JPH0361297B2

JPH0361297B2 -

Info

Publication number: JPH0361297B2
Application number: JP57061875A
Authority: JP
Inventors: Takao Kageyama; Hideo Ikegami
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1982-04-14
Filing date: 1982-04-14
Publication date: 1991-09-19
Also published as: JPS58178942A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はジヤイロトロン、ジヤイロクライスト
ロン及びジヤイロ進行波管などのような電子サイ
クロトロンメーザの原理に基づく大電力マイクロ
波電子管に関する。

ジヤイロトロン、ジヤイロクライストロン及び
ジヤイロ進行波管などの所謂電子ビームジヤイロ
装置は、高周波回路のTEモードと電子ビームの
サイクロトロンモードの結合を利用し、大電力の
電磁波を発生するものである。高周波回路はTE
モードが励起される円形導波管または円筒空胴で
あり、電子銃は横方向ビームエネルギーが管軸方
向ビームエネルギーに比べて十分に大きく、しか
も横方向ビームエネルギーのばらつきが少ない中
空ビームを形成射出するマグネトロン型のものが
用いられる。高周波回路のTEモードの周波数ω
と電子ビームのサイクロトン周波数ω_cとが、ｎ
を整数としてωnω_cなる同期条件を満足すると
き、強い相互作用が生じ、高周波回路内に大電力
電磁波が発生する。このような電子ビームのサイ
クロトロン運動を利用した相互作用は、電子ビー
ム及び高周波回路の寸法が波長に比較して大きく
なることを可能にし、従来のミリ波帯における進
行波管やクライストロンが当面する電力密度の問
題を回避することが出来る。

これまでに報告されたジヤイロトロンの試作結
果によれば、28GHz帯において200kWのシヨート
パルス出力が30％以上の高い効率で得られてお
り、電子ビームジヤイロ装置はミリ波からサブミ
リ波帯における大電子源として各方面から期待を
集めている。とくに、ミリ波帯において高効率で
大電力が発生できることは、核融合炉のプラズマ
追加熱の手段として魅力的である。しかしなが
ら、プラズマ追加熱用としては、パルス巾が0.1
〜10秒程度のロングパルス動作もしくは連続波動
作が必要とされており、このような電子ビームジ
ヤイロ装置を実現するためには解決しなければな
らない技術的問題が数多くあり、各方面で活発な
研究がなされている。

技術的問題の中で最も重要なものは、カソード
温度の安定化である。電子ビームジヤイロ装置の
電子銃では、先に述べたように横方向ビームエネ
ルギーを大きくし、ビームエネルギーのばらつき
を少なくするため、カソードを温度制限領域で用
い、電子の放射量すなわちビーム電流をカソード
温度で制御している。電子ビームジヤイロ装置の
カソード材料は、機械的工作精度が出せるという
ことと電流密度が高くとれるという理由から、多
孔質タングステンにバリウムを含浸させたものが
用いられ、カソード温度は850℃前後に選ばれて
いる。このカソード温度を維持するに要するヒー
タ電力はカソードの大きさによつても異なるが数
10Wである。

ロングパルスあるいは連続波動作においては、
カソードがヒータ電力以外のエネルギーによつて
加熱を受け、カソード温度が上昇しすぎて、ビー
ム電流が急増し電子ビームジヤイロ装置が暴走す
るとか、極端な場合にはヒータが断線するという
重大な問題があつた。1977年11月に米国で発行さ
れた著名雑誌Microwave Systems News第７巻
11月号75項に記載の論文「Gyrotron−reborn
tubeis ａ millimeter powerhouse」（T.F.
Godlove，V.L.Granatstein著）には、電子銃と
高周波回路との間に電磁波減衰器を設けることに
よつてカソードが高周波電力によつて加熱される
ことを防止した従来技術が開示されている。しか
しながら、高周波電力によるカソードの加熱を防
止してもなお、ビーム電圧のパルス幅を拡大した
と、ビーム電流が急増するという現象があり、電
子ビームジヤイロ装置のロングパルス化あるいは
連続波動作を困難にしている。

本発明の目的は、カソード温度の安定化を計り
電子ビームジヤイロ装置のロングパルス化あるい
は連続波動作を実現することである。

この発明は、電子ビームによつて電離されたイ
オンが、負電位の電子銃電極に向つて加速され、
その衝突の際失われる運動エネルギーが熱に変換
されてカソード温度を高める要因になつているこ
とに着目して行なわれたものである。すなわち、
通常のジヤイロ装置はイオンポンプにより10^-8〜
10^-9Torrの真空度が維持されており、残留ガス
の主成分は水素分子であることが知られている。
このような残留ガスの水素分子にエネルギー
80keV程度の電子ビームを衝突させた場合、電離
した水素イオンは負電位の電子銃電極に向つて加
速され、その際の衝撃エネルギーは、連続波動作
の場合数10Wに達する。これはヒータ電力とほぼ
同等のエネルギーであり、高周波電力による加熱
を防止したとしても、このイオン衝撃による加熱
のためカソード温度が上昇し電子ビームジヤイロ
装置の動作を不安定にすることが分つた。

本発明の電子ビームジヤイロ装置は電子銃と高
周波回路との間にイオン障壁電極を設け、このイ
オン障壁電極に高周波回路よりも200〜500V高い
電圧を印加することにより、電子イオンが電子銃
方向にドリフトすることを阻止するとともに、高
周波回路とコレクタ電極の間にイオンドレイン電
極を設け、この電極に高周波回路とコレクタ電極
よりも200〜500V低い電圧を印加することによ
り、電離イオンが電子ビームジヤイロ装置内に蓄
積することを阻止し、イオン衝撃によるカソード
の加熱を防止したものである。

本発明の更に別の効果は、イオン障壁電極やイ
オンドレイン電極を設けるために作られた絶縁間
隙が、電子ビームジヤイロ装置内で発生する不要
モードを吸収する所謂モードフイルタとして作用
することである。

第１図によれば、本発明を実施したジヤイロト
ロン１の全体図が示され、同図には、電子銃組立
体２と、イオン障壁電極３と、高周波回路４と、
イオンドレイン電極５と、コレクタ６と出力窓７
及び出力導波管８が管軸１６に沿つて整列した構
造が図示されている。

電子銃組立体２は還状のカソード１２及びヒー
タ１３を含む電子銃電極１１と還状の陽極１４と
が管軸１６に対し同軸に構成されている。典型的
な値としてはヒータ１３に10V，5Aの電力がヒ
ータ電源２１によつて供給され、高圧電源２２に
よつて電子銃電極１１とカソード１２には、−
80kVのビーム電圧が印加され、陽極１４には、−
54kVの加速電圧が印加される。適当な直流電電
源によつて励磁される電子銃ソレノイド９は電子
銃電極１１及び陽極１４を通る管軸１６に沿つて
直流磁界を発生する。カソード１２と陽極１４と
の間に印加される直流電圧、並びに電子銃ソレノ
イド９によつて設定される直流磁界の相互作用に
よつて電子銃組立体２から中空の螺旋運動を行な
う電子ビームが形成射出される。

中空電子ビームは、イオン障壁電極３と高周波
回路４の中へ加速される。主ソレノイド１０は高
周波回路４に沿つた部分に高強度直流磁界を発生
する。その磁界強度は中空電子ビームが管１の動
作周波数のミリ波に近い相対論的電子サイクロト
ロン周波数で螺旋運動をするに充分大きいもので
ある。

高周波回路４はその中心部に管１の動作周波数
においてTE₀₂₁モードで共振する円筒空胴１５を
含み、その電子銃側はTE₀₁モードがカツトオフ
になるような径の小さい部分があり、コレクタ側
はTE_poモードが伝搬できるよう径を大きくして
いる。円筒空胴１５内のTE₀₂₁モードに対し中空
電子ビームのサイクロトロンモードの角周波数が
同期するように、主ソレノイド１０を調整するこ
とによつて、電子ビームと円筒空胴１５内の電磁
波の間に強い相互作用が生じ、電子ビームの運動
エネルギーが電磁波エネルギーに変換されて大電
力の電磁波が発生する。中空電子ビームとTEモ
ードの電磁波の相互作用の詳細は前掲の論文に記
載されている。円筒空胴１５の内部で発生した大
電力の電磁波はコレクタ６、出力窓７を通じて出
力導波管８から外部の負荷へ導びかれる。

一方、中空電子ビームは主ソレノイド１０によ
る磁界が無くなるコレクタ６の領域において電子
自身の空間電荷力により発散しコレクタ６に捕捉
される。このとき電子ビームの有する運動エネル
ギーの大部分は熱エネルギーとしてコレクタ６の
表面で消費される。そのためコレクタ６の表面温
度は400℃程度に達しておりコレクタ６の表面か
らはガス分子が遊離しやすくなつている。高温金
属表面から遊離したガス分子は、高エネルギーの
電子ビームと衝突し、電離してイオン化される。

電離されたイオンは、空間電荷により電位の下
つている中空電子ビームの内側にトラツプされ管
軸方向の電位の低い方向へドリフトする。従来技
術によるジヤイロトロンでは管軸上の電位分布が
第２図の点線で示す曲線３０のようになつている
ので、イオンは最も電位の低い電子銃電極１１の
先端部に衝突し、カソードの温度を不安定にする
という欠点があつた。これに対し本発明のジヤイ
ロトロン１ではイオン障壁電極３、イオンドレイ
ン電極５を具備し、それぞれバイアス電源２３，
２４で＋300V，−300V印加しているので管軸上
の電位分布は第２図の実線で示す曲線３１のよう
に、電子銃組立体２と高周波回路４との間に電位
の高い部分が生じ、高周波回路４とコレクタ６と
の間には電位の低い部分ができる。このためコレ
クタ６の内部で電離したイオンは高周波回路４へ
入る前にイオンドレイン電極５に捕捉され、高周
波回路４の内部で電離したイオンはイオン障壁電
極３による電位の高い部分で跳ね返されてイオン
ドレイン電極５に捕捉されるので、電子銃電極１
１のイオン衝撃が防止でき、カソード温度の安定
化が図れる。

更に円筒空胴１５の共振モードはTE₀₂₁なので
内部で発生した大電力電磁波はTE₀₂モードとし
て出力導波管８から外部負荷へ伝搬するが、外部
負荷での不整合や外部負荷へ至る導波管の変形等
により、モード分解した反射波がジヤイロトロン
１に戻つてくる。モード分解した反射波の中でも
TE_poモード成分以外は、管軸方向の管壁電流成
分を有するので、電極間の絶縁セラミツク１７，
１８，１９，２０の部分で吸収が生じ減衰され
る。しかも円筒空胴１５と電子銃組立体２との間
ではTE₀₁成分がカツトオフになるるよう高周波
回路４の内径が小さくなつているので、電子銃電
極１１の高周波電力による加熱も防止できる。

以上のように本発明のジヤイロトロンによれば
高周波電力によるカソードの加熱の防止だけでな
く、イオン衝撃によるカソードの温度上昇も同時
に阻止することができるので、ロングパルス化、
連続動作時のカソード温度の安定化を図ることが
できる。

本発明はここで述べた実施例以外にも種類の変
形が可能である。例えば、イオンドレイン電極と
イオン障壁電極をそれぞれ単独に具備するだけで
も同等の効果を期待することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するジヤイロトロンの一
実施例の全体図、第２図は従来技術によるジヤイ
ロトロンと第１図の実施例における管軸上の電位
分布を比較して示す曲線図である。１……ジヤイロトロン、２……電子銃組立体、
３……イオン障壁、電極、４……高周波回路、５
……イオンドレイン電極、６……コレクタ、７…
…出力窓、８……出力導波管、９……電子銃ソレ
ノイド、１０……主ソレノイド、１１……電子銃
電極、１２……カソード、１３……ヒータ、１４
……陽極、１５……円筒空胴、１６……管軸、１
７，１８，１９，２０……絶縁セラミツク、２１
……ヒータ電源、２２……高圧電源、２３……イ
オン障壁用バイアス電源、２４……イオンドレイ
ン用バイアス電源、３０，３１……管軸上電位分
布曲線。

Claims

【特許請求の範囲】１中空の螺旋運動を行なう電子ビームを形成射
出する電子銃組立体と、該中空電子ビームに沿つ
て円形導波管もしくは円筒空胴を含む高周波回路
と、前記電子ビームを捕捉するコレクタが配列さ
れ、該コレクタの先には出力窓と出力導波管が取
付けられた電子ビームジヤイロ装置において、電
子銃組立体と高周波回路との間に高周波回路に対
して正の電位にバイアスした電極を設け、該電極
が絶縁されていることを特徴とする電子ビームジ
ヤイロ装置。２中空の螺旋運動を行なう電子ビームを形成射
出する電子銃組立体と、該中空電子ビームに沿つ
て円形導波管もしくは円筒空胴を含む高周波回路
と、前記電子ビームを捕捉するコレクタが配列さ
れ、該コレクタの先には出力窓と出力導波管が取
付けられた電子ビームジヤイロ装置において、コ
レクタに隣接してコレクタに対し負にバイアスし
た電極を設け、該電極が絶縁されていることを特
徴とする電子ビームジヤイロ装置。３中空の螺旋運動を行なう電子ビームを形成射
出する電子銃組立体と、該中空電子ビームに沿つ
て円形導波管もしくは円筒空胴を含む高周波回路
と、前記電子ビームを捕捉するコレクタが配列さ
れ、該コレクタの先には出力窓と出力導波管が取
付けられた電子ビームジヤイロ装置において、電
子銃組立体と高周波回路との間に高周波回路に対
して正の電位にバイアスした電極を設け、高周波
回路とコレクタとの間に高周波回路に対して負の
電位にバイアスした電極を設け、前記の各電極が
それぞれ絶縁されていることを特徴とする電子ビ
ームジヤイロ装置。