(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波大電力のマイクロ波をＨＥ１１モードで伝送するマイクロ波伝送装置の導波路に臨んで設けられ伝送マイクロ波の波長の１／１．７以下の孔径の複数の観測孔を有する観測孔板と、この観測孔板の外部に設けられ前記導波路において発生する放電光を検出する光検出器と、この光検出器に接続された光信号処理装置とを備えたことを特徴とする放電検出装置。
【請求項２】
導波路は導波管またはマイターベント装置またはＲＦ真空窓または遮蔽容器によって形成されていることを特徴とする請求項1記載の放電検出装置。
【請求項３】
観測孔板と光検出器の間に集光レンズを設けたことを特徴とする請求項1記載の放電検出装置。
【請求項４】
観測孔板の外側に真空窓または真空封止手段を備えたことを特徴とする請求項1記載の放電検出装置。
【請求項５】
光検出器と光信号処理装置を光ファイバーによって接続したことを特徴とする請求項１記載の放電検出装置。
【請求項６】
光信号処理装置は、導波管または遮蔽容器と一体化した金属容器に納められていることを特徴とする請求項1記載の放電検出装置。
【請求項７】
光信号処理装置は、導波路における放電に対して保護すべき機器が耐えうる放電時間から求められる所定の時間以上、放電から発せられる光が持続したときに放電検出と判定することを特徴とする請求項１記載の放電検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波大電力のマイクロ波伝送装置における放電を検出する放電検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
３０ＧＨｚを超えるような高周波の大電力マイクロ波を伝送する導波管等のマイクロ波伝送装置の内部においては、電界が局部的に過大になって放電が生じることがある。このような放電はマイクロ波伝送の障害になるとともに装置を損壊することもあるので、これを検出するとともにその発生を極力防止することが必要である。
【０００３】
ミリ波帯以上のマイクロ波を効率良く伝送するコルゲート導波管は、内径が波長の数十倍以上と大きく、かつ内部の周方向に微細な溝（コルゲート）が加工されている。このようなコルゲート導波管のマイクロ波伝播の基本モードはＨＥ１１モードである。ＨＥ１１モードではマイクロ波パワーの進行方向（ポインティングベクトルの方向）は導波管軸に平行であり、かつ導波管表面での電磁場は小さいため、導波管に孔または導波管接続部に間隙を設けた場合でも、マイクロ波の導波管外部への漏洩は少ない。
【０００４】
マイクロ波伝送装置の従来の放電検出装置としては、図７にＤＴ１，ＤＴ２，ＤＴ３として示すような構成のものがある。
放電検出装置ＤＴ１またはＤＴ２は、マイクロ波１を伝送する導波管２内部の放電が発する光を、導波管２に直接設けられた観測孔３または、導波管２の間隙を囲む遮蔽容器４に設けられた観測孔３から光検出器５で観測するものである。この場合、観測孔３から漏洩するマイクロ波は光検出器５または電子回路に影響を与えるため放電検出にとって有害であるので除去すべきである。
【０００５】
観測孔３の孔径がマイクロ波１の波長の１／２より大きい場合は、マイクロ波１は観測孔３の内部を伝播し、外部へ放出される。ここで観測孔３の孔径は、円形の孔の場合は直径、方形の孔の場合は長辺の長さで表される。観測孔３の孔径が波長の１／２より小さい場合の漏洩マイクロ波の量は、観測孔３の孔径が小さいほど少なく、観測孔３の長さが大きいほど少ない。
【０００６】
従来の技術においては、導波管２または遮蔽容器４に設けられた観測孔３での電磁場は小さく漏洩するマイクロ波は十分小さいと仮定し、かつ観測する光量を大きくとるため、マイクロ波１の波長の１／２より大きい孔径の観測孔３を設け、その外部に設けたフォトダイオード、光電子増倍管等の光検出器５にって光を検出している。
【０００７】
また従来の技術では、観測孔と光検出器の間に金属網を設け、マイクロ波の漏洩を防止するものがある。この場合、金属網の網目はマイクロ波の波長より十分小さい。
【０００８】
また従来の技術では、観測孔と光検出器の間に直角プリズムを設け、漏洩マイクロ波が直接光検出器に入らないようにしているものもある。マイクロ波はプリズム中をほぼ直進するのに対して、光はプリズムにより９０度進路を曲げられる。この場合、マイクロ波が散乱して光検出器にはいらないように、観測孔から漏洩したマイクロ波の進行方向にマイクロ波吸収体を設けることがある。
【０００９】
また従来の技術では、マイクロ波漏洩を防ぐため、マイクロ波の波長の１／２以下となるような小さい孔径の観測孔を設け、放電が発する光を観測するものがある。この場合、しばしば透過する光の量を増大させるため、孔の長さを短くすることがある。また、マイクロ波漏洩度を低減するために上記のような金属網やプリズムを設けることがある。
【００１０】
また従来の技術では、光ファイバーを用いて導波管または遮蔽箱に設けられた観測孔と光検出器の距離を離すものがある。光ファイバーの使用により観測孔からの漏洩マイクロ波の影響をほぼ完全になくすことができる反面、光ファイバーへの光の結合効率が低いため、光検出器に伝達される光量が少なくなる難点がある。
【００１１】
さらに従来は、図７にＤＴ３として示すように、マイクロ波伝送路上にマイクロ波１の進行方向を９０度曲げるマイターベンド装置６を設け、反射鏡７に観測孔３を設けて、放電が発生する光を観測する放電検出装置がある。この場合、反射鏡７上ではマイクロ波１の電磁場が大きいため、観測孔の孔径はマイクロ波１の波長の１／２以下とすることが多い。
【００１２】
なお、符号８は光ファイバー９によって光検出器５に接続された光信号処理装置である。光信号処理装置８は、光検出器５からの光信号を増幅するアンプ、雑音を除去するフィルター、光信号がしきい値以上になった場合に警報信号を出す比較器等で構成されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ミリ波帯以上のマイクロ波は、現状では核融合装置の電子サイクトロトン波加熱装置に用いられている。これまでは、ジャイロトロンなどのミリ波帯の大電力マイクロ波発生装置は、短パルスであったり、定常でもパワーが小さく、伝送装置内部での放電の発生はあまり問題になっていない。また従来の放電検出装置は、一般に漏洩マイクロ波や外来雑音の影響で信頼性が低く実用的でない。
【００１４】
今後、ミリ波伝送装置においてＭＷ級の大電力かつ定常のマイクロ波伝送が技術的に可能になるにつれて、機器の保護はますます重要になるため、信頼性の高い放電検出装置が必要となる。そのため放電検出装置は、（１）検出感度を向上させるため十分な光量が光検出器に導かれること、（２）マイクロ波やその他外来の電磁ノイズによって誤動作しないこと、（３）機器を保護するための十分な応答速度を有すること、（４）堅牢であり、放電が発生した場合でも損壊しないこと、（５）放電検出装置自体が放電の原因にならないこと、などが望まれる。
【００１５】
（１）の光量と（２）のマイクロ波の漏洩については、互いに相反する関係にある。光量は導波管や伝送装置に設ける観測孔の開口の面積に従い大きくなるが、同時にマイクロ波の漏洩率も大きくなる。また観測孔を通過する光の透過率については、観測孔の長さが小さくなるほど大きくなり、光量の面で有利であるが、同時にマイクロ波の漏洩率が大きくなる問題がある。
【００１６】
観測孔の場所で電磁場が弱く、漏洩するマイクロ波のパワーが小さいことを期待して、導波管に波長の１／２を超える孔径の観測孔を設けると、マイクロ波のパワー分布が設計値と異なる場合においては、マイクロ波の漏洩が多くなる。
【００１７】
大口径導波管を用いたマイクロ波機器では、しばしば基本モードではない不要モードが発生し、伝送装置内を伝播する。たとえば、マイクロ波発生装置の出力もモード純度が低い場合や、導波管にマイクロ波を入射するときにマイクロ波軸と導波管軸が一致しない場合や、導波管を含む伝送装置が正規に調整されていない場合に不要モードが発生する。この場合、観測孔入り口での電磁場が大きくなり、マイクロ波は観測孔を通じて外部へ漏洩し、放電検出装置の誤動作の原因となる。
【００１８】
またマイクロ波伝送装置内でアークが発生した場合は、そのアークによりマイクロ波は反射され不要モード発生の原因となるため、外部への漏洩マイクロ波は大きくなる。この場合、大きな孔があいていると、放電自体が、導波管外部へ漏れて、熱的に光検出器を損壊することもありうる。また、不要モードが存在する場合には、孔径が波長の１／２を超える大きな孔が存在すると、それがアーク発生の原因となる場合が多い。
【００１９】
金属網にてマイクロ波漏れを防止するものは、網自体の厚さが波長よりも小さいため、マイクロ波漏れに対して十分な遮蔽効果を得ることができない。また、アーク発生の場合には、金属網が破損するなどの問題がある。
【００２０】
観測孔と光検出器の間に直角プリズムを設けるものは、観測孔を漏洩したマイクロ波が直接的に光検出器に入射することは防げるものの、プリズムケース内で反射したマイクロ波が、光検出器または電子回路に入射し誤動作の原因となる。またマイクロ波吸収体を用いて不要マイクロ波を除去する場合でも、数Ｗ以上のマイクロ波が漏洩した場合には、マイクロ波吸収体が焼損してしまう。
【００２１】
観測孔の孔径をマイクロ波の波長の１／２以下にすると、マイクロ波の漏洩は少なくなる。観測孔の孔径を波長の１／３以下、長さを波長の３倍以上とすることで、漏洩マイクロ波パワーは１００万分の１程度に低減することができ十分な保護が可能である。しかしこの場合、観測孔で受ける面積が小さい上に、観測孔の軸に対してほぼ平行に入射する光しか通過できないため、光検出器が受ける光量を十分とることができない。例えば１００ＧＨｚのマイクロ波の場合は、観測孔の孔径は１ｍｍ、長さは９ｍｍとなり、光検出器が受ける光量はかなり小さくなる。
【００２２】
光ファイバーの利用は、光検出器および電子回路への漏洩マイクロ波の影響はほぼ完全に除くことができるが、レンズなどの光学素子や光ファイバーにマイクロ波や放電があたることにより、機器の破損の危険性がある。
【００２３】
マイターベンド装置の反射板に観測孔を設けるものは、マイクロ波が直接あたる反射板上に観測孔を設けるため、観測孔の位置での電磁場の強度が大きく、漏洩マイクロ波強度が大きい上に、観測孔自体が放電発生の原因となる。このため、大電力のミリ波の伝送には限界がある。
【００２４】
従来の放電検出装置の応答速度は、光信号の波形、アンプの増幅度、フィルターの遮断周波数、そして比較器のしきい値の設定など４つの条件で決まる。光信号が小さかったり、アンプの増幅度が小さい場合は応答が遅くなる。また高周波成分を除去するフィルターは雑音を除去するのに有効であるが、雑音に対して強くするために遮断周波数を低くした場合には応答速度が遅くなる。比較器のしきい値の設定についても、設定値を高くすれば雑音に強くなる反面、応答速度が遅くなる。
【００２５】
マイクロ波伝送装置の機器の保護の観点から重要なのは、機器にとって有害な大きさの放電がある一定の時間持続する場合のみ放電発生と判定することである。しかし従来の技術では、このような放電判定を行うことができなかった。
【００２６】
本発明は上記のような問題に鑑みてなされたもので、大電力マイクロ波伝送装置での使用に耐える堅牢性を有し、漏洩マイクロ波や外来ノイズの影響を受け難く、マイクロ波伝送装置内部での放電発生の原因となることなく、信頼性の高い放電検出装置を提供することを目的とする。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、高周波大電力のマイクロ波をＨＥ１１モードで伝送するマイクロ波伝送装置の導波路に臨んで設けられ伝送マイクロ波の波長の１／１．７以下の孔径の複数の観測孔を有する観測孔板と、この観測孔板の外部に設けられ前記導波路において発生する放電光を検出する光検出器と、この光検出器に接続された光信号処理装置とを備えた構成とする。
【００２８】
請求項２の発明は、上記導波路は導波管またはマイターベント装置またはＲＦ真空窓または遮蔽容器によって形成された構成とする。
請求項３の発明は、上記観測孔板と上記光検出器の間に集光レンズを設けた構成とする。
【００２９】
請求項４の発明は、上記観測孔板の外側に真空窓または真空封止手段を備えた構成とする。
請求項５の発明は、上記光検出器と上記光信号処理装置を光ファイバーによって接続した構成とする。
【００３０】
請求項６の発明は、上記光信号処理装置は、導波管または遮蔽容器と一体化した金属容器に納められた構成とする。
請求項７の発明は、上記光信号処理装置は、上記導波路における放電に対して保護すべき機器が耐えうる放電時間から求められる所定の時間以上、放電から発せられる光が持続したときに放電検出と判定する構成とする。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
本発明の実施の形態の放電検出装置は、図１に示すように、コルゲート型の導波管２の側面に観測孔板１１、集光レンズ１２、真空窓１３、光検出器５、遮蔽箱１４を設け、光検出器５に光ファイバー９を介して光信号処理装置８を接続したものである。観測孔板１１を設ける導波管２の内面には特にコルゲートを設けず、円筒の内面のような曲面構造または平面でもよい。
【００３２】
集光レンズ１２は、観測孔板１１に設けられた複数個の細長い観測孔１５をほぼ平行に通過した光を集めるように配置され、光検出器５はその焦点または位置近くに置かれる。真空窓１３は導波管２を真空にする場合に必要であり、集光レンズ１２の前後どちらに配置されてもよい。または集光レンズ１２が真空窓１３を兼ねることもできる。遮蔽箱１４を導波管２と一体の構造とし、光検出器５および光信号処理装置８を中に納めることにより外来ノイズの影響を受けにくくすることができる。また光検出器５に代わり、光ファイバー９を直接取付けるようにしてもよい。この場合には、光検出器５および光信号処理装置８は別の遮蔽箱に納められる。
【００３３】
図２は観測孔１１の詳細を示す。すなわち、観測孔板１１の低部にはその厚さにわたって長さＬ，直径Ｄの多数の観測孔１５がピッチＰであけられている。  図３は、横軸に観測孔１５の孔径Ｄ（ここでは直径）をとり、縦軸にマイクロ波の減衰量をとって、観測孔１５の長さＬを変えた場合のマイクロ波減衰特性を示す。図３から、観測孔１５の孔径Ｄが小さく、長さが大きくなるとマイクロ波パワーの減衰が大きくなることがわかる。
【００３４】
図４は、本発明の実施の形態の放電検出装置をマイターベンド装置６に適用した構成を示す。マイクロ波の方向を変える機能を持つマイターベンド装置６では不要なモード（ＨＥ１１モード以外）が発生しやすく放電する確率も高いが、この構成によれば、マイターベンド部での放電の検出が可能となる。
【００３５】
図５は、本実施の形態の放電検出装置を導波管のＲＦ真空窓１０に適用した構成を示し、放電検出装置は、ＲＦ真空窓１０に対して、マイクロ波の入射側に置かれる。ＲＦ真空窓１０部で発生した放電は、その場所でマイクロ波がマイクロ波の入射側に反射されるため、放電の位置は入射側に移動し、真空窓１０部で発生した放電の検出が可能となる。
【００３６】
図６は、マイクロ波伝送装置における遮蔽容器４に本実施形態の放電検出装置が取付けられた構成を示す。このような遮蔽容器４の大きさは、３０ＧＨｚ以上のミリ波帯以上のマイクロ波の場合は、波長の数１０倍以上である。このような容器内では、マイクロ波１は容器４内を直進する性質を持つため、放電検出装置の観測孔は、マイクロ波が直接照射しない場所に置かれる。このとき観測孔の向きは、ＲＦ真空窓、反射鏡などに向けられる。
【００３７】
ここで、加速空胴によく使われる円筒のポート（ビームポート、のぞき窓用ポート等）及び同軸構造のポート（チューナーポート、カプラーポート等）において、ＴＥ１１モードの遮断周波数について検討する。ＴＥ１１モードは、伝送波がＨＥ１１モードのときポートに侵入するモードのうち，最も低い遮断周波数を持つモードである。
【００３８】
すなわち、円筒ポート（円形導波管）の遮断周波数ｆｃ（Ｈｚ）は
【数１】
0003822096.tif 000002
である。ここで
Ｃ：光速＝２．９９８×１０8ｍ／ｓｅｃ
ｋｃ：円形導波管のＴＥ１１モードの固有値
であり、また、
【数２】
0003822096.tif 000003
である。ここでρ’11：ベッセル関数Ｊ1（ρ）の最初の極値＝１．８４１
（Ｊ1’（ρ）＝０の最初の解）
ａ：ポートの半径（ｍ）
（１），（２）式より
【数３】
0003822096.tif 000004
又、遮断波長λｃは
【数４】
0003822096.tif 000005
となる。（３），（４）式にＣ，π等の値を入れると以下のようになる。
【数５】
0003822096.tif 000006
【数６】
0003822096.tif 000007
【００３９】
遮断波長λｃより短い波長のマイクロ波はポートを通り抜けることができないので、観測孔１５の半径を伝送マイクロ波の波長の１／３．４より小さくすれば、マイクロ波の漏洩の少ない放電検出装置が得られると言える。観測孔１５の直径に対しては、１／１．７であり、方形の観測孔の場合は、その長辺の長さが波長の１／１．７より小さければよい。
【００４０】
このように本実施の形態の放電検出装置は、複数の観測孔１５を設け、観測孔１５の孔径Ｄを伝送マイクロ波の波長の１／１．７以下とする。観測孔１５の長さは、好ましくは波長の３倍以上の細長い形状とする。
【００４１】
このような構成であると、大電力を伝送した場合でもマイクロ波の漏洩がなく、観測孔１５自体が放電の原因にならず、かつ放電が起こった場合でも損壊することがない。また、観測孔１５の中に電界がほとんど生じることがないため孔自体が放電の原因とならない。また、金属網を用いた場合に比べ熱的に堅牢であり、導波管２や遮蔽容器４の別の部分に対して特に弱くならない。さらに、漏洩マイクロ波がほとんどないことから、真空窓１３やマイクロ波吸収体などを観測孔１５外部に配置することも可能となる。
【００４２】
観測孔１５の孔径Ｄを小さくしたことによる光量の減少については、観測孔１５の数を複数個、典型的には１０−１００程度にすることによって解決する。細長い観測孔１５を通過した光は、ほぼ平行光であるため、集光レンズ１２により効率よく集められ、光検出器５または光ファイバー９に導かれる。集光レンズ１２によって平行光は焦点に集められる一方、平行でない光は焦点から外れるため、光検出器５または光ファイバー９と結合しない。
【００４３】
このような特徴を持つ本実施形態の放電検出装置の場合、導波管２や遮蔽容器４は金属のため、光検出器５および光信号処理装置８を導波管２や遮蔽容器４と一体構造とすることにより、外来雑音をほぼ遮断することができる。また集光レンズ１２での集光効率がよいことから、光ファイバー９を用いて光検出器５と光信号処理装置８を離間させ、電磁遮蔽することにより外来雑音に強い装置とすることも可能である。
【００４４】
光信号処理装置８においては、マイクロ波伝送装置を構成する機器を保護すべき放電持続時間を超えたときに保護信号を出力するために、放電光検出信号を保持する回路を有する。放電光が比較器に設定されたしきい値を超えたときに保持回路が値を保持し、この間、放電光が持続した場合に保護信号を出す。例えば、１ＭＷのマイクロ波を伝送するときには保持時間を１０μ秒とする。このとき放電のエネルギーは１０Ｊとなり、１０Ｊは、導波管、真空窓、反射ミラー、遮蔽箱、冷却配管類などマイクロ波伝送装置を構成する機器にとって、熱的に問題のない値である。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、大電力マイクロ波伝送装置での使用に耐える堅牢性を有し、漏洩マイクロ波や外来ノイズの影響を受け難く、マイクロ波伝送装置内部での放電発生の原因となることなく、信頼性の高い放電検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の放電検出装置の断面および接続を示す図。
【図２】本発明の実施の形態の放電検出装置における観測孔板を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ部拡大平面図。
【図３】本発明の実施の形態の放電検出装置における観測孔の長さをパラメータとして観測孔の孔径とマイクロ波の減衰量の関係を示す特性図。
【図４】本発明の実施の形態の放電検出装置をマイターベント装置に設けた構成を示す図。
【図５】本発明の実施の形態の放電検出装置をＲＦ真空窓に設けた構成を示す図。
【図６】本発明の実施の形態の放電検出装置を遮蔽容器に設けた構成を示す図。
【図７】従来の放電検出装置を設けたマイクロ波伝送装置を示す断面図。
【符号の説明】
１…マイクロ波、２…導波管、３…観測孔、４…遮蔽容器、５…光検出器、６…マイターベンド装置、７…反射鏡、８…光信号処理装置、９…光ファイバー、１０…ＲＦ真空窓、１１…観測孔板、１２…集光レンズ、１３…真空窓、１４…遮蔽箱、１５…観測孔、Ｄ…観測孔の孔径、Ｌ…観測孔の長さ、Ｐ…観測孔のピッチ、ＤＴ１，ＤＴ２，ＤＴ３…従来の放電検出装置。
【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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