(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空管のコントロールグリッドに提供される高周波電力を生成する電力源と前記コントロールグリッドとの間のインピーダンス整合のための真空管用整合回路であって、
前記高周波電力の周波数帯域でのインダクタンス成分を含み、前記コントロールグリッドと電気的に接続された第１の接続点、及び前記電力源と電気的に接続された第２の接続点を有する導電性部材と、
前記導電性部材の第３の接続点と基準電位線との間に電気的に接続された抵抗素子と、
前記導電性部材の第４の接続点と前記基準電位線との間に電気的に接続された第１の容量素子と、
前記真空管の内部構造による電極間容量であって前記コントロールグリッドと基準電位との間に生じる第２の容量と
を備え、
前記導電性部材内の所定方向において、前記第１の接続点と前記第４の接続点との間に前記第２及び第３の接続点が位置していることを特徴とする、真空管用整合回路。
【請求項２】
前記導電性部材における前記第２の接続点と前記第４の接続点との間のインダクタンス成分Ｌ１と、前記第２の接続点と前記コントロールグリッドとの間のインダクタンス成分Ｌ２とが、Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）＜１／４を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の真空管用整合回路。
【請求項３】
前記導電性部材が金属板であることを特徴とする、請求項１または２に記載の真空管用整合回路。
【請求項４】
前記第１の接続点と前記第２及び第３の接続点との距離が、前記第４の接続点と前記第２及び第３の接続点との距離よりも短いことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の真空管用整合回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空管用整合回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、小型サイクロトロンの高周波系のインピーダンス整合方法が記載されている。この文献に記載されたインピーダンス整合回路は、いわゆるπ型の整合回路を備えている。具体的には、小型サイクロトロン用高周波増幅器で使用している真空管のコントロールグリッドと、ドライバーアンプ（電力源）との間のインピーダンス整合を行う回路であって、コントロールグリッドとドライバーアンプ（電力源）との間に接続されたインダクタ、及びグリッド電源と基準電位線（接地電位線）との間に接続された容量素子を備えている。そして、真空管の内部構造によるコントロールグリッドと基準電位との間の電極間容量がこれらの構成に加わり、π型の整合回路を構成している。
【０００３】
特許文献２には、サイクロトロン等の加速装置に使用されるディー電圧検出装置が記載されている。この文献に記載された回路は、加速装置にディー電圧を与える励振器の出力電圧制御装置に接続される回路であって、２つのコンデンサと抵抗とからなるπ型のローパスフィルタが記載されている。
【０００４】
特許文献３には、加速器用高周波パルス電圧発生装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５８−２１６３９９号公報
【特許文献２】特開昭６２−１１２９００号公報
【特許文献３】特開平１１−１８５９９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般的に、真空管の出力を制御するコントロールグリッドに高周波電力を入力する回路では、コントロールグリッドの直前にインピーダンス整合回路が設けられる。このインピーダンス整合回路としては、例えばπ型整合回路が採用される。すなわち、高周波電力が入力される端子と、コントロールグリッドとの間にインダクタンス成分が配置され、該端子と基準電位線との間に容量素子が接続される。そして、真空管の内部構造によるコントロールグリッドと基準電位との間の電極間容量がこれに加わり、π型整合回路が構成される。
【０００７】
このような整合回路では、高周波電源の消費電力を抑える為に駆動電力を出来るだけ小さくすることが望まれる。例えば、高周波電力の入力端子と基準電位線との間に接続される容量素子の容量値を大きくすることにより、所定の真空管出力を得る為に必要な高周波電力の大きさを抑えることができる。しかし、容量素子の容量値を大きくし過ぎると、真空管内部において帰還の影響が大きくなり真空管の動作が不安定になるおそれがある。
【０００８】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、所定の真空管出力を得る為に必要な高周波電力の大きさを抑えることができる真空管用整合回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明による真空管用整合回路は、真空管のコントロールグリッドに提供される高周波電力を生成する電力源とコントロールグリッドとの間のインピーダンス整合のための真空管用整合回路であって、高周波電力の周波数帯域でのインダクタンス成分を含み、コントロールグリッドと電気的に接続された第１の接続点、及び電力源と電気的に接続された第２の接続点を有する導電性部材と、導電性部材の第３の接続点と基準電位線との間に電気的に接続された抵抗素子と、導電性部材の第４の接続点と基準電位線との間に電気的に接続された第１の容量素子と、真空管の内部構造による電極間容量であってコントロールグリッドと基準電位との間に生じる第２の容量とを備え、導電性部材内の所定方向において、第１の接続点と第４の接続点との間に第２及び第３の接続点が位置していることを特徴とする。
【００１０】
また、真空管用整合回路は、導電性部材における第２の接続点と第４の接続点との間のインダクタンス成分Ｌ１と、第１の接続点とコントロールグリッドとの間のインダクタンス成分Ｌ２とが、Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）＜１／４を満たすことを特徴としてもよい。
【００１１】
また、真空管用整合回路は、導電性部材が金属板であることを特徴としてもよい。
【００１２】
また、真空管用整合回路は、第１の接続点と第２及び第３の接続点との距離が、第４の接続点と第２及び第３の接続点との距離よりも短いことを特徴としてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による真空管用整合回路によれば、所定の真空管出力を得る為に必要な高周波電力の大きさを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る真空管用整合回路を備える加速器制御装置の構成を示す概略図である。
【図２】実施形態に係る整合回路の構成を示す図である。
【図３】図２のIII−III線に沿った断面を示す図であって、所定方向に沿った導電性部材および容量素子の側断面を示している。
【図４】比較例としての整合回路の構成を示す図である。
【図５】（ａ）実施形態に係る整合回路の等価回路を示している。（ｂ）その等価回路に含まれるインダクタンス成分から成る直列回路の振幅の分布を示している。
【図６】（ａ）比較例に係る整合回路の等価回路を示している。（ｂ）その等価回路に含まれる、インダクタンス成分から成る直列回路の振幅の分布を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照しながら本発明による真空管用整合回路の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態に係る真空管用整合回路を備える加速器制御装置の構成を示す概略図である。図１に示されるように、この加速器制御装置１Ａは、例えばサイクロトロンといった加速器３のディー電極３ａに高周波電力を印加する装置であって、高周波電力源５と、真空管７と、真空管用整合回路（以下、整合回路という）１０とを備えている。
【００１７】
真空管７は、互いに対向して配置されたプレート電極７ａ及びカソード電極７ｂと、コントロールグリッド７ｃとを備えている。コントロールグリッド７ｃは、プレート電極７ａとカソード電極７ｂとの間に配置されている。プレート電極７ａ及びカソード電極７ｂのそれぞれには、図示しないバイアス電源から所定のバイアス電圧が印加されており、プレート電極７ａとカソード電極７ｂとの間で所定の電位差が維持されている。一方、コントロールグリッド７ｃには、高周波電力源５から配線８ａを介して高周波電力Ｐ１が提供される。この高周波電力Ｐ１によって、コントロールグリッド７ｃの電位が周期的に変化し、プレート電極７ａとカソード電極７ｂとの間で電流が流れる。この周期的に変化する電流は、プレート電極７ａと加速器３のディー電極３ａとの間に接続された配線８ｂを介して、高周波電力Ｐ２としてディー電極３ａに提供される。なお、高周波電力Ｐ１及びＰ２の周波数は、例えば５ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下であり、一例では４５ＭＨｚである。また、高周波電力源５は、例えばトランジスタを含む増幅回路によって構成される。
【００１８】
整合回路１０Ａは、高周波電力源５とコントロールグリッド７ｃとの間に接続されている。整合回路１０Ａは、コントロールグリッド７ｃの入力インピーダンスと、高周波電力源５の出力インピーダンスとを互いに整合させるための回路である。
【００１９】
図２は、本実施形態の整合回路１０Ａの構成を示す図である。図２に示されるように、整合回路１０Ａは、導電性部材１２と、抵抗素子１４と、容量素子１６と、配線１８とを備えている。
【００２０】
導電性部材１２は、高周波電力Ｐ１の周波数帯域で有効となるインダクタンス成分を含む部材であって、例えば銅などの金属から成る板状部材である。導電性部材１２は、所定方向Ａを長手方向とする略長方形状といった平面形状を呈している。導電性部材１２は、接続点Ｂ１〜Ｂ３を有している。接続点Ｂ１は、コントロールグリッド７ｃと電気的に接続された第１の接続点である。接続点Ｂ２は、高周波電力源５と電気的に接続された第２の接続点である。接続点Ｂ３は、抵抗素子１４の一端と電気的に接続された第３の接続点である。これらの接続点Ｂ１〜Ｂ３は、所定方向Ａにおける導電性部材１２の一端付近に集まっている。なお、抵抗素子１４は、この接続点Ｂ３と基準電位線（接地電位線）２０との間に電気的に接続されている。抵抗素子１４の抵抗値は、高周波電力源５のインピーダンスと同じ値であり、一例では５０Ωである。
【００２１】
容量素子１６は、本実施形態における第１の容量素子である。ここで、図３は、図２のIII−III線に沿った断面を示す図であって、所定方向Ａに沿った導電性部材１２および容量素子１６の側断面を示している。図２及び図３に示されるように、容量素子１６は、所定方向Ａにおける導電性部材１２の他端付近に配置されている。
【００２２】
図３に示されるように、容量素子１６は、一方の電極１６ａと、誘電体１６ｂとを有している。なお、本実施形態では、容量素子１６の他方の電極として導電性部材１２が併用されている。そして、誘電体１６ｂは、電極１６ａと、導電性部材１２のうち容量素子１６の電極を構成する部分との間に配置されている。また、本実施形態における導電性部材１２と容量素子１６との接続点Ｂ４（第４の接続点）とは、導電性部材１２のうち容量素子１６の電極を構成する部分を指す。容量素子１６は、導電性部材１２の接続点Ｂ４と基準電位線２０との間に電気的に接続されている。なお、容量素子１６の容量値は、例えば５００Ｆ以下であり、一例では２５０Ｆである。
【００２３】
再び図２を参照する。本実施形態では、導電性部材１２内の所定方向Ａにおいて、接続点Ｂ１と接続点Ｂ４との間に接続点Ｂ２，Ｂ３が位置している。ここで、所定方向Ａにおいて接続点Ｂ２，Ｂ３が接続点Ｂ１と接続点Ｂ４との間に位置するとは、該所定方向Ａに沿った座標軸を想定した場合に、各接続点Ｂ１〜Ｂ４の座標が、Ｂ１、Ｂ２（若しくはＢ３）、Ｂ３（若しくはＢ２）、Ｂ４の順で並んでいることを意味する。また、所定方向Ａにおいて、接続点Ｂ２及びＢ３と接続点Ｂ１との距離は、接続点Ｂ４と接続点Ｂ１との距離よりも短い。
【００２４】
前述したように、導電性部材１２はインダクタンス成分を含む。導電性部材１２における接続点Ｂ２と接続点Ｂ４との間のインダクタンス成分Ｌ１の値は、例えば０．０１μＨ以上０．０４μＨ以下であって、一例では０．０２μＨである。なお、図２中にはインダクタンス成分Ｌ１が概念的に示されている。また、接続点Ｂ１と接続点Ｂ２，Ｂ３との距離は、接続点Ｂ４と接続点Ｂ２，Ｂ３との距離よりも短いことが好ましい。換言すれば、所定方向Ａにおいて、接続点Ｂ２，Ｂ３は、接続点Ｂ１と接続点Ｂ４との間で接続点Ｂ１寄りに配置されていることが好ましい。
【００２５】
配線１８は、導電性部材１２とコントロールグリッド７ｃとを電気的に接続する配線であって、高周波電力Ｐ１の周波数帯域で有効となるインダクタンス成分を含んでいる。接続点Ｂ２とコントロールグリッド７ｃとの間のインダクタンス成分Ｌ２の値は、一例では０．０８μＨである。なお、図２中にはインダクタンス成分Ｌ２が概念的に示されている。
【００２６】
後述するように、導電性部材１２における接続点Ｂ２と接続点Ｂ４との間のインダクタンス成分Ｌ１と、接続点Ｂ２とコントロールグリッド７ｃとの間のインダクタンス成分Ｌ２とは、次の関係式
Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）＜１／４
を満たすことが好ましい。なお、一実施例では、Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）＝１／８である。
【００２７】
また、本実施形態の整合回路１０Ａは、真空管７の内部構造による電極間容量であってコントロールグリッド７ｃと他の電極（図では基準電位線２０として示される）との間に生じる容量２２を含んでいる。なお、容量２２は、本実施形態における第２の容量である。容量２２の容量値は、容量素子１６の容量値よりも小さく、例えば１２０ｐＦ以上３５０ｐＦ以下であり、一例では１２０ｐＦである。真空管をカソード接地（Grounded Kathode）で動作させる場合、容量２２の容量値は、コントロールグリッド７ｃとスクリーングリッドとの間の容量、およびコントロールグリッド７ｃとカソードとの間の容量を合計した値となる。
【００２８】
以上の構成を備える本実施形態の整合回路１０Ａによる作用効果について説明する。ここで、図４は、比較例としての整合回路１０Ｂの構成を示す図である。図４に示される整合回路１０Ｂと本実施形態の整合回路１０Ａとの相違点は、導電性部材１２おける接続点Ｂ１〜Ｂ４の位置関係である。整合回路１０Ｂでは、所定方向Ａ（すなわち導電性部材１２の長手方向）において、高周波電力源５との接続点Ｂ２、及び抵抗素子１４との接続点Ｂ３が、コントロールグリッド７ｃとの接続点Ｂ１と、容量素子１６との接続点Ｂ４との間に位置していない。寧ろ、接続点Ｂ２，Ｂ３と接続点Ｂ１との間に接続点Ｂ４が位置している。すなわち、所定方向Ａにおいて、接続点Ｂ２及びＢ３が容量素子１６側の一端に配置されており、接続点Ｂ２及びＢ３と接続点Ｂ１との距離が、接続点Ｂ４と接続点Ｂ１との距離よりも長い。
【００２９】
図５（ａ）は、本実施形態に係る整合回路１０Ａの等価回路を示しており、図５（ｂ）は、その等価回路に含まれる、インダクタンス成分Ｌ１及びＬ２から成る直列回路の振幅の分布を示している。図６（ａ）は、比較例に係る整合回路１０Ｂの等価回路を示しており、図６（ｂ）は、その等価回路に含まれる、インダクタンス成分Ｌ１及びＬ２から成る直列回路の振幅の分布を示している。なお、図５（ｂ）及び図６（ｂ）において、縦軸は電圧を表し、横軸は直列回路における位置を表している。
【００３０】
比較例に係る整合回路１０Ｂでは、接続点Ｂ４が接続点Ｂ２，Ｂ３と接続点Ｂ４との間に位置するので、図６（ａ）に示されるように、等価回路ではインダクタンス成分Ｌ１及びＬ２から成る直列回路の一端に高周波電力源５及び抵抗素子１４が接続される。一方、本実施形態の整合回路１０Ａでは、接続点Ｂ２及びＢ３が接続点Ｂ１と接続点Ｂ４との間に位置するので、図５（ａ）に示されるように、等価回路ではインダクタンス成分Ｌ１とインダクタンス成分Ｌ２との間に高周波電力源５及び抵抗素子１４が接続される。
【００３１】
したがって、図６（ｂ）に示されるように、比較例に係る整合回路１０Ｂでは、インダクタンス成分Ｌ１及びＬ２から成る直列回路の一端における振幅Ｗ２に応じた高周波電力Ｐ１を供給する必要がある。一方、図５（ｂ）に示されるように、本実施形態の整合回路１０Ａでは、インダクタンス成分Ｌ１及びＬ２の間における振幅Ｗ１（＜Ｗ２）に応じた高周波電力Ｐ１を供給するだけで足りる。
【００３２】
このように、本実施形態の整合回路１０Ａによれば、真空管７の所定の出力を得る為に必要な高周波電力Ｐ１の大きさを抑えることができるので、高周波電力源５の消費電力を小さくすることができる。また、容量素子１６の容量値が一定である条件下において、高い出力電圧を発生させることができる。
【００３３】
また、従来の整合回路では、真空管の出力を任意の大きさに変更する際には、高周波電力の入力端子と基準電位線との間に接続される容量素子の容量値を変更する必要があった。これに対し、本実施形態の整合回路１０Ａによれば、接続点Ｂ２，Ｂ３の位置を接続点Ｂ１と接続点Ｂ４との間で変更することにより、真空管出力の連続的な調整が可能となり、また微調整も可能となる。
【００３４】
また、前述したように、インダクタンス成分Ｌ１とインダクタンス成分Ｌ２とは、
Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）＜１／４
を満たすことが好ましい。図５（ｂ）から明らかなように、インダクタンス成分Ｌ２が小さくなりインダクタンス成分Ｌ１が大きくなると、振幅分布に従って振幅Ｗ１が次第に小さくなり、遂にはゼロになる。しかし、振幅がゼロに近づくことは、回路動作の不安定さが増すことを意味する。すなわち、上の数式を満たす程度にインダクタンス成分Ｌ１が小さいことによって、このような不安定さを抑え、整合回路１０Ａが安定して動作することができる。
【００３５】
本発明による真空管用整合回路は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では導電性部材として銅製の板状部材が使用されているが、本発明における導電性部材の材質および形状はこれに限られるものではない。また、上記実施形態では、サイクロトロンといった加速器のディー電極に電力を供給する真空管に本発明の整合回路を適用した場合を例示したが、本発明の整合回路は、高周波電力を出力する様々な用途の真空管に適用され得る。
【符号の説明】
【００３６】
１Ａ…加速器制御装置、３…加速器、３ａ…ディー電極、５…高周波電力源、７…真空管、７ａ…プレート電極、７ｂ…カソード電極、７ｃ…コントロールグリッド、８ａ，８ｂ…配線、１０Ａ…真空管用整合回路、１２…導電性部材、１４…抵抗素子、１６…容量素子、１６ａ…電極、１６ｂ…誘電体、１８…配線、２０…基準電位線、２２…容量、Ａ…所定方向、Ｂ１〜Ｂ４…接続点、Ｌ１，Ｌ２…インダクタンス成分、Ｐ１，Ｐ２…高周波電力、Ｗ１，Ｗ２…振幅。
【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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