、複数個の共振器がそれぞれ独立にジャイ
ロトロンの発振現象に寄与する。このとき、発振がどの
共振器で起るかは外部磁界の強さと関係しており、発振
周波数は外部磁界を変化することによって離散的に得ら
れる。

第２図に示す開口型共振器１８，１９，２０，２１゜２
２は、それぞれの共振器の共振周波数’ｋｆｓｓｆｘｅ
、　ｆｚｏ、ｆ２１．　ｆ２２　　として、ｆ１８〈ｆ
１９くｆｚｏ　＜　ｆ２ｘ　＜　ｆ２２　の関係にある
。このことは、共振器１８で電子ビームとサイクロトロ
ン共鳴により相互作用し、励起した電磁波がコレクター
１３の方向へ伝送可能となる。

なぜなら、共振器１８で共鳴する電磁波の共振１０− モードは、共振器１８の基準径より大きい立体回路の伝
送モードにな如、共振器１８の基準径より′　　　　　
　小さい立体回路は伝送しない。したがって、ト°リフ
ト管９は共振器１８の基準径より小さいので、共振器１
８の共振モードは電磁波として伝送しない。しかしなが
ら、エミッター面２から放出されサイクロトロン運動會
して中空の電子ビームを形成している電子はコレクター
１３へ進むことができる。

また、共振器１９について考えると、その共振周波数は
共振器１８の共振周波数より低いが、共振器１９で共鳴
す゛る電磁波の共振モードをそのままの姿態で伝送でき
ない。しかし、コレクター１３の方向へ伝送することが
可能である。同様なことは共振器２０，２１．２２につ
いてもそれぞれ成立する。

結局、複数個の空胴共振器の共振周波数を電子銃側から
次第に低くなるように構成することによって、それぞれ
の共振器の電磁波と外部磁界に関係したサイクロトロン
運動を有する電子群との相互作用から得られる電磁波出
力全容易に取りＩＢすことができる。そして、従来のジ
ャイロモノトロンには見られないような数多くの発振周
波数をもつことが出き、それぞれの周波数で同一の伝送
モードにすることが可能である。また、それぞれの共振
器の長さを適正に選択すれば極めて高い効率の電磁波を
大電力で得ることが容易になる。

また、共振器の長さは発振開始条件金変えたり、電磁波
の最大出力電力全抑制しているので、条件によって特定
の周波数全任意の発振条件で動作されることも容易にな
る。このことは、ジャイロトロンの動作領域會広くでき
ることを意味しており、きわめて自由度の少ないジャイ
ロモノトロンの欠点を大巾に解決できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はサイク？）ロン共振器よる代表的なマイクロ波
管として、ジャイロモノトロンの断面図を示している。第２図はこの発明の適用例として、ジャイロトロンの相
互作用領域に複数個の開口型共振器を具備した構造の断
面図を示している。図中、１・・・・・・陰極、２・・・・・・エミッター
、３・・・・・・ヒータ端子、４・・・・・・カソード
端子、５・・・・・・アノード端子、６・・・・・・ア
ノード（電極）、７・・・・・・制御コイル、８・・・
・・・ボディ、９・・・・・・ドリフト管、１０・・・
・・・主コイル、１１・・・・・・開口型共振器、１２
・・・・・・アイレス、１３・・・・・・コレクター、
１４・・・・・・出力ウィンドウ、１５・・・・・・水
冷口、１６．１７・・・・・・冷却流路、１８．１９，
２０，２１．２２・・・・・・開口型共振器である。 −゛、 □今一＝１３−

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　　電子銃から放出された電子ビームが、磁界の
影響でサイクロトロン運動をし、電磁波と相互作用する
マイクロ波電子管において、相互作用領域に複数個の空
胴共振器を具備し、該空胴共振器の共振周波数が、前記
電子銃側からコレクター側へ向って次第に低くなるよう
に構成されていること全特徴とするサイクロトロン共振
によるマイクロ波電子管。
（２）前記複数個の空胴共振器のそれぞれの長さが異な
ることを特徴とする特許請求の範囲第（１１項記載のサ
イクロトロン共振によるマイクロ波電子管。