JPH03274802A - 導波路およびこれを用いたジャイロトロン装置 - Google Patents

導波路およびこれを用いたジャイロトロン装置

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JPH03274802A
JPH03274802A JP2073274A JP7327490A JPH03274802A JP H03274802 A JPH03274802 A JP H03274802A JP 2073274 A JP2073274 A JP 2073274A JP 7327490 A JP7327490 A JP 7327490A JP H03274802 A JPH03274802 A JP H03274802A
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electromagnetic waves
mirror
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annular
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Yasuyuki Ito
保之 伊藤
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    • H01J25/02—Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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    • H01J23/00—Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
    • H01J23/36—Coupling devices having distributed capacitance and inductance, structurally associated with the tube, for introducing or removing wave energy
    • H01J23/40—Coupling devices having distributed capacitance and inductance, structurally associated with the tube, for introducing or removing wave energy to or from the interaction circuit

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  • Microwave Tubes (AREA)
  • Waveguide Switches, Polarizers, And Phase Shifters (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、導波路およびこれを用いたジャイロトロン装
置に関する。
（従来の技術） 核融合炉のプラズマを加熱する手段には種々あるが、そ
の中に電子サイクロトロン共鳴を利用した高周波加熱方
式がある。この方式を核融合炉のプラズマ加熱に適用す
るには、ミリ波帯域の周波数で、かつ大出力の発振管を
必要とする。この発振管としてジャイロトロン装置が有
望視されている。
ところで、ジャイロトロン装置の出力波を使って実際に
核融合炉の炉心プラズマを加熱する場合、ジャイロトロ
ン装置と炉心プラズマとが距離的に相当離れている場合
が多い。したがって、ジャイロトロン装置の出力波モー
ドを低損失であるＴＥＯＩモードに変換し、これを円形
導波管で炉心プラズマまで伝送することが望まれる。
このようなことから、第７図（ａ）　、　（ｂ）に示す
ように、導波路１を構成する円形導波管２の途中に、う
ねりを与えた円形導波管３　（３’　）で構成されたモ
ード変換器を介在させ、このモード変換器を使ってＴＥ
ｍｎモードで発振するジャイロトロン装置の出力波をＴ
Ｅ０１モードに変換して伝送することが考えられていた
。
しかし、最近では、より高周波で、大電力のミリ波が゛
要求されている。この要求を満たす大電力ジャイロトロ
ン装置は、ｍ）１．ｎ−１であるウィスパリングギヤラ
リ−モードと呼ばれるモードで発振する。このモードの
出力波の場合には、第７図に示すモード変換器を用いて
効率よく、しかも直接ＴＥＯＩモードに変換することが
困難である。
そこで、このようなウィスパリングギヤラリ−モードの
出力波に対しては、第８図に示すように、円形導波管２
を介して伝搬した出力波をヴラソフ放射器４を用いて自
由空間へビーム状に放射させ、これを非球面ミラー５で
順次反射集束させながら伝送したり、あるいは収束した
電磁波を内面に周方向溝列を施したコルゲート導波管と
呼ばれる導波管に入射させて伝送したりする方式が検討
されている。すなわち、ヴラソフ放射器４と非球面ミラ
ー５とでモード変換器６を構成している。
しかしながら、このような導波路では、伝送に用いる非
球面ミラーや、光軸合わせのための駆動機構や、コルゲ
ート導波管に高い加工精度が要求される。このため、円
形導波管を用いた導波路に比べて高価になる問題があっ
た。
一方、ウィスパリングギヤラリ−モードで発振するジャ
イロトロン装置では、電子ビームを回収するための電子
ビームコレクタと出力導波管とを共用すると、大出力化
させたときに電子ビームコレクタが熱負荷に耐えられな
くなる。そこで、このようなジャイロトロン装置では、
第９図に示すように、第８図に示したモード変換器６を
内蔵させることにより、電子ビームコレクタと出力導波
管とを分離して大型の電子ビームコレクタの使用を可能
化することが考えられている。
すなわち、このジャイロトロン装置では、電子銃１１で
生成された旋回電子ビーム１２を空胴共振器１３内に入
射して発振を行なわせる。そして、共振器１３で生成さ
れた電磁波を共振器１３に接続された円形導波管１４を
介してヴラソフ放射器４と非球面ミラー５とからなるモ
ード変換器６へと導く。この電磁波を反射ミラー１５で
空胴共振器１３の中心軸に対して、たとえば９０度方向
変換させた後、出力窓１６を介して出力電磁波１７とし
て送出すようにしている。なお、図中１８は旋回電子ビ
ームの生成に必要な磁界を印加するための電磁石を示し
、１つは発振に必要な磁界を印加するための電磁石を示
し、２０は電子ビームを回収するための電子ビームコレ
クタを示している。
しかしながら、このように構成されたジャイロトロン装
置にあっては、ヴラソフ変換器４と非球面ミラー５とか
らなるモード変換器６を内蔵しているために構造が複雑
になるばかりか、ジャイロトロン構造の軸対称性が崩れ
、しかもジャイロトロン内出力波伝送軸に対する信頼性
に乏しい問題があった。
（発明が解決しようとする課題） 上述の如く、従来の導波路では、ライスベリングギヤラ
リ−モードの電磁波を目的とする場所まで低損失で伝送
しようとすると、全体が複雑で高価になる問題があった
。また、従来のジャイロトロン装置では、ウィスパリン
グギヤづリーモードの電磁波を装置内においてＴＥＯＩ
モードに変換して出力させようとすると、全体が複雑に
なるばかりか、信頼性の低下を招く問題があった。
そこで本発明は、上述した不具合を解消できる導波路お
よびこれを用いたジャイロトロン装置を提供することを
目的としている。
［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明では、導波経路の途
中に、進行方向と直交する面内で円環状の電力分布を有
する放射電磁波に変換する手段と、この手段で変換され
た放射電磁波を反射させる円環状ミラーと、この円環状
ミラーで反射された前記電磁波を受けるための切り口を
上記円環状ミラーに対向させて設けられた導波管とを備
えたモード変換器を介在させている。
（作　用） 本発明によると、円環状ミラーの反射面の形状や、切り
口を上記円環状ミラーに対向させた導波管の位置や形状
等を選択するだけで、たとえばウィスパリングギヤラリ
−モード（ＴＥｍｎ。
ｍ：＞１．ｎ−１）の電磁波をＴＥ０１モード等の別の
導波管モードに変換して伝送できる。
すなわち、円形導波管の切り口より放射される電磁波は
平面波の重ね合わせと考えられる。したがって、ＴＥｍ
ｎモードに対して、この平面波の波動ベクトルには、円
筒座標系において、概略的に次式で与えられる。
ｋ　θ＝　ｍ／ａ ｋ　ｚ　ｗ−（ｋ　”　−（ｘａ＋ｎ／ａ）　　’　　
］２に−２πｌ　λ λ：１！波の自由空間波長、π：円周率、Ｘｌｎ：Ｉ次
第一種ベッセル関数の導関数ｄＪｍ　（ｘ）／　ｄｘ−
０のｎ番目の根、ｍ：導波管内電波の周方向モード数、 ａ：導波管半径 である。
特に、ウィスパリングギヤラリ−モード（ｍ）１、ｎ−
１）の電磁波を円形導波管の切り口より放射させると、
この電磁波は管軸に垂直む断面で円環状の電力分布を有
する放射電磁波となる。
また、変換によって得たい電波のモードがＴＥｍ’ｎ’
であるとすると、重ね合わされている平面波の波動ベク
トルに′は、同様に次式で与えられる。
ｋ’−（ｋｒ’、にθ’、ｋｚ’） ここで、ｋ　ｒ’　−（（ｘ　ｓ’ｎ’／　ａ）２−（
ｍ’／ａ’）２］２にθ’　、、　Ｉ７　ａ／ ｋ　ｚ’　−［ｋ　２−（ｘ　ｍ’ｎ’／ａ’）　　２
］”である。
そこで、円形導波管の切り口より放射された電磁波を、
適切九円環形状のミラーで反射させることにより伝送が
可能となり、しかも円環状ミラーでの反射の際、その波
動ベクトルを上述のｋから概略的にに′に変えれば、Ｔ
　Ｅ　ｍ　ｎモードの電力の大部分をＴ　Ｅ　ｍ’ｎ’
モードの電力に変換することが可能となる。
本発明は、このような基本的者えに基いている。
したがって、上述した構成のモード変換器を導波路に介
在させると、ウィスパリングギヤラリ−モードの電磁波
を直接ＴＥＯＩモードに変換して伝送できるので、低損
失で、かつ単純な導波路を構成できることになる。
また、上述した構成のモード変換器を内蔵したジャイロ
トロン装置では、構造の複雑化を招くことなく、またジ
ャイロトロン構造の軸対称性を崩すことなく、電子ビー
ムコレクタとジャイロトロン内出力波伝送路とを分離で
きるため、電子ビームコレクタを大型化でき、この結果
、大出力化が可能となる。また、電子ビームの運動エネ
ルギを電気エネルギに変換するための電極を設置するこ
とが可能となるため、発振効率の増大も期待できる。
（実施例） 以下、図面を参照しながら実施例を説明する。
第１図には本発明の一実施例に係る導波路３１が局部的
に示されている。
この導波路３１は、途中にモード変換器３２を介在させ
、このモード変換器３２でウィスパリングギヤラリ−モ
ードであるＴＥ１２，２モードの電磁波をＴＥＯＩモー
ドの電磁波に変換して伝送するように構成されている。
モード変換器３２は、ＴＥ１２，２モードの電磁波を案
内する円形導波管３３に切り口３４を設け、この切り口
３４より放射された電磁波を導波管３３と同軸に配置さ
れた円環状ミラー３５で反射させ、この反射された電磁
波をテーパ付き円形導波管３６の切り口３７に入射させ
る構成となっている。
円環状ミラー３５は、第２図（ａ）　、（ｂ）に示すよ
うに、内面に非軸対称な凹面鏡３８を備えている。この
凹面鏡３８は、入力電磁波の周方向モード数１２と同数
に周方向に周期的に変化する形状に分割されており、各
分割反射面３つの境界には段差４０が設けられている。
すなわち、入力電磁波の電磁場分布が円筒座標系（ｒ、
　　θ＋　　ｚ）においてｅｘｐ　　（±、／７ｉｍθ
）の因子を有しているときに定義される周方向モード数
ｍと同じ値に周方向への周期変化数が設定されている。
各分割反射面３９は、周方向ばかりか軸方向にも滑らか
に変化する曲面に形成されている。
そして、凹面鏡３８は、分割反射面３９に立てた単位法
線ベクトルが下記の条件を満たすように形成されている
。
まず、円形導波管３３の切り口３４より放射された電磁
波の単位波動ベクトルｋ（ｒ、　　θ＋　　ｚ）を円環
状ミラー３５上で求める。次に、円環状ミラー３５で反
射された電磁波が、予め設定したテーパ付き円形導波管
３６に通ずる光軸４１上の１点に集束するように円環状
ミラー３５上の各点での反射波の単位波動ベクトルに’
　　（ｒ、　　θ、ｚ）を定める。ここで、反射波のモ
ードをＴＥＯ１モードにするには、光軸４１が（ｒ、ｚ
）平面内にある必要がある。単位法線ベクトルは波動ベ
クトルに、に’より次式で求まる。
ｎ−（ｋ’−ｋ）／Ｉ　ｋ’　−ｋ　１このようにして
得られた単位法線ベクトルに基いて円環状ミラー３５の
凹面鏡３８が形成されている。
一方、テーパ付き円形導波管３６については、円環状ミ
ラー３５で反射された電磁波の電磁場分布が、切り口３
７でＴＥＯＩモードの分布に近づくように切り口３７の
適切な位置、直径およびテ、＜角度が設定されている。
このような構成の導波路３１であると、前述した理由に
基き、ウィスパリングギヤラリ−モードの電磁波をモー
ド変換器３２で直接ＴＥ０１モードに変換して伝送でき
る。したがって、単純かつ安価で、しかも低損失な導波
路を形成できることになる。
なお、第１図に示す例では、モード変換に供される非軸
対称な円環状ミラー３５で反射した電磁波をテーパ付き
円形導波管３６に入射させているが、モード変換に供さ
れる非軸対称な円環状ミラー３５で反射された電磁波を
同軸の１つまたは複数個の軸対称な円環状ミラーで反射
させた後、テーパ付き円形導波管３６に入射させるよう
にしてもよい。また、円形導波管３３の切り口３４より
放射された電磁波を同軸の１つまたは複数個の軸対称な
円環状ミラーで反射させた後、モード変換に供される非
軸対称な円環状ミラー３５に入射させ、その反射波をテ
ーパ付き円形導波管３６に入射させてるようにしてもよ
い。
また、上述した実施例では、モード変換に供される非軸
対称な円環状ミラー３５で反射した電磁波をテーパ付き
円形導波管３６の切り口３７に入射させるようにしたモ
ード変換器３２を介在させているが、第３図に示すよう
に、円環状ミラー３５で反射した電磁波をテーパ付き円
形同軸導波管４２の切り口４３に入射させるようにした
モード変換器３２ａを介在させてもよい。なお、第３図
中４４は、セラミックス等で形成された支持材を示して
いる。
また、第４図に示すように、円環状ミラー３５ａを設け
、この円環状ミラー３５ａの内面に、第５図に示すよう
に、深さ４分の１波長径度、ピッチ２分の１波長以下、
幅２分の１ピッチ程度の溝列４５を施せば、適切な入力
放射電磁波、たとえばＴＥＯＩモードを円形導波管の切
り口より放射したときの放射電磁波あるいは第５図に示
すようにＴＥＯＩモードをテーパ付き同軸導波管４６に
入力した後、その切り口４７より放射させたときの放射
電磁波あるいは第１図で示すモード変換器３２にＴＥＯ
Ｉモードを人力してＴＥＯＩモードとＴＥＯ２モードの
混合波を生成し、このモード変換器３２に接続した円形
導波管の切り口より放射した放射電磁波に対し、反射波
が直線偏波するので、この反射波を内面に周方向溝列を
施したテーパ状のコルゲート導波管４８または同軸導波
管の切り口４９に入射させることによつ、ＨＥＩＩモー
ドに変換することができる。
第６図には上述したモード変換器を組込んだジャイロト
ロン装置の一例が示されている。
このジャイロトロン装置は、ウィスパリングギヤラリ−
モードで発振するもので次のように構成されている。す
なわち、電子銃５１で生成された旋回電子ビーム５２を
空胴共振器５３内に入射して発振を行なわせる。共振器
５３で生成゛されたウィスパリングギヤラリ−モードの
電磁波は共振器５３に２接続された円形導波管５４を介
してモード変換器５５へと導かれる。
モード変換器５５は、第１図に、示すものと同様に構成
されている。すなわち、円形導波管５４の切り口５６か
ら放射された進行方向と直交する面内で円環状の電力分
布を有する放射電磁波をモード変換に供される非軸対称
な円環状ミラー５７に入射させ、その反射波５８をテー
パ付き円形導波管５９の切り口６０に入射させるように
している。
テーパ付き円形導波管５９は、出力窓６１の取り付けら
れた直線円形導波管６２に滑らかに接続されている。円
環状ミラー５７とテーパ付き円形導波管５９との間の回
りには使用済みの電子ビームを回収するための電子ビー
ムコレクタ６４が設けられている。この電子ビームコレ
クタ６４は図示しない冷却系によって冷却されている。
なお、電子ビームは、超電導磁石６５の発生する磁力線
によって電子ビームコレクタ６４へと導かれる。
電子ビームコレクタ６４の近くに付加的な超電導磁石ま
たは常電導磁石を設置して磁力線形状を調整することも
できる。また、円環状ミラー５７とテーパ付き円形導波
管５９との間で、電子ビームコレクタ６４の近くには、
少なくとも１つの円環状の電極６６が配置されており、
この電極６６に適切な電位を与えて流入する使用済み電
子ビームのエネルギを回収できるようにしている。
一方、円形導波管５０１円環状ミラー５７．テーパ付き
円形導波管５９を支持する構造物の内面の一部または全
部には、炭化ケイ素材あるいは炭化ケイ素の化学蒸着膜
などの電磁波吸収材層が設けられている。なお、図中６
７は旋回電子ビームの生成に必要な磁界を印加するため
の電磁石を示している。
このような構成であると、ウィスパリングギヤラリ−モ
ードで発振するジャイロトロンの出力波は、装置内部に
おいてモード変換器５５で伝送のし易いＴＥＯＩモード
に変換されて出力される。
そして、この場合には、上記構成のモード変換器５５を
組込んでいるので、構造の複雑化を招くことなく、また
ジャイロトロン構造の軸対称性を崩すことなく、電子ビ
ームコレクタとジャイロトロン内出力波伝送路とを分離
できる。したがって、電子ビームコレクタ６４を大型化
できるため、大出力化が可能となる。また、電子ビーム
５２の運動エネルギを電気エネルギに変換するための電
極６６を設けることができるので、発振効率の増大も図
ることができる。
なお、出力窓６１は円環状ミラー５７とテーパ付き円形
導波管５９との間またはテーパ付き円形導波管５９内の
任意の場所に設けてもよいが、電子ビームの走行を妨げ
ず、かつ熱負荷を小さくすために断面積の大きいテーパ
付き円形導波管５９の切り口６０の近くに設置すること
が好ましい。
また、テーパ付き円形導波管に代えて第３図に示したテ
ーパ付き円形同軸導波管４２を用いてもよい。
［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、ウィスパリングギヤ
ラリ−モードの電磁波を伝送損失の少ないＴＥＯＩモー
ドに直接変換できるため、導波路の単純化および低価格
化を実現でき、しかもＴＥ０１モードを別の導波管モー
ドに変換することもできる。
また、上記導波路をジャイロトロン装置に組込むと、構
造の複雑化を招くことなく、シかもジャイロトロン構造
の軸対称性を崩すことなく、電子ビームコレクタとジャ
イロトロン内出力波伝送路とを分離でき、電子ビームコ
レクタの大型化を図れるため大出力化が可能となる。ま
た、使用済み電子ビームのエネルギの一部を回収するた
めの電極を内部に設置できるので、−層の大出力化およ
び高効率化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例に係る導波路の概略構成図、
第２図（ａ）は同導波路に組込まれた円環状ミラーの縦
断面図、第２図（ｂ）は同円環状ミラーを（ａ）におけ
るＸ−Ｘ線に沿って矢印方向に見た正面図、第３図は本
発明の別の実施例に係る導波路の概略構成図、第４図は
本発明のさらに別の実施例に係る導波路の概略構成図、
第５図は同導波路に組込まれた円環状ミラーを展開して
示す内面図、Ｍ６図は本発明の導波路を内蔵したジャイ
ロトロン装置の概略構成図、第７図は円形導波管の壁面
にうねりを与えてＴＥｍｎモードをＴＥｍｎモードに変
換するモード変換器を組込んだ従来の導波路の概念図、
第８図はウィスパリングギヤラリ−モードを放射波ビー
ムに変換する従来のモード変換器を示す概念図、［９図
は第８図に示したモード変換器を内蔵した従来のジャイ
ロトロン装置の概略構成図である。 ３１．３１ａ、３１ｂ−・・導波路、３２ｊ　３２ａ。 ３２ｂ、５５・・・モード変換器、３３．５４・・・円
形導波管、３４．３７．４Ｂ、４７．４９．５６゜６０
・・・切り口、３５，３５ａ、５７・・・円環状ミラー
３６．５９・・・テーパ付き円形導波管、３８・・・凹
面鏡、３９・・・分割反射面、４０・・・段差、４２゜
４６・・・テーパ付き円形同軸導波管、４５・・・溝、
４８・・・テーパ付きコルゲート導波管、５１・・・電
子銃、５２・・・電子ビーム、５３・・・空胴共振器、
５８・・・出力電磁波、６１・・・出力窓、６４・・・
電子ビームコレクタ、６６・・・電極。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）導波経路の途中にモード変換器を介在させてなる
    導波路において、前記モード変換器は、進行方向と直交
    する面内で円環状の電力分布を有する放射電磁波に変換
    する手段と、この手段で変換された放射電磁波を反射さ
    せる円環状ミラーと、この円環状ミラーで反射された前
    記電磁波を受けるための切り口を上記円環状ミラーに対
    向させて設けられた導波管とを備えてなることを特徴と
    する導波路。
  2. （２）前記円環状ミラーは、周方向に周期的に変化する
    形状の反射面を備えたものであることを特徴とする請求
    項１に記載の導波路。
  3. （３）前記円環状ミラーは、入力電磁波の電磁場分布が
    円筒座標系（ｒ，θ，ｚ）においてｅｘｐ（±√−１ｍ
    θ）の因子を有しているときに定義される周方向モード
    数ｍと同じ値に前記反射面の周方向への周期変化数が設
    定されていることを特徴とする講求項２に記載の導波路
    。
  4. （４）前記円環状ミラーは、前記反射面の軸方向微分係
    数が零でないことを特徴とする請求項２に記載の導波路
    。
  5. （５）前記円環状ミラーは、電磁波に対して異方性の反
    射を行う溝列を有した反射面を備えていることを特徴と
    する請求項１に記載の導波路。
  6. （６）円環状の電力分布を有する放射電磁波に変換する
    前記手段は、切り口を前記円環状ミラーの電磁波入力端
    に臨ませた円形導波管または円形同軸導波管であること
    を特徴とする請求項１に記載の導波路。
  7. （７）前記導波管は、テーパ付き導波管またはテーパ付
    き円形同軸導波管であることを特徴とする請求項１に記
    載の導波路。
  8. （８）前記導波管は、内壁面の一部または全部に溝列を
    施したコルゲート導波管であることを特徴とする請求項
    ７に記載の導波路。
  9. （９）空胴共振器で生成された電磁波を上記電磁波の進
    行方向と直交する面内で円環状の電力分布を有する放射
    電磁波に変換する手段と、この手段で変換された放射電
    磁波を反射させる円環状ミラーと、この円環状ミラーで
    反射された前記電磁波を受けるための切り口を上記円環
    状ミラーに対向させて設けられた導波管とからなるモー
    ド変換器を備えてなることを特徴とするジャイロトロン
    装置。
  10. （１０）前記円環状ミラーと前記導波管との間を囲む位
    置に使用済み電子ビームを回収する電子ビームコレクタ
    が設けられていることを特徴とする請求項９に記載のジ
    ャイロトロン装置。
  11. （１１）前記円環状ミラーおよび前記導波管を支える構
    造物の内表面の一部または全部に電波吸収体層が設けら
    れていることを特徴とする請求項９に記載のジャイロト
    ロン装置。
  12. （１２）前記円環状ミラーと前記導波管との間に電子ビ
    ームのエネルギを回収するための電極が設けられている
    ことを特徴とする請求項９に記載のジャイロトロン装置
    。
JP2073274A 1990-03-26 1990-03-26 導波路およびこれを用いたジャイロトロン装置 Pending JPH03274802A (ja)

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