(57)【要約】  位相同期式マグネトロンは、カソード及びアノードと、それらの間の相互作用空間とを含む。カソードは、注入同期信号に結合され、この注入同期信号により、マグネトロンの作動が同期信号の位相と同相状態になるようにする。カソードが高い負電位にあるタイプのマグネトロンでは、同期信号へのカップリングは、非接触手段によるもの、具体的にはその中に同期信号が存在する導波管内にカソードを延長することによるものとなる。別の構成は、カソードが実質的に接地電位にあるタイプのマグネトロンに対するものである。この構成では、カップリングは、注入同期信号を有する導体への直接的な電気的接続によるものとなる。【選択図】図３
2007503084.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネトロンであって、カソードとアノードとを含み、
前記アノードが、前記カソードを囲み、かつ前記カソードと該アノードとの間に空間電荷を含むための相互作用空間を形成するように配置され、
該マグネトロンが、所望の周波数で作動可能であり、かつ注入信号を受けて該注入信号を前記カソードに結合するように配置されたカップリングを有し、
前記注入信号が、前記所望の周波数でありかつ信号位相を有し、それによって該マグネトロンが前記信号位相に従って作動するようになる、
マグネトロン。
【請求項２】
前記カップリングが非接触カップリングである、請求項１に記載のマグネトロン。
【請求項３】
前記カソードが接地に対して負電位にある、請求項２に記載のマグネトロン。
【請求項４】
前記カップリングが、導波管内に延びるプローブを含む、請求項１、請求項２又は請求項３に記載のマグネトロン。
【請求項５】
前記プローブが、前記カソードの延長部分を含む、請求項４に記載のマグネトロン。
【請求項６】
前記プローブが、前記カソードと結合された別個の導体を含む、請求項４に記載のマグネトロン。
【請求項７】
前記プローブが、前記導波管内における波として形成された注入信号に結合するように配置され、それによって該注入信号を前記カソードに結合する、請求項４から請求項６のいずれかに記載のマグネトロン。
【請求項８】
前記注入信号が、前記カソードに結合するように構成され、かつ前記相互作用空間内にＴＥＭ波を形成する、上記請求項のいずれかに記載のマグネトロン。
【請求項９】
前記ＴＥＭ波が、前記空間電荷に結合し、それによって該空間電荷を前記信号位相に従って振動させる、請求項６に記載のマグネトロン。
【請求項１０】
前記カソードが、高電圧源に接続され、かつ前記高電圧源を前記注入信号から隔離するためのチョークを有する、上記請求項のいずれかに記載のマグネトロン。
【請求項１１】
上記請求項のいずれかに記載の複数のマグネトロンを含み、前記複数のマグネトロンの各々が前記注入信号に結合される、位相同期式マグネトロン装置。
【請求項１２】
各マグネトロンが、共通の導波管内に延びるプローブを含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
請求項９の装置を含む、粒子加速器。
【請求項１４】
請求項９の装置を含む、シンクロトロン。
【請求項１５】
前記カップリングが電気的接続を含みかつ、前記カソードが実質的に接地電位にある、請求項１に記載のマグネトロン。
【請求項１６】
相互作用空間を形成するカソードと周囲のアノードとを有するマグネトロンを作動させる方法であって、
前記カソード内に同期ＲＦ信号を注入し、それによって該マグネトロンが該同期信号の位相に従って作動するようにする段階、
を含む方法。
【請求項１７】
前記同期ＲＦ信号が、前記相互作用空間内におけるＴＥＭ波として注入される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
複数のマグネトロンを作動させる方法であって、
前記複数のマグネトロンのカソードを同一のＲＦ同期信号に結合し、それによって該複数のマグネトロンの各々が該同期信号の位相に従って作動するようにする段階、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネトロンに関し、具体的には、マグネトロンを位相同期させるための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
１つの公知のマグネトロンの設計においては、中央円筒形カソードが、アノード構造体によって囲まれ、アノード構造体は一般的に、その内面から内向きに延びる複数のアノード羽根を支持する導電性シリンダを含む。作動時には、磁場が、円筒形構造体の縦軸線に平行な方向に印加され、カソードとアノードとの間の電場と組合されて、カソードによって放出された電子に作用し、その結果として共振を発生させかつ高周波（ＲＦ）エネルギーの発生を引き起こす。マグネトロンは、アノード羽根によって形成された空洞間の結合に応じて、出力周波数及びパワーの変化を与える幾つかの発振モードをサポートすることができる。通常要求される作動モードは、所謂Ｐｉ作動モードである。
【０００３】
マグネトロンの作動は、カソードフィラメントに低電圧を印加する状態で始まり、それによってカソードフィラメントを加熱させる。この温度上昇により、カソードが電子を放出するほどにまで該カソード内での分子活性を高める。
【０００４】
負電荷である電子は、他の負電荷によって強く反発され、負に帯電したカソードから離れるように反発しかつアノードに引き付けられる。電子移動の距離及び速度は、カソードとアノードとの間の印加電場強度と共に増大することになる。従って電子は、正極のアノードに向って加速する。電子がカソードからアノードに運動する時に、それら電子は強力な磁場に遭遇する。磁場の作用は、電子をアノードから離れるように偏向させる傾向がある。アノードに向って直線的に移動するのではなく、電子は、その以前の方向に対して湾曲して、最終的にはアノードに到達するカソードの周での長円形軌道を生じる。
【０００５】
高電圧及び強磁場によって影響を受けた旋回電子雲は、回転ホイールのスポークに似た回転パターンを形成する。この回転空間電荷ホイールとアノード表面の構成との相互作用により、アノードの共振空洞内に交番電流が生成される。電子は、共振空洞に結合して、エネルギーをＲＦ電場に放出する。電子がカソードから放出される時に、それら電子の幾らかは、カソードを囲む負電荷雲、所謂空間電荷を形成する。電子速度が、速ければ速いほど、軸方向磁場によりより大きな力を受け、カソードに戻る傾向がある。電子が、より遅ければ遅いほど、より弱い力を受け、アノードに移動する。カソードとアノードとの間の高電圧が間欠的であるパルスマグネトロンでは、上記のことにより、電子の経路がパルス化されるようにする。電子は、アノードの空洞内に自然発生的にＲＦ電場を誘導するが、これは、半ランダムな過程である。そうは言うもののＲＦ電場が存在すると、ＲＦ電場は、電子の運動を強化し、それによってアノード空洞内でＲＦ電場に放出された高電圧電場からの電子によって得たエネルギーでＲＦ電場を維持する。
【０００６】
マグネトロンは、多数のモードで作動することができるので、所望のモードが卓越するようにし、それによってエネルギーがその他のモードではなくてそのモードに向けられることを保証する必要性がある。アノード形状の選択によって又はストラッピングによって所望のモードに有利に働くように、アノードを設計することは公知である。周波数がＬＣの平方根の逆数に比例し、Ｌ及びＣが物理的空洞寸法により決まるので、空洞周波数は、空洞寸法に応じて決まる。
【０００７】
作動周波数は、空洞寸法に応じて決まる。しかしながら、位相は、マグネトロンの作動開始時での電子雲と空洞との相互作用によってランダムに決定される。
【０００８】
マグネトロンは、小型かつ効率的なマイクロ波パワー源である。その利点は、マグネトロン発振器を位相同期させる方法を開発する過去の多数の試みにおいて得られ、その結果、多数の用途においてそれら発振器を大型かつ低効率な増幅器と置き換えることができた。これらの試みの全ては、アノードに同期信号を結合することによって、マグネトロンの出力パワー以下の約１０〜１２ｄｂの大きな同期パワーを必要とした。従って、一般的に位相同期を必要とする用途では、マグネトロンの代わりにクライストロン又はＩＯＴが使用されてきた。
【発明の開示】
【０００９】
本発明者達は、マグネトロンを位相同期（位相固定）する効率的な方法に対する必要性を認識した。
【００１０】
本発明は、次に説明する請求項に記載されている。
【００１１】
本発明では、同期信号は、該同期信号をカソードに結合するカップリングによって、マグネトロン内に注入される。第１の実施形態では、カップリングは、非電気的接触によるものであり、同期電磁信号を有する領域内に突出した延長カソードによって達成される。この方式で導入される電磁信号は、相互作用空間内で電荷に結合し、それによって円運動する電子を同期信号に位相同期をさせる。この位相結合方法は、以前の方法よりも低い同期信号の入力パワー対出力信号比を必要とする。
【００１２】
カソードは通常大きな負電圧にあり、この大きな電圧への電気的接触は同期信号の発生器を損傷させかつ高電圧を短絡させることになるので、カップリングは、非電気的接触によるものであるように構成される。従って、注入信号が非接触手段によって、すなわち電磁カップリングによって結合することは重要である。好ましい選択は、注入信号が存在する導波管内にカソード自体を延長させることであるが、導波管内に延長させたカソードに結合された他のタイプのカップリングプローブ又はループが適切である場合もある。
【００１３】
別の実施形態は、カソードが接地電位にありかつアノードが大きな正電位にあるタイプのマグネトロンを使用することである。本実施形態では、カップリングは、物理的な電気的接続を含むことができる。
【００１４】
位相同期式マグネトロンの特定の用途は、高エネルギー粒子加速器に対するものであり、この高エネルギー粒子加速器では、多数の加速器空洞が鎖状に接続されて、各々がそれぞれの高周波源によって駆動される。多数のマグネトロンを位相同期させることによって、これらのマグネトロンは、加速器空洞を駆動するように配置され、それにより、粒子が１つの加速器空洞から次の加速器空洞に通過する際に被加速粒子が加速を受けるように加速器空洞の位相を定めかつ配置することができる。
次に、実施例のみの目的で図を参照して、本発明を説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
最初に技術的背景としてマグネトロンの基本的構造を説明し、図１に示す。カソード２は、アノード６によって囲まれ、アノード６は、アノード外壁によって形成された空洞内に突出するアノード羽根３を有し、アノード羽根の先端とカソードとの間に相互作用空間を形成する。アノード羽根３は、相互作用空間を複数の空洞に分割する。磁極片４、５を通過する電圧源による磁場は、相互作用空間の全長に沿ってカソード２に平行な磁場を生成する。使用中、負にバイアスされたカソード２（アノードに対して）から放出された電子は、アノード６によって引き付けられ、磁場によってカソード２の周りを円運動するように偏向される。電子は、円運動する雲を形成し、この雲がアノード羽根によって形成された空洞と相互作用して、マイクロ波発振を誘導する。マイクロ波のエネルギーは一般的に、空洞の１つ内でループによって導波管に引き出される。マグネトロンのバイアス方法には、カソードに大きな負電位を入力しかつアノードを実質的に接地にする方法、或いはアノードに大きな正電位を入力しかつカソードを実質的に接地にする方法の２つのタイプがある。本発明はいずれのタイプにも使用することができ、第１及び第２の実施形態に反映している。
【００１６】
アノード６の形状は、その４つを図２に示す多数の型の１つとすることができる。スロット型を図２ａに示し、図１に示す羽根型を図２ｂに示し、ライジングサン型を図２ｃに示し、孔及びスロット型を図２ｄに示す。アノードの型は、円運動する電子雲のアノードとの相互作用に影響を与えるで、アノードの型の選択は、必要な周波数及びパワーに応じて決めて、所望のモードに有利に働くようにする。「ライジングサン」型は、後述する理由のために本発明の実施形態では有利である。
【００１７】
以前の方法は、出力コネクタによるか又はアノードへの付加的接続によるかのいずれかによって、同期信号をマグネトロンのアノード空洞内に注入することに基づいていた。高出力マグネトロンの場合では、カソードのリード線は高電圧となる。本発明者達は、ＲＦ信号をアノード／カソードボリューム内にカソード支持体を介して注入するのはその高電圧故に困難になることを認識した。対照的に、本発明の第１の実施形態では、使用した方法は、カソードへの非接触カップリングによって同期信号を相互作用空間の電荷内に直接注入することである。技術用語で言うと、ＴＥＭ波は、アノード及びカソードによって形成された同軸ライン内に注入される。本方法は、カソードが大きな負電位にないタイプのマグネトロンで使用することができる。これを実施するために、カソードは、図３に概略的に示すように、誘電体窓内に延長され、導波管内に挿入される。
【００１８】
そのような方法は、直感に反したものであり、マグネトロンが所望のＰｉモードで発振している状況下ではアノードとカソードとの間のボリューム内に正味の半径方向電場が存在せず、従って注入ＴＥＭモードとＰｉモードとのアノード上での結合はあり得ないので、有効ではないと考えられた筈である。しかしながら、大きな空洞と小さな空洞とを交互に有する「ライジングサン」型アノードマグネトロン設計は、それがＰｉモードで発振している場合に、アノード／カソードボリューム内にゼロ次モードを有することが公知である。このモードは、アノード羽根表面の周囲を円運動する均一なＲＦ電流と、Ｐｉモード周波数の対応するＲＦ軸方向磁場とを有する。本発明者達は、このモードはアノードカソードボリューム内ではＴＥＭモードに直接結合することにはならないが、空間電荷がカソードの近傍に存在する場合には結合が起こる可能性があることを認識した。これは、電子速度が低くかつ「ライジングサン」型アノードのＰｉモードのゼロ次成分に結合することになるＲＦ軸方向磁場を生成する摂動円運動電流が存在することになる場合には、空間電荷が注入周波数のＴＥＭ波の半径方向電場によって摂動することになると言う理由によるものである。マグネトロンが発振を開始する時に注入周波数がＰｉモード周波数に近接している場合には、マグネトロンは、注入信号に同期することになる。
【００１９】
再び図３を参照すると、第１の実施形態は、カソード端部ハット２ａを備えた負電位のカソード２を含み、カソード２は、アノード羽根３を備えたアノード６によって囲まれて、カソードとアノードとの間に相互作用領域を形成する。磁極片４及び５は、カソードの全長に沿って磁場を定める。高電圧源１２へのカソード支持体は、カソード上で必要となる高電圧を供給する。電圧供給は、パルスマグネトロンに対してはパルス化することができ、或いは連続波マグネトロンに対してはＤＥＣとすることができる。今までのところ、この実施形態は、記載の通りであり、参照を容易にするために図１と同じ参照番号を使用している。
【００２０】
第１の実施形態はさらに、カソードから導波管１８内に延びたカソードの延長部の形態か又はプローブ１４として示すようなカソードに付加された付加的要素の形態のカップリング１５を含み、相互作用空間は、誘電体窓１６によって導波管１８から分離される。可動プランジャ２０が設けられて、可動プランジャ２０により、導波管内でのアノード及びカソードに対するエネルギーの結合を最大化するように、導波管を構成することが可能になる。可動プランジャは、波の最小値の位置及び従って最大値の位置（プローブでの）を定める。
【００２１】
同期作用は、以下のように作動する。導波管１８内に注入されたＴＥ波（一般的にはＴＥ０１波）は、導波管内へのカソード１４の延長部を介してカソード及びアノードに結合する。カソードが、アノードによって同軸に囲まれているので、カソード及びアノードは、ＴＥＭ波がそれに沿って伝播することができる伝送ラインを互いに効果的に形成する。従って、ＴＥ０１波は、カソード−アノード相互作用領域内でＴＥＭ波に結合する。ＴＥＭ波は、カソードとアノードとの間で半径方向でありかつ導波管内の注入信号によって定まる周波数及び位相をもつ電気ベクトルを有する。従って、マグネトロンの位相は、注入信号によって定められ、一旦マグネトロンが起動すると、位相は、注入信号に同期したままの状態を継続する。
【００２２】
導波管１８内におけるＴＥ波の相互作用空間内におけるＴＥＭ波への結合は、図４に図式的に示している。導波管１８内部のＴＥ波３０は、プローブ１４の端部に変動電場を有し、従って時間変動電圧がプローブの先端において生成されるようになる。プローブは、波３２で示すように変動電圧をカソードに導く。この変動電圧は、導体に対して横方向の関係電場を有し、従って、変動電圧がカソードに結合した時、半径方向「Ｅ」電場で示すように、効果的にＴＥＭ波となる。ＴＥＭ波がマグネトロンの作動と相互作用する様子を説明するモデルは２つある。
【００２３】
第１のモデルでは、ＴＥＭ波の横方向「Ｅ」電場は、相互作用空間内部の電荷雲に結合して、電荷が注入信号に従って（従って、また同期して）振動するようにする。従って、カソードからアノードへの電子の運動は、注入信号の位相になるようにする。注入信号は所望の作動周波数（一般的にπモードの周波数）であるように選択されているので、上述のことにより、このモードが位相を注入信号に同期させることに加えて他の全てが有利に働くように作動するようになる。
【００２４】
第２のモデルでは、カソード近傍の電子雲は、ＴＥＭ場によってカソードの縦方向の振動で運動する。この運動自体が、アノード羽根の先端内に電流を誘導し、それによってアノード空洞が注入信号と同期する共振周波数を有するようにする磁場を発生する。この電子の運動を図５に示す。
【００２５】
有利なアノード構造の選択は、上述の第２のモデルによって説明した理由及び図６に示すような理由により、「ライジングサン」型である。「ライジングサン」型マグネトロンでは、大きい空洞と小さい空洞とが交互に使用される。πモードでは、高周波（ＲＦ）の単一サイクルが、概略的に示すように、２つの隣接する空洞を横切って広がる。異なる空洞寸法を考慮すると、上述のことは、アノード先端１０６が、アノード上に描いた波のサイクルによって示すようにＲＦサイクルのノード位置にはなく、その結果、方向矢印で示すようにアノード先端の各々に電場の方向及び電流が存在しないことになることを意味する。アノード先端におけるこの電流に結合することによって、電流は、注入信号に同期（固定）される。
【００２６】
再び図４を参照すると、チョーク１０は、注入ＴＥＭを強化するためにＴＥＭ高周波信号を反射するように注意深く選定することができる。これによって、上述のモデルのいずれによっても利得を増大させることができる。
【００２７】
相互作用空間内部に存在する位相同期のための好ましい信号は、ＴＥＭ波であるが、他のものが適切である場合がある。幾らかの空間電荷分布が存在する限り、空間電荷は、波の横方向「Ｅ」電場に結合することができる。ＴＭ波もまた、正常に機能することができる。同様に、注入信号は、プローブ又はループが結合することができる何らかの適切な波によるものとすることができる。注入信号は、プローブを用いて結合するのが最も簡単であるので、ＴＥ０１波であるのが好ましい。存在しかつ結合することができるあらゆるモードが実施されることになるが、様々な方法及び異なる波への結合のための別のカップリング構成を、図７から図１１に示す。導波管は、ＲＦ周波数における効率的なパワー伝達のための同期信号を得るように選択されるのが好ましい。
【００２８】
図７（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）の別のカップリング方法は、公知の方法で異なる波のタイプに対して使用することができる。図８のカップリング構成は、カソードの延長部よりもむしろ別個の付加的プローブ１１４を使用する。
【００２９】
注入信号は、ＨＴ源の反対側の端部に位置するのが好ましいが、他の場所に位置させることもできる。この実施形態の構成は、使い勝手が良く、さらに波３０（図４）で示すように可動プランジャ（図３）を使用してプローブ１４位置においてＴＥ０１波の振幅を最大化するように調整することも可能にする。
【００３０】
第１の実施形態によるさらに別のカップリング１５は、同軸ＤＣ遮断器１１６を使用してＲＦ信号は通過できるがＤＣは通過できないようにする。この変形形態として、図９に示すように、プローブ１４は、非接触電磁カップリングによってＴＥＭ同軸ラインに結合する。
【００３１】
第１の実施形態によるさらに別のカップリング１５は、ＲＦ同期信号のための入力として同軸ライン１１７を使用し、カップリング１５は、入力同軸ライン１１７内の波をカソード及びアノードによって形成された同軸ラインに結合する誘導性ループ構成１１８を含む。
【００３２】
位相同期の１つの主要な用途は、図１１に示すように、多重マグネトロン１が位相同期して粒子加速器の別個のフェーズ１０１を駆動するのを可能にすることである。この構成では、単一の導波管１８を使用して、注入信号を各それぞれのプローブ１４に結合する。それによって、マグネトロンＭ１、Ｍ２、・・・Ｍｎは、同一の位相に同期される。注入信号は、それ自体を連続波マグネトロンによって生成することができる。
【００３３】
図１２には、さらに別のカップリングを示しており、このカップリングは、プローブ１４からのいかなる反射も導波管１８に再入するのを防止する装填物１０２を含む。
【００３４】
これまでその異なる変形形態で説明した第１の実施形態は、負電位にあるカソードを有し、同期信号をカソード内に注入する様々なカップリングタイプを使用する。このカップリングの非接触特性によって、カソードが大きな負電位を有すると言う問題が克服される。
【００３５】
第２の実施形態を図１３に示し、この実施形態もまた、同期信号を注入するためのカソードへのカップリングを有する。しかしながら、この実施形態では、カソードは、実質的に接地電位にある。このタイプのマグネトロンを使用することによって、カップリングは、図示するように、物理的な直接電気的接続とすることができる。
【００３６】
第１及び第２の実施形態の両方では、同期信号は、カソードへのカップリングによって相互作用空間に直接注入される。
【００３７】
マグネトロンの典型的な作動条件は、以下のように計算される。
2007503084.tif 000003
【００３８】
空間電荷がなくかつＶDC／１０、ＶDC／５、ＶDC／３の注入電圧がある場合には、アノード空洞内にはノイズのみが発生する。空間電荷が存在しかつ注入信号がない場合には、発振は、約１０ｎｓ以内に開始する。
【００３９】
Ｐｉモード周波数におけるＶDC／１０の信号を注入した場合には、発振は、電圧が印加されると直ちに開始した。注入信号と出力信号を比較し、また印加パルスの持続時間である５５０ｎｓの間、出力信号を位相同期状態に維持した。注入信号がカソード支持体端部において完全に吸収されたと仮定した場合、ＺOをアノード／カソード同軸ラインのインピーダンスとすると、注入パワーは（ＶDC／１０）2／２＊ＺOとなった。これは、約４０Ωであることになり、入力パワーは以下にようになることになった。
2007503084.tif 000004
【００４０】
しかしながら、これは、最も悲観的な評価である。カソード支持体端部のチョークを用いた場合には、注入信号は反射されて、入力パワーは大幅に低下することになる。反射信号が信号発生器に戻るのを防止するために、注入信号導波管内には方向性カプラが必要であることになる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】マグネトロンの基本構造を示す図である。
【図２】本発明の実施形態で使用することができる所謂「ライジングサン」型構造を含む、様々なアノード羽根構造を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態によるマグネトロンを示す図である。
【図４】第１の実施形態において、注入同期信号が相互作用領域内で電子振動に結合する様子を示す図である。
【図５】ＴＥＭ波が、図４のカソード及びアノードによって形成された同軸ラインに沿って移動する様子を示す図である。
【図６】特定の時点での「ライジングサン」型アノード上の電圧を示す図である。
【図７】第１の実施形態における導波管の別のカップリング構成を示す図である。
【図８】カップリングが第１の実施形態のカソードに結合された別個の導体を含む別の実施形態を示す図である。
【図９】第１の実施形態のさらに別のカップリングを示す図である。
【図１０】第１の実施形態のさらに別のカップリングを示す図である。
【図１１】互いに結合された多数のマグネトロンを示す図である。
【図１２】方向性カプラを示す図である。
【図１３】第２の実施形態によるマグネトロンを示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
２  カソード
２ａ  カソード端部ハット
３  アノード羽根
４、５  磁極片
６  アノード
１０  チョーク
１４  プローブ
１５  カップリング
１６  誘電体窓
１８  導波管
２０  可動プランジャ
【図１】
2007503084.tif 000005
【図２】
2007503084.tif 000006
【図３】
2007503084.tif 000007
【図４】
2007503084.tif 000008
【図５】
2007503084.tif 000009
【図６】
2007503084.tif 000010
【図７】
2007503084.tif 000011
【図８】
2007503084.tif 000012
【図９】
2007503084.tif 000013
【図１０】
2007503084.tif 000014
【図１１】
2007503084.tif 000015
【図１２】
2007503084.tif 000016
【図１３】
2007503084.tif 000017
【国際調査報告】
2007503084.tif 000018
2007503084.tif 000019
2007503084.tif 000020