JPH087775A

JPH087775A - ジャイロトロン装置

Info

Publication number: JPH087775A
Application number: JP6135402A
Authority: JP
Inventors: Yosuke Hirata; 洋介平田; Yoshika Mitsunaka; 義加満仲; Mitsuo Komuro; 三男小室
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-06-17
Filing date: 1994-06-17
Publication date: 1996-01-12
Also published as: US5719470A

Abstract

(57)【要約】【目的】複数に分離された電磁波ビームを得て大出力
化したジャイロトロン装置を提供する。【構成】円筒状のモード変換器７８が内壁面に電磁波
の伝送方向に凹凸の変形度合いを漸次変化させるように
して等ピッチの螺旋状に形成された２組の凸条部及び凹
条部を備えていて、入力された電磁波を２つの電磁波７
９ａ，７９ｂに分離し、また、電磁波をビーム状に整形
するミラー系８２ａ，８２ｂ及び外部に出力する出力窓
８３ａ，８３ｂが、モード変換器７８で分離された２つ
の電磁波７９ａ，７９ｂに対応して軸対称に２つ備えら
れている。これによりビーム状に整形された等しい電磁
波７９ａ，７９ｂを２つの出力窓８３ａ，８３ｂから出
力させることができ、装置出力を大出力とすることがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば核融合炉のプラ
ズマを加熱する場合等に用いられるジャイロトロン装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知の通り、核融合炉のプラズマを加熱
するために電磁波を用いることが検討されている。それ
に用いるミリ波帯の電磁波の大電力高周波発振源として
高次モードジャイロトロン装置が有望視されている。

【０００３】また、ジャイロトロン装置内の空胴共振器
で発振した高次モードの電磁波は、導波管での伝送損失
が大きいために発振源から核融合炉まで数十メートルの
大電力伝送には不向きである。そこで、高次モードのミ
リ波を自由空間の伝播が可能なビーム状にモード変換器
で変換し、準光学的に伝送し放射することが検討されて
いる。

【０００４】以下、従来技術を図６乃至図１５を参照し
て説明する。図６に従来例として概略の構成図を示すよ
うに、ジャイロトロン装置は管本体１の内部が真空状態
に保たれており、この管本体１は一端側に電子銃２を装
着しており、また他端側の電子銃２に対向する位置には
電子銃２から出射された電子ビーム３を捕捉するコレク
タ４を設けている。そして電子銃２とコレクタ４との間
には、電子銃２から順にビームトンネル５、空胴共振器
６、導波管７、モード変換器８を設けている。

【０００５】また、モード変換器８から放射される電磁
波９の経路には、反射鏡１０，１１，１２，１３，１４
からなるミラー系１５と、反射鏡１３で反射された電磁
波９を管本体１内部から外部へ放射するためのサファイ
ヤガラス、セラミックス等の誘電体からなる出力窓１６
が設けられている。

【０００６】電子銃２は、管本体１の内側に向けて突設
された陰極１７と、その回りに対向配置された円筒状の
陽極１８と、これらに磁界を印加する超電導磁石１９の
ガンコイル２０とで構成されている。そして陰極１７と
陽極１８との間、陽極１８とビームトンネル５及びコレ
クタ４との間には、それぞれ高電圧電源２１，２２が接
続されている。また管本体１の回りで空胴共振器６を囲
む位置には、同じく超電導磁石１９の主コイル２３が設
けられている。なお、２４は陰極１７を加熱するヒータ
電源である。

【０００７】このように構成されたジャイロトロン装置
では、電子銃２で生成された電子ビーム３が導入されて
空胴共振器６でミリ波の電磁波９を発振させる。電磁波
９はモード変換器８及び反射鏡１０，１１，１２，１
３，１４でなるミラー系１５を通過しながらビーム状に
整形され、出力窓１６を介して外部に出力される。この
時、空胴共振器６で発振した電磁波９の電力分布が、例
えばＴＥ２２，６のモードでは図７に示すようになって
いたものが、出力窓１６での電力分布が理想的には図８
に示すようになっている。

【０００８】そしてジャイロトロン装置の出力の増大化
を図っていった場合、電磁波９が出力窓１６を通過する
際に発生する誘電体発熱により出力窓１６が破壊されて
しまう現象が起こる虞が出てくる。

【０００９】一方、本願の出願人は上述の従来例で示し
たジャイロトロン装置のモード変換器としても用いるこ
とができ、ジャイロトロン装置の出力増大化が可能なモ
ード変換器を、特願平６−０４３７６２号として出願し
ている。これには以下に図９乃至図１２により説明する
第１の従来のモード変換器と、第２の従来のモード変換
器とが記載されている。

【００１０】ここで図９及び図１０は第１の従来のモー
ド変換器を示すもので、図９はモード変換器の円形導波
管の内壁面形状を半径の大小を等高線として示す周方向
展開図であり、図１０は円形導波管を周方向展開し凹凸
を強調して表した内壁面形状を示す鳥瞰図である。ま
た、図１１及び図１２は第２の従来のモード変換器を示
すもので、図１１はモード変換器の円形導波管の内壁面
形状を半径の大小を等高線として示す周方向展開図であ
り、図１２は円形導波管を周方向展開し凹凸を強調して
表した内壁面形状を示す鳥瞰図である。

【００１１】第１の従来のモード変換器を示す図９及び
図１０において、モード変換器３８は円形導波管であっ
て、高次モードのミリ波を伝播させて主モードのミリ波
に変換する。そして、その径方向の内断面形状を入口部
３９から放射開口部４０方向に向かって漸次円形から周
方向の凹凸の変形度合を大きくするようにしている。す
なわち、円形導波管の内壁面４１に入口部３９から放射
開口部４０方向に向かって螺旋状に漸次高さが高くなる
１本の凸条部４２と、漸次深さが深くなる凹条部４３が
設けられている。なお、図９では凸条部４２の尾根線を
破線で示し、凹条部４３の谷線を一点鎖線で示してい
る。

【００１２】このため幾何光学的モデルでは、ミリ波は
モード変換器３８内で凸条部４２と凹条部４３の螺旋に
沿って反射を繰り返し伝搬するが、全てのミリ波は内壁
面４１に区画した平行四辺形Ａ₁Ｂ₁Ｄ₁Ｃ₁の内部で
一度反射する。次には凸条部４２と凹条部４３の螺旋方
向に隣接する平行四辺形Ｃ₁Ｄ₁Ｆ₁Ｅ₁の内部で反射
する。

【００１３】隣接する平行四辺形Ｃ₁Ｄ₁Ｆ₁Ｅ₁は、
その中心座標がモード変換器３８の軸に射影した点と、
平行四辺形Ａ₁Ｂ₁Ｄ₁Ｃ₁の中心座標を軸に射影した
点との距離Ｌが、Ｌ＝２Ｒ₀｛（２πＲ₀／λυ_mn）²−１｝^1/2・｛１
−（ｍ／υ_mn）²｝^1/2 となるもので、λは波長であり、Ｒ₀はモード変換器３
８の内半径であり、ｍ及びｎはモード数であって、υ_mn
はそれらモード数に対する固有値である。

【００１４】以下、ミリ波は反射を繰り返しながらモー
ド変換器３８内を進むにつれて凹条部４３に集められ
る。そして集められたミリ波は回折損失を抑えるために
電力密度の低い凸条部４２を形成する螺旋の一部を含む
切り口を持つ放射開口部４０から放射される。

【００１５】また、第２の従来のモード変換器を示す図
１１及び図１２において、モード変換器４４は円形導波
管であって、高次モードのミリ波を伝播させて主モード
のミリ波に変換する。そして、その径方向の内断面形状
を入口部４５から放射開口部４６方向に向かって漸次円
形から周方向の凹凸の変形度合を大きくするようにして
いる。すなわち、円形導波管の内壁面４７に入口部４５
から放射開口部４６方向に向かって螺旋状に漸次高さが
高くなる凸条部４８と、漸次深さが深くなる凹条部４９
が設けられている。なお、図１１では凸条部４８の尾根
線を破線で示し、凹条部４９の谷線を一点鎖線で示して
いる。

【００１６】この場合においても第１の従来のモード変
換器と同様に、ミリ波はモード変換器４４内を反射を繰
り返し伝搬するが、全てのミリ波は内壁面４７に区画し
た平行四辺形Ａ₂Ｂ₂Ｄ₂Ｃ₂の内部で一度反射する。
次には隣接する平行四辺形Ｃ₂Ｄ₂Ｆ₂Ｅ₂の内部で反
射する。本例では平行四辺形Ａ₂Ｂ₂Ｄ₂Ｃ₂と平行四
辺形Ｃ₂Ｄ₂Ｆ₂Ｅ₂の内部には、第１の従来のモード
変換器とは異なる方向に凸条部４８と凹条部４９が設け
られている。

【００１７】以下、ミリ波は反射を繰り返しながらモー
ド変換器４４内を進むにつれて凸条部４８に集められ
る。そして集められたミリ波は切り口の一部が凹条部４
９の一部と一致する放射開口部４６の放射端５０から放
射される。

【００１８】しかし、このような第１及び第２の従来の
モード変換器ではミリ波を１つだけ生成するものなの
で、これらを搭載するようにして構成されたジャイロト
ロン装置では出力窓が１つとなり、出力の増大化が成さ
れた場合には出力窓の破損を回避することができない。

【００１９】また一方、１９９２年８月５日発行の東芝
技術公開集ＶＯＬ．１０−７４の発行番号９２−５４８
６には、以下に図１３乃至図１５により説明する第３の
従来のモード変換器と、第４の従来のモード変換器とが
記載されている。

【００２０】ここで図１３及び図１４は第３の従来のモ
ード変換器を示すもので、図１３はモード変換器の円形
導波管の内壁面形状を半径の大小を等高線として示す周
方向展開図であり、図１４は円形導波管を周方向展開し
凹凸を強調して表した内壁面形状を示す鳥瞰図である。
また、図１５は第４の従来のモード変換器を示すもの
で、図１５はモード変換器の円形導波管の内壁面形状を
半径の大小を等高線として示す周方向展開図である。

【００２１】第３の従来のモード変換器を示す図１３及
び図１４において、モード変換器５１は円形導波管であ
って、高次モードのミリ波を伝播させて主モードのミリ
波に変換する。そして、ミリ波が進行する方向と平行な
螺旋に沿って円形導波管の入口部５２から放射開口部５
３方向に向かい、内壁面５４の凹凸の変形度合を大きく
するようにして複数の集束鏡を配置したものとなってい
る。

【００２２】この場合においても第１の従来のモード変
換器と同様に、ミリ波はモード変換器５１内を反射を繰
り返し伝搬するが、全てのミリ波は内壁面５４に区画し
た平行四辺形Ａ₃Ｂ₃Ｄ₃Ｃ₃の内部で一度反射する。
次には隣接する平行四辺形Ｃ₃Ｄ₃Ｆ₃Ｅ₃の内部で反
射する。本例では平行四辺形Ａ₃Ｂ₃Ｄ₃Ｃ₃と平行四
辺形Ｃ₃Ｄ₃Ｆ₃Ｅ₃の内部にそれぞれ２個の集束鏡が
ある。例えば平行四辺形Ａ₃Ｂ₃Ｄ₃Ｃ₃の内部には、
集束鏡Ａ₃Ｇ₃Ｈ₃Ｃ₃と集束鏡Ｇ₃Ｂ₃Ｄ₃Ｈ₃があ
る。

【００２３】そして、ミリ波はこれら平行四辺形Ａ₃Ｂ
₃Ｄ₃Ｃ₃、平行四辺形Ｃ₃Ｄ₃Ｆ₃Ｅ₃等の内部で反
射を繰り返しながら集束鏡Ａ₃Ｇ₃Ｈ₃Ｃ₃，Ｇ₃Ｂ₃
Ｄ₃Ｈ₃，Ｃ₃Ｈ₃Ｉ₃Ｅ₃，Ｈ₃Ｄ₃Ｆ₃Ｉ₃等の中
心Ｍ₃₁，Ｍ₃₂，Ｍ₃₃，Ｍ₃₄等に集められ、結果として２
つに分離される。分離されたミリ波は放射開口部５３の
放射端５５，５６からそれぞれ異なった方向へと放射さ
れる。

【００２４】しかし、モード変換器５１の入口部５２か
ら放射端５５までの距離と放射端５６までの距離とが異
なるため、放射端５５，５６から放射される２つのミリ
波の電力分布は等しいものとはならない。このため本例
のモード変換器５１を用いてジャイロトロン装置を構成
しようとした場合、２つのミリ波が異なっているのでモ
ード変換器５１から出力窓まで伝送するミラー系をジャ
イロトロン装置の管本体の軸に対して対称に作ることが
できず、２つのミリ波に対しそれぞれ出力窓までのミラ
ー系を独立に設計しなければならない。

【００２５】それ故、本例のモード変換器５１を用いた
場合、ジャイロトロン装置の設計が非常に複雑なものと
なってしまう。またモード変換器５１は内壁面５４の凹
凸の変形度合を変化させるようにして複数の集束鏡Ａ₃
Ｇ₃Ｈ₃Ｃ₃，Ｇ₃Ｂ₃Ｄ₃Ｈ₃，Ｃ₃Ｈ₃Ｉ₃Ｅ₃，
Ｈ₃Ｄ₃Ｆ₃Ｉ₃等を形成しなければならないので、加
工が非常に難しいものとなってしまう。

【００２６】次に、第４の従来のモード変換器を示す図
１５において、モード変換器５７は円形導波管であっ
て、第３の従来のモード変換器と同様に高次モードのミ
リ波を伝播させて主モードのミリ波に変換する。そし
て、ミリ波が進行する方向と平行な螺旋に沿って円形導
波管の入口部５８から放射開口部５９方向に向かい、内
壁面６０の凹凸の変形度合を大きくするようにして複数
の集束鏡を配置したものとなっている。

【００２７】本例においてもモード変換器５７内を反射
を繰り返し伝搬するミリ波は集束鏡に集められ、２つに
分離される。そして分離されたミリ波は放射開口部５９
の放射端６１，６２からそれぞれ異なった方向へと放射
される。このとき、モード変換器５７の入口部５８から
放射端６１までの距離と放射端６２までの距離とが等し
く、放射端６１，６２から放射される２つのミリ波の電
力分布は等しいものとなっている。

【００２８】しかし、このような構成は全ての入力モー
ドについて成り立つものではなく、特定の入力モードに
ついてのみ成り立つものとなっている。そして、他の入
力モードでは入口部５８から分離されたミリ波が放射さ
れる放射端までの距離が異なったものとなる。

【００２９】また、本例においても第３の従来のモード
変換器と同様に、モード変換器５７は内壁面６０の凹凸
の変形度合を変化させるようにして複数の集束鏡を形成
しなければならないので、加工が非常に難しいものとな
ってしまう。

【００３０】

【発明が解決しようとする課題】上記のような状況に鑑
みて本発明はなされたもので、その目的とするところは
加工や設計が容易で複数の電磁波ビームを得て大出力化
することができるジャイロトロン装置を提供することに
ある。

【００３１】

【課題を解決するための手段】本発明のジャイロトロン
装置は、空胴共振器で発振され筒状のモード変換器でモ
ード変換されて放射される電磁波を、ミラー系で整形し
出力窓から外部に出力するジャイロトロン装置におい
て、モード変換器が、電磁波の伝送方向に凹凸の変形度
合いを漸次変化させるようにして等ピッチの螺旋状に形
成された複数組の凸条部及び凹条部を内壁面に備え且つ
前記空胴共振器で発振された電磁波を複数の電磁波に分
離するものであり、ミラー系及び出力窓が、モード変換
器で分離された複数の電磁波に対応して複数備えられて
いることを特徴とするものである。

【００３２】さらに、凸条部が、モード変換器の入口部
から放射開口部に向かう方向に高さが漸次高くなるよう
形成されていることを特徴とするものである。

【００３３】さらに、凸条部の螺旋のピッチＬ_αが、Ｌ₁＝２πＲ₀・ｓｉｎθ_w／（θ_w・ｔａｎθ_B）としたとき、Ｌ₁に略等しいものであることを特徴とす
るものである。ここで、ｃｏｓθ_w＝ｍ／υ_mn、ｓｉｎ
θ_B＝υ_mn／κＲ₀であって、κは波数、Ｒ₀はモード
変換器内壁面の平均半径、ｍ及びｎはそれぞれ周方向及
び径方向のモード数、υ_mnはモード数に対する固有値で
ある。

【００３４】また、凸条部の螺旋のピッチＬ_βが、Ｌ₂＝２πＬ₀／（２π−２ｎ₂θ_w）としたとき、Ｌ₂に略等しいものであることを特徴とす
るものである。ここで、Ｌ₀＝２Ｒ₀・ｓｉｎθ_w／ｔ
ａｎθ_B、ｃｏｓθ_w＝ｍ／υ_mn、ｓｉｎθ_B＝υ_mn／
κＲ₀であって、ｎ₂は整数、κは波数、Ｒ₀はモード
変換器内壁面の平均半径、ｍ及びｎはそれぞれ周方向及
び径方向のモード数、υ_mnはモード数に対する固有値で
ある。

【００３５】さらに、モード変換器内壁面の平均半径か
らの変形量δが、 δ（φ，ｚ）＝ｆ（ｚ）［ａ＋ｃｏｓｌ｛（２π／
Ｌ_α）ｚ＋φ｝で示されるものであることを特徴とするものである。こ
こで、ｆ（ｚ）は増加関数、ａは実数、ｌは２以上の整
数、φはモード変換器の周方向の角度、ｚはモード変換
器の入口部から放射開口部に向かう方向を正とする軸で
ある。

【００３６】また、モード変換器内壁面の平均半径から
の変形量δが、 δ（φ，ｚ）＝ｆ（ｚ）［ａ＋ｃｏｓｌ｛（２π／
Ｌ_β）ｚ＋φ｝で示されるものであることを特徴とするものである。こ
こで、ｆ（ｚ）は増加関数、ａは実数、ｌは２以上の整
数、φはモード変換器の周方向の角度、ｚはモード変換
器の入口部から放射開口部に向かう方向を正とする軸で
ある。

【００３７】さらに、モード変換器の放射開口部の電磁
波を放射する放射端の少なくとも一部が、該モード変換
器の内壁面の凸条部あるいは凹条部を形成する螺旋の一
部と一致していることを特徴とするものである。

【００３８】さらに、モード変換器の放射開口部の電磁
波を放射する放射端が、該モード変換器の内壁面の凸条
部及び凹条部の組数と同数回の周期対称であることを特
徴とするものである。

【００３９】さらに、ミラー系が、モード変換器での電
磁波の分離数と同数設けられていると共に、管軸の回り
の前記分離数と同回数の周期対称となる位置に設けられ
ていることを特徴とするものである。

【００４０】

【作用】上記のように構成されたジャイロトロン装置
は、筒状のモード変換器が内壁面に電磁波の伝送方向に
凹凸の変形度合いを漸次変化させるようにして等ピッチ
の螺旋状に形成された複数の凸条部及び凹条部を備えて
いて、入力された電磁波を同じ電力分布を有する複数の
電磁波に分離し、また、電磁波をビーム状に整形するミ
ラー系及び外部に出力する出力窓がモード変換器で分離
された複数の電磁波に対応して複数備えられているの
で、各出力窓からビーム状に整形された等しい電磁波が
放射され、出力窓の負荷量を低減しながら装置出力を大
出力とすることができる。

【００４１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００４２】先ず、第１の実施例を図１乃至図３により
説明する。図１は概略の構成図であり、図２はモード変
換器の円形導波管の内壁面形状を半径の大小を等高線と
して示す周方向展開図であり、図３は円形導波管を周方
向展開し凹凸を強調して表した内壁面形状を示す鳥瞰図
である。なお、図２及び図３には実際には存在しない部
分についても判り易くするために描かれている。

【００４３】図１乃至図３において、ジャイロトロン装
置は管本体７１の内部が真空状態に保たれており、この
管本体７１は一端側に電子銃７２を装着しており、また
他端側の電子銃７２に対向する位置には電子銃７２から
出射された電子ビーム７３を捕捉するコレクタ７４を設
けている。そして電子銃７２とコレクタ７４との間に
は、電子銃７２から順にビームトンネル７５、空胴共振
器７６、導波管７７、モード変換器７８を設けている。

【００４４】また、モード変換器７８からは２つの電磁
波７９ａ，７９ｂが１８０度異なる方向に放射され、そ
の電磁波７９ａ，７９ｂの経路には、反射鏡８０ａ，８
１ａからなるミラー系８２ａと、反射鏡８０ｂ，８１ｂ
からなるミラー系８２ｂと、反射鏡８１ａ，８１ｂで反
射された電磁波７９ａ，７９ｂを管本体７１内部から外
部へ放射するためのサファイヤガラス、セラミックス等
の誘電体からなる出力窓８３ａ，８３ｂが設けられてい
る。

【００４５】電子銃７２は、管本体７１の内側に向けて
突設された陰極８４と、その回りに対向配置された円筒
状の陽極８５と、これらに磁界を印加する超電導磁石８
６のガンコイル８７とで構成されている。そして陰極８
４と陽極８５との間、陽極８５とビームトンネル７５及
びコレクタ７４との間には、それぞれ高電圧電源８８，
８９が接続されている。また管本体７１の回りで空胴共
振器７６を囲む位置には、同じく超電導磁石８６の主コ
イル９０が設けられている。なお、９１は陰極８４を加
熱するヒータ電源である。

【００４６】さらに、モード変換器７８は円形導波管で
あって、その径方向の内断面形状を入口部９２から放射
開口部９３方向に向かって漸次凹凸の変形度合を大きく
するようにしている。そして、空胴共振器７６で発振さ
れ導波管７７から入口部９２に入力された電磁波の高次
モードのミリ波を伝播させ、主モードのミリ波に変換す
ると共にこれを２つに分離して放射する。

【００４７】すなわち、円形導波管の内壁面９４に入口
部９２から放射開口部９３方向に向かって螺旋状に漸次
高さが高くなる等ピッチの２本の凸条部９５ａ，９５ｂ
と、漸次深さが深くなる凹条部９６ａ，９６ｂが設けら
れている。なお、図２では凸条部９５ａ，９５ｂの尾根
線を破線で示し、凹条部９６ａ，９６ｂの谷線を一点鎖
線で示している。

【００４８】こうしたモード変換器７８の内壁面９４の
変形は、次のように示されるものとなっている。凸条部
９５ａ，９５ｂの螺旋のピッチＬ_αは、Ｌ₁＝２πＲ₀・ｓｉｎθ_w／（θ_w・ｔａｎθ_B）としたとき、Ｌ₁に略等しいものとなっている。

【００４９】ここで、ｃｏｓθ_w＝ｍ／υ_mn、ｓｉｎθ
_B＝υ_mn／κＲ₀であって、κは波数、Ｒ₀はモード変
換器７８の内壁面９４の平均半径、ｍ及びｎはそれぞれ
周方向及び径方向のモード数、υ_mnはモード数に対する
固有値である。

【００５０】また、内壁面９４の平均半径Ｒ₀からの変
形量δは、 δ（φ，ｚ）＝ｆ（ｚ）［ａ＋ｃｏｓｌ｛（２π／
Ｌ_α）ｚ＋φ｝で示されるものとなっている。

【００５１】ここで、ｆ（ｚ）は増加関数、ａは実数、
ｌは２以上の整数、φはモード変換器７８の周方向の角
度、ｚはモード変換器７８の入口部９２から放射開口部
９３に向かう方向を正とする軸である。

【００５２】このように形成されているため、幾何光学
的モデルでは、ミリ波はモード変換器７８内で凸条部９
５ａ，９５ｂと凹条部９６ａ，９６ｂの螺旋に沿って反
射を繰り返し伝搬するが、全てのミリ波は内壁面９４に
区画した平行四辺形Ａ₀₁Ｂ₀₁Ｄ₀₁Ｃ₀₁の内部で一度反射
する。次には凸条部９５ａ，９５ｂと凹条部９６ａ，９
６ｂの螺旋方向に隣接する平行四辺形Ｃ₀₁Ｄ₀₁Ｆ₀₁Ｅ₀₁
の内部で反射する。

【００５３】隣接する平行四辺形Ｃ₀₁Ｄ₀₁Ｆ₀₁Ｅ₀₁は、
その中心座標がモード変換器７８の軸に射影した点と、
平行四辺形Ａ₀₁Ｂ₀₁Ｄ₀₁Ｃ₀₁の中心座標を軸に射影した
点との距離Ｌが、Ｌ＝２Ｒ₀｛（２πＲ₀／λυ_mn）²−１｝^1/2・｛１
−（ｍ／υ_mn）²｝^1/2 となるもので、λは波長であり、Ｒ₀はモード変換器３
８の内半径であり、ｍ及びｎはモード数であって、υ_mn
はそれらモード数に対する固有値である。そしてこれら
の平行四辺形Ａ₀₁Ｂ₀₁Ｄ₀₁Ｃ₀₁、平行四辺形Ｃ₀₁Ｄ₀₁Ｆ
₀₁Ｅ₀₁には、凹条部９６ａ，９６ｂの谷線が２本存在す
る。

【００５４】以下、ミリ波は反射を繰り返しながらモー
ド変換器７８内を進むにつれて２つの凹条部９６ａ，９
６ｂに集められ、２つに分離される。そして集められた
２つのミリ波ビーム、すなわち２つの電磁波７９ａ，７
９ｂは、回折損失を抑えるために電力密度の低い凸条部
９５ａ，９５ｂを形成する螺旋の一部を含む放射開口部
９３の放射端９３ａ，９３ｂからそれぞれ方位角の異な
った方向へ放射される。

【００５５】このとき、放射端９３ａ，９３ｂを周方向
に等間隔に配置することでと、モード変換器７８の入口
部９２から２つの放射端９３ａ，９３ｂまでの距離が等
しくなる。それ故、放射される２つの電磁波７９ａ，７
９ｂは全く同じ電力分布を持つことになり、管本体７１
内に軸対称に配置されたミラー系８２ａ，８２ｂの２組
の反射鏡８０ａ，８１ａ，８０ｂ，８１ｂを通じてそれ
ぞれビーム状に整形され２つの出力窓８３ａ，８３ｂを
介して外部に放射される。

【００５６】その結果、それぞれ２分された電磁波７９
ａ，７９ｂが２つの出力窓８３ａ，８３ｂを通過するこ
とになり、通過する際に発生する誘電体発熱も半分にな
る。このため、出力窓８３ａ，８３ｂの破壊を伴うこと
なく装置全体の出力を２倍にまで引き上げることができ
る。

【００５７】また、ミラー系８２ａ，８２ｂの設計につ
いても２組の反射鏡８０ａ，８１ａ，８０ｂ，８１ｂが
全く対称な構成を有するものであるため同一の設計でよ
く、設計が簡単なものとなる。

【００５８】さらに、モード変換器７８は内壁面９４の
凹凸の変形度合を漸次変化させるようにしたものである
ため、その加工が非常に簡単なものとなる。

【００５９】なお、本実施例では、モード変換器７８の
放射開口部９３の放射端９３ａ，９３ｂ形状を凸条部９
５ａ，９５ｂ及び凹条部９６ａ，９６ｂの組数に合わせ
２回の周期対称とし、電力分布の等しい出力を得るよう
にしているが、これに限るものではなく、放射開口部の
放射端形状を３組以上設けた凸条部及び凹条部の組数に
合わせ、組数と同数回の周期対称とすることにより電力
分布の等しい３組以上の所定数にミリ波を分離するよう
にしても良い。さらに、所定数に分離されたミリ波を、
組数と同数回の周期対称の位置に設置したミラー系を通
じてビーム状に整形し、対応する出力窓から外部に放射
させるようにしても良い。

【００６０】次に、第２の実施例を図４及び図５により
説明する。なお、本実施例は第１の実施例とモード変換
器の構成のみを異にするもので、以下、このモード変換
器についてのみ説明する。図４はモード変換器の円形導
波管の内壁面形状を半径の大小を等高線として示す周方
向展開図であり、図５は円形導波管を周方向展開し凹凸
を強調して表した内壁面形状を示す鳥瞰図である。な
お、図４及び図５には実際には存在しない部分について
も判り易くするために描かれている。

【００６１】図４乃至図５において、モード変換器９８
は円形導波管であって、その径方向の内断面形状を入口
部９９から放射開口部１００方向に向かって漸次凹凸の
変形度合を大きくするようにしている。そして、第１の
実施例のものと同様に空胴共振器で発振され導波管から
入口部９９に入力された電磁波の高次モードのミリ波を
伝播させ、主モードのミリ波に変換すると共にこれを２
つに分離して放射する。

【００６２】すなわち、円形導波管の内壁面１０１に入
口部９９から放射開口部１００方向に向かって軸方向に
略平行な方向の螺旋状に漸次高さが高くなる等ピッチの
複数本の凸条部１０２と、漸次深さが深くなる凹条部１
０３が設けられている。なお、図４では凸条部１０２の
尾根線を破線で示し、凹条部１０３の谷線を一点鎖線で
示している。

【００６３】こうしたモード変換器９８の内壁面１０１
の変形は、次のように示されるものとなっている。凸条
部１０２の螺旋のピッチＬ_βが、Ｌ₂＝２πＬ₀／（２π−２ｎ₂θ_w）としたとき、Ｌ₂に略等しいものとなっている。

【００６４】ここで、Ｌ₀＝２Ｒ₀・ｓｉｎθ_w／ｔａ
ｎθ_B、ｃｏｓθ_w＝ｍ／υ_mn、ｓｉｎθ_B＝υ_mn／κ
Ｒ₀であって、ｎ₂は整数、κは波数、Ｒ₀はモード変
換器９８の内壁面１０１の平均半径、ｍ及びｎはそれぞ
れ周方向及び径方向のモード数、υ_mnはモード数に対す
る固有値である。

【００６５】また、モード変換器９８内壁面１０１の平
均半径からの変形量δが、 δ（φ，ｚ）＝ｆ（ｚ）［ａ＋ｃｏｓｌ｛（２π／
Ｌ_β）ｚ＋φ｝で示されるものとなっている。

【００６６】ここで、ｆ（ｚ）は増加関数、ａは実数、
ｌは２以上の整数、φはモード変換器の周方向の角度、
ｚはモード変換器の入口部から放射開口部に向かう方向
を正とする軸である。

【００６７】このように形成されているため、幾何光学
的モデルでは、ミリ波はモード変換器９８内で凸条部１
０２と凹条部１０３の螺旋に交差するように反射を繰り
返し伝搬するが、全てのミリ波は内壁面１０１に区画し
た平行四辺形Ａ₀₂Ｂ₀₂Ｄ₀₂Ｃ₀₂の内部で一度反射する。
次には凸条部１０２と凹条部１０３の螺旋に交差する方
向に隣接する平行四辺形Ｃ₀₂Ｄ₀₂Ｆ₀₂Ｅ₀₂の内部で反射
する。本実施例では平行四辺形Ａ₀₂Ｂ₀₂Ｄ₀₂Ｃ₀₂と平行
四辺形Ｃ₀₂Ｄ₀₂Ｆ₀₂Ｅ₀₂の内部には、第１の実施例とは
異なる方向に凸条部１０２と凹条部１０３が設けられて
いる。

【００６８】以下、ミリ波は反射を繰り返しながらモー
ド変換器９８内を進むにつれて凸条部１０２に集めら
れ、平行四辺形Ａ₀₂Ｂ₀₂Ｄ₀₂Ｃ₀₂、平行四辺形Ｃ₀₂Ｄ₀₂
Ｆ₀₂Ｅ₀₂には、凸条部１０２の尾根線が２本存在するこ
とからミリ波は２つに分離される。そして集められた２
つの電磁波は、ミリ波の電力密度の小さい凹条部１０３
を切り口の一部として含む放射開口部１００の放射端１
００ａから周方向に２つに分離されて所定の方位角を有
するようにして放射される。

【００６９】放射された２つのミリ波は互いに等しい電
力分布を持ち、図示しない管本体内に配置された２組の
伝送経路が形成されたミラー系の反射鏡を通じてそれぞ
れビーム状に整形され、２つの出力窓を介して外部に放
射される。

【００７０】その結果、本実施例においても第１の実施
例と同様の作用，効果が得られる。

【００７１】なお、上記の各実施例においてはミリ波の
進行方向に沿った凸条部及び凹条部の変形を２組とした
が３組以上でも良く、これによってミリ波ビームを組数
と同数に分離し、これに対応するミラー系、出力窓を設
けることで出力窓１つ当たりの負荷量を軽減し、出力窓
の破損を防止しながら装置の出力を増加させるても良
い。

【００７２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、電磁波を複数に分離するモード変換器の加工
が容易に行え、また、モード変換器により分離された電
磁波を伝送し整形するミラー系の設計が容易に行えると
共に、複数の電磁波ビームを得ることによって装置出力
を大出力化することができる等の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す概略の構成図であ
る。

【図２】本発明の第１の実施例に係るモード変換器の内
壁面形状を半径の大小を等高線として示す周方向展開図
である。

【図３】本発明の第１の実施例に係るモード変換器を周
方向展開し凹凸を強調して表した内壁面形状を示す鳥瞰
図である。

【図４】本発明の第２の実施例に係るモード変換器の内
壁面形状を半径の大小を等高線として示す周方向展開図
である。

【図５】本発明の第２の実施例に係るモード変換器を周
方向展開し凹凸を強調して表した内壁面形状を示す鳥瞰
図である。

【図６】従来例を示す概略の構成図である。

【図７】空胴共振器で発振した電磁波の電力分布を例示
する図である。

【図８】出力窓における電磁波の電力分布を例示する図
である。

【図９】第１の従来のモード変換器の内壁面形状を半径
の大小を等高線として示す周方向展開図である。

【図１０】第１の従来のモード変換器を周方向展開し凹
凸を強調して表した内壁面形状を示す鳥瞰図である。

【図１１】第２の従来のモード変換器の内壁面形状を半
径の大小を等高線として示す周方向展開図である。

【図１２】第２の従来のモード変換器を周方向展開し凹
凸を強調して表した内壁面形状を示す鳥瞰図である。

【図１３】第３の従来のモード変換器の内壁面形状を半
径の大小を等高線として示す周方向展開図である。

【図１４】第３の従来のモード変換器を周方向展開し凹
凸を強調して表した内壁面形状を示す鳥瞰図である。

【図１５】第４の従来のモード変換器の内壁面形状を半
径の大小を等高線として示す周方向展開図である。

【符号の説明】

７１…管本体７６…空胴共振器７８…モード変換器７９ａ，７９ｂ…電磁波８２ａ，８２ｂ…ミラー系８３ａ，８３ｂ…出力窓９２…入力部９３…放射開口部９３ａ，９３ｂ…放射端９４…内壁面９５ａ，９５ｂ…凸条部９６ａ，９６ｂ…凹条部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】空胴共振器で発振され筒状のモード変換
器でモード変換されて放射される電磁波を、ミラー系で
整形し出力窓から外部に出力するジャイロトロン装置に
おいて、前記モード変換器が、前記電磁波の伝送方向に
凹凸の変形度合いを漸次変化させるようにして等ピッチ
の螺旋状に形成された複数組の凸条部及び凹条部を内壁
面に備え且つ前記空胴共振器で発振された前記電磁波を
複数の電磁波に分離するものであり、前記ミラー系及び
出力窓が、前記モード変換器で分離された複数の電磁波
に対応して複数備えられていることを特徴とするジャイ
ロトロン装置。
【請求項２】凸条部が、モード変換器の入口部から放
射開口部に向かう方向に高さが漸次高くなるよう形成さ
れていることを特徴とする請求項１記載のジャイロトロ
ン装置。
【請求項３】凸条部の螺旋のピッチＬ_αが、Ｌ₁＝２πＲ₀・ｓｉｎθ_w／（θ_w・ｔａｎθ_B）としたとき、Ｌ₁に略等しいものであることを特徴とす
る請求項１及び請求項２記載のジャイロトロン装置。こ
こで、ｃｏｓθ_w＝ｍ／υ_mn、ｓｉｎθ_B＝υ_mn／κＲ
₀であって、κは波数、Ｒ₀はモード変換器内壁面の平
均半径、ｍ及びｎはそれぞれ周方向及び径方向のモード
数、υ_mnはモード数に対する固有値である。
【請求項４】凸条部の螺旋のピッチＬ_βが、Ｌ₂＝２πＬ₀／（２π−２ｎ₂θ_w）としたとき、Ｌ₂に略等しいものであることを特徴とす
る請求項１及び請求項２記載のジャイロトロン装置。こ
こで、Ｌ₀＝２Ｒ₀・ｓｉｎθ_w／ｔａｎθ_B、ｃｏｓ
θ_w＝ｍ／υ_mn、ｓｉｎθ_B＝υ_mn／κＲ₀であって、
ｎ₂は整数、κは波数、Ｒ₀はモード変換器内壁面の平
均半径、ｍ及びｎはそれぞれ周方向及び径方向のモード
数、υ_mnはモード数に対する固有値である。