WO2016002183A1 - 進行波管及び高周波回路システム - Google Patents

Abstract

　マルチモードで動作させる進行波管において、製品寿命を延伸しつつ、動作モードの切り換えに伴う利得や増幅効率の変動を抑制できる進行波管及び高周波回路システムを提供する。　進行波管（２）に、電子を放出するカソード（１１）及びカソード（１１）に電子を放出させるための熱エネルギーを与えるヒータ（１２）を備えた電子銃（１０）と、電子銃（１０）から放出された電子で形成される電子ビームとＲＦ信号とを相互作用させるヘリックス（２０）と、ヘリックス（２０）から出力された電子ビームを捕捉するコレクタ（３０）と、電子銃（１０）から放出された電子をヘリックス（２０）内へ導くアノード（４０）と、電子ビームの直径を変更するための磁界を発生する、外部から該磁界を発生するための電力が供給される磁界印加装置（７０）とを備える。

Description

進行波管及び高周波回路システム

　本発明は、進行波管及び該進行波管の各電極に所要の直流高電圧を供給する電源装置を備えた高周波回路システムに関する。

　進行波管は、電子銃から放出された電子ビームと高周波回路との相互作用により、ＲＦ（Radio Frequency）信号の増幅や発振等に用いる電子管である。進行波管１は、例えば図６に示すように、電子銃１０と、ヘリックス２０と、コレクタ３０と、アノード４０と、を有する。電子銃１０は、電子を放出する。ヘリックス２０は、電子銃１０から放出された電子で形成される電子ビーム５０とＲＦ信号とを相互作用させる高周波回路である。コレクタ３０は、ヘリックス２０から出力された電子ビーム５０を捕捉する。アノード４０は、電子銃１０から電子を引き出すと共に、電子銃１０から放出された電子を螺旋状のヘリックス２０内へ導く。

　電子銃１０は、電子（熱電子）を放出するカソード１１と、カソード１１に電子（熱電子）を放出させるための熱エネルギーを与えるヒータ１２と、カソード１１から放出された電子を集束して電子ビーム５０を形成するためのウェネルト１３と、を備えている。カソード１１は、例えばバリウム（Ｂａ）等の酸化物（エミッタ材）が含浸されたポーラスタングステン（porous tungsten）基体からなる円板状のカソードペレットで形成される。ウェネルト１３を備えた電子銃（ピアス型電子銃）については、例えば特許文献１等にも記載されている。

　電子銃１０から放出された電子は、電子ビーム５０を形成しつつカソード１１とアノード４０の電位差によって加速されてヘリックス２０の螺旋構造内に導入される。ヘリックス２０の螺旋構造内に導入された電子は、ヘリックス２０の一端から入力されたＲＦ信号と相互作用しながら、ヘリックス２０の螺旋構造内を進行する。ヘリックス２０の螺旋構造内を通過した電子ビーム５０は、コレクタ３０で捕捉される。このとき、ヘリックス２０の他端からは、電子ビーム５０との相互作用によって増幅されたＲＦ信号が出力される。

　電子ビーム５０は、負電荷を有する個々の電子がクーロン力によって互いに反発するため、電子の移動距離に応じてその直径が拡がっていく。そこで、ヘリックス２０の外周には、ヘリックス２０の螺旋構造内を通過している電子ビーム５０の拡がりを抑制するための磁界を発生する周期磁界発生装置（不図示）が設けられ、該磁界によりヘリックス２０の全長に亘って電子ビーム５０の直径が維持される。周期磁界発生装置については、例えば特許文献２に記載されている。

　なお、磁界によって電子ビームを制御できることは、例えば特許文献３及び４に記載されている。特許文献３には、電子ビームを偏向するためにコイル等の磁界印加手段を用いることが記載されている。また、特許文献４には、電子銃が着磁して電子ビームの軌道が不安定になるのを防止するため、電子銃の外周にコイルから成る消磁手段を設けた構成が記載されている。

　図６に示すように、カソード１１及びウェネルト１３には、不図示の電源装置からヘリックス２０の電位ＨＥＬＩＸを基準に共通の負の直流高電圧（ボディ電圧Ｅｂｏｄｙ）がそれぞれ供給される。ヒータ１２には、カソード１１の電位Ｈ／Ｋを基準に正または負の直流電圧（図６では負電圧：ヒータ電圧Ｅｆ）が供給される。アノード４０には、カソード１１の電位Ｈ／Ｋを基準に正の直流高電圧（アノード電圧Ｅａ）が供給される。また、コレクタ３０には、カソード１１の電位Ｈ／Ｋを基準に正の直流高電圧（コレクタ電圧Ｅｃｏｌ）が供給される。ヘリックス２０は、通常、進行波管１のケース（ボディ）に接続されて接地される。

　図６では１つのコレクタ３０を備える進行波管１の構成例を示しているが、進行波管１には複数のコレクタ３０を備える構成もある。また、図６では、アノード４０にアノード電圧Ｅａを供給する例を示しているが、進行波管１はアノード４０を接地して使用する場合もある。さらに、図６では、ウェネルト１３をカソード１１と接続する例を示しているが、進行波管１にはウェネルト１３にカソード１１の電位を基準に正または負の直流電圧（ウェネルト電圧Ｅｗ）を供給する構成もある。

　図６に示す進行波管１では、アノード電圧Ｅａによってカソード１１から放出される電子の量を制御することが可能であり、進行波管１から出力するＲＦ信号の電力をアノード電圧Ｅａによって制御できる。同様の制御は、ウェネルト１３に印加するウェネルト電圧Ｅｗでも可能である。さらに、カソード１１から放出可能な電子量は、カソード１１の温度、すなわちヒータ１２の温度にも依存するため、進行波管１ではＲＦ信号の出力電力に合わせてヒータ電圧Ｅｆが設定される。

　アノード電圧Ｅａによって進行波管１から出力するＲＦ信号の電力を制御する構成は、例えば特許文献５に記載されている。特許文献５には、アノード電圧ＥａでＲＦ信号の出力電力を制御すると共に、ＲＦ信号の出力電力に応じてヒータ電圧Ｅｆを調整することが記載されている。

特開２００６－１２７８９９号公報 特開平０９－２７４８６５号公報 特開２００２－１９８００２号公報 特開２００７－２７３１５８号公報 特開昭５８－１５７２０６号公報

　上述したアノード電圧Ｅａまたはウェネルト電圧Ｅｗによって、進行波管１から出力するＲＦ信号の電力を制御する場合を考える。すなわち進行波管１を２値以上のＲＦ出力電力（マルチモード）で動作させる場合、一般的にはＲＦ信号の出力電力が最大となる高出力モードに対応したヒータ温度に設定される。

　これは、ＲＦ信号の出力電力が低い低出力モードに対応したヒータ温度に設定すると、高出力モードではカソード１１から放出される電子量が不足するため、ＲＦ信号の出力電力が所要の最大電力よりも低い値で飽和するからである。

　しかしながら、ヒータ温度を高くしてカソード温度を上昇させると、上記カソードペレットに含浸されたエミッタ材の蒸発量が増大するため、該エミッタ材が枯渇するまでの時間が短くなってしまう。また、エミッタ材としてバリウム（Ｂａ）が含まれている場合は、該バリウム（Ｂａ）が酸化物として蒸発するだけでなく、金属であるバリウム（Ｂａ）単体でも蒸発する。そのため、ヒータ温度を高くしてカソード温度を上昇させると、進行波管１の耐電圧性が急速に劣化する。したがって、低出力モードで動作させることが多くても、進行波管１の製品寿命は、高出力モードで常に動作させる場合と同程度まで短くなってしまう。

　そこで、進行波管１をマルチモードで動作させる場合は、特許文献５に記載されているように、高出力モードでヒータ温度を高く設定し、低出力モードでヒータ温度を低く設定すればよい。このように動作モードに応じてヒータ温度を切り換えれば、進行波管１の製品寿命の延伸が期待できる。しかしながら、動作モードに応じてヒータ温度を切り換える構成では、以下に記載するような別の課題が発生する。

　例えば、高出力モードにおいて電子ビーム５０の軌道が最適となるように進行波管１が設計されている場合、低出力モードでは高出力モードよりもカソード１１から放出される電子量が低減して電子ビーム５０の直径が小さくなる。そのため、該電子ビーム５０とヘリックス２０に入力されたＲＦ信号との相互作用が弱くなり、低出力モードでは高出力モードよりも進行波管１の利得が低下する。このように動作モードによって利得が変化する構成では、動作モードの切り換え前後におけるＲＦ信号の出力電力を同一としたい場合に、進行波管１に入力するＲＦ信号の電力を変化させる必要がある。そのため、進行波管１の利便性が低下してしまう。

　また、高出力モードにおいて電子ビーム５０の軌道が最適となるように進行波管１が設計されている場合、低出力モードでは進行波管１の増幅効率が低下する、という課題も発生する。

　上述した周期磁界発生装置では、電子ビーム５０の直径が小さくなるほど、磁束密度のピーク値を大きくする必要があることが知られている（特許文献２参照）。このことから、周期磁界発生装置は、電子ビーム５０の直径に応じて最適な磁束密度のピーク値が得られるように設計されている。

　そのため、低出力モード時にカソード１１から放出される電子量が低減して電子ビーム５０の直径が小さくなると、周期磁界発生装置で得られる磁束密度が相対的に低下することになり、電子ビーム５０を集束する力が低下する。その結果、図７で示すように電子ビーム５０の直径が周期的に変動するリップルが発生し、該電子ビーム５０とＲＦ信号との相互作用が弱くなることで、進行波管１の増幅効率が低下する。

　一方、低出力モードにおいて電子ビーム５０の軌道が最適となるように進行波管１が設計されている場合、高出力モードでは低出力モードよりもカソード１１から放出される電子量が増大して電子ビーム５０の直径が大きくなる。そのため、該電子ビームとヘリックス２０に入力されたＲＦ信号との相互作用が強くなり、高出力モードでは低出力モードよりも進行波管１の利得が増大してＲＦ信号が発振し易くなる。また、電子ビーム５０の直径が大きくなると、電子がヘリックス２０に衝突し易くなるため、ヘリックス２０に流れる電流（ヘリックス電流）が増えて進行波管１の消費電力が増大する。

　本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、マルチモードで動作させる進行波管において、製品寿命を延伸しつつ、動作モードの切り換えに伴う利得や増幅効率の変動を抑制できる進行波管及び高周波回路システムを提供することを目的とする。

　上記目的を達成するため本発明の進行波管は、電子を放出するカソード及び前記カソードに電子を放出させるための熱エネルギーを与えるヒータを備えた電子銃と、
　前記電子銃から放出された電子で形成される電子ビームとＲＦ（Radio Frequency）信号とを相互作用させるヘリックスと、
　前記ヘリックス内を通過している前記電子ビームの拡がりを抑制するための磁界を発生する周期磁界発生装置と、
　前記ヘリックスから出力された電子ビームを捕捉するコレクタと、
　前記電子銃から放出された電子を前記ヘリックス内へ導くアノードと、
　前記電子ビームの直径を変更するための磁界を発生する、外部から該磁界を発生するための電力が供給される磁界印加装置と、を有する。

　一方、本発明の高周波回路システムは、上記進行波管と、
　前記進行波管に所要の直流電圧を供給する電源装置と、を有し、
　前記電源装置は、
　外部からの指示にしたがって前記アノードへ供給するアノード電圧を２値以上に切り換え可能なアノード電源と、
　外部からの指示にしたがって前記ヒータへ供給するヒータ電圧を２値以上に切り換え可能なヒータ電源と、
　外部からの指示にしたがって前記磁界印加装置へ供給する電力を２値以上に切り換え可能な磁界印加電源と、を有する。

　または、上記進行波管と、
　前記進行波管に所要の直流電圧を供給する電源装置と、を有し、
　前記進行波管は、
　前記カソードから放出された電子を集束するためのウェネルトを備えた電子銃を有し、
　前記電源装置は、
　外部からの指示にしたがって前記ウェネルトへ供給するウェネルト電圧を２値以上に切り換え可能なウェネルト電源と、
　外部からの指示にしたがって前記ヒータへ供給するヒータ電圧を２値以上に切り換え可能なヒータ電源と、
　外部からの指示にしたがって前記磁界印加装置へ供給する電力を２値以上に切り換え可能な磁界印加電源と、を有する。

　本発明によれば、マルチモードで動作させる進行波管において、製品寿命を延伸しつつ、動作モードの切り換えに伴う進行波管の利得や増幅効率の変動を抑制できる。

本発明の実施形態の高周波回路システムの一構成例を示す模式図である。 本発明の実施形態の高周波回路システムが備える電源装置の一構成例を示す回路図である。 本発明の実施形態の高周波回路システムの別の構成例を示す模式図である。 （ａ）は磁界印加装置及び周期磁界発生装置により発生する磁界の様子を示す模式図であり、（ｂ）は（ａ）の要部を拡大した様子を示す模式図である。 （ａ）は本発明の実施形態の高周波回路システムの変形例の高出力モード時の動作を示す模式図であり、（ｂ）は本発明の実施形態の高周波回路システムの変形例の低出力モード時の動作を示す模式図である。 背景技術の高周波回路システムの一構成例を示す模式図である。 低出力モード時に電子ビームでリップルが発生する様子を示す模式図である。

　次に本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。

　図１は、本発明の実施形態の高周波回路システムの一構成例を示す模式図である。図２は、本発明の実施形態の高周波回路システムが備える電源装置の一構成例を示す回路図である。図３は、本発明の実施形態の高周波回路システムの別の構成例を示す模式図である。

　図１に示すように、本発明の実施形態の高周波回路システムは、進行波管２及び該進行波管２の各電極に所要の直流高電圧（電源電圧）を供給する電源装置６０を有する。

　本発明の実施形態の進行波管２は、図６に示した背景技術の進行波管１に、電子ビーム５０の直径を制御するための磁界を発生する、外部から該磁界を発生するための電力が供給される磁界印加装置７０を追加した構成である。その他の構成は図６に示した背景技術の進行波管１と同様であるため、その説明は省略する。

　磁界印加装置７０は、例えば電子を放出する面と対向する電子銃１０の背面方向から進行波管２の筐体（ボディ）を真空封止するための封止皿２１にコイルを形成することで実現すればよい。その場合、封止皿２１には磁性金属材料（磁性体材料）を用いることが望ましい。封止皿２１に磁性金属材料（磁性体材料）を用いれば、コイルへ電流を流すことで発生する磁界を強くすることができる。磁界印加装置７０のコイルは、電流を流した際に、カソード１１の電子放出面と略直交する方向の磁力線を含む磁界が発生するように形成する。

　なお、磁界印加装置７０は、封止皿２１にコイルを直接巻いた構成である必要はなく、カソード１１の電子放出面と略直交する磁力線を含む磁界を発生させることができれば、どのような構成でもよい。例えば、封止皿２１の外周に磁性金属材料（磁性体材料）から成るリング状の磁性体コアを設け、該磁性体コアの外周にコイルを形成することで磁界印加装置７０を構成してもよい。

　磁界印加装置７０のコイルには、後述する電源装置６０が備える磁界印加電源６５から電力が供給される。言い換えると、磁界印加装置７０のコイルには、後述する磁界印加電源６５からコイル電圧が供給される。後述する電源装置６０のヒータ電源６３は、電子銃１０のヒータ１２にヒータ電圧Ｅｆを供給する。磁界印加電源６５は、専用の電源回路で構成してもよく、後述するようにヒータ１２へ電力を供給するヒータ電源６３と共通にできる場合がある。図１は、後述する磁界印加電源をヒータ電源と共通にして、ヒータ電源から磁界印加装置７０及びヒータ１２へヒータ電圧Ｅｆを供給する構成例を示している。図１では、電子銃１０のヒータ１２の一端と、磁界印加装置７０のコイルの一端とを共通接続している。この共通接続された一端に、ヒータ電圧Ｅｆを供給する構成例を図１は示している。

　図２に示すように、電源装置６０は、ヘリックス電源６１と、コレクタ電源６２と、ヒータ電源６３と、アノード電源６４と、磁界印加電源６５と、を有する。電源装置６０のヘリックス電源６１は、カソード１１に対してヘリックス２０の電位ＨＥＬＩＸを基準に負の直流電圧であるボディ電圧Ｅｂｏｄｙを供給する。電源装置６０のコレクタ電源６２は、コレクタ３０に対してカソード１１の電位Ｈ／Ｋを基準に正の直流電圧であるコレクタ電圧Ｅｃｏｌを供給する。電源装置６０のヒータ電源６３は、ヒータ１２に対してカソード１１の電位Ｈ／Ｋを基準に正または負の直流電圧（図２では負の直流電圧）であるヒータ電圧Ｅｆを供給する。電源装置６０のアノード電源６４は、アノード４０に対してカソード１１の電位Ｈ／Ｋを基準に正の直流電圧（アノード電圧Ｅａ）を供給する。電源装置６０の磁界印加電源６５は、磁界印加装置７０に対してカソード１１の電位Ｈ／Ｋを基準に正または負の直流電圧（図２では負の直流電圧）であるコイル電圧Ｅｓを供給する。へリックス２０は、例えば進行波管２のケース（ボディ）に接続されて、電源装置６０内で接地される。

　図３の高周波回路システムでは、ヒータ１２が図２の電源装置６０のヒータ電源６３からヒータ電圧Ｅｆの供給を受け、磁界印加装置７０のコイルが図２の電源装置６０の磁界印加電源６５からコイル電圧Ｅｓの供給を受ける。図３の高周波回路システムは、ヒータ１２へ電力を供給するヒータ電源６３とは別に、コイル電圧Ｅｓを供給する磁界印加電源６５を設けた場合の構成を示している。

　本発明の実施形態の電源装置６０が備えるヒータ電源６３、アノード電源６４及び磁界印加電源６５は、進行波管２の動作モードに応じて出力電圧の切り換えが可能な構成である。

　ヒータ電源６３は、例えば動作モード毎のヒータ電圧Ｅｆを生成する複数の電源回路を備え、進行波管２の動作モードに応じてヒータ１２へ供給するヒータ電圧Ｅｆをスイッチで切り換える構成である。図２は、直列に接続された２つの電源回路を備え、動作モードに応じて一方の電源回路または２つの電源回路からヒータ１２へ電力を供給する構成例を示している。ヒータ電圧Ｅｆを生成する電源回路には、例えばインバータ、トランス、整流回路、整流用コンデンサ等を備えた周知のＤＣ－ＤＣコンバータを用いればよい。

　アノード電源６４は、例えば動作モード毎のアノード電圧Ｅａを生成する複数の電源回路を備え、進行波管２の動作モードに応じてアノード４０へ供給するアノード電圧Ｅａをスイッチで切り換える構成である。図２は、直列に接続された２つの電源回路を備え、動作モードに応じて一方の電源回路または２つの電源回路からアノード４０へ電力を供給する構成例を示している。アノード電圧Ｅａを生成する電源回路には、ヒータ電源６３と同様に、周知のＤＣ－ＤＣコンバータを用いればよい。

　進行波管２を高出力モードで動作させる場合、アノード４０には、カソード電位Ｈ／Ｋとの差が大きい、正の直流高電圧（第１のアノード電圧）を供給する。アノード電源６４は、高出力モード時にスイッチを用いて接地電位と接続する構成としてもよい。

　一方、進行波管２を低出力モードで動作させる場合、アノード４０には、カソード電位Ｈ／Ｋとの差が小さい、高出力モード時よりも低い正の直流高電圧（第２のアノード電圧）を供給する。

　なお、アノード４０には、通常、わずかな電流しか流れないため、アノード電源６４には大きな電流供給能力が要求されない。そのため、アノード電源６４は、例えばボディ電圧Ｅｂｏｄｙを分圧する直列に接続された複数の抵抗器と、それらの接続ノードのいずれか１つとアノード４０を接続するスイッチと、を備えた構成で、実現してもよい。その場合、該スイッチを用いて、進行波管２の動作モードに応じてアノード４０と接続するノードを切り換えればよい。

　磁界印加電源６５は、例えば動作モード毎のコイル電圧Ｅｓを生成する複数の電源回路を備え、進行波管２の動作モードに応じて磁界印加装置７０へ供給するコイル電圧Ｅｓをスイッチで切り換える構成である。図２は、直列に接続された２つの電源回路を備え、動作モードに応じて一方の電源回路または２つの電源回路から磁界印加装置７０へ電力を供給する構成例を示している。コイル電圧Ｅｓを生成する電源回路には、ヒータ電源６３と同様に、周知のＤＣ－ＤＣコンバータを用いればよい。後述するように、磁界印加装置７０により周期磁界発生装置８０からカソード１１まで漏洩する磁束を打ち消す磁界を発生させる場合、磁界印加電源６５はヒータ電源６３と共通にしてもよい。磁界印加電源６５をヒータ電源６３と共通にすれば、動作モードに応じてヒータ電圧Ｅｆを切り換える際に、磁界印加装置７０で発生する磁界の強さも同時に変更できる。

　ヒータ電源６３、アノード電源６４及び磁界印加電源６５が備えるスイッチは、例えば電源装置６０の筐体に設けた動作モード切り換え用のスイッチ、あるいは不図示の制御装置等から送信される制御信号にしたがって切り換えればよい。

　ヘリックス電源６１及びコレクタ電源６２は、所要の直流高電圧を生成できればよく、例えばインバータ、トランス、整流回路、整流用コンデンサ等を備えた周知のＤＣ－ＤＣコンバータを用いればよい。その場合、ヘリックス電源６１、コレクタ電源６２、ヒータ電源６３、アノード電源６４及び磁界印加電源６５が備えるインバータ及びトランスは共通にすることも可能である。

　なお、電源装置６０には、ウェネルト１３へカソード１１の電位Ｈ／Ｋを基準に正または負の直流電圧（ウェネルト電圧Ｅｗ）を供給する不図示のウェネルト電源を備えていてもよい。ウェネルト電源は、上記アノード電源６４と同様に、進行波管２の動作モードに応じてウェネルト１３へ供給する直流電圧をスイッチで切り換える構成とすればよい。

　本発明の実施形態では、図１に示した進行波管２を、アノード電圧Ｅａまたはウェネルト電圧ＥｗによってＲＦ信号の出力電力を切り換える、マルチモードで動作させる。また、本発明の実施形態では、進行波管２の動作モードに合わせてヒータ電圧Ｅｆを切り換えることでヒータ温度を変化させる。具体的には、高出力モードでは最大のＲＦ出力電力が得られるヒータ温度となるようにヒータ電圧Ｅｆ（第１のヒータ電圧）を高く設定する。また、低出力モードでは所要のＲＦ出力電力が得られるヒータ温度となるようにヒータ電圧Ｅｆ（第２のヒータ電圧）を低く設定する。動作モードは、高出力モードと低出力モードの２種類に限定されるものではなく、その中間のＲＦ電力を出力する中間モードを設けてもよい。

　このように低出力モード時にヒータ電圧Ｅｆを低くしてヒータ温度を下げれば、低出力モード時におけるカソード１１からのエミッタ材の蒸発量が抑制される。また、エミッタ材の蒸発量が抑制されれば、金属であるバリウム（Ｂａ）単体の蒸発量も抑制されるため、進行波管２の耐電圧性が急速に劣化することもない。そのため、低出力モードで動作させる割合に応じて、進行波管２の製品寿命を延ばすことが可能になる。

　さらに本発明の実施形態では、図１に示した磁界印加装置７０を用いてカソード１１近傍で磁界を発生させ、進行波管２の動作モードに応じて該磁界の強さを変えることで、電子ビーム５０の直径の変動を抑制する。これにより、動作モードの切り換えに伴う進行波管の利得や増幅効率の変動を、抑制する。

　磁界印加装置７０で発生する磁界の強さはコイルに流れる電流値に依存するため、進行波管２の動作モードに応じて磁界印加電源６５から供給するコイル電圧Ｅｓを切り換えることで、磁界印加装置７０で発生する磁界の強さを変更する。

　以下、磁界印加装置７０で生成する磁界により電子ビーム５０の直径が制御できる理由について、図４（ａ）及び図４（ｂ）を用いて説明する。

　図４（ａ）は磁界印加装置及び周期磁界発生装置により発生する磁界の様子を示す模式図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の要部を拡大した様子を示す模式図である。

　図４（ａ）及び図４（ｂ）で示すように、進行波管２が備える周期磁界発生装置８０は、リング状の複数のポールピース８１と、リング状の複数の永久磁石８２と、複数のスペーサ８３と、を有する構成である。リング状の複数のポールピース８１は、磁性体から成る。リング状の複数の永久磁石８２は上記複数のポールピース８１間に、磁気双極子が交互に反転するように配置される。複数のスペーサ８３は、上記複数の永久磁石８２を支持する。図４（ａ）及び図４（ｂ）では示されていないが、ヘリックス２０はリング状に形成された周期磁界発生装置８０の開口内に配置される。

　このような構成では、周期磁界発生装置８０の開口内に、複数の永久磁石８２により、図４（ａ）及び図４（ｂ）の中心磁界パターンで示すような、電子の移動距離に応じて磁力線が交互に反転する磁界が発生する。

　進行波管２では、カソード１１から放出された各電子が、カソード１１の電子放出面の形状（球面形状）やウェネルト１３で発生する電界により中心へ向かって進行することで集束する。周期磁界発生装置８０の開口へ到達した電子は、周期磁界発生装置８０で発生した磁界から受ける力（ローレンツ力）により螺旋状に回転しつつ進行することで拡がりが抑制される。

　一方、周期磁界発生装置８０で発生した磁界（主磁界）による磁束は、カソード１１近傍まで漏洩し、図４（ａ）及び図４（ｂ）の中心磁界パターンで示すようにカソード１１の電子放出面近傍で磁束密度Ｂｃの磁界を発生させる。カソード１１の電子放出面近傍で磁界が発生すると、カソード１１から放出された電子にはフレミングの左手の法則により外側へ向かう力が働く。すなわち、漏洩磁束によってカソード１１の電子放出面近傍で発生する磁界は電子ビーム５０を拡げる作用がある。したがって、磁界印加装置７０により漏洩磁束を打ち消す磁界を発生させて該漏洩磁束の強さを調整すれば、電子ビーム５０の直径を制御できる。
　なお、カソード１１の電子放出面近傍では、電子ビームの放出の向きを軸方向と径方向の成分に分けて考えると、径方向では、その電極の構造により内側になる。電子はマイナスの電荷を持っているので、電流の向きは電子の動く方向と反対の外側になる。よってフレミングの左手の法則の「電流の流れる方向」は径方向の外側になる。フレミングの左手の法則の「磁界の方向」の磁界は、周期磁界発生装置８０の漏洩磁束によるものなので、軸方向が主な成分と考えられる。「導体にかかる力」は、電子にかかる力であり、フレミングの左手の法則から、円の接線方向の力となる。つまり、電子は内側に向かいながら、接線方向の力を受けるので、元の磁界の無い状態よりも外側に向かおうとする。カソード電子放出面での磁界が強いほど、電子の進む向きは、接線成分が大きくなるため、外側に向かう力が大きくなる。

　一般的な進行波管は、周期磁界発生装置８０の漏洩磁束によって電子ビーム５０が拡がるのを抑制するため、周期磁界発生装置８０からカソード１１近傍へ漏洩する磁束ができるだけ小さくなるように設計される。それに対して、本発明の実施形態の進行波管２は、カソード１１近傍における周期磁界発生装置８０の漏洩磁束が一般的な進行波管よりも大きくなるように設計する。カソード１１近傍における漏洩磁束を大きくするには、例えばアノード４０が磁性体で形成されている場合、電子が通過するアノード４０の開口の直径を拡げればよい。また、カソード１１近傍における漏洩磁束を大きくする方法としては、周期磁界発生装置８０をカソード１１（電子銃）の方へ延長して形成する方法、あるいは周期磁界発生装置８０全体をカソード１１（電子銃）へ近づけて配置する方法がある。

　図４（ａ）及び図４（ｂ）で示すように、漏洩磁束の磁力線の向きは、一般に周期磁界発生装置８０からカソード１１へ向かう方向（図の左方向）となる。したがって、磁界印加装置７０では、磁力線の向きがカソード１１から周期磁界発生装置８０へ向かう方向（図の右方向）となるような磁界を発生させる。例えば、電子の進行方向に対して封止皿２１へ右回りに配線材を巻くことでコイルを形成し、該コイルへ右回りに電流を流せば、周知の右ネジの法則により図の右方向へ向かう磁力線が発生する。そして、電子ビーム５０の直径を大きくしたい場合は、磁界印加装置７０で生成する磁界を弱くして（低いコイル電圧Ｅｓを供給する）漏洩磁束による磁界を強くする。逆に電子ビーム５０の直径を小さくしたい場合は、磁界印加装置７０で生成する磁界を強くして（高いコイル電圧Ｅｓを供給する）漏洩磁束による磁界を弱くする。

　上述したように、高出力モードにおいて電子ビーム５０の軌道が最適となるように進行波管２が設計されている場合、低出力モードでは高出力モードよりもカソード１１から放出される電子量が低減して電子ビーム５０の直径が小さくなる。その場合、磁界印加装置７０へ高出力モード時よりも小さな電力を供給して磁界印加装置７０で発生する磁界を弱くすることで、電子ビーム５０の直径を高出力モード時と同程度まで大きくする。電子ビーム５０の直径が高出力モード時と同程度になると、電子ビーム５０とヘリックス２０に入力されたＲＦ信号との相互作用の強さも高出力モード時と同程度になるため、低出力モードにおける進行波管２の利得の低下が抑制される。また、電子ビーム５０の直径が高出力モード時と同程度であれば、電子ビーム５０のリップル量も低減するため、進行波管２の増幅効率の低下も抑制される。

　一方、低出力モードにおいて電子ビーム５０の軌道が最適となるように進行波管２が設計されている場合、高出力モードでは低出力モードよりもカソード１１から放出される電子量が増大して電子ビーム５０の直径が大きくなる。その場合、磁界印加装置７０へ低出力モード時よりも大きな電力を供給して磁界印加装置７０で発生する磁界を強くすることで、電子ビーム５０の直径を低出力モード時と同程度まで小さくする。電子ビーム５０の直径が低出力モード時と同程度になると、電子ビーム５０とヘリックス２０に入力されたＲＦ信号との相互作用の強さも低出力モード時と同程度になるため、進行波管２の利得の増大が抑制されて発振する可能性が低減する。

　なお、上記説明では、図１、図２、図４（ａ）及び図４（ｂ）を用いてアノード電圧Ｅａにより進行波管２から出力するＲＦ信号の電力を切り換える例を示したが、上述したように進行波管２から出力するＲＦ信号の電力はウェネルト電圧Ｅｗでも制御可能である。このようにウェネルト電圧ＥｗによりＲＦ信号の出力電力を切り換える場合の構成例を図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す。

　図５（ａ）は、本発明の実施形態の高周波回路システムの変形例の高出力モード時の動作を示す模式図であり、図５（ｂ）は、本発明の実施形態の高周波回路システムの変形例の低出力モード時の動作を示す模式図である。なお、図５（ａ）及び図５（ｂ）は、図１と同様に、ヒータ電源６３から磁界印加装置７０へ電力を供給する構成例を示している。

　図５（ａ）及び図５（ｂ）で示すように、ウェネルト電圧Ｅｗにより進行波管２から出力するＲＦ信号の電力を制御する場合、ウェネルト１３には、例えばカソード１１の電位Ｈ／Ｋを基準に負の直流電圧（ウェネルト電圧Ｅｗ）を供給する。

　そして、進行波管２を高出力モードで動作させる場合は、図５（ａ）に示すように、カソード電位Ｈ／Ｋとの差が小さい負の直流電圧（第１のウェネルト電圧、Ｅｗ：Ｌｏｗ）をウェネルト１３に供給する。なお、高出力モード時、ウェネルト１３の電位はカソード１１の電位Ｈ／Ｋと一致させてもよく、ウェネルト１３にカソード１１の電位Ｈ／Ｋを基準に正の直流電圧を供給してもよい。

　一方、図５（ｂ）に示すように、進行波管２を低出力モードで動作させる場合は、高出力モード時よりも高い負の直流電圧（第２のウェネルト電圧、Ｅｗ：Ｈｉｇｈ）をウェネルト１３に供給する。

　ヒータ温度の切り換え動作及び磁界印加装置７０による磁界の切り換え動作は、上述したアノード電圧ＥａによりＲＦ信号の出力電力を切り換える場合と同様であるため、その説明は省略する。

　また、上記説明では、磁界印加装置７０により周期磁界発生装置８０の漏洩磁束を打ち消す磁界を発生する例を示したが、磁界印加装置７０は周期磁界発生装置８０の漏洩磁束を強くする磁界を発生してもよい。すなわち、図４（ａ）及び図４（ｂ）において、磁界印加装置７０により、磁力線の向きが周期磁界発生装置８０からカソード１１へ向かう方向（図の左方向）となる磁界を発生させてもよい。その場合、本発明の実施形態の進行波管２は、一般的な進行波管と同様に、カソード１１近傍における周期磁界発生装置８０の漏洩磁束が小さくなるように設計すればよい。

　そして、高出力モードにおいて電子ビーム５０の軌道が最適となるように進行波管２が設計されている場合、低出力モードでは磁界印加装置７０へ高出力モード時よりも大きな電力を供給して磁界印加装置７０で発生する磁界を強くする。こうして低出力モードでは、電子ビーム５０の直径を高出力モード時と同程度まで、大きくすればよい。

　また、低出力モードにおいて電子ビーム５０の軌道が最適となるように進行波管２が設計されている場合、高出力モードでは磁界印加装置７０へ低出力モード時よりも小さな電力を供給して磁界印加装置７０で発生する磁界を弱くする。こうして高出力モードでは、電子ビーム５０の直径を低出力モード時と同程度まで、小さくすればよい。このような構成では、磁界印加電源６５とヒータ電源６３とを共通にできないが、上記と同様に磁界印加装置７０で発生する磁界により電子ビーム５０の直径を制御できる。

　本発明の実施形態によれば、動作モードに応じてヒータ温度を切り換える構成であるため、低出力モード時にヒータ温度を下げれば、該低出力モード時におけるカソード１１からのエミッタ材の蒸発量が抑制される。また、エミッタ材の蒸発量が抑制されれば、金属であるバリウム（Ｂａ）単体の蒸発量も抑制されるため、進行波管２の耐電圧性が急速に劣化することもない。そのため、低出力モードで動作させる割合に応じて、進行波管２の製品寿命を延ばすことが可能になる。

　また、進行波管２に磁界印加装置７０を設け、動作モードに応じて磁界印加装置７０によりカソード近傍で発生する磁界の強さを切り換えることで、動作モードの切り換えに伴う電子ビーム５０の直径の変動を抑制できる。したがって、進行波管２の製品寿命を延伸しつつ、動作モードの切り換えに伴う進行波管２の利得や増幅効率の変動が抑制される。

　以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。

　この出願は、２０１４年６月３０日に出願された日本出願特願２０１４－１３３６４５号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

　１、２　　進行波管
　１０　　電子銃
　１１　　カソード
　１２　　ヒータ
　１３　　ウェネルト
　２０　　ヘリックス
　３０　　コレクタ
　４０　　アノード
　５０　　電子ビーム
　６０　　電源装置
　６１　　ヘリックス電源
　６２　　コレクタ電源
　６３　　ヒータ電源
　６４　　アノード電源
　６５　　磁界印加電源
　７０　　磁界印加装置
　８０　　周期磁界発生装置
　８１　　ポールピース
　８２　　永久磁石
　８３　　スペーサ

Claims (10)

1. 　電子を放出するカソード及び前記カソードに電子を放出させるための熱エネルギーを与えるヒータを備えた電子銃と、
   　前記電子銃から放出された電子で形成される電子ビームとＲＦ（Radio Frequency）信号とを相互作用させるヘリックスと、
   　前記ヘリックス内を通過している前記電子ビームの拡がりを抑制するための磁界を発生する周期磁界発生装置と、
   　前記ヘリックスから出力された電子ビームを捕捉するコレクタと、
   　前記電子銃から放出された電子を前記ヘリックス内へ導くアノードと、
   　前記電子ビームの直径を変更するための磁界を発生する、外部から該磁界を発生するための電力が供給される磁界印加装置と、を有する進行波管。
2. 　前記磁界印加装置は、
   　前記カソードの電子放出面と略直交する方向の磁力線を含む磁界を発生する請求項１記載の進行波管。
3. 　前記磁界印加装置は、
   　前記電子を放出する面と対向する前記電子銃の背面方向から筐体を封止するための封止皿に形成されたコイルである請求項１または２記載の進行波管。
4. 　前記封止皿が磁性体材料から成る請求項３記載の進行波管。
5. 　前記磁界印加装置は、
   　前記電子を放出する面と対向する前記電子銃の背面方向から筐体を封止するための封止皿の外周に設けられた、磁性体材料から成る磁性体コアと、
   　前記磁性体コアの外周に形成されたコイルと、を有する請求項１または２記載の進行波管。
6. 　請求項１から５のいずれか１項記載の進行波管と、
   　前記進行波管に所要の直流電圧を供給する電源装置と、を有し、
   　前記電源装置は、
   　外部からの指示にしたがって前記アノードへ供給するアノード電圧を２値以上に切り換え可能なアノード電源と、
   　外部からの指示にしたがって前記ヒータへ供給するヒータ電圧を２値以上に切り換え可能なヒータ電源と、
   　外部からの指示にしたがって前記磁界印加装置へ供給する電力を２値以上に切り換え可能な磁界印加電源と、を有する高周波回路システム。
7. 　前記アノード電源は、
   　前記ＲＦ信号の出力電力が最大となる前記進行波管の高出力モード時に第１のアノード電圧を前記アノードへ供給し、前記ＲＦ信号の出力電力が前記高出力モードよりも低い低出力モード時に前記第１のアノード電圧よりも低い第２のアノード電圧を前記アノードへ供給し、
   　前記ヒータ電源は、
   　前記高出力モード時に第１のヒータ電圧を前記ヒータへ供給し、前記低出力モード時に前記第１のヒータ電圧よりも低い第２のヒータ電圧を前記ヒータへ供給し、
   　前記磁界印加電源は、
   　前記進行波管が前記高出力モードにおいて前記電子ビームの軌道が最適となるように設計されている場合、前記低出力モード時に前記高出力モード時よりも小さい電力を前記磁界印加装置へ供給し、
   　前記進行波管が前記低出力モードにおいて前記電子ビームの軌道が最適となるように設計されている場合、前記高出力モード時に前記低出力モード時よりも大きい電力を前記磁界印加装置へ供給する請求項６記載の高周波回路システム。
8. 　請求項１から５のいずれか１項記載の進行波管と、
   　前記進行波管に所要の直流電圧を供給する電源装置と、を有し、
   　前記進行波管は、
   　前記カソードから放出された電子を集束するためのウェネルトを備えた電子銃を有し、
   　前記電源装置は、
   　外部からの指示にしたがって前記ウェネルトへ供給するウェネルト電圧を２値以上に切り換え可能なウェネルト電源と、
   　外部からの指示にしたがって前記ヒータへ供給するヒータ電圧を２値以上に切り換え可能なヒータ電源と、
   　外部からの指示にしたがって前記磁界印加装置へ供給する電力を２値以上に切り換え可能な磁界印加電源と、を有する高周波回路システム。
9. 　前記ウェネルト電源は、
   　前記ＲＦ信号の出力電力が最大となる前記進行波管の高出力モード時に負電圧である第１のウェネルト電圧を前記ウェネルトへ供給し、前記ＲＦ信号の出力電力が前記高出力モードよりも低い低出力モード時に前記第１のウェネルト電圧よりも高い負電圧である第２のウェネルト電圧を前記ウェネルトへ供給し、
   　前記ヒータ電源は、
   　前記高出力モード時に第１のヒータ電圧を前記ヒータへ供給し、前記低出力モード時に前記第１のヒータ電圧よりも低い第２のヒータ電圧を前記ヒータへ供給し、
   　前記磁界印加電源は、
   　前記進行波管が前記高出力モードにおいて前記電子ビームの軌道が最適となるように設計されている場合、前記低出力モード時に前記高出力モード時よりも小さい電力を前記磁界印加装置へ供給し、
   　前記進行波管が前記低出力モードにおいて前記電子ビームの軌道が最適となるように設計されている場合、前記高出力モード時に前記低出力モード時よりも大きい電力を前記磁界印加装置へ供給する請求項８記載の高周波回路システム。
10. 　前記磁界印加装置により前記周期磁界発生装置から前記カソードへ漏洩する磁束を打ち消す磁界を発生させる場合、前記磁界印加電源が、前記ヒータ電源と共通である請求項６から９のいずれか１項記載の高周波回路システム。

Images