JPH0437536B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の背景〕 進行波管（TWT）及びクライストロンなどの
在来のマイクロ波発生電子管は、電磁波支持構造
体の電場の軸方向成分と相互作用する電子ビーム
の軸方向移動に依存する。TWTにおいては電磁
波速度は電子速度に等しくなければならず、その
ため周期的な遅波回路が使用されなければならな
い。ミリメートル波などのような非常に高い周波
数のためには、回路の周期のピツチは非常に小さ
くなり、そのため製作困難であり、かつ低電力し
か処理できない。さらに回路の径は波長に比して
小さくなければならず、有用なフリンジング
（fringing）場がビームと相互作用し得るために
は、回路の径はビームに近接しなければならな
い。

高周波における高電力のための研究において、
数種の高速波管が提案され、そこでは滑らかな導
波管などの非周期回路が電子ビームの周期的変調
と相互作用するように用いられる。滑らかな中空
導波管においてはもちろん、電磁波の軸方向位相
速度は光の速度よりも常に大きく、そのためビー
ムの軸方向速度は電磁波と同期することができな
い。速度が光速と正確に等しいところの２つの導
電体ラインは、高速波回路として分類される。電
子は、電磁波と同期するために無限のエネルギを
有しなければならない。

最も首尾良い高速波管は、ジヤイロトロンであ
つた。そこではビーム中の電子は、軸方向磁場中
で螺旋回転するサイクロトロン運動が与えられ
る。電子は、遮断周波数又はその付近の電磁波を
支持する滑らかな導波管内の横方向電場と相互作
用することによつて、サイクロトロン軌道の或る
特定の位相へと集群する。ジヤイロトロンは、極
めて高い電力のための発振器として成功を収め
た。ジヤイロトロンはその帯域幅が固有的に小さ
く、そのため、通信などのための増幅器としては
それほど有用ではない。

横方向電場内の電子のサイクロトロン運動を使
用する他の電子管が、米国特許第3183399号に記
載されている。この特許は、1965年５月11日に
Richard H. Pantell（パンテル）に対して発行さ
れ、本出願の出願人に譲渡されたものである。パ
ンテルの管においては、方形の滑らかな導波管が
用いられ、直線に偏波したTE₀₁波を支持してい
る。パンテルは、電子の螺旋リボンへの軸方向集
群によるビーム変調を記載している。この電子の
集群は、無線周波電磁波モードの横方向磁力線を
電子サイクロトロン運動が切ることにより誘導さ
れる速度によつて生ずる。そういう集群は確かに
起こり得るけれども、パンテル管は恐らくわずか
な相対論的電子移動を利用したジヤイロトロン集
群をもつて動作すると思われる。かくしてパンテ
ル管は、初期のジヤイロトロンであり、非常に狭
い帯域幅を有した。同じくパンテルの米国特許第
3249792号は、上記電子管の変形例を記載してい
る。そこでは、中空導波管の代わりに２本のワイ
ヤの伝送線を使用している。電磁波速度は、全て
の周波数に対してちようど光の速度である。後者
のパンテル特許の第３図はオメガ−ベータ図であ
り、そこから同期的相互作用はごく制限された周
波数においてのみ生じることが明白である。本出
願は、米国特許第3249792号の電子管はよく機能
しないことを指摘する。

〔発明の概要〕 本発明の目的は、大電力出力、高周波及び広帯
域の動作が可能な電子ビーム管を提供することで
ある。

他の目的は、簡単に製作できる高速波回路を有
する電子管を提供することである。

他の目的は、回路及びビームの径が自由空間波
長の半分に比較できるくらいの大きさであるとこ
ろの電子管を提供する。

これらの目的は、電子のビームが軸方向に進行
しかつ軸方向磁場中のサイクロトロン回転による
螺旋径路に従うところの電子管によつて達成され
る。回路の電磁波は、偏波した横方向電場成分を
有する高速波であり、電子の螺旋運動と相互作用
する。帯域幅を得るために、電磁波の偏波が回路
距離に従い螺旋にされる。このことは、電子から
見た電磁波の見かけの周波数を変化させ、それに
より広範な周波数にわたつて定速電子ビームとの
同期が得られる。

〔好適実施例の説明〕

第１図は、前述の米国特許第3183399号からと
つた図である。第１図は、電子管の断面図であ
る。環状熱陰極３２から陽極３４によつて、電子
の中空ビームが引出される。陽極３４は環状の通
過孔を有して、ビームがそこを通過する。

環状通過孔を横切る半径方向磁場が存在して、
電子の横方向回転を生じさせる。その後ビーム
は、有用な周波数のために遮断されるのに十分な
程度に小さい入口トンネル３６を通過する。そし
てビームは、ビーム−電磁波相互作用回路である
方形導波管１０の部分を通過する。消費されたビ
ームは、導波管１０のオフセツト壁２０上に集電
される。入力信号波が導波管１２を通じて供給さ
れ、増幅された信号は出力導波管１４を通じて下
流端から取出される。

相互作用導波管１０に沿つた軸方向磁場が、包
囲ソレノイド磁石３８によつて発生される。

上述したように、パンテルの前記米国特許は、
電子の軸方向移動の集群によつて開始される電子
と波動との相互作用を開示している。電子の軸方
向移動は、無線周波電磁波の横方向磁力線を切る
電子サイクロトロン軌道によつて引き起こされ
る。このことは、電子を集群させ、軸の周りの螺
旋形状にリボンを形成する。螺旋のピツチは導波
管波長に等しい。リボンは全体として、サイクロ
トロン回転を有する。集群のために用いられる電
子に対する磁力は、当然に、無線周波電場の電子
に対する力よりもかなり弱い。最近の理論的分析
によれば、パンテルの電子管内の集群は、おそら
くサイクロトロン軌道内の位相集群であつただろ
うと示唆されている。そしてそれは、無線周波
「電場」の横方向成分によつてサイクロトロン軌
道中で加速又は減速されるときの、電子の相対論
的質量変化に依存する。そういうジヤイロトロン
集群が、文献「サイクロトロン共鳴装置」（R.S.
Symons及びH.R.Joryによる“Cyclotron
Resonance Devices”；Academic Press，Inc.の
“Advances in Electronics and Electron
Physics”第55巻）に記載されている。そこでは、
サイクロトロン軌道の位相において集群が形成
し、その回転エネルギーが、回転軸に横方向の無
線周波電場成分に分配される。

第２図は、パンテル管又は上記のジヤイロトロ
ンなどの滑らかな導波管を用いる高速波管の場合
の概略的な分散図である。周波数ωを縦軸にと
り、波数ｋを横軸にとつてある。波数ｋは非周期
回路のために用いられ、周期性回路に関しては等
価的軸方向伝搬定数βが通常用いられる。滑らか
な中空導波管に対する分散曲線４０は、双曲線で
あり、遮断周波数ω_cのところでｋ＝０の軸と交
わる。高周波になるにつれて、曲線４０は、真空
中の光速度に等しい傾斜を有する直線４２に漸近
的に近づく。直線４４は、軸方向に移動する電子
が体験する電磁波の周波数が軸方向集束用磁場内
のサイクロトロン周波数に等しい場合の軌跡であ
る。この周波数は、電子の軸方向速度に従うドツ
プラーシフトにより変換された電磁波周波数とみ
なすこともできる。直線４４の方程式は以下のよ
うになる。

ω−kv_b＝Ω ここでv_bはビームの軸方向ドリフト速度であ
り、Ωはサイクロトロン周波数である。直線４４
は、軸方向ドリフト速度v_bに等しい傾斜を有す
る。直線４４は、ｋ＝−Ω／v_bのときに零周波数
線に交わる。分散曲線４０と直線４４とが交わり
或いは少なくとも接近するところの周波数又はそ
の付近の周波数において、周期的ビームと導波管
内電磁波との同期的相互作用が起こる。この点に
おいては、ビームの軸方向速度で移動する電子か
ら見た無線波場がサイクロトロン周波数にちよう
ど等しくなる。このことが生じる最も広い周波数
帯域は、サイクロトロン周波数と軸方向ビーム速
度とを調節してビーム曲線４４を４６の点におい
て導波管曲線４０に接するようにすることによつ
て得られる。実際のジヤイロトロンにおいては、
点４７，４８に対応する周波数ω₁とω₂との間の
狭い範囲内において両曲線が接近している。かく
して、ジヤイロトロン、パンテル型の管は、狭い
動作周波数帯域を有する。

第３Ａ及び３Ｂ図は、本発明を実施した管の概
略断面図である。電子銃５０は、米国特許第
3258626号に記載されているものと同じである。
電子銃５０は、円錐形熱陰極５２及びそれを包囲
するテーパ付き導電性陽極５４から成る。陽極５
４は、電源５８によつて相対的正電位に支持され
る。電源５８の電圧は、真空エンベロープの一部
を形成する誘電シール６０の両側に表われる。電
子銃の全体が、比較的一定の軸方向磁場（図示せ
ず）中にある。陰極５２から外方へ引き出される
電子が、向磁力線を切り、それにより回転運動が
与えられる。これらの電子は、テーパ付陰極５２
とテーパ付陽極５４との間の電場の軸方向成分か
ら軸方向速度を獲得する。本発明において中実の
電子ビームを用いることができ、軸に対して横方
向の回転を電子に与えるための好適な磁石手段も
用いることができる。そういう手段が米国特許第
3398376号に開示されている。次にビーム５６は
主要管ボデー６１へと引かれる。ボデー６１は、
金属製構造物であり、本実施例では陽極５４の電
位に支持されている。ボデー６１の入口部分にお
いて、軸方向磁場強度を増大させて、電子の軸方
向速度を消費して横方向速度成分を増加させるこ
とができる。この型の管において、横方向エネル
ギは、出力マイクロ波エネルギの主要な源になつ
ている。横方向エネルギは他の方法で増大させる
ことができる。例えば、サイクロトロン波長に等
しい軸方向ピツチをもつて、方位角方向に回転す
る横方向磁場がある。この技術は、前掲のハーシ
ユフイールドの特許に記載されている。

次にビーム５６は、導波管部位６４に進入して
そこで電磁波と相互作用する。導波管６４は中空
円筒導体６２から成り、導体６２は軸に向けて突
出する１対の並置導電性リツジ６６を有する。リ
ツジ６６の軸に垂直な断面の形状は、通常のリツ
ジ導波管のものと同様である。しかしながら、以
下に述べるように、リツジ６６の目的及び特性は
通常のリツジ導波管のそれとは全く異なる。通常
のリツジ導波管の目的は、競合モード間の周波数
帯域を広げることである。

入力マイクロ波信号が、方形導波管７２から結
合絞り７０を通じて導波管６４の上流端へと導入
される。マイクロ波は、ビーム５６との相互作用
によつて導波管６４内で増幅され、下流端におい
て出力導波管７２によつて取出される。導波管窓
（図示せず）が、導波管７２の真空エンベロープ
端を気密する。ビーム５６は、電磁波を伝送させ
ないのに十分に小さい絞り６４を通過して、その
後中空コレクタ６８の内方表面上に集電される。

本発明の主要な革新点は、導波管６４が、従来
技術のような滑らかな高速波構造体ではなく、ま
た軸方向ビーム集群を伴う在来の進行波管のよう
な周期的負荷導波管遅波回路でもないからであ
る。導波管６４内のリツジ６６の向きは、軸方向
距離に従つて回転している。在来の一様リツジ導
波管におけるように、リツジは十分に厚く十分に
進出して、滑らかな円筒形導波管につきもののモ
ード縮退を取除く。リツジは、１つのリツジから
他へとわたる無線周波電場を有するモードに容量
性の負荷を与える。また、その遮断周波数を、リ
ツジの平面に垂直な電場を有する他の横方向モー
ドの周波数より低く、かつリツジのない導波管の
遮断周波数より低くしている。かくして、負荷モ
ードについての動作周波数においては、その横方
向モードはそれ自身の遮断周波数よりも低く、励
起されない。本発明の管においては、リツジは十
分に大きく、負荷モードのモードパターンをそこ
に支持し、全モードパターンを軸に沿つて前進さ
せながら回転させる。モードパターンとリツジと
の間の空間的関係は、変化しない。

リツジの軸方向ピツチは、モードパターンをそ
こに固定させるために重要である。ピツチは、モ
ードパターンの瞬時断面を保存するように導波管
波長の半分よりも長くすべきであり、また以後に
述べる利点をもたらすように導波管波長の絶対値
のオーダー程度であるべきである。さらに、軸方
向の半ピツチは２つのリツジの対向する先端の間
の距離よりも大きくすべきである。

本発明のいくつかの利点を第４図に示してあ
る。第４図は、第２図と同様な分散図であり、第
３図の導波管についてのものである。第２図の滑
らかな回路においては、導波管遮断周波数ω_cの
ところで、導波管波長は無限大になり波数は零に
なる。螺旋回路に対する第４図において、電子か
ら見た電磁波場に対する波数がプロツトされてい
る。これらは、相互作用について重要な値であ
る。遮断周波数ω_cのところで螺旋リツジに沿つ
て測定した導波管波長はまだ無限大である。しか
しながら、管を通過して進行する電子から見た横
方向場は、ねじれリツジの各ピツチの間に360度
又は２ラジアンだけ回転する。かくして電子は、
分散曲線１５０の中心がｋ＝2π／ｐへとずれた
ものに対応する周期的な場を体験する。ここにｐ
は、リツジのねじれのピツチである。この周期的
な場は、空間調波から成る。重要な空間調波は、
分散曲線１５２がｋ＝−2π／ｐに中心づけられ
るものである。この曲線１５２は、第２図の曲線
４０と同一形状であるが、左方へと変位してい
る。曲線１５２は、電子ビーム分散曲線１５４の
終端４６′により接近している。このことは、直
線１５４を導波管双曲線１５２へ接するようにす
るのに必要な高速ビームを意味する。重要な効果
は、双曲線１５２の急傾斜部分は源となる点ω_c
から離れ、傾斜の変化率はかなり小さくなつてい
ることである。かくして、２曲線が非常に接近し
た範囲は、ω₃からω₄への広がつた周波数範囲と
なつている。管の帯域幅は、著しく広げられる。

第５Ａ及び５Ｂ図は、本発明の変形実施例であ
り、導波管は相互に絶縁された２重螺旋導体から
成つている。この管において、２つの螺旋は、ど
の断面をとつても逆位相の電流を有するように接
続される。モードパターンは、第３Ａ及び３Ｂ図
のリツジ導波管のものと本質的に同一である。２
重螺旋は、帯域通過回路ではないが、零周波数ま
で通過させる。故に、極めて広い帯域幅の可能性
を有する。しかしながら、絶縁した導体からの熱
の除去が困難であり、この回路が処理できる電力
はリツジ導波管に比して制限される。

２重螺旋は、Ｏ−型進行波管で用いられてき
た。そこでは、無線周波場の軸方向成分が有用で
あり、螺旋のピツチは径に比して小さい。本発明
においては、横方向電場が有用であり、ピツチｐ
は少なくとも、径Ｄに比較できるくらいである。

第６Ａ図及び６Ｂ図はそれぞれ、本発明に利用
できる他の高速波回路の側面図及び端面図であ
る。この導波管は、軸線１６２のまわりの螺旋へ
とねじれた在来の方形導波管１６０である。電子
ビーム１６４は、図のような中実ペンシル型ビー
ムであつて良く、或いは第３Ａ図及び３Ｂ図に示
すような中空ビームであつても良い。第６Ａ及び
６Ｂ図の構造は、極めて高い電力を処理する能力
を有する。この導波管は、第３図のリツジ導波管
よりも大きいビームとも利用できる。何故なら
ば、本質的に一様な電場の面積が大きいからであ
る。

円筒形又は方形の単一リツジ導波管、２重リツ
ジ方形導波管などの他の型の螺旋導波管も、もち
ろん用いることができる。

しかしながら、上述の何れの回路においても、
本発明の重要な利点は、在来の進行波管に用いら
れる周期回路のフリンジング（fringing）場では
なく電磁波の主要な横方向電場を利用することで
ある。フリンジング場は周期回路からの距離に従
つて指数的に減少し、それにより回路は波長に比
較して極めて小さくなければならず、ビームは回
路に極めて接近しなければならない。他方、本発
明においては、回路断面は波長に匹敵できる大き
さにすることができ、ビームは回路断面の大部分
にわたりほとんど完全な場を体験する。

前述の実施例は、例示的なものであつて限定的
なものではない。当業者にとつては他の多くの実
施例が可能であることが明白であろう。例えば、
導波管形状は滑らかに連続的に回転しないで段階
的に回転しても良い。或いは、容量性又は誘導性
のポスト又は羽根などのような、導波管内の不連
続的電磁波負荷物を順次的回転位置に設置しても
良い。本発明は、特許請求の範囲及びその法的等
価物によつてのみ限定される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来技術サイクロトロン相互作用管
の概略的軸方向断面図である。第２図は、第１図
の従来管の概略的オメガ−ベータ図である。第３
Ａ図は、本発明を実施した管の概略的軸方向断面
図である。第３Ｂ図は、第３Ａ図の管の軸線に垂
直な断面図である。第４図は、第２図の管の概略
的オメガ−ベータ図である。第５Ａ図は、本発明
に利用可能な変形的高速波回路の概略的側面図で
ある。第５Ｂ図は、第５Ａ図の回路の断面図であ
る。第６Ａ図は、他の高速波回路の側面図であ
る。第６Ｂ図は、第６Ａ図の回路の軸線に垂直な
断面である。 〔主要符号の説明〕、５０……電子銃、５２…
…熱陰極、５４……陽極、５６……ビーム、５８
……電源、６０……誘電シール、６１……主要管
ボデー、６２……中空円筒導体、６４……導波管
部位、６６……リツジ、６７……絞り、６８……
コレクタ、７０……結合絞り、７２……導波管、
４６′……終端、１５０……分散曲線、１５２…
…分散曲線、１５４……ビーム分散曲線、１６０
……方形導波管、１６２……軸線、１６４……電
子ビーム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電子管であつて、 ａ） 軸線に沿つた速度成分と前記軸線に対して
   横方向の速度成分を有する電子のビームを発生
   するための銃手段、 ｂ） 前記電子の前記横方向速度とのエネルギ交
   換関係をもつて、前記軸線の方向に電磁波を伝
   搬させるための、導波管手段、 ｃ） 前記軸線に平行な磁場を発生するための手
   段、 ｄ） 前記ビームが前記導波管手段から離れた後
   に、前記電子を集電するための手段、並びに ｅ） 前記導波管手段から電磁波エネルギを取出
   すための手段、 とから成り、前記導波管手段の前記軸線に垂直な
   断面形状が前記軸線に沿つて回転変化し、前記断
   面形状の回転が、導波管波長の半分よりも大きい
   ピツチを有するところの電子管。 ２ 前記断面形状が軸線方向に沿つた１つ以上の
   部分で半径方向の摂動を有するところの請求項１
   記載の電子管。 ３ 前記断面形状の前記摂動が少なくとも１つの
   内側に突出した導電性リツジを有するところの請
   求項２記載の電子管。 ４ 前記突出したリツジのピツチの1/2の大きさ
   が、前記導電性リツジの相対するエツジ間の距離
   よりも大きいところの請求項３記載の電子管。