JPS61273833A - Ultra high-frequency electron tube - Google Patents

Ultra high-frequency electron tube

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JPS61273833A
JPS61273833A JP11524785A JP11524785A JPS61273833A JP S61273833 A JPS61273833 A JP S61273833A JP 11524785 A JP11524785 A JP 11524785A JP 11524785 A JP11524785 A JP 11524785A JP S61273833 A JPS61273833 A JP S61273833A
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electron
magnetic field
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昭一 小野
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邦義 横尾
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  • Microwave Tubes (AREA)

Abstract

PURPOSE:To enable high efficiency oscillation by using a cavity resonator of TE mode electromagnetic wave distribution which has a minimum amplitude of electric field in space, and a high frequency magnetic field distribution which decreases at the point of minimum electric field. CONSTITUTION:An electron beam (e) from an electron gun structure 11 is put in a spiral movement by DC magnetic field generated by solenoids 19-21. The electron beam is then introduced into a cavity resonator 14, and generated electromagnetic wave is provided through an output waveguide 18 via an output window 17. So as to form an ultra high frequency electron tube. In such a construction, the cavity resonator 14 is made to resonate in rectangular TE111 mode. The TE mode electromagnetic wave is generated with an electric field distribution which has a minimum at the position of the axis around which the electron beam makes a spiral movement, and high frequency magnetic field distribution of which amplitude decreases at the point of minimum electric field. By this configuration, all electrons transfer their energy to the magnetic field thereby enabling high efficiency and high power operation.

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、超高周波電子管に係わり、とくに直流磁界中
を螺旋運動する電子ビームと空胴共振器又は導波管内の
TEモード電磁波との相互作用によってマイクロ波乃至
サブミリ波帯の電磁波の電界発生、増幅動作をする電子
管に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Technical Field of the Invention] The present invention relates to an ultra-high frequency electron tube, and in particular to the interaction between an electron beam spiraling in a DC magnetic field and a TE mode electromagnetic wave in a cavity resonator or waveguide. This invention relates to an electron tube that generates and amplifies electromagnetic waves in the microwave to submillimeter wave band.

〔発明の技術的背景およびその問題点〕この種電子管と
しては、これまでベニオドロンが知られている。このベ
ニオドロンは、例えば特公昭45−35334号公報に
開示されているように、直流磁界中を螺旋運動する電子
ビームと、ダブルリッジ対導波管の高周波回路を伝搬す
る電磁波との相互作用による位相分離効果に基き電磁波
の増幅、あるいは発振動作をする電子管である。ベニオ
ドロンでは、位相分離効果により電子ビームが全て電磁
波の減速電界に捕捉されるので、電子ビームから電磁波
へのエネルギーの変換効率が原理的に100%近い値が
期待できる。またこれは、電子ビームの螺旋運動のサイ
クロトロン角周波数ωCの高調波と電磁波との相互作用
を利用することにより、直流磁界の強度を下げることが
できる利点がある。しかし、高周波回路としてダブルリ
ッジ対導波管を採用しているため、リッジ部分の高周波
電界強度の点からも耐電力が制約されるので、こj″ 
    れまでに実現されている管の出力電力は、数k
W嶌     レベルどまりである。
[Technical Background of the Invention and Problems Therewith] Beniodoron has been known as this kind of electron tube. As disclosed in Japanese Patent Publication No. 45-35334, for example, this Beniodron is based on the interaction between an electron beam spirally moving in a DC magnetic field and an electromagnetic wave propagating in a double-ridge pair waveguide high-frequency circuit. This is an electron tube that amplifies or oscillates electromagnetic waves based on the separation effect. In Beniodron, all of the electron beams are captured by the decelerating electric field of the electromagnetic waves due to the phase separation effect, so in principle, it can be expected that the energy conversion efficiency from the electron beams to electromagnetic waves will be close to 100%. This also has the advantage that the strength of the DC magnetic field can be reduced by utilizing the interaction between the harmonics of the cyclotron angular frequency ωC of the spiral motion of the electron beam and electromagnetic waves. However, since a double ridge pair waveguide is used as the high frequency circuit, the power resistance is limited by the high frequency electric field strength of the ridge part.
The output power of the tubes that have been realized so far is several k
W Shima: It's just at the level.

・: □゛“    (発明の目的〕 瓢、゛ “;□(:     本発明の目的は、上述のベニオド
ロンの特長で′・5パ・ 、(二さ) ’>7     ある高効率性を継承するとともに、大
出力化のだ゛     めには障害となるダブルリッジ
対を不要としてマ、・・ン、〜 、、j     イクO波乃至サブミリ波帯の高効率、
大出力動作、ご 、′     が得られる超高周波電子管を提供するこ
とにある。
・: □゛" (Object of the invention) Gourd, ゛";□(: The object of the present invention is to inherit a certain high efficiency with the features of the above-mentioned Beniodron. At the same time, in order to increase the output power, the double ridge pair, which is an obstacle, is not required, and the high efficiency of the O-wave to submillimeter wave band is achieved.
The object of the present invention is to provide an ultra-high frequency electron tube that can achieve high output operation.

z]2〔発明の概要〕 ゛□“5 、     本発明は、空胴共振器又は導波管のTEモ
ード:、・1 1、□    電磁波の電界が空間的に最小となる分布
を有する一1!。
z]2 [Summary of the Invention] ゛□“5. The present invention provides a TE mode of a cavity resonator or a waveguide: ・1 1. !.

1、゛     とともにこの電界の最小となる位置で
高周波磁界j1・ ′     が小さくなる分布を有するようにし、そし
て相互°・1  □。、5−4゜□。oより、。
1, ゛ and a distribution in which the high-frequency magnetic field j1·' becomes smaller at the position where this electric field is at its minimum, and mutually °·1 □. , 5-4゜□. From o.

で ・’     TEモード電磁波の電界が最小となる位
置又はそ置 、    の近傍を走行するように構成した超高周波電
子管t 、・    である。
The ultra-high frequency electron tube t is configured to travel near the position or position where the electric field of the TE mode electromagnetic wave is at its minimum.

これによってより一層大電力で高効率動作を実゛1、 ・、・    現することができる。This enables high-efficiency operation with even higher power.1. ・・・ It is possible to express.

、     (発明の実施例) 以下図面を参照してその実施例を説明する。なお同一部
分は同一符号であられす。
, (Embodiments of the invention) Examples thereof will be described below with reference to the drawings. Identical parts are designated by the same reference numerals.

第1図は本発明の実施例の電子管を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an electron tube according to an embodiment of the present invention.

これは、管軸2に沿って組立てられた電子銃構体11、
電子ビーム導入部12、径小なカットオフ部13、矩形
空胴共振器14、拡大テーバ部15、コレクタ部16、
出力窓17、出力導波管1B、およびソレノイド19を
有する。電子銃構体11は、カソード20、加速陽極2
1を備え、中空の電子ビームeを放出する。ソレノイド
19は、高周波回路部に管軸2方向にほぼ平行な、所定
強度の直流磁界を発生し、電子ビームeを螺旋運動させ
る。そこで、矩形空胴共振器14は、この電子管の動作
周波数においてT E 111モードで共振するように
なっている。
This consists of an electron gun assembly 11 assembled along the tube axis 2,
Electron beam introducing section 12, small diameter cutoff section 13, rectangular cavity resonator 14, enlarged taper section 15, collector section 16,
It has an output window 17, an output waveguide 1B, and a solenoid 19. The electron gun structure 11 includes a cathode 20 and an accelerating anode 2.
1 and emits a hollow electron beam e. The solenoid 19 generates a direct current magnetic field of a predetermined strength in the high frequency circuit section, which is substantially parallel to the tube axis 2 direction, and causes the electron beam e to move in a helical manner. Therefore, the rectangular cavity resonator 14 is designed to resonate in the T E 111 mode at the operating frequency of the electron tube.

なおその上流すなわち電子銃構体側のカットオフ部13
は、TE11モードの伝搬を阻止するように内径が小さ
く形成されている。一方、コレクタ側はT E 11モ
ードの高周波が伝搬できるように、内径が大きく形成さ
れている。
Note that the cutoff portion 13 on the upstream side, that is, on the electron gun structure side
is formed to have a small inner diameter so as to prevent propagation of the TE11 mode. On the other hand, the collector side is formed to have a large inner diameter so that the high frequency wave of the T E 11 mode can propagate.

さて、矩形空胴共振器14内の相互作用領域においては
、T E 111モードの動作角周波数ω。に対5−シ
て電子ビームeの螺旋運動のサイクロン角周波数ωCが
次の(1)式を満足するように磁界強度を調整する。
Now, in the interaction region within the rectangular cavity resonator 14, the operating angular frequency ω of the T E 111 mode. In contrast, the magnetic field strength is adjusted so that the cyclone angular frequency ωC of the spiral motion of the electron beam e satisfies the following equation (1).

ω。≧(2n−1)ωC・・・・・・(1)゛    
 ただし、nは正の整数である。
ω. ≧(2n-1)ωC・・・・・・(1)゛
However, n is a positive integer.

′     それによって、電子ビームeと矩形空胴共
振器□ 14のT E 111モード電磁波との間に強い相互作
用□    が生じ、電子ビームeの運動エネルギーが
電磁波゛′(、 :、    エネルギーに変換される。そしてこの矩形
空胴共″5″′     振器14で発生した電磁波は
、円筒状のコレクタ部パ; パ16、出力窓17を通り出力導波管18により外部の
負゛λ ・;l     荷へ導かれる。
' As a result, a strong interaction □ occurs between the electron beam e and the T E 111 mode electromagnetic wave of the rectangular cavity resonator □ 14, and the kinetic energy of the electron beam e is converted into electromagnetic wave ゛′(, :, energy. The electromagnetic waves generated by this rectangular cavity oscillator 14 pass through a cylindrical collector part 16 and an output window 17, and are sent to an external load by an output waveguide 18. guided to the cargo.

、)、2 ゛・     矩形空胴共振器14は、第2図に示すよ
うな佼。
, ), 2゛・ The rectangular cavity resonator 14 has a structure as shown in FIG.

ごへ 、:11、    T E 111せ一層の電界(矢印
)の分布と、電子ビ・−( ;′    −ムeとの配置関係を有している。すなわ
ち、矩+14 ゛パ     形T E 111モードは、第1電界E
aと第3電界□ ”     Ecとが空間的に逆方向を向いている。同
様に第□”    2電界Ebと第4電界Edとが逆方
向を向いてい゛    る。こうしてこの空胴共振器は
、TEモード電磁波の電界の大きさが空間的に中心軸部
で最小となる分布を有するとともに、この電界の最小と
なる位置で高周波磁界が小さくなる分布を有している。
Gohe, :11, TE 111 has a further distribution of electric field (arrow) and an arrangement relationship with the electron beam. That is, it has a rectangular + 14 square shape TE 111 The mode is the first electric field E
A and the third electric field □" Ec are spatially facing in opposite directions. Similarly, the second electric field Eb and the fourth electric field Ed are facing in opposite directions. In this way, this cavity resonator has a distribution in which the magnitude of the electric field of the TE mode electromagnetic wave is spatially minimum at the central axis, and a distribution in which the high-frequency magnetic field is small at the position where the electric field is minimum. There is.

そして電子ビームeは、その螺旋運動の中心Oがこの矩
形空胴共振器14の軸中心(管軸2に相当)に一致、ま
たはその近傍に位置するようになっている。
The center O of the helical movement of the electron beam e is located at or near the axial center of the rectangular cavity resonator 14 (corresponding to the tube axis 2).

矩形空胴共振器14内のT E 111モードの電界強
度は、共振器の対角方向の変化が第3図に示す曲線Pの
ように中心軸が離れるにしたがって強くなる分布になっ
ている。すなわち、電子ビームeの螺旋運動部分におけ
る電界強度分布は、ビーム中心Oから遠ざかるにしたが
いその絶対値がともに大きくなっている。また高周波磁
界の強度分布もまたこの電子ビームの螺旋運動部分で最
小となっている。そしてこれに対して電子ビームeは同
図に示すように中心軸領域Sに位置する。
The electric field strength of the T E 111 mode within the rectangular cavity resonator 14 has a distribution in which the change in the diagonal direction of the resonator becomes stronger as the central axis moves away from the center axis, as shown by a curve P shown in FIG. That is, the absolute value of the electric field strength distribution in the helical movement portion of the electron beam e increases as it moves away from the beam center O. Furthermore, the intensity distribution of the high-frequency magnetic field is also at its minimum in the helical movement portion of the electron beam. In contrast, the electron beam e is located in the central axis region S, as shown in the figure.

このような強度分布をもつ高周波電界と螺旋運動する電
子ビームとの間の関係を第4図により説明する。まず最
初に図の右側すなわち第1電界の領域において減速位相
を経験するような電子を考えると、この領域ではその電
子の回転半径を減じ且つ回転中心を第1電界側に移動し
て図の左側すなわち第3電界領域に流入することになる
。いま、式(1)の条件が成立していれば、第3電界側
においてこの電子が経験するのは加速位相であるが、先
の回転半径の減少と回転中心の移動のため、第1電界側
よりは電界強度の低い部分で加速位相を’:1    
i 6 Z ′!″に: ’K 6・5ゞ“v 111
EJf;”i’QI、−O°゛1みれば、この電子は電
磁波にその運動エネルギーを与えていることになる。し
かも、第3電界側における加速によってもこの電子の回
転中心は第1電界側に移動するので、以降の回転ではま
すます第1電界側における減速の効果が優勢になり、遂
には第、3電界側に流入することなく第1電界側でその
運動エネルギーを電磁波に与えていくようになる。
The relationship between a high frequency electric field having such an intensity distribution and a spirally moving electron beam will be explained with reference to FIG. First of all, if we consider an electron that experiences a deceleration phase on the right side of the diagram, that is, in the region of the first electric field, in this region, the radius of rotation of the electron is reduced and the center of rotation is moved to the first electric field side. In other words, it flows into the third electric field region. Now, if the condition of equation (1) holds true, what this electron will experience on the third electric field side is an acceleration phase, but due to the previous decrease in the rotation radius and movement of the rotation center, the first electric field The acceleration phase is ':1' in the part where the electric field strength is lower than the side.
i 6 Z ′! ”: 'K 6.5ゞ'v 111
EJf;"i'QI, -O°゛1 If we look at this, this electron is giving its kinetic energy to the electromagnetic wave. Moreover, due to the acceleration on the third electric field side, the center of rotation of this electron is also in the first electric field. As it moves to the side, the deceleration effect on the first electric field side becomes more and more dominant in subsequent rotations, and finally, the kinetic energy is given to the electromagnetic wave on the first electric field side without flowing into the third electric field side. I'm going to go.

一方、最初の電界空間への入射時に第1電界側で加速位
相を経験するような電子についても、前述の過程が逆転
するのみで第3電界側における減速の効果が第1電界側
のそれより大きくなり、1回転当りでは同様に運動エネ
ルギーを電磁波に与え、最終的には第3電界側にまつわ
りつくようになる。また第2、第4電界側の加減速を経
験する電子ビームについてもまったく同様に運動エネル
ギーを電磁波に与える。したがって、入射電子ビームe
は個々の電子の電界空間への入射位相に応じて4つのグ
ループに分離され、ともにその運動エネルギーを電磁波
に与え、電磁波の増幅に寄与することになる。そしてこ
のように電子の回転中心が偏ってゆくが、電子が螺旋運
動する空間の高周波磁界強度も小さいのでその動きが妨
げられず、したがって電子から電磁波への強いエネルギ
ー変換作用が得られる。
On the other hand, for electrons that experience an acceleration phase on the first electric field side when they first enter the electric field space, the above process is simply reversed, and the deceleration effect on the third electric field side is greater than that on the first electric field side. It increases in size, gives kinetic energy to the electromagnetic wave per rotation, and eventually comes to surround the third electric field side. Furthermore, kinetic energy is imparted to the electromagnetic waves in exactly the same way for the electron beams that experience acceleration and deceleration on the second and fourth electric field sides. Therefore, the incident electron beam e
are separated into four groups depending on the phase of incidence of individual electrons into the electric field space, and both of them impart their kinetic energy to the electromagnetic waves, contributing to the amplification of the electromagnetic waves. Although the center of rotation of the electrons shifts in this way, the strength of the high-frequency magnetic field in the space where the electrons move spirally is also small, so their movement is not hindered, and therefore a strong energy conversion effect from electrons to electromagnetic waves is obtained.

このように本発明の構成では、通常の進行波管やジャイ
ロトロンの動作機構のように電磁波からエネルギーを受
取るような好ましくない電子はまったく存在しないこと
になり、より一層高い変換効率が得られる。
As described above, in the configuration of the present invention, there are no undesirable electrons that receive energy from electromagnetic waves as in the operating mechanism of a normal traveling wave tube or gyrotron, and even higher conversion efficiency can be obtained.

第5図の(a )乃至(1)に本発明電子管のT E 
111モード矩形空胴共振器中の電子の運動軌跡の計算
機シミュレーション結果の一例を示す。
(a) to (1) in FIG. 5 show the T E of the electron tube of the present invention.
An example of a computer simulation result of an electron motion trajectory in a 111-mode rectangular cavity resonator is shown.

各図は電子の入射位相をOからπまで変えた12個のモ
デルについて示したものである。同図から、前述したよ
うにすべての位相の電子が、しだいに回転中心を中心軸
から外方向に移しながらその運動エネルギーを電磁波に
与えてその回転半径を減じていることが理解されよう。
Each figure shows 12 models in which the electron incident phase is changed from O to π. From the figure, it can be understood that, as mentioned above, the electrons in all phases gradually shift their centers of rotation outward from the central axis, imparting their kinetic energy to electromagnetic waves and reducing their radius of rotation.

また第6図に矩形空調共振器14の軸方向に沿った電子
の運動エネルギーの変化を示す。同図から、螺旋運動す
る電子ビームのすべての電子が、空胴共振器中を進行す
るにつれてその運動エネルギーを電磁波に与えて電子エ
ネルギーは減少していることが理解される。このシミュ
レーションの例では、電子ビームの運動エネルギーから
電磁波に与えるエネルギーの変換効率は、79.24%
である。
Further, FIG. 6 shows changes in the kinetic energy of electrons along the axial direction of the rectangular air conditioning resonator 14. From the figure, it is understood that all the electrons in the spirally moving electron beam impart their kinetic energy to the electromagnetic waves as they travel through the cavity resonator, and the electron energy decreases. In this simulation example, the conversion efficiency of the energy given to electromagnetic waves from the kinetic energy of the electron beam is 79.24%.
It is.

その理由は、この場合電子銃から放出される電子ビーム
の回転方向エネルギーと軸方向エネルギーの比を2と仮
定したため、20%の電子ビームの軸方向エネルギーは
電磁波エネルギーに変換されないためである。
The reason for this is that in this case, the ratio of the rotational energy to the axial energy of the electron beam emitted from the electron gun is assumed to be 2, so that 20% of the axial energy of the electron beam is not converted into electromagnetic wave energy.

なお、この電子ビームの軸方向エネルギーは減速コレク
タの採用などにより回収できるので、電子ビームの運動
エネルギーの、電磁波エネルギーへの変換効率は、10
0%にかなり近づけることが可能である。しかも従来の
ベニオドロンに比べて、   ゛リッジ間随による高周
波電界強度の制約がないことから、本発明の超高周波電
子管では大電力動作が可能である。
Note that the axial energy of this electron beam can be recovered by employing a deceleration collector, etc., so the conversion efficiency of the kinetic energy of the electron beam into electromagnetic wave energy is 10
It is possible to get quite close to 0%. Moreover, compared to conventional beniodorons, there is no restriction on high frequency electric field strength due to the ridge spacing, so the ultra high frequency electron tube of the present invention is capable of high power operation.

なお以上に例示した矩形空調共振器のTE111モード
は一つの例であり、これに限らず例えば円形空胴共振器
のT E 211モードなど、電子の螺旋運動中心から
離れるにしたがって高周波電界が強くなり且つこの電界
が小さい領域で磁界も小さい分布領域を有する他の電界
モードを利用することも可能である。そしていずれの場
合も、電界が最小で且つ磁界も最小の空間位置またはそ
の近傍に電子ビームの螺旋運動中心を位置させる。また
サイクロトロン高調波においても電界モードの選択によ
り高効率動作を維持できるので、ミリ波およびサブミリ
波帯でも磁界強度の比較的低い条件で、    高効率
、大電力動作の超高周波電子管を実現でき1.    
る。
Note that the TE111 mode of the rectangular air-conditioning resonator illustrated above is one example, and the high-frequency electric field becomes stronger as it moves away from the center of the helical motion of electrons, such as the TE211 mode of a circular cavity resonator. It is also possible to use other electric field modes that have a distribution region where the electric field is small and the magnetic field is also small. In either case, the center of helical motion of the electron beam is located at or near a spatial position where the electric field and magnetic field are minimum. In addition, high efficiency operation can be maintained even at cyclotron harmonics by selecting the electric field mode, so even in the millimeter wave and submillimeter wave bands, it is possible to realize a very high frequency electron tube with high efficiency and high power operation under relatively low magnetic field strength conditions.1.
Ru.

゛     またコレクタ部などを含む高周波回路とし
て例えば単一形状の導波管を用い、この導波管の一部゛
ニ前述の電界および磁界分布を有するとともに(1)式
を満足する相互作用領域を構成し、この、・    領
域に外部から信号入力を加えるようにして増幅7   
 管を実現することもできる。
゛ Also, for example, a single-shaped waveguide is used as a high-frequency circuit including a collector section, etc., and a part of this waveguide has an interaction region that has the above-mentioned electric field and magnetic field distribution and satisfies equation (1). Amplify 7 by adding external signal input to this area.
A tube can also be realized.

゛、    〔発明の効果〕 ・二2 、工51、   ″″″′″″″″″″″* * ti
ll G;t ″1−゛■゛(、波の電界の大きさが空
間的に最小となる分布を有11.     するととも
にこの電界の最小となる位置で高周波□lヘ     
磁界が小さくなる分布を有する空胴共振器又は導°“ミ
     波管に対して、電子ビームの螺旋運動の中心
が、’、’、1m、)j 、:1、    TEモード電磁波の電界が最小となる
位置又はそ・    の近傍となる関係になっているこ
とを特徴とする、穴 71、□、;    超高周波電子管である。それによ
って、従来実現)パ ゛・、    されている以上に大電力で高効率動作を
達成する/、 ・    ことができる。
゛, [Effect of the invention] ・22, Engineering 51, ″″″′″″″″″″″* * ti
ll G; t ″1−゛■゛(, has a distribution where the electric field size of the wave is spatially minimum11. At the same time, at the position where this electric field is minimum, the high frequency □l
For a cavity resonator or guided microwave tube with a distribution where the magnetic field is small, the center of the helical motion of the electron beam is ', ', 1 m, ) j , : 1, and the electric field of the TE mode electromagnetic wave is the minimum. The hole 71, □, is characterized by being located at or in the vicinity of the hole 71, □;; Achieving high efficiency operation/, ・ Able to achieve high efficiency operation.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の実施例を示す概略構成図、第2図はそ
の空胴共振器内の電界モードと電子ビームとの相互関係
を示す横断面図、第3図はその共振器の対角方向におけ
る電界強度を示す線図、第4図は同じく螺旋運動電子と
電界強度との関係を示す線図、第5図(a )乃至(1
)はその各位相ごとの電子の運動軌跡図、第6図は共振
器の管軸に沿った個々の電子の運動エネルギーの変化を
示す線図である。 11・・・電子銃構体、14・・・空胴共振器部、16
・・・コレクタ部、17・・・出力窓、18・・・出力
導波管、19?・・ソレノイド、20・・・カソード、
 e・・・電子ビーム、Ea、Eb、Ec、Ed−・・
第1電界〜第4電界。 代理人弁理士 則 近 憲 佑(はが1名)第1図 第2図 第8図 第4図 (j)(k)(1) 第5図 ゛、 □ 第6図 “二 会 手続補正書(1劃 昭和 6男、10.凸  日 許庁艮宮殿 事件の表示 特願昭60−115247号 発明の名称 超高周波電子管 補正をする者 事件との関係 特許出願人 (307)株式会社 東芝 文理人 〒105 東京都港区芝洲−丁目1番1号 5、; 0,1 (1)  明@書の全文を別紙の通りに補正する。 (2)図面θ仝図を別紙の通りに補正する。 明細書 1、発明の名称 超高周波電子管 2、特許請求の範囲 ゛、・      共振器又は導波管のTEモード電磁
波との相互直流磁界中を螺旋運動する電子ビームと空胴
作用を利用する超高周波電子管において、゛・    
   前記空−共振器又は導波管は、TEモード電゛ 
     磁波の電界の大きざが空間的に最小となる分
布゛      を有するとともにこの電界の最小とな
る位置でゝ□ □      高周波磁界が小さくなる分布を有し、−
前記電子ビームの螺旋運動の中心が、前記げ 3.7.     7 Eモード電磁波の電界が最小と
なる位置又は 。 ”      その近傍となるように構成されたことを
特徴とする超高周波電子管。 3、発明の詳細な説明 〔発明の技術分野〕 〜 本発明は、超高周波電子管に係わり、とくに:・・ 直流磁界中を螺旋運動する電子ビームと空胴共、   
   振器又は導波管内のTEモード電磁波との相互作
用によってマイクロ波乃至サブミリ波帯の電磁波の発生
、増幅動作をする電子管に関する。 〔発明の技術的背景およびその問題点〕この種電子管と
しては、これまでベニオドロンが知られている。このベ
ニオドロンは、例えば特公昭715−35334号公報
に開示されているように、直流磁界中を螺旋運動する電
子ビームと、ダブルリッジ対導波管の高周波回路を伝搬
するN磁波との相互作用による位相分離効果に基き電磁
波の増幅、     ′あるいは発振動作をする電子管
である。ベニオドロンでは、位相分離効果により電子ビ
ームが全て電磁波の減速電界に捕捉されるので、電子ビ
ームから電磁波へのエネルギーの変換効率は原理的に高
い値が期待できる。またこれは、電子ビームの螺旋運動
のサイクロトロン角周波数ω。の高調波と電磁波との相
互作用を利用することにより、直流磁界の強度を下げる
ことができる利点がある。 しかし、高周波回路としてダブルリッジ対導波管を採用
しているため、リッジ部分の高周波電界強度の点からも
耐電力が制約されるので、これまで゛     に実現
されている管の出力電力は、数kWレベル・□゛どまり
である。 N #   CR#f)@”。 −2発明”00的°1・上述06°4″D>(D特長1
ある高効率性を継承するとともに、大出力化のだ−・)
・、゛・ 8・、     めには障害となるダブルリッジ対を不
要としてマパ;:      イクロ波乃至サブミリ波
帯の高効率、大出力動作□゛     が得られる超高
周波電子管を提供することにある。 □、・5 〔発明の概要〕 1、: 。5      本発明は、空胴共振器又は導波管のT
Eモード−(゛      電磁波の電界が空間的に最
小となる分布を有する、     とともにこの電界の
最小となる位置で高周波磁界ご    が小さくなる分
布を有するようにし、そして相互゛    作用領域で
電子ビームの螺旋運動の中心が、前記゛、: ゛     TEモード電磁波の電界が最小となる位置
又はそ″     の近傍を走行するように構成した超
高周波電子管V+ である。 □ ・      これによってより一層大電力で高効率動
作を実′)、    現することができる。 : ・”     〔発明の実施例〕 以下図面を参照してその実施例を説明する。なお同一部
分は同一符号であられす。 第1図は本発明の実施例の電子管を示す概略図である。 これは、管軸2に沿って組立てられた電子銃構体11、
電子ビーム導入部12、径小なカットオフ部13、横断
面が正方形または矩形導波管からなる空胴共振器14、
出力結合部15、コレクタ部16、気密接合された誘電
体からなる出力窓17、出力導波管18、およびソレノ
イド19.20.21を有する。 電子銃構体11は、カソード22、加速陽極23を備え
、中空の電子ビームeを放出する。ソレノイド20゜2
1は、電子銃構体近傍のまわりに設置されており中空電
子ビームeを管中心軸(2軸)のまわりの螺旋運動に変
換するための所定強度の直流磁界を発生させる。ソレノ
イド19は、高周波回路部に管軸2方向にほぼ平行な所
定強度の直流磁界を発生し、電子ビームeを所定周期で
螺旋運動させる。 そこで、空胴共振器14は、この電子管の動作周波数に
おいて矩形T E 111モードで共振するようになっ
ている。なおその上流すなわち電子銃構体側−のカット
オフ部13およびコレクタ部16は、TE11下二 。     モードの伝搬を阻止するように内径が小さ
く形成□、゛: ′      されている。なお、コレクタ側には結合
部を設けゝ鳥 ずに、TE11モードの高周波が伝搬できるようその内
径を大きく形成することも可能である。 ■ さて、空胴共振器14内の相互作用領域において−は、
T E 111モードの動作角周波数ω。に対して電子
ビームeの螺旋運動のサイクロン角周波数4.    
  ω。が次の(A)式を満足するように磁界強度が゛
      調整された最も簡単な場合について説明す
る。 ω0シ ω。    ・・・・−(A>°−それによっ
て、電子ビームeと空胴共振器14の、      T
E111モード電磁波との間に強い相互作用が生、1.
      じ、電子ビームeの運動エネルギーが電磁
波エネ□T );61.     ルギーに変換される。そしてこの
空胴共振器14で)j′ 1、     発生した電磁波は、出力結合部15、出
力窓17を通1″′j 、・、・     り出力導波管18により外部の負荷
へ導かれる。 、゛・、] ;・[j      空胴共振器14の領域においては
、第2図に示す呵)− m      ような” E 111モードの電界(矢
印)の分布と電゛迅 ・1.     子ビームeとの配置関係を有している
。すなわち、矩形”Elllモードは、第1電界Eaと
第3N界     (Ecとが空間的に逆方向を向いて
いる。同様に第     □ハ・ 2電界Ebと第4電界Edとが逆方向を向いてい   
  □−゛r、二 る。こうしてこの空胴共振器は、TEモード電磁   
  □波の電界の大きざが空間的に中心軸部で最小とな
     ′る分布を有するとともに、この電界の最小
となる     。 位置で高周波磁界(点線)が小さくなる分布を有   
  ′パしている。そして電子ビームeは、その螺旋運
動     プの中心Oがこの空胴共振器14の軸中心
(管軸2に     パ相当)に一致、またはその近傍
に位置するようになっている。 空胴共振器14内のT E 111モードの電界強度は
、共振器の対角方向の変化が第3図に示す曲線Pのよう
に中心軸が離れるにしたがって強くなる分布になってい
る。すなわち、電子ビームeの螺旋運動部分における電
界強度分布は、ビーム中心Oから遠ざかるにしたがいそ
の絶対値がともに大きくなっている。また高周波磁界の
強度分布もまたこの電子ビームの螺旋運動の中心部分で
最小となっ     ゛ている。そしてこれに対して電
子ビームeは同図、      に示すように中心軸領
域に位置する。なおEx、□] 7、E yは対角軸に沿った電界強度分布のX成分およ
1、:、      びY成分をあられしている。 このような強度分布をもつ高周波電界と螺旋運、   
   動する電子ビームとの間の関係は、まず最初に図
、、      の右側すなわち第1電界Eaの領域に
おいて減速5、      位相を経験するような電子
を考えると、この領域1:′       ではその電
□子の回転半径を減じ且つ回転中心を第1電界側に移動
して図の左側すなわち第3電界Ec領域に流入すること
になる。いま、(A)式の条件が成立していれば、第3
電界側においてこの電子が経験するのは加速位相である
が、先の回転半径の減少と回転中心の移動のため、第1
電界、:      側よりは電界強度の低い部分で加
速位相をみるこj      とになる。したがって1
回転当りについてみれば、この電子は電磁波にその運動
エネルギーを与えていることになる。しかも、第3N界
側における加速によってもこの電子の回転中心は第1電
界側に移動するので、以降の回転ではますます第1電界
側における減速の効果が優勢になり、遂には第3電界側
に流入することなく第1電界側でその運動エネルギーを
[i波に与えていくようになる。 一方、最初の電界空間への入射時に第1電界側で加速位
相を経験するような電子についても、前述の過程が逆転
するのみで第3電界側における減速の効果が第1電界側
のそれより大きくなり、1回転当りでは同様に運動エネ
ルギーを電磁波に与え、最終的には第3電界側にまつわ
りつくようになる。以上が第1N界側および第3電界側
の作用のみを考えたときのベニオドロン動作の定性的説
明であるが、本発明の構成では、この伯に第2電界Eb
側、第4電界Ed側の作用が加わる。すなわちまず、第
3図において螺旋運動する電子がその接線方向に最大電
界を経験する第1電界側の位18や7.6.□0□□6
07.ア。お  ]; について考える。この電子はa点において、その   
  Z、′−・ 回転方向に電界から                
  ・3し QE□CO3θ                 ′
。 の力を受ける。ここで、qは電子の電荷、E は   
 ]2a点の第1電界強度である。この電子は、1/4
    ;回転後第2電界側に入り、第2電界からその
回転・・     方向に ”        QE□Sfnθ の力を受ける。したがって、1回転後の電子の回転中心
の移動と回転半径の増減の方向は、前述の第1、第3電
界側の作用のみを考えたときと異なり、はぼ上記両電界
方向の合成方向に位置する。 この電子が再びa点近傍に戻ってきたとき、第1電界側
がベニオドロン動作に寄与する電子の回転中心の対角線
上の移動は全体の回転中心の移動のCOSθ倍であり、
また第2電界側に戻ってきたときにはそのsinθ倍で
ある。ベニオドロン動作は、前述したように回転中心の
移動および回転半 。 、二。    径の減少とこの変化を強め合う電界との
相乗効果によって生ずる。したがって、ベニオドロン動
作におよぼす第1乃至第4電界の寄与は次式で与えられ
る。 −Q (E、CO81l−cosθ+l:oslnθ−
slnθ)−−QE、    −−−−−・(B)この
(8)式は、入射電子ビームeが個々の電子の電界空間
への入射位相によらず、等しくベニオドロン動作に寄与
することを意味している。すなわち、全ての電子がほぼ
同等にその運動エネルギーを電磁波に与え、電磁波の増
幅に寄与することになる。このことが本発明電子管がと
くに高効率の期待できる理由である。 一方、電子が螺旋運動する空間の高周波磁界強度も小ざ
いのでその動きが妨げられず、したがって電子から電磁
波への強いエネルギー変換作用が得られる。 このように本発明の構成では、通常の進行波管やジャイ
ロトロンの動作機構のように電磁波からエネルギーを受
取るような好ましくない電子はまったく存在せず、且つ
全ての電子がその運動エネルギーを電磁界に与えること
になり、より一層高い変換効率が得られる。 第4図に本発明電子管のT E 111モード空胴共娠
器中の電子の運動軌跡の計算機シミュレーション結果の
一例を示す。同図の(1)乃至(12)は各々、電子の
入射位相をOからπまで変えた12個のモデルについて
示したものである。同図から、前述したようにすべての
位相の電子が、しだいに回転中心を中心軸から外方向に
移しながらその運動エネルギーを電磁波に与えてその回
転半径を減じてい°“    ることが理解されよう。 また第5図に矩形゛空胴共振器14の軸方向に沿っ゛・
    た電子の運動エネルギーの変化を示す。同図か
ら、:]・ ・°9j     螺旋運動する電子ビームのすべての
電子が、空胴;; ゛    共振器中を進行するにつれてその運動エネル
ギー、パ・1 1.    を電磁波に与えて電子エネルギーは減少し
ているも。 ′t    ことが理解される。このシミュレーション
の例で、、( :二JRは、電子ビームの運動エネルギーから電磁波に
与ゝ゛−′     えるエネルギーの変換効率は、7
9.24%である。 ゛い −52その理由は、この場合電子銃から放出される電子
!l     ビームの回転方向エネルギーと軸方向エ
ネルギーの比を2と仮定したため、20%の電子ビーム
の軸°゛    方向エネルギーは電磁波エネルギーに
変換されな、いためである。 、゛ ゛     なお、この電子ビームの軸方向エネルギー
は、゛そのエネルギー分散がきわめて小さいことがら、
減速コレクタの採用などによりほぼ完全に回収できるの
で、電子ビームの運動エネルギーの、電磁波エネルギー
への変換効率は100%にかなり近づけることが可能で
ある。しかも従来のベニオドロンに比べて、リッジ間隙
による高周波電界強度の制約がないことから、本発明の
超高周波電子管では大電力動作が可能である。 なお以上に例示した正方形もしくは矩形導波管空胴共振
器のT E 111モードは一つの例であり、これに限
らず例えば円形空胴共振器のTE211モードなと、電
子の螺旋運動中心から離れるにしたがって高周波電界が
強くなり且つこの電界が小さい領域で磁界も小さい分布
領域を有する他の電界モードを利用することも可能であ
る。モしていずれの場合も、電界が最小で且つ磁界も最
小の空間位置またはその近傍に電子ビームの螺旋運動中
心を位置させる。またサイクロトロン高調波においでも
電界モードの選択により高効率動作を維持で     
 :′きるので、ミリ波およびサブミリ波帯でも磁界強
度の比較的低い条件で高効率、大電力動作の超高周波電
子管を実現できる。 またコレクタ部などを含む高周波回路として例えば単一
形状の導波管を用い、この導波管の一部に前述の電界お
よび磁界分布を有するとと・1.:      もに前
述した動作条件を満足する直流磁界条件ビ      
るようにして増幅管を実現することもできる・を設定し
、この領域に外部から信号入力を加え、′〔発明の効果
〕 以上説明したように本発明は、TEモード電磁波の電界
の大きさが空間的に最小となる分布を有するとともにこ
の電界の最小となる位置で高周波磁界が小さくなる分布
を有する空胴共振器又は導波管に対して、電子ビームの
螺旋運動の中心が、TEモード電磁波の電界が最小とな
る位置又はその近傍となる関係になっていることを特徴
とする超高周波電子管である。それに1      よ
って、従来実現されている以上に大電力で高効率動作を
達成することができる。 4、図面の簡単な説明 第1図は本発明の実施例を示す概略構成図、第2図はそ
の空胴共振器内の電磁界モードと電子ビームとの相互関
係を示す横断面図、第3図はその共振器の対角方向にお
ける電界強度を示す線図、第4図はその各位相ごとの電
子の運動軌跡図、第5図は共振器の管軸に沿った個々の
電子の運動エネルギーの変化を示す線図である。 11・・・電子銃構体、14・・・空胴共振器部、16
・・・コレクタ部、17・・・出力窓、18・・・出力
導波管、19.20.21・・・ソレノイド、22・・
・カソード、23・・・加速陽極、e・・・電子ビーム
、 Ea、 Eb%EC,Ed−・・第1電界〜第4電界。
Fig. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of the present invention, Fig. 2 is a cross-sectional view showing the mutual relationship between the electric field mode in the cavity resonator and the electron beam, and Fig. 3 is a pair of the resonators. Figure 4 is a diagram showing the electric field strength in the angular direction, and Figure 5 is a diagram showing the relationship between helical electrons and electric field strength.
) is a diagram of the motion locus of electrons for each phase, and FIG. 6 is a diagram showing changes in the kinetic energy of individual electrons along the tube axis of the resonator. 11...Electron gun structure, 14...Cavity resonator section, 16
... Collector section, 17 ... Output window, 18 ... Output waveguide, 19? ...Solenoid, 20...Cathode,
e...electron beam, Ea, Eb, Ec, Ed-...
First electric field to fourth electric field. Representative Patent Attorney Noriyuki Chika (1 person) Figure 1 Figure 2 Figure 8 Figure 4 (j) (k) (1) Figure 5 ゛, □ Figure 6 “Second Sessions Proceedings Amendment Statement” (Part 1 Showa 6th son, 10th son, 10th son, 10th son, Japan Patent Office, Patent Application No. 60-115247 Address: 1-1-5, Shibasu-chome, Minato-ku, Tokyo 105; 0,1 (1) Amend the entire text of the written statement as shown in the attached sheet. (2) Amend the drawing θ as shown in the attached sheet. Description 1, Title of the invention Ultra high frequency electron tube 2, Claims ``Super high frequency electron tube that utilizes cavity action and an electron beam that moves spirally in a mutual direct current magnetic field with a TE mode electromagnetic wave of a resonator or waveguide. In high-frequency electron tubes,
The air-resonator or waveguide has a TE mode current.
It has a distribution where the magnitude of the electric field of the magnetic wave is spatially minimum, and a distribution where the high frequency magnetic field is small at the position where this electric field is minimum, and -
The center of the helical movement of the electron beam is located at the point 3.7. 7 The position where the electric field of E-mode electromagnetic waves is minimum or . 3. Detailed Description of the Invention [Technical Field of the Invention] The present invention relates to an ultra-high frequency electron tube, and in particular: in a direct current magnetic field. Both the electron beam and the cavity move in a spiral,
The present invention relates to an electron tube that generates and amplifies electromagnetic waves in the microwave to submillimeter wave band through interaction with TE mode electromagnetic waves in an oscillator or waveguide. [Technical Background of the Invention and Problems Therewith] Beniodoron has been known as this kind of electron tube. As disclosed in Japanese Patent Publication No. 715-35334, this Beniodoron is produced by the interaction between an electron beam spirally moving in a DC magnetic field and an N magnetic wave propagating in a double ridge pair waveguide high frequency circuit. It is an electron tube that amplifies, or oscillates, electromagnetic waves based on the phase separation effect. In Beniodron, all of the electron beams are captured by the electromagnetic wave's decelerating electric field due to the phase separation effect, so in principle, a high value can be expected for the energy conversion efficiency from the electron beam to electromagnetic waves. This is also the cyclotron angular frequency ω of the spiral motion of the electron beam. By utilizing the interaction between harmonics of and electromagnetic waves, there is an advantage that the strength of the DC magnetic field can be lowered. However, since a double ridge pair waveguide is used as the high frequency circuit, the power resistance is limited by the high frequency electric field strength of the ridge, so the output power of the tube that has been achieved so far is It is only a few kW level. N #CR#f)@”. -2 invention “00°1・Above 06°4″D>(D feature 1
While inheriting a certain level of high efficiency, it also achieves high output.)
・, ゛・ 8., It is an object of the present invention to provide an ultra-high frequency electron tube which can achieve high efficiency and high output operation in the microwave to submillimeter wave band by eliminating the need for a double ridge pair which is an obstacle. □,・5 [Summary of the invention] 1.: . 5 The present invention provides the T of a cavity resonator or a waveguide.
E-mode (2) The electric field of the electromagnetic wave has a spatial minimum distribution, and the high-frequency magnetic field is small at the position where this electric field is minimum, and the electron beam spirals in the interaction area. The center of motion is the ultra-high frequency electron tube V+, which is configured to run at or near the position where the electric field of the TE mode electromagnetic wave is minimum. [Embodiments of the Invention] Embodiments of the invention will be described below with reference to the drawings. Identical parts are designated by the same reference numerals. FIG. 1 is a schematic diagram showing an electron tube according to an embodiment of the present invention. This consists of an electron gun assembly 11 assembled along the tube axis 2,
an electron beam introducing section 12, a small-diameter cutoff section 13, a cavity resonator 14 having a square or rectangular cross section as a waveguide;
It has an output coupling section 15, a collector section 16, an output window 17 made of a dielectric hermetically sealed, an output waveguide 18, and solenoids 19, 20, and 21. The electron gun assembly 11 includes a cathode 22 and an accelerating anode 23, and emits a hollow electron beam e. Solenoid 20°2
1 is installed around the vicinity of the electron gun structure and generates a DC magnetic field of a predetermined strength for converting the hollow electron beam e into a spiral motion around the center axis (two axes) of the tube. The solenoid 19 generates a direct current magnetic field of a predetermined strength in the high frequency circuit portion substantially parallel to the tube axis 2 direction, and causes the electron beam e to move in a spiral manner at a predetermined period. Therefore, the cavity resonator 14 is designed to resonate in the rectangular T E 111 mode at the operating frequency of the electron tube. Note that the cutoff section 13 and collector section 16 on the upstream side, that is, on the side of the electron gun assembly, are the lower part of the TE11. The inner diameter is made small to prevent mode propagation. Note that it is also possible to provide a coupling portion on the collector side and to form the inner diameter large so that the high frequency wave of the TE11 mode can propagate. ■ Now, in the interaction region within the cavity resonator 14, - is
T E 111 mode operating angular frequency ω. cyclone angular frequency of the helical motion of the electron beam e with respect to 4.
ω. The simplest case in which the magnetic field strength is adjusted so that the following equation (A) is satisfied will be explained. ω0shi ω. ...-(A>°-Thereby, the electron beam e and the cavity resonator 14, T
Strong interaction occurs between E111 mode electromagnetic waves, 1.
Similarly, the kinetic energy of the electron beam e is the electromagnetic wave energy □T ); 61. converted to Rugi. The electromagnetic waves generated by this cavity resonator 14 are guided to an external load by an output waveguide 18 through an output coupling section 15 and an output window 17. ,゛・,] ;・[j In the region of the cavity resonator 14, the electric field (arrow) distribution and electric speed of the E111 mode as shown in FIG. It has a positional relationship with the child beam e. In other words, in the rectangular "Ell mode", the first electric field Ea and the third N field (Ec) are spatially oriented in opposite directions.Similarly, the second electric field Eb and the fourth electric field Ed are oriented in opposite directions. attitude
□−゛r, two. Thus, this cavity resonator is a TE mode electromagnetic
□The wave has a distribution in which the electric field is spatially minimum at the central axis, and this electric field is at its minimum. The high-frequency magnetic field (dotted line) has a distribution that decreases at certain positions.
'I'm playing. The center O of the helical movement of the electron beam e is located at or near the axis center of the cavity resonator 14 (corresponding to the tube axis 2). The electric field strength of the T E 111 mode within the cavity resonator 14 has a distribution in which the change in the diagonal direction of the resonator becomes stronger as the center axis moves away from the center axis, as shown by a curve P shown in FIG. That is, the absolute value of the electric field strength distribution in the helical movement portion of the electron beam e increases as it moves away from the beam center O. Furthermore, the intensity distribution of the high-frequency magnetic field is also at its minimum at the center of the spiral motion of the electron beam. In contrast, the electron beam e is located in the central axis region as shown in the figure. Note that Ex, □] 7. E y represents the X component, 1, :, and Y component of the electric field intensity distribution along the diagonal axis. High-frequency electric field and spiral transport with such intensity distribution,
The relationship between the moving electron beam and the moving electron beam is as follows: First, if we consider an electron that experiences a deceleration 5, phase in the right side of the figure, that is, in the region of the first electric field Ea, then in this region 1:' its electric field □ The radius of rotation of the child is reduced and the center of rotation is moved to the first electric field side to flow into the left side of the figure, that is, into the third electric field Ec region. Now, if the condition of formula (A) is satisfied, the third
What these electrons experience on the electric field side is an acceleration phase, but due to the decrease in the radius of rotation and the movement of the center of rotation, the first
The acceleration phase can be seen in the part where the electric field strength is lower than the electric field: side. Therefore 1
In terms of rotation, these electrons give their kinetic energy to electromagnetic waves. Moreover, the center of rotation of this electron moves to the first electric field side due to acceleration on the third N field side, so in subsequent rotations, the deceleration effect on the first electric field side becomes more and more dominant, and finally the third electric field side The kinetic energy is given to the i-wave on the first electric field side without flowing into the i-wave. On the other hand, for electrons that experience an acceleration phase on the first electric field side when they first enter the electric field space, the above process is simply reversed, and the deceleration effect on the third electric field side is greater than that on the first electric field side. It increases in size, gives kinetic energy to the electromagnetic wave per rotation, and eventually comes to surround the third electric field side. The above is a qualitative explanation of the Beniodoron operation when only the effects on the first N field side and the third electric field side are considered, but in the configuration of the present invention, the second electric field Eb
side, the effect of the fourth electric field Ed side is added. That is, first, in FIG. 3, the spirally moving electrons experience the maximum electric field in the tangential direction at positions 18 and 7.6 on the first electric field side. □0□□6
07. a. Think about . At point a, this electron
Z, ′−・ From the electric field in the direction of rotation
・3QE□CO3θ ′
. receive the power of Here, q is the electron charge and E is
] is the first electric field strength at point 2a. This electron is 1/4
; After rotation, it enters the second electric field side and receives a force of "QE□Sfnθ" from the second electric field in the direction of rotation. Therefore, the movement of the center of rotation of the electron after one rotation and the direction of increase/decrease in the radius of rotation are as follows: Unlike when considering only the effects on the first and third electric field sides, the electrons are located in the composite direction of the two electric field directions.When this electron returns to the vicinity of point a again, the first electric field side becomes a beniodoron. The diagonal movement of the rotation center of electrons that contributes to the movement is COSθ times the movement of the entire rotation center,
Moreover, when it returns to the second electric field side, it is sin θ times that amount. Beniodron movement involves the movement of the center of rotation and half a rotation, as mentioned above. ,two. This is caused by the synergistic effect of the decrease in diameter and the electric field reinforcing this change. Therefore, the contributions of the first to fourth electric fields to the beniodoron operation are given by the following equations. -Q (E, CO81l-cosθ+l:oslnθ-
slnθ)−−QE, −−−−−・(B) This equation (8) means that the incident electron beam e contributes equally to the beniodoron operation regardless of the phase of incidence of each electron into the electric field space. are doing. In other words, all the electrons impart their kinetic energy to the electromagnetic wave almost equally, contributing to the amplification of the electromagnetic wave. This is the reason why the electron tube of the present invention can be expected to have particularly high efficiency. On the other hand, since the strength of the high-frequency magnetic field in the space where the electrons move spirally is small, their movement is not hindered, and therefore a strong energy conversion effect from electrons to electromagnetic waves can be obtained. In this way, in the configuration of the present invention, there are no undesirable electrons that receive energy from electromagnetic waves as in the operating mechanism of a normal traveling wave tube or gyrotron, and all electrons transfer their kinetic energy to the electromagnetic field. As a result, even higher conversion efficiency can be obtained. FIG. 4 shows an example of the results of a computer simulation of the motion trajectory of electrons in the T E 111 mode cavity co-container of the electron tube of the present invention. (1) to (12) in the figure each show 12 models in which the incident phase of electrons is changed from O to π. From the figure, it can be understood that, as mentioned above, electrons in all phases gradually shift their centers of rotation outward from the central axis, imparting their kinetic energy to electromagnetic waves and reducing their radius of rotation. In addition, FIG. 5 shows a rectangular shape along the axial direction of the cavity resonator 14.
This shows the change in the kinetic energy of an electron. From the same figure, : ]・ ・°9j All the electrons of the spirally moving electron beam move into the cavity;; ゛ As they progress through the resonator, their kinetic energy, Pa・1 1. The electron energy is also decreased by giving electromagnetic waves. 't is understood. In this simulation example, (:2JR), the conversion efficiency of the energy imparted from the kinetic energy of the electron beam to the electromagnetic wave is 7
It is 9.24%. I-52 The reason is the electrons emitted from the electron gun in this case! This is because the ratio of the rotational energy to the axial energy of the electron beam is assumed to be 2, so that 20% of the axial energy of the electron beam is not converted into electromagnetic wave energy. ,゛゛The axial energy of this electron beam is, ゛because its energy dispersion is extremely small.
Since it can be almost completely recovered by employing a deceleration collector, the efficiency of converting the kinetic energy of the electron beam into electromagnetic wave energy can be quite close to 100%. Moreover, compared to conventional beniodorons, there is no restriction on the high frequency electric field strength due to the ridge gap, so the ultra high frequency electron tube of the present invention can operate with high power. Note that the TE 111 mode of a square or rectangular waveguide cavity illustrated above is just one example, and the TE 211 mode of a circular cavity resonator, for example, is a mode in which the electrons move away from the center of helical motion. It is also possible to use other electric field modes in which the high-frequency electric field becomes stronger and has a distribution region where the electric field is small and the magnetic field is also small. In either case, the center of helical motion of the electron beam is located at or near a spatial position where the electric field and magnetic field are minimum. In addition, high efficiency operation can be maintained even at cyclotron harmonics by selecting the electric field mode.
:' Therefore, even in the millimeter wave and submillimeter wave bands, it is possible to realize an ultra-high frequency electron tube with high efficiency and high power operation under relatively low magnetic field strength conditions. Furthermore, if a single-shaped waveguide is used as a high-frequency circuit including a collector section, etc., and a part of this waveguide has the above-mentioned electric field and magnetic field distribution, 1. : DC magnetic field conditions that satisfy the operating conditions mentioned above.
It is also possible to realize an amplifier tube by For a cavity resonator or a waveguide that has a distribution where the electric field is spatially minimum and a high-frequency magnetic field is small at the position where the electric field is minimum, the center of the helical motion of the electron beam is in the TE mode. This is an ultra-high frequency electron tube characterized in that the electric field of electromagnetic waves is located at or near a position where the electric field is minimum. As a result, it is possible to achieve high efficiency operation with a higher power consumption than has been achieved in the past. 4. Brief description of the drawings FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view showing the mutual relationship between the electromagnetic field mode and the electron beam in the cavity resonator, and FIG. Figure 3 is a diagram showing the electric field strength in the diagonal direction of the resonator, Figure 4 is a diagram of the movement trajectory of electrons for each phase, and Figure 5 is the movement of individual electrons along the tube axis of the resonator. FIG. 3 is a diagram showing changes in energy. 11...Electron gun structure, 14...Cavity resonator section, 16
... Collector section, 17 ... Output window, 18 ... Output waveguide, 19.20.21 ... Solenoid, 22 ...
- Cathode, 23... Accelerating anode, e... Electron beam, Ea, Eb%EC, Ed-... First electric field to fourth electric field.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 直流磁界中を螺旋運動する電子ビームと空胴共振器又は
導波管のTEモード電磁波との相互作用を利用する超高
周波電子管において、 前記空胴共振器又は導波管は、TEモード電磁波の電界
の大きさが空間的に最小となる分布を有するとともにこ
の電界の最小となる位置で高周波磁界が小さくなる分布
を有し、 前記電子ビームの螺旋運動の中心が、前記 TEモード電磁波の電界が最小となる位置又はその近傍
となるように構成されたことを特徴とする超高周波電子
管。
[Claims] In an ultra-high frequency electron tube that utilizes the interaction between an electron beam spirally moving in a DC magnetic field and a TE mode electromagnetic wave of a cavity resonator or waveguide, the cavity resonator or waveguide is , has a distribution in which the magnitude of the electric field of the TE mode electromagnetic wave is spatially minimum, and has a distribution in which the high-frequency magnetic field becomes small at the position where this electric field is minimum, and the center of the spiral motion of the electron beam is located in the TE mode. An ultra-high frequency electron tube characterized in that it is configured to be at or near a position where the electric field of mode electromagnetic waves is minimum.
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