(57)【要約】  システムは、１つまたは複数のマグネトロンを使用して、加速空洞を駆動するなどのためにパルス無線周波数（ＲＦ）電力を生成する。１つまたは複数のマグネトロンは各々、自励しきい値電圧を有し、前記自励しきい値電圧未満の電圧レベルで直流電源によって駆動されているときにパルスＲＦ入力信号を使用した内部変調動作によりパルスＲＦ電力を生成するように構成されている。
2020532084.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線周波数（ＲＦ）電力生成のためのシステムであって、
第１のパルスマグネトロン出力信号を使用してパルスＲＦ送信機出力信号を生成するように構成されたＲＦパルス送信機を備え、前記ＲＦパルス送信機が、
パルスＲＦ送信機入力信号を受信する送信機入力と、
パルスＲＦ送信機出力信号を送信する送信機出力と、
第１の自励しきい値電圧を有し、前記第１の自励しきい値電圧未満の第１の電圧レベルで駆動されているときに前記パルスＲＦ送信機入力信号を使用した内部変調動作により前記第１のパルスマグネトロン出力信号を生成するように構成された第１のマグネトロンと、
前記第１のマグネトロンに電力を供給するように構成された第１の直流（ＤＣ）電源と、を含む、システム。
【請求項２】
前記送信機出力に結合され、前記パルスＲＦ送信機出力信号を受信して、前記パルスＲＦ送信機出力信号により駆動されるように構成された超伝導ＲＦ加速空洞をさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ＲＦパルス送信機が、前記第１のマグネトロンへの前記パルスＲＦ送信機入力信号の方向付けと、前記送信機出力への前記第１のパルスマグネトロン出力信号の方向付けとを同時に行って前記ＲＦパルス送信機を反射波から保護するように構成された１つまたは複数のサーキュレータをさらに含む、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記ＲＦパルス送信機が、前記送信機入力と前記第１のマグネトロンとの間に結合されて前記パルスＲＦ送信機入力信号の測定を可能にするように構成された第１方向性結合器と、前記第１のマグネトロンと前記送信機出力との間に結合されて前記パルスＲＦ送信機出力信号の測定を可能にするように構成された第２方向性結合器とのうちの少なくとも一方をさらに含む、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記ＲＦパルス送信機が、前記パルスＲＦ送信機入力信号および前記パルスＲＦ送信機出力信号を測定し、当該測定結果を使用して前記第１のＤＣ電源を制御するように構成された低レベルＲＦシステムをさらに含む、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記ＲＦパルス送信機が、
第２の自励しきい値電圧を有し、前記第１のマグネトロンと直列に接続され、前記第２の自励しきい値電圧未満の第２の電圧レベルで駆動されているときに前記第１のパルスマグネトロン出力信号を使用した内部変調動作により第２のパルスマグネトロン出力信号を生成するように構成された第２のマグネトロンと、
前記第２のマグネトロンに電力を供給するように構成された第２の直流（ＤＣ）電源と、
をさらに含み、
前記ＲＦパルス送信機が、前記第２のパルスマグネトロン出力信号を前記送信機出力へ方向付けて前記パルスＲＦ送信機出力信号として送信するように構成されている、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項７】
前記ＲＦパルス送信機が、前記第１のマグネトロンへの前記パルスＲＦ送信機入力信号の方向付けと、前記第２のマグネトロンへの前記第１のパルスマグネトロン出力信号の方向付けと、前記送信機出力への前記第２のパルスマグネトロン出力信号の方向付けとを同時に行って前記ＲＦパルス送信機を反射波から保護するように構成された４ポートサーキュレータをさらに含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記ＲＦパルス送信機が、前記第２のＤＣ電源を制御することにより前記パルスＲＦ送信機出力信号の電力を制御するように構成された位相および電力コントローラをさらに含む、請求項６または７に記載のシステム。
【請求項９】
前記送信機出力に結合され、前記パルスＲＦ送信機出力信号を受信して、前記パルスＲＦ送信機出力信号により駆動されるように構成された超伝導ＲＦ（ＳＲＦ）加速空洞をさらに備え、前記ＲＦパルス送信機が、前記ＳＲＦ加速空洞のパルスＲＦ加速場の位相および振幅を測定するように構成されたＲＦプローブをさらに含み、前記位相および電力コントローラが、前記パルスＲＦ加速場の前記測定された位相を前記パルスＲＦ送信機入力信号の位相と比較することに基づいて前記パルスＲＦ加速場の位相を制御するとともに、前記パルスＲＦ加速場の前記測定された振幅に基づいて前記パルスＲＦ送信機出力信号の電力を制御するように構成されている、請求項６〜８のうちのいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
無線周波数（ＲＦ）電力生成のための方法であって、
パルスＲＦ送信機入力信号を受信すること、
第１の自励しきい値電圧を有する第１のマグネトロンを動作させることであって、
第１の直流（ＤＣ）電源を使用して、前記第１の自励しきい値電圧未満の第１の電圧レベルで前記第１のマグネトロンを駆動すること、
前記パルスＲＦ送信機入力信号を使用した内部変調によって第１のパルスマグネトロン出力信号を生成すること、
を含む前記第１のマグネトロンを動作させること、
前記第１のパルスマグネトロン出力信号を使用してパルスＲＦ送信機出力信号を生成すること、を備える方法。
【請求項１１】
前記パルスＲＦ送信機出力信号を使用して超伝導ＲＦ加速空洞を駆動することをさらに備える請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
１つまたは複数のサーキュレータを使用して前記パルスＲＦ送信機入力信号から前記パルスＲＦ送信機出力信号を分離することをさらに備える請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記パルスＲＦ送信機入力信号および前記パルスＲＦ送信機出力信号を測定すること、
当該測定結果を使用して前記第１のＤＣ電源を制御すること、
をさらに備える請求項１０〜１２のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
第２の自励しきい値電圧を有する第２のマグネトロンを動作させることであって、
第２のＤＣ電源を使用して、前記第２の自励しきい値電圧未満の第２の電圧レベルで前記第２のマグネトロンを駆動すること、
前記第１のパルスマグネトロン出力信号を使用した内部変調により第２のパルスマグネトロン出力信号を生成すること、
を含む前記第２のマグネトロンを動作させること、
前記第２のパルスマグネトロン出力信号を前記パルスＲＦ送信機出力信号として送信すること、
をさらに備える請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１５】
サーキュレータを使用して、前記第１のマグネトロンへの前記パルスＲＦ送信機入力信号の方向付けと、前記第２のマグネトロンへの前記第１のパルスマグネトロン出力信号の方向付けと、前記パルスＲＦ送信機出力信号を送信する出力への前記第２のパルスマグネトロン出力信号の方向付けとを同時に行うことをさらに備える請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記パルスＲＦ送信機出力信号を使用して超伝導ＲＦ（ＳＲＦ）加速空洞を駆動すること、
前記ＳＲＦ空洞内のパルスＲＦ加速場の位相および振幅を測定すること、
当該測定結果を使用して、前記パルスＲＦ送信機入力信号の位相と前記第２のＤＣ電源の電圧とを制御することにより、前記パルスＲＦ送信機出力信号の位相および振幅を制御すること、
をさらに備える請求項１４または１５に記載の方法。
【請求項１７】
加速空洞を駆動するためのシステムであって、
入力インジェクションロック信号を受信するマグネトロンであって、前記マグネトロンの自励に必要な臨界電圧未満の未臨界カソード電圧で前記マグネトロンを前記入力インジェクションロック信号により動作させることが可能な場合に前記入力インジェクションロック信号を使用してインジェクションロック出力信号を生成し、前記入力インジェクションロック信号の強さが前記未臨界カソード電圧で前記マグネトロンを動作させるには十分でない場合に前記インジェクションロック出力信号を遮断するように構成された前記マグネトロンと、
前記マグネトロンに結合され、前記未臨界カソード電圧を供給するとともに当該カソード電圧を制御することにより前記インジェクションロック出力信号の電力を制御するように構成されたカソード電圧供給システムと、を備えるシステム。
【請求項１８】
前記カソード電圧供給システムが、前記未臨界カソード電圧を供給して、前記入力インジェクションロック信号を制御することにより前記マグネトロンをオンオフ可能にするように構成されている、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記マグネトロンに直列に接続された追加のマグネトロンをさらに備え、前記追加のマグネトロンが、前記インジェクションロック出力信号を受信して、前記追加のマグネトロンの自励に必要な臨界電圧未満の追加の未臨界カソード電圧で動作することにより追加の出力信号を生成して前記追加の出力信号の電力を制御するように構成されている、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２０】
前記追加のマグネトロンが、超伝導無線周波数（ＲＦ）加速空洞である前記加速空洞を駆動するのに適したＲＦパルス信号である前記追加の出力信号を生成するように構成されている、請求項１９に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、概して、無線周波数（ＲＦ）電力の生成に関し、特に、出力電力の内部パルス変調機能付きマグネトロン送信機に関する。本出願は、例えば、強度フロンティア（intensity-frontier）パルス加速器の超伝導ＲＦ（ＳＲＦ）空洞を駆動することを含む。本出願は、２０１７年８月２８日に出願された「内部高電圧変調付き高電力パルスマグネトロン送信機」（HIGH-POWER PULSED MAGNETRON TRANSMITTER WITH INTERNAL HIGH VOLTAGE MODULATION）を名称とする米国仮特許出願番号第６２／５５１，０６６号に基づく優先権の利益を主張し、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
近年の強度フロンティア超伝導パルス加速器は、ＳＲＦ空洞加速場の位相および振幅の不安定性をそれぞれ１度および１％よりもはるかに小さい値にするために、数十ｋＷの平均電力で数百ｋＷまでのパルス電力を有する無線周波数（ＲＦ）源を必要とする。マイクロフォニック、ローレンツ力離調（ＬＦＤ）、およびビーム負荷の悪影響は、必要レベルの加速場安定性をサポートするべく動的な位相および電力制御によって補償される。このような制御の実装を成功させるには、ＲＦ送信機の十分に広い帯域幅が必要となる。
【０００３】
クライストロン、誘導出力管（ＩＯＴ）、ソリッドステート増幅器などの伝統的なＲＦ源は高価であり、そのコストは加速器プロジェクトのコストのかなりの部分を占めている。メガワット（ＭＷ）スケールのクライストロンによる空洞の給電群を使用すると、コストを幾らか削減できるが、ＭＷスケールのクライストロン用の変調器は非常に高価である。さらに、この選択は、空洞群について加速電圧のベクトル和の制御のみを提供するため、縦方向のビーム放射を最小化するには不十分となり得る。従って、大規模プロジェクトの高強度パルス加速器においては、キャリア周波数付近で位相および電力が動的に制御され、各ＳＲＦ空洞に個別に給電し、高電圧変調器なしで動作するＲＦ源が好ましい。
【０００４】
マグネトロンは、上述した伝統的なＲＦ源よりも効率的で安価である（［１］）。低資本コスト（例えば、１ワットあたり最大１米ドル）のマグネトロン電力により、各空洞を個別に駆動することができ、各空洞の電圧と位相の安定性を大幅に向上することができる。従って、大規模加速器プロジェクトにおいてマグネトロンＲＦ源を使用することにより、ＲＦ発電システムのコストを大幅に削減することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
以下の文献は、括弧内の参照番号を用いて本明細書で引用され、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【非特許文献１】［１］G. Kazakevich, ”High-Power Magnetron RF Source for Intensity-Frontier Superconducting Linacs”, EIC 2014, TUDF1132, http://appora.fnal.gov/pls/eic14/agenda.full, (2014）
【非特許文献２】［２］G. Kazakevich, R. Johnson, V. Lebedev, V. Yakovlev, V. Pavlov, “Resonant interaction of the electron beam with a synchronous wave in controlled magnetrons for high-current superconducting accelerators”, Phys. Rew. Accelerators and Beams 21, 062001 (2018)
【非特許文献３】［３］G. Kazakevich, V. Lebedev, V. Yakovlev, V. Pavlov, “An efficient magnetron transmitter for superconducting accelerators”, Nucl. Instrum. and Methods in Phys. Research, A839, 43-51 (2016)
【非特許文献４】［４］P. L. Kapitza, HIGH POWER ELECTRONICS, Sov. Phys. Uspekhi, V 5, # 5, 777-826, (1963)
【非特許文献５】［５］B. Chase, R. Pasquinelli, E. Cullerton, P. Varghese, “Precision vector control of a superconducting RF cavity driven by an injection locked magnetron”, JINST, 10, P03007, (2015)
【非特許文献６】［６］G. Kazakevich, R. Johnson, G. Flanagan, F. Marhauser, V. Yakovlev, B. Chase, V. Lebedev, S. Nagaitsev, R. Pasquinelli, N. Solyak, K. Quinn, D. Wolff, V. Pavlov, “High-power magnetron transmitter as an RF source for superconducting linear accelerators”, Nucl. Instrum. and Methods in Phys. Research, A 760, 19-27, (2014)
【発明の概要】
【０００６】
システムは、１つまたは複数のマグネトロンを使用して、加速空洞を駆動するなどのためにパルス無線周波数（ＲＦ）電力を生成する。前記１つまたは複数のマグネトロンは各々自励（self-excitation）しきい値電圧を有し、前記自励しきい値電圧未満の電圧レベルで直流（ＤＣ）電源により駆動されているときにパルスＲＦ入力信号を用いた内部変調動作によりパルスＲＦ電力を生成するように構成されている。
【０００７】
一実施形態において、ＲＦ電力生成のためのシステムは、パルスマグネトロン出力信号を使用してパルスＲＦ出力信号を生成するように構成されたＲＦパルス送信機を含み得る。このパルスＲＦ送信機は、入力、出力、マグネトロン、およびＤＣ電源を含むことができる。前記入力は、パルスＲＦ入力信号を受信する。前記出力は、パルスＲＦ出力信号を送信する。前記マグネトロンは自励しきい値電圧を有し、前記自励しきい値電圧未満の電圧レベルで駆動されているときに前記パルスＲＦ入力信号を用いた内部変調動作により前記パルスマグネトロン出力信号を生成するように構成され得る。前記ＤＣ電源は、前記マグネトロンに電力を供給するように構成され得る。
【０００８】
一実施形態において、ＲＦ電力生成のための方法が提供される。この方法は、パルスＲＦ入力信号を受信すること、自励しきい値電圧を有するマグネトロンを動作させること、およびパルスマグネトロン出力信号を使用してパルスＲＦ出力信号を生成することを含み得る。前記マグネトロンを動作させることは、ＤＣ電源を使用して前記自励しきい値電圧未満の電圧レベルで前記マグネトロンを駆動すること、および前記パルスＲＦ入力信号を使用した内部変調によってパルスマグネトロン出力信号を生成することを含み得る。
【０００９】
一実施形態において、加速空洞を駆動するためのシステムは、マグネトロンとカソード電圧供給システムとを含み得る。前記マグネトロンは、入力インジェクションロック（injection-locking）信号を受信し、前記マグネトロンの自励に必要な臨界電圧未満の未臨界（subcritical）カソード電圧で前記マグネトロンを前記入力インジェクションロック信号により動作させることが可能な場合に前記入力インジェクションロック信号を使用してインジェクションロック出力信号を生成し、前記入力インジェクションロック信号の強さが前記未臨界カソード電圧で前記マグネトロンを動作させるには十分でない場合に前記インジェクションロック出力信号を遮断するように構成され得る。前記カソード電圧供給システムは、前記マグネトロンに結合され、前記未臨界カソード電圧を供給するとともに、当該カソード電圧を制御することによって前記インジェクションロック出力信号の電力を制御するように構成され得る。
【００１０】
この概要は、本出願の教示の幾つかについての概要であり、本主題の排他的または網羅的な扱いとされることを意図していない。本主題に関するさらなる詳細は、詳細な説明および添付の特許請求の範囲に記載されている。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびそれらの法的均等物によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】十分な共振注入（インジェクションロック）信号で測定されたマグネトロン電圧電流（Ｖ−Ｉ）特性の一例を示すグラフ。
【図２】自励のしきい値に対して上下する連続波（ＣＷ）の形態で動作するマグネトロンを試験するための実験的セットアップの実施形態を示すブロック図。
【図３】種々の制御方法について電力制御の範囲に対して測定された相対平均マグネトロン効率の一例を示すグラフ。
【図４】マグネトロンの種々の電力レベルで測定されたキャリア周波数のオフセットと、自励のしきい値に対して上下するマグネトロン電圧のロック信号の一例を示すグラフ。
【図５Ａ】自励のしきい値に対して上下するマグネトロンのノイズの測定電力スペクトル密度の一例を示すグラフ。
【図５Ｂ】自励のしきい値に対して上下するマグネトロンのノイズの測定電力スペクトル密度の一例を示すグラフ。
【図５Ｃ】自励のしきい値に対して上下するマグネトロンのノイズの測定電力スペクトル密度の一例を示すグラフ。
【図６】自励しきい値未満で動作しかつ十分な電力のパルス共振注入無線周波数（ＲＦ）信号によって駆動されるマグネトロンのオンオフ制御を調査するために使用されるパルス高電圧（ＨＶ）電源の実施形態を示すブロック図。
【図７】自励しきい値未満で動作しかつパルス共振注入ＲＦ信号によって駆動されるマグネトロンのオンオフ制御を調査するための実験的セットアップの実施形態を示すブロック図。
【図８】マグネトロンを駆動する測定パルスＨＶ信号と、マグネトロンの入力および出力で測定されたＲＦ信号の一例を示すグラフ。
【図９】マグネトロンのインジェクションロック信号と出力信号のトレースのより詳細な形状の一例を示すグラフ。
【図１０】注入パルス共振ＲＦ信号によって制御される内部変調機能を備えた単一段パルスマグネトロン送信機の実施形態を示すブロック図。
【図１１】注入パルス共振ＲＦ信号によって制御される内部変調機能と、送信機によって駆動される超伝導ＲＦ（ＳＲＦ）空洞とを備えた２段パルスマグネトロン送信機を含むシステムの実施形態を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本主題の以下の詳細な説明は、添付の図面の主題を指し、本主題が実施され得る特定の態様および実施形態を例示として示している。これらの実施形態は、当業者が本主題を実施できるように十分に詳細に説明されている。本開示における「１つの」または「種々の」実施形態への言及は、必ずしも同じ実施形態への言及ではなく、そのような言及は複数の実施形態を意図する。以下の詳細な説明は例示的なものであり、限定的な意味で解釈されるものではない。本主題の範囲は、添付の特許請求の範囲と、そのような特許請求の範囲によって権利が与えられる法的均等物の全範囲によって定義される。
【００１３】
本主題は、マグネトロン相互作用空間において同期波による電子の共振相互作用のモデルを使用して予測された特異な現象に基づいて開発されたものである（［２］）。発明者によってマグネトロンの「内部変調」と呼ばれるこの特異な現象は、その自励しきい値よりもやや低い直流電流（ＤＣ）電源によって駆動されかつ十分な電力（マグネトロンの公称電力の約１０％）を有するパルス共振注入信号によって駆動されるマグネトロンのパルスインジェクションロック生成を含む。この予測に続いて、マグネトロンがＤＣ電源によって駆動されかつパルス変調器なしで自励しきい値よりもやや低い値で動作している際にパルス共振注入信号によって高効率でマグネトロンのオンオフを切り替えることにより、この特異な現象の発見が証明された。
【００１４】
本明細書は、とりわけ、例えば強度フロンティアパルス加速器の空洞（cavity）を駆動するにあたり、パルス変調器を必要とせずに、内部変調機能を備えた１つまたは複数のマグネトロンを各々含む高効率および高電力の送信機のシステムについて説明する。注入共振信号によって制御される内部パルス変調機能を備えたマグネトロン送信機の動作原理の概念は実験で実証されている。送信機は、位相および振幅の制御フィードバックループを使用して、インジェクションロック信号の周波数によるそれぞれの速度で位相と電力の制御を可能とすることにより、マイクロフォニックス、ローレンツ力離調、および超伝導無線周波数（ＳＲＦ）空洞内のビーム負荷を抑制する。この概念は、適切な電力での共振注入（インジェクションロック）信号によるマグネトロンの励起を利用する。送信機出力マグネトロンは、その自励しきい値未満の電圧による高電圧（ＨＶ）ＤＣ電源によって駆動される。これにより、パルス変調器なしで、共振励起無線周波数（ＲＦ）信号によってオンオフが切り替えられる高電力インジェクションロックマグネトロンのパルス動作が実現される。この概念の最初の実験的検証は、パルスおよび連続波（ＣＷ）の形態で動作する２．４５ＧＨｚおよび１ｋＷの連続波（ＣＷ）の電子レンジマグネトロンで実行された。提案された概念の実証結果は、本明細書において提示および説明されている。
【００１５】
マグネトロンは、そのカソード給電電圧が自励のしきい値を超えるとコヒーレントな生成を行う周知の安価な自励発振器である。マグネトロンの自励のしきい値は、マグネトロンの臨界カソード電圧とも呼ばれるしきい値電圧である。この自励のしきい値未満の電圧は、未臨界カソード電圧と呼ぶことができる。給電電圧が自励のしきい値未満である場合、マグネトロン相互作用空間に同期波は存在しないか、その同期波の振幅が不十分となる。この場合、マグネトロンアノードに向かってドリフトする電荷の必要な位相グルーピングが可能とならず、移動する電荷は、マグネトロン相互作用の空間で回転する同期波のエネルギーまで増加できない。これにより、同期波の減衰が生じて、マグネトロンのコヒーレント生成が不可となる（［２］）。十分な振幅を有する（例えば、十分な共振注入信号による）同期波の出現は、マグネトロン電圧が自励しきい値よりもやや低い場合に「スポーク」（spokes）内の電荷を適切に形成してコヒーレントな安定した発振を開始するのに十分な条件である。十分な振幅を有する同期波の存在が、マグネトロンの安定したコヒーレントな生成に必要な条件である。
【００１６】
現在、マグネトロンのパルス動作では、ＨＶパルス変調器を使用してマグネトロンの電源をオンまたはオフにすることができる。しかしながら、超伝導加速器のためのこれらの変調器は、長パルスおよび高電圧のパルス変圧器を扱うため、大型であり、重く、高価となる。本主題は、自励しきい値未満でマグネトロンを起動する最近開発された技術を使用したパルスマグネトロンＲＦ生成を提供する（［３］）。共振注入信号によって駆動されるマグネトロン内の同期波と電子流との共振相互作用のモデリング（［２］）は、ＤＣ電源によって駆動されるマグネトロンのパルス動作が、マグネトロンのオンオフを切り替えるパルスＲＦ共振注入信号によって実現されることを示している。
【００１７】
種々の実施形態において、マグネトロンのパルスＲＦ電力は、公称マグネトロン電力よりもやや低い電力とすることができる。しかしながら、共振相互作用モデル（［２］）に従って、マグネトロンＲＦ源の効率および寿命を延ばすことができる。
【００１８】
適切な振幅の駆動共振信号の存在により、マグネトロンの相互作用空間において共振回転（同期）波が励起され、それによって、十分な波の振幅でマグネトロンを起動することができる。これにより、マグネトロンの給電電圧が自励のしきい値よりやや低い場合でも、共振信号の周波数でコヒーレントな発振が生じる。この場合のコヒーレント発振は、周波数が正確であり安定しており、位相および電力において広帯域で制御することができる。注入共振信号をオフにするなどして同期波が著しく減少すると、その高速減衰やマグネトロン生成の停止が生じる（［２］）。従って、マグネトロン電圧が自励しきい値よりも数パーセント低い場合における共振駆動波の有無により、マグネトロンの駆動信号の周波数でコヒーレント振動をオンオフすることができ、すなわち、安価なＤＣ電源により電力供給されかつ適切なパルスＲＦ源で駆動されるパルス方式でマグネトロンが動作するものとなる。これが本主題の概念の基礎である。この概念を実証する実験的試験は、パルスＣＷ−ＨＶ電源によって給電される２．４５ＧＨｚの１ｋＷマグネトロンを使用して実施された。その結果を以下に提示して説明する。
【００１９】
［概念の理論的実証］
現在のマグネトロン送信機の概念の理論的実証は、電荷ドリフト近似の理論（［４］）や、マグネトロンに適用される摂動の理論（［３］）に基づいており、マグネトロンの共振相互作用理論の動力学モデル（［２］）に基づいて開発されている。
【００２０】
現在のマグネトロン送信機の概念の簡単な説明は、エネルギー保存の基本法則に基づいている。エネルギー保存の法則に従ってマグネトロンに注入される共振駆動信号は、マグネトロン空洞および相互作用空間に保存されるＲＦエネルギーを増加させる。マグネトロンのＲＦエネルギーは静電場によって決定されるため、注入される共振信号はマグネトロン給電電圧の増加に相当する。従って、マグネトロン給電電圧が自励のしきい値よりも数パーセント低い場合でも、注入共振信号の十分な電力によりマグネトロンを起動することができる。これにより、自励動作（free run）で利用可能な電流よりも低い電流でマグネトロンを安定して動作させることができる。より低いマグネトロン電流によって誘起される同期波のＲＦ電圧の不足は、十分な共振注入信号によって駆動されるときのマグネトロンの安定した動作を提供するインジェクションロック信号によって補償される。共振注入信号をオフに切り替えると、同期波の減衰が生じて（［２］）、マグネトロンの電力生成が急速に停止する。
【００２１】
図１は、十分な共振注入（インジェクションロック）信号（公称マグネトロン電力の約１０％）で測定されたマグネトロン電圧電流（Ｖ−Ｉ）特性の一例を示すグラフである。１．２ｋＷのタイプ２Ｍ１３７−ＩＬマグネトロン（米国イリノイ州ラフォックスのリチャードソンエレクトロニクス社（Richardson Electronics）製）のＶ−Ｉ特性を、ロック電力ＰLock＝１００ＷでのＣＷ形態で測定した（［３］）。実線の曲線（Ｂスプラインフィット）は、所与のロック電力ＰLock＝１００Ｗでのマグネトロンの安定した動作で利用可能な電流範囲を示している。このＶ−Ｉ特性は、自励しきい値未満でのマグネトロンの安定した動作を示している。
【００２２】
典型的なマグネトロンの自励に十分な同期波の最小電力の概算から、マグネトロンの公称電力の約１／１０が得られる（［３］）。実験で実証されたように（例えば、文献［３］）、共振駆動信号のこの電力の値により、マグネトロン電圧が自励発振のしきい値電圧より数パーセント小さい場合でも、マグネトロンで誘導コヒーレント振動が開始する。
【００２３】
実験によって、自励の電圧よりも低い給電電圧で公称電力の約−１０ｄＢの電力を持つ共振（インジェクションロック）波により駆動される典型的なマグネトロンが、出力電力の広範囲（１０ｄＢ）にわたってマグネトロンの安定した動作を提供することが実証された。自励しきい値未満の電圧で給電されるマグネトロンのＲＦ電力は、最大５ｄＢの範囲で制御することができ、十分な共振予備励起（pre-exciting）（インジェクションロック）信号で電流を変化させることができる。従って、自励のしきい値よりも低い電圧によって給電される予備励起マグネトロンは、ＲＦ信号の有無によりそれぞれマグネトロンの動作が開始および停止することから、駆動インジェクションロックＲＦ信号によってオンオフが切り替えられるＲＦインジェクションロックコヒーレント発振器として動作し得る。マグネトロンのこのような方式でのＲＦ発振のオンオフを切り替える時間は、（１０ＱＬ）／ｆの大きさのオーダーの同期波の確立および減衰を持つ過渡プロセスの時間によって決定され、ここで、ＱＬはマグネトロン空洞負荷Ｑファクタ（ＱＬ≒１００）であり、ｆはマグネトロン周波数である。２．４５ＧＨｚマグネトロンの場合、切り替え時間は２００ｎｓを超えない。駆動ＲＦ信号がオフの場合には、通常、典型的なマグネトロンによるＨＶ電源のエネルギー消費はない。従って、「自己変調」（self-modulating）インジェクションロックマグネトロンの誘導生成、すなわち内部パルス変調による動作は非常に効率的である。
【００２４】
［概念の実験的実証］
提案された概念の実験的検証は、自励のしきい値未満の電圧で給電されるパルスＣＷ形態で動作する２．４５ＧＨｚの１ｋＷマグネトロンで行われた。マグネトロンが十分な注入共振信号によって駆動された場合、自励しきい値未満のカソード電圧で低ノイズのマグネトロンの安定動作が実証された（［２］［３］）。２．５ＧＨｚの１．２ｋＷマグネトロンタイプ２Ｍ１３７−ＩＬを使用したＣＷ形態では、より詳細な測定が実行された。
【００２５】
図２は、自励のしきい値を下回ったり上回ったりするＣＷ形態で動作するマグネトロンを試験するための実験セットアップの実施形態を示すブロック図である。マグネトロンには、電流源として動作し電流制御を可能にする交流スイッチングＨＶ電源タイプＳＭ４４５Ｇ（米国マサチューセッツ州アンドーバーのＭＫＳインスツルメンツ社（MKS Instruments）製）により給電された。マグネトロンは、ソリッドステート増幅器と３６．６ｄＢ進行波管（ＴＷＴ）増幅器とを介したＨＰ８３４１Ａ生成器による共振（周波数ロック）信号によって駆動され、最大１００ＷのＣＷロック電力を提供するものとした。
【００２６】
実験的検証は、ＨＶ電源からのマグネトロンの消費電力の測定、インジェクションロック信号およびマグネトロン出力信号のＲＦスペクトルの測定、マグネトロンによって生成されるＲＦ電力の測定、およびインジェクションロック信号の電力の測定を含むものとした。マグネトロンにおける広範囲（１０ｄＢ）の電力制御は、マグネトロン電流を変化させて、自励しきい値の上下で動作させることにより実現された。
【００２７】
図３は、種々の制御方法について電力制御の範囲に対して測定された相対平均マグネトロン効率の一例を示すグラフである。図３において、トレースＤは、−１０ｄＢの注入共振信号により駆動されて深部マグネトロン電流制御で測定された１．２ｋＷマグネトロンの平均効率を示し、トレースＥは、ベクトル電力制御による１ｋＷマグネトロンの平均効率を示している（［３］［５］）。図３に示されるような測定結果により、このような電力制御下でのマグネトロンの最高効率が広範囲で実証された。現在の電流変動による電力制御の推定帯域幅は、スイッチングＤＣ−ＨＶ電源の場合、約１０ｋＨｚであり得る（［２］）。
【００２８】
図４は、マグネトロンの種々の電力レベルＰMagによるキャリア周波数の測定オフセットと、ＣＷ形態で測定された自励しきい値に対し上下するマグネトロン電圧のロック信号ＰLockの一例を示すグラフである。ＰMag＝０．０Ｗ、ＰLock＝３０Ｗのトレースは、マグネトロンＨＶがオフのときのインジェクションロック信号のスペクトルを示している。すべてのトレースに見られる側波帯は、ＴＷＴ増幅器とマグネトロンのスイッチング電源の低周波変調によって生じる。図４に示されるように、１０ｄＢの範囲の種々の電力レベルで自励しきい値に対し上下する電圧によって給電されるインジェクションロックＣＷマグネトロンのキャリア周波数のスペクトルは、正確に安定しており、広がりやシフトを示さなかった（［３］）。提示されたスペクトルは、超伝導加速器の要件に対して自励しきい値未満で動作するマグネトロンに基づく送信機の提案された概念の妥当性を示している。マグネトロン出力ＰMag＝３００Ｗ，ＰMag＝１００Ｗのトレースは、自励しきい値未満で測定されている。
【００２９】
図５は、１，０００Ｗの出力電力で自励しきい値を超えて動作する場合（トレースＡ）と、１００Ｗの出力電力で自励しきい値未満で動作する場合（トレースＢ）における周波数ロックされたマグネトロンのノイズの測定パワースペクトル密度の一例を示すグラフである。トレースＣは、インジェクションロック信号のスペクトルパワー密度である。プロットＡ，Ｂ，Ｃは、平均スペクトル密度を示すトレースを含む。図５に示された測定結果は、広い電力範囲にわたるマグネトロンの低ノイズを示している。図５に示されるように、トレースＣは注入共振信号のスペクトルパワー密度を表し、ここで、側波帯はＴＷＴ増幅器のスイッチング電源によって引き起こされ、トレースＡ，Ｂも同様にマグネトロンＨＶ電源タイプＳＭ４４５Ｇのスイッチングによって引き起こされる側波帯を含む。
【００３０】
図３〜図５などに示されるように、図２に示された実験セットアップを使用して実行された測定の結果により、ＳＲＦ空洞のパルス電力要件を満たすべくマグネトロンをその自励電圧未満で動作させるために共振注入信号による励起を使用する現在のマグネトロン送信機概念の妥当性が実証された。実施された測定は、自励しきい値未満の電圧で動作するＣＷマグネトロンが、そのマグネトロンを励起およびインジェクションロックする適切なレベルの共振波によってオンに切り替えられることを示している。約−１０ｄＢの励起インジェクションロック信号の電力の場合、マグネトロン出力電力は、低ノイズでの５ｄＢの範囲のカソード電圧によって制御され得る。
【００３１】
９４５Ｗおよび２．４５ＭＨｚのタイプ２Ｍ２１９Ｇの電子レンジマグネトロン（例えば、韓国ソウルのＬＧ社製）およびパルスＨＶ電源を使用して、自励しきい値未満で動作しパルス共振注入信号によって駆動されるマグネトロンのオンオフスイッチング制御について検証した（［１］）。パルスＨＶ電源は、１〜５ｋＶの範囲の安定した電圧を提供し、最大５ｍｓのパルス持続時間で無視できる低リップルを実現する。図６は、ベールケ社（Behlke）のＭＯＳＦＥＴによるＩＧＢＴの１０ｋＶ／８００Ａスイッチを備えたパルスＨＶ電源の一実施形態を示すブロック図である。図７は、自励しきい値未満で動作しパルス共振注入信号によって駆動されるマグネトロンのオンオフ制御を検証するための実験的セットアップの一実施形態を示すブロック図である。図示された実験的セットアップでは、パルス生成器でゲート制御されたバランスミキサを使用して、共振周波数で一連のＲＦパルスを形成している。ＲＦパルスは、ソリッドステート増幅器およびＴＷＴ増幅器によって最大１４０Ｗの電力レベルまで増幅される。このＲＦパルスによりマグネトロンが駆動される。注入されたマグネトロン出力ＲＦ信号が、較正されたＲＦゼロバイアスショットキー検出器によって測定された。
【００３２】
図８は、マグネトロンを駆動する測定パルスＨＶ信号と、マグネトロンの入力および出力で測定されたＲＦ信号の一例を示すグラフである。図８におけるトレースは、電源電圧が５ｍｓのパルス持続時間（トレース３）を有するときに共振注入された１３μｓ信号（トレース１）とマグネトロンの出力信号（トレース２）との２０ｋＨｚの一連の結果を示している。インジェクションロック信号およびマグネトロン出力信号の測定パルス電力は、それぞれ約１１０Ｗおよび約７７０Ｗである。
【００３３】
図９は、積分時間を低減した校正済みショットキー検出器で測定した、マグネトロンのインジェクションロック信号と出力ＲＦ信号のトレースのより詳細な形状の例を示すグラフである。図９におけるトレースは、ロック信号の種々の電力ＰLockの場合におけるインジェクションロック信号（トレース１，３）とマグネトロン出力信号（トレース２，４）との一連の結果を示している。トレース１，２はそれぞれＰLockが約９０Ｗと約１３０Ｗの場合である。トレース２，４はそれぞれ出力信号の電力ＰOutが約７８０Ｗと約８３０Ｗの場合である。この測定は、マグネトロンが自励しきい値未満で動作して注入共振信号によりオンオフが切り替えられる立ち上がり時間と立ち下がり時間が約２００ｎｓであることを示している。
【００３４】
共振相互作用理論の開発モデル（［２］［３］）からわかるように、約−１０ｄＢの注入共振信号は、マグネトロン相互作用空間で回転する「スポーク」の電荷の位相グルーピングを改善する。これにより、ＲＦシステム全体のマグネトロンのＲＦエネルギーが大きく増加する。検出器を使用したマグネトロンの出力信号の測定は、インジェクションロック信号によるマグネトロンのオンオフの切り替えが、マグネトロン公称電力の約８０％以上を提供できることを示している。さらには、改善された位相グルーピングにより、マグネトロンカソードの電子逆流加熱が減少する。これにより、マグネトロンの寿命が長くなる。
【００３５】
［応用例］
種々の実施形態において、必要なパルスＲＦ電力が数十キロワットに制限される場合、パルスＲＦ電力生成のためのシステムは、マグネトロン出力でパルスＲＦ信号を生成するように構成されたＲＦパルス送信機を含むことができる。送信機は、マグネトロンと、フェライトサーキュレータまたはフェライトサーキュレータシステムと、ＤＣ電源とを含むことができる。フェライトサーキュレータ（またはフェライトサーキュレータシステム）は、マグネトロンの内部変調を制御する入力パルスＲＦ信号を、これらのコンポーネントの指向性によりパルスマグネトロン出力信号から分離するために使用される。ＤＣ電源は、自励しきい値電圧よりもやや低い電圧レベルでマグネトロンに電力を供給するように構成することができる。マグネトロンを制御する入力パルス信号は、真空管が自励しきい値電圧未満で駆動される場合にマグネトロンのオンオフを切り替えてパルス出力ＲＦ信号を生成するのに十分とされる（マグネトロン公称電力の約１０％を必要とする）ように構成することができる。
【００３６】
種々の実施形態において、約１００ｋＷ以上のパルスＲＦ電力で加速空洞を駆動するＲＦパルス送信機を含むシステムは、自励しきい値をやや下回る電力で低電力真空管を駆動するように構成されたＤＣ電源を備える低電力マグネトロン（送信機の必要な出力電力の約１０％の電力を有するもの）を含むことができる。入力注入共振（インジェクションロック）信号は、自励しきい値未満の電力で駆動される低電力マグネトロンのオンオフを切り替えて第２の高電力マグネトロン（この高電力マグネトロンの自励しきい値未満をやや下回るＤＣ電源で給電される）のオンオフを切り替えるのに十分な電力を持つインジェクションロック出力パルス信号を生成する電力（第２の高電力マグネトロンの公称電力の約１％）に設定される。低電力および高電力マグネトロンの入出力は、フェライトサーキュレータによって分離することができる。必要な出力送信機出力の約１％の出力を持つ注入共振信号により、高電力パルスＳＲＦ加速器に必要なインジェクションロックパルス生成の精度のよい安定した誘導（内部）パルス変調が制御される。
【００３７】
種々の実施形態では、サーキュレータまたはサーキュレータシステムは、ＲＦパルス送信機を反射波から保護する。システムの動作開始時には、ＳＲＦ空洞はＲＦパルス送信機と整合していない。これにより、大きい波と大きなパルス電力がＲＦパルス送信機の出力に反射される。サーキュレータまたはサーキュレータシステムは、この反射波を整合負荷に向けてその整合負荷に吸収させる。サーキュレータまたはサーキュレータシステムがない場合、このような反射波によりマグネトロンが損傷する可能性がある。これは、低電力および高電力マグネトロンを備えたシステムにおいて、高電力マグネトロンで放電が起きる場合に生じる。これにより、低電力マグネトロンで放電を引き起こすのに十分な振幅で、低電力マグネトロンに反射される波が発生する。この場合にサーキュレータまたはサーキュレータシステムは、同様にこの反射波を整合負荷に向けてその整合負荷に吸収させる。
【００３８】
図１０は、最大数十キロワットの電力を出力するための注入パルス共振ＲＦ信号によって制御される内部変調機能を備えた費用対効果の高い単一段パルスマグネトロン送信機の一実施形態を示すブロック図である。送信機は、パルス超伝導加速器を駆動するための安価なコンポーネントを使用して実装することができる。
【００３９】
単一段パルスマグネトロン送信機は、入力１００２においてパルス入力ＲＦ信号を測定するための方向性結合器１００１Ａと、出力１００３においてパルス出力ＲＦ信号を測定するための方向性結合器１００１Ｂと、入力ＲＦ信号と出力ＲＦ信号とを分離するためのサーキュレータ１００４Ａ，Ｂ（例えば、２つのＴ型フェライトサーキュレータであるが、これに代えて、単一の４ポートサーキュレータで置き換えも可能である）と、マグネトロン１００５と、マグネトロン１００５にその自励しきい値未満の電圧を供給するためのＤＣ−ＨＶ電源１００６と、を含むことができる。送信機の内部変調を制御する（ＨＶ変調器を使用せずにマグネトロンのオンオフを切り替える）入力信号は、マグネトロンの公称電力の約１０％の電力を持つパルスＲＦ源によって提供される。低レベルＲＦ（ＬＬＲＦ）システム１００７は、入力ＲＦ信号および出力ＲＦ信号の測定および調整とともに、ＤＣ−ＨＶ電源１００６の制御を提供する。図示された送信機は、ＳＲＦ加速器を駆動するのに適切な速度で、ＲＦ出力信号の位相および電力を制御することができる。
【００４０】
図１１は、注入パルス共振ＲＦ信号によって制御される内部変調機能と、送信機によって駆動されるＳＲＦ空洞とを備えた２段パルスマグネトロン送信機を含むシステムの一実施形態を示すブロック図である。この送信機は、数百キロワットの出力電力に対して費用対効果の高いものとする。図示された送信機は、ＤＣ電源によって駆動され、ＨＶ高電力パルス変調器を必要とせず、ＳＲＦ加速器への給電に適した速度でＲＦ出力信号の位相および電力制御を提供することができる。図１１において、参照符号は、以下のようなシステムの種々の要素を示している。
【００４１】
１１２１：注入パルス共振ＲＦ信号を受信するための入力、
１１２２：注入パルス共振ＲＦ信号により駆動され、自励しきい値未満の電圧が供給される低電力マグネトロン、
１１２３：カソード電圧で制御される高電力インジェクションロックマグネトロン、
１１２４Ａ，Ｂ：第１および第２のＲＦ整合負荷、
１１２５Ａ，Ｂ：第１および第２の４ポートサーキュレータ、
１１２６：高電力マグネトロンで駆動される加速空洞（例えば、ＳＲＦ加速空洞）、
１１２７Ａ，Ｂ：第１および第２のＲＦ結合器（１１２７ＡはＳＲＦ空洞の給電用、１１２７ＢはＳＲＦ空洞内の加速場の位相および振幅の測定用）、
１１２８：高電力マグネトロン用ＨＶ−ＤＣ電源、
１１２９：低電力マグネトロン用のＨＶ−ＤＣ電源、
１１３０：ＲＦプローブ（ＳＲＦ空洞内の加速場の位相および振幅の測定用）、
１１３１：ＬＬＲＦシステム内の位相および電力コントローラ、
１１３２：パルスＲＦ高電力マグネトロンの出力。
【００４２】
二重線の矢印は、情報が流れる方向を示している。太線の矢印は、ＲＦ電力が流れる方向を示している。
図１１に示された送信機は、ＨＶ変調器を使用せずにＳＲＦ空洞のパルス給電用の内部変調を行う費用対効果の高い高電力パルス２段ＲＦ電源（［６］）とすることができる。ＲＦ源は、加速電圧を安定させるために、ＳＲＦパルス加速器に適した速度でＲＦ出力信号の位相および電力を制御することができる。図示された送信機は、インジェクションロック式の２段カスケードマグネトロンシステムに基づいている。この制御は、ＲＦプローブで測定された空洞内の加速電圧の振幅と位相を必要なパラメータと比較することによって実現することができる。図示の実施形態では、入力１１２１によって受信された注入パルス共振ＲＦ信号は、第１の４ポートサーキュレータ１１２５Ａを介して低電力マグネトロン１１２２を駆動する。低電力マグネトロン１１２２は、その自励しきい値未満で動作し、注入パルス共振（インジェクションロック）ＲＦ信号によってオンオフが切り替えられる。次いで、低電力マグネトロン１１２２のインジェクションロックパルス出力ＲＦ信号が、４ポートサーキュレータ１１２５Ａ，Ｂを介して方向付けられ、その自励しきい値未満で動作する高電力マグネトロン１１２３に入力される。高電力マグネトロン１１２３の出力パルスＲＦ電力は、第１のＲＦ結合器１１２７Ａを介してＳＲＦ空洞１１２６を駆動する。この出力ＲＦ信号は、ＬＬＲＦシステムを制御する位相フィードバックループ内において、注入パルス共振ＲＦ信号の位相をＲＦプローブ１１３０によって測定された信号の位相と比較する位相および電力コントローラ１１３１を使用して広帯域で同相に制御される。この制御は、文献［３］に示されているように、入力インジェクションロック信号の位相変調を使用する。低電力マグネトロン１１２２は、自励しきい値未満の給電電圧で安定して動作しかつ低電力マグネトロン１１２２によってオンオフが切り替えられる高電力マグネトロン１１２３の広帯域位相制御に必要なインジェクションロックパルスＲＦ信号を提供する。ＳＲＦ空洞１１２６を駆動する出力信号の電力制御は、位相および電力コントローラ１１３１を介してＨＶ−ＤＣ電源１１２８を制御しＲＦプローブ１１３０による加速空洞１１２６内のパルスＲＦ加速場の振幅の測定結果を基にする高電力マグネトロン１１２３の電流を変化させることによって実現することができる。
【００４３】
自励しきい値未満で動作する２段カスケードマグネトロンを使用することで、注入（入力）パルス共振ＲＦ信号の制御電力を出力ＲＦ電力の約１％にすることができる。
本主題のいくつかの非限定的な実施例（実施例１〜２０）は、以下のとおり提供される。
【００４４】
実施例１において、ＲＦ電力生成のためのシステムは、ＲＦパルス送信機を含み得る。前記ＲＦパルス送信機は、第１のパルスマグネトロン出力信号を使用してパルスＲＦ送信機出力信号を生成するように構成され得るとともに、送信機入力、送信機出力、第１のマグネトロン、および第１のＤＣ電源を含み得る。前記送信機入力は、パルスＲＦ送信機入力信号を受信し得る。前記送信機出力は、前記パルスＲＦ送信機出力信号を送信し得る。前記第１のマグネトロンは第１の自励しきい値電圧を有し、前記第１の自励しきい値電圧未満の第１の電圧レベルで駆動されているときに前記パルスＲＦ送信機入力信号を用いた内部変調動作により前記第１のパルスマグネトロン出力信号を生成するように構成され得る。前記第１のＤＣ電源は、前記マグネトロンに電力供給するように構成されている。
【００４５】
実施例２において、実施例１の主題は、任意で、前記送信機出力に結合され、前記パルスＲＦ送信機出力信号を受信して、前記パルスＲＦ送信機出力信号によって駆動されるように構成される超伝導ＲＦ加速空洞をさらに含むように構成され得る。
【００４６】
実施例３において、実施例１，２のいずれか１つまたはその組み合わせの主題は、任意で、前記ＲＦパルス送信機が、前記パルスＲＦ送信機入力信号を前記第１のマグネトロンへと方向付けると同時に、前記第１のパルスマグネトロン出力信号を前記送信機出力へと方向付けるように構成された１つまたは複数のサーキュレータをさらに含むように構成され得る。前記１つまたは複数のサーキュレータはまた、前記ＲＦ送信機を反射波から保護する。
【００４７】
実施例４において、実施例１〜３のいずれか１つまたはそれらの任意の組み合わせの主題は、任意で、前記ＲＦパルス送信機が、第１の方向性結合器および第２の方向性結合器のうちの少なくとも一方をさらに含むように構成され得る。前記第１の方向性結合器は、前記送信機入力と前記第１のマグネトロンとの間に結合され、前記パルスＲＦ送信機入力信号の測定を可能にするように構成され得る。前記第２の方向性結合器は、前記第１のマグネトロンと前記送信機出力との間に結合され、前記パルスＲＦ送信機出力信号の測定を可能にするように構成され得る。
【００４８】
実施例５において、実施例４の主題は、任意で、前記ＲＦパルス送信機が、前記パルスＲＦ送信機入力信号および前記パルスＲＦ送信機出力信号を測定して、当該測定結果を使用して前記第１のＤＣ電源を制御するように構成された低レベルＲＦシステムをさらに含むように構成され得る。
【００４９】
実施例６において、実施例１，２のいずれか１つまたはその組み合わせの主題は、任意で、前記ＲＦパルス送信機が第２のマグネトロンおよび第２のＤＣ電源をさらに含むように構成され得る。前記第２のマグネトロンは第２の自励しきい値電圧を有し、前記第１のマグネトロンと（信号伝搬において）直列に接続され、前記第２の自励しきい値電圧よりも低い第２の電圧レベルで駆動されているときに前記第１のパルスマグネトロン出力信号を用いた内部変調動作により第２のパルスマグネトロン出力信号を生成するように構成されている。前記第２のＤＣ電源は、前記マグネトロンに電力供給するように構成されている。前記ＲＦパルス送信機は、前記第２のパルスマグネトロン出力信号を前記送信機出力に方向付けて前記パルスＲＦ送信機出力信号として送信するように構成されている。
【００５０】
実施例７において、実施例６の主題は、任意で、前記ＲＦパルス送信機が、前記第１のマグネトロンへの前記パルスＲＦ送信機入力信号の方向付けと、前記第２のマグネトロンへの前記第１のパルスマグネトロン出力信号の方向付けと、前記送信機出力への前記第２のパルスマグネトロン出力信号の方向付けとを同時に行うように構成された４ポートサーキュレータをさらに含むように構成され得る。前記４ポートサーキュレータはさらに、前記ＲＦ送信機を反射波から保護する。
【００５１】
実施例８において、実施例６，７のいずれか１つまたはその組み合わせの主題は、任意で、前記ＲＦパルス送信機が、前記第２のＤＣ電源を制御することによって前記パルスＲＦ送信機出力信号の電力を制御するように構成された位相および電力コントローラをさらに含むように構成され得る。
【００５２】
実施例９において、実施例６〜８のいずれか１つまたはそれらの任意の組み合わせの主題は、任意で、前記送信機出力に結合され、前記パルスＲＦ送信機出力信号を受信して、当該パルスＲＦ送信機出力信号で駆動されるように構成されたＳＲＦ加速空洞をさらに含み、前記ＲＦパルス送信機が、前記ＳＲＦ加速空洞のパルスＲＦ加速場の位相および振幅を測定するように構成されたＲＦプローブをさらに含み、前記位相および電力コントローラが、前記パルスＲＦ加速場の前記測定された位相を前記パルスＲＦ送信機入力信号の位相と比較することに基づいて前記パルスＲＦ加速場の位相を制御するとともに、前記パルスＲＦ加速場の前記測定された振幅に基づいて前記パルスＲＦ送信機出力信号の電力を制御するように構成され得る。
【００５３】
実施例１０において、ＲＦ電力生成の方法が提供される。この方法は、パルスＲＦ送信機入力信号を受信すること、第１の自励しきい値電圧を有する第１のマグネトロンを動作させること、および第１のパルスマグネトロン出力信号を使用してパルスＲＦ送信機出力信号を生成することを含み得る。前記第１マグネトロンを動作させることは、第１のＤＣ電源を使用して前記第１の自励しきい値電圧よりも低い第１の電圧レベルで前記第１のマグネトロンを駆動すること、および前記パルスＲＦ送信機入力信号を使用した内部変調により第１のパルスマグネトロン出力信号を生成することを含み得る。
【００５４】
実施例１１において、実施例１０の主題は、任意で、前記パルスＲＦ送信機出力信号を使用して超伝導ＲＦ加速空洞を駆動することをさらに含み得る。
実施例１２において、実施例１０，１１のいずれか１つまたはその組み合わせの主題は、任意で、１つまたは複数のサーキュレータを使用して前記パルスＲＦ送信機入力信号から前記パルスＲＦ送信機出力信号を分離することをさらに含み得る。
【００５５】
実施例１３において、実施例１０〜１２のいずれか１つまたはそれらの任意の組み合わせの主題は、任意で、前記パルスＲＦ送信機入力信号および前記パルスＲＦ送信機出力信号を測定すること、および当該測定結果を使用して前記第１のＤＣ電源を制御することをさらに含み得る。
【００５６】
実施例１４において、実施例１０，１１のいずれか１つまたはその組み合わせの主題は、任意で、第２の自励しきい値電圧を有する第２のマグネトロンを動作させること、および前記第２のパルスマグネトロン出力信号を前記パルスＲＦ送信機出力信号として送信することをさらに含み得る。前記第２のマグネトロンを動作させることは、第２のＤＣ電源を使用して前記第２の自励しきい値電圧よりも低い第２の電圧レベルで前記第２のマグネトロンを駆動すること、および前記第１のパルスマグネトロン出力信号を使用した内部変調により前記第２のパルスマグネトロン出力信号を生成することを含む。
【００５７】
実施例１５において、実施例１４の主題は、任意で、前記第１のマグネトロンへの前記パルスＲＦ送信機入力信号の方向付けと、前記第２のマグネトロンへの前記第１のパルスマグネトロン出力信号の方向付けと、前記パルスＲＦ送信機出力信号を送信する出力への前記第２のパルスマグネトロン出力信号の方向付けとを同時に行うサーキュレータを用いることをさらに含み得る。
【００５８】
実施例１６において、実施例１４，１５のいずれか１つまたはその組み合わせの主題は、任意で、前記パルスＲＦ送信機出力信号を使用してＳＲＦ加速空洞を駆動すること、前記ＳＲＦ空洞内のパルスＲＦ加速場の位相および振幅を測定すること、および当該測定結果を使用して前記パルスＲＦ送信機入力信号の位相と前記第２のＤＣ電源の電圧とを制御することにより前記パルスＲＦ送信機出力信号の位相および振幅を制御することをさらに含み得る。
【００５９】
実施例１７において、加速空洞を駆動するためのシステムは、マグネトロンとカソード電圧供給システムとを含み得る。前記マグネトロンは、入力インジェクションロック（injection-locking）信号を受信し、前記マグネトロンの自励に必要な臨界電圧未満の未臨界（subcritical）カソード電圧で前記マグネトロンを前記入力インジェクションロック信号により動作させることが可能な場合に前記入力インジェクションロック信号を使用してインジェクションロック出力信号を生成し、前記入力インジェクションロック信号の強さが前記未臨界カソード電圧で前記マグネトロンを動作させるには十分でない場合に前記インジェクションロック出力信号を遮断するように構成され得る。前記カソード電圧供給システムは、前記マグネトロンに結合され得るとともに、前記未臨界カソード電圧を供給して、前記カソード電圧を制御することにより前記インジェクションロック出力信号の電力を制御するように構成され得る。
【００６０】
実施例１８において、実施例１７の主題は、任意で、前記カソード電圧供給システムが前記未臨界カソード電圧を供給して、前記入力インジェクションロック信号を制御することにより前記マグネトロンをオンオフ可能とするように構成され得る。
【００６１】
実施例１９において、実施例１７，１８のいずれか１つまたはその組み合わせの主題は、任意で、前記マグネトロンに直列に接続された追加のマグネトロンをさらに含むように構成され得る。前記追加のマグネトロンは、前記インジェクションロック出力信号を受信して、前記追加のマグネトロンの自励に必要な臨界電圧未満の追加の未臨界カソード電圧で動作することにより追加の出力信号を生成して前記追加の出力信号の電力を制御するように構成され得る。
【００６２】
実施例２０において、実施例１９の主題は、任意で、前記追加のマグネトロンが、超伝導ＲＦ加速空洞である前記加速空洞を駆動するのに適したＲＦパルス信号である前記追加の出力信号を生成するように構成され得る。
【００６３】
本出願は、本主題の適応または変形を網羅することを意図している。以上の説明は例示的なものであり、限定的なものではないことを理解すべきである。本主題の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照して、そのような特許請求の範囲が権利を有する法的同等物の全範囲とともに決定されるべきである。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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