(57)【要約】  クライストロンは、複数の電子ビーム経路と複数の円盤形減衰空洞とを有する。複数の電子ビーム経路は各空洞と交差し、クライストロン増幅器は、それと連通しているそれぞれの円盤形空洞の実質上円形の外周部の周りに配置された環状の入力空洞および環状の出力空洞をさらに備える。出力空洞は、各電子ビームからのＲＦパワーを受け取るように構成され、各空洞は、僅かな漏れのあるモードにおける単一の共振回転波、および僅かな漏れのあるモードにおける単一の共振定在波のうちの１つをサポートするように構成される。
2007524186.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電子ビーム経路を定める手段と複数の円盤形減衰空洞を定める手段とを備えるクライストロン増幅器であって、前記複数の電子ビーム経路は、前記各空洞と交差し、前記クライストロンは、それと連通しているそれぞれの円盤形空洞の実質上円形の外周部の周りに配置された環状の入力空洞および環状の出力空洞をさらに備え、前記出力空洞は、電子ビームからＲＦパワーを受け取るように構成され、前記各空洞は、僅かな漏れのあるモードにおける単一の共振回転波、および僅かな漏れのあるモードにおける単一の共振定在波のうちの１つをサポートするように構成されるクライストロン増幅器。
【請求項２】
実質上円盤形の空洞を定める壁をさらに備えるクライストロンであって、前記壁は、電子ビームエネルギーが結合するための１つまたは複数の開口を有し、前記空洞壁は、実質上環状の入力導波管または出力導波管への結合を可能にする実質上円形の外周部を有し、前記結合は、前記円盤形空洞の前記外周部に沿って分散された複数の窓によってもたらされる、請求項１に記載のクライストロン。
【請求項３】
各窓は、導波管壁に固着されたセラミック部材を備える、請求項２に記載のクライストロン。
【請求項４】
入力空洞と、２つの利得空洞と、第２高調波空洞と、出力空洞とを備える、請求項１−３の１つに記載のクライストロン。
【請求項５】
少なくとも１つの空洞は、その中に配置されたＲＦ吸収体部材を有する、請求項１−４の１つに記載のクライストロン。
【請求項６】
各空洞は、真空孔を有する、請求項１−５の１つに記載のクライストロン。
【請求項７】
前記孔は、軸方向である、請求項６に記載のクライストロン。
【請求項８】
前記孔は、直径が約４０ｃｍである、請求項６または７に記載のクライストロン。
【請求項９】
円形のＲＦ吸収体部材を有する、請求項６、７または８に記載のクライストロン。
【請求項１０】
前記吸収体は、ＳｉＣからなり、前記空洞の動作モードが事実上影響を受けないような量だけ前記孔から外側に延びる、請求項９に記載のクライストロン。
【請求項１１】
ＴＭｍ，ｎ，ｑモードで動作するように構成された、請求項１−１０の１つに記載のクライストロン。
【請求項１２】
ｍ＝１１である、請求項１１に記載のクライストロン。
【請求項１３】
複数のビーム管を有する、請求項１−１２の１つに記載のクライストロン。
【請求項１４】
ビーム管ごとに１つの焦点合わせ用ソレノイドを有する、請求項１３に記載のクライストロン。
【請求項１５】
周波数範囲９００〜１０００ＭＨｚで動作するように構成された、請求項１−１４の１つに記載のクライストロン。
【請求項１６】
実質上９３７ＭＨｚで動作するように構成された、請求項１−１５の１つに記載のクライストロン。
【請求項１７】
数十メガワットを提供するように構成された、請求項１−１６の１つに記載のクライストロン。
【請求項１８】
約５０ＭＷを提供するように構成された、請求項１７に記載のクライストロン。
【請求項１９】
各入力空洞および出力空洞の周りに導波管を有する、請求項１−１８の１つに記載のクライストロン。
【請求項２０】
６５％を超える電力変換効率で動作するように構成された、請求項１−１９の１つに記載のクライストロン。
【請求項２１】
７０％を超える電力変換効率で動作するように構成された、請求項２０に記載のクライストロン。
【請求項２２】
空洞内での横ビーム間隔は約半波長である、請求項１−２１の１つに記載のクライストロン。
【請求項２３】
ビームパイプの直径は小さい、請求項１−２２の１つに記載のクライストロン。
【請求項２４】
前記直径は動作波長の約１／１６である、請求項１−２３の１つに記載のクライストロン。
【請求項２５】
共通の真空ポンプを有し、１０−８ミリバール以下で動作するように構成された、請求項１−２４の１つに記載のクライストロン。
【請求項２６】
実質上円盤形の空洞を定める壁を有するクライストロンであって、前記壁は、電子ビームエネルギーが結合するための１つまたは複数の開口を有し、前記空洞壁は、実質上環状の入力導波管または出力導波管への結合を可能にする実質上円形の外周部を有し、前記結合は、前記円盤形空洞の前記外周部に沿って分散された複数の窓によってもたらされるクライストロン。
【請求項２７】
各窓は、導波管壁に固着されたセラミック部材を備える、請求項２６に記載のクライストロン。
【請求項２８】
請求項１−２７の１つに記載のクライストロンを備えるスーパーマルチビームクライストロンであって、ビームの複数の組があり、各組は複数のビームを有し、各組はそれぞれの開口において各空洞と交差するスーパーマルチビームクライストロン。
【請求項２９】
複数のビーム管を有し、各ビームは複数のミニビームを運ぶ、請求項２８に記載のスーパーマルチビームクライストロン。
【請求項３０】
複数のビーム管を有し、各ビームは単一のミニビームを運ぶ、請求項２８に記載のスーパーマルチビームクライストロン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クライストロン増幅器、マルチビームクライストロン増幅器向けの窓の構成、およびスーパーマルチビームクライストロンに関する。
【背景技術】
【０００２】
クライストロン増幅器は、本明細書においてクライストロンとしても知られており、よく知られた装置である。高い電力変換効率、高次モードの強力な減衰、および良好な寿命を有しながら、９００〜１０００ＭＨｚの範囲で動作することができる各実施形態を有する高出力クライストロンが現在必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
知られている設計はすべて、これらの領域のうちの１つまたは複数において欠点または欠陥を有し、したがって、各実施形態が上記基準に合致するように設計されてもよいクライストロン増幅器を提供することが望ましいはずである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様によれば、複数の電子ビーム経路を定める（define）手段と複数の円盤形減衰空洞を定める手段とを備えるクライストロン増幅器が提供され、複数の電子ビーム経路は各空洞と交差し、クライストロン増幅器は、それと連通しているそれぞれの円盤形空洞の実質上円形の外周部の周りに配置された環状の入力空洞および環状の出力空洞をさらに備え、出力空洞は、各電子ビームからのＲＦパワーを受け取るように構成され、各空洞は、僅かな漏れのあるモードにおける単一の共振回転波、および僅かな漏れのあるモードにおける単一の共振定在波のうちの１つをサポートするように構成される。
【０００５】
一実施形態は、実質上円盤形の空洞を定める壁をさらに備え、この壁は、電子ビームエネルギーが結合するための１つまたは複数の開口を有し、空洞壁は、実質上環状の入力導波管または出力導波管への結合を可能にする実質上円形の外周部を有し、前記結合は、円盤形空洞の外周部に沿って分散された複数の窓によってもたらされる。
【０００６】
各窓は、導波管の壁に固着されたセラミック部材を備えてもよい。
【０００７】
一実施形態は、入力空洞と、２つの利得空洞（ｇａｉｎ  ｃａｖｉｔｉｅｓ）と、第２高調波空洞と、出力空洞とを備えてもよい。
【０００８】
一実施形態では、少なくとも１つの空洞は、空洞内に配置されたＲＦ吸収体部材を有する。
【０００９】
一実施形態では、各空洞は真空孔を有する。
【００１０】
一実施形態では、この孔は軸方向である。
【００１１】
一実施形態では、この孔は直径が約４０ｃｍである。
【００１２】
クライストロンの一実施形態は、円形のＲＦ吸収体部材を有する。
【００１３】
一実施形態では、この吸収体はＳｉＣからなり、空洞の動作モードが事実上影響されないように孔の外周部に配置されて、孔から外側に少量だけ延びる。
【００１４】
一実施形態は、ＴＭｍ，ｎ，ｑモードで動作するように構成される。
【００１５】
一実施形態では、ｍ＝１１である。
【００１６】
一実施形態は、複数のビーム管を有する。
【００１７】
一実施形態は、ビーム管ごとに１つの焦点合わせ用ソレノイドを有する。
【００１８】
一実施形態は、周波数範囲９００〜１０００ＭＨｚで動作するように構成される。
【００１９】
一実施形態は、実質上９３７ＭＨｚで動作するように構成される。
【００２０】
一実施形態では、クライストロンは数十メガワットを提供するように構成される。
【００２１】
一実施形態は、約５０ＭＷを提供するように構成される。
【００２２】
一実施形態は、各入力空洞および出力空洞の周りに導波管を有する。
【００２３】
一実施形態は、６５％を超える電力変換効率で動作するように構成される。
【００２４】
一実施形態は、７０％を超える電力変換効率で動作するように構成される。
【００２５】
一実施形態では、空洞内での横ビーム間隔は約半波長である。
【００２６】
一実施形態では、ビームパイプの直径は小さい。
【００２７】
一実施形態では、その直径は動作波長の約１／１６である。
【００２８】
一実施形態は、共通の真空ポンプを有し、１０−８ミリバール以下で動作するように構成される。
【００２９】
本発明の第２の態様によれば、実質上円盤形の空洞を定める壁を有するクライストロン増幅器が提供され、この壁は、電子ビームエネルギーが結合するための１つまたは複数の開口を有し、空洞壁は、実質上環状の入力導波管または出力導波管への結合を可能にする実質上円形の外周部を有し、前記結合は、円盤形空洞の外周部に沿って分散された複数の窓によってもたらされる。
【００３０】
本発明の他の態様によれば、第１または第２の態様でのクライストロンを備えるスーパーマルチビームクライストロンが提供され、複数組のビームがあり、各組は複数のビームを有し、各組はそれぞれの開口において各空洞と交差する。
【００３１】
次に、本発明に対する例示的な実施形態が添付図を参照して説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
クライストロンの各特徴はかなりよく知られており、現在の経験では、高い効率で高出力を供給することができるクライストロンは、マルチビームクライストロンとしてもっともよく実施されている。これは、クライストロン内のビームレット（ｂｅａｍｌｅｔ）の数をより多くすることにより、ビームレットごとのパワーを低減することが可能になり、それにより電流密度がより低くなり、ビームごとのパービアンスが十分に低くなるからである。電流パービアンスを電圧の３／２乗で割った値であるビームパービアンスは、電力変換効率に強い影響を及ぼす。
【００３３】
パービアンスが非常に低い装置に対しては、８０％を超える効率が得られることがあることが示されてきた。
【００３４】
したがって、マルチビームクライストロンは、必要に応じて所望の用途向けに選択された。設計周波数範囲においては、入力電力源としての役割を果たすのに市販の固体ＲＦ増幅器が利用可能であり、これらの固体ＲＦ増幅器は確実に３００Ｗを発生することができる。５０ＭＷの尖頭出力電力を提供するための一実施形態では、この場合クライストロンＲＦ構造には５３ｄＢの総合利得が必要になる。次いでこの実施形態は、通常は５つの空洞、すなわち入力空洞と、２つの利得空洞と、第２高調波空洞と、出力空洞とからなる。
【００３５】
図１を参照すると、マルチビームクライストロン（１）は、中心の軸方向に配置された真空チャネル（５６）の周りの実質上円形の経路上に配置された、いくつかのビーム管（５１）を備える。ビーム経路の各々は、クライストロン（１）の底部に配置されたそれぞれの陰極（５５）からクライストロン（１）の上端に配置された共通のコレクタ（６０）へとクライストロン（１）の縦方向に延びるそれぞれのビーム管（５１）内に閉じこめられる。
【００３６】
各電子管は、クライストロン（１）の底部に近接して、図３に関して後に本明細書においてより完全に説明されることになる入力空洞（１０１）に開口しており、入力空洞は、エネルギーを供給するための入力導波管（１０２）を有する。各ビーム管（５１）は、入力空洞（１０２）の上側から第２高調波空洞構造（５４）（これもまた、本明細書においてより完全に説明することになる）に延び、第２高調波空洞（５４）の上側から第１の利得空洞または集群空洞（ｂｕｎｃｈｉｎｇ  ｃａｖｉｔｙ）（５３）の下壁に開口している。引き続き、ビーム管は、第１の集群空洞（５３）の上側から第２の利得空洞または集群空洞（５２）に開口している。このビーム管は、第２の集群空洞または利得空洞（５２）の上壁から出力空洞（２０１）に続く。共通のコレクタ構造（６０）は、出力空洞（２０１）の上端壁から上側に延びる。出力空洞（２０１）は、それに関連する出力導波管（２０２）を有する。
【００３７】
各ビーム管内でビームを収束するために、ソレノイドコイル（６１）がビーム管の各々の周りに配置されている。
【００３８】
入力空洞（１０１）、出力空洞（２０１）および集群（５２、５３）空洞の各々は、その真空孔周りに配置されたそれぞれの微調整部材（６２１〜６２ｄ）およびそれぞれのＲＦ吸収体（６４ａ〜６４ｄ）を有する。これらは、後に本明細書においてより完全に説明されることになる。この実施形態では、共通の真空チャネル（５６）は、通常は１０−８ミリバール以下の良好な真空レベルを提供するように適合された共通の真空ポンプ（１５０）によって吸い出される。
【００３９】
共通の真空チャネル（５６）を垂直軸と見なすと、空洞の各々、すなわち入力空洞（１０１）、第２高調波空洞（５４）、集群空洞（５２、５３）および出力空洞（２０１）は、中立的に平行に、またそれぞれの水平面内に配置されている。高電圧セラミック封じ（６６）は、各陰極（５５）を装着する部材（６７）を支持する。
【００４０】
次に、４つの異なるクライストロン空洞構成が比較されることになる（図２参照）。図２ａおよび２ｄは円盤形（放射状）空洞でのモードを示すが、図２ｂおよび２ｃは環状（導波管タイプ）空洞でのモードを表す。これらのモードは、非常に異なるＲ／Ｑ値（Ｒ／Ｑは、空洞内に蓄えられた所与のエネルギーに対してビームから見た電圧の２乗を示す）を有する。
【００４１】
従来の１つのＭＢＫは、簡略なＴＭ０．１，０（ピルボックス）空洞を有する。この従来設計の各実施形態では、各ビームレット（通常は６本から３０本の間）は、軸方向の電界の中心最大値に近接して、様々な角位置（および場合によっては様々な放射状位置）において空洞を通過する。これらの装置を使用する場合、非常に高い効率（８０％）が示されてきたが、相対的に低いＲＦパワーレベル（数十ｋＷ）について達成されてきた。この装置からより高いパワーを得るには、ビーム電流を増大させる必要があるはずだが、この幾何学的形状のために、電流は、空間電荷効果および陰極ローディング（ｃａｔｈｏｄｅ  ｌｏａｄｉｎｇ）の両方によってすぐさま制限される。
【００４２】
この制限に関する１つの方式は、空洞の動作モードを高次放射指数モード（ｈｉｇｈｅｒ  ｒａｄｉａｌ  ｉｎｄｅｘ  ｍｏｄｅ）に変更することである−１つの知られた装置、たとえば１．３ＧＨｚ、１０ＭＷ、６ビームＭＢＫは、ＴＭ０，２，０モード（図２ａ参照）を使用する。１．５ＧＨｚ、２ＧＷ、１０ビームＭＢＫについては他の方式が研究された。この設計は、環状空洞（ｒｉｎｇ  ｃａｖｉｔｙ）（図２ｂ参照）の最低次モードに基づいていた。
【００４３】
最後に、１５０ＭＷ、Ｘバンド、６ビームＭＢＫが他のチームによって提案され、ＴＭ１２、１、０導波管モード（図２ｃ参照）に基づいていた。
【００４４】
ｎ＝３からのすべての値に対して、ＴＭｍ，１，０（ｍ＝１１）はＴＭ０，ｎ，０よりも効率的であることが分かっているので、本発明は円盤形空洞を有し、好ましい各実施形態は高次方位角（ｈｉｇｈ−ａｚｉｍｕｔｈａｌ−ｏｒｄｅｒ）ＴＭｍ，１，０モードを使用する。一実施形態は、２７本のビーム（図３ｄ参照）を有する。この装置では、ビームレットの合計数は、動作モードの指数ｍの約２倍に等しい。
【００４５】
ＭＢＫ設計についての他の非常に重要な問題は、寄生モードスペクトラム（ｐａｒａｓｉｔｉｃ  ｍｏｄｅ  ｓｐｅｃｔｒｕｍ）である。高次モード（ＨＯＭ：ｈｉｇｈｅｒ−ｏｒｄｅｒ  ｍｏｄｅ）を強力に減衰することが絶対に必要である。動作時、個々のビームレットの電流は、一般に正確には平衡にならず、対応する角電流プロファイル（ａｎｇｕｌａｒ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｐｒｏｆｉｌｅ）を有するどんな寄生モード、すなわち動作周波数に十分に近い寄生モード周波数も自励する危険が生じることになる。動作モードが導波管の遮断周波数にあり、その結果ＨＯＭスペクトラムが非常に密になるために、図２ｂに示すようにどんな減衰技法および減衰装置も適用することが難しい場合に、この問題は、図２ａに示すように、各装置にとって特に重大になることは明らかである。
【００４６】
すなわち、図２ａおよび２ｂにおける各装置は高出力用途に対して深刻な制限を有し、したがって、さらなる議論は図２ｃおよび２ｄに示すような各装置に限定されることが分かる。
【００４７】
ＴＭｍ，１，０モードのインピーダンスの比較は、約１０の方位角指数（ａｚｉｍｕｔｈａｌ  ｉｎｄｉｃｅｓ）に対して、両方の場合でのインピーダンスが同一であることを示している。しかし、円盤空洞（ｄｉｓｃ  ｃａｖｉｔｙ）は、環状空洞と比較してはるかに密なスペクトラムを有する。減衰は非共振でなければならず、これによりチョークトラッピング（ｃｈｏｋｅ  ｔｒａｐｐｉｎｇ）などのような手段は適用されないため、環状空洞のＨＯＭを減衰させる容易な方法はないように思われる。一方では、円盤空洞における動作モードの電磁界パターンは、円盤減衰空洞を提供するためのＲＦ吸収体（６４）の使用を可能にし、これについては、図３に関して後に本明細書においてさらに説明されることになる。大きいｍを有するＴＭｍ，ｎ，ｑモード（「僅かな漏れのある」モード）のモードスペクトラムは、きわめて低密度にすることが容易にできることが示されてきた。当業者には知られているように、僅かな漏れのあるモードの主要な特徴は、エネルギーの大部分が、湾曲した空洞または導波管の外壁において、または外壁に近接して存在することである。
【００４８】
図３ａおよび３ｂを参照すると、入力空洞（１０１）および出力空洞（１０２）の形状が、ここでより完全に説明されることになる。図３ａは、軸線を通過する平面に沿った例示的な空洞を通る鉛直断面図が示している。図３ｂは、線ｂ〜ｂ’に沿った空洞を通る水平断面図を示している
【００４９】
両方の図を参照すると、空洞（１０１、１０２）は各々、一般的に閉ざされた一般的に円柱形の壁（１１０）によって定め（define）られ、一般的に円形の下壁部分（１１１）、一般的に円形の上壁部分（１１２）および円筒形の周壁部分（１１３）を有する構造を形成することが分かるであろう。周壁部分（１１３）は、後に本明細書において記述する１つまたは複数のいわゆる「窓」を介して、周壁を通しての電磁エネルギー（ｅ．ｍ．ｅｎｅｒｇｙ）の伝達を可能にする。一実施形態では、これについても後に本明細書において記述するように、多数の複数の小型窓がある。
【００５０】
図３ａおよび３ｂをさらに参照すると、下壁部分（１１１）は、共通の真空チャネル（５６）を接続するための円形の開口をもつ中心孔（１１３）を有することが示してある。この孔の周りには、たとえばＳｉＣの円形のＲＦ吸収体部材（６４）が配置されており、この部材は孔（１１３）から少量だけ外側に延びている。ＲＦ吸収体部材（６４）の外半径は、空洞の動作モードが事実上影響されないようになっている。ＲＦ吸収体の機能は、高次放射指数モード（ｈｉｇｈｅｒ  ｏｒｄｅｒ  ｒａｄｉａｌ  ｉｎｄｅｘ  ｍｏｄｅｓ）を低減することである。一実施形態では、ＳｉＣ吸収体リングは、動作モードでのＱ値を３．３×１０４から３．０×１０４に１０％低減する位置に置かれた。３を超える放射指数を有するすべてのモードのＱ値は、調査された周波数帯において１０００を超える値が低減された。Ｑ値を約１００低減することは、ビームへのどんな影響を排除するのにも十分であると仮定される。上壁部分（１１２）も同様に、周波数同調のための微調整部材（６２）によって囲まれた軸方向の円形の孔（１１４）を有する。上壁部分および下壁部分（１１１、１１２）は、各々主に平面であるが、各壁は、ビームパイプ（５１）を接続するために、内側にくぼんだ同心の環状領域（１１１ａ、１１２ａ）を同じ放射状の位置に有する。
【００５１】
議論している実施形態では、ビームパイプの直径は小さく（動作波長の約１／１６）、低い単一ビーム電流および低い周波数を利用する。その結果、周辺部の電磁界は非常に急激に減衰し、したがって準長方形の縦方向の電界分布になる。やはり電界は、ビームウエスト（λ／３２）にわたって、０．１％以内で非常に一定したままである。ある程度（各単一ビームから見て）、円盤減衰空洞（１０１、２０１）は格子間隙（ｇｒｉｄｄｅｄ  ｇａｐ）のように振る舞うことが分かる。
【００５２】
空洞内の横ビーム間隔が約半波長（約１６ｃｍ）である事実により、ビーム間の空間電荷効果は最小限に抑えられる。剰余ガスが電離することによってビームが不安定になるのを避けるため、良好なレベルの真空が必要である（１０−８ミリバール以下）。円盤減衰空洞は、他の幾可学的形状とは異なり、空洞の中心部に高真空伝導孔（直径約４０ｃｍ）を取り付けることにより、非常に良好に排気（ｐｕｍｐ）されてもよい。利得／集群空洞（５２）については、空洞インピーダンスは、ＲＦ吸収体の寸法を注意深く決めることにより、必要とされる値に調整されてもよい。
【００５３】
クライストロン空洞は通常、定在波（ＳＷ）状態で動作する。装置によっては、出力空洞は、エネルギーが縦方向に伝搬する進行波構造である。しかし、本発明の実施形態での円盤減衰空洞を使用する場合、共振回転波（ＲＷ（回転波））状態が確立され、回転波は、空間および時間において４分の１の期間だけシフトされた２つの定在波を重ね合わせたものとして見られてもよい。その結果生じる波は、外部の空洞壁に沿って回転モードで進む。ＳＷおよびＲＷ（回転波）状態での円盤減衰空洞の電界の複雑な振幅が、図４ａおよび４ｂに示されている。
【００５４】
ＲＷ（回転波）状態は、ある利点をもたらす。第一に、ビームレットの数は、ここで動作モードの方位角指数から切り離され、ＴＭ０，ｎ，０モードのように任意に選択されてもよい。各実施形態では、選択されたビームレットの数は奇数であり、したがって、もっとも近い方位角指数を有する各モードへのビーム電流の結合は、さらに低減されることになる。各試験では、ＳＷと比較して、ＲＷ（回転波）状態は、同じ動作モードに対して単一ビーム電流を２５％だけ低減させ、より高い効率を確実にする。
【００５５】
後に図５ａを参照しながら述べるように、各実施形態では、入力空洞および出力空洞への結合は、空洞（３０２）全体の周辺に走る長方形導波管（３０４）によって行われる。フィーダの遮断周波数（導波管の幅）は、導波管および空洞の両方における波の位相速度が動作周波数において同一になるように選択される。後に図５ａおよび５ｂを参照しながら述べるように、空洞（３０２）への結合は、空洞と導波管（３０４）との間の壁（３０１）にある多くの小さい結合孔（３２０）を介して行われる。好ましい一実施形態では、各結合孔間の距離は、動作モード波長の４分の１に等しく、したがって、合計の孔数は４×ｍである。こうした構成は、空洞への良好な整合をもたらし、破壊する確率を低減する。
【００５６】
次に図５に移ると、好ましい実施形態の窓の構成がここで説明される。クライストロンのセラミック出力窓は、システム全体の中でおそらくはもっとも繊細なＲＦ構成部品である。たとえば１０年間の統計によれば、すべてのクライストロンの機能不良のうちの約２５％は、ＲＦ窓の破壊に起因していたことが分かる。記述された実施形態では、円盤減衰空洞動作モードの諸特徴を利用するために、数メガワットの小型窓の概念が使用される。
【００５７】
「窓」は、事実上一連の多くの小型窓であり、各々は図５ａに示すように個々の結合孔を覆っている。単一の小型窓（３２０）は各々、まずそれ自体の支持物（３２２）に蝋付けされ、次いで導波管（３０４）の内壁（３０１）に電子ビーム溶接され、または締め付けられる。セラミック円盤の典型的な各寸法は、厚さが２ｍｍであり、直径が約３０ｍｍである。円盤減衰空洞の電磁界構成は、小型窓の位置で顕著な電界がないようになっている。ＲＷ（回転波）モードでは、４×ｍの小型窓を使用する場合、局部的な電力潮流密度は劇的に低減されることになる。たとえば、ｍ＝１１およびＰ＝５０ＭＷを使用する場合、各窓を介して１．１４ＭＷのみが伝達されることになる。各実施形態は高い信頼性を有する。ＭＢＫのＲＦ構成に続いて、各ビームレット向けの個々のソレノイド（６１）のシステムが使用される。一例として、各々１５０ｋＶ、１５Ａのビームを制御するには、６００Ｇから７００Ｇの集束磁場が必要になる。従来のソレノイドは、ビームレット当たり約１ｋＷを必要とし、これにより、総合的なクライストロンの効率が低減することになる。代替実施形態では、ＰＰＭ焦点合わせ法が使用され、ＳＬＡＣ  Ｘバンドクライストロン向けに開発されたものと同様である。
【００５８】
電流密度は、陰極構成を定めるパラメータである。電流密度は、指数関数的に温度に比例し、また陰極材料の仕事関数の指数関数に反比例する［リチャードソン−ダッシュマン方程式］。ビーム圧縮を可能な限り低く保つために、陰極ローディングは増大させられることが望ましいが、これにより表面温度が上がり寿命が短くなるはずである。動作温度を低減するために、バリウムやストロンチウムなどのアルカリ土類金属の酸化物がタングステン陰極に加えられる。クライストロンの寿命は、本質的に、陰極表面におけるバリウムの消耗の結果である陰極の寿命末期の放出によって決定される。
【００５９】
好都合には、クライストロンは、スタンドアロンのクライストロンが並列になっていると見なされてもよい別々のビームレットに分割されてきたため、実施形態によっては、各ビームレットに対して個々のコレクタを使用するものもある。しかし、約３０個の小さいコレクタが共通の給水装置（ｗａｔｅｒ  ｓｕｐｐｌｙ）に並列に接続されているとき、こうした装置の冷却は複雑になり、また製造するのに費用がかかるように思われる。コレクタについての重要な設計パラメータは、放散される平均電力およびピーク電力、ならびに電子ビームが衝突する表面積である。必要となる冷却水（乱流）の最小量は、一般的に、放散される平均ＲＦパワーの１キロワット当たり３リットル／分と推定される。その結果、また図１に示すように、好ましい実施形態では、管の出力端でそれ自体の磁極片を通過し、この磁界フリー領域で拡大することを許される各ビームとともに、共通のコレクタ（６０）が使用される。
【００６０】
総合利得（入力駆動電力に対する尖頭出力電力の比）は、必要となる空洞の最小数を決定することになる。小さい帯域幅、たとえば±３％が必要な場合、すべての利得空洞は、ほぼ同じ基本周波数に同調され、スタガ同調していないと仮定されてもよい。
【００６１】
図６を参照すると、集群効率したがってクライストロン効率を改善するために、第２高調波空洞が使用されている。一実施形態では、第２高調波空洞構造（５４）は、あらゆる単一ビームレットと相互作用するための１組の個々のＴＭ０，１，０第２高調波空洞（５０１）を定める部材（５００）によって形成される。
【００６２】
前述の実施形態は、２７個の個々のミニクライストロンセクタ（ｍｉｎｉ−ｋｌｙｓｔｒｏｎ  ｓｅｃｔｏｒｓ）を有するマルチビームクライストロンによって代表され、それらの各々は、共通の出力空洞から得られる総合電力のうちの約４％を発生する。各単一セクタは、事実上個々の装置として扱われてもよい。
【００６３】
図７ａ〜７ｃを参照すると、第２の実施形態は、このセクタ（図７ａ）で単一ビームレットを使用する代わりに、各セクタがミニＭＢＫのように動作し、したがってスーパーＭＢＫ（ＳＭＢＫ：Ｓｕｐｅｒ  ＭＢＫ）を作成するように、複数のミニビームレット（ｍｉｎｉ−ｂｅａｍｌｅｔｓ）を使用する。この状況では、磁気的なシステムならびに第２高調波空洞は、あらゆるミニＭＢＫすなわち各セクタに対して、一義的なままである。
【００６４】
こうしたＳＭＢＫは、２つの構成のうちの１つを有することがある。第１の方式（図７ｂ）は、少なくとも６本のミニビームレットを内蔵することができる、より半径の大きいビームパイプを使用する。この構成では、環状ビームも非常に良好な候補と見なされてもよいが、残念なことには、第２高調波空洞はいくぶん非効率になる。第２の方式（図７ｃ）は、各ミニビーム（ｍｉｎｉ  ｂｅａｍ）向けに個々のビームパイプを使用する。この例では、６本のミニビーム、したがって６本のミニビームパイプが示されている。
【００６５】
ＳＭＢＫを使用する場合、著しく低い陰極電圧が使用されてもよく（約２倍）、約３倍低い単一ビーム電流しか必要にならないことが分かる。
【００６６】
ＭＢＫ装置またはＳＭＢＫ装置のどちらかに長い電圧パルス（約１００μｓ）を供給する変調器は、同じピークビーム電力を生成する。しかし、各ビーム電圧レベルは互いに異なる。パルストランスを使用する古典的な変調器が考慮される場合、２次巻線での巻線数が少なくて済むため、低電圧システムは、より早い立上り時間を可能にする。パルストランスはまた、ボルト秒がより低いために、よりコンパクトであり、各巻線の漏れインダクタンスおよび自己容量の両方が低減される。これによって、この電圧パルスの立上りおよび立下りでの損失を低減させることにより、パルス応答時間およびエネルギー効率を改善する。しかし、ＭＢＫおよびＳＭＢＫの両方に対する電圧レベルは、同じ出力電力、パルス幅およびデューティサイクルを有する同等な単一ビームクライストロンの場合よりも著しく低い。
【００６７】
本発明を実施するクライストロンのいくつかの実施形態をここで説明してきた。しかし、本発明は、各実施形態の特徴のどんなものにも限定されず、代わりに添付の特許請求の範囲の全範囲に及ぶものである。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明を実施するクライストロンの側面図である。
【図２ａ】クライストロン空洞についての可能な電磁界分布を示す図である。
【図２ｂ】クライストロン空洞についての可能な電磁界分布を示す図である。
【図２ｃ】クライストロン空洞についての可能な電磁界分布を示す図である。
【図２ｄ】クライストロン空洞についての可能な電磁界分布を示す図である。
【図３ａ】図１のクライストロンの円盤形空洞の断面図である。
【図３ｂ】図１のクライストロンの円盤形空洞の断面図である。
【図４ａ】入力／出力空洞の定在波動作モード、および入力／出力空洞の回転波動作モードについての電磁界分布を示す図である。
【図４ｂ】入力／出力空洞の定在波動作モード、および入力／出力空洞の回転波動作モードについての電磁界分布を示す図である。
【図５ａ】出力導波管を貫く複数の窓を有する出力空洞、および窓の取付の詳細を示す図である。
【図５ｂ】出力導波管を貫く複数の窓を有する出力空洞、および窓の取付の詳細を示す図である。
【図６】図１のクライストロンとともに使用するための第２高調波空洞部材を示す図である。
【図７ａ】本発明を実施する第２のクライストロンの電磁界パターンを示す図である。
【図７ｂ】本発明を実施する第２のクライストロンの電磁界パターンを示す図である。
【図７ｃ】本発明を実施する第２のクライストロンの電磁界パターンを示す図である。
【図１】
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【図６】
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【国際調査報告】
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