(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが電子ビームを発生する複数の電子銃と、前記電子ビームとの相互作用で増幅する入力信号が入力し、かつ、それぞれの電子ビームごとに設けられ互いに結合した複数の入力空胴と、この入力空胴それぞれの電子ビームの進行側に位置し、電子ビームごとに少なくとも１個ずつ設けられ互いに結合した複数の中間空胴と、この中間空胴それぞれの電子ビームの進行側に電子ビームごとに設けられ、増幅した出力信号を取り出す互いに結合した複数の出力空胴と、前記電子ビームを捕捉するコレクタとを具備した多空胴クライストロン装置において、前記複数の出力空胴が、第１出力空胴および第２出力空胴の２個で構成され、前記第１出力空胴に結合した第１出力導波管が接続される第１分岐、および、前記第２出力空胴に結合した第２出力導波管が接続される第２分岐、前記第１分岐に入力する信号と前記第２分岐に入力する信号が同相で合成される第３分岐、前記第１分岐に入力する信号と前記第２分岐に入力する信号が逆相で合成される第４分岐を有するマジックＴと、前記第３分岐および前記第４分岐にそれぞれ設けられ、互いに相違する周波数に対して整合が取れた出力窓とを設けた多空胴クライストロン装置。
【請求項２】
それぞれの電子ビームごとに設けられる入力空胴および中間空胴、出力空胴が、それぞれ管軸方向に互いに同じ位置に配置されている請求項１記載の多空胴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】
この発明は、離散する複数の周波数で動作する多空胴クライストロン装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多空胴クライストロン装置は、電子ビームとの相互作用を利用して高周波信号を増幅する装置で、マイクロ波などの高周波信号の増幅に利用されている。
【０００３】
ここで、従来のクライストロン装置について図４を参照して説明する。符号４１は電子銃で、電子銃４１が発生する電子ビームｅの進行方向に沿って、入力空胴４２および３個の中間空胴４３、出力空胴４４、そして、電子ビームｅを捕捉するコレクタ４５などが設けられている。入力空胴４２には、増幅する高周波信号を入力する入力結合ループ４６が設けられている。出力空胴４４には、増幅した高周波信号を取り出す出力導波管４７が接続されている。また、出力導波管４５の一部に、クライストロン内を真空気密に保ち、高周波出力を透過する出力窓４８が設けられている。また、入力空胴４２と中間空胴４３間、中間空胴４３どうし、中間空胴４３と出力空胴４４間は、それぞれドリフト管Ｄで連結されている。また、符号Ｍは管軸を示している。
【０００４】
上記した構成において、入力結合ループ４６を通して入力空胴４２に高周波信号が入力する。入力した高周波信号は、電子ビームｅとの相互作用で増幅され、出力空胴４４から出力導波管４７へと出力され、出力窓４８を通して外部に取り出される。
【０００５】
なお、図５（ａ）は空胴部分を電子ビームの進行方向から見た図で、符号Ｇは空胴部分に位置するギャップ管である。また、図５（ｂ）は空胴部分における電界分布を示している。横軸は空胴の直径方向（Ｌ）を示し、縦軸は電界の強さ（Ｅ）を示している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の多空胴クライストロン装置は、増幅された大出力の高周波信号を取り出す場合、大きな利得を得るために、通常、帯域を動作周波数の１％以下と狭くし単一周波数で動作するようにしている。
【０００７】
しかし、Ｓバンドライナックは、２８５６ＭＨｚと２９９８ＭＨｚというように数％離れた２つの動作周波数が採用されている。このように２つの周波数で動作させる場合、たとえば、空胴の共振周波数を調整できるようにチューナーを空胴部分に設けている。しかし、空胴部分にチューナーを設けると、大出力化への対応が困難になる。そのため、動作周波数が数％異なる大出力を得る場合は、それぞれが必要な動作周波数をもった複数の多空胴クライストロン装置が用いられている。
【０００８】
この発明は、上記した欠点を解決するものであり、複数の動作周波数で動作する多空胴クライストロン装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の多空胴クライストロン装置は、それぞれが電子ビームを発生する複数の電子銃と、前記電子ビームとの相互作用で増幅する入力信号が入力し、かつ、それぞれの電子ビームごとに設けられ互いに結合した複数の入力空胴と、この入力空胴それぞれの電子ビームの進行側に位置し、電子ビームごとに少なくとも１個ずつ設けられ互いに結合した複数の中間空胴と、この中間空胴それぞれの電子ビームの進行側に電子ビームごとに設けられ、増幅した出力信号を取り出す互いに結合した複数の出力空胴と、前記電子ビームを捕捉するコレクタとを具備した多空胴クライストロン装置において、前記複数の出力空胴が、第１出力空胴および第２出力空胴の２個で構成され、前記第１出力空胴に結合した第１出力導波管が接続される第１分岐、および、前記第２出力空胴に結合した第２出力導波管が接続される第２分岐、前記第１分岐に入力する信号と前記第２分岐に入力する信号が同相で合成される第３分岐、前記第１分岐に入力する信号と前記第２分岐に入力する信号が逆相で合成される第４分岐を有するマジックＴと、前記第３分岐および前記第４分岐にそれぞれ設けられ、互いに相違する周波数に対して整合が取れた出力窓とを設けている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態について図１を参照して説明する。符号１１Ａ、１１Ｂは、隣接して設けられ２つの電子銃である。そして、２つの電子銃１１Ａ、１１Ｂが発生した電子ビームｅａ、ｅｂの進行方向に沿って、電子ビームごとにそれぞれ、入力信号が入力する入力空胴１２Ａ、１２Ｂおよび３個の中間空胴１３Ａ、１３Ｂ、増幅された信号を出力する出力空胴１４Ａ、１４Ｂなどが配置されている。また、出力空胴１４Ａ、１４Ｂの先に、電子ビームを捕捉するコレクタ１５Ａ、１５Ｂが設けられている。
【００１１】
入力空胴１２Ａ、１２Ｂの一方、たとえば入力空胴１２Ａには、増幅する高周波信号を入力する入力結合ループ１６が設けられている。出力空胴１４Ａ、１４Ｂの一方、たとえば出力空胴１４Ａには、増幅した高周波信号を取り出すための出力導波管１７が接続されている。また、出力導波管１７の一部には、クライストロン内部を真空気密に保ち、高周波出力を透過する出力窓１８が設けられている。
【００１２】
また、一方の電子ビームｅａの進行方向に沿って位置する入力空胴１２Ａと中間空胴１３Ａ間、中間空胴１３Ａどうし、中間空胴１３Ａと出力空胴１４Ａ間は、それぞれドリフト管Ｄａで連結されている。また、他方の電子ビームｅｂの進行方向に沿って位置する入力空胴１２Ｂと中間空胴１３Ｂ間、中間空胴１３Ｂどうし、中間空胴１３Ｂと出力空胴１４Ｂ間も、それぞれドリフト管Ｄｂで連結されている。そして、一方の電子ビームｅａの進行方向に沿って配置される入力空胴１２Ａおよび中間空胴１３Ａ、出力空胴１４Ａと、他方の電子ビームｅｂの進行方向に沿って配置される入力空胴１２Ｂおよび中間空胴１３Ｂ、出力空胴１４Ｂとは、それぞれ対応する空胴どうしが電子ビームの進行方向、すなわち管軸方向に同じ位置に配置されている。
【００１３】
そして、同じ位置の空胴どうしは、結合口を介して結合した構造になっている。なお、なお、符号Ｍ１、Ｍ２は管軸を示している。
【００１４】
ここで、同じ位置の空胴どうしが結合する模様について図２を参照して説明する。図２（ａ）は、空胴部分を電子ビームの方向から見た図で、符号Ｐは、一方の電子ビームｅａの進行方向に沿って配置される空胴を示し、符号Ｑは、他方の電子ビームｅｂの進行方向に沿って配置される空胴を示している。空胴Ｐと空胴Ｑは管軸方向に同じ位置に配置されている。そして、空胴Ｐと空胴Ｑは結合口Ｃを介して結合されている。なお、符号Ｇは空胴部分に位置するギャップ管である。
【００１５】
上記した構成において、増幅する高周波信号が入力結合ループ１６を通して入力空胴１２Ａ、１２Ｂに入力する。入力した高周波信号は、入力空胴１２Ａ、１２Ｂのギャップ管に電界を発生させる。この電界によって電子ビームｅａ、ｅｂは速度変調をうける。電子ビームｅａ、ｅｂの速度変調は入力信号の周波数に対応しており、電子ビームｅａ、ｅｂは中間空胴の電磁界と相互作用しながら、出力空胴１４Ａ、１４Ｂ方向に進む。そして、増幅された出力信号が出力空胴１４Ａ、１４Ｂから出力導波管１７に出力される。その後、増幅された出力信号は、出力導波管１７に設けられた出力窓１８を通して、管外に取り出される。
【００１６】
ところで、上記の多空胴クライストロン装置は、２つの電子ビームｅａ、ｅｂに沿って同じ位置に配置された空胴どうしが互いに結合している。この場合、同じ位置の空胴部分に、図２（ｂ）に示すように周波数がｆ1 のゼロモードと、図２（ｃ）に示すように周波数がｆ2 のπモードの２つの共振モードが発生する。なお、図の（ｂ）、（ｃ）の横軸は、同じ位置の空胴どうしの中心を結ぶ方向（Ｌ）を示し、縦軸は電界の大きさ（Ｅ）を示している。
【００１７】
図２（ｂ）に示したゼロモードは、２つの空胴Ｐ、Ｑの中心部分で電界が最大となり、かつ、両者の電界は同位相になっている。図２（ｃ）に示したπモードは、２つの空胴Ｐ、Ｑの中心で電界が最大となり、両者の電界は位相が１８０度異なっている。この場合、ゼロモードの共振周波数ｆ0 、πモードの共振周波数ｆπは、それぞれの空胴の固有の共振周波数ｆが同じで、結合係数をｋとして場合、以下の式で表される。
ｆ0 ＝（１−ｋ）×ｆ
ｆπ＝（１＋ｋ）×ｆ
したがって、それぞれの空胴の固有の共振周波数ｆ、および、空胴間の結合係数ｋを所定の値に選定すれば、ｆ0 、ｆπの値を任意に決定できる。また、この場合、周波数ｆ0 、ｆπをそれぞれ、離調した２つの動作周波数ｆ1 、ｆ2 （ｆ1 ＜ｆ2 ）に対応させれば、複数の異なる周波数で動作する多空胴クライストロン装置が実現される。
【００１８】
たとえば、入力空胴に低い動作周波数ｆ1 を励振すると、各空胴はゼロモードで励振される。この場合、２つの電子ビームは同位相でバンチングされ、中間空胴や出力空胴に同位相で入射し、各中間空胴および出力空胴はゼロモードで励振される。その結果、ゼロモードの共振周波数で速度変調され、出力空胴において高周波にエネルギー変換される。
【００１９】
また、入力空胴に高い動作周波数ｆ2 を励振すると、各空胴はπモードで励振される。この場合、２つの電子ビームは逆位相でバンチングされ、中間空胴や出力空胴に逆位相で入射し、各中間空胴および出力空胴はπモードで励振される。その結果、πモードの共振周波数で速度変調され、出力空胴において高周波にエネルギー変換される。
【００２０】
なお、上記した２つの動作モードの出力を取り出す方法としては、たとえば、２つの動作モードに対してそれぞれ整合した出力窓を設け、２つの動作モードの信号をそれぞれ整合した出力窓から取り出す方法がある。また、２つの出力空胴にそれぞれアイリスを設けて２つの出力空胴から出力を取り出し、そして、それぞれの出力空胴から同じ電気長の位置に接続したマジックＴを利用して、各動作モードの出力を取り出す方法がある。
【００２１】
ここで、２つの動作モードの出力をマジックＴを用いて取り出す方法について、出力空胴の近傍を抜き出して示した図３を参照して説明する。図３では、図１に対応する部分には同一の符号を付し、重複する説明を一部省略する。
【００２２】
図３（ａ）に示すように、一方の出力空胴１４Ａに第１出力導波管１７Ａが接続され、他方の出力空胴１４Ｂに第２出力導波管１７Ｂが接続されている。また、図３（ｂ）はマジックＴ３１の構造を概略的に示したもので、第１出力導波管１７Ａは、マジックＴ３１の第１分岐３１１に接続され、第２出力導波管１７Ｂは第２分岐３１２に接続されている。
【００２３】
なお、マジックＴ３１は、第３分岐３１３には、第１分岐３１１と第２分岐３１２の入力が同相で合成されて出力し、第４分岐３１４には、第１分岐３１１と第２分岐３１２の入力が逆相で合成されて出力する構成になっている。
【００２４】
したがって、ゼロモード動作の場合は、第１分岐３１１と第２分岐３１２の入力が同相であるため、第３分岐３１３に合成されて出力され、第４分岐３１４には出力しない。また、πモード動作の場合は、第１分岐３１１と第２分岐３１２の入力が逆相であるため、第４分岐３１４に合成されて出力され、第３分岐３１３には出力しない。
【００２５】
この場合、ゼロモード動作の出力を取り出す第３分岐３１３に、動作周波数ｆ1 と整合のとれた開口面積や厚さを有する出力窓Ｗ１を設け、また、πモード動作の出力を取り出す第４分岐３１４に、動作周波数ｆ2 と整合のとれた開口面積や厚さを有する出力窓Ｗ２を設ければ、各モード動作の出カを効率的に取り出すことができる。この場合、図１で、出力導波管１７部分に設けられた出力窓１８に要求されるような広帯域特性が不要となる。
【００２６】
上記した構成によれば、利得や動作効率を低下させることなく、２つの異なる周波数で動作する多空胴クライストロン装置を実現できる。
【００２７】
なお、上記の実施形態では、２つの電子ビームを利用する場合で説明している。しかし、この発明は、３個以上の電子ビームを利用することもできる。この場合、それぞれの電子ビームに沿って同じ位置に配置される空胴どうしが結合口を介して互いに結合される。また、この場合、３個以上で結合する空胴による動作モードをもつ多空胴クライストロン装置が得られる。また、発生する電子ビームの数を多くすると、同じ出力を得る場合に、電子銃に印加する電圧を低くでき、その分、電源を小型化できる。また、この発明では、空胴部分などにチューナを用いないため、大出力化に容易に対応できる。また、中間空胴は複数である必要はなく１個で構成することもできる。
【００２８】
【発明の効果】
この発明によれば、利得や動作効率を低下させずに、複数の異なる周波数で動作する多空胴クライストロン装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を説明するための概略の構造図である。
【図２】本発明の空胴の一部を抜き出して示した概略の構造図、および、空胴部分における電界分布を説明するための特性図である。
【図３】本発明の他の実施形態を説明するための概略の構造図である。
【図４】従来例を示す概略の構造図である。
【図５】従来例の空胴の一部を抜き出して示した概略の構造図、および、空胴部分における電界分布を説明するための特性図である。
【符号の説明】
１１Ａ、１１Ｂ…電子銃
１２Ａ、１２Ｂ…入力空胴
１３Ａ、１３Ｂ…中間空胴
１４Ａ、１４Ｂ…出力空胴
１５Ａ、１５Ｂ…コレクタ
１６…入力結合ループ
１７…出力導波管
１８…出力窓
ｅａ、ｅｂ…電子ビーム
Ｄａ、Ｄｂ…ドリフト管
【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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