JPS61110063A - 水負荷形電力計 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は高周波電力を測定するための水負荷にかかわり
、特にパルス発振される大電力高周波の電力を測定する
ための水負荷形電力計に関する。

〔発明の背景〕

高周波電力の主な測定法、測定器については°マイクロ
波・ミリ波測定″小ロ文−著、コロナ社昭和５４年１２
月、第２章に詳しく述べられているように、従来の高周
波電力測定器は熱量計式電力計とボロメータ式電力計に
分類される。前者は高周波を何らかの負荷に吸収させ、
その温度上昇を測定して負荷に吸収された電力を測定す
るものである。後者は高周波電力を微小抵抗素子に吸収
させ、その温度変化による抵抗値の変化を測足し、吸収
電力を測定するものであり、抵抗素子としては、員の温
度係数を持つサーミスタ、正の温度係数を持つパレソタ
などが使用される。

ボロメータ式電力計では、測定精度を良くするためＫ、
抵抗素子の大きさを被測定高周波の波長に比べて充分小
さくしなければならない。このため本質的に大電力の測
定には適しておらず、測定電力は１０ｍＷからせいぜい
１００ｍＷ程度である。一方熱量計式電力計は大電力の
測定に適しており、各種の形式のものが開発されている
。なかでも水を高周波吸収体に用いる水負荷形電力計は
数十ｋＷから数百ｋＷの大電力の測定に最も適している
。以上述べた電力計は全て連続発振している高周波電力
を測定するための測定器である。パルス発振している高
周波の電力を１パルスで測定することは難しく１通常は
パルスの繰り返し周波数と占有率を大きくし、平均電力
を前述した電力計で測定して、他の方法で測定したパル
ス波形を参考にし１パルスのピーク電力などを算出する
方法が採られる。

放送、レーダ、核融合、加速器などで使用される１００
ｋＷ級、ＩＭＷ級の大電力高周波の電力を測定するため
には１通常水負荷形電力計が使用される。水負荷形電力
計には、高周波の周波数に応じて、同軸形水負荷、導波
管形水負荷があり、導波管形水負荷には円形導波管用と
矩形導波管用があるが、いづれも動作原理は同じである
。円形導波管用水負荷を例にとり、第２図で水負荷形電
力計の動作を説明する。第２図において水負荷の外筒３
と内筒２は円形導波管１に接続きれ、被測定高周波４は
円錐状の内筒２を通って、水５の中に入射し、その電力
は水に吸収される。外筒３には水配管１６が接続され、
矢印で示した方向に水が流れている。水配管１６Ｆ′ｉ
熱電対列１１で構成されるサーモパイル９の中′ｆｃ通
り、熱交換器１５で二次冷却水により冷やされた後、水
タンク１４に入る。水タンク１４に貯められた水は、ポ
ンプ１３で循環させられる。循環している水の流量は。

流量計１２で測定され、サーモパイル９の熱電対列１１
の出力は電圧計１０で測定される。

水を導波管内に漏らさないための内筒２ｒｉ、高周波の
誘電損失が小さいテフロンなどが使用され、高周波の水
による反射を小さくするために、通常第２図に示したよ
うな円錐状あるいは逆円錐状に作られる。水負荷に流入
した水は、水負荷全通過する間に高周波電力を吸収し温
度が上昇する。水負荷に流入する水と流出する水の温度
差はサーモパイル９の熱電対列１１で検出され、その出
力は電圧計１０で測定される。この降水の流量をＱ（１
／分）、水温上昇をΔＴＩＣ＞とすると、高周波電力Ｐ
（ｋＷ）は次式であられされるつＰ　−０，０７Ｑ・Δ
Ｔ（１） 連続発振している高周波については、（１）式から′電
力を求めることができる。しかしパルス発振している高
周波の１パルスの電力を、第２図に示したような方法で
直接測定することは、循環水量が多く１パルスでの水温
上昇が小さいために困難である。水温上昇を犬きくする
ためには、水の流量を小きくする必要があるが、流量を
小さくしすぎると次に述べるように、水の局所的な沸騰
が生じ、その結果高周波の水負荷での反射が大きくなり
、反射波による発振管の損傷などを引き起すので好まし
くない。水の誘電正接は他の誘電体に比べて非常に大き
いため、高周波は水によく吸収される。

たとえば核融合でプラズマ加熱に使用される数十Ｇ　Ｈ
ｚの高周波の水中での減衰率は数百ｄ　Ｂ／　ｃ　ｍの
程度である。したがって水負荷に入射した高周波は、内
筒２のごく近傍でほとんどの電力が吸収される。また導
波管内では高周波の電磁場は一様でなく、導波管断面内
で変化しているので、水に吸収される電力も電磁場の分
布に応じて変化している。したがって内筒２の近傍で吸
収電力密度の大きい場所が生じ、そこで局所的に水が沸
騰する可能性がある。沸騰が生じると気泡が発生し、気
泡の表面で高周波が反射されるので、正確に電力が測定
できなくなると同時に、前述したように反射波による機
器の損傷を生じさせる恐れもある。

このため水負荷に流入する水の流ｔは、高周波電力やパ
ルス巾、水負荷の大きさなどに応じて一定量以上が必要
である。たとえば核融合でプラズマ加熱に使用される、
周波数十ＧＨｚ、１！力数百ｋＷ程度の高周波では１通
常内径６３．５ｍｍφの円形導波管が使用される。この
場合は、高周波のパルス巾が数ｍｓ以上になると、最低
１０〜１５ｔ／分の流量が必要である。この場合の１パ
ルスでの水温上昇はきわめて小さく、サーモパイルで検
出することができないので、１パルスの発振電力を直接
測定できない。したがってパルス発振している高周波の
電力を測定するためには、パルスの繰り返し周波数と占
有率を大きくし、水負荷に水が流入し流出するまでに、
多数のパルス電力を水に吸収させ、その時の水温上昇か
ら平均電力を測定する方法が用いられる。この時平均的
電力Ｐ（ｋＷ）は（１）式で求められ、パルスの占有率
をαとし、各パルスの高周波電力は同じであるとすると
、１パルスの高周波電力Ｐ　（ｋＷ）は次式で与えられ
る。

ｐ　−（２） 高周波のパルス波形が、各パルスについて同一であり、
発振電力も同じであれば、この方法で１ノくルスの電力
を測定できるが、各ノくシス間でばらつきが大きい場合
には正確に測定できない。また水温上昇の測定精度を考
慮すれば、（１）式のΔＴは０．５Ｃ程度必要であり、
流量も１０ｔ／分程度必要とすると、２００　ｋＷの高
周波電力を測定するためには占有率ａとして０．２−程
度必要になる。

一方核融合でのプラズマ加熱の場合は、数十ｍｓ〜数百
ｍｓ　のパルス巾の高周波を数分に１回程度の割合で使
用する。したがってノ＜ルス占有率は小さくて良いため
、高周波電源の容量も小さくてよい。しかし発振電力を
測定するためには、ノくルス占有率を０．２％程度に大
きくしなければならないので、電力測定のためだけに電
源容量を大きくしておシ、経済的ではない。

以上述べたように、従来の水負荷形電力計は水の局所的
な沸騰を防止するために、一定量以上の水を流さねばな
らないので、１パルスで高周波電力を測定することが不
可能である。このためパルス発振している高周波の′磁
力を測定するためには。

パルスの繰り返し周波数と占有率を大きくして。

発均電力から１パルスの発振電力を算出しなければなら
ない。この方法では電力測定のためだけにパルス占有率
、結果として電源容量を、本来の目的には不必要な程度
に犬さくしなければならないため、経済的でないという
欠点がある。ざらに１パルスの発振電力を正確に測定で
きないという欠点もある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、パルス発振している高周波の電力を１
パルスで測定できる水負荷形電力計を提供するに、ある
。

〔発明の概要〕

本発明は、水負荷形電力計での水の局所的な沸騰を防止
するためには、必らずしも大量の水を循環させる必要は
なく、水負荷の内筒に対して水が一定速度以上で動けば
よく、また高周波の電力は内筒のごく近傍で吸収される
ことに注目し、水負荷内に少量の水を満たし、その水を
撹拌することにより、沸騰を防止するとともに、１パル
スでも検出可能な水温上昇を得るようにしたものである
。

〔発明の実施例〕

以下実施例にしたがって本発明の詳細な説明する。第１
図に本発明の１実施例を示す。第１図において水負荷の
外筒３と内筒２は円形導波管１に接続されており、外筒
３と内筒２の間には外筒に設けられた注入口から水が注
入され、満たされる。

外筒３と内筒２の間には回転翼６が取り付けられ、回転
軸を介してモータ７で回転される。また外筒３と内筒２
の間には、熱電対あるいは測温抵抗体８が設置され、そ
の出力は／・−メチツクシールなどを通して外部に引き
出されて、電圧計あるいは抵抗ブリッジ１７により、そ
の出力電圧あるいは抵抗が測定される。

第１図で導波管１を伝搬してきた高周波４は、第２図で
述べたように高周波の誘電損失が小さいテフロンなどで
作られた内筒２を通過して、水５に入射し、内筒２のご
く近傍で大部分の電力が水に吸収される。この降水５Ｆ
ｉ回転翼により撹拌されているため、第２図に述べた従
来例で水を循環させる場合と同様に、内筒２に対して動
いているので、水の局所的な沸騰を生じさせないように
できる。沸騰を生じさせないためには、従来例ではたと
えば１０〜１５ｔ／分の流量が必要であった。

円形導波管の内径が６３．５ｍｍφの場合の水負荷では
、これは水負荷内の流速が１０ｃｍ／秒程度に相当する
。したがって回転翼の回転数を１０回転／秒程度にすれ
ば、回転翼による水の撹拌により、必要な水の流速が得
られる。

一方１パルスで高周波電力を測定するためには、外筒３
と内筒２の間に満たされた水５の容量は小さい方がよい
。余水の容量をＭ　（ｔ　ｌ　、高周波寛力をＰ（ｋＷ
）、パルス巾をｆ（ｍｓ）とすると、１パルスでの水温
上昇ΔＴ　ｌ）は次式であられされる。

ここでＰを１００ｋＷ、ｆを１０ｍ５とすると、定する
ためには、ΔＴとしてＯ，Ｓ　Ｃ程度必要なので、水の
容量はＯ，Ｓｔ程度にすればよい。円形導波管の内径が
６１５ｍｍφの場合、水負荷の軸方向の長さは、入射高
周波の反射を防止するために。

通常４０　ｃｍ程度とられる。したがって第１図の外筒
３と内筒２の間隔を１ｃｍ程度にすれば水の容量は０．
５ｔＳ度になる。前述したように、数十ＧＨｚの高周波
の場合、水中での高周波の減衰率は数百ｄ　Ｂ／ａ　ｍ
なので＋１ｃｍ程度あれば高周波電力は完全に吸収され
問題ない。水温上昇は熱電対あるいは測温抵抗体８で測
定される。水は撹拌されているので温度測定は１ケ所で
充分であるが。

測定精度を高くするためには、数ケ所に熱電対等を取り
付ける方がよい。また低電力の測定では水温上昇が小さ
くなるので、外筒３の周囲に断熱材を取り付ける方が測
定精度を高くすることができる。

水中での高周波の減衰率が大きいので、回転翼６の所で
の高周波電力はきわめて小さくなっている。したがって
回転翼６の材質は金属でよいが、金属による高周波の反
射を防止するという観点からは、テフロンなどの誘電損
失が小さい誘電体を使った方がよい。いづれにしろ回転
翼６は細長い形状になるので、構造は複雑になるが、外
筒３の内壁面上にガイドレールなどを取り付けて、回転
翼６がなめらかに回転するようにする必要がある。

紋上述べたように本発明の１実施例によれば、水負荷内
に設置された。水負荷外から回転させられる回転翼で少
量の水を撹拌することにより、水の局所的な沸騰を生じ
させないで、パルス発振している高周波の電力を１パル
ス測定できるという効果がある。

第３図に本発明の他の実施例を示す。本実施例は、外筒
３に羽根２１を取り付け、外筒３自体を内筒２に対して
回転させることＫより、水を撹拌するよう（したもので
ある。第３図において、外筒３の内壁面上に、いくつか
の羽根２１が取り付けられる。内筒２Ｌ円形導波管１に
固定されるが、外筒３はベアリング１９と、水封上用の
ガスケット１８を介して内筒２に取り付けられ、内筒２
に対して回転させられるように設置される。外筒３は歯
車２０を通して、モータ７により回転させられる。水温
上昇は水５の中に設置された熱電対あるいは測温抵抗体
８により検出され、その出力は電圧計あるいは抵抗ブリ
ッジ１７で測定され、高周波電力が算出される。この実
施例の場合も第１図に示した実施例の場合と同様に、外
筒３の回転数は１０回転／秒程度、また外筒３と内筒２
の間隔ｔ’１１ｃｍ程度でよい。この実施例では、第１
図に示した実施例と同様の効果がある上に、さらに、水
を撹拌するために回転翼を使用せず、外筒に直接取り付
けた羽根を使用するため、回転体の剛性が大きく、より
安定に水を撹拌することができるという効果がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、水負荷内に満たされた少量の水を撹拌
することＫより、大電力高周波が入射しても、水の局所
的な沸騰を防止できると同時に、１パルスの高周波電力
でも検出可能な水温上昇を得ることができるので、パル
ス発振している大電力高周波の電力を１パルスで測定で
きるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の代表的な実施例を示す図、第２図は従
来の水負荷形電力計の構造を示す図、第３図は本発明の
他の実施例を示す図である。 １・・・円形導波管、２・・・水負荷内筒、３・・・水
負荷外筒、４・・・高周波、５・・・水、６・・・回転
翼、７・・・モータ、８・・・熱電対あるいは測温抵抗
体、９・・・サーモパイル、１０・・・電圧計、１１・
・・熱電対列、１２・・・流量計、１３・・・ポンプ、
１４・・・水タンク、１５・・・熱交換器、１６・・・
水ホース、１７・・・電圧計あるいは抵抗ブリッジ、１
８・・・ガスケント、１９・・・ベアリング、２０・・
・歯車、２１・・・羽根。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、円形導波管用水負荷形電力計において、水負荷の内
   筒と外筒の間に水を撹拌する手段を取り付けたことを特
   徴とする水負荷形電力計。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記撹拌手段が回
   転機に接続された回転翼であることを特徴とする水負荷
   形電力計。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記撹拌手段が内
   筒に対して回転できるようにした外筒に取り付けられた
   羽根であることを特徴とする水負荷形電力計。