(57)【要約】【課題】電子ビームの速度を上げることによって、電子ビームと電界との相互作用を増大させて、クライストロン装置の動作効率を向上させる。【解決手段】クライストロン装置１は、電子銃１０、ドリフト部２０、コレクタ４０および電源装置５０を有する。ドリフト部２０には、電子銃１０から放出された電子ビーム２が通過する通路２１が形成されていて、ドリフト部２０は、高周波信号を入力する入力空洞部２２、電子ビーム２との相互作用により高周波信号を増幅する共振空洞部２６、および、増幅された高周波信号を出力する出力空洞部３０を備えている。コレクタ４０は、ドリフト部２０を通過した電子ビーム２を捕集する。電源装置５０は、出力空洞部３０の電位がコレクタ４０の電位より高くなるように、互いに絶縁された出力空洞部３０およびコレクタ４０に電圧を印加する。【選択図】図１
2011100600.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを発生させるカソードおよび前記カソードから発生した電子ビームを加速させるアノードを備えて、前記アノードにより加速された電子ビームを放出する電子銃と、
管内に前記電子銃から放出された電子ビームの通路が形成されて、高周波信号を入力する入力空洞部、通過する電子ビームとの相互作用により高周波信号を増幅する共振空洞部、および、増幅された高周波信号を出力する出力空洞部を備えた管状のドリフト部と、
前記ドリフト部を通過した電子ビームを捕集するコレクタと、
前記出力空洞部の電位が前記コレクタの電位より高くなるように、互いに絶縁された前記カソード、前記出力空洞部および前記コレクタに電圧を印加する電源と、
を具備したことを特徴とするクライストロン装置。
【請求項２】
前記電源は、前記出力空洞部の電位を前記コレクタの電位に対して変化できるものであることを特徴とする請求項１に記載のクライストロン装置。
【請求項３】
前記電源は、前記アノードの電位を前記コレクタの電位に対して変化できるものであることを特徴とする請求項１または２に記載のクライストロン装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クライストロン装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のクライストロン装置について、図４を用いて説明する。図４は、従来のクライストロン装置を説明するための一部概略図である。
【０００３】
クライストロン装置１０１は、電子銃１１０から放出された電子ビーム１０２の作用によって高周波信号を増幅する電子管である。従来のクライストロン装置１０１は、電子銃１１０、ドリフト部１２０、コレクタ１４０、および、電源装置１５０などを有する。
【０００４】
電子銃１１０は、電子ビーム１０２を発生させるカソード１１１、および、電子ビーム２を加速させる環状のアノード１１２などから構成されている。電子銃１１０から放出された電子ビーム１０２は、クライストロン装置１０１の管軸１０３上を直進する。
【０００５】
ドリフト部１２０は、管状に形成されていて、その管内は、電子ビーム１０２の通路（ドリフト空間）１２１となっている。上述の電子銃１１０は、ドリフト部１２０の一端に配置されて、電子銃１１０から放出された電子ビーム１０２は、ドリフト空間１２１を通過する。
【０００６】
ドリフト部１２０は、管軸１０３と同軸的に並んだ、入力空洞部１２２、共振空洞部１２６、および、出力空洞部１３０から構成されている。入力空洞部１２２には、高周波信号が入力される入力空胴１２３が形成され、この入力空洞１２３には、高周波信号を入力する同軸線路１２４が接続されている。共振空洞部１２６には、複数の共振空洞１２７が形成されている。出力空洞部１３０には、高周波信号が出力される出力空胴１３１が形成され、この出力空洞１３１には、高周波信号を出力する導波管１３２が接続されている。なお、入力空胴１２３と共振空胴１２７との間、共振空胴１２７同士の間、共振空胴１２７と出力空胴１３１との間には、ドリフト管１３６が形成されている。
【０００７】
コレクタ１４０は、ドリフト部１２０の一端（電子銃１１０と反対側の一端）に配置され、ドリフト空間１２１を通過した電子ビーム１０２を捕集する。
【０００８】
カソード１１１およびアノード１１２には、電源装置１５０が接続されている。従来のクライストロン装置１０１は、アノード１１２、ドリフト部１２０、および、コレクタ１４０が一体になって構成されていて、アノード１１２、ドリフト部１２０、および、コレクタ１４０は、同電位になっている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−２０３４８８号公報
【特許文献２】特開２０００−２７７０２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
クライストロン装置において、電子ビームは、集群（パンチング）されると、空間電荷力によって、ドリフト空間の半径方向に広がる特性がある。そのため、ドリフト空間の径は、電子ビームの広がりに合わせて設計される。
【００１１】
ここで、ドリフト空間の径を大きくすると、共振空洞における電磁界分布が、管軸方向に広がってしまう。その結果、電子ビームと電界との相互作用が弱くなり、クライストロン装置の動作効率が低下する（特許文献２を参照）。
【００１２】
特に、大電力パルスクライストロン装置においては、大電流がドリフト管を通過するため、ドリフト空間の径を大きくする必要がある。加えて、ビーム電圧が１００ｋＶ程度であって、Ｃバンド帯以上の動作周波数の高いクライストロン装置においては、パービアンスが比較的高く、電子ビームの波長に対して大きいドリフト部となる。そのため、管軸方向の電磁界分布の広がりが大きくなり、電子ビームの速度も比較的小さいため、電子ビームと電界との相互作用が弱くなる。その結果、クライストロン装置の動作効率の低下が顕著となる（特許文献２を参照）。特に、電子ビームが減速している出力空胴においては、電子ビームと電界との相互作用はなおさら弱く、クライストロン装置の動作効率の低下に大きく起因する。
【００１３】
そこで、本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、電子ビームの速度を上げることによって、電子ビームと電界との相互作用を増大させて、クライストロン装置の動作効率の向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するために、本発明に係るクライストロン装置は、電子ビームを発生させるカソードおよび前記カソードから発生した電子ビームを加速させるアノードを備えて、前記アノードにより加速された電子ビームを放出する電子銃と、管内に前記電子銃から放出された電子ビームの通路が形成されて、高周波信号を入力する入力空洞部、通過する電子ビームとの相互作用により高周波信号を増幅する共振空洞部、および、増幅された高周波信号を出力する出力空洞部を備えた管状のドリフト部と、前記ドリフト部を通過した電子ビームを捕集するコレクタと、前記出力空洞部の電位が前記コレクタの電位より高くなるように、互いに絶縁された前記カソード、前記出力空洞部および前記コレクタに電圧を印加する電源と、を具備したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電子ビームの速度を上げることによって、電子ビームと電界との相互作用を増大させて、クライストロン装置の動作効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るクライストロン装置を説明するための一部概略図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係るクライストロン装置を説明するための一部概略図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係るクライストロン装置を説明するための一部概略図である。
【図４】従来のクライストロン装置を説明するための一部概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［第１の実施形態］
本発明に係るクライストロン装置の第１の実施形態について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るクライストロン装置を説明するための一部概略図である。
【００１８】
本実施形態に係るクライストロン装置１の構成について説明する。
【００１９】
本実施形態に係るクライストロン装置１は、電子銃１０から放出された電子ビーム２の作用によって高周波信号を増幅する電子管である。クライストロン装置１は、電子銃１０、ドリフト部２０、コレクタ４０、電源装置５０、および、コイル（図示しない。）などを有する。
【００２０】
電子銃１０は、電子ビーム２を発生させるカソード１１、および、電子ビーム２を加速させる環状のアノード１２を有する。電子ビーム２は、カソード１１からアノード１２に向かって飛び出し、アノード１２の環内を通り抜けて、電子銃１０から放出される。電子銃１０から放出された電子ビーム２は、クライストロン装置１の管軸３上を直進する。
【００２１】
ドリフト部２０は、管状に形成されていて、その管内は、電子ビーム２の通路（ドリフト空間）２１となっている。上述の電子銃１０は、ドリフト部２０の一端に配置されて、電子銃１０から放出された電子ビーム２は、ドリフト空間２１を通過する。
【００２２】
ドリフト部２０は、管軸３と同軸的に並んだ、入力空洞部２２、共振空洞部２６、および、出力空洞部３０が一体となって構成されている。入力空洞部２２は、ドリフト部２０の電子銃１０側の端部に配置され、出力空洞部３０は、他端（ドリフト部２０のコレクタ４０側の端部）に配置されている。共振空洞部２６は、入力空洞部２２と出力空洞部３０との間に配置されている。
【００２３】
入力空洞部２２には、高周波信号が入力される入力空胴２３が形成されている。この入力空洞２３には、高周波信号を入力する同軸線路２４が接続されている。共振空洞部２６には、管軸３方向に並んだ３つの共振空洞２７が形成されている。出力空洞部３０には、高周波信号が出力される出力空胴３１が形成されている。この出力空洞３１には、高周波信号を出力する導波管３２が接続されている。この導波管３２には、ドリフト空間２１を真空に保って、高周波信号を透過する出力窓３３が設けられている。なお、入力空胴２３と共振空胴２７との間、共振空胴２７同士の間、共振空胴２７と出力空胴３１との間には、ドリフト管３６が形成されている。
【００２４】
コレクタ４０は、ドリフト部２０の一端（電子銃１０と反対側の一端）に配置されている。コレクタ４０は、ドリフト空間２１を通過した電子ビーム２を捕集して、熱に変換されたエネルギーを冷却する。
【００２５】
コイルは、ドリフト部２０の外周を囲むように配置されている。コイルは、ドリフト空間２１を通過する電子ビーム２を集束する役割を果たす。
【００２６】
本実施形態においては、アノード１２、ドリフト部２０、および、コレクタ４０は、互いに間隔を空けて配置されて、互いに絶縁されている。
【００２７】
電源装置５０は、例えば、直流電源であり、その陰極側がカソード１１に接続され、その陽極側がアノード１２、ドリフト部２０、および、コレクタ４０に接続されていて、カソード１１、アノード１２、ドリフト部２０、および、コレクタ４０に電圧を印加する。すなわち、アノード１２、ドリフト部２０、および、コレクタ４０の各電位は、カソードの電位に比べて高い。なお、本実施形態では、コレクタ４０は、接地されており、アノード１２とコレクタ４０とは、同電位である。
【００２８】
また、電源装置５０に内蔵された可変電源５１により、ドリフト部２０の電位は、アノード１２およびコレクタ４０の電位に比べて高く設定されている。さらに、ドリフト部２０の電位は、コレクタ４０の電位に対して、変化させる（調節する）ことができる。
【００２９】
本実施形態に係るクライストロン装置１０の効果について説明する。
【００３０】
上述の構成において、電子銃１０から放出された電子ビーム２は、コイルの磁場により集束されて、ドリフト空間２１に入り、管軸３方向に進行する。そして、電子ビーム２は、入力空胴２３に入力された高周波信号により速度変調され、ドリフト管３６および共振空洞部２６を通過中に密度変調される。その後、電子ビーム２が出力空洞部３０を通過するとき、増幅された高周波信号が出力空胴３１で取り出され、導波管３２を介して外部に出力される。ドリフト部２０を出た電子ビーム２は、コレクタ４０に捕集される。
【００３１】
本実施形態に係るクライストロン装置１では、ドリフト部２０の電位は、アノード１２およびコレクタ４０の電位に比べて高く設定されている。そのため、ドリフト空間２１を通過する電子ビーム２は、電子銃での印加電圧に加え、ドリフト部２０での印加電圧によっても加速される。したがって、電子ビーム２は、ドリフト空間２１の通過時に加速されるため、電子ビーム２と空洞電界との相互作用が増大する。また、電子ビーム２は、ドリフト空間２１を通過後、アノード１２と同電位のコレクタ４０において減速される。そのため、ドリフト空間２１での加速分のエネルギーは回収される。その結果、クライストロン装置１の動作効率が向上する。
【００３２】
すなわち、従来のクライストロン装置１０１では、電子ビーム１０２は、出力空洞部１３０において、電子銃での印加電圧と同程度で減速される。一方、本実施形態のクライストロン装置１では、電子ビーム２は、ドリフト部２０での電位以下の速度には減速されず、クライストロン装置１の動作効率が向上する。
【００３３】
また、従来のクライストロン装置１０１では、カソード１１１に印加できる電圧（ビーム電圧）が一定範囲に限られる。なぜならば、出力空胴１３１は、ある範囲のビーム電圧下で、電子ビーム１０２と出力空胴１３１の電界との相互作用が最適となるように設計されている。ここで、ビーム電流はビーム電圧の３／２乗に比例しているため、ビーム電圧を変化させると、電子ビーム１０２のインピーダンスも変化してしまう。したがって、ビーム電圧を大きく変化させてしまうと、電子ビーム１０２と出力空洞３１の電界との相互作用が最適値から外れてしまう。そのため、従来のクライストロン装置１０１では、ビーム電圧が一定範囲に限られている。なお、最適なビーム電圧より小さくすると、動作効率が低下し、最適なビーム電圧より大きくすると、動作不安定となりやすい。
【００３４】
一方、本実施形態に係るクライストロン装置１では、ドリフト部２０の電位は、コレクタ４０の電位に対して、変化させる（調節する）ことができる。そのため、ビーム電圧に応じて、出力空胴３１のインピーダンスを変化させて、最適な出力空胴３１の電界を発生させることができる。言い換えると、出力空洞部３０において逆行電子が生じないように、ドリフト部２０の電位を調節して、出力空洞３１での高周波へのエネルギー変換を最大にすることができる。すなわち、ドリフト部２０の電位を調節して、クライストロン装置１の動作効率が低下しないように調整することができるため、広い範囲のビーム電圧に対応できる。
【００３５】
なお、ドリフト部２０とコレクタ４０との間では、電流はほとんど流れないため、ドリフト部２０に印加する可変電源５１は、容量の小さいもので足りる。
【００３６】
［第２の実施形態］
本発明に係るクライストロン装置１の第２の実施形態について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の第１の実施形態に係るクライストロン装置を説明するための一部概略図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態の変形例であるため、重複説明を省略する。
【００３７】
本実施形態においては、アノード１２、入力空洞部２２、および、共振空洞部２６が一体となって構成されている。出力空洞部３０は、共振空洞部２６およびコレクタ４０に対して間隔を空けて配置され、互いに絶縁されている。
【００３８】
電源装置５０は、その陰極側がカソード１１に接続され、その陽極側がアノード１２（あるいは、入力空洞部２２または共振空洞部２６）、出力空洞部３０、および、コレクタ４０にそれぞれ接続されていて、アノード１２（入力空洞部２２および共振空洞部２６）、出力空洞部３０、および、コレクタ４０に電圧を印加する。すなわち、アノード１２、入力空洞部２２、および、共振空洞部２６は、同電位である。
【００３９】
また、電源装置５０に内蔵された可変電源５２により、出力空洞部３０の電位は、アノード１２、入力空洞部２２、共振空洞部２６、および、コレクタ４０の電位に比べて高く設定されている。さらに、出力空洞部３０の電位は、コレクタ４０の電位に対して、変化させる（調節する）ことができる。
【００４０】
本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４１】
［第３の実施形態］
本発明に係るクライストロン装置１の第３の実施形態について、図３を用いて説明する。図３は、本発明の第３の実施形態に係るクライストロン装置を説明するための一部概略図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態の変形例であるため、重複説明を省略する。
【００４２】
本実施形態においては、電源装置５０に内蔵された可変電源５３により、アノード１２の電位を、コレクタ４０の電位に対して、変化させる（調節する）ことができる。つまり、アノード１２とコレクタ４０との電位差を調節することができ、実質的に、コレクタ４０の電位を調節することができる。
【００４３】
ここで、出力空洞部３０において逆行電子が生じないように、アノード１２の電位（つまり、コレクタ４０の電位）を調節することにより、出力空洞３１での高周波へのエネルギー変換を最大にすることができる。すなわち、ビーム電圧に応じて、出力空胴３１のインピーダンスを変化させて、最適な出力空胴３１の電界を発生させることができる。したがって、アノード１２の電位（つまり、コレクタ４０の電位）を調節して、クライストロン装置１の動作効率が低下しないように調整することができるため、広い範囲のビーム電圧に対応できる。
【００４４】
なお、従来のクライストロン装置１０１では、外部の高周波回路にアイリスを挿入するなどの手段によって、出力空胴３１のインピーダンスを変化させていた。一方、本実施形態によれば、コレクタ４０の電位を調節するだけで、出力空胴３１のＱ値を変化させる場合等と同等の効果を得ることができる。
【００４５】
［他の実施形態］
第１ないし第３の実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。第１ないし第３の実施形態では、３つの共振空洞２７が形成されているが、この共振空洞２７の個数は、１つでも良いし、複数であっても良い。
【００４６】
第１ないし第３の実施形態では、コレクタ４０が接地されていることを前提として、コレクタ４０の電位を基準として説明しているが、アノード１２またはドリフト部２０を基準として説明することもできる。また、第１ないし第３の実施形態においては、電子を加速する電圧を印加する電源装置５０として、直流電源を用いたが、パルス電源を用いても良い。
【符号の説明】
【００４７】
１…クライストロン装置、２…電子ビーム、３…管軸、１０…電子銃、１１…カソード、１２…アノード、２０…ドリフト部、２１…ドリフト空間、２２…入力空洞部、２３…入力空洞、２４…同軸線路、２６…共振空洞部、２７…共振空洞、３０…出力空洞部、３１…出力空洞、３２…導波管、３３…出力窓、３６…ドリフト管、４０…コレクタ、５０…電源装置、５１〜５４…可変電源
【図１】
2011100600.tif 000003
【図２】
2011100600.tif 000004
【図３】
2011100600.tif 000005
【図４】
2011100600.tif 000006