JPS6348380B2

JPS6348380B2 -

Info

Publication number: JPS6348380B2
Application number: JP56176804A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Takahashi
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1981-11-04
Filing date: 1981-11-04
Publication date: 1988-09-28
Also published as: JPS5878351A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は電子のサイクロトロン運動を利用し
て、電子と電磁波とが相互作用し、発振の機能を
有するマイクロ波電子管に関する。

電子銃から放出された電子ビームは外部磁界に
よる集束過程でサイクロトロン運動を持つ電子群
に形成できる。このような電子銃として、断熱型
のマグネトロン入射電子銃が用いられている。こ
の電子銃において、弱いカソード磁界中にあるエ
ミツター表面を発する電子は、磁束にほぼ垂直な
電界成分によつて加速され、サイクロトロン周波
数をもつ旋回運動のエネルギーを持つようにな
る。そして、軸方向にゆるやかに増大する磁界中
に電子を引き出してやると、磁界の増大と共に旋
回運動のエネルギーと軸方向運動のエネルギーと
の比が増大し、電子の運動は断熱圧縮される。軸
対称電子銃では中空円筒の電子ビームとなり、そ
の径も次第に小さくなる。

電子は、軸方向に一様な磁束密度をもつ領域に
到達すると、安定なサイクロトロン運動を有する
ようになる。この状態で高周波電磁界を与える
と、電子は高周波電磁界と相互作用を行なう。い
ま、電子のサイクロトロン軌道の一つを取り出
し、軸方向の磁束に垂直な高周波電界を与え、そ
の電子の集群過程を考える。電子はサイクロトロ
ン軌道上で旋回運動を行なつており、高周波電界
と電子の運動方向との向きが同じ場合、電子は加
速されそのサイクロトロン周波数の位相が遅れ
る。そして、向きが反対の場合、電子は減速され
その位相が進む。もし、高周波電界と電子のサイ
クロトロン運動が完全に同期している場合はサイ
クロトロン軌道上の電子の全エネルギーを平均化
すると常に一定になる。ところが、わずかに高周
波電界の周期を電子のサイクロトロン運動の周期
より早くすると、減速される電子が加速される電
子よりサイクロトロン軌道上で多くなる。この現
象は電子の運動による相対論効果の影響によつて
起る。すなわち、高周波電界によつて加速された
電子は相対論効果から、その電子の質量が初期の
値より増加する。一方、減速された電子はその質
量が初期の値より減少する。そして、質量の増加
した電子は、高周波電界内を通過する間に、比較
的早く高いエネルギーレベルから低いエネルギー
レベルへ落込むが質量の減少した電子は低いエネ
ルギーレベルに長い間停滞する。この結果、数周
期後にはサイクロトロン軌道上での電子がある確
率で減速領域に集群できる。結局、サイクロトロ
ン軌道上での電子の全エネルギーは平均化して減
少し、失なつた電子の運動エネルギーは高周波電
磁界のエネルギー増大に寄与する。このような相
互作用はサイクロトロン共振メーザー（CRM）
として知られている。このメーザ作用は高周波電
界の周期が電子のサイクロトロン運動の周期に比
べてあまり大きくなると起らなくなる。

サイクロトロン共振によるメーザ作用を用いた
マイクロ波電子管として、軸対称系の中空円筒の
電子ビームを用いたのをジヤイロトロンと呼んで
いる。ジヤイロトロンの種類は、空胴共振器のよ
うな１個の共振回路に発生する電磁界と相互作用
し、共振回路に蓄積される電磁波エネルギーによ
つて電子の運動エネルギーが失なわれて発振現象
を起すジヤイロモノトロン、複数の空胴共振器を
用い電磁波の増巾現象を利用したジヤイロクライ
ストロン、伝送回路内の進行波の電磁界とサイク
ロトロン運動する電子との相互作用を用いたジヤ
イロTWT、および伝送回路内の後進波との結合
による後進波ジヤイロトロンなどが考えられる。
もちろん、これらの特徴を利用し、その組合せも
考えられる。

サイクロトロン運動を伴なう電子ビームと相互
作用する高周波電磁界には種々の電磁波モードが
可能である。そして、共振回路や伝送回路にはそ
れぞれの回路寸法に応じた基本波および高調波の
電磁波モードを励起することができ、電子とのサ
イクロトロン共振によりメーザ作用を起す。一般
には、相互作用領域に励起する電磁波モードは電
子ビームを補集する目的のコレクター内にもうけ
られた出力回路を伝送し、真空壁をかねる出力窓
（ウインドウ）を介して電磁波エネルギーとして
取り出される。電子銃と相互作用領域の間は電磁
波が伝送しないように相互作用する電磁波モード
の伝送を遮断できるように設計される。しかし、
電子ビームの通過孔（ドリフト管）を有していな
ければならない。

この発明は、電子と電磁波とがサイクロトロン
共振により相互作用し、発振現象を起すジヤイロ
トロンに新しい機能が追加されたことを特徴とし
ている。その目的は、従来のジヤイロモノトロン
に見られるわずかに限定された発振周波数を得る
ことではなく、数多くの発振周波数が同一のジヤ
イロトロンで任意に得られ、伝送モードも同一な
ものに固定でき、安定にかつ大電力の電磁波の発
生源を提供するにある。

本発明によれば、電子銃から放出された電子ビ
ームが、磁界の影響でサイクロトロン運動をし、
電磁波と相互作用するマイクロ波電子管におい
て、相互作用領域に複数個の空胴共振器を具備
し、これら空胴共振器の共振周波数が、電子銃側
からコレクター側へ向つて次第に低くなるように
構成していることを特徴とするサイクロトロン共
振によるマイクロ波電子管が得られる。

以下、この発明の詳細を図面によつて説明す
る。第１図はサイクロトロン共振によるマイクロ
波電子管として、もつとも代表的なジヤイロモノ
トロンの構造を示している。第１図において、陰
極１のエミツター面２から電子が放出される。陰
極１はヒータ端子３とカソード端子４の間にヒー
タ電力を与えることによつて加熱される。アノー
ド端子５はアノード６の電位を決定する。そし
て、陰極１とアノード６との間の電界がエミツタ
ー２からの熱電子放出の電子を加速し、制御コイ
ル７によりエミツター２に加わる磁界が決めら
れ、放出された電子はアノード６に衝突しないで
磁界によつて曲げられ、サイクロトロン運動を行
なうようになる。さらに、ボデイ８の電位によつ
てサイクロトロン運動をする電子が引き出され、
ドリフト管９の領域に進むことができる。また、
電子がドリフト管９へ進むにつれて、主コイル１
０によつて与えられた磁界が次第に強くなるの
で、電子は断熱圧縮され、旋回運動のエネルギー
が増加する。もちろん、ボデイ８、アノード端子
５、カソード端子４、およびヒータ端子３はそれ
ぞれアルミナセラミツク（Al₂O₃）やガラスなど
によつて絶縁されている。ドリフト管９に到達し
た電子は主コイル１０によつて作られる一様磁界
により安定なサイクロトロン運動を行ないながら
開口型共振器１１を通過する。ここで主コイル１
０によつて作られた磁界による電子のサイクロト
ロン周波数と開口型共振器１１の共振周波数とが
サイクロトロン共鳴条件を満たすように決定され
ると、サイクロトロン運動する電子と開口型共振
器１１内に励起することのできる電磁波とが相互
作用する。このとき、開口型共振器１１に蓄えら
れる電磁波エネルギーが電子から失なわれる運動
エネルギーより多くなると発振現象を起すように
なる。このような電磁波はアイレス１２を通つて
コレクター１３に流入する。コレクター１３の内
部は電磁波の伝送回路になつており、電磁波は真
空機密のためにもうけられたセラミツクウインド
ウ１４を通過して外部に取出される。一方、電磁
波との相互作用により、エネルギーを失なつた電
子もアイレス１２を通つてコレクタ１３に入つて
くるが、主コイル１０による磁界によつて集束さ
れていたのが開放されるのでコレクタ１３の内壁
にとらえられ発熱する。コレクター１３の外壁は
水冷口１５から流入する冷却媒体が冷却流路１６
において熱をうばう。そして、この冷却媒体を介
して外部に放熱される。この例ではボデイ側にも
冷却流路１７があり、ボデイ側で発生する熱を放
熱できる。

この発明の適用例を第２図を用いて説明する。
第２図において、開口型共振器が１８，１９，２
０，２１，２２、によつて示され、複数個の共振
器を具備している。

ここで、複数の空胴共振器を用い電磁波の増巾
現象を利用したジヤイロクライストロンとの違い
を明らかにしておく。まず、ジヤイロクライスト
ロンは相互作用領域に設けられた複数個の共振器
間が電磁波を伝送しないように遮断し、電子ビー
ムの通過孔（ドリフト管）を有している。この場
合、前段の共振器に励起した電磁波とサイクロト
ロン運動をする電子ビームとの相互作用により生
じるエネルギーは電子ビームを介して次の共振器
へ運ばれる。また、共振器のもつ共振周波数も、
従来のマイクロ波管である直進形多空胴クライス
トロンに適用されているところのスタガー同調方
式等により離調される。そして、広帯域の周波数
特性を有する出力が得られる。一般に、ジヤイロ
クライストロンは入力空胴と出力空胴を有してお
り、電磁波の増巾を目的としている。

この発明では、複数個の共振器がそれぞれ独立
にジヤイロトロンの発振現象に寄与する。このと
き、発振がどの共振器で起るかは外部磁界の強さ
と関係しており、発振周波数は外部磁界を変化す
ることによつて離散的に得られる。

第２図に示す開口型共振器１８，１９，２０，
２１，２２は、それぞれの共振器の共振周波数を
₁₈、₁₉、₂₀、₂₁、₂₂として、₁₈＜₁₉＜
₂₀＜
₂₁＜₂₂の関係にある。このことは、共振器１８
で電子ビームとサイクロトロン共鳴により相互作
用し、励起した電磁波がコレクター１３の方向へ
伝送可能となる。

なぜなら、共振器１８で共鳴する電磁波の共振
モードは、共振器１８の基準径より大きい立体回
路の伝送モードになり、共振器１８の基準径より
小さい立体回路は伝送しない。したがつて、ドリ
フト管９は共振器１８の基準径より小さいので、
共振器１８の共振モードは電磁波として伝送しな
い。しかしながら、エミツター面２から放出され
サイクロトロン運動をして中空の電子ビームを形
成している電子はコレクター１３へ進むことがで
きる。

また、共振器１９について考えると、その共振
周波数は共振器１８の共振周波数より低いが、共
振器１９で共鳴する電磁波の共振モードをそのま
まの姿態で伝送できない。しかし、コレクター１
３の方向へ伝送することが可能である。同様なこ
とは共振器２０，２１，２２についてもそれぞれ
成立する。

結局、複数個の空胴共振器の共振周波数を電子
銃側から次第に低くなるように構成することによ
つて、それぞれの共振器の電磁波と外部磁界に関
係したサイクロトロン運動を有する電子群との相
互作用から得られる電磁波出力を容易に取り出す
ことができる。そして、従来のジヤイロモノトロ
ンには見られないような数多くの発振周波数をも
つことが出き、それぞれの周波数で同一の伝送モ
ードにすることが可能である。また、それぞれの
共振器の長さを適正に選択すれば極めて高い効率
の電磁波を大電力で得ることが容易になる。

また、共振器の長さは発振開始条件を変えた
り、電磁波の最大出力電力を抑制しているので、
条件によつて特定の周波数を任意の発振条件で動
作されることも容易になる。このことは、ジヤイ
ロトロンの動作領域を広くできることを意味して
おり、きわめて自由度の少ないジヤイロモノトロ
ンの欠点を大巾に解決できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はサイクロトロン共振による代表的なマ
イクロ波管として、ジヤイロモノトロンの断面図
を示している。第２図はこの発明の適用例とし
て、ジヤイロトロンの相互作用領域に複数個の開
口型共振器を具備した構造の断面図を示してい
る。図中、１……陰極、２……エミツター、３……
ヒータ端子、４……カソード端子、５……アノー
ド端子、６……アノード（電極）、７……制御コ
イル、８……ボデイ、９……ドリフト管、１０…
…主コイル、１１………開口型共振器、１２……
アイレス、１３……コレクター、１４……出力ウ
インドウ、１５……水冷口、１６，１７……冷却
流路、１８，１９，２０，２１，２２……開口型
共振器である。

Claims

【特許請求の範囲】

１電子銃から放出された電子ビームが、磁界の
影響でサイクロトロン運動をし、電磁波と相互作
用するマイクロ波電子管において、相互作用領域
に複数個の空胴共振器を具備し、該空胴共振器の
内径が、前記電子銃からコレクター側へ向つて順
に大きくすることによつて前記複数個の空胴共振
器の共振周波数が順次低くなるように構成された
ことを特徴とするサイクロトロン共振によるマイ
クロ波電子管。