JPS6319064B2 - - Google Patents
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- JPS6319064B2 JPS6319064B2 JP20126381A JP20126381A JPS6319064B2 JP S6319064 B2 JPS6319064 B2 JP S6319064B2 JP 20126381 A JP20126381 A JP 20126381A JP 20126381 A JP20126381 A JP 20126381A JP S6319064 B2 JPS6319064 B2 JP S6319064B2
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- 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
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- Microwave Tubes (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明はジヤイロトロン、ジヤイロクライスト
ロン及びジヤイロ進行波管などのような電子サイ
クロトロンメーザの原理に基づく大電力マイクロ
波電子管に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to high power microwave electron tubes based on the principles of electron cyclotron masers, such as gyrrotrons, gyroklystrons and gyroscope traveling wave tubes.
ジヤイロトロン、ジヤイロクライストロン及び
ジヤイロ進行波管などの所謂電子ビームジヤイロ
装置は、高周波回路のTEモードと電子ビームの
サイクロトロンモード結合を利用し、大電力の電
磁波を発生するものである。高周波回路はTEモ
ードが励起される円形導波管または円筒空胴であ
り、電子銃は横方向ビームエネルギーが管軸方向
ビームエネルギーに比べて十分に大きく、しかも
横方向ビームエネルギーのばらつきが少ない中空
ビームを形成射出するマグネトロン型のものが用
いられる。高周波回路のTEモードの周波数ωと
電子ビームのサイクロトロン周波数ωcとがｎを
整数として、ωnωcなる同期条件を満足すると
き、強い相互作用が生じ、高周波回路内に大電力
電磁波が発生する。このような電子ビームのサイ
クロトロン運動を利用した相互作用は、電子ビー
ム及び高周波回路の寸法が波長に比較して大きく
なることを可能にし、従来のミリ波帯における進
行波管やクライストロンが当面する電力密度の問
題を回避することが出来る。 So-called electron beam gyroscopes such as gyroscopes, gyroclystrons, and gyroscope traveling wave tubes generate high-power electromagnetic waves by utilizing the TE mode of a high-frequency circuit and the cyclotron mode combination of an electron beam. The high-frequency circuit is a circular waveguide or cylindrical cavity in which the TE mode is excited, and the electron gun is a hollow cavity in which the lateral beam energy is sufficiently large compared to the beam energy in the tube axis direction, and the variation in lateral beam energy is small. A magnetron-type device that forms and emits a beam is used. When the frequency ω of the TE mode of the high frequency circuit and the cyclotron frequency ω c of the electron beam satisfy the synchronization condition ω n ω c where n is an integer, a strong interaction occurs and a high power electromagnetic wave is generated in the high frequency circuit. This kind of interaction using the cyclotron motion of the electron beam allows the dimensions of the electron beam and high-frequency circuit to become large compared to the wavelength, and the current power of conventional traveling wave tubes and klystrons in the millimeter wave band can be increased. Density problems can be avoided.
これまでに報告されたジヤイロトロンの試作結
果によれば、28GHz帯において200kWのシヨート
パルス出力が30％以上の高い効率で得られてお
り、電子ビームジヤイロ装置はミリ波からサブミ
リ波帯における大電力源として各方面から期待を
集めている。とくに、ミリ波帯において高効率で
大電力が発生できることは、該融合炉のプラズマ
追加熱の手段として魅力的である。しかしなが
ら、プラズマ追加熱用としては、パルス巾が0.1
〜10秒程度のロングパルス動作もしくは連続波動
作が必要とされており、このような電子ビームジ
ヤイロ装置を実現するためには、解決しなければ
ならない技術的問題が数多くあり、各方面で活発
な研究がなされている。 According to the prototype results of the gyrrotron reported so far, a short pulse output of 200 kW in the 28 GHz band has been obtained with a high efficiency of over 30%, and the electron beam gyroscope device can be used as a large power source in the millimeter wave to submillimeter wave band. Expectations are high from all quarters. In particular, the ability to generate large amounts of power with high efficiency in the millimeter wave band is attractive as a means of adding heat to the plasma of the fusion reactor. However, for plasma additional heat, the pulse width is 0.1
Long pulse operation or continuous wave operation of about 10 seconds is required, and in order to realize such an electron beam gyro device, there are many technical problems that must be solved, and active research is being carried out in various fields. is being done.
技術的問題の中で最も重要なものは、カソード
温度の安定化である。電子ビームジヤイロ装置の
電子銃では、先に述べたように横方向ビームエネ
ルギーを大きくし、ビームエネルギーのばらつき
を少なくするため、カソードを温度制限領域で用
い、電子の放射量すなわちビーム電流をカソード
温度で制御している。電子ビームジヤイロ装置の
カソード材料は、機械的工作精度が出せるという
ことと電流密度が高くとれるという理由から、多
孔質タングステンにバリウムを含浸させたものが
用いられ、カソード温度は850℃前後に選ばれて
いる。このカソード温度を維持するに要するヒー
タ電力は、カソードの大きさによつても異なるが
数10Wである。ロングパルスあるいは、カソード
がヒータ電力以外のエネルギーによつて加熱を受
け、カソード温度が上昇しすぎて、ビーム電流が
急増し、電子ビームジヤイロ装置が曝走すると
か、極端な場合にはヒータが断線するという重大
な問題があつた。 The most important technical issue is the stabilization of the cathode temperature. As mentioned above, in the electron gun of an electron beam gyro device, in order to increase the lateral beam energy and reduce the variation in beam energy, the cathode is used in a temperature limited region, and the amount of electron radiation, that is, the beam current, is controlled by the cathode temperature. It's in control. Porous tungsten impregnated with barium is used as the cathode material for electron beam gyroscopes because of its mechanical machining accuracy and high current density, and the cathode temperature is selected to be around 850°C. There is. The heater power required to maintain this cathode temperature is several tens of W, although it varies depending on the size of the cathode. Long pulses or the cathode is heated by energy other than the heater power, and the cathode temperature rises too much, the beam current increases rapidly, and the electron beam gyro device runs out, or in extreme cases, the heater breaks. There was a serious problem.
1977年11月に米国で発行された著名雑誌
Microwave Systems News第７巻11月号75頁に
記載の論文「Gyrotronreborn tube is
amillimeter powerhouse」（T.F.Godlove，V.L.
Granatstein著）には、電子銃と高周波回路との
間に電磁波減衰器を設けることによつて、カソー
ドが高周波数電力によつて加熱されることを防止
した従来技術が開示されている。しかしながら、
高周波電力によるカソードの加熱を防止してもな
お、ビーム電圧のパルス幅を拡大したと、ビーム
電流が急増するという現象があり、電子ビームジ
ヤイロ装置のロングパルス化あるいは連続波動作
を困難にしている。 Famous magazines published in the United States in November 1977
The article “Gyrotron reborn tube is
amillimeter powerhouse” (TF Godlove, VL
Granatstein) discloses a prior art technique in which a cathode is prevented from being heated by high-frequency power by providing an electromagnetic wave attenuator between an electron gun and a high-frequency circuit. however,
Even if heating of the cathode by high-frequency power is prevented, when the pulse width of the beam voltage is expanded, the beam current suddenly increases, making it difficult to use long pulses or continuous wave operation in electron beam gyro equipment.
本発明の目的は、カソード温度の安定化を計り
電子ビームジヤイロ装置のロングパルス化あるい
は連続波動作を実現することである。 An object of the present invention is to realize long pulse or continuous wave operation of an electron beam gyro device by stabilizing the cathode temperature.
この発明は、電子ビームによつて電離されたイ
オンが、負電位の電子銃電極に向つて加速され、
その衝突の際失われる運動エネルギーが熱に変換
されてカソード温度を高める要因になつているこ
とに着目して行なわれたものである。すなわち、
通常のジヤイロ装置は、イオンポンプにより10-8
〜10-9Torrの真空度が維持されており、残留ガ
スの主成分は水素分子であるとが知られている。
このような残留ガスの水素分子にエネルギ−
80keV程度の電子ビームを衝突させた場合、電離
した水素イオンは負電位の電子銃電極に向つて加
速され、その際の衝撃エネルギーは、連続波動作
の場合数10Wに達する。これは、ヒータ電力とほ
ぼ同等のエネルギーであり、高周波電力による加
熱を防止したとしても、このイオン衝撃による加
熱のためカソード温度が上昇し、電子ビームジヤ
イロ装置の動作を不安定にすることが分つた。 In this invention, ions ionized by an electron beam are accelerated toward an electron gun electrode with a negative potential.
This study focused on the fact that the kinetic energy lost during the collision is converted into heat, which increases the cathode temperature. That is,
A normal gyroscope device uses an ion pump to generate 10 -8
A vacuum level of ~10 -9 Torr is maintained, and the main component of the residual gas is known to be hydrogen molecules.
Hydrogen molecules in such residual gas contain energy.
When bombarded with an electron beam of about 80 keV, ionized hydrogen ions are accelerated toward the electron gun electrode at a negative potential, and the impact energy reaches several tens of W in continuous wave operation. This is approximately the same energy as the heater power, and it was found that even if heating by high-frequency power was prevented, the cathode temperature would rise due to heating by this ion bombardment, making the operation of the electron beam gyro device unstable. .
本発明の電子ビームジヤイロ装置は出力窓を支
持する金属円筒電極とコレクタとの間を絶縁し、
出力窓を支持する金属円筒電極には、コレクタに
対して200〜500V低い電圧を印加することによ
り、電離イオンを電子ビームジヤイロ装置内から
吸出し、イオン衝撃によるカソードの加熱を防止
したものである。 The electron beam gyro device of the present invention insulates between the metal cylindrical electrode supporting the output window and the collector,
By applying a voltage 200 to 500 V lower than that of the collector to the metal cylindrical electrode supporting the output window, ionized ions are sucked out from within the electron beam gyroscope and heating of the cathode due to ion bombardment is prevented.
本発明の別の効果は、コレクタ内で発生した二
次電子が負のバイアスにより減速されるため、出
力窓の二次電子による衝撃が緩和されることであ
る。 Another effect of the present invention is that the secondary electrons generated in the collector are decelerated by the negative bias, so that the impact of the secondary electrons on the output window is alleviated.
更に別の効果は、コレクタと金属円筒電極との
間に設けられた絶縁間隙が、電子ビームジヤイロ
装置内で発生する不要モードを吸収する所謂モー
ドフイルタとして作用することである。 Yet another effect is that the insulating gap provided between the collector and the metal cylindrical electrode acts as a so-called mode filter that absorbs unnecessary modes generated within the electron beam gyro device.
第１図は本発明を実施したジヤイロトロン１の
全体図であり、同図には、電子銃組立体２と、高
周波回路３と、コレクタ４と出力窓５を支持した
金属円筒電極６及び出力導波管７が管軸８に沿つ
て配列された構造が示されている。 FIG. 1 is an overall view of a gyrotron 1 embodying the present invention, and the figure shows an electron gun assembly 2, a high frequency circuit 3, a metal cylindrical electrode 6 supporting a collector 4 and an output window 5, and an output conductor. A structure in which wave tubes 7 are arranged along a tube axis 8 is shown.
電子銃組立体２は環状のカソード９及びヒータ
１０を含む電子銃電極１１と環状の陽極１２とが
管軸８に対し同軸に構成されている。典型的な値
としては、ヒータ１０に10V、5Aの電力がヒタ
電源１３によつて供給され、高圧電源１４によつ
て電子銃電極１１とカソード９には−80kVのビ
ーム電圧が印加され、陽極１２には−54kVの加
速電圧が印加される。適当な直流電源によつて励
磁される電子ソレノイド１５は電子銃電極１１及
び陽極１２を通る管軸８に沿つて直流磁界を発生
する。カソード９と陽極１４との間に印加される
直流電圧、並びに電子銃ソレノイド１５によつて
設定される直流磁界の相互作用によつて電子銃組
立体２から中空の螺旋運動を行なう電子ビームが
形成射出される。 The electron gun assembly 2 is configured such that an electron gun electrode 11 including an annular cathode 9 and a heater 10 and an annular anode 12 are coaxial with respect to the tube axis 8 . As typical values, power of 10V and 5A is supplied to the heater 10 by the heater power supply 13, a beam voltage of -80kV is applied to the electron gun electrode 11 and the cathode 9 by the high voltage power supply 14, and a beam voltage of -80kV is applied to the anode 12 is applied with an accelerating voltage of -54 kV. An electronic solenoid 15 energized by a suitable DC power source generates a DC magnetic field along the tube axis 8 passing through the electron gun electrode 11 and anode 12. An electron beam having a hollow spiral movement is formed from the electron gun assembly 2 by the interaction of the DC voltage applied between the cathode 9 and the anode 14 and the DC magnetic field set by the electron gun solenoid 15. It is ejected.
中空電子ビームは、高周波回路３の中への加速
される。主ソレノイド１６は高周波回路３に沿つ
た部分に高強度直流磁界を発生する。その磁界強
度は中空電子ビームが管１の動作周波数のミリ波
に近い相対論的電子サイクロトロン周波数で螺旋
運動をするに充分大きいものである。 The hollow electron beam is accelerated into a high frequency circuit 3. The main solenoid 16 generates a high-intensity DC magnetic field along the high-frequency circuit 3. The magnetic field strength is large enough to cause the hollow electron beam to spiral at a relativistic electron cyclotron frequency close to the millimeter wave operating frequency of tube 1.
高周波回路３はその中心部に管１の動作周波数
においてTE021モードで共振する円筒空胴１７を
含み、その電子銃側はTE01モードがカツトオフ
になるような径の小さい部分があり、コレクタ側
はTEpoモードが伝搬できるよう径を大きくして
いる。円筒空胴１７内のTE021モードに対し中空
電子ビームのサイクロトロンモードの角周波数が
同期するように、主ソレノイド１０を調整するこ
とによつて、電子ビームと円筒空胴１７内の電磁
波の間に強い相互作用が生じ、電子ビームの運動
エネルギーに変換されて大電力の電磁波が発生す
る。中空電子ビームとTEモード電磁波の相互作
用の詳細は前掲の論文に記載されている。円筒空
胴１７の内部で発生した大電力の電磁波はコレク
タ４，出力窓５を通じて出力導波管７から外部の
負荷へ導びかれる。 The high frequency circuit 3 includes a cylindrical cavity 17 in its center that resonates in the TE 021 mode at the operating frequency of the tube 1, and has a small diameter part on the electron gun side where the TE 01 mode is cut off, and a cylindrical cavity 17 on the collector side that resonates in the TE 021 mode. The diameter is made large so that the TE po mode can propagate. By adjusting the main solenoid 10 so that the angular frequency of the cyclotron mode of the hollow electron beam is synchronized with the TE 021 mode in the cylindrical cavity 17, there is a gap between the electron beam and the electromagnetic waves in the cylindrical cavity 17. A strong interaction occurs and is converted into the kinetic energy of the electron beam, generating a high-power electromagnetic wave. The details of the interaction between the hollow electron beam and the TE mode electromagnetic waves are described in the above-mentioned paper. A high-power electromagnetic wave generated inside the cylindrical cavity 17 is guided from the output waveguide 7 to an external load through the collector 4 and the output window 5.
一方、中空電子ビームは、主ソレノイド１６に
よる磁界が無くなるコレクタ４の領域において電
子自身の空間電荷力により発散しコレクタ４に捕
捉される。このとき電子ビームの有する運動エネ
ルギーの大部分は熱エネルギーとしてコレクタ４
の表面で消費される。そのためコレクタ４の表面
温度は400℃程度に達しておりコレクタ４の表面
からはガス分子が遊離しやすくなつている。高温
金属表面から遊離したガス分子は、高エネルギー
の電子ビームと衝突し、電離してイオン化され
る。 On the other hand, the hollow electron beam is diverged by the space charge force of the electrons themselves in the region of the collector 4 where the magnetic field from the main solenoid 16 disappears, and is captured by the collector 4. At this time, most of the kinetic energy of the electron beam is transferred to the collector 4 as thermal energy.
consumed on the surface. Therefore, the surface temperature of the collector 4 has reached about 400° C., and gas molecules are easily released from the surface of the collector 4. Gas molecules liberated from the high-temperature metal surface collide with a high-energy electron beam and become ionized.
電離されたイオンは、空間電荷により電位の下
つている中空電子ビームの内側にトラツプされ管
軸方向の電位の低い方向へドリフトする。 The ionized ions are trapped inside the hollow electron beam whose potential is lowered by space charges and drift toward the lower potential in the tube axis direction.
従来技術によるジヤイロトロンでは管軸上の電
位分布が第２図の点線で示す曲線３０のようにな
つているので、イオンは最も電位の低い電子銃電
極１１の先端部に衝突し、カソードの温度を不安
定にするという欠点があつた。これに対し本発明
のジヤイロトロン１では出力窓５を支持する金属
円筒電極６に−300V印加しているので、管軸上
の電位分布は第２図の実線で示す曲線３１のよう
にコレクタ４の先の方に電位の低い部分ができ
る。このため、コレクタ４の内部で電離したイオ
ンは金属円筒電極６から吸出されるので、電子銃
電極１１のイオン衝撃が防止でき、カソード温度
の安定化が図れる。 In the conventional gyrrotron, the potential distribution on the tube axis is like the curve 30 shown by the dotted line in FIG. It had the disadvantage of making it unstable. On the other hand, in the gyrotron 1 of the present invention, -300V is applied to the metal cylindrical electrode 6 supporting the output window 5, so the potential distribution on the tube axis is as shown by the solid line 31 in FIG. A region of low potential is created at the tip. Therefore, the ions ionized inside the collector 4 are sucked out from the metal cylindrical electrode 6, so that ion bombardment of the electron gun electrode 11 can be prevented and the cathode temperature can be stabilized.
また、中空電子ビームがコレクタ４に捕捉され
たとき、２次電子が発出し、この２次電子は出力
窓５は衝撃するので、出力窓５を劣化させる欠点
があつた。本発明によれば、金属円筒電極６に−
300Vの負のバイアスをかけているので、出力窓
５に向う２次電子を減速する作用があり、２次電
子による出力窓５の劣化を防止できる。 Furthermore, when the hollow electron beam is captured by the collector 4, secondary electrons are emitted and the secondary electrons impact the output window 5, which has the disadvantage of deteriorating the output window 5. According to the present invention, the metal cylindrical electrode 6 -
Since a negative bias of 300V is applied, there is an effect of decelerating the secondary electrons heading toward the output window 5, and deterioration of the output window 5 due to the secondary electrons can be prevented.
更に円筒空胴１７の共振モードはTE021なので
内部で発生した大電力電磁波はTE02モードとし
て出力導波管７から外部負荷へ伝搬するが、外部
負荷での不整合や外部負荷へ至る導波管の変形等
により、モード分解した反射波がジヤイロトロン
１に戻つてくる。モード分解した反射波の中でも
TEpoモード成分以外は、管軸方向の管壁電流成
分を有するので、電極間の絶縁セラミツク１８，
１９部分で吸収が生じ減衰される。しかも円筒空
胴１７と電子銃組立体２との間ではTE01成分が
カツトオフになるよう高周波回路３の内径が小さ
くなつているので、電子銃電極１１の高周波電力
による加熱も防止できる。 Furthermore, since the resonance mode of the cylindrical cavity 17 is TE 021 , the high power electromagnetic waves generated inside propagate from the output waveguide 7 to the external load as TE 02 mode, but due to mismatch in the external load or waveguide reaching the external load. Due to deformation of the tube, etc., the mode-resolved reflected waves return to the Gyrrotron 1. Among the mode-decomposed reflected waves,
Other than the TE po mode component, there is a tube wall current component in the tube axis direction, so the insulating ceramic 18,
Absorption occurs in the 19 portion and is attenuated. Moreover, since the inner diameter of the high frequency circuit 3 is made small between the cylindrical cavity 17 and the electron gun assembly 2 so that the TE 01 component is cut off, heating of the electron gun electrode 11 due to high frequency power can be prevented.
以上のように本発明のジヤイロトロンによれば
高周波電力によるカソードの加熱の防止だけでな
く、イオン衝撃によるカソードの温度上昇も同時
に阻止することができるので、ロングパルス化、
連続動作時のカソード温度の安定化を図ることが
できる。 As described above, according to the gyrrotron of the present invention, it is possible to not only prevent heating of the cathode due to high frequency power but also to prevent the temperature rise of the cathode due to ion bombardment.
The cathode temperature can be stabilized during continuous operation.
第１図は本発明を実施するジヤイロトロンの一
実施例の全体図、第２図は従来技術によるジヤイ
ロトロンと第１図の実施例における管軸上の電位
分布を比較して示す曲線図である。
１……ジヤイロトロン、２……電子銃組立体、
３……高周波回路、４……コレクタ、５……出力
窓、６……金属円筒電極、７……出力導波管、９
……カソード、１０……ヒータ、１１……電子銃
電極、１３……ヒータ電源、１４……高圧電源、
１５……電子銃ソレノイド、１６……主ソレノイ
ド、１７……円筒空胴、１８，１９……絶縁セラ
ミツク、３０，３１……管軸上電位分布曲線。
FIG. 1 is an overall view of an embodiment of a gyrrotron embodying the present invention, and FIG. 2 is a curve diagram showing a comparison of the potential distribution on the tube axis in the gyrrotron according to the prior art and the embodiment shown in FIG. 1... Gyrotron, 2... Electron gun assembly,
3... High frequency circuit, 4... Collector, 5... Output window, 6... Metal cylindrical electrode, 7... Output waveguide, 9
... cathode, 10 ... heater, 11 ... electron gun electrode, 13 ... heater power supply, 14 ... high voltage power supply,
15... Electron gun solenoid, 16... Main solenoid, 17... Cylindrical cavity, 18, 19... Insulating ceramic, 30, 31... Tube axis potential distribution curve.
Claims (1)
出する電子銃組立体と、該中空電子ビームに沿つ
て円形導波管もしくは円筒空胴を含む高周波回路
と、前記電子ビームを捕捉するコレクタが配列さ
れ、該コレクタの先には出力窓と出力導波管が取
付けられた電子ビームジヤイロ装置において、前
記の出力窓を支持する金属円筒電極とコレクタの
間は絶縁され、出力窓を支持する金属円筒電極は
コレクタに対して負電位にバイアスしたことを特
徴とする電子ビームジヤイロ装置。1. An electron gun assembly that forms and emits an electron beam that performs a hollow spiral motion, a high frequency circuit that includes a circular waveguide or a cylindrical cavity along the hollow electron beam, and a collector that captures the electron beam are arranged. In an electron beam gyro device in which an output window and an output waveguide are attached to the tip of the collector, the metal cylindrical electrode supporting the output window and the collector are insulated, and the metal cylindrical electrode supporting the output window is insulated. An electron beam gyro device characterized in that a collector is biased to a negative potential.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP20126381A JPS58102438A (en) | 1981-12-14 | 1981-12-14 | Electron beam gyro unit |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP20126381A JPS58102438A (en) | 1981-12-14 | 1981-12-14 | Electron beam gyro unit |
Publications (2)
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|---|---|
| JPS58102438A JPS58102438A (en) | 1983-06-18 |
| JPS6319064B2 true JPS6319064B2 (en) | 1988-04-21 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20126381A Granted JPS58102438A (en) | 1981-12-14 | 1981-12-14 | Electron beam gyro unit |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS58102438A (en) |
-
1981
- 1981-12-14 JP JP20126381A patent/JPS58102438A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS58102438A (en) | 1983-06-18 |
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