JPS59114730A - 競合によるモ−ド減少のための多重径空胴のジヤイロトロン発振器 - 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】 発明の技術分野 本発明は、共振空胴の電磁場と電子ビームの相互作用に
よってマイクロ波出力を発生させるための電子管に関す
るものである。最高出力は、ジャイロトロン型電子管に
よって生成されていた。そのジャイロトロン型電子管で
は、軸線方向の強い定常磁場中での電子のサイクロトロ
ン運動が、その軸線を横切るマイクロ波電場と相互作用
する。

普通のジャイロモノトロン発振器では、電場は環状横断
電場のモードである定常波の電場である。

高周波数で極めて高い出力を扱うために大きな空胴が用
いられ、ＴＥｏｎ−Ｅニードで作動する。これらのモー
ドは、空胴損失を減少するために、時にＴＢ、□よυも
高いモードである。大きな９胴は、また、環状電場を有
しない多くの他のモードを維持することができる。不要
なモードの周波数が作動中の周波数に接近すると、エネ
ルギーはそのモードへ密接結合（ｃｒｏｓｓ−ｃｏｕｐ
ｌｅｄ）され、電子管の性能は下がる。また、不要なモ
ードが時にビームと相互作用し、低効率の振動の原因と
なる。

先行技術 与えられた周波数領域で共振が起シうる擬モード（ｓｐ
ｕｒｉｏｕｓ　ｍｏｄｅ）の数は、空胴のサイズと共に
増加する。従来におけるモード干渉を取シ扱うための基
本的技術は、空胴のサイズとモード周波数分離との間で
調整して解決することである。しかし、いずれにしても
、最適なものではなり０環状電場モードで作動するとき
は、環状電場を有し々いモードを遮るための対称性に基
礎を置いた手段がある。長い間用いられてきた１つの手
段は、空胴（導波管）内でｒｆ電流の方向にその内部の
周囲を巡る溝を設けることである。抵抗性物質がその溝
の底又はその溝の後部の外部チャンバ内に設置されてい
る。不要なモードの多くは、これら不要のモードが選択
的に減衰させられるように、その溝を横切るウオール（
ｗａｌｌ）電流を有することになる。その意図は、その
不要モードが電子流と強い相互作用を起さないように、
それらの共振インピーダンスを減少することである。

１９６９年１０月７日発行の米国特許第１１４７１．７
１４４号（発明者Ｇ、　Ｇ、　Ｐｒｙｏｒ）に、マグネ
トロン共振空胴におけるスロット型（ｓｌｏｔ−ｔｙｐ
ｅ）モードアブソーバが記載されている。１９６９年４
月２９日発行の米国特許第１４１Ｌ７９３号（発明者ｒ
ｏｄ　ａＦｏｓａｅ　　及びＧ、　Ｂ、Ｑｌｅｎｆｉｅ
ｌｄ　）に、導波管において非環状モードと導波管の外
側のアブソーバとを連結するための環状スロットが記載
されている。

１９６１年１１月１１日発行の米国特許第１００ａ１０
２号（発明者Ｍａｕｒｉｃｅ　Ｗ、　８ｔ、σｔａｔｒ
）に、空胴の円筒状壁が高減衰物質を散在させた環状導
体から成シ、その空胴を安定させているところの環状電
場が記載されている。上で引用した特許は、本発明の譲
受人に譲渡されている。それらは全て、空胴内で非環状
モードのエネルギーの吸収を行っている。

極めて高出力で高周波数の電子管においては、抵抗性溝
機構は限界に達する。抵抗性物質中に消散した出力は、
伝導によって持ち去られる以上の熱を発生する。この問
題を剋服するために改良された構造が、１９８１年２月
５日に提出された米国特許出願番号第２５２．０５９号
（発明者Ｍａ　ｒ　ｖ　ｉ　ｎＯｈｏｄｏｒｏｗ及びＲ
ｏｂｅｒｔ　８．　８ｙｍｏｎｓ）に記載されておシ、
本出願の譲受人に譲渡されている。この機構において、
環状電流の方向にある溝は低減衰物質だけから成る。溝
を横切るウオール電流を有するモードで、とシわけいく
つかの非常に厄介なＴＭモードは、それらのエネルギー
が出力導波管を通って放射されるようにそのモードパタ
ーンがゆがめられ、従ってそれら不要なモードのインピ
ーダンスを減少する。

発明の概要 誓 本発明の目　　モード干渉の問題を減らすマイクロ波発
振器を提供することである。

もう１つの目的は、効率の良い発振器を枡供することで
ある。

更にもう１つの目的は、出力の増加した発振器を提供す
ることである。

これらの目的は、異なる断面積を有する２つの部分を備
えた発振器の共振空胴を構成することによって実現され
る。ビーム入口部分に近い部分は、相対的に直径が小さ
く、好適には’ｒＥＯ１１のような低オーダーモードを
維持する。ビーム出口部分に近す部分は、相対的に直径
が大きく、Ｔ　”　０２１のような高いオーダーモード
を維持する。この２つのモードは強く連結されている。

なぜならばその２つめ部分の間の接合は開放されており
、限定された孔などないからであるＯ第２部分は最も高
い電場を含んでいるが、より大きくすると、高出力を導
入することができる。本発明の主な利点は、大きな部分
が従来技術におけるものより短かく、不要なモードの間
で間隔をあけて存在する周波数が増加し、モー’ｈ°干
渉が減少することである。更にその利点は、大きな出力
部分の高オーダーモードが小さな入力部分に入り込むこ
とができないということである。故にビームは所望のモ
ードによシ前もって集群され（ｐｒｅ−ｂｕｎｃｈｅｄ
）、不要々モードとの相互作用を妨げる。

好適実施例 第１図は、従来技術の単一空胴ジャイロトロン発振器を
図示している。ジャイロトロンはマイクロ波管であって
、電子ビームは軸線方向の磁場内で螺旋運動をしている
。その磁場は、電磁波維持回路（ｗａｖｅ−ｓｕｐｐｏ
ｒｔｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ）の電場と相互作用する電
子のドリフト方向と平行になっている。実際的な電子管
におけるその電場は、環状電場モードである。ジャイロ
クライストロンにおいては、電磁波維持回路は共振９胴
であシ、一般にＴＥＯｍｌ　モードにおいて共振する。

第１図において、全ての部分は軸線の周りで回転形状で
ある。

第１図のジャイロクライストロンにおいて、熱電子カソ
ード２０が真空エンベロブの端板２２に支持されている
。端板２２は誘電エンベロブ部材２６によって、加速ア
ノード２４とシール（ｓｅａｌ）されている。アノード
２４は、第２訪電部材５０によって主電子管５０とシー
ルされている。動作中カソード２０は、電力供給源５２
によってアノード２０に対して負の電位に保たれている
。カソード２０は放射内部ヒータ（図示せず）によって
加熱される。熱電子はその円錐状外部放射表面から、そ
れと同中心の円錐状アノード２１１の吸引電場によって
引き寄せられる。その全表面は、周りを取シ囲んでいる
ソレノイド磁石（図示せず）によって与えられる軸線方
向の磁場Ｈ内に浸されている。電子の内部放射状運動は
、交差する電場と磁場によってカソード２０から離れ、
軸線の周りを螺旋状に動く運動とに変換され、中空螺旋
ビーム５ヰを形成する。アノード２４は、第２電力供給
源５６によって電子管本体２８に対して負の電位に保た
れ、更にビーム３ヰに軸線方向の加速を与えている。カ
ソード２０と本体２８との間の領域において、磁場Ｈの
強さは大きく増加し、ビーム５４の直径を圧縮させ、ま
た、軸線方向のエネルギーを犠牲にしてその回転エネル
ギーを増加させている。回転エネルギーは、環状電磁場
（ｃｌｒｃｕｌｔｗａｖｅ　ｆｉｅｌｄ）との有効な相
互作用に関連する部分である。軸線方向のエネルギーは
、相互作用領域を通るビーム移動を行うにすぎない０ ビーム５４はドリフト管５ｇを通過して相互作用空胴ｌ
ＩＯに入る。空胴４０はＴＥ８゜□、モード中の動作周
波数で共振する。この実施例では、そのモードはＴＥ（
Ｉｚ、である。磁場の強さＨは、電子のサイクロトロン
振動数の回転運動が空胴共振とほぼ一致するように刺部
される。その相互作用はビーム５４の位相集郡をもたら
し、電子の回転運動は同期される。その時、それらは回
転エネルギーを環状電場に伝えることができ、振動を形
成して維持する。

空胴４０の出力端で、外に向ってテーパーがつけられた
部分Ｉｌｌは、直径が一様な導波管キロに出力エネルギ
ーを結びつけている。その導波管ＩＩ６は、進行波を伝
えるために共振空胴４０よシも大きな直径を有している
。空胴ヰ０の出力近くで磁場Ｈは減少している。従って
、ビーム５４は広がった磁力線及びそれ自身の自己反発
空間電荷の影響を受けて、直径が広がっている。次に、
ビーム３聾は導波管４６の内壁に補集される。導波管は
また、ビームコレクターとしても役立つのである。

誘電窓ｌＩ８は、アルミナセラミックのようなもので、
真空エンベロブを完成するために導波管１！６を横切っ
てシールされている。

第２Ａ図は、第１図の空胴４０′における軸平面で見た
定常波電磁場のスケッチである。共振モードは基本的に
ＴＥｏ２□である。軸線の周シで回転する場の変化は何
もない。軸線と円筒状空胴壁との間に２つの極大をもつ
場の反転がある。その空胴を通る軸線方向の距離に１つ
の極大がある。すなわち、伝送線路に従ってそれは阿波
調モードで共振することになる。

第２Ｂ図は、軸線方向に沿って見た場のパターンのスケ
ッチである。

第２Ａ図は多少理想化されている。それはあたかも空胴
４０が両端で閉じているかのような純定常波を示してい
る。非常に高出力な実際的なジャイロトロンにおいては
、場が回路を通る通路でもって急速に形成され、その出
力端は、出力導波管と強く連結されている。そこには、
低出力導波管に見られるような部分反射絞りは全くない
。窒胴壁１４６は、外側に向ってテーパーがつけられた
壁Ｌ！ｌを経て伝送導波管１１６′へと単純に拡がって
いる。従って、空胴ｌＩｏ’内の場は、図示された純定
常波形状から相当それている。しかし、後者は簡単に計
算できまた図解できる。ＴＥｏ２□モードが図解されて
いる。′ｔｉｔ場５０の線は、円筒状空胴の軸線を垂直
に取り巻いている。磁力線５４は、軸線を含む平面内で
、閉じたループとなっている。

第５図は、本発明を実施するジャイロトロン空胴の軸線
方向の断面の略示図である。ＴＥＯ２１モードを伝える
大きな空胴部分ＩＩ♂は、第１図及び第２図の従来技術
におけるものよシも短かくなっている。それは、それよ
シも小さくＴＢｏ１□モードを保持している空胴部分６
０と直接連結されている。接合面６キ又はその付近で電
場はＴＢｏ１嘘らＴ”’０２１の内部極大のＴＢＯ２１
へと反転している。およそ、この極大の半径で中空の円
筒状である電子ビーム６６は、その空胴を通過し、小さ
な空胴６０に入っている。

たとえ２つめ空胴部分が互いに強く連結し合っていても
、小さい部分６０内の電場は、太き込部分４０′内よシ
も低くなっている。なぜならば、ビーム６６のｒｆ電流
及び電磁波の振幅の両方が、ビーム６６の進行する距離
と共に急速に形成されるからである。そこには、その電
磁波の大きな進行波成分が有る。従って、もし出力部分
が入力部分６０と同じ大きさで、同じＴｈｏｘ１モード
を伴っているならば、入力部分６０内の循環するウオー
ル電流は、出力部分におけるものよりも少ない。

出力部分ｕ６におりて、損失は減少される。なぜならば
、空胴は入力部分よシも大きく、ま、た、よシ高いオー
ダーのモードを伝えるからである。もちろんよｐ大きな
部分４０１は更に不要なモードを維持し得る。しかし、
モード分離は第２図の従来技術におけるよりも大きくな
る。なぜ外らば、部分４０′の軸線方向の長さが従来の
ものよりも短くなっているからである。不要なモードの
大部分は、よシ小さな部分６０においては維持されな込
。それ故、ビームは初めに所望のモードによって集郡さ
れ、それは、大きな出力空胴ｌＩ６における不要なモー
ドによる競合を妨げる。不要なモードの振動に対する利
得の総和は減じられる。なぜならば、相互作用はより短
い長さに亘ってのみ現れるからである。

入力部分６０内の電場は、空胴損失のよりいっそうの減
少により、更に減少することができる。

また、進行波管におけるように、よシ低い入力電場は、
よシ低い入力電場と共にビームを集郡することによって
管の効率を上げることができる０これを行う１つの方法
は、動作周波数で入力部分６０をカットオフに近い大き
さにすることである。

第４図は、本発明の１つの実施例であり、部分６０にお
ける距離と共に形成される電場はよシ大きくされる。こ
こで、入力部分７０の直径は、入力ドリフト管５１″か
らの距離と共に連続的に太きくなっている。それは、い
くつかの中間点６８で正確にカットオフするようにして
もよい。カットオフであろうとなかろうと、電場は減少
する直径とともに減少することになる。入力部分７０の
断面は、図示されているようにスムーズなテーパー状で
ある必要はなく、段階的であって′も、又は、傾斜に変
化があってもよい。

また出力部分４０内の電場は、ビームの入口からの距離
と共にその断面を連続的に大きくすることによって、そ
の距離とともに増加することになに≠孝呑ネず、それに
よって発振器の効率が改良される。

本発明の他の実施例祉、当業者には明らかであろう。上
で記載した実施例は、例としてみなされるべきで、発明
を限定すべきものではない。本発明の範囲は、特許請求
の範囲及びそれら法律上の均等物によってのみ限定され
るべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来技術の“ジャイロトロン発振器の軸線方
向の略示断誹硲ある。 第２Ａ図は、第１図で見らｎ；ｂ場を第１図と同じ方向
から見た場の形状の略示線図。 第２Ｂ図は、第２Ａ図の２Ｂ−２８＆Ｉの方向から見た
略示線図。 第３図は、本発明を実施するジャイロトロンの軸線方向
の略示断面図である。 第４図は、異った実施例の軸線方向の略示断面図である
。 〔主要記号の説明〕 ２０−一熱電子カソード ２４−−アンード ２８−−’電子音本体 ３８　、３８−−　ドリフト管 ４０−一共振剋同 ４６’　、　４６−−大きな空１１＝＝Ｉ　Ｃ出力部分
）４６．４６−−導波管 ６０−一小でな窒胴 ７０−一人力部分 ％計出細入　パリアン・アソシエイツ・インコーホレイ
テツド

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　電子ビームとエネルギー交換関係にある定常的な電
   磁波を維持するための共振空胴から成るジャイロトロン
   発振器であって、前記空胴が前記ビームのドリフト軸線
   方向に沿って、複数の連続した部分から成シ、第１上流
   部分の前記軸線方向に垂直な断面部分が、第２上流部分
   よシも小さ−ことを特徴とする発振器。 ２、特許請求の範囲第１項に記載された発振器であって
   、 前記第２部分が、前記第１部分において相互作用電磁波
   が維持されているモードよシも高いオーダーのモードに
   おいて相互作用電磁波を維持するのに十分な大きさを有
   するところの発振器。 五　特許請求の範囲第２項に記載された発振器であって
   、 前記部分が直接接続され、前記相互作用電磁波が直接連
   結されているところの発振器。 ４、特許請求の範囲第う項に記載された発振器であって
   、 前記軸線を横切る前記の部分間の連結された開口部の大
   きさが、少なくとも前記軸線を横切る前記第１部分の大
   きさと同じであるところの発振器。 ５　特許請求の範囲第２項に記載された発振器であって
   、 前記相互作用電磁波がＴＥｏｎｎ波であるところの発振
   器。 ａ　特許請求の範囲第５項に記載された発振器であって
   、 前記第１部分内の前記相互作用電磁波が、ＴＥ０□。モ
   ードであるところの発振器。 Ｌ　特許請求の範囲第１項に記載された発振器であって
   、 前記第１上流部分の前記断面積が、ビームがそこに入シ
   込むところの端部からの距離とともに増大するところの
   発振器。 ＆　特許請求の範囲第１項に記載された発振器であって
   、 前記第２上流部分の前記断面積が、ビームがそこに入シ
   込むところの端部からの距離とともに増大するところの
   発振器。