WO2018230018A1 - クライストロン - Google Patents

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WO2018230018A1
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electrons
harmonic
resonance
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俊郎 阿武
大久保　良久
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東芝電子管デバイス株式会社
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    • H01J25/12—Klystrons, i.e. tubes having two or more resonators, without reflection of the electron stream, and in which the stream is modulated mainly by velocity in the zone of the input resonator with pencil-like electron stream in the axis of the resonators

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a klystron.
  • a klystron is an electron tube used to amplify high-frequency power, and includes an electron gun unit that emits electrons, an input and output unit for high-frequency power, a high-frequency interaction unit, and a collector that captures used electrons.
  • the high-frequency interaction unit is composed of a plurality of resonance cavities arranged in the electron traveling direction.
  • the resonant cavity includes an input cavity that inputs high frequency power, an output cavity that outputs high frequency power, and a plurality of intermediate cavities between the input cavity and the output cavity.
  • a drift tube connects the electron gun unit and the high-frequency interaction unit, a plurality of resonance cavities constituting the high-frequency interaction unit, and the high-frequency interaction unit and the collector unit.
  • a klystron using a second harmonic cavity as one of a plurality of intermediate cavities in order to enhance the electron crowding effect and increase the efficiency.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a klystron with improved conversion efficiency to high-frequency power.
  • the klystron according to one embodiment A plurality of resonant cavities including an electron gun unit that emits electrons, an input cavity, a plurality of intermediate cavities, and an output cavity that are sequentially positioned along the direction of travel of electrons from the electron gun unit;
  • the plurality of intermediate cavities include a plurality of second harmonic cavities, the plurality of resonant cavities, a collector that captures electrons passing through the plurality of resonant cavities, the electron gun unit, and the input cavity And a plurality of drift tubes provided between the cylinder, between the plurality of resonant cavities, and between the output cavity and the collector.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic structure of the klystron 10.
  • the klystron 10 includes an electron gun portion A that emits electrons 11.
  • the electron gun section A includes a cathode 12a that generates electrons 11, an anode 12b that accelerates electrons 11, and the like.
  • a high-frequency interaction part B is provided in front of the electron gun part A in which the electrons 11 travel.
  • the high frequency interaction part B includes a cylindrical tube container 13 and a plurality of resonance cavities 14 formed in the tube container 13 and arranged along the traveling direction of the electrons 11.
  • the high frequency interaction part B includes, for example, ten resonance cavities 14a to 14j.
  • a collector 15 that captures the electrons 11 that have passed through the high-frequency interaction part B (resonance cavities 14a to 14j) is provided in front of the high-frequency interaction part B, which is the traveling direction of the electrons 11.
  • Drift tubes 16a to 16k are connected between the electron gun part A and the high-frequency interaction part B, between the plurality of resonance cavities 14a to 14j, and between the high-frequency interaction part B and the collector 15, respectively.
  • the tube container 13 constituting the resonance cavities 14a to 14j and the drift tubes 16a to 16k is made of, for example, copper.
  • an input part 17 for inputting high frequency power is connected to the resonant cavity 14a located on the electron gun part A side, and
  • An output unit 18 that outputs high-frequency power is connected to the resonance cavity 14j located on the collector 15 side.
  • the input unit 17 is a coaxial line
  • the output unit 18 is a waveguide.
  • the resonance cavity 14a located on the electron gun part A side is the input cavity 19
  • the resonance cavity 14j located on the collector 15 side is A plurality of resonant cavities 14b to 14i which are the output cavity 20 and are located between the input cavity 19 and the output cavity 20 are intermediate cavities 21b to 21i.
  • the drift tube 16a is provided between the electron gun section A and the input cavity 19.
  • the drift tube 16k is provided between the output cavity 20 and the collector 15.
  • Each of the drift tubes 16b to 16j is provided between a pair of adjacent resonant cavities among the plurality of resonant cavities 14a to 14j.
  • the intermediate cavities 21b to 21i include a plurality of fundamental wave cavities 22b, 22c, 22e, 22f, 22h and 22i, and a plurality of second harmonic cavities 23d and 23g.
  • the plurality of second harmonic cavities 23d and 23g are provided at arbitrary positions in the intermediate cavities 21b to 21i.
  • a plurality of fundamental wave cavities 22b and 22c are interposed between the second harmonic cavity 23d on the side close to the electron gun portion A and the input cavity 19, and the second harmonic cavity on the side close to the collector 15 is interposed.
  • a plurality of fundamental wave cavities 22h and 22i are interposed between the output cavity 20 and the output cavity 20, and a plurality of fundamental wave cavities 22e and 22f are interposed between the second harmonic cavities 23d and 23g. Intervene.
  • the number of resonant cavities 14a to 14j is 10
  • the number of intermediate cavities 21b to 21i is 8,
  • the number of second harmonic cavities 23d and 23g is 2.
  • second harmonic cavities 23d and 23g are respectively provided at every two positions of the intermediate cavities 21b to 21i with respect to the traveling direction of the electrons 11. Therefore, the intermediate cavities 21b, 21c, 21e, 21f, 21h, 21i are the fundamental cavities 22b, 22c, 22e, 22f, 22h, 22i, and the intermediate cavities 21d, 21g are the second harmonic cavities 23d, 23g.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a part of the tube container 13 of the klystron 10 and showing the second harmonic cavities 23d and 23g.
  • the second harmonic cavities 23d and 23g are fundamental cavity cavities 22b which are intermediate cavities 21b, 21c, 21e, 21f, 21h and 21i other than the second harmonic cavities 23d and 23g.
  • 22c, 22e, 22f, 22h, and 22i the shape is smaller. That is, the second harmonic cavities 23d and 23g have a smaller outer diameter OD and a narrower width in the direction of travel of electrons than the fundamental wave cavities 22b, 22c, 22e, 22f, 22h and 22i.
  • the gap (opening) 24 communicating with the drift pipes 16a to 16k is also formed with a small opening width.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a part of the tube container 13 of the klystron 10, and is a view for explaining the interval between the resonance cavities 14a to 14j.
  • FIG. 3 shows the relationship between the resonance cavities 14e and 14f as representative of the resonance cavities 14a to 14j, but the relationship between the other resonance cavities 14a to 14e and 14f to 14j is the same.
  • the resonant cavities 14e and 14f (14a to 14j) have a gap 24 communicating with the drift tubes 16e to 16g (16b to 16j).
  • the distance L between the centers of the gaps 24 of the adjacent resonant cavities 14e and 14f (14a to 14j) via the drift tube 16f (16b to 16j) is the distance between the resonant cavities 14e and 14f (resonant cavities 14a to 14j). Of the pair of adjacent resonant cavities 14).
  • the distance L is preferably 0.05 to 0.08 times the reduced plasma wavelength representing the wavelength.
  • the electrons 11 emitted from the electron gun section A are resonated cavity 14a (input cavity) on the electron gun section A side having an input section 17 for high-frequency power. It passes through the cylinder 19) and interacts with the plurality of resonance cavities 14b to 14j (the plurality of intermediate cavities 21b to 21i and the output cavity 20) in front of the cylinders 19).
  • the gathered electrons 11 are decelerated in the resonance cavity 14j (output cavity 20) on the collector 15 side, and are extracted from the output unit 18 as high-frequency power amplified to a target output.
  • the plurality of resonance cavities 14b to 14j include a plurality of second harmonic cavities 23d and 23g. Therefore, the second harmonic generated in the second harmonic cavities 23d and 23g is superimposed on the fundamental wave, and the clustering effect of the electrons 11 is enhanced.
  • the electrons 11 can be gradually gathered by, for example, ten resonance cavities 14a to 14j. Thereby, the spread of the gathered electrons 11 in the traveling direction is suppressed, and the speed is made uniform, so that the conversion efficiency into high-frequency power can be improved.
  • the total number of the resonance cavities 14a to 14j is preferably 10 or more in order to gradually gather the electrons 11.
  • the intermediate cavities 21b to 21i can include a plurality of second harmonic cavities 23d and 23g. Can be increased.
  • the total length of the klystron 10 can be shortened by using a plurality of second harmonic cavities 23d and 23g.
  • the plurality of intermediate cavities 21b to 21i are arranged along the traveling direction of the electrons 11. Two or more intermediate cavities 21 are interposed between the upstream second harmonic cavity 23 and the downstream second harmonic cavity 23 in the traveling direction of the electrons 11.
  • the plurality of intermediate cavities 21 (fundamental wave cavities 22) other than the plurality of second harmonic cavities 23 include the two or more intermediate cavities 21.
  • the plurality of second harmonic cavities 23d and 23g are connected to the second harmonic cavity 23d on the upstream side in the traveling direction of the electron 11 and the downstream side among the positions of the plurality of intermediate cavities 21b to 21i.
  • a plurality of intermediate cavities 21e and 21f are respectively provided between the second harmonic cavity 23g and the second harmonic cavity 23g.
  • the second harmonic cavities 23d and 23g are provided at the positions of the plurality of intermediate cavities 21b to 21i with respect to the traveling direction of the electrons 11, a plurality of second cavities are formed in the plurality of intermediate cavities 21b to 21i.
  • the harmonic cavities 23d and 23g are arranged at equal intervals, and the clustering effect of the electrons 11 can be further enhanced.
  • the second harmonic generated in the second harmonic cavities 23d and 23g is electrically coupled to the other resonant cavities 14a to 14c, 14e, 14f, and 14h to 14j.
  • the diameter (inner diameter) D of the drift tubes 16d, 16e, 16g, and 16h adjacent to the second harmonic cavities 23d and 23g is set to the cutoff frequency of the second harmonic TE11 mode electromagnetic wave. It is preferable to make it half or less of the diameter (inner diameter).
  • the distance L between the centers of the gaps 24 of the adjacent resonant cavities 14a to 14j through the drift tubes 16b to 16j is such that the density of the gathered electrons 11 propagates in the traveling direction.
  • the arrangement of the resonance cavities 14a to 14j can be optimized by setting 0.05 to 0.08 times the reduced plasma wavelength representing the wavelength.
  • any one of the resonance cavities 14a to 14j is used as the second harmonic cavity 23, and three or more second harmonic cavities 23 may be used.
  • the plurality of intermediate cavities 21 include three or more second harmonic cavities 23, two or more intermediate cavities 21 (fundamental cavity cavities) are disposed between a pair of adjacent second harmonic cavities 23. 22) is desirable.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the tube container 13 and the collector 15 of the klystron 10 of the second embodiment, and is a view for explaining the diameters of the drift tubes 16h to 16k.
  • the total number of the resonance cavities 14a to 14j is n, and between the nth resonance cavity 14j and the (n-1) th resonance cavity 14i, counted from the side close to the electron gun portion A.
  • the diameter Dc satisfies the following formula (1).
  • the drift tubes 16h to 16k satisfying the equation (1), the gathered electrons 11 can be gradually expanded in the diameter direction of the drift tubes 16h to 16k, and the electrons 11 are repelled by the space charge. Since it is possible to suppress spreading in the traveling direction, it is easy to improve the conversion efficiency into high-frequency power.
  • gradually increasing the diameter of the drift pipe 16 toward the side closer to the collector 15 is not limited to the drift pipes 16h to 16k located on the side closer to the collector 15, but any number of drifts among the drift pipes 16a to 16k.
  • the tube may be gradually widened toward the collector 15.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the tube vessel 13 and the collector 15 of the klystron 10 of the third embodiment, and shows the cavity cells 25a to 25c and the like.
  • the resonant cavity 14 j that is the output cavity 20 has three or more cavity cells 25.
  • the output cavity 20 has three cavity cells 25a to 25c.
  • the respective cavity cells 25a to 25c are electrically coupled by irises 26a and 26b provided along the tube axis of the klystron 10.
  • the electrical coupling between the resonant cavity 14j and the electrons 11 can be enhanced, thereby improving the conversion efficiency into high-frequency power. Becomes easy.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing the tube container 13 and the collector 15 of the klystron 10 of the fourth embodiment, and shows the cavity cells 25a to 25c and the like.
  • the cavity cells 25a to 25c are electrically coupled by coupling holes 27a and 27b provided on the wall surfaces of the cavity cells 25a to 25c.
  • the shapes of the coupling holes 27a and 27b are arbitrary.
  • the cavity cells 25a to 25c that are electrically coupled to each other can be used as the resonance cavity 14j (output cavity 20). Also in this case, since the electrical coupling between the resonance cavity 14j and the electrons 11 can be enhanced, it is easy to improve the conversion efficiency into high frequency power.
  • the electrons 11 gathered by the resonance cavities 14a to 14j are prevented from spreading in the traveling direction, and the speed is made uniform, thereby improving the conversion efficiency into high-frequency power.
  • the klystron 10 can be provided.

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Abstract

クライストロン（１０）は、電子銃部（Ａ）、複数の共振空胴（１４ａ）～（１４ｊ）、コレクタ（１５）、及び複数のドリフト管（１６ａ）～（１６ｋ）を備える。複数の共振空胴（１４ａ）～（１４ｊ）は、電子銃部（Ａ）からの電子（１１）の進行方向に沿って順に位置する入力空胴（１９）、複数の中間空胴（２１ｂ）～（２１ｉ）、および出力空胴（２０）を含む。複数の中間空胴（２１ｂ）～（２１ｉ）は複数の第２高調波空胴（２３ｄ），（２３ｇ）を含む。コレクタ（１５）は、複数の共振空胴（１４ａ）～（１４ｊ）を通過する電子（１１）を捕捉する。複数のドリフト管（１６ａ）～（１６ｋ）は、電子銃部（Ａ）と入力空胴（１９）との間、複数の共振空胴（１４ａ）～（１４ｊ）の間、および出力空胴（２０）とコレクタ（１５）との間に設けられる。

Description

クライストロン
　本発明の実施形態は、クライストロンに関する。
　クライストロンは、高周波電力の増幅に使用される電子管であり、電子を放出する電子銃部と、高周波電力の入力部および出力部と、高周波相互作用部と、使用済みの電子を捕捉するコレクタとを備えている。高周波相互作用部は、電子の進行方向に配列された複数の共振空胴から構成されている。共振空胴には、高周波電力を入力する入力空胴、高周波電力を出力する出力空胴、および入力空胴と出力空胴との間の複数の中間空胴が含まれる。電子銃部と高周波相互作用部との間、高周波相互作用部を構成する複数の共振空胴の間、高周波相互作用部とコレクタ部との間は、それぞれドリフト管で連結されている。
　このような構成のクライストロンにおいて、電子銃部から放出された電子は、入力空胴を通り、その先にある複数の中間空胴と相互作用して集群する。集群した電子の運動エネルギーは入力空胴から入力された高周波に付与され、出力空胴において集群した電子が減速されることにより、出力部より目的とする出力に増幅された高周波電力として取り出される。
　また、電子の集群効果を高め、高効率化するために、複数の中間空胴のうちの１つに第２高調波空胴を用いたクライストロンがある。
　しかし、クライストロンでは、集群した電子同士が空間電荷により反発しやすいため進行方向に広がりやすく、また電子の速度にばらつきがあるため、電子を出力空胴で均一に減速できず、高周波電力への変換効率を向上させることが難しいという課題がある。
特開昭５５－３３７１８号公報
　本発明が解決しようとする課題は、高周波電力への変換効率を向上させたクライストロンを提供することである。
　一実施形態に係るクライストロンは、
　電子を放出する電子銃部と、前記電子銃部からの電子の進行方向に沿って順に位置する入力空胴、複数の中間空胴、および出力空胴を含む複数の共振空胴であって、前記複数の中間空胴は複数の第２高調波空胴を含む、前記複数の共振空胴と、前記複数の共振空胴を通過する電子を補足するコレクタと、前記電子銃部と前記入力空胴との間、前記複数の共振空胴の間、および前記出力空胴と前記コレクタとの間に設けられる複数のドリフト管と、を具備する。
第１の実施形態のクライストロンの構造を示す断面図である。 図１に示したクライストロンの管容器の一部を示す断面図であり、第２高調波空胴などを示す図である。 図１に示したクライストロンの管容器の一部を示す断面図であり、共振空胴の間隔を説明するための図である。 第２の実施形態のクライストロンの管容器及びコレクタを示す断面図であり、ドリフト管の直径を説明するための図である。 第３の実施形態のクライストロンの管容器及びコレクタを示す断面図であり、空胴セルなどを示す図である。 第４の実施形態のクライストロンの管容器及びコレクタを示す断面図であり、空胴セルなどを示す図である。
　以下、第１の実施形態を、図１ないし図３を参照して説明する。
　図１は、クライストロン10の概略構造を示す断面図である。図１に示すように、クライストロン10は、電子11を放出する電子銃部Ａを備えている。電子銃部Ａは、電子11を発生する陰極12aや電子11を加速する陽極12b等を備えている。
　電子11の進行方向である電子銃部Ａの前方には、高周波相互作用部Ｂが設けられている。高周波相互作用部Ｂは、筒状の管容器13、およびこの管容器13に形成されていて電子11の進行方向に沿って配列された複数の共振空胴14を備えている。高周波相互作用部Ｂは、例えば１０個の共振空胴14a～14jを備えている。
　電子11の進行方向である高周波相互作用部Ｂのさらに前方には、高周波相互作用部Ｂ（共振空胴14a～14j）を通過した電子11を捕捉するコレクタ15が設けられている。
　電子銃部Ａと高周波相互作用部Ｂとの間、複数の共振空胴14a～14jの間、高周波相互作用部Ｂとコレクタ15との間は、それぞれドリフト管16a～16kで連結されている。共振空胴14a～14jおよびドリフト管16a～16kを構成する管容器13は、例えば銅を材質として形成されている。
　また、高周波相互作用部Ｂを構成する複数の共振空胴14a～14jのうち、電子銃部Ａ側に位置する共振空胴14aには、高周波電力を入力する入力部17が接続され、また、コレクタ15側に位置する共振空胴14jには、高周波電力を出力する出力部18が接続されている。例えば、入力部17は同軸線路であり、出力部18は導波管である。
　高周波相互作用部Ｂを構成する複数の共振空胴14a～14jのうち、電子銃部Ａ側に位置する共振空胴14aは入力空胴19であり、コレクタ15側に位置する共振空胴14jは出力空胴20であり、入力空胴19と出力空胴20との間に位置する複数の共振空胴14b～14iは中間空胴21b～21iである。
　上記のことから、ドリフト管16aは、電子銃部Ａと入力空胴19との間に設けられている。ドリフト管16kは、出力空胴20とコレクタ15との間に設けられている。ドリフト管16b～16jの各々は、複数の共振空胴14a～14jのうち隣り合う一対の共振空胴の間に設けられている。
　中間空胴21b～21iは、複数の基本波空胴22b，22c，22e，22f，22h，22i、および複数の第２高調波空胴23d，23gを含んでいる。複数の第２高調波空胴23d，23gは中間空胴21b～21iのうちの任意の位置に設けられる。電子銃部Ａに近い側の第２高調波空胴23dと入力空胴19との間には複数の基本波空胴22b，22cが介在し、コレクタ15に近い側の第２高調波空胴23gと出力空胴20との間には複数の基本波空胴22h，22iが介在し、さらに、これら第２高調波空胴23d，23gの間には複数の基本波空胴22e，22fが介在している。
　本実施形態では、共振空胴14a～14jの個数は１０個であり、中間空胴21b～21iの個数は８個であり、第２高調波空胴23d，23gの個数は２個である場合を示す。この場合、電子11の進行方向に対し、中間空胴21b～21iの２個おきの位置に第２高調波空胴23d，23gがそれぞれ設けられている。したがって、中間空胴21b，21c，21e，21f，21h，21iが基本波空胴22b，22c，22e，22f，22h，22iであり、中間空胴21d，21gが第２高調波空胴23d，23gである。
　図２はクライストロン10の管容器13の一部を示す断面図であり、第２高調波空胴23d，23gなどを示す図である。図２に示すように、第２高調波空胴23d，23gは、第２高調波空胴23d，23g以外の中間空胴21b，21c，21e，21f，21h，21iである基本波空胴22b，22c，22e，22f，22h，22iに比べて、形状が小さく形成されている。すなわち、第２高調波空胴23d，23gは、基本波空胴22b，22c，22e，22f，22h，22iに比べて、外径ＯＤが小さく、電子の進行方向における幅が狭く、空胴容積が小さく、ドリフト管16a～16k内に連通するギャップ（開口部）24の開口幅も小さく形成されている。
　図３はクライストロン10の管容器13の一部を示す断面図であり、共振空胴14a～14jの間隔を説明するための図である。なお、図３には、共振空胴14a～14jを代表して共振空胴14e，14fの関係を示すが、他の共振空胴14a～14e，14f～14jの関係も同様である。図３に示すように、共振空胴14e，14f（14a～14j）は、ドリフト管16e～16g（16b～16j）内に連通するギャップ24を有している。ドリフト管16f（16b～16j）を介して隣り合う共振空胴14e，14f（14a～14j）のギャップ24の中心間の間隔Ｌは、共振空胴14e，14fの間隔（共振空胴14a～14jのうち隣り合う一対の共振空胴14の間隔）である。集群した電子11の粗密が進行方向に伝搬するとき、その波長を表す低減プラズマ波長に対して、この間隔Ｌを０．０５～０．０８倍とすることが好ましい。
　図１に示すように、このように構成されたクライストロン10において、電子銃部Ａから放出された電子11は、高周波電力の入力部17をもつ電子銃部Ａ側の共振空胴14a（入力空胴19）を通り、その前方にある複数の共振空胴14b～14j（複数の中間空胴21b～21iおよび出力空胴20）と相互作用して集群する。集群した電子11がコレクタ15側の共振空胴14j（出力空胴20）において減速されることで、出力部18より目的とする出力に増幅された高周波電力として取り出される。
　複数の共振空胴14b～14jと相互作用によって電子11を集群する際、複数の共振空胴14b～14j（複数の中間空胴21b～21i）には複数の第２高調波空胴23d，23gが含まれるため、これら第２高調波空胴23d，23gで発生する第２高調波が基本波に重畳し、電子11の集群効果を高める。
　ここで、例えば５個の共振空胴を用いて電子を集群させた場合、各共振空胴での電子の集群度合が大きいため、集群した電子同士が空間電荷により反発し、電子がその進行方向に広がりやすく、また、電子の速度にばらつきがあるため、電子を出力部に接続された共振空胴（出力空胴）で均一に減速できず、高周波電力への変換効率を向上させることが難しい。
　それに対し、本実施形態では、例えば１０個の共振空胴14a～14jにより、電子11を徐々に集群させることができる。これにより、集群した電子11はその進行方向への広がりが抑えられ、速度が均一化されることで、高周波電力への変換効率を向上させることができる。なお、共振空胴14a～14jの総数は、電子11を徐々に集群させるために１０個以上であることが好ましい。
　さらに、例えば１０個の共振空胴14a～14jを用いることにより、中間空胴21b～21iは複数の第２高調波空胴23d，23gを含むことが可能となるため、電子11の集群効果をより高めることができる。それに加えて、複数の第２高調波空胴23d，23gを用いることにより、クライストロン10の全長を短くすることができる。
　複数の中間空胴21b～21iは、電子11の進行方向に沿って配置されている。電子11の進行方向における上流側の第２高調波空胴23と下流側の第２高調波空胴23との間に、２以上の中間空胴21が介在している。複数の中間空胴21b～21iのうち、複数の第２高調波空胴23以外の複数の中間空胴21（基本波空胴22）は、上記２以上の中間空胴21を含んでいる。
　本実施形態において、複数の第２高調波空胴23d，23gは、複数の中間空胴21b～21iの位置のうち、電子11の進行方向の上流側の第２高調波空胴23dと下流側の第２高調波空胴23gとの間に複数の中間空胴21e，21fが介在する位置にそれぞれ設けられている。これにより、電子11の集群効果をより高めることができる。
　電子11の進行方向に対し、中間空胴21b～21iの複数個おきの位置に第２高調波空胴23d，23gをそれぞれ設けることにより、複数の中間空胴21b～21i中に複数の第２高調波空胴23d，23gを均等間隔で配置し、電子11の集群効果をより高めることができる。
　図１及び図２に示すように、また、第２高調波空胴23d，23gで発生する第２高調波を他の共振空胴14a～14c，14e，14f，14h～14jと電気的に結合しないようにするために、第２高調波空胴23d，23gに隣接するドリフト管16d，16e，16g，16hの直径（内径）Ｄを、第２高調波のＴＥ１１モードの電磁波が遮断周波数となる直径（内径）の半分以下とすることが好ましい。
　図１及び図３に示すように、また、ドリフト管16b～16jを介して隣り合う共振空胴14a～14jのギャップ24の中心間の間隔Ｌは、集群した電子11の粗密が進行方向に伝搬するとき、その波長を表す低減プラズマ波長に対して、０．０５～０．０８倍とすることにより、共振空胴14a～14jの配置を最適化することができる。
　なお、共振空胴14a～14jのいずれを第２高調波空胴23とするかは任意であり、第２高調波空胴23を３つ以上用いてもよい。複数の中間空胴21が３以上の第２高調波空胴23を含んでいる場合、隣り合う一対の第２高調波空胴23の間に、２以上の中間空胴21（基本波空胴22）が介在している方が望ましい。
　次に、第２の実施形態のクライストロン10について、図４を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同じ構成については同じ符号を用い、その構成および作用効果の説明を省略する。
　図４は第２の実施形態のクライストロン10の管容器13及びコレクタ15を示す断面図であり、ドリフト管16h～16kの直径を説明するための図である。
　図４に示すように、共振空胴14a～14jの総数をｎとし、電子銃部Ａに近い側から数えてｎ番目の共振空胴14jとｎ－１番目の共振空胴14iとの間に位置するドリフト管16jの直径Ｄnと、ｎ－１番目の共振空胴14iとｎ－２番目の共振空胴14hとの間に位置するドリフト管16iの直径Ｄn-1と、ｎ－２番目の共振空胴14hとｎ－３番目の共振空胴14gとの間に位置するドリフト管16hの直径Ｄn-2と、ｎ番目の共振空胴14jとコレクタ15との間に位置するドリフト管16kの直径Ｄcとは、次の式(1)を満たす。
　Ｄn-2＜Ｄn-1＜Ｄn＜Ｄc・・・式(1)
　例えばドリフト管16h～16kの直径をそれぞれＤ8、Ｄ9、Ｄ10、Ｄcとすると、式(1)から、Ｄ8＜Ｄ9＜Ｄ10＜Ｄcの関係になる。
　そして、式(1)を満たすドリフト管16h～16kを用いることにより、集群した電子11をドリフト管16h～16kの直径方向に徐々に広げることができるようになり、電子11が空間電荷による反発で進行方向に広がることを抑えることができるため、高周波電力への変換効率の向上が容易となる。
　なお、コレクタ15に近付く側ほどドリフト管16の直径を徐々に広げることは、コレクタ15の近い側に位置するドリフト管16h～16kに限らず、ドリフト管16a～16kのうちの任意の複数のドリフト管をコレクタ15に近付く側ほど徐々に広げるようにしてもよい。
　次に、第３の実施形態のクライストロン10について、図５を参照して説明する。なお、各実施形態と同じ構成については同じ符号を用い、その構成および作用効果の説明を省略する。
　図５は第３の実施形態のクライストロン10の管容器13及びコレクタ15を示す断面図であり、空胴セル25a～25cなどを示す図である。
　図５に示すように、出力空胴20である共振空胴14jは、３つ以上の空胴セル25を有している。本実施形態において、出力空胴20は、３つの空胴セル25a～25cを有している。それぞれの空胴セル25a～25cは、クライストロン10の管軸に沿って設けられたアイリス26a，26bにより電気的に結合されている。
　そして、互いに電気的に結合した空胴セル25a～25cを共振空胴14jとして用いることにより、共振空胴14jと電子11との電気的な結合を高められるため、高周波電力への変換効率の向上が容易となる。
　次に、第４の実施形態のクライストロン10について、図６を参照して説明する。なお、各実施形態と同じ構成については同じ符号を用い、その構成および作用効果の説明を省略する。
　図６は第４の実施形態のクライストロン10の管容器13及びコレクタ15を示す断面図であり、空胴セル25a～25cなどを示す図である。
　図６に示すように、空胴セル25a～25cは、空胴セル25a～25cの壁面に設けられた結合孔27a，27bにより電気的に結合されている。この結合孔27a，27bの形状は任意である。
　そして、互いに電気的に結合した空胴セル25a～25cを共振空胴14j（出力空胴20）として用いることができる。この場合も、共振空胴14jと電子11との電気的な結合を高めることができるため、高周波電力への変換効率の向上が容易となる。
　以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、共振空胴14a～14jにより集群した電子11は進行方向への広がりが抑えられ、速度が均一化されることで、高周波電力への変換効率を向上させたクライストロン10を提供することができる。
　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (8)

  1. 　電子を放出する電子銃部と、
    　前記電子銃部からの電子の進行方向に沿って順に位置する入力空胴、複数の中間空胴、および出力空胴を含む複数の共振空胴であって、前記複数の中間空胴は複数の第２高調波空胴を含む、前記複数の共振空胴と、
    　前記複数の共振空胴を通過する電子を補足するコレクタと、
    　前記電子銃部と前記入力空胴との間、前記複数の共振空胴の間、および前記出力空胴と前記コレクタとの間に設けられる複数のドリフト管と、
    　を具備するクライストロン。
  2. 　前記複数の共振空胴の総数は１０以上である
    　請求項１記載のクライストロン。
  3. 　前記複数の中間空胴は、電子の進行方向に沿って配置され、
    　電子の進行方向における上流側の前記第２高調波空胴と下流側の前記第２高調波空胴との間に、２以上の中間空胴が介在し、
    　前記複数の中間空胴のうち、前記複数の第２高調波空胴以外の複数の中間空胴は、前記２以上の中間空胴を含んでいる、
    　請求項１記載のクライストロン。
  4. 　前記第２高調波空胴に隣接する前記ドリフト管の直径は、第２高調波のＴＥ１１モードの電磁波が遮断周波数となる直径の半分以下である
    　請求項１記載のクライストロン。
  5. 　各々の前記複数の共振空胴は、前記ドリフト管内に連通するギャップを有し、
    　前記複数の共振空胴のうち隣り合う一対の共振空胴の前記ギャップの中心間の間隔は、電子の低減プラズマ波長に対して０．０５～０．０８倍である
    　ことを特徴とする請求項１ないし４いずれか一記載のクライストロン。
  6. 　前記複数の共振空胴の総数をｎ、
    　前記電子銃部に近い側から数えてｎ番目の前記共振空胴とｎ－１番目の前記共振空胴との間に位置する前記ドリフト管の直径をＤn、
    　ｎ－１番目の前記共振空胴とｎ－２番目の前記共振空胴との間に位置する前記ドリフト管の直径をＤn-1、
    　ｎ－２番目の前記共振空胴とｎ－３番目の前記共振空胴との間に位置する前記ドリフト管の直径をＤn-2、
    　ｎ番目の前記共振空胴と前記コレクタとの間に位置する前記ドリフト管の直径をＤc、とすると、
    　Ｄn-2＜Ｄn-1＜Ｄn＜Ｄcである
    　請求項１記載のクライストロン。
  7. 　前記出力空胴は３個以上の空胴セルにより構成され、前記ドリフト管の長手方向に設けられたアイリスまたは前記空胴セルの壁面に設けられた結合孔により、前記空胴セルが互いに電気的に結合している
    　請求項１ないし６のいずれか一記載のクライストロン。
  8. 　前記空胴セルの総数は３である
    　請求項７記載のクライストロン。
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