赤外自由電子レーザーの現状，利用研究と展望

遠赤外ジャイロトロン施設における装置開発ならび
に応用展開
山口裕資
福井大学遠赤外領域開発研究センター■
要旨〒9108507 福井県福井市文京 3 丁目 91

ジャイロトロンは，テラヘルツ帯において高出力かつ連続発振が可能な唯一の電子管として知られる。福井大学では，テラヘルツ帯の電磁波源の開発に資すべく，ジャイロトロンの高度化研究が進められている。本稿では，はじめにジャイロトロンの仕組みを概観し，開発の現状と課題，そして応用展開について紹介する。

を超える発振が実証され，同周波数帯の波源となりうるこ

1. はじめにとが示された10) 。近年，国内外の機関等と連携し，高周

ジャイロトロンは，磁場中の電子の回転運動を電磁波に波ジャイロトロンの応用展開を進めている。

結合させることで励振をうる，サイクロトロン共鳴メー
ザー作用（Cyclotron Resonance Maser: CRM）に基づく
電子管である。歴史的には，豪州の天文学者 Twiss による CRM の理論予測（ 1958 年)1) ，米国の Hirshˆeld らに

2. ジャイロトロンの概要
2.1

マイクロ波管とテラヘルツギャップ

よ る CRM の 実 験 的 検 証 （ 1964 年 )2) を 経 て ， 旧 ソ 連 のジャイロトロンは，真空に排気された管の内部に電流をGaponov らがマグネトロン入射型電子銃と型の空胴を発生させる装置（電子管）の一種である。特に，電子から組み合わせて電子管を構成し，ジャイロトロンと命名した

高周波数の電磁波へのエネルギー変換を目的とした電子管こと（1977年)3)に端を発すると言われる。

は， マイ クロ 波管な どと 呼ばれ ，長い 開発 の歴史 があジャイロトロンが誕生した時代には，核融合発電の実現

る11) 。電子と波動電場を効率よく相互作用させるには，を目指したプラズマの磁場閉じ込めの研究が，世界中で進ある方向に運動する電子が，同じ方向の波動電場を，波乗められていた。高密度の磁化プラズマにおいて，特に電子りのごとく定常とみなすことができる状態を作らなければを加熱するために，数十 GHz を超える周波数で大電力のならない。しかし，電子を光速まで加速することは不可能

電磁波源が求められたことから，その可能性を秘めたジャであり，波動電場と電子の運動を同期させるための工夫がイロトロンへの注目が集まった4)。その後，核融合の研究求められる。

に要求される周波数と出力を実現すべく，ジャイロトロン

特に数十 GHz を超える高い周波数での動作を狙ったマの研究開発は急速に進み，それとともに核融合プラズマのイクロ波管（進行波管や後進波管，そしてマグネトロンな性能も向上するという歴史を辿っている。

ど）では，従来，加速された電子ビームと同じ方向へ伝播

我国でも 1970 年代に，核融合研究へ利用するためのジ

する電磁波の位相速度を遅くする構造（遅波構造）が研究

ャイロトロンの開発が始まっている5) 。そして，エネル

されてきた。遅波構造を実現するには，電磁波の伝播方向

ギー回収技術による効率50超の実現6)。人工ダイヤモンに，物理的な周期性を与える必要がある。例えば，中心にド真空窓の採用による 1 MW 超の放射出力の実現7)等，世穴の開いた金属の仕切を，導波管の軸方向へ周期的に挿入界を牽引する技術的ブレイクスルーが成されてきた。近年，すると，仕切の穴の近傍に遅波が形成されることが知られ2025年の稼働を目標とする国際熱核融合実験炉（ITER）ている（Fig. 1）。この場合，電子ビームは遅波構造の近傍での利用に向けた， 170 GHz の周波数で 1 MW 超の定常に入射され，電磁波の位相速度とほぼ等しくなる様に，並発振が可能な管が完成されている8)。

進速度が調節される。すると電子は，波動電場により加速

他方，いわゆる“テラヘルツギャップ”の開拓を狙った

あるいは減速を受けた結果，波動電場の特定の位相へ集群

高周波数化もまた，ジャイロトロンの研究開発の強い動機される。波動電場と相互作用する電子の過半数が，定常的となっている。福井大学遠赤外領域開発研究センターに減速される位相へ集群される様に調節すると，電子ビー（以後，遠赤センターと表記）は，より高い周波数のジャムから遅波構造上の電磁波への，正味のエネルギー変換がイロトロンを実現し応用展開を図る拠点の一つとなってい起こる。このとき，電子ビームから電磁波へ変換されるエる9) 。 2006 年には，遠赤センターの出原らにより 1 THz

ネルギーは，電流ベクトル I と波動電場ベクトル E のス

放射光 May 2021 Vol.34 No.3 ● 175(C) 2021 The Japanese Society for Synchrotron Radiation ResearchFig. 1

Schematic of a slow-wave device.

カラー積 IE によって評価される。
一方，遅波構造には，その構造的な制約に起因する難点が存在する。まず，空間的な周期構造は，励起される遅波の波長程度の寸法としなければならない。そのため，周波数の増加にともない微細化が難しくなる。また，励起される遅波の電磁界は周期構造上に局在的となり，そこから離れるにしたがって単調に減少するため，電子ビームと電磁波が相互作用する空間の体積を大きく確保することが出来ない。以上の理由から，遅波構造を利用するマイクロ波管では，高周波数化と大電力化ともに限界があり，テラヘル

Fig. 2

Schematic drawing of a gyrotron with quasi-optical mode
converter.

ツギャップを埋めることは難しいのが現状である。

2.2

ジャイロトロンの構造なる。

ジャイロトロンの構造を Fig. 2 に示す。管の主な構成要
素は，電子ビームを生成する電子銃，電子と波動電場を相互作用させるための円筒状の空胴共振器，発振した電磁波

2.3

空胴共振器の形成

Fig. 3 に，導波管の中を伝播するモードの分散関係（角の空間分布を整えるためのモード変換器（無い場合もあ

周波数 v と波数 k の関係）を示す。円形導波管では径方る），電子ビームを捕集するコレクタ，そして電磁波を管向に境界が存在し，径方向の波動電界の分布はベッセル関の外部へ放射するための真空窓である。管の内部は，ター数で表わされる。そのため分散関係も，真空中の表式 v

ボ分子ポンプやイオンポンプにより常時排気され， 10－5

＝ ck （ c は光速）から変形を受け，式( 1 )のようになる。

Pa 程度より良い高真空の状態が維持されている。管はマ

ここで， RC は円形導波管の半径， k∥ は軸方向の波数であグネットに挿入され，電子銃で生成される中空状の電子る。また x′m, n は m 次第一種ベッセル関数の導関数の，零ビームが，磁力線に巻きついてサイクロトロン運動しながでない n 番目の零点であり，モードによって固有の値を

ら空胴共振器へ入る構造となっている。電子ビームのエネとる。この波動電場の強度は，管軸に垂直な断面内で，方ルギーレンジは，多くの場合 10 ～ 100 keV 程度であり，位角方向に 2m 個の山，半径方向に n 個の山を持つ分布と要求出力に応じて調節される。

なる。式( 1 )が表す分散関係（ Fig. 3 中の曲線）は， k∥ のジャイロトロンは，円形導波管の中を伝播する速波の一増大にともなって v＝ck∥（Fig. 3 中の破線）へ漸近する。

つである TE ( Transverse Electric ）モードと，電子ビー

Fig. 3 より，導波管モードは，その位相速度 v / k∥ が常にムのサイクロトロン運動を同期させて発振を得る。 TE

光速よりも大きく，速波であることがわかる。

モードは，その名のとおり横方向（管軸に垂直な方向）の電場成分をもつ構造の波動であり，管軸の方向には電場が

22v ＝ c ( x′m, n/RC) ＋k∥( 1)

無い。 TE モードの電場と効率よく結合する（ I  E の値が大きくなる）電子を作るために，円筒状の空胴に対して電磁波を発振させるためには，電磁波を閉じ込める構造同軸となるように磁場が与えられる。この円筒状の空胴（共振器）を作る必要がある（ Fig. 4 ）。最も簡単な共振器

へ，サイクロトロン運動する電子ビームを入射すれば，電の構造は閉じた空胴であるが，それでは電子ビームを入射

子は TE モードの電場と同じ方向の速度成分をもつことにできず電磁波を出力することもできない。両端が解放され

176 ● 放射光 May 2021 Vol.34 No.3

特集 ■ 赤外自由電子レーザーの現状，利用研究と展望[∥ で管軸の方向へ運動するので，ドップラーシフト k∥[∥を考慮した同期条件は，式(3)で表わされる。

v＝svce＋k∥[∥( 3)

式(3)の右辺にある整数 s は，可能のかぎり 1 として設計され，その場合の発振は基本波発振と呼ばれる。一方，s＝ 2, 3, …の場合にも電子ビームを共振器モードへ結合させることが可能で，それぞれ二次高調波発振，三次高調波
発振，…と呼ばれる。電子ビームは，式( 2 )と( 3 )そしてk∥0 を満たすように調節される。したがって，ジャイロFig. 3

Dispersion diagram for the case of fast-wave interactions(gyrotron and gyro-BWO).

ト ロ ン の 発振 周 波 数 は ， Fig. 3 に 描 か れ た 式 ( 2 ) の曲 線と，式(3)の直線の交点近傍の v に対応する。共振器に入射された電子は，TE モードの電場により加速あるいは減速される。電子の速度が増/減すると相対論効果によってvce が減/増し，その結果，電子は波動電場の特定の位相へ集群される。そして波動電場と相互作用する電子の過半数が，定常的に減速される位相へ集群されるとき，電子ビームから TE モードへの，正味のエネルギー変換が起こる（電子サイクロトロン共鳴メーザー）。
前節で述べたように，共振器内のモードは径方向に固有の電力分布をもつため，電子ビームには最適な入射径が存在する（Fig. 4 の右側を参照）。一般的に電子銃には，環状のビームを生成可能なマグネトロン入射型が用いられる。
Fig. 4

Geometry of a cavity resonator, and schematic representation of a helical trajectory of injected electrons.

この電子銃には，電子ビームの電圧，電流，共振器への入射径，そして磁力線に平行な方向の速度 [∥ に対する垂直方向の速度 [⊥ の比（速度ピッチ因子a＝[⊥/[∥）を変える機能があり，発振効率を調節することが可能である。

た円筒の空胴に電磁波を閉じ込めるため，まず円筒空胴の以上のように，ジャイロトロンでは，波動電場の変化に

電子銃側の端部が，ダウンテーパとして小径化されてい電子のサイクロトロン運動を結合させて発振を得る。このる。このような配位では，式(1)において k∥ 0 となる遮場合，管軸方向の電子の速度 [∥ と電磁波の位相速度 v / k∥

断領域に近い周波数の電磁波は，電子銃側へは伝播できずを一致させる必要はなく，故に遅波構造は不要である。そに全反射となる。加えてコレクタ側の端部をアップテーパのため，高周波数化のために共振器の構造が複雑化することし，波動インピーダンスの不整合をつくることで，コレとはない。また，波動電場が共振器壁の近傍に局在しない

クタ側へ伝播する電磁波の一部が反射される。このようモードを選択することで，電子ビームと波動電場の結合領に，空胴の両端部での反射により定在波が形成されて電磁域を大きく確保することが出来る。すなわち，高周波数化

エネルギーが蓄積されるため，空胴は両端部が閉じていなと大電力化を同時に狙うことが可能である。

くとも共振器として機能する。この場合，長さ LC の空胴に閉じ込められる電磁波の軸方向波数は， k∥＝ pp / LC （ pは整数）で近似される。したがって発振周波数は，次式

2.5

発振周波数の可変性

発振周波数を変更するには，主に次の三つの方法がある。一つ目は，式( 2 )の x ′m, n を変える，つまり m と n の(2)で計算される値にほぼ等しくなる。

異なる TE モードを発振させる方法である。共振器の横方
22v ＝ c ( x′m, n/RC) ＋(pp/LC)(2)

向に存在する境界のために，TE モードの空間構造（m とn）の変化は離散的となる。そのため x′m, n つまり周波数の2.4

電子サイクロトロン共鳴メーザー

変 化 も ま た ， 離 散 的 と な る 。 こ の 場 合 ， 異 な る TEm, n

電子ビームを共振器内の TE モードと効率よく結合させモードへ結合させるべく，電子ビームの諸量を大きく変え

るには，横方向の波動電場と電子の振動を，ほぼ同期させる必要がある。しかし，多くの周波数での発振を念頭におる必要がある。共振器へ入射される電子は，相対論効果がいて電子銃を設計することで12) ，多くのモードに対して考慮された角周波数 vce でサイクロトロン運動し，速度同程度の発振効率を得ることが可能である13)。

放射光 May 2021 Vol.34 No.3 ● 177二つ目は，共振器内の磁場強度を増加してサイクロトロ

ビームは複数のモードとエネルギー授受し，その時間発展

ン角周波数 vce を増やし， Fig. 3 における曲線と直線の交に依存して，どのモードに対して位相集群するかが決ま

点●を，→◯で表すように変える方法である。その際，磁る。このように，複数のモードが電子ビームエネルギーを

場強度の変化に伴って交点◯の座標 v が連続的に変化す奪い合う現象を，モード競合と呼ぶ。特に高調波発振でるため，発振周波数を連続的に調節することが可能であは，基本波発振に比して電子ビームとモードの結合度が極る。ただし，電子銃側への波動伝播が遮断となる条件（k∥端に低いため，基本波発振するモードとの競合の回避抑0）を満たすために，周波数の可変幅は狭い。この発振制が必要となる。

は，◯の座標である k∥ が負の値をとることから，ジャイFig. 5 に，二次高調波発振におけるモード競合の例を示

ロ後進波発振と呼ばれている。この場合，周波数の連続変す17)。これは，周波数389 GHz で出力100 kW を実現すべ化を担うのは，式( 1 )の k∥ または式( 2 )の p であり， x ′m, nく開発された管に対する，発振シミュレーションの一部で（横方向の波動の構造）は変化しない。閉空胴の場合にはある。この管は， TE17, 2 モードの二次高調波発振を狙っ

p が整数となるため，周波数の変化も離散的となる。しかて設計されたが，近い周波数で二次高調波発振するモード

し，開空胴では軸方向の境界が不確定的であり， k∥ には（ TE3, 7, TE1, 8, TE8, 5 ）との競合，そして約半分の周波数

連続的な変化が許容される14)。

で基本波発振する TE4, 3 モードとの競合が発振実験にお周波数を変更する三つ目の方法は，高調波発振の採用でいて観測された。Fig. 5 に示されるように，ある運転の設ある。式( 3 )の s ＝ 1 の発振（基本波発振）に対し， s ＝ 2

定において， TE17, 2 モードは他の二次高調波発振との競の発振（二次高調波発振）は，ほぼ半分の磁場で実現する合には勝つ。しかし最終的には，基本波発振する TE4, 3

ことができる。そのため，ジャイロトロンの高周波数化をモードとの競合に負け，目標に対して一桁ほど低い電力で実現する高調波発振が精力的に研究されている15) 。高調

しか発振しないことがわかる。

波発振では，サイクロトロン運動の一周期において，電子モード競合を回避するために，共振器の設計にあたって

は多極の電場を感じ，必ず加速と減速の両方を受ける。こは，隣接するモードと x ′m, n の差異が大きい（孤立度の高のとき，もし電子の感ずる電場が空間的に一様であるならい）モードが選ばれる。その際，電子ビームの最適入射半ば，電子群の加減速の度合いは等しくなり，電場との正味径（ Fig. 4 参照）が，隣接するモードと大きく異なっていのエネルギー授受は発生しない。しかし，有限のラーモアることも重要である。また，運転時の印加電圧の時間変化半径をもつ電子が，空間的に不均一な電場を通過する場合を調節し，定常発振に至るまでの過渡応答（電子の位相集には，電子の回転軌道に沿った IE の積分値が有限とな群）を制御することも有効とされる。一方，大電流の電子る状況を実現でき（有限ラーモア半径効果），発振をうる

ビームを長時間生成する高出力長パルス運転では，僅かことができる。一方，電子と波動の同期性は低いので，高な不安定性がモード競合を誘発する場合もある。特に，高調波発振の効率は基本波発振に比して極端に落ちる。ま

調波発振は効率が低いために，モード競合を完全に回避した，次節で述べるモード競合の問題により，単一モードでて大電力で発振させることは極めて難しい。高調波発振にの安定発振の実現が難しいという問題もある。

対しては，共振器の形18) や電子ビーム19) に工夫を施すな

遠赤センターで得られた 1 THz 超のジャイロトロン発

どの方法も考えられているが，確立には至っていない。故振は，液体ヘリウムでの冷却を要する 20 T の超伝導マグに，テラヘルツを超える周波数を基本波発振させることがネットを用いて，二次高調波発振にて実現されたものであ望ましいが，それには更に強力な磁場を生成できる無冷媒る10) 。光源としての実用化を図るには，利便性の観点か
ら無冷媒の超伝導マグネットを採用することが望ましい
が，現時点で市場から入手可能なものは 15 T が上限となっている。遠赤センターでは，国際共同研究の枠組みのもと，無冷媒の15 T 超伝導マグネットを用いて s＝3 の発振（三次高調波発振）による高周波数化の研究も進められている16)。

2.6

高調波発振とモード競合

高周波数化のために高調波発振が希求されるが，高調波の安定発振をうるには，解決すべき困難な課題がある。電子サイクロトロン共鳴メーザーの発現において，式(2)と(3)の v には，常に幾ばくかの不一致がある。そのため，周波数（ x ′m, n）の近い TEm, n モードが複数存在すると，それらは同時に発振する可能性がある。このとき，電子

178 ● 放射光 May 2021 Vol.34 No.3

Fig. 5

A simulation result showing output power as a function oftime for a TE17, 2 gyrotron considering the competing modes.

特集 ■ 赤外自由電子レーザーの現状，利用研究と展望の成分（速度ピッチ因子 a）が大きく，速度分散の小さい
電子ビームを入射する必要がある。したがって，まず電子ビームの径方向の厚さを，出来るだけ薄くする必要がある。
一方，電子ビームの電荷密度が大きくなると，内部に形成される静電ポテンシャルの勾配によって，電子の速度分散が増える（空間電荷効果）。結果として生ずる速度ピッチ因子 a の大きな電子は，磁気圧縮の過程でミラー反射
され電子銃側へ戻ることになる。その一部は，陰極の静電ポテンシャルにより更に反射されて，ビームトンネルにて補足粒子となり，空間電荷効果による電子ビームの劣化を助長することになる。
この空間電荷効果の抑制が，電子銃の設計における主な課題となる。その際，ビーム内の電子軌道が交差することのない層状流を形成し，電子ビーム断面内の電荷密度を均一化する事が重要である。Fig. 6 中の陰極と陽極の複雑なFig. 6形状は，電子ビーム内の静電ポテンシャル分布を調節する

Schematic of a Magnetron Injection Gun (MIG).

ためのものであり，層状流の形成に必要となる静電ポテン
シャルの分布が研究されている20,21)。
マグネットの開発を待たねばならない。

2.8
2.7

マグネトロン入射型電子銃

モード変換器

空胴共振器で励振されるモードは，ほぼ遮断（ k∥＝ 0）

Fig. 6 に，電子銃の構造を示す。マグネットが作る磁場の状態にあるが，コレクタ側のテーパにより導波管の半径と同軸に陰極と陽極が配置され，磁場中で熱電子を加速すが RC から RW へ拡大されると，伝播にともなって軸方向る仕組みとなっている。マグネトロンの場合，電子は磁場の波数 k∥ が大きくなる（Fig. 7a ）。このとき，管軸に対すと垂直な方向に加速される。一方，本電子銃では，電子をる伝播角 C は， RC と RW の遮断波数の比から，次式( 5 )放出する面が磁場に対し傾斜していることから，螺旋運動で表現される。

しながら軸方向へ進行する電子ビームが形成される。この

C＝sin－1(RC/RW)

ように，マグネトロンと類似の構造をもつことから，節題( 5)の呼称がある。
共振器へ環状の電子ビームを入射するために，電子放出

純粋な導波管モードは，平面波の合成として，幾何光学

面は帯状になっている。電子放出帯の半径を RK，電子放的に扱うことができる。円形導波管における TEm, n モー

出面上の磁場を BK ，共振器内の磁場を BC とおくと，磁ド（ m ≠ 0）は，壁に沿って螺旋状に反射しながら進む光束の保存を表す式(4)から，共振器への電子ビームの入射線の集合で表現され，半径 RC と RW の間の領域に，一様

半径 RB が求められる。

の強度分布をもって存在する（ Fig. 7b ）。そして， Fig. 7cのような導波管壁の展開図において，壁面上に描かれた一RB ＝ R K B K / B C(4)

つの平行四辺形（灰色の領域）の内部で，すべての光線が反射することが示される。そのため，Fig. 7c に太実線で表Fig. 2 に示す電子銃コイルを用いて BK を変えることで，示した境界で導波管を切断して，一つの平行四辺形を開口

電子ビームの磁気圧縮比（ BC / BK ）が変わり， RB を調節とすると，すべての光線は横方向の比較的狭い範囲に放射することができる。また，陰極の電位により電子ビームエ

される（Fig. 7d）。この横方向の放射角 u は，次式(6)で与ネルギーを，陰極と陽極の電位差により速度ピッチ因子 a

えられる。

（＝[⊥/[∥）を，それぞれ独立に調節することができる。
熱電子放出帯の材料には，仕事関数の低い Ba 化合物を

u＝cos－1(m/x′m, n )( 6)

含浸した多孔質タングステンが広く用いられており，約1000°
C で数 A/cm2 の電流が得られる。陰極の内部に設置

導波管の開口に対して準放物面鏡を設置すると，開口かされているヒータへの投入電力により，電子ビーム電流がら放射された光線の集合を，直線偏波の平行ビームへ変換調節される。

することができる。更に，楕円体鏡を用いて空間分布を調高効率の発振を実現するためには，波動と電子の結合度

節し，ガウスビームに近い構造をもつ放射波が形成されが大きくなる狭い空間領域へ（ Fig. 4 の右側を参照）， [⊥る。このように，モード変換器を内蔵することで，電子放射光 May 2021 Vol.34 No.3 ● 179

からジャイロトロンの高周波数化が探求され， Gyrotron
FU Series と呼ばれる多数の管が開発されている。これらの管によって達成された周波数は， 38 GHz から約 1010
GHz までの広範囲にわたる。そして，基本波発振では数100 W から数十 kW ，二次高調波発振では数十 W から数kW の高出力が得られている23)。これらはモード変換器を内蔵していないが，核融合プラズマの散乱計測24) ，サブ
ミリ波領域の電子スピン共鳴（ ESR)25,26)，局所加熱による癌治療27) ，セラミックスのミリ波焼結28) ，高分解能の動的核偏極核磁気共鳴分光（ DNP / NMR ）による蛋白質の構造解析29)などの光源として利用実績がある。
続いて 2010 年代に，モード変換器の内蔵をはじめとする高度化が図られ13,15,21,22,3033)，約460 GHz までの周波数において，ガウスビーム放射可能な管が実現されている。
出力は，数十 W 程度から，パルス運転では最大数百 kWを得られる管も存在する21,33) 。その結果， DNP / NMR 研
究の更なる進展34) に加え，ポジトロニウム超微細構造の直接測定35) ，核融合プラズマ中のイオンの速度分布を調べる協同トムソン散乱計測36) ，大気放電現象の研究37) ，生体に関連する物質の制御3840) など，新たな応用分野も開拓されつつある。
この領域の電磁波は，光子エネルギーが低いため，例えFig. 7(a) Ray representation for the wave propagation near cutoŠin the cavity and (b) far from cutoŠ in the output
waveguide. (c) Unfolded launcher wall. The edge of launcher-cut is indicated. (b) Vlasov-type launcher.

ば生体関連物質へ照射するとき，分子構造を電離破壊する心配がない。他方，分子間の振動や，内部構造の回転運動などの特性的な周波数が内在していることから，特定の反応を狙って制御できる可能性が示唆されている38) 。分子構造の熱破壊に至らない範囲で電磁波を照射して変化を観ビームと電磁波を分離することができ，コレクタを自由に察し，利用可能な現象を探索する実験が進められており，設計することが可能となる。またガウスビームは，長距離今後の発展が期待されている。

の低損失伝送や照射分布の調節が比較的容易であり，応用の観点からも有利である。

一方，上述の管は，基本的に単一周波数での発振を前提とし，開発されてきた。中には，ジャイロ後進波発振を利モード変換器を内蔵しない管では，半径 RW の導波管壁用した周波数連続可変管も存在するが，その可変範囲は狭が，すべての電子軌道と交差するように軸方向へ充分に延い。そのため，発振周波数を様々に変えて実験を行う場合

長され，コレクタとしても利用される。そして電子ビームには，異なる管あるいは内部の共振器のみを交換するといの到達しない導波管端部の垂直断面内に真空窓が設けられう運用が求められ，汎用性の向上が課題となっている。今る。このとき真空窓からの放射波は，多くの場合，軸上で後，応用分野の拡大にともない，とくに周波数と出力を大電場強度が零となり径方向にも複雑な構造をもつ中空の強きく変更可能な管が必要となることは必至である。

度分布をもつ。そのため，放射波の応用には不便である。
一方，この放射分布は，共振器内の波動の構造を反映する

3.2

ガウスビーム放射が可能な多周波数発振管の開発ため，発振物理の研究に良く利用される。遠赤センターで広範な分野での応用をめざして，約162～265 GHz の範

は，はじめにモード変換器の無い管で発振の実証実験を行囲にて， 10 段階で周波数可変かつガウスビーム放射が可い，その後モード変換器内蔵型22) を作って応用研究へ投能な，基本波発振管が開発された13)（Fig. 8）。これは，共入することが多い。

振器および電子銃部の磁場を広い範囲で変え，電子ビームのサイクロトロン周波数および入射半径を調節し，異なる

3. 遠赤センターにおけるジャイロトロン
開発と応用
3.1

高周波数化および高度化

遠赤センターの設立者である出原らにより， 1980 年代

180 ● 放射光 May 2021 Vol.34 No.3

TEm, n モードを選択的に発振させるものである（Table 1）。

この管の実現には，広い運転パラメタ領域において，速度分散を低く抑えつつ大きな速度ピッチ因子の電子ビームを生成できる電子銃が必要である。加えて，一つのモード変換器により，すべての共振器モードをガウスビームへ変換

特集 ■ 赤外自由電子レーザーの現状，利用研究と展望

Fig. 8

Photograph of a multiple-frequency gyrotron with gaussian
beam output.

Table 1

Characteristics of selected modes for a multiple-frequency
gyrotron with gaussian beam output.

Fig. 9(a) Two-stage cavity conˆguration. (b) Schematic and photograph of the gyrotron used for super multi-frequency oscillation.

空間電荷効果が大きくなり，磁気ミラー反射が発生しやす

Mode

Freq.
[GHz]

BC
[T]

RB
[mm]

BC/BK

u
[deg.]

TE10, 6

265.0

9.71

1.93

42.0

70.9

TE9, 6

253.6

9.29

1.81

47.7

72.1

TE8, 6

242.1

8.86

1.69

54.7

73.3

Da＜5となる非常に低分散の電子ビームを生成可能な電TE7, 6

230.4

8.44

1.55

65.0

74.7

子銃が設計されている12)。

TE9, 5

224.7

8.23

2.05

37.2

69.7

発振実験により，ほぼすべての設計周波数において，1

TE8, 5

213.4

7.82

1.91

42.8

71.0

kW 程度以上の出力が得られ，すべてガウスビームとして

TE7, 5

202.0

7.39

1.77

49.9

72.5

TE6, 5

190.5

6.97

1.61

60.3

74.1

TE7, 4

173.2

6.35

2.07

36.5

69.5

TE6, 4

161.9

5.94

1.89

43.7

71.2

くなる。電子銃設計では，空間電荷の分布を可能の限り一様とした層状電子流を形成することで，空間電荷効果の抑制を図る必要がある。本管の開発にあたり，陰極電源の上限設定（ 20 kV, 0.5 A ）において， 0.9 ≦ a ≦ 1.5 の範囲で出力されることが確認されている13)。この管は，100 GHz
超の無線通信等への利用に向けて，電磁波暴露に対する安全性を評価する実験に使われている41) 。また，同じ設計思想のもと，270～420 GHz の範囲にて 9 段階で周波数可変かつガウスビーム放射が可能な二次高調波発振管も開発されている15)。

できなければならない。
真空管内に設置されたモード変換器の部品形状を変える

3.3

超多周波数発振管の開発

前節に示したとおり，一つの空胴共振器に励起しうる

事はできない。したがって，発振したモードが全てガウス

モードは数多く存在する。したがって，Fig. 9a のように径ビームに近い構造へ変換される状況を実現するには，それの異なる空胴（C1 と C2）を軸方向に連結すれば，励起可らの放射角（ m / x ′m, n）が大体同じである必要がある。

能なモード（発振可能な周波数）が大きく増えると考えらとなるモードがTable 1 に示すように，この管では u ～ 72 °れる。この二段の共振器を製作し，モード変換器の無い直選定されている。真空窓に面した楕円体鏡は，すべての共線型の管（Fig. 9b）へ搭載して，基本波発振させる実験を

振器モードがガウシアンに近い電力分布で放射されるよう行った42)。

に最適化される。

その結果，単一の空胴共振器では実現し得ない，多数の発振周波数の調節には，磁場分布の大きな変更をともなモードの発振が確認されている（ Fig. 10 ）。 C1 と C2 の境

い，電子ビームの軌道ならびに磁気圧縮比（BC/BK）が大界における磁場強度を約 4 ～ 8 T の範囲で変えるとともきく変化する。特に BC/ BK が 50程度を超える状況では，に，電子ビームのパラメタを最適化することで，約120～

放射光 May 2021 Vol.34 No.3 ● 181

に基づくものである。また本稿を纏めるにあたり，内容の構成に関して，同センター長の谷正彦教授から建設的な助言を頂戴した。

参考文献
1)
2)
3)
4)

Fig. 10

Measured oscillation frequencies as a function of the magnetic ˆeld strength in the cavity.

220 GHz の範囲において 5 GHz 程度の間隔で発振周波数を変えることに成功している。Fig. 10中，◯印でプロットしたものが C1 で発振したモードの周波数，そして●印でプロットしたものが C2 で発振したモードの周波数であ

5)
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9)
10)
11)
12)
13)
14)
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る。また実線は，共振器内の磁場強度に対する電子サイク
ロトロン周波数を表している。
加えて，ジャイロ後進波発振による，周波数の連続変化も観測されている。この周波数の連続可変領域から，120～ 220 GHz の範囲における周波数包含率を求めると，約30 となった。ある磁場において， C1 のモードと C2 のモードが同時発振する場合には，電子ビームの速度ピッチ因子を調節することで，ほぼすべてのモードを選択的に励起できることもわかっている。

16)
17)
18)
19)
20)
21)
22)
23)

すべてのモードに対し，その最大出力を測定したとこ
ろ，数十 W 以上を得られることがわかった。共振器を多段化することで，さらなる多周波数発振の実現が期待される。

4. まとめ
本稿では，福井大学遠赤外領域開発研究センターにおけるジャイロトロン開発と，応用展開の現状について紹介した。テラヘルツギャップを埋めるべく，高周波数化ならびに汎用性の向上を図り，現在，多くの周波数の電磁波が利用可能な状態にある。ジャイロトロンは，比較的小規模の設備で，高い出力を得られることから，適用可能な分野は多岐に渡っている。
謝辞
本原稿の内容は，福井大学遠赤外領域開発研究セン
ターのジャイロトロン開発グループに所属する，立松芳典
教授，斉藤輝雄教授，福成雅史助教との，日々の共同研究

182 ● 放射光 May 2021 Vol.34 No.3

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27)
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著者紹介
山口裕資
福井大学遠赤外領域開発研究センター 助
教E-mail: y-yama＠ˆr.u-fukui.ac.jp
専門高周波工学，電子ビーム工学［略歴］
2007 年筑波大学大学院，数理物質科学研
究科，電子物理工学専攻，博士課程修了，博士（工学）。 2007 年2010 年，筑波大学プラズマ研究センター，研究機関研究員。 2010 年，福井大学遠赤外領域開発研究センター，研究機関研究員。 2013 年，
同特命助教。2017年より現職。

Development and applications of high-frequency
gyrotrons at FIR-UF
Yuusuke YAMAGUCHI
Abstract

Research Center for Development of Far-Infrared Region, University of
Fukui, 391 Bunkyo, Fukui 9108507, Japan

Gyrotrons are known as vacuum electron tubes capable of providing high-power continuous radiation in the terahertz frequency range. At University of Fukui, advanced research on gyrotrons has
been carried out to contribute to the development of electromagnetic wave sources in this frequency range. In this paper, the mechanism of the gyrotron is introduced, and the current statusof its development and applications are described.

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