JPS6128215A - マイクロ波パルス源 - 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】 （技術分野） 本発明は、マイクロ波パルスを発生させるマイクロ波パ
ルス源に関し、特に、小規模の低廉な装置により大電力
のマイクロ波パルスを容易に発生させるようにしたもの
である。

（従来技術） 核融合のような科学実験やミリ波レーダにおいては、出
力数ｋＷ以上の大電力Ｊ　ＩＪ波パルス発振器が必要に
なる。例えば、中型トカマクの実験において、電流立ち
上げ時期にジャイロトロンによるミリ波パルスを印加し
て電子サイクロトロン共鳴による予備電離を行なうと、
放電開始のワンターン電圧が半分以下に減少するのでト
ロイダル電流用コアの容量を減らすことができる。

（問題点） しかして、従来、大電力ミリ波パルスの発生にはクライ
ストロンやジャイロトロンが用いられているが、高電圧
電源や強磁場コイルを必要とするので装置が大規模とな
るという問題があった。

（発明の目的） 本発明の目的は、上述した従来の問題を解決し、小規模
の低廉な装置により容易に大電力のマイクロ波パルスを
発生させ得るようにしたマイクロ波パルス源を提供する
ことにある。

本発明の他の目的は、マイクロ波の蓄積と放出とにより
大電力のマイクロ波パルスを発生させるようにしたマイ
クロ波パルス発生源を提供することにある。

（発明の構成） 本発明マイクロ波パルス源は、出力結合度を最大にした
ときの時定数に比して出力結合度を最小にしたときに十
分に大きい時定数を有するとともに出力端に放電管を結
合させた超伝導空洞を備え、出力結合度を最小にした臨
界入力結合状態において前記超伝導空洞に入力マイクロ
波を連続的に供給してエネルギーを著積した後に、前記
放電管に放電を生起させて出力結合度を急激に最大にす
ることにより、入力マイクロ波の瞬時電力に比して格段
に大きい電力のマイクロ波パルスを前記超伝導空洞から
取出し得るように構成したことを特徴とするものである
。

しかして、超伝導空洞は、Ｑ値が常伝導のものより１０
倍以上大きいので、同じ入力に対してＱ値に比例した大
きい電磁エネルギーを蓄積し得るｄしたがって、この蓄
積エネルギーを短時間に放出させれば、従来に比して格
段に簡便に大電力マイクロ波パルスを発生させ得る可能
性が生ずる。なお、かかる本発明マイクロ波パルス源は
古典的なメーザの一種であって、本発明者らがさきに提
案したものである。すなわち、連続出力ＩＷ以下、周波
数２０〜８０　ＧＨｚのマイクロ波源としては、ガン（
Ｇｕｎｎ　）ダイオード、インバット（ＩＭＰＡ’ｒＴ
）ダイオードがあり、いずれも、極めて安価な素子であ
る。本発明者らは、かかる素子と超伝導空洞とを組合わ
せて、出力数ｋＷ程度の小型のマイクロ波パルス源を実
用化することを目指している。

しかして、超伝導空洞自体については超伝導リニアツク
の実用化に関連して多くの研究がなされない。本発明者
らは、さきに、機械的スイッチングに関する実験結果を
報告したが、機械的スイッチングにおいてはスイッチン
グ時間の短縮が１ｍＳ程度に留まるので、パルス電力利
得は１０倍程度しか得られなかった。なお、パルス電力
利得はエネルギー蓄積時間とスイッチング時間との比で
決まり、前者は空洞のＱ値の大きさで決まるので、与え
られた空洞のＱ、値に対して利得を上げるには、スイッ
チング時間を極力短かくする必要がある。

かかるスイッチング時間矩縮のひとつの可能性として、
本発明者らは、マイクロ波エネルギーを蓄積した超伝導
空洞からの放電スイッチングによるパルス取出しの実験
を行ない、３５０倍程程度電力利得をもって時間幅２０
０　ｎ８のマイクロ波パルスが得られることを確認して
本発明をなしたものである。なお、この実験においては
、マイクロ波パルス発生の基礎実験として、２゜８６　
ＧＨ２のマイクロ波を使用した。

（実施例） り下に図面を参照して実施例につき本発明の詳細な説明
するに先立ち、まず、本発明によるマイクロ波パルス発
生の理論的考察を行なう。

通常、空洞の解析は集中定数による等価回路を用いて行
なわれる。かかる解析によれば、空洞をブラックボック
スと考えたときの外部回路に対する応答については完全
な結果が得られるが、空洞共振器の等画集中定数につい
ては計算し得す、空洞の寸法など固有のパラメータとの
対応は不可能であり、Ｓマトリックスを用いた解析によ
って初めて完全な解析が可能となる。□ すなわち、第２図に点線によって示すように、一様な断
面を有する円形導波管ＷＧＩ　、ＷＧ２を軸方向にある
距離を距でて金属板によって仕切り、それらの導波管Ｗ
ＧＩ、ＷＧ２にそれぞれ結合する入力窓、出力窓を設け
た２開口空洞ＯＡの定常状態を考える。いま、左側の入
力窓に電磁界の振幅ａ０の入射波があるとき、面１，２
，８．４において矢印の方向に進む電磁界の振幅を図の
ようにＦＬｓ　＋　ａａ　ｒ　ｂｌｔ　ｂ２＋　ｂ８．
　ｂ、、とする。面ｌ〜４は、離調短絡面と呼ばれ、非
共振時に定常波が立った場合の節の位置にあり、これら
の面１〜４は入出力窓に極めて近い位置にある。簡単の
ために、共振モードとして基本モードを考えると、面２
〜８の間の距離ｅは、ｔ＝２ｇ／２である。ここで、λ
、は共振時の管内波長である。また、窓を通過する信号
の割合を結合度と呼び、入力窓、出力窓のそれぞれにつ
いてに、ｈで表わすが、これらの結合度に、ｈは空洞の
定数である。窓はりアクタンス素子であることを考慮す
ると、明らかにつぎの（１）式が成立する。

最下段の二式において、αは電磁波が面２と面８の間の
距離ｌを一往復したときの減衰量である。

（１）式において、ｂｌ、　ｂ２．　ｂ、をａ□で表わ
すとともに、空洞のＱ値が大きいことに基づきα＜＜　
１　。

ｋ”　＜＜　ｉ　ｔ　ｈ”　＜＜　１なる近似を用いる
と、っぎの式（２）〜（４）が得られる。

まず、マイクロ波エネルギーを空洞に蓄える過程におい
ては、出力結合度ｈ＝０であるとする。

第１図においてはｂ２αａ８αｂａ　”’　ａｓであり
、そのいずれを空洞内の電磁界振幅と考えても同じであ
る。

いま、ｃｌ　ｌｂ、／ａ□ｌ／ｄｋ　＝＝　０とおくと
、（３）式よりα：に２／２となる。かかる状態は、臨
界結合状態と呼ばれ、最大のエネルギーが蓄積される。

この臨界結合においては、（８）式よりＩｂ、／ａ１　
ｌ　二に−”となり、また、（１）式よりｂ０＝０とな
る。なお、（２）式における右辺の第１項および第２項
はそれぞれ入力窓における反射および空洞内から入力側
への逆放射であり、臨界結合においては両者が互いに打
消し合うので、入射電力はすべて空洞に蓄えられる。

つぎに、空洞からマイクロ波パルスを取出す過程につい
て考察する。上述したように臨界結合状態でマイクロ波
エネルギーを供給した後に、出力結合度を急激に増大さ
せてマイクロ波パルス出力を取出すためには、空洞の過
渡現象について考える必要がある。第２図においては、
明らかにａ２（ｔ）＝−ｅ−”　Ｗ　ｂａ（ｔ−ｔｏ）
が成立する。ここで、ｔ。

はエネルギーが空洞を一往復する時間であって、ｔｏ＝
　２π（λｇ／λ。）／ωである。また、ωは共振角周
波数である。さらに、ｂ、（ｔ−ｔｏ）さす、（ｔ）−
ｔｏ（ｌｂ、（ｔ）／ｄｔと近似すると、（１）式より
つぎの微分方程式が得られる。

ここに ここで、τは空洞の時定数である。簡単のために、・出
力結合度を時刻１＝０で０からｈ　（＞ｏ　）にステッ
プ状に増大させた場合について考えると、１＝０なる初
期においては、ｂ２は初期ｂ２＝　ｊａ２／にであり、
また、ｋ　＜＜　ｈ　＜＜　１と仮定すると、ｔ＞。

ではａ１＝０とおくことができる。したがって、（５）
式より ・　　−ｔ／２τ ｂ、　＝＝コａ　１　ｅ　　　７’１ｃとなる。ここで
再び（１）式を用イルと、出力はｂ　　＝　−ｈ　ａｌ
ｅ−ｔ／”／にとなる。したがって、出力が最大になる
のはｔ＝ｏのときであり、パルス電力利得はＩｂ、／ａ
、　＋２＝　ｈ２／ｋ”　＞＞１となる。パルス出力取
出しのためのスイッチングの前後における時定数をそれ
ぞれτ。、τとすると、（６）式よりτ。＝　ｔｏ／２
ｋ”　、τ＝　（ｔ□／２　）／（ｋ２＋ｈ２／２　）
であるから、パルス電力利得としては次式が得られる。

すなわち、出力パルスの電力の最大値はスイッチングの
前後における空洞の時定数の比の約２倍となる。なお、
空洞内の蓄積エネルギーをすべて取出すには時定数τ以
上の時間を要することになる。

つぎに、第１図示のような２開口空洞における各種パラ
メータ間の関係式とその測定方法とについて考察する。

（１）式に用いられているパラメータα、に、ｈは、物
理的意味は明確であるが、測定ができないので、測定可
能な量、すなわち、時定数やＱ値などとの対応づけを行
なう必要がある。２開口空洞についてかかる対応づけを
行なうために、まず、内部Ｑ２αに比例する。したがっ
て、Ｑ値の定義からＱＵ＝ναと表わすことができる。

全く同様にして、入力側の外部Ｑ値はＱＥよ＝　２Ａ／
にとなり、出力側の外部Ｑ値はＱｇｇ　＝　２Ａ／ｈ２
となる。ここで、Ａは空洞の定数であり、つぎにこれら
の外部。値を求める。空洞の断面におけるボインチング
束をＷとし、エネルギーをＥとすると、群速度ＶｇはＷ
／Ｅで与えられる。また、消費電力Ｐは−ｄＷ　／　ｄ
ｚに等しい。そこで、無負荷。値はっぎの式のように表
わすことができる。

この式を解（と、Ｅ　ｃｘ：　ｅ　ｘｌｐ（−ＧＪＯＺ
　／　ＶｇＱＵ）となり、したがって、空洞内を一往復
するときの電磁界の減衰αは、α；ω。ｔ／ｖｇＱＵと
表わされ、さらに、！＝λｇ／２　ｔ　Ｖｇ　”　０２
７１ｇであることを用いると、定数Ａはっぎのように求
めることができる。

ここで、λ。は空洞に用いた導波管のカットオフ波長で
ある。しかして、この（８）式によってパラメータα、
に、ｈとＱ値とが結ばれることがわかったので、つぎに
、Ｑ値を実験によって決定する方法について述べる。入
力側および出力側の結合係数β０．β２を、それぞれ、
β□＝　ＱＵ　／　ＱＥＩ　ｒβ。

＝　ＱＵ　／　ＱＥ２と定義すると、第２図示の空洞に
時刻１＝０においてステップ関数状の入力ａ０を供給し
たと門には、（５）式を解くことによって次式が得られ
る。

ｂｌ−２β・ 五−−１・−（１−ｅ−２ｒ　）　　　　　　　（ｏ）
１＋β ここで、βＩおよびβ′は、それぞれ、入力側および出
力側からみた等測的ｌ開口空洞の結合係数である。これ
らの（９）式およびｏｄ１式において、ｔ→閃としたと
きのｂｘ　／　ａ□およびす、　／　ａ□をそれぞれｐ
およびｑとすると、β０．β、はっぎのように表わされ
る。

ここに、 このαや式により、ｐ、ｑの観測値を用いて大刀窓およ
び出力窓の結合係数β□およびβ、を決定することがで
きる。勿論、β２＝０とおぐと１開口空洞となり、エネ
ルギー蓄積時における空洞の状態はこれに相当する。

つぎに、時定数τを測定してで＝　ｑＬ／ω。より負荷
Ｑ値ＱＬを求める。しかして、マイクロ波検波器は一般
に２乗検波特性を呈するので、（９）式および（１０）
式を用いるのは不便である。そこで、時刻１＝１□）τ
において、ａＸをステップ状にゼロに戻し、１　＞　１
．について（５）式を解くと、ｂ□／ａ１．ｂ、／ａ１
はいずれもｅｘｐ（−（ｔ−ｔ、）／２τ〕に比例する
。したがって、いずれかの信号を２乗検波器によって観
測すると減衰時定数τが求められ、ＱＬが決定される。

つぎに　ＱＬ−１＝ＱＵ　＋ＱＥ□＋ＱＥ、　　の関係
によって、ＱＵ　”　ＱＬ（］＋β、＋β２）となるの
で、内部Ｑ値妬が決定される。さらに、ＱＥ□＝　ＱＵ
　／β１’ＱＦＪ＝ＱＵ／β２によってＱＥｌｌ　ＱＥ
２が決定される。このようにして、ＱＵ。

Ｑｇｔ　’　ＱＥ／ｌが求められたので、（８）式を用
いて空洞の基本的なパラメータα、ｋ　、　ｈを決定す
ることができる。

しかして、パルス電力利得を与える（７）式をＱ値を用
いて書き換えると、ｈ　／ｋ　　＝　ＱＥ、　／Ｑ、Ｅ
２＝Ｑ、Ｕ　／　ＱＥ、　＝β、となる。すなわち、人
力結合部を臨界結合にしてエネルギーを蓄え、定常状態
に達した後に、出力結合部の結合係数を０からβ２に急
変させると、入力電力のβ２倍のパルス電力利得のパル
ス出力を取出すことができる。

上述の操作を行なった場合に期待される電力利得と変換
後の時定数τとの関係をＱＵをパラメータとして示すと
第３図のようになる。実際的な例として、ＱＵ　＝　１
０　　のときに、スイッチングによって１０８倍の電力
利得の出力パルスを得るためには、変換時の時定数を１
μｓ士で下げなければならず、この時定数を短かくする
ほどパルス出力が大きくなる。

つぎに、前述した本発明の基礎実験に用いた実験装置お
よび実験方法について説明する。

（１）空洞の製作 空洞は比較的大きい内部Ｑ値ＱＵが得られる円１ＴＥｏ
１□モードの空洞を用いることとし、共振周波数の設計
値を２．８５　ＧＨｚに選んだ。円筒の直径と長さとを
ともに１８．８５ｃｍと等しくした。また、製作材料な
純銅としてその常温における抵抗率ｌ。７２Ｘ　１（１
”０ｍを用いると、内部Ｑ値は、計算上Ｑｕ＝５．５８
　Ｘ　１０’となる。なお、実際に用いた空洞の材料は
無酸素銅であり、両端の円板部と円筒部とを分けて製作
し、鉛メッキも別個に行なった。この空洞を超伝導空洞
とするだめの材料としては鉛を用いた。しかして、鉛空
洞の製作は、銅の素地の上に硼弗化鉛浴による電気メッ
キを行なうのが一般的であり、その工程は、銅素地を清
浄にし、かつ、活性化するための前処理、メッキ浴およ
びメッキ表面の残留物を除去する後処理の二段階に分け
られる。まず、前処理においては、メッキ面の汚れを落
すために銅素地をアルカリ脱脂液に漬けて２０〜８０分
煮沸する。ついで、水道水により洗浄した後に、酸化膜
除去のために１〜２分間酸洗いを行なう。つぎに、純水
により洗浄した後に、錫の無電解メッキを行なった。な
お、この錫メッキは鉛メッキを容易にするとともに、錫
メッキを補う効果を期待することができる。すなわち、
この錫メッキは、無電解メッキであるために、鉛メッキ
を施すことが困難な箇所にもメッキを施すことができる
が、そのメッキ膜厚は１μｍ程度に留まる。なお、錫は
、その転移温度が８゜７°にであるから、減圧冷却によ
り超伝導状態になる。この錫メッキの後に、メッキ面を
活性化するために硼弗酸液に８０秒浸し、引続いて直ち
に鉛メツキ液に移す。鉛メツキ液には市販の特級硼弗化
鉛溶液２０ｔを用いた。鉛イオンはＯノー、　ｓｏ４”
−２等の多くの陰イオンと結合して、沈殿物を生ずるの
で、鉛メッキの工程においては、水道水は使えず、純水
を使用する必要がある。なおメッキの陽極ともては、円
板部に対しては平板状、円筒部に対しては棒状、の純度
９９゜９９％の鉛を用いた。鉛メッキの厚さは、１０〜
２０μｍとした。なおメッキ溶槽は、マグネツテイツク
・スターテの上に乗せてメッキ液を機械的に攪拌し、さ
らに、メッキ液のＰＨを１．０以下に保つように、随時
硼弗酸を添加した。また、枝状結晶の発生を、防止する
ための抑制剤として、ニカワを、少量１使用した。メッ
キ状態は電流密度に影響されるので、経験的にこれを１
．２１Ｊ’ａｍ”程度に選び、極間距離を１゜５〜４　
ｃｍとした。メ不キ電流を、まず、順方向に６分間流し
てメッキを行ない、ついで、逆方向に８０秒間流して電
解研摩を行なう工程を繰返した。約１時間のかかる通電
により、１０〜２０μｍの膜厚の鉛メッキ而を得た。な
お、鉛メッキを開始する時の電源の極性が順方向になっ
ていないと、薄い錫メツキ膜を溶解してしまうので、注
意が必要である。かかる工程のメッキの後には純水によ
って十分に水洗いする。。

特に、穴や溝の中にはメッキ液が残り易く、そのメッキ
液が後にメッキ面に流れ出て汚損し易いので注意を要す
る。最後にメチルアルコールにより、さらにエチルアル
コールによって水分を置換して脱水し、引続いて真空乾
燥する。なお、各部分の組立て時には、酸化防止のため
に空気に触れさせない方が好ましいが、簡単のために、
なるべく速やかに空気中で組立てたうえで、直ちに金属
製クライオスタット内に装着して真空排気した。なお、
各部品間のシール材としては、直径１闘または２翳のイ
ンジウム線を使用した。

（２）クライオスタットおよび真空排気装置空洞を収容
したクライオスタットの概略構成を第４図に示す。この
タライオスダットは、ステンレス製であって、本発明者
らが設計したものである。側部と」二部フランジとから
成っており、後者は床面に設置したクレーンにより上方
へ引上げ得るようにしである。側部には液体窒素（ＬＮ
、　）タンクＮＴ、　（容量２０　／　）、排気孔およ
び底面を設けである。上部フランジには液体窒素（ＬＮ
２）タンクＮＴ、　（容量１０１）と、その下に吊した
液体ヘリウム（ＬＨｅ）タンクＨ’ｌ’（容量２０／）
とを設けてあり、後者の液体ヘリウムタンクＨＴの中に
空洞ＣＡをその軸を水平にして設置する。液体ヘリウム
（ＬＨｅ）タンクＨＴには、長さ８０ｃｍの液面計や空
洞ＯＡの温度を測定するゲルマニウム（Ｇ８）温度計を
設置しである。なお、上部フランジに設けたタンク類は
、スーパーインシュレータによって熱シールドを施しで
ある。

かかる構成のクライオスタットの性能を検討するため、
各種の熱流入を推算したところでは、断熱層における放
射による熱流入は、液体ヘリウム（ＬＮ８）タンクＨＴ
において４．２°に１液体窒素（ＬＮ、）タンクＮＴ、
、ＮＴ２において７７°にとして計算して、１０４ｍＷ
となった。しがしながう、実際には、アルミ箔１０層か
ら成るスーパーインシュレータを液体ヘリウム（ＬＨｅ
）タンクＨＴに巻き付けであるので、その効果を考慮す
ると、放射による熱流入は殆んど無視し得る程度に小さ
くなる。また、断熱層の真空度が１０　　ＴＯｒｒ程度
の場合には、残留ガスによる熱伝導も無視することがで
きる。結局、実際に生ずる熱流入の主な原因は、排気用
パイプや各種リード線などの金属材料による熱伝導であ
り、蒸発したガスヘリウムによる冷却をも考慮すると、
かかる熱伝導による熱流入は１５２　ｍＷと見積られた
。

つぎに、実際に空洞を作動させた実験の過程について説
明する。液体ヘリウム（Ｌ　Ｈｅ　）を槽にトランスフ
ァする前に液体窒素（ＬＮｇ）を注入して、２時間程予
冷する。ついで、液体窒素（ＬＮ、）を完全に除去して
から液体ヘリウム（Ｌ　Ｈｅ　）を注入する。このとき
約８０ｔの液体ヘリウム（ＬＨｅ）を用いて、タンクＨ
Ｔ内に約１８ノを溜めることができた。その後の液体ヘ
リウム（ＬＨｅ）の蒸発量を液面計によって測定した結
果では、蒸発量は１時間に０．２１．熱流入に換算する
と１４５　ｍＷであった。この値は、先に述べた計算値
１５２　ｍＷに近い値である。なお、液体ヘリウム（Ｌ
　Ｈｅ　）注入の後に、空洞ＯＡの上部が露出するまで
の間は実験をすることができる。この実験可能時間は１
０時間以上あったが、多くの場合、減圧冷却を行なって
４．２ｃＫ以下の温度で実験を行なったので、実際の実
験時間は短くなった。クライオスタットおよび空洞の真
空排気については、まず、ブースタポンプＰＭ８により
急速に装置の粗げ］きを行ない、ＩＯ″”　Ｔｏｒｒ程
度に達した後に、排気速度２７０　ｔ／８のターボ分子
ポンプに切換えて、１０ＴＯｒｒ程度に排気する。その
後は、クライオスタットの断熱層を分子ポンプＰＭ□に
より数時間かけてＩ　Ｘ　１０”’’ｔ’ｏｒｒ程度に
排気する。一方、空洞ＯＡは、排気速度ｇ　０１７Ｂの
イオンポンプＰＨｆＡｔｔ数日間連続動作させて、１０
”　Ｔｏｒｒ台まで排気した。

（８）マイクロ波回路 超伝導中・洞を使用するので、マイクル波発振器の周波
数は空洞の帯域幅約１　ｋＨｚ以内の周波数安定席を必
要とする。そのために、マイクロ波回路には周波数安定
化（ＡＦ（Ｉｔ　）回路を組込んである。

周知のように、マイクロ波帯におけるＡＦＯには空洞か
らの反射波の位相特性を利用する。すなわち、共振点の
上下の周波数領域においては空洞からの逆放射信号の位
相が敏感に変化するのを利用してＡＦ（３を行なう。し
かしながら、実際には測定点から空洞までの同軸ケーブ
ルは２ｍ以上の長さとなるために、周波数の変化によっ
て大刀結合窓における反射波の位相も変化し、かがる入
力窓における位相変化によって発振周波数がＩＩＪ御さ
れてしまうことになる。したがって、空洞入力窓による
反射波を除去し、空洞内から逆放射された信号のみにつ
いて位相を検出するように工夫する必要がある。

本実験においては、第５図に示すような構成の回路装置
を使用して周波数安定化（ＡＦＯ）を行なった。まず、
冷却器内空洞ＯＡに向うマイクロ波を電力分配器ＰＤに
よって２分岐し、その一方を空洞ＯＡに入射させ、他方
を移相器ＰＳを介してケーブル（図示せず）に導く。こ
のケーブルは、その先端を開放にして先端開放の全反射
を起こさせ、その全反射信号が電力分配器ＰＤまで戻っ
たときに、空洞ＯＡの入日で反射された信号と打消し合
うように移相器ＰＳを調節する。このようにして空洞Ｏ
Ａ内からの逆放射信号のみを取出し得るようにした。

一方、発振器ＲＯのマイクロ波出力は空洞内エネルギー
蓄積の際には連続波（ＯＷ）の形態のままで、また、時
定数等の測定を行なうときには方形波により変調して使
用した。このマイクロ波出力は、方向性結合器Ｄｏによ
りその一部をＡＦ（３のための参照波としてＡＦＧ回路
ＡＦＯに導き、残部を空洞ＯＡに導く。空洞ＯＡがらの
逆放射信号は、電力分配器ＰＤおよびサーキュレータＯ
Ｌを介してＡＦＯ回路ＡＦＯ内の位相検波器（図示せず
）に入力する。その位相検波出方を、増幅等の処理を経
て、発振器ＲＯの制御電圧入力端子に帰還する。

なお、この位相検波出力は、まず５ｏΩの整合負荷によ
って終端したうえで、２０倍に直流増幅した後に、低域
フィルタに加えてノイズ等の不要成分を除去する。ここ
まではＯｖが中心電圧となっているが、発振器ＲＯの制
御電圧は一１０Ｖが中心であるので、約６倍に増幅する
と同時に中心電圧をシフトさせ、発振器ＲＯの制御電圧
とした。

なお、ＡＦＯは上述した低域フィルタの時定数より遅い
周波数変動についてのみ有効であり、高周波ノイズに対
しては効果がない。しかしながら、低域フィルタの時定
数を短かくするとＡＦＯ動作が不安定になる。特に、マ
イクロ波出力を方形波により変調した場合には不安定と
なり易い。いずれにしても、発振器ＲＯ自体の周波数安
定度が高いことが前提条件であり、ＡＦＯは補助的に作
用させるようにする必要がある。

また、本実験に用いるＡＦＯ回路内の位相検波器あるい
は同軸クリスタル検波器の出力電圧は、マイクロ波電力
計により較正し、電力に換算して用いる必要がある。特
に、位相検波器は、参照信号レベルを高くして飽和した
状態で使用し、空洞ＯＡからのＲＦ電圧に比例した出力
電圧が得られるようにする。一方、同軸クリスタル検波
器の出力電圧は、ＲＦ大入力０゜１　ｍＷ以下の低レベ
ルのｓ合にはＲＦ電力に比例し、それ以上の高レベルの
場合にはＲＦ電圧に比例する。なお、本実験においては
、空洞ＯＡの定数の測定は低レベルで行なったが、マイ
クロ波パルス取出しの実験の際には当然に高レベルとな
っていた。

（４）空洞の入出力部 本実験に使用した円筒空洞の中央断面を第１図に示す。

入出力結合部や排気用ボートは、空洞内の電磁界分布の
擾乱が最小になるように構成する必要がある。図中、右
側に示す入力結合部におけるマイクロ波の供給は、同軸
ケーブルの先端と空洞内に設けた半円形の金属ループと
の間の距離を調節することにより結合度を変えて行った
。

一方、図中、左側に示す出力結合部は、本発明の中心課
題として小電力の連続マイクロ波をある時間をかけて空
洞内に蓄積する過程においては、入力電力と空洞の消費
電力とが釣合った状態で平衡に達する。大きいマイクロ
波エネルギーを蓄積するためには、空洞内の指尖や出力
回路への漏れを極力低減しなければならず、一方マイ・
クロ波パルスを取出す過程においては、出力回路と空洞
との結合度をできるだけ速かに、できるだけ大きくする
ようにスイッチングすることが必要である。

本発明においては、かかるスイッチングに放電プラズマ
を利用した。すなわち、気体放電の立上がり時間は数ｎ
ｓ以下にすることも可能であり、その結果生成したプラ
ズマにより出力アンテナを形成すれば、極めて高速に金
属製と等価なアンテナを空洞内に形成することができる
。また、エネルギー蓄積の期間においては、空洞内には
放電管のガラスおよび封入ガスのみが本来の状態で存在
するだけであるから、空洞のＱ値を損なうことが少ない
。しかしながら、放電生起のために数ｋＶ以上の高電圧
を使用し、放電電流も数１０Ａ以上となるので、マイク
ロ波の観測に対しては放電ノイズが重大な悪影響を与え
る。すなわち、マイクロ波検波器には数Ｖまでの電圧し
か印加し得ない。

また、マイクロ波の波長に対して無視し得ない長さの接
続ケーブルは回路インピーダンスに影響ヲ及ぼし、出力
回路の不整合を惹き起こす。したがって、アンテナ用の
放電管に高圧給電線を単純に接続することはできない。

しかして、かかるｆｆｌを解決するためには、放電電流
とマイクロ波とが通る経路を互いに分離する必要がある
。

そこで本発明においては、両者の周波数が互いに異なり
、また、マイクロ波の周波数は一定であることを利用し
て、両者に対して互いに異なるインピーダンスをそれぞ
れ呈するＩ／４波長スタブを用いてかかる分離を行ない
、空洞出力部周辺の回路を第６図に示すように構成した
。すなわち、比誘電率が約４．８のガラス・エポキシ基
板上にマイクロストリップラインを構成し、そのライン
のインピーダンスを５００に設定すると、幅３ｍｍ。

波長短縮率０．５８となるので、１／４波長は１４關と
なる。放電管によるアンテナは、インピーダンス約１０
０９の円形の１波長ループアンテナをなすものと想定し
、その中点を接地して片側のみを使うように構成し、イ
ンピーダンス約５ｏΩの半波長ループアンテナとした。

かかるアンテナは、５０Ωの同軸ケーブルに直接に接続
しても、比較的良好に整合する。なお、放電管の高電圧
側電極には１／４波長オープンスタブを接続してあり、
直流的には接地とは絶縁されているが、マイクロ波につ
いては接地したのと等価の状態にある。したがって、こ
の高電圧側電極に高圧給電線を接続しても、マイクロ波
系には何ら影響を及ぼさない。

一方、放電管の接地側電極■は、１／４波長シヨートス
タブを介して接地しであるので、放電電流はその電極の
から接地■へ流れ込むのに対し、マイクロ波は出カケー
プルへ向かうことになる。このようにして、マイクロ波
出力信号を、タライオスタット外部までダ１出した後に
、中心周波数２．８５’０ＧＨ２、帯域幅±５０　Ｍ　
Ｈｚの帯域通過フィルタＢＦを介してマイクロ波成分の
みを取出し、検波器ＤＴを介してオシロスコープＣＲＴ
により観測する。

つぎに、以上のようにして行なった実験の結果について
検討する。

（１）放電管の特性 放電管としては、パイレックス製による大半径１２゜５
酩、小半径１．５朋、内径２關の半円形の套管を用い、
その両端に約１　ｍｍの太さの金属電極を設け、常温で
５０　ＴＯｒｒの純粋なヘリウムガスを封入した。かか
る放電管の両端電極に印加するパルス電圧は、０．００
２μＦのコンデンサの放電によって発生させた。その放
電電流のピーク値は、コンデンサの放電によって発生さ
せた。その放電電流のピーク値は、コンデンサの充電電
圧を４　ｋＶとしたときに５２Ａ、１ｏｋＶとしたとき
に１６８人であり、充電電圧に対して放電電流が直線的
に増加した。放電の時間幅は約４００　ｎｓであり、放
電電流波形については、常温と低温とで特に変化は認め
られなかった。放電管の内径が２酩であるから、放電電
流１００Ａのときの電流密度は８２　Ｍ　ｋ　／　ｍ　
　となる。いま、仮に陽光柱の理論を適用すると、管半
径と気圧との積によりプラズマ中の電界と気圧との比が
決まり、常温ガス中の電子ドリフト速度が１．８　ｘ　
１０　　Ｃｍ　／　ｓと求められ−したがって、プラズ
マ密度は１．５ＸｌＯｃｍ　　となった。かかる推算は
、正確ではないが、空洞の使用周波数２．８６　ＧＨ２
に等しい放電プラズマの周波数に対応する電子密度はＩ
Ｑ　　ｃｍ　　となるので、放電プラズマは十分に高密
度となり、マイクロ波に対して金属導体に近い状態にな
っているものと推測される。

上述のようにして室温において空洞に放電管を装着した
ときと取除いたときとの共振周波数の変化を観測した結
果を第７図に示す。図中、横軸には周波数をとり、ｓ　
７５　ｋＨｚ　／目盛とした。下側の曲線は入力ボート
における反射信号を示し、曲線Ｒ□は放電管がないとき
、また、曲線Ｒ２はあるときであって、放電管の存在に
よって共振周波数が約２２０　ｋＨｚ低下している。な
お共振点における吸収曲線の幅や深さは放電管の有無に
よっては変らない。すなわち、放電管の存在によっては
負荷Ｑ値が変化せず、空洞の特性は害なわれていない。

特に、エネルギー蓄積期間中に放電管が存在しても出力
結合係数β２が零となるようにするには、放電管の電極
の位置や空洞に開ける穴の形状に工夫を要した。また、
図中、曲線Ｒ８は放電管を同一寸法形状の銅ループに置
換したときの反射信号であって、負荷Ｑ値が低下し、共
振が消滅するとともに、上側の曲線Ｔのようにブロード
な透過信号がループの出力側に現れる。したがって、放
電管中に高密反プラズマを発生させれば、出力側外部Ｑ
値ＱＥ２が低下してスイッチング動作を実現し得るもの
と推測される。

（２）空洞の高周波出力回路に対する放電の影響放電時
には１００Ａ程度のパルス電流が放電管ＤＳに流れるた
めに、各部に大きいノイズを誘起する。第６図示の構成
における点■乃至■に現れたノイズ電圧波形をオシロス
コープＣＲＴにより観測した。なお、そのときの放電用
コンデンサの充電電圧は１０　ｋＶであった。点■およ
び点■においては、％波長マイクロストリップ線路にお
ける接地導体に短絡されているにも拘らず、放電により
生じたピーク値約２０Ｖのノイズ電圧が観測され、その
まま検波器ＤＴに接続すると、検波器ＤＴが破壊される
おそれがあった。点■および点■は帯域通過フィルタＢ
Ｆを通した後の観測点であるが、いずれにおいてもノイ
ズ電圧はピーク値で１ｖ程度になっていた。なお、これ
らのノイズは接地電位の動揺がオシロスコープに影響を
与えたものと考えられる。また、このノイズ測定の対象
とした回路における放電管ＤＳから検波器ＤＴまでの直
線距離は５ＱＣｍ以内であったが、実際には空洞ＯＡと
帯域通過フィルタＢＦとの間に約１ｍの同軸ケーブルを
介挿するとともに、検波器ＤＴからオシロスコープＣＲ
Ｔまでも約２ｍの同軸ケーブルを介挿して離隔したため
に、最終的にはノイズ電圧が１００〜４００　ｍＶ程度
に減少したので、実用上ノイズの問題はほぼ解決された
。

また、室温中に出力結合部を取出して出力側から逆にマ
イクロ波を空洞ＯＡに供給し、前述したオープンスタブ
およびショートスタブ上の高周波電界分布を測定した。

その測定方法としては、細い七ミリジッド同軸ケーブル
の芯線を伸ばしてアンテナとしたものをスタブに沿って
微動させ、検波器ＤＴの出力をオシロスコープＣＲＴに
よって観測した。その結果、はぼ妥当な高周波電界分布
が得られ、出力結合部として期待どおりの動作をしてい
ることが判った。

（３）放電管アンテナの定在波比 つぎに、上述した放電プラズマからなるアンテナの特性
を検討した。放電管ＤＳに放電電流が流れる時間は１μ
・８１以下であって極めて短いが、放電後もしばらくの
間は放電プラズマが残存しているために、放電プラズマ
がアンテナとなる期間は通電時間より長くなっているも
のと期待される。

放電プラズマのアンテナとしての動作を確認する方法と
して、マイクロ波山カケープルから逆（こマイクロ波を
送り込み、その反射波を観測した。放電プラズマが存在
しない状態においては、出カケープルには１／４波長シ
ヨートスタブが接続されているだけであるので、このス
タブの接続点で全反射が起こるが、放電プラズマが生成
されてアンテナが形成されると、同軸ケーブルとの整合
がとれて、給電したマイクロ波の一部はアンテナから空
間に放射されるので、反射波が減少することにより、放
電プラズマ・アンテナの動作を観測することができた。

かかる観測の結果の一例を第８図（ａ）に示す。

放電プラズマアンテナは、空洞内ではなぐ、室温の自由
空間内に取出して測定した。１ス示の観測結果における
時間掃す［は２μＳ／目盛であり、図中上側に示す波形
は放電電流であって１５０Ａ／目盛であり、コンデンサ
充電電圧は９　ｋＶであった。

また、図中下側に示す波形は放電プラズマアンテナから
の反射信号である。放電期間中、前述したノイズのため
に信号は観測し得なくなるが、放電プラズマの生成によ
り反射波が著しく減少し、その状態が数μｓ間続いてい
た。このことがら確かに放電プラズマのアンテナとして
の動作が行われていることが確認された。かかる観測の
結果をまとめて第８図（ｂ）に示す。図中横軸には放電
用コンデンサの充電電圧をとっである。放電プラズマア
ンテナ中におけるプラズマ密度の初期値は、このコンデ
ンサ充電電圧にほぼ比例することが判っているので、充
電電圧を変化させて、読取り可能範囲内における反射信
号の最小値（Ｏ印）と放電電流ビーク特開から５μＳ後
の反射信号（・印）とを電力定在波比Ｐ　ＳＷＲによっ
て示した。なお、電力定在波比ＰＳＷＲは、電力反射係
数をＲとすると、（１＋Ｒ）／（１−Ｒ）によって与え
られる。図中、点線は放電管を同じ形状の金属製アンテ
ナに置換したときの電力定在波比Ｐ　ＳＷＲであって、
その測定結果は］。９であった。図示のとおりに、充電
電圧の上昇とともに放電プラズマアンテナの電力定在波
比ＰＳＷＲが減少してアンテナ特性が向上した。また、
反射信号の電力定在波比ＰＳＷＲの最小値が８、すなわ
ち、電力反射率が５０％以下の期間中においてはアンテ
ナ作用があるものと考えると、充電電圧は４．５　ｋＶ
以上であることが必要であり、充電電圧６　ｋＶ以上に
おいてはＯ印の状態がほぼ金属製アンテナのときと等し
くなっている。また、充電電圧６　ｋＶ以上においては
、放電プラズマ中の電子密度が上昇するためにアンテナ
となっている期間が延長される。したがって、なお５μ
Ｓ後の電力定在波比ＰＳＷＲ（・印）は充電電圧ととも
に減少している。かかる放電プラズマアンテナを空洞Ｏ
Ａ内に設置してマイクロ波パルスの取出しを行なった場
合に、充電電圧６　ｋＶ以下においてはアンテナとし゛
（の特性が低下し、出力マイクロ波パルスのピーク値カ
小さくなるものと推測される。

（４）常温空洞からのマイクロ波パルスの取出しまず、
予備実験として、常温において放電管ＤＳを鉛空洞ＯＡ
内に装着し、マイクロ波パルスを取出す実験を行なった
。この場合には、（７）式におけるエネルギー蓄積時間
τ。とパルス取出し時間とが同程度であるので、大きい
パルス電力利得は期待し得ないが、スイッチング動作が
行なわれているかどうかを知るうえで必要な実験である
。

（２）項において前述した方法によって空洞ＯＡの諸定
数を測定したところ、共振周波数は２゜８５９５ＧＨ２
゜時定数τは５　Ｂ　０　ｎｓ　、入力側結合係数β□
はβ□＝　ｏ、８７４　、出力側結合係数β２はβ２＝
０であった。

これらの諸定数より、内部Ｑ値はＱＵ＝　１．４８　ｘ
１０’となった。かかる空洞ＯＡ内に連続マイクロ波を
供給してそのエネルギーを蓄積した後に放電を行なった
。かかる予備実験の結果の一例を第９図（ａ）に示す。

図中掃引速度は１　ｐｓ　／目盛であり、上側の波形は
放電電流であって１５０　Ａ／目盛とした。なお、この
場合におけるコンデンサの充電電圧は９　ｋＶであった
。また、図中、下側の波形はマイクロ波の出力波形であ
り、放電期間中はノイズのため観測不可能であったが、
以後は明瞭にマイクロ波信号が現れた。なお、放電プラ
ズマアンテナが存在する期間中にも入力側からマイク四
波エネルギーが流入し続け、定常状態となっているもの
と考えられる。かかる流入マイクロ波の透過信号はアン
テナ作用が消滅するまで継続するので、マイクロ波出力
パルス波形はほぼ放電プラズマアンテナの存在する期間
を示すことになる。なお、第９図（ａＪに示したパルス
出力信号は第８図（ａ）に示したアンテナ反射信号と対
応する。

また、マイクロ波パルス出力電力のピーク値と充電電圧
との関係を第９図（ｂ）に示す。なお、第５図の右側に
示した入力結合部に入る入力マイクロ波電力は４　ｍＷ
であった。また、図中、縦軸には、第５図の左側に示し
た出力結合部に現われるマイクロ波電力のピーク値をと
った。前ｉ　（８）項のアンテナ諸元の測定結果からも
予想されるように、放電用コンデンサの充電電圧７　ｋ
Ｖ以下においては放電プラズマアンテナの特性が低下し
てマイクロ波パルス出力電力が減少するが、充電電圧？
ｋＶ以上においてはアンテナとして十分に作用している
ので、出力ピーク値は一定になっている。第９ＩＮ（ｂ
　）と第８図（ｂ）とを比較すると判るように、放電プ
ラズマアンテナが満足に動作するのは、充電電圧が７　
ｋＶ以上であって、電力定在波比ＰＳＷＲが金属製アン
テナのときと十分に一致する場合であることが判る。な
お、電力定在波比ＰＳＷＲがわずかでも上昇すると、マ
イクロ波ピーク出力は低下する。

また、第９図（ｂ）から判るように、マイクロ波ピーク
出力は連続入力マイクロ波に比べて遥かに小さいが、か
かる状態においても空洞ＯＡを極低温に冷却すると、Ｑ
値が上昇するので、マイクロ波ピーク出力の増大が期待
される。

（５）超伝導空洞からのマイクロ波パルスの取出し前掲
（４）項において用いた鉛空洞ＯＡを液体ヘリウムによ
り冷却して超伝導状態にすると、内部Ｑ値が大きくなり
、常温時と同じ入力マイクロ波に対しても蓄積マイクロ
波エネルギーは増大する。

そこで、温度４．２°にのときの超伝導空洞ＯＡの定数
を測定した。まず、共振周波数は２．８６８　ＧＨ２と
なり、空洞ＯＡの収縮により常温時に比べて８．５ＭＨ
ｚ上昇していた。また、時定数は９８μＳ、入力結合係
数はβ□＝　１．０　、出力結合係数はβ２＝０であっ
た。これらの時定数より、内部Ｑ値はＱＵ＝８゜４×１
０　と求められ、常温時の２００倍となッテいた。かか
る超伝導空洞ＯＡにマイクロ波エネルギーを蓄積した後
に、放電を行なわせてマイクロ波パルスの取出しを行な
った。その場合には、（７）式においてτ。）τとなる
ので、大きい出力パルスの電力利得を期待することがで
きる。かかる超伝導空洞ＯＡへ供給するマイクロ波入力
が１．８５ｍＷのときのマイクロ波出力パルスのピーク
値を、放電用コンデンサの充電電圧に対し、プロットし
て第１０図（ａ）に示す。なお、常温の場合と同様に、
充電電圧７　ｋＶ以下ではマイクロ波パルス出力が低下
している。この第１０図（ａ）に示す測定結果は第９図
（ｂ）に示した測定結果とその傾向が似ているので、極
低温においても、放電プラズマアンテナは常温の場合と
同様に動作しているものと結論することができる。また
、充電電圧７　ｋＶ以上においてはマイクロ波出力パル
ス１８０ｍＷで飽和し、出力パルスの電力利得は約７０
倍になっていた。

最も大きい■イ、力利得が得られた場合のマイクロ波パ
ルス出力波形を第１０図（ｂ）に示す。この場合には、
空洞ＯＡの周囲をｌ　８０　Ｔｏｒｒまで減圧して冷却
し、温度を８°Ｋまで下げたので、空洞ＯＡの無電解錫
メツキ表面も超伝導化している・ものと考えられる。か
かる超伝導空洞の時定数は１００μｓ１内部Ｑ値はＱＵ
　＝　８．６　Ｘ　１０’となった一０第１０図（ｂ）
に示す測定結果においては、充電電圧は８．５ｋＶであ
った。この場合には、マイクロ波パルス出力が大きいの
で、出力回路に同軸型固定抵抗減衰器を用いた。なお、
出力信号が大きくなったために、放電によって生じたノ
イズの影響は相対的に小さくなった。また、空洞に供給
する連続マイクロ波入力１．８５　ｍＷに対して、出力
結合部からは６６０　ｍＷのピーク出力マイクロ波電力
が得られ、出力パルスの電力利得は８５０倍に達してい
た。図示の信号波形から時定数を求めると、τ＝　１７
５　ｎｓとなった。この時定数と内部Ｑ値Ｑｇ　＝　８
．６　Ｘ　１０　　とを用いると、第２図示の較正曲線
より出力パルス電力利得の期待値は約１０００倍となっ
た。なお、この実験においてはこの期待値の１／８のパ
ルス出力しか得られていないが、その主な理由としては
、つぎの事項が考えられる。パルス電力利得を求める（
γ）式においては、出力結合度がステップ関数状に変化
するものと仮定したが、実際には有限の時間な要した。

すなわち、放電電流がピークに達するまでの時間は洞の
時定数１７５　ｎｓよりも十分には短かくなり得ないの
で、パルス電力利得は（７）式よりも小さくなっている
ものと考えられる。また、放電電流の立上りの初期にお
いては、放電プラズマ中の電子密度が十分でないにも拘
らず、この時期に放電プラズマ中において、マイクロ波
の損失が起っている可能性もある。

（６）本発明マイクロ波パルス源の実用化の見通しくγ
）式から判るように、パルス電力利得は超伝導空洞の内
部Ｑ値ＱＵに比例するが、」二連した実験において得ら
れた内部Ｑ値ＱＵ＝ａ。６×１０　はあまり良好な値と
はいえず、例えば、本発明者らがさきに行なった実験に
おいてＱＵ＝　２．９　ｘ　１０’が得られている。上
述の実験におてはスイッチング用放電管の存在によりＱ
Ｕが低下したとも考えられるので、放電管を取除いて内
部Ｑ、　９１ＩｉＱＵを測定したところ特に変化はなか
った。したがって、内部Ｑ値低下の原因はめつき処理や
到達真空度が゛不十分であったがためと認められる。し
かして、もし、さきに得られた内部Ｑ値ＱＵ＝　２．９
　Ｘ　１０７の空洞を用いて上述した放電スイッチング
を行なったと仮定すると、２８００倍のパルス電力利得
を期待することができる。さらに、雑誌「フイジカ（Ｐ
ｈｙｓｌｃａ　）　Ｊ　、第５４巻、第１８７頁の記載
によれば、上述の実験におけると同じＴＥ０１１モード
、Ｓバンドの鉛空洞を用いて内部Ｑ値ＱＵ　＝８．８　
Ｘ　１０　　を達成しているので、もし、この空洞を用
いて上述の実験における放電スイッチングを行なったと
仮定すると、８　Ｘ　１０５倍のパルス電力利得が得ら
れるものと推察される。しかしながら、かかる空洞を本
発明装置に適用し得るか否かは未知数である。

したがって、上述した実験結果から期待し得るマイクロ
波パルス出力の限界値について検討するに、空洞に蓄積
し得る電磁エネルギーの限界は、高周波磁界による常伝
導転移と高周波絶縁破壊とによって決まる。しかして双
方の電磁界強度は大体同程度であるとされており、どち
らが厳しい条件であるかは、超伝導材料、周波数、空洞
の構造等に依存し、−概には論じ得ない。鉛の高周波臨
界磁場は８００ガウス程度であって、エネルギー密度２
．６ｋＪ／ｍ　　に相当する。ここでは、この値を蓄積
エネルギーの限界値と考えることにする。上述した実験
に使用した空洞の体積は２×１０ｍであるから、貯蔵エ
ネルギーの限界は５゜４Ｊとなる。したがって、本発明
者らがさきに得た内部Ｑ値ＱＵ　＝　２゜９×１０　の
空洞を用いるものと仮定すると、５．４Ｊのエネルギー
を蓄積するためには、臨界結合において６．６　ｋＷの
連続マイクロ波入力が必要となる。かかる状態において
上述した実験の放電スイッチングを行なったと仮定する
と、ビーク゛パルス電力１９ＭＷ、時間幅ａ　ｏ　ｏ　
ｎｓのマイクロ波パルス出力が得られる計算になる。な
お、出力回路内で高周波絶縁破壊が起り得るので、前述
したとおりの構造によっては入力、出力ともに１０８倍
程程度パルス電力利得に止める必要があると考えられる
。すなわち、本発明装置は、数Ｗの連続マイクロ波入力
に対して十数ｋＷのマイクロ波パルス出力を発生させ得
ることになる。

上述した実験においては、周波数が２．Ｂ　ＧＨｚのＳ
バンド帯マイクロ波を使用したが、この周波数帯では、
大電力マイクロ波源としてマグネトロンをはじめ安価な
マイクロ波発生装置がある。したがって、本発明マイク
ロ波パルス源を実用化する意義があるのは、周波数ａ　
ＯＧＨｚ以上のミリ波帯においてであると考えられる。

そこで本発明者らは、次の段階として周波数２８　ＧＨ
２出力数ｋＷのマイクロ波パルス源の実現を計画中であ
る。

一方、超伝導空洞の時定数は、最も長い例でも１秒程度
である。したがって、（７）式から判るように、１秒以
上の時間幅のマイクロ波パルスの発生に本発明を適用す
ることは無意味であり、パルス電力利得として１０８程
度を希望するならば、マイクロ波パルス出力の時間幅は
１　ｍｓ以下となる。

特に、時間幅を１μＳ以下とする場合には、本発明マイ
クロ波パルス源の実用化の意義は大きいと考えられる。

上述した実験に用いた液体ヘリウムおよびタライオスタ
ットは、他のマイクロ波バルス発生装置Ｗｓ例えばジャ
イロトロンにおいて必要とする高電圧電源や強磁場コイ
ルに比して格段に安価である。

なお、上述した実験においては、放電スイッチングに用
いる放［９’内のヘリウムガスのガス圧は常温で５０　
’ｒｏｒｒとしており、空洞内のマイクロ波エネルギー
密度が小さい場合には、この程度のガス圧では放電が生
起しないが、本発明装置を実用比した場合には、エネル
ギー密度がｔ昇するので、ガス圧全低下させる必要があ
る。したがって放電スイッチングは真空スイッチングに
近いものとなる。

以上の結論として、本発明マイクロ波パルス源はミリ波
レーダや科学実験等の用途において、他のマイクロ波源
を上側る経済性および実用性が得Ｊ′以上の説明から明
らかなように、本発明によれば、超伝導空洞と放電スイ
ッチとな組合わせてマイクロ波パルス源を構成し、例え
ば、共振周波数２．８６８　ＧＨｚ％ＴＥ０１１モード
の超伝導鉛空洞を用・いて、温度８０にで内部Ｑ値８．
６　Ｘ　１０　を得、がかる超伝導空洞に小型半円形の
放電管を結合させて出力結合回路とし、パルス放電によ
り急激に生起させた高密度プラズマによって出方結合係
数を増大させるスイッチング動作により、連続マイクロ
波人力１゜８５ｍＷに対してパルス電力最大値６６０”
Ｗｓ　ハルス半値ｄａ約１５０　ｎｓのマイクロ波パル
スを得、３５０倍以上のパルス電力利得を達成すること
ができ、比較的低廉な構成要素による簡単な構成の装置
を用いて、連続供給するマイクロ波入力に比して格段に
大電力のマイクロ波パルスが容易に得られる、という顕
著な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明マイクロ波パルス源の要部の構成を示す
横断面図、 第２図は共振空洞の概略構成を模式的に示す縦断面図、 第８図は本発明マイクロ波パルス源をなす共振空洞にお
ける電力利得と時定数との関係を示す特性曲線図、 第４図は本発明マイクロ波パルス源の概略構成の例を模
式的に示す断面図、 第５図は本発明マイクロ波パルス源に用いる周波数安定
化回路の構成例を示すブロック線図、第６図は本発明マ
イクロ波パルス源に用いる共振空洞の出力結合回路の構
成例を示すブロック線図、 第７図は同じくその共振空洞の放電管の有無による共振
周波数の変化の態様の例を示す特性曲線図、 第８図（ａ）および（ｂ）は同じくその共振空洞におけ
る出力結合回路の動作の態様の例をそれぞれ示す信号波
形図および特性曲線図、第９図（ａ）および（ｂ）は同
じくその共振空洞の常温における蓄積マイクロ波エネル
ギー放出゛の態様の例をそれぞれ示す信号波形図および
特性曲線図、 第１０図（ａ）および（ｂ）は同じくその共振空洞の極
低温における蓄積マイクロ波エネルギー放出の態様の例
をそれぞれ示す信号波形図および特性曲線図である。 ＯＡ・・・共振空洞　　　　ＷＧ□＃　ＷＧ、・・・導
波管ＤＴ・・・検波器　　　　　ＭＳ・・・マイクロ波
源ＩＣ□、工０２・・・入力回路　　ＯＣ・・・出力回
路Ｐ　ＭＩ　ＰＭ、、　Ｐλｆ、、　ＰＭ８・・・ポン
プＮＩ’□ｌ　ＮＴ２・・・液体窒素タンクＨＴ・・・
液体ヘリウムタンク ｐｓ　　・・・　移相器　　　ＰＤ・・・電力分割器Ｒ
Ｏ・・・高周波発振器　　ＤＣ・・・方向性結合器ＯＬ
・・・サーキュレータ　ＡＦＯ・・・ＡＦＯ回ＭＤＳ・
・・放電管　　　　　ＨＶ・・・高電圧ＦＴ・・・フィ
ルタ　　　　ＢＦ・・・帯域通過フィルタＣＲＴ・・・
オシロスコープ。 手続補正書 昭和５９年１０　月８０日 １、事件の表示 昭和６９年　特　許　願第１４８８７１号２、発明の名
称 マイクロ波パルス源 ３、補正をする者 η［件乙の関係　特許出願人 東京工業大学長 ７、補正の内容（別紙の通り） １、明細書第６頁第９行中「円形導波管ＷＧＩ　、ＷＧ
２Ｊを「導波管」と訂正する。 ２、同第６頁第１０行〜第１１行中「仕切り、それらの
」を「仕切って空洞としそれらを」と訂正する。 ８同第８頁第２０行中「（１）式」を「（２）式」と訂
正する。 ４、同第１０頁第８行中ｒｂ、−ｊａ２／ｋｌ　ヲ「ｂ
２−ｊａ□／ｋｌと訂正する。 ５、同第１８頁第１１行（９）式を下記の通り訂正する
。 」 ６、同第２６頁第１８行中１として」を「であり」と訂
正する。 ７、同第８１頁第４行〜第５行中１放電プラズマの周波
数」を「プラズマ周波数」と訂正する。 ８同第４０頁第１行中「おいても」を「おいて」と訂正
する。 ９、同第４８頁第７行中「にも拘らず」を「ために」、
と訂正する。 １０同第４５頁第７行、第１０行中［５，４Ｊ　Ｊを１
−５．２　Ｊ　Ｊと訂正する。 １１、同第４５頁第１５行中「なお」を「しかし」と訂
正する。 １２、同第４５頁第１８行中「１０　倍程度のパルス電
力利得」を「１０　倍程度」と訂正する。 １８、図面中［第４図、第７図、第８図（編、第８図（
ｂ）。 第９図（ａ）、第１Ｏ図（に）、第１０図（ｂ）Ｊを夫
々別紙訂正図の通り訂正する。 代理人弁理士　　杉　　村　　暁　　秀外１名

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、出力結合度を最大にしたときの時定数に比して出力
   結合度を最小にしたときに十分に大きい時定数を有する
   とともに出力端に放電管を結合させた超伝導空洞を備え
   、 出力結合度を最小にした臨界入力結合状態 において前記超伝導空洞に入力マイクロ波を連続的に供
   給してエネルギーを蓄積した後に、前記放電管に放電を
   生起させて出力結合度を急激に最大にすることにより、
   入力マイクロ波の瞬時電力に比して格段に大きい電力の
   マイクロ波パルスを前記超伝導空洞から取出し得るよう
   に構成したことを特徴とするマイクロ波パルス源。