JPH1055765A

JPH1055765A - ジャイロトロン装置

Info

Publication number: JPH1055765A
Application number: JP20838496A
Authority: JP
Inventors: Kazuhisa Henmi; 和久逸見
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1996-08-07
Filing date: 1996-08-07
Publication date: 1998-02-24

Abstract

(57)【要約】【課題】ジャイロトロン装置を小型化し、ランニング
コストを安くするとともに、操作性を容易にし、信頼性
も向上させることを目的としている。【解決手段】磁場発生手段は、軸方向の所定の長さ
に、かつ軸方向磁場を発生させるように形成された永久
磁石１５と、軸方向に複数個に分割されて配置され、永
久磁石とともに電子銃の動作に必要な磁場を発生すると
ともに、ジャイロトロンの発振動作に必要な磁場を発生
する電磁石４０とから構成され、軸方向磁場を局所的に
変化させるようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電子サイクロト
ロン共鳴メーザ作用を利用した、マイクロ波またはミリ
波を発生するジャイロトロン、ジャイロクライストロ
ン、ジャイロＴＷＴ、ジャイロペニオトロンなどの装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】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相
互作用を利用した従来の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。
この様な従来のジャイロトロン装置の概略構成を図２３
に示す。図２３において、１は電子ビーム９を取り出す
電子銃であり、２はカソード、３はカソード上の電子放
出部、４は第１アノード、５は第２アノードである。６
は上記電子ビーム９と高周波電磁場とが共鳴的に相互作
用を起こし、高周波エネルギー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は高周波エネルギー１０を取り出す出力窓であ
り、ジャイロトロン装置はこれら電子銃１、空胴共振器
６、コレクタ７、出力窓８等によりなるジャイロトロン
１３と、電子ビーム９に旋回運動を与えるため、ジャイ
ロトロン１３の軸方向に磁場を発生する主電磁石１１と
電子銃電磁石１２より構成される。

【０００３】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９
は、カソード２と第１アノード４間の電界により加速さ
れ、電子銃電磁石１２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、平行方向速度を減少させながら、空胴共振器
６に入る。上記主電磁石１１により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エネルギー１０
は、出力窓８を透過して外部に取り出される。

【０００４】空胴共振器６において電子ビームのエネル
ギーが効率的に高周波エネルギーに変換されるのは、次
式が成り立つ時である。 ω−ｋ_z Ｖ_z ＞ｓΩ_c （１）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は高周波次数、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。Ω
_c は電子の電荷をｅ（絶対値）、空胴共振器内での軸方
向磁束密度をＢ、相対論的係数をγ、電子の静止質量を
ｍ₀とすると次式で与えられる。 Ω_c ＝ｅＢ／γｍ₀ （２）

【０００５】（１）式からわかるように、電子ビームの
エネルギーが効率的に高周波エネルギーに変換され、強
力な電磁波が発生するのは、（１）式の右辺が左辺より
僅かに小さい時である。また、電子ビームの加速電圧を
Ｖ_b ［ｋｖ］とすると、相対論的係数γは次式で与えら
れる。 γ＝１＋Ｖ_b ／５１１（３）したがって、電子ビームの加速電圧を変えるとγが変わ
るため、（１）式を満たすためには、（２）式より軸方
向磁束密度Ｂを調整する必要のあることがわかる。この
ようにジャイロトロン装置においては、磁場が本質的な
役割を果たしており、磁場を精度よく合わせることが、
ジャイロトロン装置を効率よく運転する上で重要であ
る。

【０００６】また、図２４は従来のジャイロトロン装置
の他の例である。図２３ではジャイロトロンの電子銃
は、カソード２と第１アノード４、第２アノード５から
なる３極型電子銃であるが、図２４ではカソード２とア
ノード１４からなる２極型電子銃が用いられている。２
極型電子銃を用いたジャイロトロン装置は、例えば雑誌
「Ｒａｄｉｏｐｈｙｓ．ＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔｒ
ｏｎ．」（Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．２，１９７５，Ｐ．２
０４）に示されている。図２３の３極型電子銃も図２４
の２極型電子銃も、ともに中空状の電子ビームを射出
し、ジャイロトロンを動作させる上での働きは同じであ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来のジャイロトロン
装置は以上のように構成されており、電子に旋回運動を
与えるための主電磁石１１、電子銃電磁石１２には超電
導電磁石、または常電導電磁石、またはその両方を用い
た電磁石が使用されており、電子ビームの加速電圧に応
じて電磁石に流す電流を調整することにより、磁束密度
を最適値に合わせていた。（１）、（２）式から分かる
ように、高周波数の発振を得るためには、空胴共振器６
内で高磁場が必要なため、例えば３０ＧＨｚ程度以上の
発振を得る場合は主電磁石１１には超電導電磁石が用い
られ、それ以下の周波数の発振を得る場合には、常電導
電磁石が利用されることが多い。しかし、超電導電磁石
は一般に高価であり、励磁するためには液体ヘリウムな
どの冷媒を供給するか、冷凍機を使って、極低温にまで
電磁石を冷却しなければならないなど、手間がかかり、
また磁場を急激に変化させることが難しいという問題が
あった。一方、常電導電磁石では、高磁場の発生には大
容量の励磁電源が必要であり、大電力を消費すること、
電磁石や励磁電源を水冷などにより冷却する必要もある
ことなどを考慮すると、ランニングコストが高くなると
いう問題があった。また、軸方向磁場を局所的に調整す
る手段をもたないので、不要モードが発振したり、発振
効率を上げられないなどの問題点があった。

【０００８】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、ジャイロトロン装置を小型化
し、ランニングコストを安くするとともに、操作性を容
易にし、信頼性も向上させることを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明に係るジャイロ
トロン装置は、電子ビームを射出する電子銃と、軸方向
磁場を発生させ、上記射出電子を旋回運動させながら軸
方向にドリフトさせる磁場発生手段と、固有モードで共
振している高周波電磁場を形成し、上記旋回電子との間
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
器とを備えたジャイロトロン装置において、上記磁場発
生手段は、軸方向の所定の長さに、かつ軸方向磁場を発
生させるように形成された永久磁石と、上記永久磁石と
ともに上記電子銃の動作に必要な磁場を発生する第１の
電磁石と、上記空胴共振器付近に設けられ、上記永久磁
石とともにジャイロトロンの発振動作に必要な磁場を発
生する第２の電磁石とから構成されたものである。

【００１０】また、電子ビームを射出する電子銃と、軸
方向磁場を発生させ、上記射出電子を旋回運動させなが
ら軸方向にドリフトさせる磁場発生手段と、固有モード
で共振している高周波電磁場を形成し、上記旋回電子と
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
共振器とを備えたジャイロトロン装置において、上記磁
場発生手段は、軸方向の所定の長さに、かつ軸方向磁場
を発生させるように形成された永久磁石と、軸方向に複
数個に分割されて配置され、上記永久磁石とともに上記
電子銃の動作に必要な磁場を発生するとともに、ジャイ
ロトロンの発振動作に必要な磁場を発生する電磁石とか
ら構成され、軸方向磁場を局所的に変化させるようにし
たものである。

【００１１】また、永久磁石は、磁石切片を複数個、ド
ーナツ状に組み合わせた磁化方向が略々径方向の筒状永
久磁石を軸方向に複数個配置したものを空胴共振器を挟
んで極性を逆にして向かい合うように構成したものであ
る。

【００１２】また、第１の電磁石は、電子銃の動作に必
要な磁場を発生するための電磁石と、永久磁石の温度変
化による磁場変化を補正するための電磁石、または永久
磁石毎の磁場のバラツキを調整するための電磁石とから
なるものである。

【００１３】また、第２の電磁石は、所望の発振出力を
得るための電磁石と、永久磁石の温度変化による磁場変
化を補正するための電磁石、または永久磁石毎の磁場の
バラツキを調整するための電磁石とからなるものであ
る。

【００１４】また、連続的に発振出力を変化させたい
時、所望の発振出力を得るための電磁石にマイナスから
プラスの電流値を流す必要が生ずる場合、永久磁石の温
度変化による磁場変化を補正するための電磁石、または
永久磁石毎の磁場のバラツキを調整するための電磁石に
所定の電流値を流すものである。

【００１５】また、電磁石は、直接本体に巻付けたコイ
ルであるものである。

【００１６】また、電磁石は、本体の取り付け部の寸法
に合わせた巻き枠に巻付けたコイルであるものである。

【００１７】また、一つの巻き枠に各々の電磁石用コイ
ルを巻付けたものである。

【００１８】また、空胴共振器周辺を冷却する冷却手段
を備えたものである。

【００１９】また、所望の発振出力を得るための励磁電
流、永久磁石の温度変化用または永久磁石毎の磁場のバ
ラツキ調整用の励磁電流とを演算する手段を備えたもの
である。

【００２０】また、永久磁石の内部に上記永久磁石の温
度を測定するセンサを備えたものである。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
について説明する。実施の形態１．図１は、この発明の実施の形態１による
ジャイロトロン装置を示す構成図である。図１におい
て、図２３または図２４と同一符号を付したものは、各
々従来のジャイロトロン装置と同一、または相当のもの
である。１５は永久磁石であり、例えば雑誌「Ｉｎｔｅ
ｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｎｆｒ
ａｒｅｄａｎｄＭｉｌｌｉｍｅｔｅｒＷａｖｅ
ｓ」（Ｖｏｌ．１４，Ｎｏ．４，１９９３，Ｐ７８３）
に示されるような方法により軸方向磁場を発生してもよ
いし、図２（ｂ）に示すように、台形状の磁石切片を複
数個各々径方向に磁化した後、図２（ａ）に示すよう
に、ドーナツ状に組み合わせて、外部形状及び内部形状
が多角形であり、磁化方向が略々径方向の筒状永久磁石
１５ａ〜１５ｈを構成し、更に、この筒状永久磁石を軸
方向に複数個配置したものを空胴共振器６を挟んで極性
を逆にして向かい合うように構成することにより、軸方
向磁場を発生させることができる。

【００２２】また、この永久磁石１５はジャイロトロン
１３の軸方向の全長にわたって、ジャイロトロンの発振
動作に必要な磁場の大部分を発生し、更に、この永久磁
石１５と空胴共振器６付近に置かれた主磁場微調整電磁
石１６の両方でジャイロトロン１３の発振動作に必要な
軸方向の磁束密度を空胴共振器６内に発生する。また、
２０は電子銃磁場微調整電磁石であり、永久磁石１５と
ともに電子銃の動作に必要な軸方向の磁束密度をカソー
ド２の電子放出部３付近に発生する。

【００２３】既に記したように、ジャイロトロンの発振
動作には磁場が本質的な役割を果たしており、空胴共振
器６において発振させたい固有モードの発振周波数に合
わせて、磁場を精度よく調整することが、ジャイロトロ
ン装置を効率よく運転する上で重要である。前記
（１）、（２）式からわかるように、高周波数の発振を
得るためには、空胴共振器６において高磁場が必要であ
ることから、従来のジャイロトロン装置の磁場発生装置
には、常電導電磁石、または超電導電磁石、あるいはそ
の両方が用いられてきた。電磁石は、発生させる磁場を
容易に調整できるため、電子ビームの加速電圧やビーム
電流値に合わせて発振出力を制御する上で便利である。
しかし、常電導電磁石の励磁には大容量の励磁電源が必
要で、消費電力も大きく、また励磁電源や電磁石を水冷
するなどにより冷却する必要がある。一方、超電導電磁
石は一般に高価であり、液体ヘリウムなどで極低温にま
で冷却する必要があるなど、いずれの電磁石を使用する
においても初期コスト、ランニングコストが大きく、取
り扱い上の手間もかかるという問題がある。

【００２４】しかし、図１のように永久磁石１５と電磁
石１６、２０の両方を用いた磁場発生装置を用いるとこ
の問題は解消する。例えば、電子ビームの加速電圧がＶ
_b ＝２０ｋＶの時、（３）式より、γ＝１．０４であ
り、２倍高調波発振で周波数２８ＧＨｚの発振を得るた
めには（１）式でｓ＝２であるから、この式と（２）式
より空胴共振器６において約５．２ｋＧより少し小さい
程度の軸方向磁束密度が必要である。このうちの例えば
５ｋＧを永久磁石１５によって発生させ、残りの約０．
２ｋＧを主磁場微調整電磁石１６で発生させれば、励磁
電源は小型でもよく、消費電力は少なくてすむ。

【００２５】なお、電子銃１から射出される電子ビーム
９の特性は、電子ビームの加速電圧やビーム電流値の他
に、電子銃１付近での磁束密度によっても変化し、空胴
共振器６において発生する高周波出力に微妙な影響を及
ぼすことがわかっている。したがって、ジャイロトロン
の電子銃１の磁束密度も微調整できることが望ましい場
合もあり、図１では、永久磁石１５以外に電子銃磁場微
調整電磁石２０を設置している。図１において、１７、
１８、２１、２２はそれぞれ主磁場微調整電磁石１６、
温度調整電磁石１９、電子銃磁場微調整電磁石２０、電
子銃温度調整電磁石２３を励磁させるための電源であ
る。

【００２６】次に、この実施の形態によるジャイロトロ
ン装置の動作について説明する。上述したように、例え
ば２倍高調波発振で周波数２８ＧＨｚの発振を得るため
には、空胴共振器６において約５．２ｋＧの軸方向磁束
密度が必要である。５．２ｋＧのうち例えば５ｋＧの磁
束密度を永久磁石１５によって発生させ、残りの約０．
２ｋＧを主磁場微調整電磁石１６で発生させるものとす
る。一般に永久磁石は、使用時の温度が変化すると、発
生する磁束密度が変化する性質がある。この残留磁束密
度温度係数は磁石材料によって異なるが、例えばネオジ
ム系磁石では−０．１％／℃程度である。したがって、
例えばジャイロトロン装置の運転時の温度が１０℃異な
ると永久磁石の発生する磁場の磁束密度に約５０Ｇの差
ができるため、（永久磁石の温度が上がると発生してい
る磁束密度は減少し、温度が下がると発生している磁束
密度は増加する。）ジャイロトロンの発振出力の制御を
行うためには、温度変化による永久磁石の発生する磁場
の磁束密度の変化を考慮して、温度調整電磁石１９に流
す電流を調整する必要がある。

【００２７】図１では電子銃領域にも電子銃温度調整電
磁石２３が設置されており、これも永久磁石１５の温度
変化によって調整する。なお、一般的な室温の変化内で
は、電子銃温度調整電磁石２３を必要としない場合が多
い。図３は、基準温度を中心に永久磁石１５の温度が変
化した時の温度調整用電磁石１９に流す電流値の例を示
した。永久磁石の温度変化に伴う磁場変化は上記に示し
たように補正することができるので、所望の発振出力を
得るための電磁石（ここでは、主磁場微調整電磁石１
６、電子銃磁場微調整電磁石２０）に流す電流は永久磁
石１５の温度によらず一定となる。ジャイロトロン装置
の発振出力は、主磁場微調整電磁石１６、電子銃磁場微
調整電磁石２０による磁場を変化させることにより連続
的に変化させることができる。

【００２８】一方、永久磁石１５により発生する軸方向
磁場は、個別毎に若干のバラツキがあり、まったく同じ
磁場強度ではない。例えば、前述の５．２ｋＧの磁場を
作る永久磁石１５の場合最小でも０．１ｋＧ程度のバラ
ツキはある。０．１ｋＧ変化するとジャイロトロン装置
の発振出力は変わってしまう。ジャイロトロン装置を使
用するとき、永久磁石のバラツキにより、所望の発振出
力を得るのに、異なった励磁電流にしなければならず使
いにくい。また、同時に数台を運転させる場合システム
が煩雑となる問題がある。

【００２９】しかし、温度調整電磁石１９及び電子銃温
度調整電磁石２３によって永久磁石１５の個別毎のバラ
ツキを補正することができ、使用者は所望の発振出力を
得るための電磁石に決まった値の電流を流せば決まった
値の出力を得ることができる。なお、永久磁石１５の製
品毎のバラツキを補正するための電流値は１つに決まる
ので、図３に示した温度変化による磁場変化分を補正す
る電流値（グラフの線）は平行移動した値となる。（バ
ラツキ補正分の電流値を足した値となる。）

【００３０】また、ｎ台のジャイロトロン装置を同時に
運転するような場合、永久磁石１５毎のバラツキを温度
調整電磁石１９及び電子銃温度調整電磁石２３で補正し
なければ、ジャイロトロン装置１台につき４台の電源
（１７、１８、２１、２２）を各々独立に動かさなけれ
ばならず、最大４ｎ個の指令が必要となる。ここでは永
久磁石１５毎のバラツキを補正しているので最大２ｎ台
を独立に動かせばよくシステムが簡単となる。また、直
列に動かせる電源であれば、電源１７、２１は各々１台
ですむ。

【００３１】また、永久磁石１５毎のバラツキの補正は
所望の発振出力を得るための電磁石１６、２０が行って
もよい。この場合、使用者は永久磁石毎に決められた補
正電流値を加えた電流値でもって所望の発振出力が得ら
れる。温度変化による永久磁石の磁場変化を補う電磁石
（ここでは、温度調整電磁石１９、電子銃温度調整電磁
石２３）は温度変化のみに使う。この場合も流す電流値
は変わらないので上記と同様に最大２ｎ台を独立に動か
せばよいこととなる。

【００３２】また、２種類の電磁石を次のように使う方
法もある。ジャイロトロン１３が永久磁石１５によって
は図４のように連続的に発振出力を変化させたい時、所
望の発振出力を得るための電磁石にマイナスからプラス
の電流値を流す必要が生ずる場合がある。（グラフ線
Ａ）ここで、プラスは永久磁石１５が作る軸方向磁場と同じ
向き（すなわち、強める方向）に電磁石の磁場が作られ
る電流値であり、マイナスは逆である。

【００３３】一般に、＋，−の極性の電流をスイッチの
切換なしに、または、電線のつなぎかえなしに供給でき
る電源（バイポーラ電源）は高価であり、上記作業を必
要とする単極性の電源の価格の数倍する。使用者にとっ
ても不便であり、スムーズに、また、中断なしに連続的
に発振出力を変化させたい場合に支障をきたすこととな
る。しかし、例えば図４において、グラフ線Ａからグラ
フ線Ｂへ平行移動させるために、永久磁石の温度変化に
よる磁場変化用または永久磁石毎の磁場のバラツキを調
整するための電磁石に−２Ａ流せばよい。当然、永久磁
石の温度変化に対応する電流値（図３）や、永久磁石毎
のバラツキを調整するための電流値を−２Ａに足した電
流値を流してもよい。これらの作業をジャイロトロン装
置運転中しばしば行われることはなく（例えば１日に１
回確認し、再調整する程度）、使用者にとって、また、
システム設計にとって煩雑な作業とはならない。

【００３４】すなわち、永久磁石の温度変化による磁場
変化用、または、永久磁石毎の磁場のバラツキを調整す
るための電磁石に所定の電流値を流すことにより、所望
の発振出力を得るための電磁石には、＋または−どちら
か一方のみの極性の電流を流すだけですむようにしたも
のである。こうすることにより、安価な電源を用いれば
よく、使用者にとってシステムが組みやすく、使いやす
いジャイロトロン装置を提供できる。

【００３５】実施の形態２．図５は、この発明の実施の
形態２によるジャイロトロン装置におけるジャイロトロ
ンの外形を示す概略構成図である。永久磁石と電磁石と
からなる磁場発生装置のうち、電磁石はジャイロトロン
に取り付けたコイルである。図において、２４は電子放
出部付近に永久磁石とともに電子銃の動作に必要な軸方
向の磁場を発生させるための電子銃コイル、２５は空胴
共振器付近に永久磁石とともにジャイロトロンの発振動
作に必要な軸方向の磁場を発生させるためのキャビティ
コイルである。電子銃コイル２４、キャビティコイル２
５とも電源２６、２７により励磁電流を流すことにより
電磁石として働く。

【００３６】次に動作について説明する。例えば２８Ｇ
Ｈｚの発振出力を２倍高調波発振で得るためには、５．
２ｋＧの軸方向の磁場が空胴共振器付近に必要である。
このうち、５．１５ｋＧの磁場を永久磁石で０．０５ｋ
Ｇの磁場を電磁石で発生させる。一方、軸方向の磁場を
コイルを用いた電磁石で発生させる場合、コイルの径が
小さい程、少ない巻数（巻層数）、小さい励磁電流で所
望の磁場が得られる。従ってジャイロトロン装置の場
合、ジャイロトロン２００に直接コイルを取り付けれ
ば、最もコイル径の小さいものとなり、少ない巻数、小
さい励磁電流で所望の磁場が得られ、ジャイロトロン装
置がコンパクトとなり、安価な電源ですむ。例えば、φ
７９ｍｍに２００ｍの長さにわたってφ１．３ｍｍのエ
ナメル被覆銅線を２層巻したキャビティコイル２５に
は、電源２７より約２．９Ａの励磁電流を流すことによ
り、０．０５ｋＧの軸方向磁場を得る。

【００３７】また、図５にはジャイロトロンのコレクタ
付近に、コレクタコイル２８も直接ジャイロトロンに取
り付けてある。コレクタコイル２８は、電源２９より励
磁電流を流すことにより電磁石として働く。図１に示し
たように、コレクタは電子ビームを回収する。コレクタ
の位置が永久磁石より外に出ず、内部になるようにした
方が装置全体がコンパクトとなる。このため、電磁石も
またコンパクトであることが求められる。コレクタコイ
ル２８により発生される軸方向磁場は電子ビームがコレ
クタに回収される際のコレクタの熱的負荷を調整するこ
とができる。

【００３８】本実施の形態は、電磁石をできる限り小さ
くするとともに、電磁石に要求される磁場をできり限り
小さな電流値で発生させることができる。これにより、
ジャイロトロン装置がコンパクトになり、また電磁石励
磁用定電流電源の容量が小さいものですみ、安価とな
る。このようなコイルは、ジャイロトロンにエナメル銅
線を直接巻き付ければ所望のものが得られる。

【００３９】実施の形態３．図６は、この発明の実施の
形態３によるジャイロトロン装置を示す概略構成図であ
り、永久磁石と電磁石とからなる磁場発生装置のうち、
電磁石は予め用意されたコイルをジャイロトロンに取り
付けたものである。図において、１３はジャイロトロ
ン、１５は永久磁石、３０はキャビティコイル、３１は
電子銃コイルである。なお、図６のジャイロトロン１３
の細部は図１のものと同様であり、ここでは説明を省略
した。ジャイロトロン１３の外形はキャビティコイル３
０、及び電子銃コイル３１が取り付けられるように、外
径寸法を変えてある。これは、ジャイロトロン１３をで
きる限り小さな寸法にするためである。このようにする
ことにより、コイルの取り付け作業が簡単になる。更に
コイルだけを別に製作するので、品質上バラツキの少な
いものが安定して製作することができる。

【００４０】電子銃コイル３１は例えば図７に示したコ
イル用巻き枠３２に、エナメル銅線を巻き付けて製作さ
れる。こうして製作された電子銃コイルの例を図８に示
した。図において、電子銃コイル３１はコイル用巻き枠
３２にエナメル銅線３３を４層巻き付けて製作されてい
る。コイル用巻き枠３２の厚さ分だけ径が大きくなって
しまうが必要最小限の厚さ（例えば３〜５ｍｍ）なれば
大きな影響はない。

【００４１】上記の例では電子銃コイル３１の場合につ
いて示したが、キャビティコイルやコレクタコイルの場
合であってもよく同様の上記と同様のことが言える。図
９は、予め製作されたコイルをジャイロトロンに取り付
けた他の例を示した。図において、１３はジャイロトロ
ン、１５は永久磁石、３１は電子銃コイル、３０はキャ
ビティコイル、３４はコレクタコイルである。電子銃コ
イル３１、キャビティコイル３０、コレクタコイル３４
に励磁電流を流せば、電磁石として働き、ジャイロトロ
ンが発振動作をするための磁場、電子銃の動作に必要な
磁場、及びコレクタの熱負荷を調整する磁場を、永久磁
石１５とともに発生することとなる。ジャイロトロンの
外形寸法は必要な限り小さな外径となっている。一例を
あげれば、電子銃付近でφ４０〜６０ｍｍ、空胴共振器
付近はφ５０ｍｍ〜φ８０ｍｍ、コレクタ付近はφ９０
〜φ１００ｍｍである。（但し、これに限ったものでは
ない）

【００４２】実施の形態４．図１０は、この発明の実施
の形態４によるジャイロトロン装置を示す概略構成図で
ある。図において、１５は永久磁石、２５はキャビティ
コイル、２４は電子銃コイル、３５は空胴共振器周辺を
冷却するキャビティ冷却、３６は電子放出部周辺を冷却
する電子銃冷却である。キャビティコイル２５、電子銃
コイル２４はジャイロトロン１３に直接取り付けられて
いるので、キャビティ冷却３５、電子銃冷却３６による
冷却される。

【００４３】従来の場合、コイルよりなる電磁石の温度
が上がると、周囲温度も上がり、永久磁石１５の温度も
上がってしまい、永久磁石の発生する軸方向磁場が変化
してしまう。また、ジャイロトロン１３の温度も上がる
ので、空胴共振器における共振周波数がずれることがあ
った。更に、コイルに巻いたエナメル銅線の絶縁劣化の
恐れもある。この実施の形態は、電磁石を直接冷却して
いるので上記のような問題を解決することができる。参
考までに一例を上げれば、図５で示したキャビティコイ
ル２５に５Ａの励磁電流を流すと、コイル内面の温度は
およそ８０℃となる。なお、電子銃冷却３６は、なくて
もよいこともある。

【００４４】また、巻き枠に巻かれたコイルの場合は、
巻き枠を水冷できる構造にしてもよい。また、図１１に
示すように電子銃巻き枠３２の内面に凹凸３７をつけジ
ャイロトロンとの接触面を小さく、伝熱抵抗を大きくし
てもよい。また、この構造は空冷の際は風が通るので効
果的に冷却される。空冷する場合は、キャビティコイル
やコレクタコイルの巻き枠の内面も同様の凹凸を付けれ
ばよい。

【００４５】実施の形態５．図１２は、この発明の実施
の形態５によるジャイロトロン装置における電磁石を示
す概略構成図であり、電子銃コイル３１はコイル用巻き
枠３２に、電子銃温度調整電磁石３８と電子銃磁場微調
整電磁石３９と２段に重ねて巻つけてある例である。電
子銃温度調整電磁石３８と電子銃磁場微調整電磁石３９
の位置関係は図１２と逆でもよい。同様にキャビティコ
イルも、主磁場微調整電磁石と温度調整用電磁石とを２
段に重ねて巻き付けてもよい。

【００４６】図１３はコイル用巻き枠３２に２本のエナ
メル銅線３３を１本にして巻き付けていき、１本は電子
銃磁場微調整電磁石として用い、１本は電子銃温度調整
電磁石として用いるようにしたものである。

【００４７】以上により、１つのコイル用巻き枠に２つ
のコイルを製作することができるのでコンパクトとな
り、ジャイロトロンへの取り付け作業が容易となる。

【００４８】実施の形態６．図１４は、この発明の実施
の形態６によるジャイロトロン装置を示す構成図であ
り、複数個に分割された電磁石により軸方向磁場を局所
的に変化させたジャイロトロン装置の例である。１３は
ジャイロトロン、１５は永久磁石、４０ａ・・・４０ｊ
は複数個に分割された電磁石、４１ａ、４１ｂ・・・４
１ｊは複数個に分割された電磁石のそれぞれに対応し励
磁電流を供給する励磁電源である。例えば、２８ＧＨｚ
の発振出力を２倍高周波発振で得るためには、５．２ｋ
Ｇの軸方向の磁場が空胴共振器６付近に必要である。こ
のうち５．１５ｋＧの磁場を永久磁石１５で発生させ
る。永久磁石１５の磁場は一度作ってしまうと経時変化
や温度変化による変化以外に大きく変わることがない。
このため、磁場を局所的に変化させることが非常に困難
となる。例えば、永久磁石１５に鉄片（シャントと呼ば
れる）を付けて調整するなどの方法があるが、５．１５
ｋＧの高磁場中ではたいへん危険である。

【００４９】操作方法について説明する。予め永久磁石
１５による軸方向磁場を測定しておき、ジャイロトロン
１３にとって最適な磁場分布となるように、複数個に分
割された電磁石４０ａ・・・４０ｊを、それぞれに対応
した励磁電源４１ａ・・・４１ｊにより励磁し磁場を発
生させる。電磁石４０ａ・・・４０ｊは複数個に分割さ
れているため、各々の電磁石の近傍の永久磁石による磁
場にのみ影響する。従って軸方向磁場を局所的に変化さ
せることができる。

【００５０】図１５は、この実施の形態による磁場分布
のグラフの一例である。横軸は軸方向の距離で下に示し
たジャイロトロン１３と対応している。縦軸は軸方向磁
場である。図１５において、点線Ｂは永久磁石１５が作
る軸方向磁場であり、実線Ａは複数個に分割された電磁
石によりジャイロトロン１３にとって最適な磁場分布と
なるよう調整された結果である。以上により、ジャイロ
トロンの発振にとって最適な磁場分布を得ることがで
き、また、ジャイロトロン装置を小型化しランニングコ
ストを安くするとともに操作性を容易にし信頼性を向上
できる。

【００５１】また、図１６は、永久磁石の作る軸方向磁
場をジャイロトロン１３に対応させて軸方向の距離につ
いて示したグラフである。空胴共振器６周辺の磁場（Ａ
の領域）を局所的に見たグラフが図１７の点線Ｘであ
る。５．１５ｋＧを中心に一様でない。これを図１４に
示す複数個に分割された電磁石により、最適な磁場分布
にする。いま、電磁石４０ｆと４０ｈにはマイナスの励
磁電流を流し、電磁石４０ｇにはプラスの励磁電流を流
すと、実線Ｙのようにより一様な磁場分布が得られる。
また、電磁石４０ｆにはマイナスの励磁電流を流し、電
磁石４０ｇ、４０ｈにはプラスの励磁電流を流すと、一
点鎖線Ｚのような斜向磁場が得られる。実線Ｙ、一点鎖
線Ｚのような一様磁場、斜向磁場にすると、高効率で動
作するジャイロトロンを得ることができる。

【００５２】既に記したようにジャイロトロンの発振動
作には磁場が本質的な役割を果たしている。従って空胴
共振器６以外でも条件があえば、所望の高周波以外の不
要モードが発振してしまうことがありえる。不要モード
の発振は所望のモードの全出力に対する割合（モード純
度）を下げるばかりでなく、ジャイロトロンの発振動作
の効率を下げてしまう。また、不要モードが電子銃側へ
伝搬し、カソードを異常加熱し、最終的にはジャイロト
ロンにダメージを与える。このような不要モードの発振
が例えば図１８に示したＢの領域で起こると深刻な問題
となる。

【００５３】この実施のジャイロトロン装置において
は、不要モードが発振動作する領域でその領域の磁場を
局所的に変化させることで、不要モードの発振を抑えな
がら全体としてのジャイロトロンの発振動作には影響を
与えないようにしたものでもある。例えば、不要モード
として約１２ＧＨｚの発振が見つかったとする。発振周
波数からそのモードと磁場がわかるので、永久磁石が作
る軸方向磁場から発振しているのがジャイロトロンのど
のあたりなのか判断することができる。その点をＣ点と
する。次にＣ点近傍にある図１４に示す電磁石４０ｅを
励磁させ、局所的にＣ点の磁場を変え不要モードの発振
を抑えることができる。

【００５４】また、電子を射出する電子放出部３や電子
ビームを回収するコレクタ７のうち、電子ビームが実際
放出、回収される場所付近の領域（図１９のＤ，Ｅの領
域）の磁場は一様の方が良いと言われている。図１４に
示す複数個に分割された電磁石（例えば４０ａ、４０
ｂ、４０ｉ、４０ｊ）を用いれば、所望の磁場を得るこ
とができる。（図１５実線Ａ参照）なお、この実施の形態での複数個に分割された電磁石
と、例えば実施の形態１で示した主磁場微調整電磁石や
温度調整用電磁石とを一緒に用いてもよいし、また、複
数個に分割された電磁石によって主磁場微調整用電磁石
や温度調整用電磁石の働きを代用してもよい。

【００５５】実施の形態７．図２０は、この発明の実施
の形態７によるジャイロトロン装置を示す構成図であ
り、空胴共振器６周辺と電子銃１周辺の永久磁石１５の
作る軸方向磁場をキャビティ補助電磁石４２、電子銃補
助電磁石４４により微調整し、ジャイロトロンの動作に
必要な磁場分布を得るようにしたものである。図におい
て、４４、４７は演算部である。４３、４６はそれぞれ
キャビティ補助電磁石４２、電子銃補助電磁石４５に励
磁電流を供給する電源である。演算部４４、４７ではそ
れぞれに対応した電源４３、４６が電磁石に供給する励
磁電流値を演算し、電源４３、４６から励磁電流を供給
するよう指令を出す。電源４３、４６は上記指令により
電磁石へ電流を供給する。

【００５６】演算部４４、４７の働きについて図２１に
ついて記す。永久磁石の温度変化による磁場の変化分を
補うための電流値を計算し（例えば図３参照）、所望の
発振出力を得るための電流値を計算し（例えば図４参
照）、永久磁石毎のバラツキ分を計算し、各々を加算す
れば、その温度、永久磁石、発振出力に対応した励磁電
流値が決まる。これを電源４３、４６へ指令を出し、電
磁石４２、４５を励磁する。以上により、ジャイロトロ
ン装置がコンパクトになり操作性を向上させることがで
きる。

【００５７】以上の実施の形態において、永久磁石１５
で、例えば５．２ｋＧの磁場を得ようとすると重量が６
００ｋｇ程度（ネオジム系の場合）になる。このような
大容積のものの温度を正確に知るための例を図２２に示
す。１５は永久磁石、４８は熱電対などの温度計であ
る。永久磁石１５は容積が大きいので、気温に左右され
る表面温度では正確に測温できたとは言えない。従っ
て、永久磁石１５のほぼ中央の１カ所に穴を空け、熱電
対などの温度計４８により厚さ方向の真ん中辺りの温度
を測定することより正確に永久磁石１５の温度を知るこ
とができる。

【００５８】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、電子
ビームを射出する電子銃と、軸方向磁場を発生させ、射
出電子を旋回運動させながら軸方向にドリフトさせる磁
場発生手段と、固有モードで共振している高周波電磁場
を形成し、旋回電子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を備えたジャイロトロン
装置において、磁場発生手段は、軸方向の所定の長さ
に、かつ軸方向磁場を発生させるように形成された永久
磁石と、永久磁石とともに電子銃の動作に必要な磁場を
発生する第１の電磁石と、空胴共振器付近に設けられ、
永久磁石とともにジャイロトロンの発振動作に必要な磁
場を発生する第２の電磁石とから構成されたことによ
り、励磁電源は小型になり、消費電力を低減する効果が
ある。

【００５９】また、電子ビームを射出する電子銃と、軸
方向磁場を発生させ、射出電子を旋回運動させながら軸
方向にドリフトさせる磁場発生手段と、固有モードで共
振している高周波電磁場を形成し、旋回電子との間でサ
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
を備えたジャイロトロン装置において、磁場発生手段
は、軸方向の所定の長さに、かつ軸方向磁場を発生させ
るように形成された永久磁石と、軸方向に複数個に分割
されて配置され、永久磁石とともに電子銃の動作に必要
な磁場を発生するとともに、ジャイロトロンの発振動作
に必要な磁場を発生する電磁石とから構成され、軸方向
磁場を局所的に変化させるようにしたことにより、ジャ
イロトロンの発振にとって最適な磁場分布を得ることが
でき、また、ジャイロトロン装置を小型化しランニング
コストを安くするとともに操作性を容易にし信頼性を向
上できる。また、一様磁場、斜向磁場にすることがで
き、高効率で動作するジャイロトロンを得ることができ
る。また、局所的に不要モードの発振している位置の磁
場を変え不要モードの発振を抑えることができる。

【００６０】また、永久磁石は、磁石切片を複数個、ド
ーナツ状に組み合わせた磁化方向が略々径方向の筒状永
久磁石を軸方向に複数個配置したものを空胴共振器を挟
んで極性を逆にして向かい合うように構成したことによ
り、軸方向磁場を発生をさせることができる。

【００６１】また、第１の電磁石は、電子銃の動作に必
要な磁場を発生するための電磁石と、永久磁石の温度変
化による磁場変化を補正するための電磁石、または永久
磁石毎の磁場のバラツキを調整するための電磁石とから
構成されているので、操作性を向上させるとともに、ラ
ンニングコストを低減する効果がある。

【００６２】また、第２の電磁石は、所望の発振出力を
得るための電磁石と、永久磁石の温度変化による磁場変
化を補正するための電磁石、または永久磁石毎の磁場の
バラツキを調整するための電磁石とから構成されている
ので、操作性を向上させるとともに、ランニングコスト
を低減する効果がある。

【００６３】また、連続的に発振出力を変化させたい
時、所望の発振出力を得るための電磁石にマイナスから
プラスの電流値を流す必要が生ずる場合、永久磁石の温
度変化による磁場変化を補正するための電磁石、または
永久磁石毎の磁場のバラツキを調整するための電磁石に
所定の電流値を流すことにより、安価な電源を用いれば
よく、使用者にとってシステムが組みやすく、使いやす
いジャイロトロン装置を提供できる。

【００６４】また、電磁石は、直接本体に巻付けたコイ
ルであるので、電磁石をできる限り小さくするととも
に、電磁石に要求される磁場をできり限り小さな電流値
で発生させることができるので、ジャイロトロン装置が
コンパクトになり、また電磁石励磁用定電流電源の容量
が小さいものですみ、安価となる効果がある。

【００６５】また、電磁石は、本体の取り付け部の寸法
に合わせた巻き枠に巻付けたコイルであるので、コイル
の取り付け作業が簡単になる。更にコイルだけを別に製
作するので、品質上バラツキの少ないものが安定して製
作することができる。

【００６６】また、一つの巻き枠に各々の電磁石用コイ
ルを巻付けたことにより、１つのコイル用巻き枠に２つ
のコイルを製作することができるのでコンパクトにな
り、ジャイロトロンへの取り付け作業が容易となる。

【００６７】また、空胴共振器周辺を冷却する冷却手段
を備えたことにより、電磁石の温度の上昇に伴う周囲温
度の上昇及び永久磁石の温度上昇を防止できるので、永
久磁石の発生する軸方向磁場の変化を防止できる。ま
た、ジャイロトロンの温度上昇を防止し、空胴共振器に
おける共振周波数のずれの発生を防止する効果がある。

【００６８】また、所望の発振出力を得るための励磁電
流、永久磁石の温度変化用または永久磁石毎の磁場のバ
ラツキ調整用の励磁電流とを演算する手段を備えたこと
により、操作性を向上し、装置をコンパクトにする効果
がある。

【００６９】また、永久磁石の内部に永久磁石の温度を
測定するセンサを備えたことにより、正確な温度を知る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１によるジャイロトロ
ン装置を示す構成図である。

【図２】図１のジャイロトロン装置における永久磁石
を示す構造図である。

【図３】基準温度を中心に永久磁石の温度が変化した
時の温度調整用電磁石に流す電流値の例を示す説明図で
ある。

【図４】ジャイロトロンが永久磁石によって連続的に
発振出力を変化させたい時、所望の発振出力を得るため
に電磁石に流す電流値の一例を示す説明図である。

【図５】この発明の実施の形態２によるジャイロトロ
ン装置におけるジャイロトロンの外形を示す概略構成図
である。

【図６】この発明の実施の形態３によるジャイロトロ
ン装置を示す概略構成図である。

【図７】図６のジャイロトロン装置におけるコイル用
巻き枠の外形を示す外形図である。

【図８】図６のジャイロトロン装置における電子銃コ
イルの一例を示す構成図である。

【図９】この発明の実施の形態３によるジャイロトロ
ン装置の他の例を示す概略構成図である。

【図１０】この発明の実施の形態４によるジャイロト
ロン装置を示す概略構成図である。

【図１１】内面に凹凸をつけた電子銃巻き枠を示す説
明図である。

【図１２】この発明の実施の形態５によるジャイロト
ロン装置における電磁石を示す概略構成図である。

【図１３】この発明の実施の形態５によるジャイロト
ロン装置における電磁石の他の例の制作方法を示す説明
図である。

【図１４】この発明の実施の形態６によるジャイロト
ロン装置を示す構成図である。

【図１５】図１４のジャイロトロン装置による磁場分
布の一例を示すグラフである。

【図１６】永久磁石の作る軸方向磁場をジャイロトロ
ンに対応させて軸方向の距離について示すグラフであ
る。

【図１７】図１４のジャイロトロン装置による磁場分
布の他の例を示し、空胴共振器周辺の磁場を局所的に示
すグラフである。

【図１８】ジャイロトロン装置による不要モードの発
振を説明するための図である。

【図１９】電子ビームが放出、回収される場所付近の
領域における磁場の様子を説明するための図である。

【図２０】この発明の実施の形態７によるジャイロト
ロン装置を示す構成図である。

【図２１】図２０のジャイロトロン装置における演算
フローを示す説明図である。

【図２２】この発明の実施の形態によるジャイロトロ
ン装置における永久磁石の温度測定を示す説明図であ
る。

【図２３】従来のジャイロトロン装置を示す構成図で
ある。

【図２４】従来のジャイロトロン装置の他の例を示す
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高周波エ
ネルギー、１１主電磁石、１２電子銃電磁石、１３
ジャイロトロン、１４アノード、１５永久磁石、
１６主磁場微調整電磁石、１７電源、１８電源、
１９温度調整電磁石、２０電子銃磁場微調整電磁
石、２１電源、２２電源、２３電子銃温度調整電
磁石、２４電子銃コイル、２５キャビティコイル、
２６電源、２７電源、２８コレクタコイル、２９
電源、３０キャビティコイル、３１電子銃コイ
ル、３２コイル用巻き枠、３３エナメル銅線、３４
コレクタコイル、３５キャビティ冷却、３６電子
銃冷却、３７凹凸、３８電子銃温度調整電磁石、３
９電子銃磁場微調整電磁石、４０電磁石、４１電
源、４２キャビティ補助電磁石、４３電源、４４
演算部、４５電子銃補助電磁石、４６電源、４７
演算部、４８温度計。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子ビームを射出する電子銃と、軸方向
磁場を発生させ、上記射出電子を旋回運動させながら軸
方向にドリフトさせる磁場発生手段と、固有モードで共
振している高周波電磁場を形成し、上記旋回電子との間
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
器とを備えたジャイロトロン装置において、上記磁場発生手段は、軸方向の所定の長さに、かつ軸方
向磁場を発生させるように形成された永久磁石と、上記
永久磁石とともに上記電子銃の動作に必要な磁場を発生
する第１の電磁石と、上記空胴共振器付近に設けられ、
上記永久磁石とともにジャイロトロンの発振動作に必要
な磁場を発生する第２の電磁石とから構成されたことを
特徴とするジャイロトロン装置。
【請求項２】電子ビームを射出する電子銃と、軸方向
磁場を発生させ、上記射出電子を旋回運動させながら軸
方向にドリフトさせる磁場発生手段と、固有モードで共
振している高周波電磁場を形成し、上記旋回電子との間
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
器とを備えたジャイロトロン装置において、上記磁場発生手段は、軸方向の所定の長さに、かつ軸方
向磁場を発生させるように形成された永久磁石と、軸方
向に複数個に分割されて配置され、上記永久磁石ととも
に上記電子銃の動作に必要な磁場を発生するとともに、
ジャイロトロンの発振動作に必要な磁場を発生する電磁
石とから構成され、軸方向磁場を局所的に変化させるよ
うにしたことを特徴とするジャイロトロン装置。
【請求項３】永久磁石は、磁石切片を複数個、ドーナ
ツ状に組み合わせた磁化方向が略々径方向の筒状永久磁
石を軸方向に複数個配置したものを空胴共振器を挟んで
極性を逆にして向かい合うように構成したことを特徴と
する請求項１または請求項２に記載のジャイロトロン装
置。
【請求項４】第１の電磁石は、電子銃の動作に必要な
磁場を発生するための電磁石と、永久磁石の温度変化に
よる磁場変化を補正するための電磁石、または永久磁石
毎の磁場のバラツキを調整するための電磁石とからなる
ことを特徴とする請求項１に記載のジャイロトロン装
置。
【請求項５】第２の電磁石は、所望の発振出力を得る
ための電磁石と、永久磁石の温度変化による磁場変化を
補正するための電磁石、または永久磁石毎の磁場のバラ
ツキを調整するための電磁石とからなることを特徴とす
る請求項１に記載のジャイロトロン装置。
【請求項６】連続的に発振出力を変化させたい時、所
望の発振出力を得るための電磁石にマイナスからプラス
の電流値を流す必要が生ずる場合、永久磁石の温度変化
による磁場変化を補正するための電磁石、または永久磁
石毎の磁場のバラツキを調整するための電磁石に所定の
電流値を流すことを特徴とする請求項５に記載のジャイ
ロトロン装置。
【請求項７】電磁石は、直接本体に巻付けたコイルで
あることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の
ジャイロトロン装置。
【請求項８】電磁石は、本体の取り付け部の寸法に合
わせた巻き枠に巻付けたコイルであることを特徴とする
請求項１または請求項２に記載のジャイロトロン装置。
【請求項９】一つの巻き枠に各々の電磁石用コイルを
巻付けたことを特徴とする請求項４または請求項５に記
載のジャイロトロン装置。
【請求項１０】空胴共振器周辺を冷却する冷却手段を
備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載
のジャイロトロン装置。
【請求項１１】所望の発振出力を得るための励磁電
流、永久磁石の温度変化用または永久磁石毎の磁場のバ
ラツキ調整用の励磁電流とを演算する手段を備えたこと
を特徴とする請求項１に記載のジャイロトロン装置。
【請求項１２】永久磁石の内部に上記永久磁石の温度
を測定するセンサを備えたことを特徴とする請求項１ま
たは請求項２に記載のジャイロトロン装置。