(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを射出する電子銃と、この電子銃から射出された電子ビームを軸方向磁場により旋回運動させる電子銃部用磁場発生手段と、旋回運動する電子ビームを軸方向磁場により軸方向の速度を減少させる空胴共振器用磁場発生手段と、軸方向の速度が減少した電子ビームと固有モードで共振している高周波電磁場との間でサイクロトロン共鳴メーザ作用を起こさせる空胴共振器と、この空胴共振器内を通過した電子ビームを回収するコレクタと、サイクロトロン共鳴メーザ作用により発生したマイクロ波又はミリ波を外部に取り出す出力窓と、上記電子銃部内と上記空胴共振器内との少なくとも一方の磁束密度にパルス状の変動磁場を重畳して変調させる補助電磁石と、この補助電磁石にパルス状の電流を給電し、マイクロ波又はミリ波の平均出力パワーを変化させる補助電磁石用電源とを備えたことを特徴とするジャイロトロン装置。
【請求項２】
上記補助電磁石用電源が給電する電流のパルス幅を可変としたことを特徴とする請求項１に記載のジャイロトロン装置。
【請求項３】
上記補助電磁石用電源が給電する電流の周期を可変としたことを特徴とする請求項１又は２に記載のジャイロトロン装置。
【請求項４】
上記補助電磁石用電源が給電する電流の波高値を可変としたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のジャイロトロン装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビームと空胴共振器の固有モードの高周波電磁場との間の電子サイクロトロン共鳴メーザ作用を利用し、マイクロ波またはミリ波を発生するジャイロトロン装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電子サイクロトロン共鳴メーザ相互作用を利用したジャイロトロン装置は、例えば、特開昭５６−１０２０４５号公報に示されている。このジャイロトロン装置の断面構成およびこれをパルス動作させるための電源装置の概略構成を図２６に示す。
図２６において、１は電子ビーム９を放出する電子銃であり、２はカソード、３はカソード２上の電子放出部、４は第１アノード、５は第２アノードである。ここに示した電子銃においては、第１アノード４と第２アノード５間に絶縁が施され、このような電子銃は３極型電子銃と呼ばれる。６は電子ビーム９と高周波電磁場とが共鳴的に相互作用を起こし、高周波１０を発生する空胴共振器、７は相互作用を終えた電子ビーム９を回収するコレクタ、８は高周波１０を取り出す出力窓である。ジャイロトロン装置３００は、電子銃１，空胴共振器６，コレクタ７，出力窓８などから構成されるジャイロトロン２００と、電子ビーム９に旋回運動を起こさせるため、ジャイロトロン２００の軸方向に磁場を発生する空胴共振器用磁場発生電磁石１１および電子銃部用磁場発生電磁石１２とにより構成される。この空胴共振器用磁場発生電磁石１１をここでは主磁場発生電磁石と称する。
【０００３】
また、２６の波線で囲まれた部分はパルスビーム電源であり、２０はコンデンサバンク、２１はコンデンサバンク２０を充電する充電器、２２はジャイロトロン２００内の電子ビーム９を加速するための電圧であるビーム電圧をスイッチングする制御管、２３はパルス波形発生器、２５ａ，２５ｂは第１アノード４に電圧を印加するための分圧抵抗である。ただし、分圧抵抗２５ａ，２５ｂの代わりに真空管を用いて第１アノード４に印加される電圧を制御する場合もある。
【０００４】
図２６では３極型電子銃を採用したジャイロトロン２００を示したが、特開平８−２０３４４１号公報で示された２極型電子銃を採用したジャイロトロンもある。このジャイロトロン装置を示す断面構成およびこれをパルス動作させるための電源装置の概略構成を図２７に示す。
図２７において、１４は３極型電子銃の場合の第１アノードと第２アノードの役割を同時に行うアノードである。また、電源装置においては分圧抵抗が省かれて、簡単な回路構成となっている。
図２６に示した３極型電子銃も、図２７に示した２極型電子銃も、ジャイロトロンの発振に必要な電子ビームを放出する点で働きは同じである。
【０００５】
次に動作について説明する。電子銃１のカソード上の電子放出部３から射出された電子ビームは、３極型電子銃ではカソード２・第１アノード４間の電界により、また２極型電子銃ではカソード２・アノード１４間の電界により加速され、電子銃部磁場発生電磁石１２によって発生された磁場により、旋回運動しながら軸方向にドリフトする。さらに、主磁場発生電磁石１１によって発生された強力な磁場によって電子ビーム９は圧縮され、電子は磁場に対して垂直方向の速度を増大させ、磁場に対して平行方向速度を減少させながら、空胴共振器６に入る。前記主磁場発生電磁石１１が発生する軸方向磁場によってサイクロトロン運動している電子は、通常円筒状空胴からなる空胴共振器６における固有モードの高周波電磁場とサイクロトロン共鳴メーザ相互作用し、電子の磁場に対して垂直方向の速度成分による運動エネルギーの一部は高周波エネルギーに変換される。空胴共振器６で相互作用を終えた電子ビームは、コレクタ７に回収され、空胴共振器６で励起された高周波は、出力窓８を透過して外部に取り出される。
【０００６】
空胴共振器６において電子のエネルギーが効率的に高周波電磁場のエネルギーに変換されるのは、式（１）が成り立つ時である。
【０００７】
【数１】
0003622423.tif 000002
【０００８】
ここで、ωは空胴共振器６における固有モードの電磁場の共振角周波数、ｋｚ  は固有モードの軸方向波数、ｖｚ  は電子の軸方向速度、ｓは高調波次数、Ωｃ  は相対論的効果を考慮した電子のサイクロトロン角周波数である。
【０００９】
電子の電荷をｅ（絶対値）、空胴共振器６内での軸方向磁束密度をＢ、相対論的係数をγ、電子の静止質量をｍ０  とすると、Ωｃ  は式（２）で与えられる。
Ωｃ  ＝ｅＢ／γｍ０                            ・・・（２）
式（１）からわかるように、電子のエネルギーが効率的に高周波電磁場のエネルギーに変換され、強力な電磁波が発生するのは、式（１）の右辺が左辺より僅かに小さい時である。
【００１０】
また、ビーム電圧をＶｂ  ［ｋＶ］とすると、相対論的係数γは式（３）で与えられる。
γ＝１＋Ｖｂ  ／５１１                        ・・・（３）
このようにジャイロトロン装置においては、磁場が発振のために本質的な役割を果たしている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来のジャイロトロン装置では、ジャイロトロンをパルス動作させるために、図２６，図２７に示したようなパルスビーム電源２６を用いていた。このようなパルスビーム電源では、数十ｋＶにおよぶ加速電圧をスイッチングしてジャイロトロンをパルス動作させるが、パルスビーム電源２６は上記のように加速電圧をスイッチングする制御管２２や大容量のコンデンサバンク２０を必要とするため、同等の電圧を発生する直流電源に比較して高価であるという問題点があった。
【００１２】
本発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、低価格な直流のビーム電源を用い、ジャイロトロンの出力パワーをパルス的に変化させることができるジャイロトロン装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の構成に係るジャイロトロン装置は、電子ビームを射出する電子銃と、この電子銃から射出された電子ビームを軸方向磁場により旋回運動させる電子銃部用磁場発生手段と、旋回運動する電子ビームを軸方向磁場により軸方向の速度を減少させる空胴共振器用磁場発生手段と、軸方向の速度が減少した電子ビームと固有モードで共振している高周波電磁場との間でサイクロトロン共鳴メーザ作用を起こさせる空胴共振器と、この空胴共振器内を通過した電子ビームを回収するコレクタと、サイクロトロン共鳴メーザ作用により発生したマイクロ波又はミリ波を外部に取り出す出力窓と、上記電子銃部内と上記空胴共振器内との少なくとも一方の磁束密度にパルス状の変動磁場を重畳して変調させる補助電磁石と、この補助電磁石にパルス状の電流を給電し、マイクロ波又はミリ波の平均出力パワーを変化させる補助電磁石用電源とを備えたものである。
【００１５】
また、本発明の第２の構成に係るジャイロトロン装置は、第１の構成において、上記補助電磁石用電源が給電する電流のパルス幅を可変としたものである。
【００１６】
また、本発明の第３の構成に係るジャイロトロン装置は、第１又は第２の構成において、上記補助電磁石用電源が給電する電流の周期を可変としたものである。
【００１７】
また、本発明の第４の構成に係るジャイロトロン装置は、第１ないし第３のいずれかの構成において、上記補助電磁石用電源が給電する電流の波高値を可変としたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について説明する。図１は実施の形態１によるジャイロトロン装置を示す図である。図において、１は電子ビーム９を放出する電子銃、２はカソード、３はカソード２上の電子放出部、４は第１アノード、５は第２アノードである。ここに示した電子銃１においては、第１アノード４と第２アノード５間に絶縁が施されており、このような電子銃は３極型電子銃と呼ばれる。６は電子ビーム９と高周波電磁場とが共鳴的に相互作用を起こし、高周波１０を発生する空胴共振器、７は相互作用を終えた電子ビーム９を回収するコレクタ、８は高周波１０を取り出す出力窓である。ジャイロトロン装置３００は、電子銃１，空胴共振器６，コレクタ７，出力窓８などによりなるジャイロトロン２００と、電子ビーム９に旋回運動を起こさせるため、ジャイロトロン２００の軸方向に磁場を発生する空胴共振器用磁場発生手段である空胴共振器用磁場発生電磁石１１および電子銃部用磁場発生手段である電子銃部用磁場発生電磁石１２とにより構成される。この空胴共振器用磁場発生電磁石１１をここでは主磁場発生電磁石と称する。
【００１９】
また、２７はジャイロトロン２００中で電子ビーム９を加速するためのビーム電圧を供給する直流ビーム電源、３０は空胴共振器６内に磁場を発生する補助電磁石、３１は主磁場発生電磁石１１に電流を流す直流電源、３２は補助電磁石３０にパルス状の電流を流す補助電磁石用電源である。ここで、主磁場発生電磁石１１が発生する磁場を定常磁場と呼ぶこととする。
電子銃１のカソード２・第１アノード４間、およびカソード２・第２アノード５間には直流ビーム電源２７および分圧抵抗２５ａ，２５ｂによって、それぞれ電圧が印加されており、電子銃１から直流の電子ビーム９が放出されている。
【００２０】
ビーム電圧およびビーム電流を一定としたときの、ジャイロトロンの出力パワー（縦軸）と空胴共振器６内の軸方向磁場の磁束密度（横軸）との関係を図２に示す。空胴共振器６内の軸方向磁場の磁束密度Ｂから、式（２）の関係で決まる電子のサイクロトロン周波数Ωｃ  が、式（１）を満たすとき、空胴共振器６内で電子ビーム９と高周波電磁界とが相互作用し、強力な電磁波が発生する。その磁束密度の最適値がＢ１  であり、このとき最大出力パワーＰ１  が得られる。最大出力パワーを与える磁束密度Ｂ１  は、電子ビームの加速電圧や、電子ビーム電流に依存する。磁束密度をＢ１  から大きくすると、電子ビーム９と高周波電磁界との相互作用は徐々に弱くなり、それに伴なってジャイロトロン２００の出力パワーも低下する。そして、磁束密度がＢ２  のときにはジャイロトロン２００の出力パワーはＰ２  となる。この場合でも式（１）は満たされているが、さらに磁束密度をあげて、相互作用により電子ビーム９のエネルギーのうち高周波電磁界へ変換されるエネルギーが、空胴共振器６の電気的特性から決まる損失よりも小さくなると発振が停止し、出力パワーは零となる。
即ち、空胴共振器６内の軸方向磁場の磁束密度Ｂを制御すれば、ジャイロトロン２００の出力パワーを制御することができる。
【００２１】
ただし、空胴共振器６内の軸方向磁場の磁束密度をＢ１  より小さくすることによってもジャイロトロン２００の出力パワーを小さくすることが可能であるが、Ｂ１  より磁束密度の大きな領域の方が、より安定にジャイロトロン２００の出力パワーを制御できるため、本実施の形態ではＢ１  より磁束密度の大きな領域を利用している。
【００２２】
ここで、磁束密度Ｂ１  と磁束密度Ｂ２  の差は、Ｂ１  またはＢ２  に対して２％程度の大きさであり、空胴共振器６内の磁束密度を僅かに変化させるだけで、ジャイロトロンの出力パワーを大きく変化させることができる。
このように、空胴共振器６内の軸方向磁場の磁束密度を僅かに変化させることを本明細書において、変調と呼ぶ。
【００２３】
即ち、空胴共振器６内の磁束密度と出力パワーには、図２に示すような関係があり、特に空胴共振器６内の磁束密度の僅かな変化で、ジャイロトロンの出力パワーの大きな変化を得ることができる。このことから、例えば空胴共振器６内の軸方向磁場の磁束密度を図３に示すようにパルス的に変化させれば、ジャイロトロンの出力パワーを図４のようにパルス的に変化させることが可能である。
ここで、図３は、横軸に時間、縦軸に空胴共振器６内の軸方向磁場の磁束密度を示すグラフであり、図４は、横軸に時間、縦軸に出力パワーを示すグラフである。
【００２４】
以下に、空胴共振器６内の磁束密度を変調することにより、ジャイロトロン２００の出力パワーを変化させるための制御方法について、さらに具体的に説明する。
主磁場発生電磁石１１は、図５に示すように、ジャイロトロンの最大出力パワーＰ１  に対応する磁束密度Ｂ１  を時間的に一定の定常磁場として発生しており、そのために必要な直流電流は直流電源３１から供給される。補助電磁石３０は図６に示すようなＢ１  とＢ２  の差に相当する磁場（Ｂ２−Ｂ１）を発生する。このために必要なパルス状の電流は補助電磁石用電源３２から供給される。その結果、主磁場発生電磁石１１による定常磁場（Ｂ１  ）に、補助電磁石３０によるパルス状の変動磁場が重畳され、空胴共振器６内の軸方向磁場の磁束密度は図７に示すように図３と同様、Ｂ１  とＢ２  の間でパルス的に変化することになる。従って、図４に示したように、ジャイロトロンの出力パワーをＰ１  とＰ２  の間でパルス的に変化させることができる。
【００２５】
ここで、補助電磁石３０の発生する磁場は、Ｂ１  とＢ２  の差に相当する弱い磁場であるから、それに必要な補助電磁石用電源３２は小さい容量のものでよく、パルス電源で構成することが可能である。従って、この実施の形態の構成と制御方法によれば、高電圧を必要とする直流ビーム電源２７および大容量を必要とする主電磁石用の直流電源３１はいずれも直流電源でよく、小容量の補助電磁石用電源３２のみをパルス状に変化させればよいので、装置を安価に構成することができ、制御が容易となる。また、小容量のパルス電源は容易に高速制御が可能である。
【００２６】
このように、補助電磁石３０にパルス状の電流を流すことによりジャイロトロンの出力パワーをパルス的に変化させるようにすると、マイクロ波の平均出力パワーの制御が可能となる。
以下に、マイクロ波の平均出力パワーを制御する具体例として、補助電磁石３０に流す補助電磁石用電源３２のパルス状の電流のパルス幅を可変にした制御について説明する。
例えば、図８（ａ）〜（ｃ）は補助電磁石３０に流す補助電磁石用電源３２の電流波形を示すグラフであり、横軸に時間、縦軸に電流を示す。図８に示すように、補助電磁石用電源３２が補助電磁石３０に流すパルス状電流のパルス幅τをτ１  （図８（ａ）），τ２  （図８（ｂ）），τ３  （図８（ｃ））のように変化させ、パルスの周期ｔはｔ１  で一定とする。ただし、Ｉ１  は補助電磁石３０が磁束密度Ｂ２−Ｂ１の磁場を発生するために必要な電流である。この結果、ジャイロトロンの出力パワーの波形は図９（ａ）〜図９（ｃ）に示すようになる。即ち、一周期ｔ１  中で、ジャイロトロンの出力パワーがＰ２  である時間がτ１  からτ３  まで変化し、平均出力パワーの制御が可能となる。また、このようなパルス幅を変える操作は短時間で行えるので、ジャイロトロンの平均出力パワーを短時間で変化させることができるという利点がある。
【００２７】
また、マイクロ波の平均出力パワーを制御する他の具体例として、補助電磁石３０に流す補助電磁石用電源３２のパルス状の電流の周期を可変にした制御について説明する。
例えば、図１０（ａ）〜（ｃ）は補助電磁石３０に流す補助電磁石用電源３２の電流波形を示すグラフであり、横軸に時間、縦軸に電流を示す。図１０に示すように、補助電磁石用電源３２が補助電磁石３０に流すパルス状電流の周期ｔをｔ２  （図１０（ａ）），ｔ３  （図１０（ｂ）），ｔ４  （図１０（ｃ））のように変化させ、パルス幅τはτ４  で一定とする方法でもよい。ここで、図８と同様、Ｉ１  は補助電磁石３０が磁束密度Ｂ２−Ｂ１の磁場を発生するために必要な電流である。この結果、ジャイロトロンの出力パワーの波形は図１１（ａ）〜図１１（ｃ）に示すようになる。即ち、ジャイロトロンの出力パワーがＰ２  である時間がτ４  で一定で、出力パワーがＰ１  である時間（ｔ−τ）が変化する結果、平均出力パワーの制御が可能となる。このようにしても、ジャイロトロンの平均出力パワーを短時間で変化させることができる。
【００２８】
また、マイクロ波の平均出力パワーを制御するさらに他の具体例として、補助電磁石３０に流す補助電磁石用電源３２のパルス状の電流の波高値を可変にした制御について説明する。
例えば、図１２（ａ）〜（ｃ）は補助電磁石３０に流す補助電磁石用電源３２の電流波形を示すグラフで、横軸に時間、縦軸に電流を示す。図１２に示すように、補助電磁石用電源３２が補助電磁石３０に流すパルス状電流の波高値Ｉｘ  を変化させ、パルス幅τおよび周期ｔは一定とする方法でもよい。ここで、図８と同様、Ｉ１  は補助電磁石３０が磁束密度Ｂ２−Ｂ１の磁場を発生するために必要な電流であり、波高値Ｉｘ  は０からＩ１  の範囲内で変化させている。この結果、ジャイロトロンの出力パワーの波形は図１３（ａ）〜図１３（ｃ）に示すようになる。即ち、ジャイロトロンの出力パワーの最大値はＰ１  であるが、出力パワーの最小値（図１３（ａ）〜（ｃ）におけるＰｘ  ）が変化する結果、平均出力パワーの制御が可能となる。このようにしても、ジャイロトロンの平均出力パワーを短時間で変化させることができる。
【００２９】
以上では、３極型電子銃を採用したジャイロトロンについて述べてきたが、２極型電子銃を採用したジャイロトロンについても同様である。
【００３０】
このように、補助電磁石３０および補助電磁石用電源３２を用いて空胴共振器６内の磁束密度を変調することにより、安価な直流ビーム電源２７および主磁場発生用直流電源３１で、連続発振動作のみならずパルス動作が可能なジャイロトロンを得ることができる。その結果、例えば大きな平均電力が必要な場合は、連続発振動作を行い、平均電力は小さくてよいが瞬間的に大きな電力が必要な場合は、パルス動作を行うなど、それぞれの運転方式の特徴を生かした利用が可能となる。従って、ジャイロトロンを工業用に利用する場合の様々な要求に対して、１つの直流ビーム電源で対応できるため、低コスト化が可能であり、コストパフォーマンスも高いジャイロトロン装置が実現できる。
【００３１】
また、補助電磁石用電源３２が補助電磁石３０に流すパルス状の電流の、パルス幅、周期、波高値のうちのいずれかを可変にしたり、または組み合わせて可変にすることにより、平均出力パワーの制御が可能であり、短時間で平均出力パワーを変化させることができ、操作性が良好になる。
【００３２】
さらに、本実施の形態によれば、ジャイロトロン装置の性能試験時の安全性の向上も図ることができる。
即ち、工業用としてジャイロトロンを用いるには、ジャイロトロンからマイクロ波の被供給装置までマイクロ波の伝送系を組む必要があるが、このマイクロ波伝送系のコンポーネントであるモード変換器やモードフィルタ、マイターベンドなどの性能試験を、直流ビーム電源装置を用いながら平均出力パワーの小さいパルス発振動作で行うことができる。これは、伝送系の性能試験上、大変都合がよい。なぜなら、例えば伝送系に不備があって、マイクロ波の反射が大きい場合でも、平均出力パワーを小さく制御することができればジャイロトロンに重大な損傷を与えることがないからである。
また、例えば、モード変換器によって変換されたマイクロ波の電力密度分布を測定する方法として、マイクロ波をマイクロ波吸収体に照射して発熱させ、吸収体表面の温度分布を赤外線カメラなどで測定するという方法がある。この場合でも、マイクロ波の平均電力が大きければマイクロ波吸収体が過度に発熱するが、平均電力が小さければそのような恐れは無く、簡単に電力密度分布の測定が可能となる。
【００３３】
実施の形態２．
実施の形態１では、主磁場発生電磁石１１が磁束密度Ｂ１  の磁場を定常磁場として空胴共振器６内に発生するように構成し、発振効率の高い連続発振動作を通常の運転状態とした。これに対し、実施の形態２では、主磁場発生電磁石１１が磁束密度Ｂ２  の磁場を定常磁場として空胴共振器６内に発生するように構成し、発振効率の低い連続発振動作を通常の運転状態とする。
【００３４】
実施の形態２における装置構成は、図１と同様である。主磁場発生電磁石１１は、図１４に示すように、ジャイロトロンの小出力運転状態に対応する磁束密度Ｂ２  を時間的に一定の定常磁場として発生しており、そのために必要な直流電流は直流電源３１から供給される。補助電磁石３０は、図１５に示すようなＢ１  とＢ２  の差に相当する磁場−（Ｂ２−Ｂ１）を発生する。即ち、補助電磁石３０が、主磁場発生電磁石１１の発生する磁場に対して逆方向の磁場を発生するように、パルス状の電流を補助電磁石用電源３２より供給する。その結果、主磁場発生電磁石１１による定常磁場（Ｂ２  ）に、補助電磁石３０によるパルス状の変動磁場が重畳され、空胴共振器６内の軸方向磁場の磁束密度は、図１６に示すように変化し、図３と同様にＢ１  とＢ２  の間でパルス的に変化することになる。従って、図４に示したように、ジャイロトロンの出力パワーをＰ１  とＰ２  の間でパルス的に変化させることができる。
【００３５】
また、このように構成した場合、補助電磁石３０に電流を流さない通常の運転状態では、空胴共振器６内の磁束密度は小出力運転に対応するＢ２  となる。このため、ジャイロトロンの通常運転時には、小さな出力パワーＰ２  を出力したり、または主磁場発生電磁石１１によって発生される磁束密度をＢ２  より大きく選ぶことによって、マイクロ波を放出しない状態とすることも可能である。
【００３６】
また、実施の形態２においても、実施の形態１と同様にマイクロ波の平均出力パワーを制御することができる。そのためには、補助電磁石３０に流すパルス状電流の波形を、以下に説明するように制御すればよい。
例えば、図１７（ａ）〜図１７（ｃ）に示すように、補助電磁石用電源３２が補助電磁石６に流すパルス状電流のパルス幅τを、τ５  からτ７  のように変化させ、それらの周期ｔはｔ５  で一定とする。ただし、−Ｉ１  は補助電磁石６が−（Ｂ２−Ｂ１  ）の磁束密度の磁場を発生するために必要な電流である。ここで、電  流Ｉ１  の負符号は、補助電磁石６が発生する磁場の向きが、主磁場発生電磁石１１が発生する磁場の向きと逆方向であるように、電流を流すことを意味する。その結果、ジャイロトロンの出力パワーの波形は、図１８（ａ）〜図１８（ｃ）のように変化することになる。即ち、一周期ｔ５  中で、ジャイロトロンの出力パワーがＰ１  である時間がτ５  からτ７  まで変化し、平均出力パワーの制御が可能となる。このような操作は短時間で行えるので、ジャイロトロンの平均出力パワーを短時間で変化させることが可能であるという利点がある。
【００３７】
また、図１９（ａ）〜図１９（ｃ）に示すように、補助電磁石用電源３２が補助電磁石３０に流すパルス状電流の周期ｔをｔ６  からｔ８  に変化させ、パルス幅はτ８  で一定とする方法でもよい。この場合は、ジャイロトロンの出力パワーの波形は図２０（ａ）〜図２０（ｃ）のようになり、ジャイロトロンの出力パワーのパルス幅はτ８  で一定であり、周期がｔ６  からｔ８  に変化する。この結果、平均出力パワーの制御が可能となる。この方法でも短時間でジャイロトロンの平均出力パワーを変化させることができる。
【００３８】
また、図２１（ａ）〜図２１（ｃ）に示すように、補助電磁石用電源３２が補助電磁石３０に流すパルス状電流のパルス幅τ９  および周期ｔ９  を一定として、波高値Ｉｙ  を０から−Ｉ１  の範囲内で変化させてもよい。この場合、ジャイロトロンの出力波形は図２２（ａ）〜図２２（ｃ）のようになり、出力パワーＰｙ  を変化させることによって、平均出力パワーを変化させている。この方法でも短時間でジャイロトロンの平均出力パワーを変化させることができる。
【００３９】
本実施の形態によれば、実施の形態１と同様の効果が得られる上に、ジャイロトロンの小出力状態を通常の運転状態としているので、例えば、伝送系のコンポーネントのマイクロ波反射率が設計通りであることを確認しながら、またはマイクロ波の遮蔽が十分に行われていることを確認しながら平均電力を徐々に大きくするといったことも可能となる。このため、伝送系でマイクロ波の反射がある場合でも、ジャイロトロンへのマイクロ波電力の熱的原因による損傷を未然に防止することが可能となり、運転の安全性が向上する。
【００４０】
実施の形態３．
実施の形態１，実施の形態２では、定常磁場を発生するために主磁場発生電磁石および電子銃部磁場発生電磁石などの電磁石を利用したジャイロトロンに関して説明した。本実施の形態では、電磁石の代わりに永久磁石によって定常磁場を発生する構成のジャイロトロンに適用したものを示す。例えば特開平７−３０７１３２号公報や特開平８−２０３４４１号公報に示されたジャイロトロンの断面構成を図２３に示す。図において、３６ａ〜３６ｈは永久磁石である。この永久磁石３６ａ〜３６ｈは、実施の形態１，２における主磁場発生電磁石１１と電子銃用磁場発生電磁石１２の機能を兼ねており、空胴共振器６の磁場微調整電磁石３５ａおよび電子銃１の磁場微調整電磁石３５ｂを組み合わせて用いている。
【００４１】
本実施の形態においても、補助電磁石３０および補助電磁石用電源を用いてパルス的に変化する磁場を発生させることにより、上記実施の形態１および実施の形態２と同様にジャイロトロンをパルス動作させることができる。ただし、図２３では補助電磁石用電源，空胴共振器６の磁場微調整電磁石３５ａに電流を流すための電源，電子銃１の磁場微調整電磁石３５ｂに電流を流すための電源，およびビーム電源は省略している。
【００４２】
永久磁石３６ａ〜３６ｈの発生磁場の磁束密度は、永久磁石３６ａ〜３６ｈの温度変化や経年変化により変化する。このため、永久磁石３６ａ〜３６ｈのみで常に一定の磁束密度の定常磁場を発生させることは現実的には不可能である。そこで、発生磁場を微調整するために、直流磁場を発生する磁場微調整電磁石３５ａ，３５ｂを併用して、定常磁場を発生させることが必要となる。しかし、磁場微調整電磁石３５ａ，３５ｂが発生すべき磁場の磁束密度は、永久磁石３６ａ〜３６ｈが発生している磁場の磁束密度の５％程度以下であるため、消費電力の小さい小型の直流電源を要するのみである。さらに、永久磁石３６ａ〜３６ｈは励磁電源や冷却装置を必要としない。従って、ジャイロトロン装置の全体をコンパクトにできると同時に、運転コストを低減することができる。
【００４３】
実施の形態４．
実施の形態１〜実施の形態３では全て空胴共振器内の磁場に関して述べてきたが、電子銃部の磁場についても同様の方法が適用できる。ただし、電子銃部の磁場を変化させたときのジャイロトロンの出力パワーが変化する理由は、空胴共振器６内の磁場を変化させる場合とは異なる。
空胴共振器６において、電子の磁場に対して垂直方向の速度の大きさは、電子の加速電圧，電子銃の電極形状，および磁場の圧縮比（空胴共振器内の磁場と電子銃部の磁場の比）により決定される。ジャイロトロンの出力パワーは電子の磁場に対して垂直方向の速度による運動エネルギーが源となっているため、一般的にこれが大きいほど、大きなジャイロトロンの出力パワーが得られる。従って、電子の加速電圧，電子銃の電極形状，および空胴共振器６内の磁場が一定の場合には、電子銃部の磁場を変化させることによって、ジャイロトロンの出力パワーを変化させることが可能である。
【００４４】
電子銃部の磁場の磁束密度と出力パワーの関係は、図２４に示すように、空胴共振器６内の磁場を変化させた場合（図２）と同じような傾向がある。図において、横軸は電子銃部の磁場の磁束密度、縦軸は出力パワーを示している。
従って、図２５のように電子銃部に補助電磁石３７を設け、これにパルス状の電流を流すための電源（図示せず）を接続して、実施の形態１，２で示した方法を電子銃磁場に対して適用すれば、同様に安価な直流ビーム電源を用いながらジャイロトロンをパルス的に動作させることが可能となり、実施の形態１，２と同様の効果が得られる。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように本発明の第１の構成によれば、電子ビームを射出する電子銃と、この電子銃から射出された電子ビームを軸方向磁場により旋回運動させる電子銃部用磁場発生手段と、旋回運動する電子ビームを軸方向磁場により軸方向の速度を減少させる空胴共振器用磁場発生手段と、軸方向の速度が減少した電子ビームと固有モードで共振している高周波電磁場との間でサイクロトロン共鳴メーザ作用を起こさせる空胴共振器と、この空胴共振器内を通過した電子ビームを回収するコレクタと、サイクロトロン共鳴メーザ作用により発生したマイクロ波又はミリ波を外部に取り出す出力窓と、上記電子銃部内と上記空胴共振器内との少なくとも一方の磁束密度にパルス状の変動磁場を重畳して変調させる補助電磁石と、この補助電磁石にパルス状の電流を給電し、マイクロ波又はミリ波の平均出力パワーを変化させる補助電磁石用電源とを備えたことにより、低価格な直流のビーム電源を用い、ジャイロトロンの出力パワーをパルス的に変化させることができるジャイロトロン装置が得られる。
【００４７】
また、本発明の第２の構成によれば、第１の構成において、上記補助電磁石用電源が給電する電流のパルス幅を可変としたことにより、低価格な直流のビーム電源を用い、ジャイロトロンの出力パワーをパルス的に変化させることができるジャイロトロン装置が得られる。
【００４８】
また、本発明の第３の構成によれば、第１又は第２の構成において、上記補助電磁石用電源が給電する電流の周期を可変としたことにより、低価格な直流のビーム電源を用い、ジャイロトロンの出力パワーをパルス的に変化させることができるジャイロトロン装置が得られる。
【００４９】
また、本発明の第４の構成によれば、第１ないし第３のいずれかの構成において、上記補助電磁石用電源が給電する電流の波高値を可変としたことにより、低価格な直流のビーム電源を用い、ジャイロトロンの出力パワーをパルス的に変化させることができるジャイロトロン装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１によるジャイロトロン装置を示す断面構成図である。
【図２】実施の形態１に係わり、ジャイロトロンの出力パワーと空胴共振器内の軸方向磁場の磁束密度との関係を示すグラフである。
【図３】実施の形態１に係わり、空胴共振器内の軸方向磁場の磁束密度の時間変化を示すグラフである。
【図４】実施の形態１に係わり、図３に示したように時間的に変化する軸方向磁場を空胴共振器内に発生させた場合のジャイロトロンの出力パワーの時間変化を示すグラフである。
【図５】実施の形態１によるジャイロトロン装置の主磁場発生電磁石が空胴共振器内に発生させる磁場を示すグラフである。
【図６】実施の形態１によるジャイロトロン装置の補助電磁石が空胴共振器内に発生させる磁場の時間変化を示すグラフである。
【図７】実施の形態１によるジャイロトロン装置の空胴共振器内のトータルの軸方向磁束密度の時間変化を示すグラフである。
【図８】実施の形態１によるジャイロトロン装置において、補助電磁石に流すパルス状電流のパルス幅を変化させる様子を示したグラフである。
【図９】実施の形態１によるジャイロトロン装置において、図８のように補助電磁石に電流を流したときのジャイロトロンの出力パワーを示すグラフである。
【図１０】実施の形態１によるジャイロトロン装置において、補助電磁石に流すパルス状電流の周期を変化させる様子を示したグラフである。
【図１１】実施の形態１によるジャイロトロン装置において、図１０のように補助電磁石に電流を流したときのジャイロトロンの出力パワーを示すグラフである。
【図１２】実施の形態１によるジャイロトロン装置において、補助電磁石に流すパルス状電流の波高値を変化させる様子を示したグラフである。
【図１３】実施の形態１によるジャイロトロン装置において、図１２のように補助電磁石に電流を流したときのジャイロトロンの出力パワーを示すグラフである。
【図１４】本発明の実施の形態２によるジャイロトロン装置の主磁場発生電磁石が空胴共振器内に発生させる磁場の時間変化を示すグラフである。
【図１５】実施の形態２によるジャイロトロン装置の補助電磁石が空胴共振器内に発生させる磁場の時間変化を示すグラフである。
【図１６】実施の形態２によるジャイロトロン装置の空胴共振器内のトータルの軸方向磁束密度の時間変化を示すグラフである。
【図１７】実施の形態２によるジャイロトロン装置において、補助電磁石に流すパルス状電流のパルス幅を変化させる様子を示したグラフである。
【図１８】実施の形態２によるジャイロトロン装置において、図１７のように補助電磁石に電流を流したときのジャイロトロンの出力パワーを示すグラフである。
【図１９】実施の形態２によるジャイロトロン装置において、補助電磁石に流すパルス状電流の周期を変化させる様子を示したグラフである。
【図２０】実施の形態２によるジャイロトロン装置において、図１９のように補助電磁石に電流を流したときのジャイロトロンの出力パワー示すグラフである。
【図２１】実施の形態２によるジャイロトロン装置において、補助電磁石に流すパルス状電流の波高値を変化させる様子を示したグラフである。
【図２２】実施の形態２によるジャイロトロン装置において、図２１のように補助電磁石に電流を流したときのジャイロトロンの出力パワーを示すグラフ図である。
【図２３】本発明の実施の形態３によるジャイロトロン装置で、磁場発生装置に永久磁石を用いた場合を示す断面構成図である。
【図２４】本発明の実施の形態４に係わり、ジャイロトロンの出力パワーと電子銃部の磁場の磁束密度との関係を示すグラフである。
【図２５】実施の形態４によるジャイロトロン装置を示す断面構成図である。
【図２６】従来の３極型電子銃を採用したジャイロトロン装置を示す断面構成図である。
【図２７】従来の２極型電子銃を採用したジャイロトロン装置を示す断面構成図である。
【符号の説明】
１  電子銃、２  カソード、３  電子放出部、４  第１アノード、５  第２アノード、６  空胴共振器、７  コレクタ、８  出力窓、９  電子ビーム、１０  高周波、１１  空胴共振器用磁場発生電磁石、１２  電子銃部用磁場発生電磁石、２０  コンデンサバンク、２１  充電器、２２  制御管、２３  パルス波形発生器、２５ａ，２５ｂ  分圧抵抗、２６  パルスビーム電源、２７  直流ビーム電源、３０  補助電磁石、３１  直流電源、３２  補助電磁石用電源、３５ａ  空胴共振器部の磁場微調整電磁石、３５ｂ  電子銃部の磁場微調整電磁石、３６、３６ａ〜３６ｈ  永久磁石、３７  補助電磁石、２００  ジャイロトロン、３００  ジャイロトロン装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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