JPH0428148A - Gyrotron with built-in mode converter - Google Patents

Gyrotron with built-in mode converter

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JPH0428148A
JPH0428148A JP13360890A JP13360890A JPH0428148A JP H0428148 A JPH0428148 A JP H0428148A JP 13360890 A JP13360890 A JP 13360890A JP 13360890 A JP13360890 A JP 13360890A JP H0428148 A JPH0428148 A JP H0428148A
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JP
Japan
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gyrotron
mode
section
high frequency
output
Prior art date
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Pending
Application number
JP13360890A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Keiji Sakamoto
坂本 慶司
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Japan Atomic Energy Agency
Original Assignee
Japan Atomic Energy Research Institute
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Publication date
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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。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は、ジャイロトロンに関するものである。さら
に詳しくは、この発明は、サブミリ波帯における高周波
大電力源として有用なジャイロトロンの、出力高周波の
出力構造に関するしのである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) This invention relates to a gyrotron. More specifically, the present invention relates to a high frequency output structure of a gyrotron that is useful as a high frequency high power source in the submillimeter wave band.

(従来の技術とその課題) 従来より、ジャイロトロンは、サイクロトロンメーザ作
用を動作原理とする電子管で、ミリ波からサブミリ波帯
における高周波大電力源として利用されている。このジ
ャイロトロンの種類としては、たとえば、1)サイクロ
トロン運動をする電子群が形成する円筒状の電子ビーム
とこの電子ビームと共振円筒のような1個の共振回路に
おける電磁波との相互作用によって共振回路に蓄積され
る電磁波エネルギーにより、電子ビームのエネルギーを
失なって発振を生じるジャイロモノトロンや、2)同様
の電子ビームと複数個の共振空胴を用いて電磁波の増幅
を行なわせるジャイロクライストロン、3)同様の電子
ビームと伝送回路内の進行波との相互作用によるジャイ
ロ進行波管、さらには、4)伝送回路内の進行波との結
合による後進波ジャイロトロンなどが知られている。
(Prior art and its problems) A gyrotron is an electron tube whose operating principle is cyclotron maser action, and has been used as a high-frequency high-power source in the millimeter to submillimeter wave band. The types of gyrotrons include, for example, 1) a cylindrical electron beam formed by a group of electrons moving in a cyclotron; and a resonant circuit formed by the interaction of this electron beam with electromagnetic waves in one resonant circuit such as a resonant cylinder; 2) A gyromonotron, which loses the energy of an electron beam and oscillates due to the electromagnetic energy accumulated in it; 2) a gyroklystron, which uses a similar electron beam and multiple resonant cavities to amplify electromagnetic waves; 3) ) A gyro traveling wave tube that uses similar interaction between an electron beam and a traveling wave in a transmission circuit, and 4) a backward wave gyrotron that uses a coupling with a traveling wave in a transmission circuit.

これらの従来のジャイロトロンにおいては、その出力は
200K14程度であって、電子ビームのコレクタを発
振した高周波の伝送路として利用することが可能である
。また、通常、出力用のセラミック窓は、このコレクタ
の下流に設置されている。
These conventional gyrotrons have an output of about 200K14, and can be used as a high-frequency transmission path for oscillating electron beam collectors. Additionally, an output ceramic window is usually installed downstream of this collector.

一方、ジャイロトロンの発振出力が500K14程度以
上と高出力化するに伴い、高周波の発振モードとして従
来の軸対称モードであるT E o nモード(nは自
然数)よりも高周波回路における発熱が少なく、かつ発
振モードの競合の少ない回廊モードとよばれる出力モー
ドが利用されるようになってきてもいる。その回廊モー
ドの導波管内の電界分布や回廊モードの電磁波が電波管
内を伝播する様子は、各々、たとえば第1図および第2
図に例示することができる。
On the other hand, as the oscillation output of the gyrotron increases to about 500K14 or more, the high-frequency oscillation mode generates less heat in the high-frequency circuit than the T E on mode (n is a natural number), which is the conventional axis-symmetric mode. In addition, an output mode called a corridor mode, which has less competition between oscillation modes, has come into use. The electric field distribution in the waveguide in the corridor mode and the manner in which the electromagnetic wave in the corridor mode propagates in the radio waveguide are shown, for example, in Figures 1 and 2, respectively.
This can be illustrated in the figure.

電界分布は第1図に例示したように、電気力線(11)
によって特徴のある分布を示し、また、導波管内では第
2図に例示したように回廊モードの電磁波(21)が図
中の矢印方向へと進行していく。
As illustrated in Figure 1, the electric field distribution consists of electric lines of force (11)
As shown in FIG. 2, the electromagnetic waves (21) in the corridor mode propagate in the direction of the arrow in the waveguide, as shown in FIG.

また、このような回廊モードの利用については、コレク
タの耐熱性の点を考慮するとコレクタの内径を大きくす
ることが必要となるが、コレクタの内径を広げることは
高周波伝送効率を下げる恐れがある。そこで、第3図に
例示したように、高周波回路の下流に放射器(31)お
よび反射板(32)からなるブラゾフ変換器を設け、こ
れにより回廊モードの高周波電力を電磁ビーム(33)
として放射し、ジャイロトロンの側部に設けたセラミッ
ク製出力用窓部を介しジャイロトロン外部へ出力する。
Furthermore, when using such a corridor mode, it is necessary to increase the inner diameter of the collector in consideration of its heat resistance, but increasing the inner diameter of the collector may reduce high frequency transmission efficiency. Therefore, as illustrated in Fig. 3, a Blazov converter consisting of a radiator (31) and a reflector (32) is installed downstream of the high-frequency circuit, thereby converting the high-frequency power in the corridor mode into an electromagnetic beam (33).
The gyrotron is emitted as an output signal and output to the outside of the gyrotron through a ceramic output window provided on the side of the gyrotron.

これによりコレクタ部と出力回路を分離することを可能
とし、コレクタの熱負荷の問題をも解決する。
This makes it possible to separate the collector section and the output circuit, and also solves the problem of heat load on the collector.

しかしながら、このように工夫されてきているものの、
従来の回廊モード用ブラゾフ変換器の場合には、第3図
に示したカット部(34)での回折効果が大きく、電磁
波の散乱が発生して高周波出力が低下することが避けら
れなかった。さらに構造上の非対称性のために、ジャイ
ロトロン外部へ高周波電力を放射したときに放射電力分
布が歪む可能性があり、この場合には反射板形状か複雑
となるという欠点もあった。
However, although efforts have been made in this way,
In the case of the conventional corridor mode Blazov transformer, the diffraction effect at the cut portion (34) shown in FIG. 3 is large, and scattering of electromagnetic waves inevitably occurs, resulting in a decrease in high frequency output. Furthermore, due to the asymmetry in the structure, there is a possibility that the radiated power distribution will be distorted when high-frequency power is radiated to the outside of the gyrotron, and in this case, there is also the disadvantage that the shape of the reflector becomes complicated.

この発明は、以上のような回廊モード利用のためのブラ
ゾフ変換器等の従来手段の欠点を解消し、高周波伝送特
性のすぐれたカラス型電磁界分布を有する電磁波ビーム
を出力させることのできる新しいジャイロトロンを提供
することを目的としている。
This invention solves the drawbacks of conventional means such as the Blazov transformer for utilizing the corridor mode as described above, and provides a new gyro capable of outputting an electromagnetic wave beam having a crow-shaped electromagnetic field distribution with excellent high frequency transmission characteristics. The purpose is to provide Tron.

(課題を解決するための手段) この発明は、上記の課題を解決するものとして、高周波
回路部の下流に回廊モードを軸対称円形モード(TEo
nモード)へ変換する中空形状のThunt型モード変
換器を設置して回廊モードの高周波出力を円形モードへ
変換し、さらにモード変換器の下流に面対称の円形モー
ド用電磁波放射器と反射板とを配置し、この反射板でビ
ーム電力分布を整形し、セラミック出力窓を介しジャイ
ロトロン外部へ対称性のよいガウス型ビームを出力させ
ることを特徴とするジャイロトロンを提供する。
(Means for Solving the Problems) The present invention solves the above problems by converting a corridor mode into an axisymmetric circular mode (TEo) downstream of a high frequency circuit section.
A hollow Thunt-type mode converter is installed to convert the high-frequency output of the corridor mode into a circular mode, and a plane-symmetric circular mode electromagnetic wave radiator and a reflector are installed downstream of the mode converter. The present invention provides a gyrotron characterized in that a Gaussian beam with good symmetry is outputted to the outside of the gyrotron through a ceramic output window by shaping the beam power distribution using the reflector plate.

この発明によれば、ジャイロトロンから大電力の高周波
電力を長距離伝送に適した対称性のよいガウス型電磁ビ
ームとして出力させることができる。
According to the present invention, high-power high-frequency power can be output from the gyrotron as a Gaussian electromagnetic beam with good symmetry suitable for long-distance transmission.

(実施例) 以下に添付した図面に沿ってさらに詳しくこの発明につ
いて説明する。
(Example) The present invention will be described in more detail below with reference to the attached drawings.

第4図は、この発明のジャイロトロンの一例を示した断
面模式図である。たとえばこの第4図に示したように、
この発明のジャイロトロンは、電子銃部(41)におい
て電子ビーム経路(42)に沿った中空ビームを発生し
、次第にその内径が縮小されるテーバ状の電子ビーム導
入部(43)、そのビーム下流に連続的に設けた共振全
創部<44)、回廊モードから円形軸対称モードに変換
するThunIl型モード変換器(45)、円形モード
の高周波電力を放射する放射器(46)−この放射器で
放射された高周波電力を反射及び整形させるための反射
板(47)を有している。また、このジャイロトロンは
、電子ビームを吸収するコレクタ部(48)、高周波出
力部(49)、セラミック製出力窓<50)、磁場発生
用超伝導コイルが収納されたクライオスタット(51)
を備えてもいる。放射器(46)で放射された電磁波ビ
ームは出力経路(52)に沿って出力される。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of the gyrotron of the present invention. For example, as shown in Figure 4,
The gyrotron of the present invention generates a hollow beam along an electron beam path (42) in an electron gun part (41), and a tapered electron beam introduction part (43) whose inner diameter is gradually reduced, and a downstream part of the beam. A resonant whole wound part <44) that was continuously provided in the It has a reflector plate (47) for reflecting and shaping the radiated high frequency power. This gyrotron also includes a collector section (48) that absorbs electron beams, a high-frequency output section (49), a ceramic output window <50), and a cryostat (51) that houses a superconducting coil for generating a magnetic field.
It also has the following. The electromagnetic wave beam emitted by the radiator (46) is output along an output path (52).

この装置においては、電子銃(41)を出た電子ビーム
は軸方向の強磁場でガイドされ電子ビーム導入部(43
)を経て共振空胴部(44)に入り、ここで電子ビーム
のエネルギーが電磁波のエネルギーに変換される。この
後電子はモード変換器(45>、放射器(46)中を通
過し、コレクタ部(48)に吸収される。共振空胴部(
44)で発生した回廊モードの大電力高周波は回廊モー
ドから円形軸対称のモード(TEon)へThull型
変換器(45)を用いてモード変換され、階段状(ブラ
ゾフ型)あるいは斜めに切断した放射器(46)で反射
板(47)に向は放射され、出力用セラミック窓(50
)を通してガウス型電磁波として外部へ出力される。
In this device, the electron beam exiting the electron gun (41) is guided by a strong magnetic field in the axial direction.
) and enters the resonant cavity (44), where the energy of the electron beam is converted into energy of electromagnetic waves. After this, the electrons pass through the mode converter (45>), the radiator (46), and are absorbed by the collector section (48).The resonant cavity section (
The high-power high-frequency waves in the corridor mode generated in 44) are mode-converted from the corridor mode to a circular axis-symmetric mode (TEon) using a Tull type converter (45), and are converted into stepped (Blasov type) or obliquely cut radiation. The radiation is emitted from the reflector (46) to the reflector (47), and the output ceramic window (50
) is output to the outside as a Gaussian electromagnetic wave.

第5図(a)(b)は、第4図に例示した階段状(ブラ
ゾフ型)放射器(46)および反射板(47)の構成例
を示したものである。この放射器(46)において円形
モードをガウス型の空間電磁波ビームへ変換する。
FIGS. 5(a) and 5(b) show examples of the structure of the stepped (Blasov type) radiator (46) and reflector (47) illustrated in FIG. 4. This radiator (46) converts the circular mode into a Gaussian spatial electromagnetic wave beam.

円形モードの電磁波は、この第5図に示したように、放
射器(46)から中心軸を波源として半円筒状に放射さ
れ、さらに反射板(47)によって伝送用電磁ビーム(
53)に変換される。ガウス型電磁ビームが得られる。
As shown in FIG. 5, the circular mode electromagnetic waves are radiated from the radiator (46) in a semi-cylindrical shape with the central axis as the wave source, and are further converted into a transmission electromagnetic beam (
53). A Gaussian electromagnetic beam is obtained.

(発明の効果) この発明によれば、以上詳しく説明した通り、ジャイロ
トロンの出力を、発振モードである回廊モードから回折
損失の少ない対称性のよいガウス型電磁ビームに効率よ
く変換することができる。
(Effects of the Invention) According to the present invention, as explained in detail above, the output of the gyrotron can be efficiently converted from the oscillation mode, which is the corridor mode, to a Gaussian electromagnetic beam with low diffraction loss and good symmetry. .

従って、電磁波放射および導波管伝送中に損失される高
次モードが制御され、エネルギー利用効率のよい高周波
システムを持つジャイロトロンを構成することができる
Therefore, higher-order modes lost during electromagnetic wave radiation and waveguide transmission are controlled, and a gyrotron having a high-frequency system with high energy utilization efficiency can be constructed.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、導波管内の回廊モードの電界分布を示した模
式図である。第2図(a)(b)は回廊モードの電磁波
の導波管内の進行を示した断面模式図である。第3図(
a)(b)は回廊モードを空間電磁ビームへ変換するブ
ラゾフ変換器を示した断面模式図である。第4図は、こ
の発明のジャイロトロンを例示した断面模式図である。 第5図(a)(b)は円形モードを空間電磁ビームへ変
換するこの発明に用いるブラゾフ変換器を例示した断面
模式図である。 11・・・電気力線 21・・・電磁波 31・・・放射器 32・・・反射板 33・・・電磁ビーム 34・・・カット部 41・・・電子銃部 42・・・電子ビーム 43・・・電子ビーム導入部 44・・・共振空胴部 45・・・円形モード生成用モード変換器46・・・放
射器 47・・・反射板 8・・・コレクタ部 9・・・高周波出力部 0・・・セララミック製出力窓 1・・・クライオスタット 2・・・電磁波ビーム経路 3・・・電磁ビーム
FIG. 1 is a schematic diagram showing the electric field distribution of the corridor mode within the waveguide. FIGS. 2(a) and 2(b) are schematic cross-sectional views showing the progression of electromagnetic waves in a corridor mode within a waveguide. Figure 3 (
Figures a and b are schematic cross-sectional views showing a Blazov transformer that converts a corridor mode into a spatial electromagnetic beam. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating the gyrotron of the present invention. FIGS. 5(a) and 5(b) are schematic cross-sectional views illustrating a Blazov transformer used in the present invention for converting a circular mode into a spatial electromagnetic beam. 11... Electric lines of force 21... Electromagnetic waves 31... Emitter 32... Reflector plate 33... Electromagnetic beam 34... Cutting section 41... Electron gun section 42... Electron beam 43 ...Electron beam introducing section 44...Resonance cavity section 45...Circular mode generation mode converter 46...Radiator 47...Reflector plate 8...Collector section 9...High frequency output Part 0... Ceramic output window 1... Cryostat 2... Electromagnetic wave beam path 3... Electromagnetic beam

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)電子銃部と、その下流に設けた電子ビーム導入部
および共振空胴部とを有する高周波回路部と、この高周
波回路部の下流に分離して設けたコレクタ部と、高周波
を通過させるセラミック製出力窓部とを備え、さらに、
高周波回路部より発生した高周波電力を円形モードへ変
換するモード変換器と、その下流において高周波電力を
前記出力窓部を介してジャイロトロン外部へ放射する放
射器と反射板を配設してなることを特徴とするモード変
換器内蔵型ジャイロトロン。
(1) A high frequency circuit section including an electron gun section, an electron beam introduction section and a resonant cavity provided downstream of the electron gun section, and a collector section provided separately downstream of the high frequency circuit section, through which high frequency waves are passed. Equipped with a ceramic output window section, and further,
A mode converter that converts the high frequency power generated from the high frequency circuit section into a circular mode, and a radiator and a reflector that radiate the high frequency power to the outside of the gyrotron through the output window section downstream of the mode converter. A gyrotron with a built-in mode converter.
JP13360890A 1990-05-23 1990-05-23 Gyrotron with built-in mode converter Pending JPH0428148A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7420295B2 (en) 2002-08-01 2008-09-02 Gs Yuasa Corporation Power unit for conveyance and conveyance provided with the power unit

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