(57)【要約】【課題】高周波のデューティや出力が増加した場合でも、チューナでの発熱を抑制すると共に、その放熱効率を向上させた空胴共振器を得ることを目的とする。【解決手段】ステンレス鋼に銅メッキ膜を形成して構成され、共振空胴と外部とを分離するベローズ１３と、ベローズ１３を挿通して共振空胴内に先端部が挿入され、ドリフト１１に向かって移動させる電気伝導率が良好なチューナ棒１６と、ベローズ１３及びチューナ棒１６を収容する熱伝導率が良好な固定部１５と、チューナ棒１６の後端に接続され、固定部１５の内側から外側へ延出される熱伝導率が良好な支持体１８とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振空胴の外郭を成す空胴壁と、
前記空胴壁の壁面に対向配置された一対のドリフトと、
母材上に該母材よりも電気伝導率が大きいメッキ膜を形成して構成され、前記共振空胴と外部とを分離する封止部材と、
前記封止部材の母材よりも電気伝導率が大きい材料で構成され、前記封止部材を挿通して前記共振空胴内に先端部が挿入され、前記ドリフトに向かって移動させることにより前記共振空胴の容積を変更するチューナ棒と、
前記封止部材の母材よりも熱伝導率が大きい材料で構成され、前記封止部材及び前記チューナ棒を収容する固定部と、
前記封止部材の母材よりも熱伝導率が大きい材料で構成され、前記チューナ棒の後端に接続され、前記固定部の内側から外側へ延出される支持体とを備えた空胴共振器。
【請求項２】
前記封止部材が、前記チューナ棒の周囲を囲繞するベローズで構成されることを特徴とする請求項１記載の空胴共振器。
【請求項３】
前記封止部材が、前記チューナ棒の周囲に展張させたダイアフラムで構成されることを特徴とする請求項１記載の空胴共振器。
【請求項４】
前記チューナ棒は、
前記固定部内に収容される本体部と、
前記本体部から前記ドリフトに向かって延出された先端部とを備えていることを特徴とする請求項１記載の空胴共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、共振周波数を調整するためのチューニング機構を備えた、クライストロン用の空胴共振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
クライストロンはマイクロ波を発生させる真空管の一種であり、0.5〜10GHz程度の高周波の発振または増幅に使用される。クライストロンを大別すると、空胴共振器を単独で用いる反射型クライストロンと、空胴共振器を複数個、直列に接続する直進型クライストロンの二種類がある。反射型クライストロンは、一つの共振器を高周波電場の入力と出力として同時に用いる。そして、反射電極で電子を逆行させて共振によるマイクロ波を発生させる。一方の直進型クライストロン（多空胴クライストロン）は、複数の空胴共振器の間で速度変調と密度変調を繰り返すことによってマイクロ波を発生させる。直進型クライストロンは、大きな出力を取り出せるのが特徴である。本発明では、主として直進型クライストロンについて説明する。
【０００３】
クライストロンの空胴共振器（共振空胴）は、電子ビームのエネルギーを高周波エネルギーに変換するための回路である。入力空胴から入力された高周波は、中間に配置された空胴（以下、中間空胴）で電子ビームと相互作用して増幅され、出力空胴から取り出される。
従来の空胴共振器では、ベローズやダイアフラム（以下、封止部材）によって支持された、金属または誘電体のチューニング棒を空胴内部に挿入することにより、空胴共振器の容積（インダクタンス量）を変化させていた。この空胴共振器の容積を変化させる機構をチューニング機構（チューナ）と称する。
【０００４】
チューニング機構を取り付けた空胴共振器では、封止部材の表面を流れる高周波電流による電力損失が大きいという問題があった。また、共振回路内の電力損失が大きいため、空胴共振器の高周波特性を示すＱ値が低くなるという問題もあった。更に、封止部材が発熱して熱膨張し、空胴共振器の容積が変動するため、共振周波数も所定値（設計値）から変動するという問題があった。
【０００５】
そこで、空胴外囲器内に配置されて、空胴共振器の体積を決定する金属板（ダイアフラム）のドリフト管側の面に、電気抵抗が2.5μΩ・cm以下の導電体からなる導電体層（例えば、銅メッキ層）を形成することにより、電力損失を低減させると共に、共振周波数の変動を回避できる多空胴形クライストロン用空胴共振器が提供されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−１７４７１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の空胴共振器は、以上のように構成されていたので、空胴共振器では、封止部材によって支持された、金属または誘電体のチューニング棒を、空胴内部に挿入して、空胴共振器の体積を変化させて共振周波数やＱ値を変更していた。
【０００８】
ここで、高周波のデューティは、「高周波のパルス幅×パルス繰り返し数」またはTd（高周波のパルス幅）／Tp（パルス繰り返し周期）として表され、1秒間のうち高周波を出力している割合を表す値となる。例えば、パルス幅：1μsec，繰り返し数：50Hz（pps：pulse/sec）の場合、高周波のデューティは0.00005となる。即ち、パルス幅が広くなる、または繰り返し数が大きくなると、高周波のデューティは大きくなる。
【０００９】
入力空胴から入力される高周波のデューティが大きくなると、高周波電流が流れている時間が長くなる。よって、同じ電流値でも時間が長くなるので、空胴壁に流れる高周波電流の平均エネルギーが大きくなる。
また、高周波の出力（エネルギー）が増加すると、空胴内に流れる高周波電流の値も大きくなる。即ち、高周波電流のピーク値が大きくなる。
【００１０】
上記いずれの場合（高周波のデューティの増加または出力の増加）においても、空胴壁によるエネルギーの損失により発熱し、チューナの温度が急増する。その結果、封止部材が高温となり、構造的に弱い接合部が酸化、溶融し、空胴共振器内部への外気のリークが発生するという課題があった。
【００１１】
また、特許文献１記載の多空胴形クライストロン用空胴共振器は、通常使用状態での発熱抑制を目的としたものであって、高周波のデューティの増加や出力の増加に対応することは想定されていない。また、チューナで一端発生した熱量を放熱することについては、全く記載されていない。
【００１２】
この発明は上記のような課題を解消するためになされたもので、高周波のデューティや出力が増加した場合でも、チューナでの発熱を抑制すると共に、その放熱効率を向上させた空胴共振器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明に係る空胴共振器は、共振空胴の外郭を成す空胴壁と、前記空胴壁の壁面に対向配置された一対のドリフトと、母材上に該母材よりも電気伝導率が大きいメッキ膜を形成して構成され、前記共振空胴と外部とを分離する封止部材と、前記封止部材の母材よりも電気伝導率が大きい材料で構成され、前記封止部材を挿通して前記共振空胴内に先端部が挿入され、前記ドリフトに向かって移動させることにより前記共振空胴の容積を変更するチューナ棒と、前記封止部材の母材よりも熱伝導率が大きい材料で構成され、前記封止部材及び前記チューナ棒を収容する固定部と、前記封止部材の母材よりも熱伝導率が大きい材料で構成され、前記チューナ棒の後端に接続され、前記固定部の内側から外側へ延出される支持体とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、封止部材及びチューニング棒を電気伝導率が良好な材料で構成することにより、高周波電流によるチューナでの発熱を抑制することができる。
また、支持体や固定部を熱伝導率が良好な材料で構成することにより、空胴内で発生した熱を効率良くクライストロン本体や外部（空気と接している面）へ放熱して、チューナを冷却することができる。
その結果、接合部での酸化や溶融が防止され、空胴共振器の外部から内部へのリークも抑制される。
また、高周波のデューティや出力が増加した場合でも、十分に上記効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について説明する。図１は、この発明に係る空胴共振器を用いた、多空胴クライストロンの全体構造を示した図である。
図１において、この発明に係る多空胴クライストロンは、電子ビーム６を発生させる電子銃１と、高周波を入力する入力空胴２と、高周波を出力する出力空胴４と、入力空胴２と出力空胴４との間に直列に複数接続される中間空胴３と、入力空胴２から出力空胴４までを通過した電子ビーム６を捕捉して、熱エネルギーに変換するコレクタ５を備えている。中間空胴３の設置数は任意である。
入力空胴２は高周波入力回路８を備え、出力空胴４は高周波出力回路９を備えている。また、入力空胴２、中間空胴３及び出力空胴４は、それぞれがチューナ７（チューニング機構）を備え、基本的に同様の構造を有する空胴共振器である。
【００１６】
図２は、図１中の入力空胴２、中間空胴３及び出力空胴４を構成する、実施の形態１に係る空胴共振器の構造を示した図である。
図２において、実施の形態１に係る空胴共振器は箱状に形成され、空胴共振器の外郭を構成する空胴壁１２と、空胴壁１２の壁面から内部に導入され、その先端部が相互に対向配置され、電子ビームが通過する穴を有する一対のドリフト１１と、一対のドリフト１１を結ぶ線と直交する方向で、空胴壁１２の一端と接続された箱状の固定部１５を備えている。
【００１７】
更に、空胴壁１２の固定部１５と接続される一端には穴部１２ａが形成され、固定部１５内に収容されるチューニング棒１６の先端が穴部１２ａに挿入される。チューニング棒１６は、その軸方向に伸縮自在なベローズ１３（封止部材）の中心に挿入される。
ベローズ１３は、固定部１５に収容されているので、空胴壁１２と固定部１５とを遮断（分離）するが、ベローズ１３の内部と空胴壁１２とは、穴部１２ａを介して連通されている。
支持体１８は棒状の部材であり、軸の一端が固定部１５に挿入されてチューニング棒１６の挿入端と反対側の他端に固定されている。そして、支持体１８のチューニング棒１６に接続されていない他端は、固定部１５から外側へ延出され、調整部１４で支持されて軸方向以外への動きを規制される。従って、支持体１８と接続されたチューニング棒１６も、軸方向以外への動きを規制される。
従って、チューナ７を構成するチューニング棒１６は、支持体１８の軸方向への移動に伴い、その側面を囲繞するベローズ１３を伸縮させることによって、空胴壁１２内部への挿入量を変化させる。
【００１８】
次に、本空胴共振器における発熱の抑制及び放熱について説明する。図３は、図１中の中間空胴及び出力空胴に高周波電流が流れる原理を示した図である。
図３（ａ）に示すように、図３中の太線矢印で示される電子ビームの塊（マイナス電荷の塊）がGrid1に近付くと、Grid1付近に存在する自由電子が反発して、Grid2の方へ移動する。その結果、Grid1がプラス（＋）に、Grid2がマイナス（−）に帯電する（図３（ｂ））。電子ビームの塊がGrid2を通過すると、Grid2付近の自由電子がGrid1の方へ戻る（図３（ｃ））。
電子ビームの通過に伴い、図３（ａ）〜（ｃ）に示す現象が繰り返される。上記説明中の自由電子の動きが高周波電流であり、図３中の細線矢印は、共振空胴内の高周波電流を示している。
【００１９】
空胴共振器内では、各部品を構成する導体表面に、上記のような原理で高周波電流が流れるため、その導体の電気抵抗により発熱する。高周波電流は導体表面の、非常に薄い範囲（スキンデプスの深さ付近まで）で流れる。この電流の流れる範囲に、抵抗値の小さい（電気伝導率の大きい）物質を使用することにより、高周波電流による発熱を抑制することができる。
【００２０】
従って、チューニング棒１６は、電気伝導率や熱伝導率が大きな銅（Cu）や金（Au）で構成する。或いは、チューニング棒１６を、銅や金よりも安価な材料（鋼材等）を母材として、その上に銅や金等をメッキすることにより構成してもよい。この場合のメッキの厚さは、空胴共振器の周波数におけるスキンデプス以上必要である。
なお、チューニング棒１６を構成する材料またはメッキ膜は、後述するベローズ１３の母材よりも大きな電気伝導率（及び熱伝導率）を有するものであれば、銅や金以外でもよい。
【００２１】
ベローズ１３は伸縮性が要求されるので、十分な強度があるステンレス鋼（ＳＵＳ材等）を用いる。しかしながら、ステンレス鋼（母材）は電気伝導率が小さいため、その表面（内面、外面）に、母材よりも電気伝導率や熱伝導率が大きい銅メッキを施す。メッキ厚さは、チューニング棒１６と同様にスキンデプス以上とする。従って、ベローズ１３は、母材となるステンレス鋼自体の伸縮性と、メッキ膜（銅）の良好な電気伝導性及び熱伝導性の３つの特性を併せて備えるものとなる。即ち、ベローズ１３は、高周波電流による発熱を抑制しつつ、伸縮動作に耐え得る十分な強度を備えるものとなる。
なお、ベローズ１３のメッキ膜は、ベローズ１３の母材よりも電気伝導率（及び熱伝導率）が大きな材料であれば、銅以外でもよい。
【００２２】
また、支持体１８及び固定部１５は、ベローズ１３の母材であるステンレス鋼よりも熱伝導率が良好な銅で構成されている。従って、チューニング棒１６やベローズ１３で発生した熱を、支持体１８及び固定部１５を介してクライストロン本体や外部（空気と接している面）へ放熱させる。
その際、固定部１５を空冷または水冷すると、チューナ７の冷却効率が向上する。
なお、支持体１８及び固定部１５を構成する材料は、ベローズ１３の母材よりも大きな熱伝導率を有する材料であれば、銅以外でもよい。
【００２３】
以上のように、この実施の形態１によれば、チューナ７を構成する部品（ベローズ１７、チューニング棒１６）を電気伝導率が良好な金属で構成し、或いは同金属でメッキすることにより、高周波電流によるチューナ７での発熱を抑制することができる。
また、支持体１８や固定部１５を熱伝導率が良好な金属で構成することにより、空胴内で発生した熱を効率良くクライストロン本体や外部へ放熱して、チューナを冷却することができる。
その結果、接合部での酸化や溶融が防止され、空胴共振器の外部から内部へのリークも抑制される。
また、高周波のデューティや出力が増加した場合でも、十分に上記効果を奏する。
【００２４】
実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２について説明する。図４は、この発明の実施の形態２に係る空胴共振器の構造を示した図、図５は、図４中のチューナ棒を空胴壁の内部へ伸長させ、一対のドリフトに近付けた状態を示した図である。以下では、実施の形態１に係る空胴共振器と相違する部分についてのみ説明する。
【００２５】
図４に示すように、実施の形態２に係る空胴共振器は、実施の形態１に係る空胴共振器に対して、ベローズ１３の代わりに、チューナ棒１６の周囲に密着して展張させたダイアフラム１７（封止部材）を用いたものである。
ダイアフラム１７は、ベローズ１３と同様に、母材をステンレス鋼（ＳＵＳ材等）とし、その表面に銅メッキを施すことにより、高周波電流による発熱を抑制しつつ、伸縮動作に耐え得る十分な強度を備えるものとなる。
【００２６】
ダイアフラム１７は、その弾性変形量（伸縮量）がベローズ１３と比較して小さいため、チューニング棒１６自体を伸縮自在に構成している。一例として、図５に示すチューニング棒１６は、チューニング棒１６の本体部１６ｃに内挿され、伸縮自在な伸縮部１６ｂと、伸縮部１６ｂの一端（先端）に取り付けられ、伸縮部１６ｂの軸方向への移動に伴い、本体部１６ｃから分離され、一対のドリフト１１に向かって延出可能な先端部１６ａを備えている。
【００２７】
図６は、図２のＡ−Ａ線断面において、高周波電流が流れる様子を模式的に示した図である。
実施の形態１に係る空胴共振器では、高周波電流は、穴部１２ａ（隙間）を迂回して、穴部１２ａの周りやベローズ１３の表面を流れる（図６中の矢印を参照）。従って、穴部１２ａを迂回する分、空胴壁１２の内壁面を最短経路で流れる場合よりも長い距離流れることになる。この場合、高周波電流が余計に流れる距離を構成する部分（空胴壁１２やベローズ１３）の抵抗分だけ、発熱量も大きくなる。高周波の出力が過大な場合には、空胴壁１２の穴部１２ａで放電する場合もある。
【００２８】
それに対して、実施の形態２に係る空胴共振器では、図４，５に示すように、空胴壁１２に穴部１２ａが形成されていない（ダイアフラム１７で閉塞されている）。従って、空胴壁１２に流れる高周波電流の経路は遮断されない。この場合、高周波電流は最短経路を流れるので、その挙動は、チューナの無い基本的な空胴共振器における高周波電流の挙動として説明される。
【００２９】
図７は、図４に示す空胴共振器の空胴内の電界分布をベクトル（矢印）で示した図である。図７に示すように、ドリフト１１付近（Ｂ部）の電界は、空胴壁１２（Ａ部）付近よりも大きい。
ここで、図５に示すように、チューニング棒１６の先端部１６ａをドリフト１１に近付けると、空胴内の電磁界への影響が大きくなるので、空胴壁１２でチューニング棒１６自体を移動させるよりも少ない移動量で共振周波数を可変させることができる。
即ち、共振周波数の可変範囲を大きくするには、図５に示すようなチューニング棒１６の先端部１６ａをドリフト１１に近付ければよい。また、可変範囲を小さくするには、先端部１６ａをドリフト１１から離間させればよい。
【００３０】
以上のように、この実施の形態２によれば、ベローズ１３の代わりにダイアフラム１７を用いて空胴壁１２に穴部１２ａを設けないことにより、実施の形態１と比較して、高周波電流による発熱を更に抑制することができる。
また、実施の形態１と比較して、チューニング棒１６の先端部１６ａを延出させてドリフト１１に近付けることができるので、チューニング棒１６の微小な動作で共振周波数を可変させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明に係る空胴共振器を用いた、多空胴クライストロンの全体構造を示した図である。
【図２】図１中の入力空胴２、中間空胴３及び出力空胴４を構成する、実施の形態１に係る空胴共振器の構造を示した図である。
【図３】図１中の中間空胴及び出力空胴に高周波電流が流れる原理を示した図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る空胴共振器の構造を示した図である。
【図５】図４中のチューナ棒を空胴壁の内部へ伸長させ、一対のドリフトに近付けた状態を示した図である。
【図６】図２のＡ−Ａ線断面において、高周波電流が流れる様子を模式的に示した図である。
【図７】図４に示す空胴共振器の空胴内の電界分布をベクトル（矢印）で示した図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  電子銃、２  入力空胴、３  中間空胴、４  出力空胴、５  コレクタ、６  電子ビーム、７  チューナ（チューニング機構）、８  高周波入力回路、９  高周波出力回路、１０  高周波回路、１１  ドリフト、１２  空胴壁、１２ａ  穴部（隙間）、１３  ベローズ（封止部材）、１４  調整部、１５  固定部、１６  チューニング棒、１６ａ  先端部、１６ｂ  伸縮部、１６ｃ  本体部、１７  ダイアフラム（封止部材）、１８  支持体。
【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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【図７】
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