(57)【要約】【課題】  ＣＰＤによりエネルギを回収することができ、総合効率を改善することのできるクライストロンを提供する。【解決手段】  クライストロンは、カソード１ｂ及びアノード１ｃを有し、電子ビームを放出する電子銃部１と、コレクタ２と、入力信号が増幅された高周波の出力信号を出力する高周波相互作用部３と、集束コイル４と、出力導波管５と、加速電源２０と、電力供給電源３０と、制御部４０とを備える。加速電源２０は、カソード１ｂ及び高周波相互作用部３間に電圧を与える。電力供給電源３０は、カソード１ｂ及びコレクタ２間に電圧を与える。制御部４０は、出力信号の電力が飽和領域の８５％以下となるように制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード及びアノードを有し、電子ビームを放出する電子銃部と、
前記電子ビームを捕捉するコレクタと、
前記電子銃部及びコレクタ間に接続され、前記コレクタに対して電気的に絶縁状態にあり、前記電子銃部及びコレクタ間に位置した入力空胴、前記入力空胴及びコレクタ間に位置した少なくとも１つの中間空胴、前記中間空胴及びコレクタ間に位置し、穴部が形成された出力空胴、並びに前記入力空胴、中間空胴及び出力空胴を連結したドリフト管を有し、前記入力空胴に入力信号を入力することにより、前記出力空胴から増幅された高周波の出力信号を出力する高周波相互作用部と、
前記高周波相互作用部の外周を囲み、前記電子銃部から放出される前記電子ビームを集束する集束コイルと、
前記高周波相互作用部に接合され、前記穴部に連通され、前記穴部を通して前記出力空胴から前記出力信号を取り出す出力導波管と、
前記カソード及び高周波相互作用部間に電圧を与える加速電源と、
前記カソード及びコレクタ間に電圧を与える電力供給電源と、
前記出力信号の電力が飽和領域の８５％以下となるように制御する制御部と、を備えることを特徴とするクライストロン。
【請求項２】
前記制御部は、前記入力信号の電流を調整し、前記出力信号の電力を制御することを特徴とする請求項１に記載のクライストロン。
【請求項３】
前記電子銃部は、前記電子ビームを１本放出する電子銃をさらに有し、
前記制御部は、前記電子ビーム１本あたりのパービアンスを１．６μＰ以下となるように制御することを特徴とする請求項１に記載のクライストロン。
【請求項４】
前記制御部は、前記出力信号のパルスデューティ比が１０％から連続波までとなるように制御することを特徴とする請求項１に記載のクライストロン。
【請求項５】
前記コレクタは、前記電子ビームの進行方向に沿って分断され、互いに電気的に絶縁状態にある２以上の自然数であるＮ個の分割部で形成され、
前記電力供給電源は、隣合う前記分割部間の電位差が５ｋＶ以下となるよう、隣合う前記分割部間に電圧を与えるＮ−１個の電源部を有していることを特徴とする請求項１に記載のクライストロン。
【請求項６】
前記高周波相互作用部は、接地電位に設定され、
前記電力供給電源は、前記コレクタに負の高電圧を与えることを特徴とする請求項１に記載のクライストロン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、クライストロンに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電波を増幅する真空管としてクライストロンが知られている。クライストロンは、電子ビームを放出する電子銃部と、用済みの電子ビームを捕捉するコレクタと、高周波相互作用部と、電子銃部から放出される電子ビームを集束する集束コイルと、を備えている。
【０００３】
高周波相互作用部は、電子銃部から放出された電子ビームが通過するドリフト管と、ドリフト管の途中に電子ビームの進行方向に沿って設けられた入力空胴、中間空胴及び出力空胴と、を有し、入力空胴に入力信号を入力することにより、出力空胴から増幅された高周波の出力信号を出力するものである。出力空胴から高周波を取り出すため、出力空胴の側面には出力導波管が接合されている。
【０００４】
増幅を終えた使用済みの電子ビームは、まだある程度のエネルギを持ってコレクタに入射される。そして、電子ビームがコレクタの内壁（金属壁）に衝突することにより、電子ビームのエネルギは熱エネルギに変換される。変換された熱エネルギは、コレクタ外周の冷却機構により消費される。
【０００５】
ところで、ジャイロトロンにおいて、ＣＰＤ（Collector Potential Depression：コレクタ電位降下）によりエネルギを回収する方式が知られている。この方式は、コレクタの電位を高周波相互作用部の電位より下げることにより、電子ビームの余剰エネルギを静電的に回収し、動作効率を改善するとともに、コレクタ熱負荷を低減する方式である。ジャイロトロンや進行波管等のクライストロン以外の電子管では、このＣＰＤにより電子のエネルギを回収することで、総合効率の改善が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５７−８２９３８号公報
【特許文献２】特開平７−３７５１５号公報
【特許文献３】特開２００２−２０３４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記エネルギを回収する方式をクライストロンに適用した場合、次のような問題がある。クライストロンにおいては、その動作原理から、電子ビームのエネルギの変換効率が他の電子管に比べて高い。そのためもあり使用済みの電子ビーム（スペントビーム）のエネルギ分散が大きいという特性がある。そのため、クライストロンにおいてＣＰＤによるエネルギ回収を行った場合、ゼロに近いエネルギをもった電子が逆行電子となり、クライストロンの安定動作に支障をきたす可能性が大きい。
【０００８】
このことから、ＣＰＤによりエネルギを回収する方式を適用したクライストロンは特殊な数例を除きほとんど無く、実用化されていない状態である。このため、ＣＰＤによりエネルギを回収することができ、総合効率を改善することのできるクライストロンが望まれている。  
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、ＣＰＤによりエネルギを回収することができ、総合効率を改善することのできるクライストロンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一実施形態に係るクライストロンは、
カソード及びアノードを有し、電子ビームを放出する電子銃部と、
前記電子ビームを捕捉するコレクタと、
前記電子銃部及びコレクタ間に接続され、前記コレクタに対して電気的に絶縁状態にあり、前記電子銃部及びコレクタ間に位置した入力空胴、前記入力空胴及びコレクタ間に位置した少なくとも１つの中間空胴、前記中間空胴及びコレクタ間に位置し、穴部が形成された出力空胴、並びに前記入力空胴、中間空胴及び出力空胴を連結したドリフト管を有し、前記入力空胴に入力信号を入力することにより、前記出力空胴から増幅された高周波の出力信号を出力する高周波相互作用部と、
前記高周波相互作用部の外周を囲み、前記電子銃部から放出される前記電子ビームを集束する集束コイルと、
前記高周波相互作用部に接合され、前記穴部に連通され、前記穴部を通して前記出力空胴から前記出力信号を取り出す出力導波管と、
前記カソード及び高周波相互作用部間に電圧を与える加速電源と、
前記カソード及びコレクタ間に電圧を与える電力供給電源と、
前記出力信号の電力が飽和領域の８５％以下となるように制御する制御部と、を備えることを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、一実施形態に係るクライストロンを示す概略構成図である。
【図２】図２は、上記クライストロンの一部を拡大して示す概略断面図であり、高電圧絶縁部材により図１に示したトップドリフト部及びコレクタを電気的に絶縁している状態を示す図である。
【図３】図３は、上記クライストロンにおける、入力電力に対する出力電力の変化をグラフで示した図である。
【図４】図４は、上記クライストロンを非飽和線形領域及び飽和領域でそれぞれ動作した場合における、入力電力に対する出力電力の変化をグラフで示した図である。
【図５】図５は、上記クライストロンを非飽和線形領域で動作した場合における、電子ビームのパービアンスに対するＲＦ変換効率、総合効率及びＣＰＤ電圧の変化をグラフで示した図である。
【図６】図６は、上記クライストロンの変形例を示す概略構成図であり、コレクタ及び電力供給電源を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら一実施形態に係るクライストロンについて詳細に説明する。  
図１に示すように、クライストロンは、電子銃部１と、コレクタ２と、高周波相互作用部３と、集束コイル４と、出力導波管５と、加速電源２０と、電力供給電源３０と、制御部４０とを備えている。この実施の形態において、クライストロンはパルスクライストロンである。コレクタ２、高周波相互作用部３及び出力導波管５は、それぞれ金属で形成されている。
【００１２】
電子銃部１は、電子ビームを放出する電子銃１ａと、電子銃１ａから放出された電子ビームを加速させ、電子の流れをコレクタ２方向に作るカソード１ｂ及びアノード１ｃとを有している。電子銃１ａは、電子ビームを１本放出するものである。この実施形態において、電子銃部１は、１個の電子銃１ａを有している。複数本の電子ビームを放出させたい場合、電子銃部１は、複数個の電子銃１ａを有していればよい。
【００１３】
コレクタ２は、高周波相互作用部３を通過した使用済みの電子ビーム（スペントビーム）を捕捉し、残ったエネルギを熱エネルギに変換するものである。コレクタ２は、図示しない冷却機構により冷却されている。ここでは、冷却機構の主冷却方式は水冷式である。
【００１４】
高周波相互作用部３は、クライストロンのボディ部である。高周波相互作用部３は、電子銃部１及びコレクタ２間に気密に接続されている。高周波相互作用部３は、電子銃部１及びコレクタ２間に位置した入力空胴３ａと、入力空胴３ａ及びコレクタ２間に位置した少なくとも１つの中間空胴３ｂと、中間空胴３ｂ及びコレクタ２間に位置し、穴部Ｏが形成された出力空胴３ｃと、入力空胴３ａ、中間空胴３ｂ及び出力空胴３ｃを気密に連結したドリフト管３ｄと、を有している。この実施の形態において、高周波相互作用部３は、中間空胴３ｂを３つ有している。また、入力空胴３ａ、中間空胴３ｂ及び出力空胴３ｃは、ドリフト管３ｄに形成された空胴により形作られている。
【００１５】
上記各空胴は、筒状の内周壁と、筒状の外周壁と、内周壁及び外周壁間の下端を気密に閉塞する環状の下端壁と、内周壁及び外周壁間の上端を気密に閉塞する環状の上端壁と、中心部に軸方向に開口する開口部と、を有し、同軸状に形成されている。高周波相互作用部３の真空側の表面は導電性に優れ、上記表面には例えば銅メッキが施されている。
【００１６】
ここで、上記高周波相互作用部３の動作原理について詳述する。入力空胴３ａには増幅したい入力信号が導入される。入力信号は、電波（マイクロ波）である。入力空胴３ａを電子ビームが通過するとき、電子ビームは導入された入力信号により速度変調される。その後、電子ビームが一様電界中を通過する間、電子ビームに密度変調が生じ、電子ビームは次第に集群（バンチ）される。さらに、集群された電子ビームは、中間空胴３ｂを通過する度に相互作用により空胴に高周波電界を発生する。これにより、電子ビームはその電界により再度速度変調を受ける。
【００１７】
そして最後に集群された電子ビームは、出力空胴３ｃの間隙を通過する時、大きな交流電界を誘起し、増幅された高周波（大電力マイクロ波）の出力信号として出力空胴３ｃから外部に取り出される。  
すなわち、高周波相互作用部３は、入力空胴３ａに入力信号を入力することにより、出力空胴３ｃから増幅された高周波の出力信号を出力するものである。
【００１８】
集束コイル４は、筒状に形成され、高周波相互作用部３の外周を囲んでいる。集束コイル４は、電子銃部１から放出される電子ビームを集束するものである。  
出力導波管５は、高周波相互作用部３に接合され、穴部Ｏに連通されている。出力導波管５には、誘電体で形成された出力窓５ａが気密に取り付けられている。出力導波管５の真空側の表面は導電性に優れ、出力導波管５の真空側の表面には例えば銅メッキが施されている。出力導波管５は、穴部Ｏを通して出力空胴３ｃから出力信号を取り出すものである。
【００１９】
次に、上記高周波相互作用部３及びコレクタ２についてさらに説明する。  
図１及び図２に示すように、高周波相互作用部３は、トップドリフト部１０をさらに含んでいる。
【００２０】
トップドリフト部１０は、筒状に形成されている。トップドリフト部１０の内周面は導電性に優れ、上記内周面には例えば銅メッキが施されている。トップドリフト部１０は、コレクタ２と対向した側にフランジ１０ａを有している。フランジ１０ａは、円環状に形成されている。
【００２１】
コレクタ２は、コレクタ本体２ａと、フランジ２ｂとを有している。フランジ２ｂは、コレクタ本体２ａの外周面側に位置している。コレクタ本体２ａ及びフランジ２ｂは一体に形成されている。フランジ２ｂは、円環状に形成されている。フランジ２ｂは、フランジ１０ａに充分な間隔を置いて対向している。
【００２２】
フランジ１０ａ及びフランジ２ｂは、高電圧絶縁部材１１を介して接合されている。高電圧絶縁部材１１は筒状に形成されている。高電圧絶縁部材１１は、フランジ１０ａ及びフランジ２ｂ間の充分な絶縁距離を保持している。高電圧絶縁部材１１は、フランジ１０ａ及びフランジ２ｂを真空気密に接続している。  
上記コレクタ２、高周波相互作用部３及び出力導波管５等は、気密な真空容器を形成している。図示しないが、電子銃部１は上記真空容器内に収容されている。
【００２３】
図１に示すように、加速電源２０は、カソード１ｂ及び高周波相互作用部３間に電圧を与えるものである。詳しくは、加速電源２０は、カソード１ｂ及びドリフト管３ｄ間に電圧を与えるものである。加速電源２０は、カソード１ｂに負の高電圧として例えば−９０ｋＶの電圧を与えている。ドリフト管３ｄを含む高周波相互作用部３は接地電位に設定されている。なお、高周波相互作用部３に接続されたアノード１ｃも接地電位に設定されている。
【００２４】
電力供給電源３０は、カソード１ｂ及びコレクタ２間に電圧を与えるものである。電力供給電源３０は、コレクタ２に負の高電圧を与えるものである。コレクタ２は、負の高電位として例えば−５０ｋＶの高電位に設定されている。高周波相互作用部３（ボディ部）及びコレクタ２間に減速電界が与えられるため、クライストロンは、電子ビームのエネルギを回収するよう構成されている。また、クライストロンは、−５０ｋＶの電圧（ＣＰＤ電圧）分のエネルギを回収するようにも構成されている。
【００２５】
制御部４０は、入力信号の電流を調整し、出力信号の電力を制御することができる。検出部５０は、出力信号の少なくとも一部を検出することができる。例えば、制御部４０は、検出部５０で検出した出力信号の情報を取得し、取得した情報を基に入力信号の電流を調整することができる。
【００２６】
その他、制御部４０は、電子ビーム１本あたりのパービアンスを１．６μＰ以下となるように制御することが可能である。また、制御部４０は、出力信号のパルスデューティ比が１０％からＣＷ（連続波）までとなるように制御することが可能である。  
上記のようにクライストロンが形成されている。
【００２７】
次に、クライストロンの動作を、入力信号の電力（以下、入力電力と称する）−出力信号の電力（以下、出力電力と称する）特性の観点から説明する。  
図３は、クライストロンにおける、入力電力に対する出力電力の変化をグラフで示した図である。図１及び図３に示すように、出力電力には、飽和領域と、非飽和線形領域とが生じていることが分かる。
【００２８】
飽和領域は、出力電力が飽和状態となり、入力電力を変化させても出力電力の変化が小さい領域である。なお、従来のクライストロンは、飽和領域で動作されていた。  
一方、非飽和線形領域は、入力電力の変化に対し出力電力が線形に近い形で変化する領域である。同じ電子ビーム電圧・電流とした場合の出力電力において、非飽和線形領域は、飽和領域の８５％以下の値となる。この実施の形態において、上記のように、制御部４０は、出力電力が飽和領域の８５％以下となるように制御している。
【００２９】
上記のように、非飽和線形領域では、入力電力に対して出力電力が線形に近い形で変化するため、非飽和線形領域は、制御部４０が検出部５０を使用して出力電力のフィードバックを入力電力に対してかけるよう制御する際に好適である。制御部４０は、非飽和線形領域内で入力電力（入力信号の電流）を調整することにより、出力電力を精度良く制御することができ、これにより、出力電力の安定化を図ることができる。
【００３０】
図４は、クライストロンを非飽和線形領域及び飽和領域でそれぞれ動作した場合における、入力電力に対する出力電力の変化をグラフで示した図である。図４に示すように、ＲＦ（radio frequency：高周波）変換効率に注目すると、同じ出力電力を出力するため、非飽和線形領域で動作させた場合と、電子ビームの電圧若しくは電流を低下させて飽和領域で動作させた場合とでは、飽和領域での動作の方がＲＦ変換効率は高くなることが分かる。
【００３１】
そこで、この実施形態において、クライストロンがＣＰＤによりエネルギを回収する方式を採ることにより、非飽和線形領域での動作において、飽和領域で動作した場合と同等程度まで出力電力（総合効率）を改善することができる。しかも、電子ビームの電圧若しくは電流を上昇させること無しに出力電力を改善することができる。
【００３２】
ここで、上記ＣＰＤとは、Collector Potential Depression（コレクタ電位降下）の略であり、コレクタ２の電位を高周波相互作用部３（ボディ部）の電位より下げることにより、電子ビームの余剰エネルギを静電的に回収し、動作効率を改善するとともに、コレクタ熱負荷を低減する方式である。
【００３３】
次に、クライストロンの動作を解析するシミュレーションコードを使用し、電子ビームのエネルギ解析を行った結果について説明する。  
飽和領域ではＲＦ変換効率が高いことから、使用済みの電子ビームのエネルギ分散が大きくなり、ＣＰＤによるエネルギ回収がほとんどできない。これに対し、非飽和線形領域では飽和領域に比べてＲＦ変換効率が低いことから、使用済みの電子ビームのエネルギ分散を小さくすることができるため、ＣＰＤによりエネルギをより多く回収することができ、出力電力を含む総合効率を大幅に改善できることが期待できる。
【００３４】
図５は、クライストロンを非飽和線形領域で動作した場合における、電子ビームのパービアンスに対するＲＦ変換効率、総合効率及びＣＰＤ電圧の変化をグラフで示した図である。図５は、ＣＰＤによる効率改善効果の計算結果の例でもある。図５に示すように、電子ビームのパービアンスを低くする方が、より総合効率を高くできることが分かる。
【００３５】
上述したように、ＣＰＤを搭載した本実施形態のクライストロンの動作条件は以下に挙げる通りである。
【００３６】
・動作領域を、飽和領域の出力電力の８５％以下となる非飽和線形領域とする。
【００３７】
・電子ビーム１本あたりのパービアンスを１．６μＰ以下とする。
【００３８】
・高周波の出力信号のパルスデューティ比は１０％からＣＷ（連続波）までとする。
【００３９】
・ＣＰＤの段数は１段とする。
【００４０】
・高周波相互作用部３（ボディ部）を接地電位とし、コレクタ２側を負電位とする。
【００４１】
・コレクタ２の主冷却方式は水冷式とする。
【００４２】
以上のように構成された一実施形態に係るクライストロンによれば、クライストロンは、電子銃部１と、コレクタ２と、コレクタ２に対して電気的に絶縁状態にあり、入力される入力信号を増幅して高周波の出力信号を出力する高周波相互作用部３と、集束コイル４と、出力導波管５と、加速電源２０と、電力供給電源３０と、制御部４０とを備えている。
【００４３】
加速電源２０は、カソード１ｂ及び高周波相互作用部３間に電圧を与えることができる。電力供給電源３０は、カソード１ｂ及びコレクタ２間に電圧を与えることができる。制御部は、出力電力が飽和領域の８５％以下となるように制御することができる。
【００４４】
クライストロンを非飽和線形領域で動作させることができるため、ＣＰＤによりエネルギを回収することができ、総合効率を、飽和領域で動作させた場合のＲＦ変換効率と同等程度まで改善することができる。
【００４５】
制御部４０は、非飽和線形領域内で入力電力（入力信号の電流）を調整することにより、出力電力を精度良く制御することができるため、出力電力の安定化を図ることができる。さらに、制御部４０が、電子ビーム１本あたりのパービアンスを１．６μＰ以下となるように制御することにより、一層、出力電力の安定化を図ることができる。  
上記のことから、ＣＰＤによりエネルギを回収することができ、総合効率を改善することのできるクライストロンを得ることができる。
【００４６】
なお、この発明は上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。
【００４７】
上記ＣＰＤの段数は１段に限らず、複数段（多段型）としてもよい。例えば、図６に示すように、コレクタ２は、電子ビームの進行方向に沿って分断され、互いに電気的に絶縁状態にあるＮ個の分割部Ｄ（Ｄ１、Ｄ２、…ＤＮ）で形成されている。
【００４８】
電力供給電源３０は、Ｎ−１個の電源部ＰＢ（ＰＢ１、ＰＢ２、…ＰＢＮ−１）を有している。第２電源部ＰＢは、隣合う分割部Ｄ間の電位差が５ｋＶ以下となるよう、隣合う分割部Ｄ間に電圧を与える。
【００４９】
複数の分割部Ｄは、高電圧絶縁部材１２を介して接合されている。高電圧絶縁部材１２は環状に形成されている。高電圧絶縁部材１２は、分割部Ｄ間の充分な絶縁距離を保持し、高電圧絶縁部材１１ほど絶縁距離を保持しなくともよい。高電圧絶縁部材１２は、複数の分割部Ｄを真空気密に接続している。  
ここで、上記Ｎは、２以上の自然数であればよい。Ｎ＝１０であり、分割部Ｄ間の電位差が５ｋＶである場合、上述した実施形態と同様、分割部Ｄ１は−５０ｋＶの高電位に設定されるため、多段型であっても１段型とみなすことができる。  
この発明は、上記クライストロンに限らず、各種クライストロンに適用可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１…電子銃部、１ａ…電子銃、１ｂ…カソード、１ｃ…アノード、２…コレクタ、３…高周波相互作用部、３ａ…入力空胴、３ｂ…中間空胴、３ｃ…出力空胴、３ｄ…ドリフト管、４…集束コイル、５…出力導波管、５ａ…出力窓、１０…トップドリフト部、１１，１２…高電圧絶縁部材、２０…加速電源、３０…電力供給電源、４０…制御部、５０…検出部、Ｄ（Ｄ１、Ｄ２、…ＤＮ）…分割部、ＰＢ（ＰＢ１、ＰＢ２、…ＰＢＮ−１）…電源部。
【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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