(57)【要約】【課題】確実にカップリングを図ることができるとともに構造上の強度の低下を防止したクライストロン装置を提供する。【解決手段】出力空胴１５は、電子銃部側から第１ないし第３の空胴セル１６，１７，１８のそれぞれ３つを有し、第１ないし第３の空胴セル１６〜１８の間に第１および第２のアイリス２１，２２をそれぞれ形成する。出力空胴１５では第１のアイリス２１の厚さＷ１に比べ、第２のアイリス２２の厚さＷ２が薄いため、第１ないし第３の空胴セル１６〜１８の電子ビームと電磁界との結合係数Ｍ値がそれぞれ下流になるに従い小さくなる。第１ないし第３の空胴セル１６〜１８で順次電子ビームを減速し、第１の空胴セル１６に対して下流側に位置する第２および第３の空胴セル１７，１８の電圧を制御する。第１ないし第３の空胴セル１６〜１８のいずれでもそれぞれ電子ビーム速度と電磁波の速度が一致する。【選択図】        図１
2004253227.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを発生する電子銃部と、
一端にこの電子銃部が対向し真空気密を保つ長手管状のドリフト管、このドリフト管に設けられた入力空胴、および、このドリフト管の入力空胴に電子銃部とは反対側に、複数の空胴セルがドリフト管の長手方向に沿って電子銃部から離れるに従い間隔が順次短くなるように複数形成された出力空胴を備え、高周波電力を増幅する高周波相互作用部と、
この高周波相互作用部の入力空胴に高周波電力を入力する入力部と、
前記高周波相互作用部の出力空胴からの高周波電力を出力する出力部と、
前記高周波相互作用部のドリフト管の他端側に位置し電子ビームを捕集するコレクタ部と
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】
電子ビームを発生する電子銃部と、
一端にこの電子銃部が対向し真空気密を保つ長手管状のドリフト管、このドリフト管に設けられた入力空胴、および、このドリフト管の入力空胴に電子銃部とは反対側に、複数の空胴セルがドリフト管の長手方向に複数形成され、これら空胴セル間に位置しそれぞれ内径は等しい状態でそれぞれの前記空胴セルで発生する電圧を制御するアイリスが形成された出力空胴を備え、高周波電力を増幅する高周波相互作用部と、
この高周波相互作用部の入力空胴に高周波電力を入力する入力部と、
前記高周波相互作用部の出力空胴からの高周波電力を出力する出力部と、
前記高周波相互作用部のドリフト管の他端側に位置し電子ビームを捕集するコレクタ部と
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３】
電子ビームを発生する電子銃部と、
一端にこの電子銃部が対向し真空気密を保つ長手管状のドリフト管、このドリフト管に設けられた入力空胴、および、このドリフト管の入力空胴に電子銃部とは反対側に、複数の空胴セルがドリフト管の長手方向に複数形成され、これら空胴セル間に位置しそれぞれ内径は等しく前記電子銃部から遠ざかるに従い薄くなるアイリスが形成された出力空胴を備え、高周波電力を増幅する高周波相互作用部と、
この高周波相互作用部の入力空胴に高周波電力を入力する入力部と、
前記高周波相互作用部の出力空胴からの高周波電力を出力する出力部と、
前記高周波相互作用部のドリフト管の他端側に位置し電子ビームを捕集するコレクタ部と
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４】
電子ビームを発生する電子銃部と、
一端にこの電子銃部が対向し真空気密を保つ長手管状のドリフト管、このドリフト管に設けられた入力空胴、および、このドリフト管の入力空胴に電子銃部とは反対側に、複数の空胴セルがドリフト管の長手方向に複数形成され、これら空胴セル間に位置し前記電子銃部から遠ざかるに従い空胴セル間の係合係数ｋｎ，ｎ＋１（ｎ＝１，Ｎ−１）、Ｎ：セル数を大きくしたそれぞれ内径は等しいアイリスが形成された出力空胴を備え、高周波電力を増幅する高周波相互作用部と、
この高周波相互作用部の入力空胴に高周波電力を入力する入力部と、
前記高周波相互作用部の出力空胴からの高周波電力を出力する出力部と、
前記高周波相互作用部のドリフト管の他端側に位置し電子ビームを捕集するコレクタ部と
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５】
各空胴セルは、電子銃部からの電子ビームの速度と電磁波の速度が一致している
ことを特徴とする請求項１ないし４いずれか記載のクライストロン装置。
【請求項６】
出力空胴は、電子ビームの減速電圧が加速電圧の０．８倍ないし１倍である
ことを特徴とする請求項１ないし４いずれか記載のクライストロン装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の空胴セルを有する出力空胴を備えたクライストロン装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般にこの種のクライストロン装置は、入力空胴、中間空胴および出力空胴が形成された長手環状のドリフト管を有する高周波相互作用部を備え、この高周波相互作用部のドリフト管の一端側に電子ビームを射出する電子銃部が配設され、ドリフト管の他端側には用済みの電子ビームを捕集するコレクタ部が配設されている。また、入力空胴から高周波電界を与え、電子ビームと高周波電界の相互作用により高周波電力を増幅し、出力空胴に出力導波管および出力窓を接続し、高周波電力を出力している。
【０００３】
さらに、ドリフト管の周囲に設ける電子ビームの集束装置には、コイルをドリフト管の周囲に巻回した電磁石を用いコイルに発生した磁界により電子ビームを集束している。
【０００４】
また、ピーク出力が大きなクライストロン装置としては、複数の空胴セルを有するいわゆるマルチセル空胴の出力空胴が知られている。このマルチセル空胴の出力空胴は、ドリフト管の長手方向に沿って複数の空胴セルが配設され、これら空胴セルの間に空胴セルより径小のアイリスが形成されている。また、出力空胴の各空胴セルでは発生する電圧を同一とすることが一般的であるため、空胴セルのインピーダンスを電子銃部から離れるに従い低下させる必要がある。そして、出力空胴では電子ビームを加速電圧に近い値まで減速する必要があり、空胴セルに発生する電圧は出力空胴でのトータルの電子ビームの減速電圧を所望の値に設定するために、アイリスは電子銃部から離れるに従い内径が径大に形成されている（たとえば特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
米国特許第５４６９０２２号明細書
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように、空胴セル間のアイリスの内径を電子銃部から離れるに従い径大にする場合、アイリスの内径が径大になることによりカップリングが低下したり、構造上変形を生じやすくなるおそれがある問題を有している。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、確実にカップリングを図ることができるとともに構造上の強度の低下を防止したクライストロン装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電子ビームを発生する電子銃部と、一端にこの電子銃部が対向し真空気密を保つ長手管状のドリフト管、このドリフト管に設けられた入力空胴、および、このドリフト管の入力空胴に電子銃部とは反対側に、複数の空胴セルがドリフト管の長手方向に沿って電子銃部から離れるに従い間隔が順次短くなるように複数形成されたり、これら空胴セル間に位置しそれぞれ内径は等しい状態でそれぞれの前記空胴セルで発生する電圧を制御するアイリスが形成されたり、これら空胴セル間に位置しそれぞれ内径は等しく前記電子銃部から遠ざかるに従い薄くなるアイリスが形成されたり、これら空胴セル間に位置し前記電子銃部から遠ざかるに従い空胴セル間の係合係数ｋｎ，ｎ＋１（ｎ＝１，Ｎ−１）、Ｎ：セル数を大きくしたそれぞれ内径は等しいアイリスが形成された出力空胴を備え、高周波電力を増幅する高周波相互作用部と、この高周波相互作用部の入力空胴に高周波電力を入力する入力部と、前記高周波相互作用部の出力空胴からの高周波電力を出力する出力部と、前記高周波相互作用部のドリフト管の他端側に位置し電子ビームを捕集するコレクタ部とを具備したもので、空胴セル間のカップリングが良く、変形も生じにくく、電子銃部からの電子ビームと空胴セルで発生する電磁界の結合係数を設定することにより、出力空胴の空胴セルでの電子銃部からの電子ビームの速度と電磁波の速度を一致でき、大電力にも効率良く対応する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のクライストロン装置の一実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１０】
図２に示すように、１はたとえば６ＧＨｚ帯の高周波電力を増幅する大電力用のクライストロン装置で、このクライストロン装置１は下側となる基端側に電子ビームｅを射出する電子銃部２が配設されている。この電子銃部２は、上方に向けたカソード３を有し、このカソード３の上方にカソード３に対向したアノード４が配設され、カソード３およびアノード４間には、電子ビームｅを集束させる図示しない集束電極が配設されている。さらに、カソード３およびアノード４には、直流電源Ｅが接続されている。
【００１１】
また、電子銃部２のアノード４には、長手状の高周波相互作用部６が気密に接続されている。この高周波相互作用部６は、中心に真空気密を保つ強度の大きい銅などの長手管状の金属製のドリフト管７を有し、このドリフト管７にはこのドリフト管７と同軸でドリフト管７より径大のいずれも同様に強度の大きい銅などの金属製の入力空胴１１、中間空胴１２〜１４および出力空胴１５が設けられている。そして、高周波相互作用部６では、電子ビームｅおよび高周波電界の相互作用で高周波電力を増幅させ、ドリフト管７の周囲には電子ビームｅを集束させる図示しない集束部が取り付けられている。
【００１２】
そして、出力空胴１５は、図１に示すように、電子銃部２側から複数の空胴セル、たとえば第１の空胴セル１６、第２の空胴セル１７および第３の空胴セル１８のそれぞれ電子ビームｅを変調する３つを有し、第１の空胴セル１６および第２の空胴セル１７の間には第１のアイリス２１が形成され、第２の空胴セル１７および第３の空胴セル１８の間には第２のアイリス２２が形成されている。また、第１のアイリス２１の内径Ｄ１および第２のアイリス２２の内径Ｄ２は等しくＤ１＝Ｄ２の関係であり、第１のアイリス２１の厚さＷ１と第２のアイリス２２の厚さＷ２とは異なり、電子銃部２から離れ電子ビームｅの進行に従い電子ビームｅが遅くなる位置に従いそれぞれの第１ないし第３の空胴セル１６〜１８の間隔が短くなるように、電子銃部２から離れるに従い第１および第２のアイリス２１，２２の厚さが薄くなるように、Ｗ１＞Ｗ２の関係である。ここで、第１のアイリス２１の厚さＷ１、第２のアイリス２２の厚さＷ２、第１のアイリス２１の内径Ｄ１および第２のアイリス２２の内径Ｄ２は、第３の空胴セル１８のＱ値と合わせてπ／２モードで第１の空胴セル１６、第２の空胴セル１７および第３の空胴セル１８の電圧を所望の値とするように決定されている。
【００１３】
また、第１の空胴セル１６で高周波成分Ｉ１が発生し、第２の空胴セル１７で高周波成分Ｉ２が発生し、第３の空胴セル１８で高周波成分Ｉ３が発生する場合、π／２モードの第１の空胴セル１６で電圧Ｖ１、第２の空胴セル１７で電圧Ｖ２、第３の空胴セル１８で電圧Ｖ３を誘起させるためには、第１の空胴セル１６および第２の空胴セル１７間の結合係数ｋ１２、第２の空胴セル１７および第３の空胴セル１８間の結合係数ｋ２３、第３の空胴セル１８と外部の結合Ｑ３は式１、式２および式３を満足するように決定すればよい。また、結合係数ｋ１２および結合係数ｋ２３をある値に選定し、トータルの電子ビームｅの減速量が目標値となるように第３の空胴セル１８および外部の結合Ｑ３を選んでも同様である。ただし、これら式１、式２および式３は各第１の空胴セル１６、第２の空胴セル１７および第３の空胴セル１８の共振周波数がクライストロン装置１の動作周波数ｆｏと一致している場合である（参考文献：  Ｔ．  Ｓｈｉｎｔａｋｅ，  ”Ｒｅｃｅｎｔ  Ｓｔａｔｕｓ  ｏｆ  ＦＣＩ：  ＰＩＣ  Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｃｏｕｐｌｅｄ−Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ”  ＫＥＫ  Ｐｒｅｐｒｉｎｔ  ９６−１２１）。
【００１４】
なお、第１の空胴セル１６のＲ／Ｑ値を（Ｒ／Ｑ）１、第２の空胴セル１７のＲ／Ｑ値を（Ｒ／Ｑ）２、および、第３の空胴セル１８のＲ／Ｑ値を（Ｒ／Ｑ）３とする。
【００１５】
（式１）
ｋ１２＝２×（（Ｒ／Ｑ）１・（Ｒ／Ｑ）２）１／２×｜Ｉ１｜／｜Ｖ２｜
（式２）
ｋ２３＝２×（（Ｒ／Ｑ）２・（Ｒ／Ｑ）３）１／２×｜Ｉ２｜／｜Ｖ３｜＋（（Ｒ／Ｑ）３／（Ｒ／Ｑ）１）×ｋ１２×｜Ｖ１｜／｜Ｖ３｜
（式３）
１／Ｑ３＝（Ｒ／Ｑ）３×｜Ｉ３｜／｜Ｖ３｜＋（（Ｒ／Ｑ）３／（Ｒ／Ｑ）２）１／２×ｋ２３／２×｜Ｖ２｜／｜Ｖ３｜
また、第ｎの空胴セルおよび第ｍの空胴セル間での電子速度ｕｎｍに対し、おおよそ第ｎの空胴セルおよび第ｍの空胴セルの間隔ｌｍｎがπ／２となるように第１のアイリス２１の厚さＷ１、第２のアイリス２２の厚さＷ２、第１ないし第３の空胴セル１６〜１８の高さを式４に示すように合わせている。
【００１６】
（式４）
ｌｍｎ＝ｕｎｍ／ｆ０／４
各セル電圧は各セルでの電子ビームｅと電磁界の結合係数Ｍ値を考慮することにより電子ビームｅの減速を任意の電圧比とすることも可能である。
【００１７】
さらに、第ｎの空胴セルの電子ビームｅ最外径でのＭ値をＭｒｎ、第ｎの空胴セルの電圧の割合をαｎ、α１＋α２＋α３＝０．８〜１とし、第ｎの空胴セルでの電子ビームｅの高周波電流値をＩωｎとする。
【００１８】
（式５）
Ｖ１＝α１×Ｖ０／３／Ｍｒ１
（式６）
Ｖ２＝α２×Ｖ０／３／Ｍｒ２
（式７）
Ｖ３＝α３×Ｖｏ／３／Ｍｒ３
（式８）
Ｉ１＝Ｉω１×Ｍｒ１
（式９）
Ｉ２＝Ｉω２×Ｍｒ２
（式１０）
Ｉ３＝Ｉω３×Ｍｒ３
そして、これら式５ないし式１０を満足する構造とすれば、第１の空胴セル１６ないし第３の空胴セル１８の下流に行くに従い第１のアイリス２１および第２のアイリス２２の内径を広げる構造にすることなく、第１の空胴セル１６ないし第３の空胴セル１８に発生する電圧を所望の値にできる。進行波型空胴とするためには、第１の空胴セル１６ないし第３の空胴セル１８のインピーダンスを｜Ｖ１｜≒｜Ｖ２｜≒｜Ｖ３｜となるように下げた設定とし、式２で｜Ｖ１｜≒｜Ｖ２｜≒｜Ｖ３｜の時の結合係数ｋ１２、結合係数ｋ２３としなければならないが、本発明では｜Ｖ１｜≒｜Ｖ２｜≒｜Ｖ３｜の条件に拘る必要ない。そして、第１の空胴セル１６ないし第３の空胴セル１８の隣り合う間隔が式４に従って順次短くなるように第１のアイリス２１の厚さＷ１に比べて第２のアイリス２２の厚さＷ２の厚さを薄くし、このときの結合係数ｋ１２、結合係数ｋ２３および１／Ｑ３が式１ないし式３、式５ないし式１０により所望の電子ビームｅ減速、すなわちＭｒ１×｜Ｖ１｜＋Ｍｒ２×｜Ｖ２｜＋Ｍｒ３×｜Ｖ３｜＝必要な減速電圧を実現することが重要である。なお、第１の空胴セル１６ないし第３の空胴セル１８は下流であるほど電子ビームｅの速度が遅くなりＭ値が小さくなるため、｜Ｖ１｜：｜Ｖ３｜≒１：２程度に設定されている。
【００１９】
そして、ドリフト管７の下流にはコレクタ部２５が取り付けられ、このコレクタ部２５は高周波相互作用部６からの用済みの電子ビームｅを捕集する。
【００２０】
また、入力空胴１１には、入力部３１が気密に接続されている。この入力部３１は入力空胴１１に図示しない入力導波管が接続され、この入力導波管には入力窓が形成されて高周波電力を入力する。
【００２１】
さらに、出力空胴１５の第３の空胴セル１８には出力部３２が接続され、この出力部３２は第３の空胴セル１８に出力導波管３３が接続され、出力導波管３３には出力窓３４が形成され高周波電力を出力する。
【００２２】
ここで、上記実施の形態のクライストロン装置１の動作について説明する。
【００２３】
まず、電子銃部２のカソード３から電子ビームｅを射出し、高周波相互作用部６に入射する。この高周波相互作用部６では、入力部３１の入力窓から入力空胴１１に高周波電界を与え、高周波相互作用部６では中間空胴１２〜１４などで電子ビームｅと高周波電界との相互作用により高周波電力を増幅し、出力空胴１５から出力部３２の出力窓３４から高周波電力を出力する。
【００２４】
また、出力空胴１５では第１のアイリス２１の厚さＷ１に比べ、第２のアイリス２２の厚さＷ２が薄いため、第１から第３の空胴セル１６〜１８の間隔が順次短くなり、減速された電子ビームｅの速度と出力空胴１５中の電磁波の速度が一致する。また、Ｗ１＞Ｗ２のため、出力空胴１５内の隣り合う第１から第３の空胴セル１６〜１８間の結合係数ｋｎ，ｎ＋１（ｎ＝１，２）が順次大きくなり、第１から第３の空胴セル１６〜１８のインピーダンスを順次下げるが、アイリス内径を広げていないため、Ｍ値の低下を電子ビームｅの減速によるもののみとし、各第１から第３の空胴セル１６〜１８電圧を制御できる。さらに、第１の空胴セル１６ないし第３の空胴セル１８のトータルの電子ビームｅの減速速度を加速電圧の０．８倍から１倍にする。
【００２５】
一方、高周波相互作用部６で用済みの電子ビームｅは、コレクタ部２５で捕集され、外部にＸ線が漏洩することを防止する。
【００２６】
上記実施の形態のように、第１のアイリス２１および第２のアイリス２２の内径を同じにすることにより、第１および第２のアイリス２１，２２の対向する内周での距離が広がらず、第１ないし第３の空胴セル１６〜１８間のカップリングが良く、構造上の強度も低下しないため出力空胴１５にも変形が生じにくい。また、電子銃部２からの電子ビームｅと第１ないし第３の空胴セル１６〜１８で発生する電磁界の結合係数を設定することにより、出力空胴１５のそれぞれ第１ないし第３の空胴セル１６〜１８での電子銃部２からの電子ビームｅの速度と電磁波の速度を一致でき、大電力にも効率良く対応できる。
【００２７】
また、上記実施の形態では、出力空胴１５は第１ないし第３の空胴セル１６〜１８の３つを有するものについて説明したが、３つに限らず４つ以上あっても良く、空胴セルの個数に従いアイリスの数が設定される。なお、この場合にもアイリスの内径は同じで、アイリスの厚さは電子銃部２から遠ざかるに従い薄く形成される。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、空胴セル間のカップリングが良く、出力空胴に変形も生じにくく、さらには、電子銃部からの電子ビームと空胴セルで発生する電磁界の結合係数を設定することにより、出力空胴の空胴セルでの電子銃部からの電子ビームの速度と電磁波の速度を一致でき、大電力にも効率良く対応できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のクライストロン装置の一実施の形態の出力胴部を示す断面図である。
【図２】同上クライストロン装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１    クライストロン装置
２    電子銃部
６    高周波相互作用部
７    ドリフト管
１１    入力空胴
１５    出力空胴
１６    第１の空胴セル
１７    第２の空胴セル
１８    第３の空胴セル
２１    第１のアイリス
２２    第２のアイリス
２５    コレクタ部
３１    入力部
３２    出力部
ｅ    電子ビーム
【図１】
2004253227.tif 000003
【図２】
2004253227.tif 000004