JPS6185755A - ジヤイロトロン発振器 - Google Patents
ジヤイロトロン発振器Info
- Publication number
- JPS6185755A JPS6185755A JP20591984A JP20591984A JPS6185755A JP S6185755 A JPS6185755 A JP S6185755A JP 20591984 A JP20591984 A JP 20591984A JP 20591984 A JP20591984 A JP 20591984A JP S6185755 A JPS6185755 A JP S6185755A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- mode
- electron beam
- high frequency
- gyrotron
- electromagnetic field
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
- H01J25/02—Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators
- H01J25/025—Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators with an electron stream following a helical path
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明は、大電力で安定な動作を行うジャイロトロン発
振器の構成に関するものである。
振器の構成に関するものである。
（従来の技術およびその問題点）
ジャイロトロンはサイクロトロン共鳴メーザの原理によ
るマイクロ波電子管であシ、ミリ波からサブミリ波帝に
おける大電力を高効率で発生できるので最近急速に研究
開発が進められている。このジャイロトロンの構造は、
横方向速度成分の大きなサイクロトロン運動を行う電子
を生成中射出するマグネトロン入射電子銃（ＭＩＧ）と
、１！子ビームの軸方向速度波が９に対して多くの電子
がサイクロトロン共鳴条件を満たし、長時間にわたりて
電磁波と電子が相互作用するためのオープン共振器と、
高周波を外部回路にと９出すためと相互作用を終了した
電子を捕集するためのオーバサイズ導波管（ｔたはコレ
クタ）および電子に所定のサイクロトロン運動を行わせ
るために大きな磁界を発生する電磁石（周波数の高いも
のに対しては超伝導電磁石）とから構成される。
るマイクロ波電子管であシ、ミリ波からサブミリ波帝に
おける大電力を高効率で発生できるので最近急速に研究
開発が進められている。このジャイロトロンの構造は、
横方向速度成分の大きなサイクロトロン運動を行う電子
を生成中射出するマグネトロン入射電子銃（ＭＩＧ）と
、１！子ビームの軸方向速度波が９に対して多くの電子
がサイクロトロン共鳴条件を満たし、長時間にわたりて
電磁波と電子が相互作用するためのオープン共振器と、
高周波を外部回路にと９出すためと相互作用を終了した
電子を捕集するためのオーバサイズ導波管（ｔたはコレ
クタ）および電子に所定のサイクロトロン運動を行わせ
るために大きな磁界を発生する電磁石（周波数の高いも
のに対しては超伝導電磁石）とから構成される。
第２図は従来のジャイロトロンの全体構造を示す概念図
である。図において、１はマグネトロン入射電子銃（Ｍ
ＩＧ）であシ、リング状のカソード６を有している。２
はオープン空胴、３はオーバサイズ導波管またはコレク
タ、４は高周波窓、５は電子ビームである。ＭＩＧＩの
カソード６から射出された電子ビーム５は、超伝導電磁
石（図示せず）等で発生される強い軸方向（２方向）磁
界Ｂｚのもとで、サイクロトロン運動を行いながら、オ
ープン空胴２に至る。ここで、オープン空胴２の共振角
周波数ω０と電子のサイクロトロン角周波数ωＣとの間
で、次のサイクロトロン共鳴条件 ωｏ（１±Ｖｔｌ／Ｖｐ）＝ｎωｃ（ｎ＝１，２゛°“
）（１）を近似的に満たしているならば、電子と高周波
電磁界との間に強い相互作用が起こり、電子はそのエネ
ルギーを高周波電磁界に与えることになる。
である。図において、１はマグネトロン入射電子銃（Ｍ
ＩＧ）であシ、リング状のカソード６を有している。２
はオープン空胴、３はオーバサイズ導波管またはコレク
タ、４は高周波窓、５は電子ビームである。ＭＩＧＩの
カソード６から射出された電子ビーム５は、超伝導電磁
石（図示せず）等で発生される強い軸方向（２方向）磁
界Ｂｚのもとで、サイクロトロン運動を行いながら、オ
ープン空胴２に至る。ここで、オープン空胴２の共振角
周波数ω０と電子のサイクロトロン角周波数ωＣとの間
で、次のサイクロトロン共鳴条件 ωｏ（１±Ｖｔｌ／Ｖｐ）＝ｎωｃ（ｎ＝１，２゛°“
）（１）を近似的に満たしているならば、電子と高周波
電磁界との間に強い相互作用が起こり、電子はそのエネ
ルギーを高周波電磁界に与えることになる。
式（１）において、Ｖｌｌは電子の軸方向速度、ＶＦＬ
ａｍ波の位相速度である。相互作用を終了した電子はオ
ーバサイズ導波管またはコレクタにいたり、また高周波
電磁界はオーバサイズ導波管またはコレクタを通って高
周波窓４を透過して外部にとシ出される。
ａｍ波の位相速度である。相互作用を終了した電子はオ
ーバサイズ導波管またはコレクタにいたり、また高周波
電磁界はオーバサイズ導波管またはコレクタを通って高
周波窓４を透過して外部にとシ出される。
このジャイロトロンの動作において、オープン空胴２で
は、サイクロトロン運動を行う電子と動作モードとして
選んだ円筒空胴の唯一つの共振モードの横方向電界成分
とが有効に相互作用し、この共振モードだけが発振する
ことが望ましい。しかしながら、通常のジャイロトロン
の場合、以下説明するように、動作モードの他に数多く
の共振モードが発振する。通常のジャイロトロンの場合
、オープン空胴２の中に存在する共振モードは、Ｚ方向
電界成分を持つＴＭモードと２方向磁界成分を持つＴＥ
モードの２種類がある。この２檜類のモードは、円形断
面の境界条件と軸方向境界条件によって決まる共振モー
ドＴＭｍｎ６！、ＴＥｍｎｅとして存在する。このとき
、これらのモードの共振周波数は、近似的に円形導波管
のカットオフ周波数を用いて、それぞれ次式によって与
えられる。
は、サイクロトロン運動を行う電子と動作モードとして
選んだ円筒空胴の唯一つの共振モードの横方向電界成分
とが有効に相互作用し、この共振モードだけが発振する
ことが望ましい。しかしながら、通常のジャイロトロン
の場合、以下説明するように、動作モードの他に数多く
の共振モードが発振する。通常のジャイロトロンの場合
、オープン空胴２の中に存在する共振モードは、Ｚ方向
電界成分を持つＴＭモードと２方向磁界成分を持つＴＥ
モードの２種類がある。この２檜類のモードは、円形断
面の境界条件と軸方向境界条件によって決まる共振モー
ドＴＭｍｎ６！、ＴＥｍｎｅとして存在する。このとき
、これらのモードの共振周波数は、近似的に円形導波管
のカットオフ周波数を用いて、それぞれ次式によって与
えられる。
ＴＭｍｎｇ ： ｆｃ＝Ｙｍｎｃ ／ ２ ｇａ
（２１ＴＥｍｎｅ： ｆ（＝ ｙ’ｍｎＣ／ ２
πａ （３１ここで、Ｃは光速、ａは空胴の
半径、ｙｍｎ。
（２１ＴＥｍｎｅ： ｆ（＝ ｙ’ｍｎＣ／ ２
πａ （３１ここで、Ｃは光速、ａは空胴の
半径、ｙｍｎ。
ｙ’ｍｎはそれぞれベッセル関数Ｊｍ（ｘ） ＝ Ｏと
Ｊｍ’国＝０のｎ番目の根の値である。ジャイロトロン
は上記の共振モードの中で、ＴＥモードのある１つの輸
対称モードＴＥｏｎｔ （ｎは正の整数）または、ある
１つのｗｈｌｓｐｅｒｉｎｇ ｇａｌｌｅｒｙ モード
Ｔ Ｅｍｕ（ｍは正の整数）が電子ビームと相互作用金
貸い電磁波を増幅するものである。しかしながら、ある
１つのＴＥｏｎｌモードやＴＥｍｕ を動作モードと
して選んでも、比蚊的動作モードの共振周波数に近いい
くつかのＴＥｍｕ４ （ｍ’ｙｎ、 １３は正の整数）
モードも同時に発振可能となる。たとえば、ＴＥＯＩＩ
モードを動作モードとして選ん九場合、式（３）におい
て、このモードの共振周波数に近い共振モードＴ Ｅ
２１１がジャイロトロンとしての発振条件ｔ−満たし、
寄生モードとして発振する。特Ｋ、大電力のジャイロト
ロンの場合、空胴の電力容量と高周波損失の制約から、
ＴＥＯｎｌモードのｎの大きなモードを用いなければな
らないことと、大きなビーム電流と高い効率を得るため
、比較的サイクロトロン軌道半径の大きな電子ビームを
用いなければならないため、数多くのモードが発振可能
となり、大電力ジャイロトロンの開発の上で大きな問題
となっている。
Ｊｍ’国＝０のｎ番目の根の値である。ジャイロトロン
は上記の共振モードの中で、ＴＥモードのある１つの輸
対称モードＴＥｏｎｔ （ｎは正の整数）または、ある
１つのｗｈｌｓｐｅｒｉｎｇ ｇａｌｌｅｒｙ モード
Ｔ Ｅｍｕ（ｍは正の整数）が電子ビームと相互作用金
貸い電磁波を増幅するものである。しかしながら、ある
１つのＴＥｏｎｌモードやＴＥｍｕ を動作モードと
して選んでも、比蚊的動作モードの共振周波数に近いい
くつかのＴＥｍｕ４ （ｍ’ｙｎ、 １３は正の整数）
モードも同時に発振可能となる。たとえば、ＴＥＯＩＩ
モードを動作モードとして選ん九場合、式（３）におい
て、このモードの共振周波数に近い共振モードＴ Ｅ
２１１がジャイロトロンとしての発振条件ｔ−満たし、
寄生モードとして発振する。特Ｋ、大電力のジャイロト
ロンの場合、空胴の電力容量と高周波損失の制約から、
ＴＥＯｎｌモードのｎの大きなモードを用いなければな
らないことと、大きなビーム電流と高い効率を得るため
、比較的サイクロトロン軌道半径の大きな電子ビームを
用いなければならないため、数多くのモードが発振可能
となり、大電力ジャイロトロンの開発の上で大きな問題
となっている。
上記に示した寄生モード発振を抑制するための従来技術
としては、相互作用窓ｔ４をＴＥｏｎ’ｌとＴＥｏｎｌ
モードで動作する２つの空胴で構成する方法が用いられ
ている。この方法は、ＴＥｏ旧モードが、ｎの数によっ
て電界が最大となる位置が変化しないという性質を利用
したもので、有効に寄生モード発振を抑制することが可
能である。しかしＴＥｏｎ’ｌモードのｎ′はｎ’（ｎ
の様に設定しなければならず、ビーム電流密度が大きく
なるため、さらに大電力が要求されるジャイロトロンに
対しては不向きである。また、高周波電界の分布も複雑
になるため高効率を得ることが回磁である。
としては、相互作用窓ｔ４をＴＥｏｎ’ｌとＴＥｏｎｌ
モードで動作する２つの空胴で構成する方法が用いられ
ている。この方法は、ＴＥｏ旧モードが、ｎの数によっ
て電界が最大となる位置が変化しないという性質を利用
したもので、有効に寄生モード発振を抑制することが可
能である。しかしＴＥｏｎ’ｌモードのｎ′はｎ’（ｎ
の様に設定しなければならず、ビーム電流密度が大きく
なるため、さらに大電力が要求されるジャイロトロンに
対しては不向きである。また、高周波電界の分布も複雑
になるため高効率を得ることが回磁である。
本発明の目的は、上述した欠点を取除キ、畜生モード発
振を抑制して安定に動作するジャイロトロン発振器を提
供することである。
振を抑制して安定に動作するジャイロトロン発振器を提
供することである。
（問題点を解決するための手段）
本発明は、高周波電磁界と相互作用する電子ビームをサ
イクロトロン軌道中心の異なる複数層のホロービームで
構成したことを特徴とする。このような複数層のホロー
ビームは電子銃のカソードをカソード半径の異なる複数
のリング状カンードにすることによって容易に作ること
ができる。
イクロトロン軌道中心の異なる複数層のホロービームで
構成したことを特徴とする。このような複数層のホロー
ビームは電子銃のカソードをカソード半径の異なる複数
のリング状カンードにすることによって容易に作ること
ができる。
（実施例）
本発明によるジャイロトロン発振器の１実施例を第１図
に示す。図において、電子ビームは、半径の異なるリン
グ状カン−ドロおよび９から放出された電子サイクロト
ロン軌道半径の異なる内側と外側の２層の電子ビーム７
．８から構成されている。さらに１ このジャイロトロ
ンのオープン空胴２での、電界強度の半径方向分布と電
子ビーム７．８の位置関係を第３図に示す。図において
、オープン空胴２の動作モードは’ｌ’ｇｏｓｌを用い
ており、電界強度のピークは５ケ所に存在し、２層のホ
ロービームのうち、内側の電子ビーム８は。
に示す。図において、電子ビームは、半径の異なるリン
グ状カン−ドロおよび９から放出された電子サイクロト
ロン軌道半径の異なる内側と外側の２層の電子ビーム７
．８から構成されている。さらに１ このジャイロトロ
ンのオープン空胴２での、電界強度の半径方向分布と電
子ビーム７．８の位置関係を第３図に示す。図において
、オープン空胴２の動作モードは’ｌ’ｇｏｓｌを用い
ており、電界強度のピークは５ケ所に存在し、２層のホ
ロービームのうち、内側の電子ビーム８は。
１番目のピークの高周波電界と結合し、外側の電子ビー
ム７は２番目のピークの高周波電界と結合している。こ
のとき、２層のホロービームは、カソード半径の異なる
２つのカソードからなるＭＩＧＫ−よ）容易に形成でき
る。このときカソード半径はＴＥｏｓｌの電界強度のピ
ークに合うようＫする。
ム７は２番目のピークの高周波電界と結合している。こ
のとき、２層のホロービームは、カソード半径の異なる
２つのカソードからなるＭＩＧＫ−よ）容易に形成でき
る。このときカソード半径はＴＥｏｓｌの電界強度のピ
ークに合うようＫする。
次に、本発明によるジャイロトロンの動作について説明
する。前述の様に、従来の１層のホロービームで構成さ
れるジャイロトロンの場合、動作モードとしてＴＥＯ旧
モードを選んだ場合、数多くのＴＥｍｎｅモードも同時
に発振可能になるという問題があった。これは、電子ビ
ームとＴＥｍｎｇモードとの結合度が、ＴＥｏｎｌモー
ドと電子ビームとの結合度に比べて、はｔ！同程度かそ
れより大きくなっているためである。したがって、 Ｔ
Ｅｏｎ１モードと電子ビームとの結合度を太き（シ、Ｔ
Ｅｍｎｇモードと電子ビームとの結合度を小さくするこ
とができれば、畜生発振のない安定なジャイロトロンの
実現が可能になる。第１図と第３図に示す本発明による
ジャイロトロンの１実施例は、動作モードとして’ｌ”
ｇｏｓｌモードを選び、電子ビームをサイクロトロン軌
道中心の異なる２層のホロービームで構成しており、動
作毎−ドに対しては、２層のホロービームのいづれもが
強く高周波電界と結合する様になっている。１方、この
とき寄生モード発振を生ず、６ＴＥｍｎ＃％−ドに対し
ては、２層の電子ビームのうち、いづれかの電子ビーム
が強く高周波電界と結合したとしても、ＴＥｍｎ＃モー
ドの電磁界分布の性質から別の電子ビームと高周波′Ｉ
Ｊｔ磁界との結合は非常に弱くなっているはずである。
する。前述の様に、従来の１層のホロービームで構成さ
れるジャイロトロンの場合、動作モードとしてＴＥＯ旧
モードを選んだ場合、数多くのＴＥｍｎｅモードも同時
に発振可能になるという問題があった。これは、電子ビ
ームとＴＥｍｎｇモードとの結合度が、ＴＥｏｎｌモー
ドと電子ビームとの結合度に比べて、はｔ！同程度かそ
れより大きくなっているためである。したがって、 Ｔ
Ｅｏｎ１モードと電子ビームとの結合度を太き（シ、Ｔ
Ｅｍｎｇモードと電子ビームとの結合度を小さくするこ
とができれば、畜生発振のない安定なジャイロトロンの
実現が可能になる。第１図と第３図に示す本発明による
ジャイロトロンの１実施例は、動作モードとして’ｌ”
ｇｏｓｌモードを選び、電子ビームをサイクロトロン軌
道中心の異なる２層のホロービームで構成しており、動
作毎−ドに対しては、２層のホロービームのいづれもが
強く高周波電界と結合する様になっている。１方、この
とき寄生モード発振を生ず、６ＴＥｍｎ＃％−ドに対し
ては、２層の電子ビームのうち、いづれかの電子ビーム
が強く高周波電界と結合したとしても、ＴＥｍｎ＃モー
ドの電磁界分布の性質から別の電子ビームと高周波′Ｉ
Ｊｔ磁界との結合は非常に弱くなっているはずである。
たとえば、ＴＥＯ旧動作モードに対して畜生モード発振
を生ずる電磁界モードであるｗｈｒｓｐｅｒｉｎｇｇａ
ｌｌｅｒｙ −１−−ドＴＥｔｎｇは中心付近での電界
強度はＯであシ、内側の電子ビームに対しては結合は非
常に弱く、また、 ＴＥｚｎ７！モードは、外側の電子
ビームに対して結合が弱い。したがりて、寄生モードで
は発振に至らない。
を生ずる電磁界モードであるｗｈｒｓｐｅｒｉｎｇｇａ
ｌｌｅｒｙ −１−−ドＴＥｔｎｇは中心付近での電界
強度はＯであシ、内側の電子ビームに対しては結合は非
常に弱く、また、 ＴＥｚｎ７！モードは、外側の電子
ビームに対して結合が弱い。したがりて、寄生モードで
は発振に至らない。
なお、上記実施例では半径の異なる２つのカソードから
２層のホロービームを放出させる場合を示したかさらに
カソードを増やしても良い。
２層のホロービームを放出させる場合を示したかさらに
カソードを増やしても良い。
（発明の効果）
以上説明したように１本発明によるジャイロトロンは動
作モードとしてＴＥｏ旧モードを用い、電子ビームをサ
イクロトロ／軌道中心半径の異なる複数層のホロービー
ムで構成し、中心軸から半径方向に存在するｎ個の電界
のピークにそれぞれのホロービームを配置することによ
り、寄生モード発振のない安定な動作を実現できる。ま
た、本発明によるジャイロトロンは、仮数層のホロービ
ームで電子ビームを構成するので、ビーム電流を大きく
することができ、ジャイロトロンの大電力動作に対して
も大きな効果を持っている。
作モードとしてＴＥｏ旧モードを用い、電子ビームをサ
イクロトロ／軌道中心半径の異なる複数層のホロービー
ムで構成し、中心軸から半径方向に存在するｎ個の電界
のピークにそれぞれのホロービームを配置することによ
り、寄生モード発振のない安定な動作を実現できる。ま
た、本発明によるジャイロトロンは、仮数層のホロービ
ームで電子ビームを構成するので、ビーム電流を大きく
することができ、ジャイロトロンの大電力動作に対して
も大きな効果を持っている。
第１図は本発明によるジャイロトロンの一実施例の断面
図、第２図は従来のジャイロトロンの断面図、第３図は
本発明によるジャイロトロンの一実施例に対する電子ビ
ームと電界方向電界分布の位置関係を示す。 １・・・・・・ＭＩＧ％ ２・・・・・・オープン空胴
、３・・・・・・オーパテイズ導波管またはコレクタ、
４・・・・・・高周波窓、５・・・・・・電子ビーム、
６，９・・・・・・カソード、７・・・・・・外側電子
ビーム、８・・・・・・内側電子ビーム。 ” 、−、−
図、第２図は従来のジャイロトロンの断面図、第３図は
本発明によるジャイロトロンの一実施例に対する電子ビ
ームと電界方向電界分布の位置関係を示す。 １・・・・・・ＭＩＧ％ ２・・・・・・オープン空胴
、３・・・・・・オーパテイズ導波管またはコレクタ、
４・・・・・・高周波窓、５・・・・・・電子ビーム、
６，９・・・・・・カソード、７・・・・・・外側電子
ビーム、８・・・・・・内側電子ビーム。 ” 、−、−
Claims (1)
- 電子銃とオープン空胴とコレクタと高周波窓から構成さ
れるジャイロトロン発振器において、前記電子銃のカソ
ードを半径の異なる複数のリング状カソードで構成し、
サイクロトロン軌道中心の異なる複数層のホロービーム
を放出するようにしたことを特徴とするジャイロトロン
発振器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20591984A JPS6185755A (ja) | 1984-10-01 | 1984-10-01 | ジヤイロトロン発振器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20591984A JPS6185755A (ja) | 1984-10-01 | 1984-10-01 | ジヤイロトロン発振器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6185755A true JPS6185755A (ja) | 1986-05-01 |
Family
ID=16514914
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20591984A Pending JPS6185755A (ja) | 1984-10-01 | 1984-10-01 | ジヤイロトロン発振器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6185755A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009036243A (ja) * | 2007-07-31 | 2009-02-19 | Ntn Corp | 駆動力正逆切替装置 |
-
1984
- 1984-10-01 JP JP20591984A patent/JPS6185755A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009036243A (ja) * | 2007-07-31 | 2009-02-19 | Ntn Corp | 駆動力正逆切替装置 |
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