JPH10326573A - ジャイロトロン装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低価格な直流のビーム電源を用い、ジャイロ
トロンの出力パワーをパルス的に変化させることができ
るジャイロトロン装置を得る。 【解決手段】 電子銃１から射出した電子ビームに、電
子銃部用磁場発生手段１２と空胴共振器用磁場発生手段
１１で発生した軸方向磁場により旋回運動を起こし、空
胴共振器６で、固有モードで共振している高周波電磁場
との間でサイクロトロン共鳴メーザ作用を起こさせる
際、空胴共振器用磁場発生手段１１の発生する発生磁場
に、補助電磁石３０によって軸方向の変動磁場を重畳さ
せることにより、磁束密度を変調させてジャイロトロン
の出力パワーを変化させる。また、補助電磁石を電子銃
部用磁場発生手段１２の発生する軸方向磁場の磁束密度
を変調するように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子ビームと空胴
共振器の固有モードの高周波電磁場との間の電子サイク
ロトロン共鳴メーザ作用を利用し、マイクロ波またはミ
リ波を発生するジャイロトロン装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の電子サイクロトロン共鳴メーザ相
互作用を利用したジャイロトロン装置は、例えば、特開
昭５６−１０２０４５号公報に示されている。このジャ
イロトロン装置の断面構成およびこれをパルス動作させ
るための電源装置の概略構成を図２６に示す。図２６に
おいて、１は電子ビーム９を放出する電子銃であり、２
はカソード、３はカソード２上の電子放出部、４は第１
アノード、５は第２アノードである。ここに示した電子
銃においては、第１アノード４と第２アノード５間に絶
縁が施され、このような電子銃は３極型電子銃と呼ばれ
る。６は電子ビーム９と高周波電磁場とが共鳴的に相互
作用を起こし、高周波１０を発生する空胴共振器、７は
相互作用を終えた電子ビーム９を回収するコレクタ、８
は高周波１０を取り出す出力窓である。ジャイロトロン
装置３００は、電子銃１，空胴共振器６，コレクタ７，
出力窓８などから構成されるジャイロトロン２００と、
電子ビーム９に旋回運動を起こさせるため、ジャイロト
ロン２００の軸方向に磁場を発生する空胴共振器用磁場
発生電磁石１１および電子銃部用磁場発生電磁石１２と
により構成される。この空胴共振器用磁場発生電磁石１
１をここでは主磁場発生電磁石と称する。

【０００３】また、２６の波線で囲まれた部分はパルス
ビーム電源であり、２０はコンデンサバンク、２１はコ
ンデンサバンク２０を充電する充電器、２２はジャイロ
トロン２００内の電子ビーム９を加速するための電圧で
あるビーム電圧をスイッチングする制御管、２３はパル
ス波形発生器、２５ａ，２５ｂは第１アノード４に電圧
を印加するための分圧抵抗である。ただし、分圧抵抗２
５ａ，２５ｂの代わりに真空管を用いて第１アノード４
に印加される電圧を制御する場合もある。

【０００４】図２６では３極型電子銃を採用したジャイ
ロトロン２００を示したが、特開平８−２０３４４１号
公報で示された２極型電子銃を採用したジャイロトロン
もある。このジャイロトロン装置を示す断面構成および
これをパルス動作させるための電源装置の概略構成を図
２７に示す。図２７において、１４は３極型電子銃の場
合の第１アノードと第２アノードの役割を同時に行うア
ノードである。また、電源装置においては分圧抵抗が省
かれて、簡単な回路構成となっている。図２６に示した
３極型電子銃も、図２７に示した２極型電子銃も、ジャ
イロトロンの発振に必要な電子ビームを放出する点で働
きは同じである。

【０００５】次に動作について説明する。電子銃１のカ
ソード上の電子放出部３から射出された電子ビームは、
３極型電子銃ではカソード２・第１アノード４間の電界
により、また２極型電子銃ではカソード２・アノード１
４間の電界により加速され、電子銃部磁場発生電磁石１
２によって発生された磁場により、旋回運動しながら軸
方向にドリフトする。さらに、主磁場発生電磁石１１に
よって発生された強力な磁場によって電子ビーム９は圧
縮され、電子は磁場に対して垂直方向の速度を増大さ
せ、磁場に対して平行方向速度を減少させながら、空胴
共振器６に入る。前記主磁場発生電磁石１１が発生する
軸方向磁場によってサイクロトロン運動している電子
は、通常円筒状空胴からなる空胴共振器６における固有
モードの高周波電磁場とサイクロトロン共鳴メーザ相互
作用し、電子の磁場に対して垂直方向の速度成分による
運動エネルギーの一部は高周波エネルギーに変換され
る。空胴共振器６で相互作用を終えた電子ビームは、コ
レクタ７に回収され、空胴共振器６で励起された高周波
は、出力窓８を透過して外部に取り出される。

【０００６】空胴共振器６において電子のエネルギーが
効率的に高周波電磁場のエネルギーに変換されるのは、
式（１）が成り立つ時である。

【０００７】

【数１】

【０００８】ここで、ωは空胴共振器６における固有モ
ードの電磁場の共振角周波数、ｋ_zは固有モードの軸方
向波数、ｖ_z は電子の軸方向速度、ｓは高調波次数、Ω
_c は相対論的効果を考慮した電子のサイクロトロン角周
波数である。

【０００９】電子の電荷をｅ（絶対値）、空胴共振器６
内での軸方向磁束密度をＢ、相対論的係数をγ、電子の
静止質量をｍ₀ とすると、Ω_c は式（２）で与えられ
る。 Ω_c ＝ｅＢ／γｍ₀ ・・・（２） 式（１）からわかるように、電子のエネルギーが効率的
に高周波電磁場のエネルギーに変換され、強力な電磁波
が発生するのは、式（１）の右辺が左辺より僅かに小さ
い時である。

【００１０】また、ビーム電圧をＶ_b ［ｋＶ］とする
と、相対論的係数γは式（３）で与えられる。 γ＝１＋Ｖ_b ／５１１ ・・・（３） このようにジャイロトロン装置においては、磁場が発振
のために本質的な役割を果たしている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
ジャイロトロン装置では、ジャイロトロンをパルス動作
させるために、図２６，図２７に示したようなパルスビ
ーム電源２６を用いていた。このようなパルスビーム電
源では、数十ｋＶにおよぶ加速電圧をスイッチングして
ジャイロトロンをパルス動作させるが、パルスビーム電
源２６は上記のように加速電圧をスイッチングする制御
管２２や大容量のコンデンサバンク２０を必要とするた
め、同等の電圧を発生する直流電源に比較して高価であ
るという問題点があった。

【００１２】本発明は上記のような問題点を解決するた
めになされたもので、低価格な直流のビーム電源を用
い、ジャイロトロンの出力パワーをパルス的に変化させ
ることができるジャイロトロン装置を提供することを目
的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の構成に係
るジャイロトロン装置は、電子ビームを射出する電子銃
と、射出した電子ビームに旋回運動を起こさせる軸方向
磁場を発生する電子銃部用磁場発生手段および空胴共振
器用磁場発生手段と、旋回運動する電子ビームと固有モ
ードで共振している高周波電磁場との間でサイクロトロ
ン共鳴メーザ作用を起こさせる空胴共振器と、この空胴
共振器内を通過した電子ビームを回収するコレクタと、
サイクロトロン共鳴メーザ作用により発生した高周波を
外部に取り出す出力窓とを備えたものにおいて、電子銃
部用磁場発生手段と空胴共振器用磁場発生手段の少なく
とも一方の発生磁場に、軸方向の変動磁場を重畳させて
磁束密度を変調させる補助電磁石と、この補助電磁石を
駆動する電源を備え、軸方向磁場を変調させてジャイロ
トロンの出力を変化させるものである。

【００１４】また、本発明の第２の構成に係るジャイロ
トロン装置は、第１の構成における電子銃部用磁場発生
手段および空胴共振器用磁場発生手段を、永久磁石と磁
場微調整電磁石とから構成したものである。

【００１５】また、本発明の第３の構成に係るジャイロ
トロン装置は、第１または第２の構成において、補助電
磁石にパルス状の電流を流し、かつ該電流のパルス幅を
可変としたものである。

【００１６】また、本発明の第４の構成に係るジャイロ
トロン装置は、第１ないし第３のいずれかの構成におい
て、補助電磁石にパルス状の電流を流し、かつ該電流の
周期を可変としたものである。

【００１７】また、本発明の第５の構成に係るジャイロ
トロン装置は、第１ないし第４のいずれかの構成におい
て、補助電磁石にパルス状の電流を流し、かつ該電流の
波高値を可変としたものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．以下、本発明の実施の形態１について説
明する。図１は実施の形態１によるジャイロトロン装置
を示す図である。図において、１は電子ビーム９を放出
する電子銃、２はカソード、３はカソード２上の電子放
出部、４は第１アノード、５は第２アノードである。こ
こに示した電子銃１においては、第１アノード４と第２
アノード５間に絶縁が施されており、このような電子銃
は３極型電子銃と呼ばれる。６は電子ビーム９と高周波
電磁場とが共鳴的に相互作用を起こし、高周波１０を発
生する空胴共振器、７は相互作用を終えた電子ビーム９
を回収するコレクタ、８は高周波１０を取り出す出力窓
である。ジャイロトロン装置３００は、電子銃１，空胴
共振器６，コレクタ７，出力窓８などによりなるジャイ
ロトロン２００と、電子ビーム９に旋回運動を起こさせ
るため、ジャイロトロン２００の軸方向に磁場を発生す
る空胴共振器用磁場発生手段である空胴共振器用磁場発
生電磁石１１および電子銃部用磁場発生手段である電子
銃部用磁場発生電磁石１２とにより構成される。この空
胴共振器用磁場発生電磁石１１をここでは主磁場発生電
磁石と称する。

【００１９】また、２７はジャイロトロン２００中で電
子ビーム９を加速するためのビーム電圧を供給する直流
ビーム電源、３０は空胴共振器６内に磁場を発生する補
助電磁石、３１は主磁場発生電磁石１１に電流を流す直
流電源、３２は補助電磁石３０にパルス状の電流を流す
補助電磁石用電源である。ここで、主磁場発生電磁石１
１が発生する磁場を定常磁場と呼ぶこととする。電子銃
１のカソード２・第１アノード４間、およびカソード２
・第２アノード５間には直流ビーム電源２７および分圧
抵抗２５ａ，２５ｂによって、それぞれ電圧が印加され
ており、電子銃１から直流の電子ビーム９が放出されて
いる。

【００２０】ビーム電圧およびビーム電流を一定とした
ときの、ジャイロトロンの出力パワー（縦軸）と空胴共
振器６内の軸方向磁場の磁束密度（横軸）との関係を図
２に示す。空胴共振器６内の軸方向磁場の磁束密度Ｂか
ら、式（２）の関係で決まる電子のサイクロトロン周波
数Ω_c が、式（１）を満たすとき、空胴共振器６内で電
子ビーム９と高周波電磁界とが相互作用し、強力な電磁
波が発生する。その磁束密度の最適値がＢ₁ であり、こ
のとき最大出力パワーＰ₁ が得られる。最大出力パワー
を与える磁束密度Ｂ₁ は、電子ビームの加速電圧や、電
子ビーム電流に依存する。磁束密度をＢ₁ から大きくす
ると、電子ビーム９と高周波電磁界との相互作用は徐々
に弱くなり、それに伴なってジャイロトロン２００の出
力パワーも低下する。そして、磁束密度がＢ₂ のときに
はジャイロトロン２００の出力パワーはＰ₂ となる。こ
の場合でも式（１）は満たされているが、さらに磁束密
度をあげて、相互作用により電子ビーム９のエネルギー
のうち高周波電磁界へ変換されるエネルギーが、空胴共
振器６の電気的特性から決まる損失よりも小さくなると
発振が停止し、出力パワーは零となる。即ち、空胴共振
器６内の軸方向磁場の磁束密度Ｂを制御すれば、ジャイ
ロトロン２００の出力パワーを制御することができる。

【００２１】ただし、空胴共振器６内の軸方向磁場の磁
束密度をＢ₁ より小さくすることによってもジャイロト
ロン２００の出力パワーを小さくすることが可能である
が、Ｂ₁ より磁束密度の大きな領域の方が、より安定に
ジャイロトロン２００の出力パワーを制御できるため、
本実施の形態ではＢ₁ より磁束密度の大きな領域を利用
している。

【００２２】ここで、磁束密度Ｂ₁ と磁束密度Ｂ₂ の差
は、Ｂ₁ またはＢ₂ に対して２％程度の大きさであり、
空胴共振器６内の磁束密度を僅かに変化させるだけで、
ジャイロトロンの出力パワーを大きく変化させることが
できる。このように、空胴共振器６内の軸方向磁場の磁
束密度を僅かに変化させることを本明細書において、変
調と呼ぶ。

【００２３】即ち、空胴共振器６内の磁束密度と出力パ
ワーには、図２に示すような関係があり、特に空胴共振
器６内の磁束密度の僅かな変化で、ジャイロトロンの出
力パワーの大きな変化を得ることができる。このことか
ら、例えば空胴共振器６内の軸方向磁場の磁束密度を図
３に示すようにパルス的に変化させれば、ジャイロトロ
ンの出力パワーを図４のようにパルス的に変化させるこ
とが可能である。ここで、図３は、横軸に時間、縦軸に
空胴共振器６内の軸方向磁場の磁束密度を示すグラフで
あり、図４は、横軸に時間、縦軸に出力パワーを示すグ
ラフである。

【００２４】以下に、空胴共振器６内の磁束密度を変調
することにより、ジャイロトロン２００の出力パワーを
変化させるための制御方法について、さらに具体的に説
明する。主磁場発生電磁石１１は、図５に示すように、
ジャイロトロンの最大出力パワーＰ₁ に対応する磁束密
度Ｂ₁ を時間的に一定の定常磁場として発生しており、
そのために必要な直流電流は直流電源３１から供給され
る。補助電磁石３０は図６に示すようなＢ₁ とＢ₂ の差
に相当する磁場（Ｂ₂−Ｂ₁）を発生する。このために必
要なパルス状の電流は補助電磁石用電源３２から供給さ
れる。その結果、主磁場発生電磁石１１による定常磁場
（Ｂ₁ ）に、補助電磁石３０によるパルス状の変動磁場
が重畳され、空胴共振器６内の軸方向磁場の磁束密度は
図７に示すように図３と同様、Ｂ₁ とＢ₂ の間でパルス
的に変化することになる。従って、図４に示したよう
に、ジャイロトロンの出力パワーをＰ₁ とＰ₂ の間でパ
ルス的に変化させることができる。

【００２５】ここで、補助電磁石３０の発生する磁場
は、Ｂ₁ とＢ₂ の差に相当する弱い磁場であるから、そ
れに必要な補助電磁石用電源３２は小さい容量のもので
よく、パルス電源で構成することが可能である。従っ
て、この実施の形態の構成と制御方法によれば、高電圧
を必要とする直流ビーム電源２７および大容量を必要と
する主電磁石用の直流電源３１はいずれも直流電源でよ
く、小容量の補助電磁石用電源３２のみをパルス状に変
化させればよいので、装置を安価に構成することがで
き、制御が容易となる。また、小容量のパルス電源は容
易に高速制御が可能である。

【００２６】このように、補助電磁石３０にパルス状の
電流を流すことによりジャイロトロンの出力パワーをパ
ルス的に変化させるようにすると、マイクロ波の平均出
力パワーの制御が可能となる。以下に、マイクロ波の平
均出力パワーを制御する具体例として、補助電磁石３０
に流す補助電磁石用電源３２のパルス状の電流のパルス
幅を可変にした制御について説明する。例えば、図８
（ａ）〜（ｃ）は補助電磁石３０に流す補助電磁石用電
源３２の電流波形を示すグラフであり、横軸に時間、縦
軸に電流を示す。図８に示すように、補助電磁石用電源
３２が補助電磁石３０に流すパルス状電流のパルス幅τ
をτ₁ （図８（ａ）），τ₂ （図８（ｂ）），τ₃ （図
８（ｃ））のように変化させ、パルスの周期ｔはｔ₁ で
一定とする。ただし、Ｉ₁ は補助電磁石３０が磁束密度
Ｂ₂−Ｂ₁の磁場を発生するために必要な電流である。こ
の結果、ジャイロトロンの出力パワーの波形は図９
（ａ）〜図９（ｃ）に示すようになる。即ち、一周期ｔ
₁ 中で、ジャイロトロンの出力パワーがＰ₂ である時間
がτ₁ からτ₃ まで変化し、平均出力パワーの制御が可
能となる。また、このようなパルス幅を変える操作は短
時間で行えるので、ジャイロトロンの平均出力パワーを
短時間で変化させることができるという利点がある。

【００２７】また、マイクロ波の平均出力パワーを制御
する他の具体例として、補助電磁石３０に流す補助電磁
石用電源３２のパルス状の電流の周期を可変にした制御
について説明する。例えば、図１０（ａ）〜（ｃ）は補
助電磁石３０に流す補助電磁石用電源３２の電流波形を
示すグラフであり、横軸に時間、縦軸に電流を示す。図
１０に示すように、補助電磁石用電源３２が補助電磁石
３０に流すパルス状電流の周期ｔをｔ₂ （図１０
（ａ）），ｔ₃ （図１０（ｂ）），ｔ₄ （図１０
（ｃ））のように変化させ、パルス幅τはτ₄ で一定と
する方法でもよい。ここで、図８と同様、Ｉ₁ は補助電
磁石３０が磁束密度Ｂ₂−Ｂ₁の磁場を発生するために必
要な電流である。この結果、ジャイロトロンの出力パワ
ーの波形は図１１（ａ）〜図１１（ｃ）に示すようにな
る。即ち、ジャイロトロンの出力パワーがＰ₂ である時
間がτ₄ で一定で、出力パワーがＰ₁ である時間（ｔ−
τ）が変化する結果、平均出力パワーの制御が可能とな
る。このようにしても、ジャイロトロンの平均出力パワ
ーを短時間で変化させることができる。

【００２８】また、マイクロ波の平均出力パワーを制御
するさらに他の具体例として、補助電磁石３０に流す補
助電磁石用電源３２のパルス状の電流の波高値を可変に
した制御について説明する。例えば、図１２（ａ）〜
（ｃ）は補助電磁石３０に流す補助電磁石用電源３２の
電流波形を示すグラフで、横軸に時間、縦軸に電流を示
す。図１２に示すように、補助電磁石用電源３２が補助
電磁石３０に流すパルス状電流の波高値Ｉ_x を変化さ
せ、パルス幅τおよび周期ｔは一定とする方法でもよ
い。ここで、図８と同様、Ｉ₁ は補助電磁石３０が磁束
密度Ｂ₂−Ｂ₁の磁場を発生するために必要な電流であ
り、波高値Ｉ_x は０からＩ₁ の範囲内で変化させてい
る。この結果、ジャイロトロンの出力パワーの波形は図
１３（ａ）〜図１３（ｃ）に示すようになる。即ち、ジ
ャイロトロンの出力パワーの最大値はＰ₁ であるが、出
力パワーの最小値（図１３（ａ）〜（ｃ）におけるＰ
_x ）が変化する結果、平均出力パワーの制御が可能とな
る。このようにしても、ジャイロトロンの平均出力パワ
ーを短時間で変化させることができる。

【００２９】以上では、３極型電子銃を採用したジャイ
ロトロンについて述べてきたが、２極型電子銃を採用し
たジャイロトロンについても同様である。

【００３０】このように、補助電磁石３０および補助電
磁石用電源３２を用いて空胴共振器６内の磁束密度を変
調することにより、安価な直流ビーム電源２７および主
磁場発生用直流電源３１で、連続発振動作のみならずパ
ルス動作が可能なジャイロトロンを得ることができる。
その結果、例えば大きな平均電力が必要な場合は、連続
発振動作を行い、平均電力は小さくてよいが瞬間的に大
きな電力が必要な場合は、パルス動作を行うなど、それ
ぞれの運転方式の特徴を生かした利用が可能となる。従
って、ジャイロトロンを工業用に利用する場合の様々な
要求に対して、１つの直流ビーム電源で対応できるた
め、低コスト化が可能であり、コストパフォーマンスも
高いジャイロトロン装置が実現できる。

【００３１】また、補助電磁石用電源３２が補助電磁石
３０に流すパルス状の電流の、パルス幅、周期、波高値
のうちのいずれかを可変にしたり、または組み合わせて
可変にすることにより、平均出力パワーの制御が可能で
あり、短時間で平均出力パワーを変化させることがで
き、操作性が良好になる。

【００３２】さらに、本実施の形態によれば、ジャイロ
トロン装置の性能試験時の安全性の向上も図ることがで
きる。即ち、工業用としてジャイロトロンを用いるに
は、ジャイロトロンからマイクロ波の被供給装置までマ
イクロ波の伝送系を組む必要があるが、このマイクロ波
伝送系のコンポーネントであるモード変換器やモードフ
ィルタ、マイターベンドなどの性能試験を、直流ビーム
電源装置を用いながら平均出力パワーの小さいパルス発
振動作で行うことができる。これは、伝送系の性能試験
上、大変都合がよい。なぜなら、例えば伝送系に不備が
あって、マイクロ波の反射が大きい場合でも、平均出力
パワーを小さく制御することができればジャイロトロン
に重大な損傷を与えることがないからである。また、例
えば、モード変換器によって変換されたマイクロ波の電
力密度分布を測定する方法として、マイクロ波をマイク
ロ波吸収体に照射して発熱させ、吸収体表面の温度分布
を赤外線カメラなどで測定するという方法がある。この
場合でも、マイクロ波の平均電力が大きければマイクロ
波吸収体が過度に発熱するが、平均電力が小さければそ
のような恐れは無く、簡単に電力密度分布の測定が可能
となる。

【００３３】実施の形態２．実施の形態１では、主磁場
発生電磁石１１が磁束密度Ｂ₁ の磁場を定常磁場として
空胴共振器６内に発生するように構成し、発振効率の高
い連続発振動作を通常の運転状態とした。これに対し、
実施の形態２では、主磁場発生電磁石１１が磁束密度Ｂ
₂ の磁場を定常磁場として空胴共振器６内に発生するよ
うに構成し、発振効率の低い連続発振動作を通常の運転
状態とする。

【００３４】実施の形態２における装置構成は、図１と
同様である。主磁場発生電磁石１１は、図１４に示すよ
うに、ジャイロトロンの小出力運転状態に対応する磁束
密度Ｂ₂ を時間的に一定の定常磁場として発生してお
り、そのために必要な直流電流は直流電源３１から供給
される。補助電磁石３０は、図１５に示すようなＢ₁ と
Ｂ₂ の差に相当する磁場−（Ｂ₂−Ｂ₁）を発生する。即
ち、補助電磁石３０が、主磁場発生電磁石１１の発生す
る磁場に対して逆方向の磁場を発生するように、パルス
状の電流を補助電磁石用電源３２より供給する。その結
果、主磁場発生電磁石１１による定常磁場（Ｂ₂ ）に、
補助電磁石３０によるパルス状の変動磁場が重畳され、
空胴共振器６内の軸方向磁場の磁束密度は、図１６に示
すように変化し、図３と同様にＢ₁ とＢ₂ の間でパルス
的に変化することになる。従って、図４に示したよう
に、ジャイロトロンの出力パワーをＰ₁ とＰ₂ の間でパ
ルス的に変化させることができる。

【００３５】また、このように構成した場合、補助電磁
石３０に電流を流さない通常の運転状態では、空胴共振
器６内の磁束密度は小出力運転に対応するＢ₂ となる。
このため、ジャイロトロンの通常運転時には、小さな出
力パワーＰ₂ を出力したり、または主磁場発生電磁石１
１によって発生される磁束密度をＢ₂ より大きく選ぶこ
とによって、マイクロ波を放出しない状態とすることも
可能である。

【００３６】また、実施の形態２においても、実施の形
態１と同様にマイクロ波の平均出力パワーを制御するこ
とができる。そのためには、補助電磁石３０に流すパル
ス状電流の波形を、以下に説明するように制御すればよ
い。例えば、図１７（ａ）〜図１７（ｃ）に示すよう
に、補助電磁石用電源３２が補助電磁石６に流すパルス
状電流のパルス幅τを、τ₅ からτ₇ のように変化さ
せ、それらの周期ｔはｔ₅ で一定とする。ただし、−Ｉ
₁ は補助電磁石６が−（Ｂ₂−Ｂ₁ ）の磁束密度の磁場
を発生するために必要な電流である。ここで、電流Ｉ₁
の負符号は、補助電磁石６が発生する磁場の向きが、主
磁場発生電磁石１１が発生する磁場の向きと逆方向であ
るように、電流を流すことを意味する。その結果、ジャ
イロトロンの出力パワーの波形は、図１８（ａ）〜図１
８（ｃ）のように変化することになる。即ち、一周期ｔ
₅ 中で、ジャイロトロンの出力パワーがＰ₁ である時間
がτ₅ からτ₇ まで変化し、平均出力パワーの制御が可
能となる。このような操作は短時間で行えるので、ジャ
イロトロンの平均出力パワーを短時間で変化させること
が可能であるという利点がある。

【００３７】また、図１９（ａ）〜図１９（ｃ）に示す
ように、補助電磁石用電源３２が補助電磁石３０に流す
パルス状電流の周期ｔをｔ₆ からｔ₈ に変化させ、パル
ス幅はτ₈ で一定とする方法でもよい。この場合は、ジ
ャイロトロンの出力パワーの波形は図２０（ａ）〜図２
０（ｃ）のようになり、ジャイロトロンの出力パワーの
パルス幅はτ₈ で一定であり、周期がｔ₆ からｔ₈ に変
化する。この結果、平均出力パワーの制御が可能とな
る。この方法でも短時間でジャイロトロンの平均出力パ
ワーを変化させることができる。

【００３８】また、図２１（ａ）〜図２１（ｃ）に示す
ように、補助電磁石用電源３２が補助電磁石３０に流す
パルス状電流のパルス幅τ₉ および周期ｔ₉ を一定とし
て、波高値Ｉ_y を０から−Ｉ₁ の範囲内で変化させても
よい。この場合、ジャイロトロンの出力波形は図２２
（ａ）〜図２２（ｃ）のようになり、出力パワーＰ_y を
変化させることによって、平均出力パワーを変化させて
いる。この方法でも短時間でジャイロトロンの平均出力
パワーを変化させることができる。

【００３９】本実施の形態によれば、実施の形態１と同
様の効果が得られる上に、ジャイロトロンの小出力状態
を通常の運転状態としているので、例えば、伝送系のコ
ンポーネントのマイクロ波反射率が設計通りであること
を確認しながら、またはマイクロ波の遮蔽が十分に行わ
れていることを確認しながら平均電力を徐々に大きくす
るといったことも可能となる。このため、伝送系でマイ
クロ波の反射がある場合でも、ジャイロトロンへのマイ
クロ波電力の熱的原因による損傷を未然に防止すること
が可能となり、運転の安全性が向上する。

【００４０】実施の形態３．実施の形態１，実施の形態
２では、定常磁場を発生するために主磁場発生電磁石お
よび電子銃部磁場発生電磁石などの電磁石を利用したジ
ャイロトロンに関して説明した。本実施の形態では、電
磁石の代わりに永久磁石によって定常磁場を発生する構
成のジャイロトロンに適用したものを示す。例えば特開
平７−３０７１３２号公報や特開平８−２０３４４１号
公報に示されたジャイロトロンの断面構成を図２３に示
す。図において、３６ａ〜３６ｈは永久磁石である。こ
の永久磁石３６ａ〜３６ｈは、実施の形態１，２におけ
る主磁場発生電磁石１１と電子銃用磁場発生電磁石１２
の機能を兼ねており、空胴共振器６の磁場微調整電磁石
３５ａおよび電子銃１の磁場微調整電磁石３５ｂを組み
合わせて用いている。

【００４１】本実施の形態においても、補助電磁石３０
および補助電磁石用電源を用いてパルス的に変化する磁
場を発生させることにより、上記実施の形態１および実
施の形態２と同様にジャイロトロンをパルス動作させる
ことができる。ただし、図２３では補助電磁石用電源，
空胴共振器６の磁場微調整電磁石３５ａに電流を流すた
めの電源，電子銃１の磁場微調整電磁石３５ｂに電流を
流すための電源，およびビーム電源は省略している。

【００４２】永久磁石３６ａ〜３６ｈの発生磁場の磁束
密度は、永久磁石３６ａ〜３６ｈの温度変化や経年変化
により変化する。このため、永久磁石３６ａ〜３６ｈの
みで常に一定の磁束密度の定常磁場を発生させることは
現実的には不可能である。そこで、発生磁場を微調整す
るために、直流磁場を発生する磁場微調整電磁石３５
ａ，３５ｂを併用して、定常磁場を発生させることが必
要となる。しかし、磁場微調整電磁石３５ａ，３５ｂが
発生すべき磁場の磁束密度は、永久磁石３６ａ〜３６ｈ
が発生している磁場の磁束密度の５％程度以下であるた
め、消費電力の小さい小型の直流電源を要するのみであ
る。さらに、永久磁石３６ａ〜３６ｈは励磁電源や冷却
装置を必要としない。従って、ジャイロトロン装置の全
体をコンパクトにできると同時に、運転コストを低減す
ることができる。

【００４３】実施の形態４．実施の形態１〜実施の形態
３では全て空胴共振器内の磁場に関して述べてきたが、
電子銃部の磁場についても同様の方法が適用できる。た
だし、電子銃部の磁場を変化させたときのジャイロトロ
ンの出力パワーが変化する理由は、空胴共振器６内の磁
場を変化させる場合とは異なる。空胴共振器６におい
て、電子の磁場に対して垂直方向の速度の大きさは、電
子の加速電圧，電子銃の電極形状，および磁場の圧縮比
（空胴共振器内の磁場と電子銃部の磁場の比）により決
定される。ジャイロトロンの出力パワーは電子の磁場に
対して垂直方向の速度による運動エネルギーが源となっ
ているため、一般的にこれが大きいほど、大きなジャイ
ロトロンの出力パワーが得られる。従って、電子の加速
電圧，電子銃の電極形状，および空胴共振器６内の磁場
が一定の場合には、電子銃部の磁場を変化させることに
よって、ジャイロトロンの出力パワーを変化させること
が可能である。

【００４４】電子銃部の磁場の磁束密度と出力パワーの
関係は、図２４に示すように、空胴共振器６内の磁場を
変化させた場合（図２）と同じような傾向がある。図に
おいて、横軸は電子銃部の磁場の磁束密度、縦軸は出力
パワーを示している。従って、図２５のように電子銃部
に補助電磁石３７を設け、これにパルス状の電流を流す
ための電源（図示せず）を接続して、実施の形態１，２
で示した方法を電子銃磁場に対して適用すれば、同様に
安価な直流ビーム電源を用いながらジャイロトロンをパ
ルス的に動作させることが可能となり、実施の形態１，
２と同様の効果が得られる。

【００４５】

【発明の効果】以上のように本発明の第１の構成によれ
ば、電子ビームを射出する電子銃と、射出した電子ビー
ムに旋回運動を起こさせる軸方向磁場を発生する電子銃
部用磁場発生手段および空胴共振器用磁場発生手段と、
旋回運動する電子ビームと固有モードで共振している高
周波電磁場との間でサイクロトロン共鳴メーザ作用を起
こさせる空胴共振器と、この空胴共振器内を通過した電
子ビームを回収するコレクタと、サイクロトロン共鳴メ
ーザ作用により発生した高周波を外部に取り出す出力窓
とを備えたものにおいて、電子銃部用磁場発生手段と空
胴共振器用磁場発生手段の少なくとも一方の発生磁場
に、軸方向の変動磁場を重畳させて磁束密度を変調させ
る補助電磁石と、この補助電磁石を駆動する電源を備
え、軸方向磁場を変調させてジャイロトロンの出力を変
化させることにより、低価格な直流のビーム電源を用
い、ジャイロトロンの出力パワーをパルス的に変化させ
ることができるジャイロトロン装置が得られる。

【００４６】また、本発明の第２の構成によれば、第１
の構成における電子銃部用磁場発生手段および空胴共振
器用磁場発生手段を、永久磁石と磁場微調整電磁石とか
ら構成したことにより、低価格な直流のビーム電源を用
い、ジャイロトロンの出力パワーをパルス的に変化させ
ることができるコンパクトなジャイロトロン装置が得ら
れる。

【００４７】また、本発明の第３の構成によれば、第１
または第２の構成において、補助電磁石にパルス状の電
流を流し、かつ該電流のパルス幅を可変としたことによ
り、低価格な直流のビーム電源を用い、ジャイロトロン
の出力パワーをパルス的に変化させることができ、マイ
クロ波の平均出力パワーを容易に制御できるジャイロト
ロン装置が得られる。

【００４８】また、本発明の第４の構成によれば、第１
ないし第３のいずれかの構成において、補助電磁石にパ
ルス状の電流を流し、かつ該電流の周期を可変としたこ
とにより、低価格な直流のビーム電源を用い、ジャイロ
トロンの出力パワーをパルス的に変化させることがで
き、マイクロ波の平均出力パワーを容易に制御できるジ
ャイロトロン装置が得られる。

【００４９】また、本発明の第５の構成によれば、第１
ないし第４のいずれかの構成において、補助電磁石にパ
ルス状の電流を流し、かつ該電流の波高値を可変とした
ことにより、低価格な直流のビーム電源を用い、ジャイ
ロトロンの出力パワーをパルス的に変化させることがで
き、マイクロ波の平均出力パワーを容易に制御できるジ
ャイロトロン装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態１によるジャイロトロン
装置を示す断面構成図である。

【図２】 実施の形態１に係わり、ジャイロトロンの出
力パワーと空胴共振器内の軸方向磁場の磁束密度との関
係を示すグラフである。

【図３】 実施の形態１に係わり、空胴共振器内の軸方
向磁場の磁束密度の時間変化を示すグラフである。

【図４】 実施の形態１に係わり、図３に示したように
時間的に変化する軸方向磁場を空胴共振器内に発生させ
た場合のジャイロトロンの出力パワーの時間変化を示す
グラフである。

【図５】 実施の形態１によるジャイロトロン装置の主
磁場発生電磁石が空胴共振器内に発生させる磁場を示す
グラフである。

【図６】 実施の形態１によるジャイロトロン装置の補
助電磁石が空胴共振器内に発生させる磁場の時間変化を
示すグラフである。

【図７】 実施の形態１によるジャイロトロン装置の空
胴共振器内のトータルの軸方向磁束密度の時間変化を示
すグラフである。

【図８】 実施の形態１によるジャイロトロン装置にお
いて、補助電磁石に流すパルス状電流のパルス幅を変化
させる様子を示したグラフである。

【図９】 実施の形態１によるジャイロトロン装置にお
いて、図８のように補助電磁石に電流を流したときのジ
ャイロトロンの出力パワーを示すグラフである。

【図１０】 実施の形態１によるジャイロトロン装置に
おいて、補助電磁石に流すパルス状電流の周期を変化さ
せる様子を示したグラフである。

【図１１】 実施の形態１によるジャイロトロン装置に
おいて、図１０のように補助電磁石に電流を流したとき
のジャイロトロンの出力パワーを示すグラフである。

【図１２】 実施の形態１によるジャイロトロン装置に
おいて、補助電磁石に流すパルス状電流の波高値を変化
させる様子を示したグラフである。

【図１３】 実施の形態１によるジャイロトロン装置に
おいて、図１２のように補助電磁石に電流を流したとき
のジャイロトロンの出力パワーを示すグラフである。

【図１４】 本発明の実施の形態２によるジャイロトロ
ン装置の主磁場発生電磁石が空胴共振器内に発生させる
磁場の時間変化を示すグラフである。

【図１５】 実施の形態２によるジャイロトロン装置の
補助電磁石が空胴共振器内に発生させる磁場の時間変化
を示すグラフである。

【図１６】 実施の形態２によるジャイロトロン装置の
空胴共振器内のトータルの軸方向磁束密度の時間変化を
示すグラフである。

【図１７】 実施の形態２によるジャイロトロン装置に
おいて、補助電磁石に流すパルス状電流のパルス幅を変
化させる様子を示したグラフである。

【図１８】 実施の形態２によるジャイロトロン装置に
おいて、図１７のように補助電磁石に電流を流したとき
のジャイロトロンの出力パワーを示すグラフである。

【図１９】 実施の形態２によるジャイロトロン装置に
おいて、補助電磁石に流すパルス状電流の周期を変化さ
せる様子を示したグラフである。

【図２０】 実施の形態２によるジャイロトロン装置に
おいて、図１９のように補助電磁石に電流を流したとき
のジャイロトロンの出力パワー示すグラフである。

【図２１】 実施の形態２によるジャイロトロン装置に
おいて、補助電磁石に流すパルス状電流の波高値を変化
させる様子を示したグラフである。

【図２２】 実施の形態２によるジャイロトロン装置に
おいて、図２１のように補助電磁石に電流を流したとき
のジャイロトロンの出力パワーを示すグラフ図である。

【図２３】 本発明の実施の形態３によるジャイロトロ
ン装置で、磁場発生装置に永久磁石を用いた場合を示す
断面構成図である。

【図２４】 本発明の実施の形態４に係わり、ジャイロ
トロンの出力パワーと電子銃部の磁場の磁束密度との関
係を示すグラフである。

【図２５】 実施の形態４によるジャイロトロン装置を
示す断面構成図である。

【図２６】 従来の３極型電子銃を採用したジャイロト
ロン装置を示す断面構成図である。

【図２７】 従来の２極型電子銃を採用したジャイロト
ロン装置を示す断面構成図である。

【符号の説明】

１ 電子銃、２ カソード、３ 電子放出部、４ 第１
アノード、５ 第２アノード、６ 空胴共振器、７ コ
レクタ、８ 出力窓、９ 電子ビーム、１０高周波、１
１ 空胴共振器用磁場発生電磁石、１２ 電子銃部用磁
場発生電磁石、２０ コンデンサバンク、２１ 充電
器、２２ 制御管、２３ パルス波形発生器、２５ａ，
２５ｂ 分圧抵抗、２６ パルスビーム電源、２７ 直
流ビーム電源、３０ 補助電磁石、３１ 直流電源、３
２ 補助電磁石用電源、３５ａ空胴共振器部の磁場微調
整電磁石、３５ｂ 電子銃部の磁場微調整電磁石、３
６、３６ａ〜３６ｈ 永久磁石、３７ 補助電磁石、２
００ ジャイロトロン、３００ ジャイロトロン装置。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子ビームを射出する電子銃と、射出し
   た上記電子ビームに旋回運動を起こさせる軸方向磁場を
   発生する電子銃部用磁場発生手段および空胴共振器用磁
   場発生手段と、旋回運動する上記電子ビームと固有モー
   ドで共振している高周波電磁場との間でサイクロトロン
   共鳴メーザ作用を起こさせる空胴共振器と、この空胴共
   振器内を通過した電子ビームを回収するコレクタと、上
   記サイクロトロン共鳴メーザ作用により発生した高周波
   を外部に取り出す出力窓とを備えたジャイロトロン装置
   において、上記電子銃部用磁場発生手段と上記空胴共振
   器用磁場発生手段の少なくとも一方の発生磁場に、軸方
   向の変動磁場を重畳させて磁束密度を変調させる補助電
   磁石と、この補助電磁石を駆動する電源を備え、上記軸
   方向磁場を変調させてジャイロトロンの出力を変化させ
   ることを特徴とするジャイロトロン装置。
2. 【請求項２】 上記電子銃部用磁場発生手段および上記
   空胴共振器用磁場発生手段が、永久磁石と磁場微調整電
   磁石とから成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。
3. 【請求項３】 補助電磁石にパルス状の電流を流し、か
   つ該電流のパルス幅を可変としたことを特徴とする請求
   項１または請求項２記載のジャイロトロン装置。
4. 【請求項４】 補助電磁石にパルス状の電流を流し、か
   つ該電流の周期を可変としたことを特徴とする請求項１
   ないし請求項３のいずれかに記載のジャイロトロン装
   置。
5. 【請求項５】 補助電磁石にパルス状の電流を流し、か
   つ該電流の波高値を可変としたことを特徴とする請求項
   １ないし請求項４のいずれかに記載のジャイロトロン装
   置。