JPH0628982A - マイクロ波管用のモード変換器及び電力スプリッタ - Google Patents

マイクロ波管用のモード変換器及び電力スプリッタ

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JPH0628982A
JPH0628982A JP4023882A JP2388292A JPH0628982A JP H0628982 A JPH0628982 A JP H0628982A JP 4023882 A JP4023882 A JP 4023882A JP 2388292 A JP2388292 A JP 2388292A JP H0628982 A JPH0628982 A JP H0628982A
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microwave
cavity
tube
mode
power splitter
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JP4023882A
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Georges Mourier
ジョルジュ、ムリエ
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Thales Electron Devices SA
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Thomson Tubes Electroniques
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • 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
    • H01J25/025—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 with an electron stream following a helical path

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高い周波数での損失が小さく製造容易な電子
管用のモード変換器及び電力スプリッタ装置を提供す
る。 【構成】 これらの管は中心線の周りの回転体の形状の
キャビティ２と、同じ中心線に沿って伝搬する中空の電
子ビーム１とを有する。本発明に従うこの装置は出口キ
ャビティで同じ中心線の周りでアジマス状に対称的な２
次導波管６を有する構造体であり、各導波管６は（中心
から最も遠い）外壁上に結合開口部７を有し、これらの
開口部７は導波管内で所定のモードを励起するために配
置されている。本発明の１つの重要な実施例は電子管が
高いアジマス指標ｍを有するＴＥmnモード及び２次導波
管の数ｌ＝ｍで作動することである。本発明の他の重要
な実施例は２次導波管６が断面において台形であること
である。本発明の他の重要な実施例は２次導波管６が基
本的なモードで励起されることである。本発明の他の実
施例は２次導波管が電子管の外側に個々のマイクロ波ウ
ィンドウ５８を有し得ることである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はジャイロトロンタイプの
マイクロ波管に組み入れられるモードコンバータに係
り、モードコンバータは管から放射されるマイクロ波電
力をいくつかの部分に分割し、それ故、その構造は使用
する前に電力を分割しなければならない場合に適用する
のに特に適している。
【０００２】
【従来の技術】２つの典型的な適用例は粒子加速器及び
熱核融合である。両方の場合において、非常に高い電力
（例えば１から数メガワット）のマイクロ波エネルギー
源が使用されるが電力は「グリル」として知られるフィ
ーダ／スプリッタによって広い領域にわたって拡散され
る。これは連続的な分岐を介していくつかの伝達ライン
にわたって電力を拡散する。
【０００３】本発明は１から数十ＧＨｚの周波数帯域で
特に有利である。１ミリメータまたはそれ以下のオーダ
の波長を有する高い周波数が電子サイクロトロン共振に
よって熱核プラズマを加熱するために必要とされる。こ
れらの周波数で導波管及び共振空洞の壁上の抵抗のロス
及びマイクロ波ウィンドウを介してマイクロ波エネルギ
ーを伝達する際の問題は技術を選択する場合の決定要素
である。
【０００４】しかしながら、（１から数十ＧＨｚの）低
い周波数がイオン共振または低いハイブリッド共振によ
ってプラズマを加熱するために必要である。これらの周
波数でクライストロンから得られた最大の電力は帯域の
下端で概算で１ＭＷを越えず数ＧＨｚ以上の周波数で１
００ｋＷにまで低下し得る。その結果多数のクライスト
ロンが数ＭＷを得るために必要とされ、これは非常に高
価である。したがって、高周波でジャイロトロンから得
られる最大電力が１０から１００の係数の先行技術のク
ライストロンから得られる電力より典型的に高いのでマ
イクロ波発生器としてジャイロトロンを使用する可能性
が考慮されている。
【０００５】しかしながら、ジャイロトロンは基本的に
このような低い周波数（１から数十ＧＨｚ）で作動する
ようには設計されていない。このような低い周波数のジ
ャイロトロンを設計する場合に伴う技術的な問題は数十
から数百ＧＨｚの周波数で動作するジャイロトロンにお
いて遭遇する問題とかなり異なっている。
【０００６】特に、電子コレクタは製造が困難であり、
高電力を消費するために容積が大きい。例えば、５０％
の効率を有する３ＭＷのジャイロトロンはコレクタ壁上
で３ＭＷを浪費する必要がある。これは高圧でくみ出さ
れる大きな量を必要とする早い流速の水が通常供給され
る大きな冷却容積を必要とする。これはかさばり、しか
も煩わしい配管を有する装置を必要とする。
【０００７】マイクロ波電力はマイクロ波ウィンドウを
介して（コレクタに近い）同じ領域に引き出され、ウィ
ンドウは密封溶接されているが、動作周波数での電磁放
射を透過する。これらの高い電力ではウィンドウを冷却
しなければならない。
【０００８】従来技術においてジャイロトロン電力をウ
ィンドウの下流で何度か分割し、ウィンドウから始まる
ツリー状に配置された適当な数の導波管を通して分配す
る（図６参照）。
【０００９】したがって、例えば従来技術に従い数ＧＨ
ｚで数ＭＷを発生するジャイロトロンはジャイロトロン
電子コレクタに接近した同じ領域内のすべてにわたって
繁雑な冷却水配管装置及びマイクロ波電力を伝達するた
めの多数の導波管を必要とする。出力導波管及びコレク
タの構成は高電力ジャイロトロンにおいて常に大きな問
題である。
【００１０】同様に、マイクロ波ウィンドウはウィンド
ウ材料内の誘電損失によって生じるウィンドウの加熱及
びウィンドウの熱拡張によって生じる機械的な応力によ
って、電力が増加するごとに増加する問題を提起する。
【００１１】１９９１年４月２５日に本出願人の名前に
おいて出願された米国特許出願第６９２４４８号に示さ
れる従来技術において知られた１つの解決法はジャイロ
トロン空洞に接続された導波管の側壁の外側にいくつか
の導波管を接続することである。この構造において２次
導波管は主導波管壁の外側に隣接し、結合開口部によっ
て主導波管の外側に結合される。穴の寸法と間隔、導波
管及び結合領域の大きさはソースモード（典型的にはジ
ャイロトロンは高いオーダのモードを有する）からやや
低いオーダ（すなわち基本的なオーダ）の所望のオーダ
に変換し、エネルギーの伝搬と最終的な使用を容易にす
る。この構造の１つの利点は発生源からの電力が個々に
マイクロ波ウィンドウを有するいくつかの２次導波管に
わたって分配されることである。これらのウィンドウを
通る電力はウィンドウの数に等しい係数によって減少さ
れる。２次導波管は所望のモードでマイクロ波エネルギ
ーを伝搬することのできる他の導波管に接続され、マイ
クロ波負荷（例えば粒子加速器）に接続され得る。
【００１２】電磁界と電子管出力キャビティ（ジャイロ
トロン内のキャビティ(cavity)のみまたはジャイロクラ
イストロン内のまたはいくつかのキャビティを有する他
の装置の最後のキャビティ）との間の相互作用の研究は
ビームの領域の高電界と組み合わされ、キャビティ壁
（２）に近いキャビティの直径（図１）よりわずかに小
さい直径の中空の電子ビーム（１）を使用することが都
合がよいことを示す。これはキャビティ内の過度の高電
磁エネルギービームを避けながらビームと電界とが相互
作用する効率を最適化する。
【００１３】したがって、１つの目的は電界内にストア
されたエネルギーが壁に接近して配置されるようなモー
ドでマイクロ波発生器の発振を励起することである。当
業者はこれらのモードを通常「ウィスパリングギャラリ
ーモード（Whispering Gallery Modes）」と称する。
【００１４】図２は、エネルギーを壁に接近させて集中
させまた瞬間的な電界を示す ＴＥ9,1 の例を示す。図示したこのモードは電力ジャイ
ロトロン内で有効に使用される。キャビティの中心及び
図２内に点線によって示すシリンダ（４）の内側で電界
が非常に弱くすなわち０であることを示す。それ故包囲
する電磁界と過度に干渉せずにこの空間内に同軸的に１
つの中央導波管を配置することが可能になる。この構成
は C. MOELLER の米国特許第４５２３１２７号に示され
ており、管からのマイクロ波のエネルギー（サイクロト
ロン共振メーザ）が同軸の導波管壁の多数の小さな誘電
体のウィンドウを介して１つの出口導波管に結合される
ことを可能にする。この解決法は数十または数百ＧＨｚ
までの周波数で管が作動するために十分なように設計さ
れているが、すべての場合に、特に、本発明によってカ
バーされるような場合には最適ではない。
【００１５】これはつぎのような事実による。すなわ
ち、約数十ＧＨｚ以下の周波数で、電磁界はより弱く、
広い範囲にわたって実質的に均一である。その結果、壁
内で誘導される高周波電流による損失は低い。次に、図
４の本発明の実施例に示すように出口キャビティの中央
に一組のいくつかの導波管を配置することが可能とな
る。本発明は米国特許第４５２３１２７号に述べられて
いるような先行技術に比較していくつかの利点を提供す
る。先行技術によれば同軸的な導波管壁内に作られたチ
ャンネルの内側を流れる液体またはガスによって冷却さ
れる多数の小さな誘電体の窓が必要である。この装置は
疑いもなく製造が比較的困難である。
【００１６】（誘電体のウィンドウによって閉じられ
た）結合開口部の数、構成及び寸法はモードの変化を避
けるように設計されており、出口導波管内のマイクロ波
電力は冷却回路によって消散されるいかなる損失（金属
壁内の電流、誘電体の損失）よりも小さいソース内の電
力に等しい。
【００１７】本発明によれば、図４に示す実施例におい
て、高周波の損失は上述した理由によって低い（また、
図４は２次導波管６が弱い領域内にあることを明瞭に示
している）。これは製造を容易にする。
【００１８】２次導波管６の結合開口部上にウィンドウ
はなく、したがって、電子管の内側で冷却は行われな
い。結合開口部７の数、構成及び寸法は多数の利点を提
供するために２次導波管６内の基本的なモードを励起す
ために選択される。基本的なモードで励起される２次導
波管は可変部分を有し、及び／または望ましくないモー
ドを発生することなく湾曲され得る。それらは従来の整
合技術を使用してマイクロ波ウィンドウに嵌合され、そ
れらが電子管の外側からさらに容易に接近可能であると
いう事実によって、もし必要ならばそれらを容易に冷却
し得る。
【００１９】電子管によって発生したマイクロ波電力Ｐ
がｌ個のウィンドウを介して２次導波管（例えば、ｌ個
の導波管）によって搬送されるという事実は各ウィンド
ウを通る平均電力がＰ／ｌであることを意味する。
【００２０】したがって、マイクロ波のエネルギーを伝
達する際の誘電体の損失による各ウィンドウの加熱は１
つのウィンドウを有する場合より小さく、これらのウィ
ンドウはより小さく電子管からある距離を置いた周縁の
周りにあり、容易に接近可能なのでこれらのウィンドウ
は容易に冷却され得る。
【００２１】さらに、トカマク式の熱核融合反応炉のプ
ラズマ加熱装置に使用するためにマイクロ波エネルギー
を基本的なモードでプラズマに伝達しなければならな
い。本発明はソースでモードが変換されるのを可能と
し、したがって、先行技術によって必要とされる導波管
内のモード変換器の必要性を回避し得る。
【００２２】また、同様のプラズマ加熱に適用するため
に、一連の枝の下流で複雑性の程度が変化する「グリ
ル」によって（図６参照）プラズマに適用する前に電力
を分配しなければならない。本発明においてこの構造は
マイクロ波電力源がいくつかの２次導波管中にすでに分
配されていることを保証する。事実、各２次導波管はト
カマク式の回路を励起するために再び分割されなけらば
ならないが本発明は従来技術よりも必要とするスプリッ
タが少ない。
【００２３】さらに、本発明に従う装置において電力が
分割された状態は２次導波管が容易に励起され、可干渉
的に提供され、使用する形状が完全に対称的なので特に
好ましい（図４参照）。この最初の配分（配電）におい
てソースと２次導波管を整合させる場合に問題はない
が、先行技術においては整合と２次導波管のコヒーレン
トな励起は大きな技術上の問題を提起していた。
【００２４】
【課題を解決するための手段】本発明はそれ故マイクロ
波管用のモード変換器及び電力スプリッタ装置であっ
て、マイクロ波管は出力キャビティとして知られている
少なくとも１つのキャビティを有し、電子ビームによっ
て発生したマイクロ波エネルギーの引き出しを可能に
し、このキャビティは長手方向の中心線ｚの周りでの回
転形状であり、前記電子ビームはこの中心線ｚに少なく
とも略平行に伝搬し、前記装置は中心線ｚ′の周りに対
称的に配置されたいくつかの２次導波管を有し、前記中
心線ｚ′が前記中心線ｚに一致するように前記出口キャ
ビティ内に配置されている構造体であり、前記２次導波
管は中心線ｚ′に平行な長さの一部分にわたる結合開口
部を有し、この長さと開口部の数、間隔及び寸法は前記
２次導波管内に必要な伝搬モードを励起するために選択
される。２次導波管の寸法及び配置はそれらがこのビー
ムの伝搬に対して障害を与えないように電子ビームの寸
法及び配置に整合するように設計されている。
【００２５】本発明は、また上述したようなモード変換
器及び電力分割装置を含む電子管である。
【００２６】本発明の好ましい実施例において、前記電
子管はジャイロトロンタイプのものであり、他の重要な
実施例において、前記管はジャイロトロンタイプの変形
例（ジャイロクライストロン、ジャイロＴＷＴ、サイク
ロトロン- 共振メーザジャイロ- ＢＷＯ等）である。
【００２７】本発明の他の重要な実施例は前記電子ビー
ムが中空の形状、あるいは前記中心線ｚの周りを回転す
る形状である。他の実施例は前記構造体が前記中空ビー
ムの内部に配置されそれと同軸のいくつかの二次導波管
を有することである。
【００２８】本発明の他の重要な実施例は前記電子管が
１（ｕｎｉｔｙ）よりかなり大きなアジマス指標を有す
るＴＥmnモードで動作し、ｍ個の２次導波管があること
である。他の実施例では２ｍ個の２次導波管がある。通
常の実施例は２次導波管の数字ｌはｌ＝２ｍ／ｉであ
り、ここでｉは０でない整数である。
【００２９】本発明の他の重要な実施例は結合開口部が
２次導波管内に基本的なモードの励起だけを生じるよう
に設計されている。
【００３０】
【実施例】以下に本発明の一実施例を図面を参照して詳
細に説明する。これらの図面は本発明の実施例の非制限
的な例であり、そこにおいて同じ番号はすべての図面上
で同じ構成要素を示す。当業者は本発明の他の実施例ま
たはこれらの例に基づいた主な特徴を見つけ出し得る。
【００３１】図１は、電子管の中心線に垂直な断面図で
あり、電子ビーム１が内部を伝搬する出口キャビティ壁
２を示す。キャビティは断面において半径ａの円形であ
り、電子ビームはａより小さい半径ｂの断面を有する円
形である。例えば電子管はジャイロトロンであり、その
場合キャビティが１つだけある。しかしながら、またこ
のキャビティは、例えばジャイロクライストロンのよう
なマルチキャビティ管内の最後のキャビティであっても
よい。ジャイロトロンの場合、電子ビームｌは中空であ
り、壁２に接近して管の長手方向の中心線に平行に伝搬
する。ビーム上の断面は無数の小さな円を示し、磁力線
を閉じ込めてひとまわりする各電子のサイクロトロンの
軌道を示している。図２は、図１に示す空洞の内側に励
起するＴＥ9,1 モードの力の電気力線を示す。ジャイロ
トロンは高いオーダの発振モードでマイクロ波電磁エネ
ルギーを発生させる。経験によって確証されたコンピュ
ータの計算は電子ビームｌと電磁界との間の相互作用が
磁界の強さとビームの密度とがキャビティ壁に接近した
同じ領域内に集中している時に最適化されることを示
す。この理由のために、目的は図２に示すようなユニッ
ト (unit) 半径モード数を有するモードを励起すること
である。
【００３２】図２は、ＴＥ9,1 モードの力線がキャビテ
ィの奥まで貫通していないことを示す。したがって、こ
の電磁界及びビームの形状によって管の内側に、電磁界
に過度に干渉せずに半径ｃを有する円４によって示す領
域に金属部品をつけ加えることが可能になる。この着目
は本発明の基礎である。この部品のアジマス対称は電磁
界（電磁界のアジマス指標と同一かその一定倍である）
のアジマス対称とうまが合うものでなければならない。
また、それは管の長手の中心腺と同じにかつ管と同軸に
注意深く配置されなければならない。
【００３３】図３及び詳細な図面図４は（米国特許第４
５３２１２７号の）先行技術において公知の形状におけ
るジャイロトロンタイプの電子管からマイクロ波電力を
引き出すために設計された同軸のマイクロ波ウィンドウ
形状を示す。半径ａの円形壁２の内側に例えばそれはジ
ャイロトロンキャビティであるが断面が円形で内径がｒ
及び外形がｄしたがってその厚さが（ｄ−ｒ）の金属部
分１３が配置されている。部分１３は壁２と同軸であ
る。部分１３は開口部２４に接続されかつ誘電体ウィン
ドウ３０によって密封された多数のスロット３４を有す
る。これらのウィンドウ３０は冷却液体またはガスが流
れるチャンネル２６によって冷却される。本発明によれ
ばこの構造によって壁２と部分１３の外面との間の環状
空間１７内の電磁エネルギーがモード変換を生じること
なく部分１３の内側の空間１５に結合されることが可能
になる。この構造はジャイロトロンによって発生したエ
ネルギーを誘電体ウィンドウ３０を介して引き出すこと
を可能にし、このウィンドウは管の内側の空間１７及び
出口導波管内の空間１５の間の密封を形成する。空間１
７は管を操作するために必要な高い真空に保持され、導
波管出口の空間１５は圧縮不活性ガス、空気等で充填さ
れる。
【００３４】図５は、本モード変換器及び電力スプリッ
タの発明に従った装置の長手方向の中心線に垂直な断面
を示す。構造体５は半径ｅの断面が円形であり、電子ビ
ーム１及びキャビティ壁２に同軸に配置されている。図
５の電気力線と図２の妨げられない力線との比較はキャ
ビティへの構造体５の導入が最小の摂動のみを導き、そ
の摂動は電子ビームが通過する領域内には実質的には存
在しないものであることを示す。構造体５は断面が台形
のｌ個の２次導波管６を有する。これらの２次導波管６
は金属壁８によって分割されており、金属壁８は断面が
台形であり、数はｌ個である。当業者はこの代表的な例
から２次導波管、壁及び構造体のための特別な形状を容
易に想像し得る。
【００３５】ｌ個の２次導波管６は、構造体５の外壁に
作られかつ出口キャビティ壁の内面２に向かい合ってい
る結合穴７を介して出口キャビティ内の電磁エネルギー
に結合されている。これらの穴を介する電磁結合によっ
てマイクロ波電力Ｂがキャビティからｌ個の２次導波管
６に伝達され、それ故各々はＰ／ｌを伝搬する。図５の
例においてジャイロトロン発振モードはＴＥ9,1 であ
り、２次導波管の数はｌ＝９である。したがって、２次
導波管は位相すなわち可干渉的に励起される。結合開口
部の形状、数及び位置は２次導波管６内の基本的なモー
ドＴＥ0,1 を励起するために選択される。当業者によく
知られた開口部マイクロ波カプラーのために従来技術に
よって使用される方法は有効なままである。２次導波管
は基本的なモードで励起されるから、それらの部分は望
ましくないモードに変えられる危険性なしに容易に変更
され、当業者は従来の方法を使用して矩形の導波管を２
次導波管に整合する方法を知っている。
【００３６】通常、アジマス指標ｍの２倍が導波管の数
の一定倍数１：２ｍ＝ｉｌであり、ここでｉは０以上の
整数であるｌ個の２次導波管を使用してモードＴＥmnを
変換することによって満足のいく結果を得ることができ
る。図示したように本実施例ではｍ＝ｌの最も簡単な場
合を選択する。
【００３７】変換される発振モードのオーダがｍ＝ｌ のアジマス対称においては電力がｌ個の２次導波管の間
で同じように分配されることを意味する。出口キャビテ
ィ内のマイクロ波周波数Ｐはｌ個の２次導波管内で完全
に復元され、導波管は次の条件を満足する。：抵抗また
は他の損失が無視できる、円形のキャビティを通り及び
ｌ個の２次導波管内を伝搬する２つのモードの位相速度
は開口部の変形を許容するために等しい、開口部によっ
て覆われる長さＬは開口部及び単位長当りの開口部の数
によってもたらされる結合効果と整合させるために選択
される。開口寸法及び結合長さＬを選択すためにいくつ
かの基準が使用される。実際には、穴内の電界の強度に
関して特別の取り扱いが行われる。これらはアークをも
たらすので長い距離に広がる多数の小さな開口を使用す
ることによって避けなければならない。
【００３８】図６は、本発明に従うモード変換器及び電
力スプリッタを有するジャイロトロンの長手方向の断面
図である。長手方向の切断線に垂直な断面例えば平面
Ａ，Ｂは例えば図５を与える。このジャイロトロンは図
上に点線で示すように回転軸線に関して対称的である。
重い電子の流れがカソード５１の放射表面５２で発生
し、静電力によって加速される。
【００３９】キャビティ内の電子ビームの空間チャージ
による発散はコイル（図示せず）を通過した電流によっ
て発生する軸線方向の磁界（図示せず）を加えることに
よって回避され、コイルは超伝導体であってもよい。高
い加速電圧が絶縁体５９によって互いに電気的に絶縁さ
れた電子銃電極（カソード５１及びその支持体／アノー
ド５０）を横切って加えられる。電子は電磁石によって
発生した電気力線の周りの相対論的なサイクロトロン通
路に従う。
【００４０】電子のアジマス運動エネルギーとマイクロ
波エネルギーがキャビティ５５内で相互に作用し合う。
この結合に続いて電子がコレクタ５７の壁に引き付けら
れる。そこでこれらの壁との衝突で残存エネルギーが冷
却回路（図示せず）によって奪われる熱に変換される。
キャビティ５５内で発生したマイクロ波エネルギーは結
合穴７を介して２次導波管６に伝達され、結合穴７は上
述した基準によって決定された長さＬにわたって伸びて
いる。
【００４１】本発明の実施例のこの例において各２次導
波管はジャイロトロンの真空室の外側にマイクロ波ウィ
ンドウ５８を有する。これは複数のウィンドウが小さく
各々に伝達される電力が低い（Ｐ／ｌ）から、１つのマ
イクロ波出力ウィンドウを有する従来の解決法よりウィ
ンドウを冷却しやすくする。またこれらのウィンドウが
ジャイロトロン自身から離れており、周縁の周りに拡散
しているために冷却装置を取り付けやすい。
【００４２】ウィンドウ５８は通常セラミック製であ
り、真空を保護するために密封溶接しなければならない
がマイクロ波エネルギーは透過することができる。この
マイクロ波エネルギーは例えばトカマク炉のマイクロ波
負荷（図示せず）に供給される。
【００４３】図に示すように、また簡単に上述したよう
にガンからの電子はジャイロトロンに沿ってコレクタに
伝搬され、ビームがＨＦ電磁界と反応する領域内の長手
方向の中心線に実質的に平行である。しかしながら、通
常電子の軌道はコレクタ５７内で散開し、できるだけ均
一に（コレクタ壁上に衝突する非ゼロのエネルギーを有
する電子によって）熱の発散を分布させる。本発明に従
うこの構成の他の利点は変換器モードのフィルタ効果に
ある。通常、負荷によって反射された波は基本的なモー
ドＴＥ0,1 のみが２次導波管内で励起され得るので、ウ
ィンドウまたはジャイロトロン出口のキャビティに決し
て到達しない。
【００４４】さらに基本的な伝搬モードは伝搬通路内の
形状の変化に比較的敏感でないのでこれによってマイク
ロ波エネルギーを望まないモードに変換する危険なしに
マイクロ波エネルギーを伝搬することを容易にする。こ
れはジャイロトロンが垂直方向に作動するが数十メート
ルだけ負荷から水平方向に離れている場合に実際のジャ
イロトロンの設置において特に有効である。ジャイロト
ロンからある距離をおいてジャイロトロンの出口を負荷
に接続する導波管はそれ故通常エルボを有する。しかし
ながら、導波管は多数の異なった多かれ少なかれ複合し
たモードでマイクロ波エネルギーを伝搬し、エルボは大
きな寸法の導波管によって伝搬されたモードを望まない
モードに容易に変換し得るので、利用するため概して大
きな寸法であるエルボを従来の導波管に導入すると扱い
にくい。これを避けるために先行技術の製品において非
常に大きな曲率半径のエルボが使用され、これが装置の
容積をかなり大きくしている。本発明で述べた装置にお
いてマイクロ波電力がマイクロ波源を出るとすぐに基本
的なモードになり、上記したすべての問題が解消され
る。
【００４５】図７は、先行技術に従った電力配分器の例
を示し、電力配分器はトカマク式の熱核融合のためのプ
ラズマ加熱のために適用される。マイクロ波源によって
発生したマイクロ波電力は従来の誘電体ウィンドウ３９
を介して入力部４０に供給される。スプリッタ４１はい
くつかの導波管間に電力を配分する。符号４３の位相修
正の前に種々の導波管内の電力を測定するためにカプラ
ー４２が使用される。複数の２次導波管がベロー４７を
有するフランジ４６によって図８に示すグリットに接続
されている。導波管は厚いセラミック製のウィンドウ４
４によってグリット６Ａのすぐ上流で閉鎖されており、
その正確な形状は与えられた適用内における負荷の形状
による。ウィンドウ３９及び４４は配分器を密封溶接
し、配分器は真空の下あるいは圧縮ガスで充填して配置
される。
【００４６】図６のスプリッタはマイクロ波入り口４０
に供給される４つの独立した２００ｋＷのマイクロ波源
（実際はクライストロン）で作動するようになってい
る。４つのクライストロンは（１つのマイクロ波出口を
備えた）従来の８００ｋＷのジャイロトロン及び４つの
出口の電力スプリッタによって置換可能である。本発明
に従ったモード変換器／電力スプリッタを有するさらに
強力なジャイロトロンによれば、マイクロ波電力を中間
の電力分割段階を経ないで図７に示すいくつかのスプリ
ッタに供給し得る。
【００４７】
【発明の効果】本発明に従ったモード変換器及び電力ス
プリッタはジャイロトロンまたは他の高い電力のマイク
ロ波源の出口空洞内に組み入れられたときに利益を提供
する。２次導波管の数に比例した比によって誘電体のウ
ィンドウ上の熱応力が減少されるから、それは多数の利
益を提供する。これらのウィンドウはコレクタからある
距離をおいた場所にあり、電磁石を包囲しているから、
必要とされる冷却装置は機械的により単純なものであ
る。また、マイクロ波電力の伝達は、基本的なモードに
おいてそれがエルボを含む導波管を介して、必要ならば
その導波管は望ましくないモードを発生することなしに
部分的に断熱的な変化を介して供給されることを意味す
るからより容易である。さらにエネルギーが負荷（すな
わちプラズマ）に供給される前にエネルギーを所定の空
間に拡散しなければならないプラズマ加熱のような適用
において本発明に従う装置は少なくとも１つのスプリッ
タ段を無くす一方、それと同時にすべての２次導波管が
同位相で確実に励起されることを保証する。これらの技
術的な利益はプラズマを加熱するためのマイクロ波装置
の製造において著しい経済性をもたらし、最適の効率を
得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ジャイロトロンキャビティの内側の中空の電子
ビームの長手方向の中心線に垂直な断面図である。
【図２】ＴＥ9,1 伝搬モード用の電気力線を示す断面図
である。
【図３】従来技術に従ったマイクロ波ウィンドウの長手
の中心線に垂直な断面図である。
【図４】図３の３Ａ部分を拡大した断面図である。
【図５】本発明に従ったモード変換器及び電力スプリッ
タの例を概略的に表す長手方向中心線に垂直な断面図で
ある。
【図６】本発明に従ったモード変換器及び電力スプリッ
タを有するジャイロトロン上の長手方向の概略断面図で
ある。
【図７】マイクロ波電力による核融合用のプラズマを加
熱するために使用する当業者に知られたタイプの電力分
配「グリル」の概略斜視図である。
【図８】図７のグリッド６Ａの詳細図である。
【符号の説明】
１ 電子ビーム ２ キャビティ壁 ４ 内側のシリンダ ５ 構造体 ６ ２次導波管 ７ 結合穴 ３９ 誘電体のウィンドウ ４０ 入り口 ４１ スプリッタ ４４ ウィンドウ ４２ カプラー ４６ フランジ ４７ 厚いセラミックウィンドウ

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電子ビーム１によって発生したＴＥmnモー
    ドのマイクロ波エネルギーを引き出すための出口キャビ
    ティとして知られている少なくとも１つのキャビティで
    あって、長手方向の中心線ｚの周りの回転体の形状であ
    り、電子ビームｌが中心線ｚにほぼ平行な方向に伝搬す
    るキャビティを有するマイクロ波管用のマイクロ波変換
    器及びマイクロ波スプリッタ装置であって、 前記装置はいくつかの２次導波管６を有する構造体５で
    あり、これらの２次導波管は中心線ｚ′の周りに対称的
    に配置され、構造体５は前記中心線ｚ′が前記中心線ｚ
    に一致するように前記出口キャビティの内側に配置され
    ており、 前記２次導波管６は中心線ｚ′に平行な長さＬの部分に
    わたって結合開口部７を有し、この部分Ｌは前記キャビ
    ティの内側にあり、開口部７は前記２次導波管内の所望
    の伝搬モードを励起するように配置されているマイクロ
    波管用のマイクロ波変換器及びマイクロ波スプリッタ装
    置。
  2. 【請求項２】前記構造体５内の前記２次導波管６の各々
    は前記キャビティの外側にマイクロ波ウィンドウ５８を
    有する請求項１に記載のモード変換器及び電力スプリッ
    タ装置。
  3. 【請求項３】前記２次導波管６の数ｌはｌ＝２ｍ／ｉで
    あり、ここでｍは前記モードＴＥmnのアジマス指標であ
    り、ｉはゼロ以上の整数である請求項１または２に記載
    のモード変換器及び電力スプリッタ装置。
  4. 【請求項４】前記整数ｉは１である請求項３に記載のモ
    ード変換器及び電力スプリッタ装置。
  5. 【請求項５】前記整数ｉは２である請求項３に記載のモ
    ード変換器及び電力スプリッタ装置。
  6. 【請求項６】前記マイクロ波管がジャイロトロンであ
    り、前記装置が前記ジャイロトロンキャビティに組み入
    れられている請求項１乃至５のいずれかに記載のモード
    変換器及び電力スプリッタ装置。
  7. 【請求項７】前記マイクロ波管がジャイロクライストロ
    ンであり、前記装置が前記ジャイロクライストロンの最
    後のキャビティに組み入れられている請求項１乃至５の
    いずれかに記載のモード変換器及び電力スプリッタ装
    置。
  8. 【請求項８】前記マイクロ波管がジャイロＴＷＴであ
    り、前記装置が前記ジャイロＴＷＴの出口キャビティに
    組み入れられている請求項１乃至５のいずれかに記載の
    モード変換器及び電力スプリッタ装置。
  9. 【請求項９】前記マイクロ波管がジャイロＢＷＯ（すな
    わちジャイロカーシノトロン（gyrocacinotron））であ
    り、前記装置が前記ジャイロＢＷＯ（すなわちジャイロ
    カーシノトロン（gyrocacinotron））の出口キャビティ
    に組み入れられている請求項１乃至５のいずれかに記載
    のモード変換器及び電力スプリッタ装置。
JP4023882A 1991-02-12 1992-02-10 マイクロ波管用のモード変換器及び電力スプリッタ Pending JPH0628982A (ja)

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