(57)【要約】【課題】無効電子成分の放出を抑制できる電子銃を提供する。【解決手段】電子銃13は、カソード30、カソード支持筒31、覆い部47、支持ベース33および熱膨張調整部34を備える。カソード30は、電子発生源37を有する。カソード支持筒31は、先端にカソード30を支持する。覆い部47は、電子発生源37を露出させてカソード30を覆う。支持ベース33は、覆い部47を支持する。熱膨張調整部34は、カソード支持筒31よりも高い熱膨張率の材料で形成され、支持ベース33に設けられるとともに、カソード支持筒31の先端に対して反対側の基端を支持し、支持ベース33に対してカソード支持筒31の基端から先端へ向けた方向とは反対方向に向けて熱膨張する。【選択図】図１
2016207379.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子発生源を有するカソードと、
先端に前記カソードを支持するカソード支持部と、
前記電子発生源を露出させて前記カソードを覆う覆い部と、
この覆い部を支持する支持ベースと、
前記カソード支持部よりも高い熱膨張率の材料で形成され、前記支持ベースに設けられるとともに、前記カソード支持部の先端に対して反対側の基端を支持し、前記支持ベースに対して前記カソード支持部の基端から先端へ向けた方向とは反対方向に向けて熱膨張する熱膨張調整部と
を具備することを特徴とする電子銃。
【請求項２】
前記カソード支持部は、前記カソード支持部の基端が前記支持ベースの一面側から他面側に貫通され、
前記熱膨張調整部は、前記支持ベースの他面から突出されているとともにその突出する端部側に前記カソード支持部の基端を支持する
ことを特徴とする請求項１記載の電子銃。
【請求項３】
電子発生源を有するカソードと、
先端に前記カソードを支持するカソード支持部と、
このカソード支持部の先端に対して反対側の基端を支持する支持ベースと、
前記支持ベースに支持され、前記電子発生源を露出させて前記カソードを覆う覆い部と、
前記カソード支持部よりも高い熱膨張率の材料で形成され、前記覆い部の一部に設けられた熱膨張調整部と
を具備することを特徴とする電子銃。
【請求項４】
電子ビームを発生する請求項１ないし３いずれか一記載の電子銃と、
前記電子ビームを電磁波に変換する空胴共振器と
を具備することを特徴とするジャイロトロン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電子ビームを放出する電子銃、およびこの電子銃を用いたジャイロトロンに関する。
【背景技術】
【０００２】
核融合実験のための装置において、プラズマを加熱、制御する手段の１つとしてミリ波帯の電磁波を用いる方法があり、この電磁波の発振源として大電力ミリ波発振管であるジャイロトロンが有望視されている。
【０００３】
ジャイロトロンは、円錐状の電子銃に埋め込まれたリング状の電子発生源から放出された中空旋回状の電子ビームを高磁場中の空胴共振器に入射し、この空胴共振器での発振によって電子ビームのエネルギーを電磁波に変換し、この電磁波を出力するものである。
【０００４】
空胴共振器での発振によって電磁波に変換される電子ビームのエネルギーは全体の概ね５０％であり、残りのエネルギーを持った電子ビームはコレクタに入射し、最終的にはコレクタを囲む冷却ジャケットの循環水によって熱エネルギーとして除去される。大電力のジャイロトロンでの電磁波出力は１ＭＷに及ぶので、それと同等のエネルギーをコレクタの循環水によって除去することを考えれば、表面積の大きな巨大なコレクタを備えておく必要があることが判る。そのため、ジャイロトロンにおいて、必要電力を抑えると同時に、管球のサイズを縮小し、コンパクトなものにしていくためには、安定した高い効率を達成することが重要なものとなっている。
【０００５】
そして、ジャイロトロンにおいて、安定した高い効率を達成するには、電子銃の電子発生源から放出された電子ビームを所定の電子軌道に沿って空胴共振器に導き、空胴共振器で電子ビームのエネルギーを電磁波に効率的に変換できるようにすることが重要である。
【０００６】
すなわち、電子銃の電子発生源から所定の電子軌道に乗らない電子ビームの多くは電磁波に変換されない無効電子成分であり、この無効電子成分が増加すると、ジャイロトロンの発振効率を低下させる要因となってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−８１００１号公報
【特許文献２】特開２００３−１２３６５８号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Journal of Plasma and Fusion Research Vol.84, No.12, December 2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、無効電子成分の放出を抑制できる電子銃、およびこの電子銃を用いたジャイロトロンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本実施形態の電子銃は、カソード、カソード支持部、覆い部、支持ベースおよび熱膨張調整部を備える。カソードは、電子発生源を有する。カソード支持部は、先端にカソードを支持する。覆い部は、電子発生源を露出させてカソードを覆う。支持ベースは、覆い部を支持する。熱膨張調整部は、カソード支持部よりも高い熱膨張率の材料で形成され、支持ベースに設けられるとともに、カソード支持部の先端に対して反対側の基端を支持し、支持ベースに対してカソード支持部の基端から先端へ向けた方向とは反対方向に向けて熱膨張する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態を示すジャイロトロンの電子銃の断面図である。
【図２】同上ジャイロトロンの断面図である。
【図３】同上ジャイロトロンの電子銃から放出される電子の軌道の説明図である。
【図４】第２の実施形態を示すジャイロトロンの電子銃の断面図である。
【図５】比較例のジャイロトロンの電子銃の断面図である。
【図６】比較例のジャイロトロンの電子銃の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、第１の実施形態を、図１ないし図３を参照して説明する。
【００１３】
図２にジャイロトロン10を示す。ジャイロトロン10は、円筒状の本体11を有し、この本体11の一端に電子ビーム12を放出する電子銃13が配設され、本体11の他端に電子ビーム12が入射するコレクタ14が配設され、本体11の側面に出力窓15が配設されている。
【００１４】
本体11内には、電子銃13から放出される電子ビーム12との相互作用によって電磁波16を生成する空胴共振器17、この空胴共振器17で生成された電磁波16を平行ビーム状に変換するモード変換器18、平行ビーム状の電磁波16を反射させて出力窓15から出力させる伝送ミラー19および出射ミラー20が配設されている。電子銃13および空胴共振器17の外周には、それぞれ磁界を発生する例えば超電導コイルなどの磁界発生コイル21，22が配設されている。
【００１５】
次に、図１に電子銃13を示す。電子銃13は、カソード30、このカソード30を支持するカソード支持部としてのカソード支持筒31、カソード30を覆う覆い体32、カソード支持筒31および覆い体32を支持するための支持ベース33、およびカソード支持筒31を支持ベース33に支持する熱膨張調整部34を備えている。電子銃13の外観は、先端側が縮径する円錐状あるいはコーン状に形成されている。
【００１６】
そして、カソード30は、カソード本体36の外周に、電子発生源37であるリング状のエミッションベルト38が配設されて構成されている。
【００１７】
カソード本体36は、モリブデン製で、中央に挿通孔39を有する筒状に形成されている。カソード本体36の内部には、ヒータ40が装着されているとともに、カソード本体36とヒータ40との隙間を埋めるようにアルミナなどの充填材が充填されて構成されている。
【００１８】
エミッションベルト38は、一般的なカソード材料となっているタングステン製の基材に酸化バリウムなどの電子放出材を含浸させて構成されている。エミッションベルト38は、カソード本体36にロウ接合されている。エミッションベルト38の外周面は、覆い体32から露出し、電子を放出する電子放出面38aとして構成されている。
【００１９】
また、カソード支持筒31は、モリブデン製で、先端がカソード本体36の挿通孔39に挿通され、カソード本体36にロウ接合されている。カソード支持筒31の先端側には円柱部42が形成され、基端側には円筒部43が形成されている。カソード支持筒31の先端に対して反対側の基端には、ステンレス製のカソード支持フランジ44がロウ接合されている。
【００２０】
また、覆い体32は、エミッションベルト38を露出させてカソード30を覆っている。覆い体32は、カソード30の先端側を覆うキャップ部46、およびカソード30の周囲を覆う覆い部47であるスカート部48を有している。
【００２１】
キャップ部46は、モリブデン製で、中央部がねじなどの固定具49によってカソード支持筒31の先端に固定されている。キャップ部46の周辺部とエミッションベルト38との間には、所定寸法の隙間が設けられている。
【００２２】
スカート部48は、モリブデン製で、カソード30を覆う先端部50、および支持ベース33に取り付けられる円筒部51を備えている。スカート部48（円筒部51）の基端は、支持ベース33にロウ接合されている。スカート部48の先端部50とエミッションベルト38との間には、所定寸法の隙間が設けられている。
【００２３】
また、支持ベース33は、ステンレス製で、一面側にスカート部48がロウ接合され、スカート部48を支持するスカート部支持フランジである。支持ベース33は、ジャイロトロン10の本体11に取り付けられる。支持ベース33の中央には、支持ベース33の一面側から他面側にカソード支持筒31が貫通配置される開口部53が形成されている。支持ベース33には、ヒータ40に給電するためのヒータ端子54が絶縁部55を介して挿通されている。
【００２４】
また、熱膨張調整部34は、カソード支持筒31の材料であるモリブデンよりも熱膨張率（熱膨張係数）の高い材料であるステンレス製で、円柱状に形成されている。複数の熱膨張調整部34の一方の端部が支持ベース33の他面で開口部53の周囲に溶接固定され、これら熱膨張調整部34の他方の端部にカソード支持フランジ44が溶接固定されている。
【００２５】
そして、支持ベース33、熱膨張調整部34およびカソード支持フランジ44を含むステンレス製の集合体57を組み立てるとともに、カソード本体36およびカソード支持筒31を含むモリブデン製の集合体58を組み立て、支持ベース33およびカソード支持フランジ44とスカート部48およびカソード支持筒31とをそれぞれロウ接合して集合体57，58を一体化し、最後にカソード支持筒31にキャップ部46を装着することにより、電子銃13の組み立てを完了する。
【００２６】
また、電子銃13の外表面との間に所定の隙間を設けてリング状のアノード60が設置されている。
【００２７】
次に、図３は、電子銃13から放出される電子の軌道の計算例を示したものである。縦軸は径方向Ｒ距離で、０．０が電子銃13の中心軸である。横軸が軸方向Ｚの距離で、０．０がカソード30の基端である。
【００２８】
アノード60との間でエミッションベルト38から放出された電子は、磁界発生コイル21が発生する磁場により螺旋運動しながら所定の電子軌道を描いてアノード60の先端側に向かって加速される。
【００２９】
アノード60の先端側は開放形状になっているため、加速された電子はそのまま本体11の方向に導かれ、中空旋回状の電子ビーム12となって空胴共振器17へと送られる。
【００３０】
この計算例の通りの電子軌道をとるためには、エミッションベルト38が設計許容範囲の位置にあるとともに、エミッションベルト38の所定の発生範囲（電子放出面38a）以外からの電子の放出を抑制することが必要となる。
【００３１】
ここで、本実施形態の電子銃13の作用効果を説明するために、図５に比較例の電子銃13を示して説明する。なお、比較例の電子銃13の説明においても、本実施形態と同じ符号を用いて説明する。
【００３２】
比較例の電子銃13では、カソード支持筒31の基端にカソード支持フランジ44がロウ接合され、カソード支持フランジ44はスカート部48がロウ接合される支持ベース33の一面に溶接固定されている。
【００３３】
電子銃13の動作中は、ヒータ40が発する熱により、エミッションベルト38の表面が１０００℃程度、カソード支持筒31が低温部でも２００℃程度の温度となる。
【００３４】
これに対して、スカート部48は、カソード支持筒31で支えられたカソード30からの熱損失を極力小さくするように独立した同軸の円筒構造体として設置された構成となっている。
【００３５】
また、カソード支持筒31およびスカート部48は耐熱性、耐放電性に優れた電極材料とされるモリブデンが使用されているが、本体11のステンレス製のベースに溶接固定しやすいようにカソード支持筒31およびスカート部48ともステンレス製のカソード支持フランジ44および支持ベース33にロウ接合されている。
【００３６】
このように熱膨張差のあるモリブデンとステンレスとをロウ接合するためには、応力が集中して破損しないようにするために、カソード支持筒31の円筒部43およびスカート部48の円筒部51をある程度長いものとすることが必要となっている。
【００３７】
そして、電子銃13の動作時に、カソード支持筒31およびカソード支持フランジ44は先端側に向かうほど高温になり、支持ベース33に対してカソード支持筒31およびカソード支持フランジ44の基端から先端へ向けた方向に熱膨張する。これにより、エミッションベルト38の位置は、室温時に比べて、カソード支持筒31およびカソード支持フランジ44の熱膨張分だけ軸（高さ）方向に移動するものとなる。
【００３８】
そのため、エミッションベルト38の軸方向の位置変動を見越して、定格動作条件でエミッションベルト38の位置が設計範囲に入るようにカソード支持筒31およびカソード支持フランジ44を含む支持構造物の長さが設定されている。
【００３９】
これに対して、スカート部48は、カソード支持筒31およびカソード支持フランジ44の温度よりも低く保たれるので、熱膨張の程度は小さいものとなる。
【００４０】
図５に示したように、エミッションベルト38はカソード30の上部に配置したキャップ部46とスカート部48とに挟まれた構成となっているが、エミッションベルト38とキャップ部46またはスカート部48とが接触してしまうと、熱伝動損失によりエミッションベルト38を設計通りの温度まで上昇させにくいものとなる。
【００４１】
そのため、図６の拡大図に示すように、エミッションベルト38とキャップ部46およびスカート部48との間にはそれぞれ所定寸法g1、g2の隙間を設けているが、上述したようにスカート部48の熱膨張はカソード支持筒31およびカソード支持フランジ44よりも小さいため、エミッションベルト38とスカート部48との間の隙間は拡大する方向に作用する。
【００４２】
さらに、上述したように、ロウ接合したときの破損を防止するために、カソード支持筒31およびスカート部48の両方ともある程度、軸方向に長いものとしなくてはならないので、これによっても熱膨張量が大きくなり、エミッションベルト38とスカート部48との間の隙間を大きくするものとなっている。
【００４３】
エミッションベルト38とスカート部48との間の隙間が拡大すると、エミッションベルト38の外周面の電子放出面38aに交差する面から隙間部分を通じて放出される電子成分が増加し、それは正規の電子軌道に乗らない無効電子成分が増加することを意味し、ジャイロトロン10の発振効率を低下させる要因となっている。
【００４４】
このように、ロウ接合時の破損を生じることなく組み立てが可能であり、ヒータ40の熱損失を抑制でき、さらに、電子銃13のエミッションベルト38とスカート部48と間の隙間の広がりを小さなものとする電子銃13を得ることが、高効率のジャイロトロン10の課題となっている。
【００４５】
そして、図１に示す本実施形態の電子銃13においては、カソード支持筒31が温度上昇したときに軸方向に熱膨張するが、同時に熱膨張調整部34がカソード支持筒31の基端から先端へ向けた方向に対して反対方向に熱膨張するため、全体としてエミッションベルト38の軸方向の位置変動を小さくする効果がある。
【００４６】
簡単に試算すると、
モリブデンの熱膨張率が温度４００〜７００Ｋにおいて  〜５ｅ−６（１／Ｋ）
ステンレスの熱膨張率が温度４００〜７００Ｋにおいて  〜１６ｅ−６（１／Ｋ）
である。
【００４７】
支持ベース33を基準にして、下方向のカソード支持筒31および熱膨張調整部34の長さ（図１中の長さL1）を１００ｍｍ、この部分の平均温度２００℃とすると、
軸方向下向きの熱膨張差Δ(-)＝（１６−５）ｅ−６×１００ｍｍ×２００Ｋ
＝０．２２ｍｍ
となる。
【００４８】
支持ベース33を基準にして、上方向のカソード支持筒31およびスカート部48の長さを２００ｍｍ、カソード支持筒31の平均温度を５００℃、スカート部48の平均温度を３００℃、とすると、
軸方向上向きの熱膨張差Δ(+)＝（５００Ｋ−３００Ｋ）×５ｅ−６×２００ｍｍ
＝０．２ｍｍ
となる。
【００４９】
したがって、カソード支持筒31とスカート部48との熱膨張差は、熱膨張調整部34が過分に膨張する分と同等にすることができる。
【００５０】
これにより、エミッションベルト38とスカート部48の間隙はほとんど変化せずに維持できるものとなる。
【００５１】
以上、本実施形態の電子銃13の構成により、定常動作時の温度条件においても、エミッションベルト38とスカート部48との間の隙間の拡大を抑制し、隙間部分から放出される無効電子成分の量を抑制することが可能となる。
【００５２】
この電子銃13を用いたジャイロトロン10は、安定した高い効率を達成することができ、必要電力を抑えると同時に、管球のサイズを縮小し、コンパクトなものにしていくことができる。
【００５３】
次に、図４に第２の実施形態を示す。なお、第１の実施形態と同じ構成については同じ符号を用いその説明を省略する。
【００５４】
カソード支持筒31は、支持ベース33の一面に溶接固定されるカソード支持フランジ44に接合される。カソード支持フランジ44は、軸方向の長さを極力短いものとしている。
【００５５】
スカート部48は、支持ベース33に直接接合するのではなく、熱膨張調整部34を付加して支持ベース33に取り付けている。すなわち、覆い部47であるスカート部48の一部に熱膨張調整部34を設けている。
【００５６】
熱膨張調整部34は、ステンレス製で、円筒状に形成され、一方の端部にスカート部48がロウ接合され、他方の端部が支持ベース33に溶接固定されている。
【００５７】
そして、このような電子銃13の構成を採れば、図５に示したスカート部48が支持ベース33に直接接合されていて、スカート部48の全体がモリブデン製である構成よりも、付加したステンレス製の熱膨張調整部34によって熱膨張する長さが増加することになる。これにより、中心部のカソード支持筒31の温度よりもスカート部48および熱膨張調整部34の温度が低くても、エミッションベルト38とスカート部48との間の隙間の広がりを抑制することができる。
【００５８】
しかも、中心部のカソード支持筒31は高い熱膨張率を有するステンレス製のカソード支持フランジ44の軸方向の長さを極力短くしているので、熱膨張長さは短くなり、スカート部48の熱膨張長さが増加した分と合わさって、エミッションベルト38とスカート部48との間の隙間の広がりを抑制することができる。
【００５９】
ただし、付加する熱膨張調整部34の軸方向の長さ（図４中の長さL2）を長くとりすぎると、支持ベース33とスカート部48とのロウ接合時の熱膨張率の差によって生じる応力を緩和する効果が小さくなる虞があるので、スカート部48の長さを十分確保しながら、スカート部48と熱膨張調整部34を含む全体の長さを決定するのが好ましい。
【００６０】
以上、本実施形態の電子銃13の構成により、定常動作時の温度条件においても、エミッションベルト38とスカート部48との間の隙間の拡大を抑制し、隙間部分から放出される無効電子成分の量を抑制することが可能となる。
【００６１】
この電子銃13を用いたジャイロトロン10は、安定した高い効率を達成することができ、必要電力を抑えると同時に、管球のサイズを縮小し、コンパクトなものにしていくことができる。
【００６２】
なお、ロウ接合時の加熱冷却によるステンレスとモリブデンとの熱膨張差がもたらす応力によって構造体に亀裂が入ることが懸念されるため、第１および第２の実施形態においては、各部品の長さ、厚さなどのディメンジョンは熱計算、応力計算によって最適設定したものとすることが好ましい。これにより、ロウ接合後の健全性を維持し、定格動作時のエミッションベルト38とスカート部48との間の隙間の広がりを抑制することが可能となる。
【００６３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６４】
10    ジャイロトロン
12    電子ビーム
13    電子銃
16    電磁波
17    空胴共振器
30    カソード
31    カソード支持部としてのカソード支持筒
33    支持ベース
34    熱膨張調整部
37    電子発生源
47    覆い部
【図１】
2016207379.tif 000003
【図２】
2016207379.tif 000004
【図３】
2016207379.tif 000005
【図４】
2016207379.tif 000006
【図５】
2016207379.tif 000007
【図６】
2016207379.tif 000008