JPS599836A - 横方向サイクロトロン相互作用を有する電子管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、回路の周期のピッチは非常に小さくなシ、そのため
製作困難りあシ、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一
１電磁波の軸方向位相速度は光の速度よシも常に大きく
、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、ジャイロトロンであった。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っ
て、サイクロトロン軌道の成る特定の位相へと集群する
。ジャイロトロンは、極めて高い電力のだめの発振器と
して成功を収めた。ジャイロトロンはその帯域幅が固有
的に小さく、そのだめ、通信などのだめの増幅器として
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３，１８３，３９９号に記載さ
れている。この特許は、１９６５年５月１１日にＲｉｃ
ｈａｒｄ　Ｈ，Ｐａｎｔｅｌｌ　　（ｉ！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
。・センチルの管においては、方形の滑らかな導波管が
用いられ、直線に偏波したＴＥｏ、波を支持している。

・やンテルは、電子の螺旋リコンへの軸方向集群による
ビーム変調を記載し７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って生ずる。

そういう集群は確かに起こり得るけれども、・ぐンテル
管は恐らくわずかな相対論的電子移動を利用したジャイ
ロトロン集群をもって動作すると思われる。かくして・
やンテル管は、初期のジャイロトロンであり、非常に狭
い帯域幅を有した。同じくパンチルの米国特許第３，２
４９，７９２号は、上記電子管の変形例を記載している
。そこでは、中空導波管の代わシに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
てちょうど光の速度である。

後者のノ９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３，２４９，７９２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って達成される。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
よシ広範な周波数にわたっ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３，１８３，３９９号から
とった図である。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によって、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のオフセット壁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に沿った軸方向磁場が、包囲ソレノ
イド磁石３８によって発生される。

上述したように、パンチルの前記米国特許は、電子の軸
方向移動の集群によっ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
って引き起こされる。

このことは、電子を集群させ、軸の周シの螺旋形状にリ
ボンを形成する。螺旋のピッチは導波管波長に等しい。

す？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シ弱い。最近の
理論的分析によれば、パンチ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っただろう
と示唆されている。そしてそれは、無線周波「電場」の
横方向成分によっ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。

そういうジャイロトロン集群が、文献［サイクロトロン
共鳴装置Ｊ　（Ｒ，Ｓ、　Ｓｙｍｏｎｓ及びＨ，Ｒ，Ｊ
ｏｒｙによる”　Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　Ｒｅ５ｏｎａｎ
ｃｅＤｅｖｉｃｅ＋ｓ”　：　Ａｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｒ
５ｓｓ　、　Ｉｎｃ、の−Ａｄｖａｎｃｅｓ　１ｎＥｌ
ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｐｈ
ｙｓｌｃｓ　’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、ノクンテル管又は上記のジャイロトロンなど
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
っである。波数に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測的軸方向伝搬定数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４０ｒ４、
双曲線であシ、遮断周波数ω。のところでに＝ｏ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
。曲線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シ変換された電磁波
周波数とみなすとともできる。直線４４の方程式は以下
のようになる。

ω−ｋｖ、＝Ω ここで１１．はビームの軸方向ドリフト速度であシ、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Ｕ、に等しい傾斜を有する。直線４４は、ｋ
＝−Ω／ｖｂ　　のときに零周波数線に交わる。分散曲
線４０と直線４４とが交ゎシ或いは少なくとも接近する
ところの周波数又ぽ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
から見た無線渡場がサイクロトロン周波数にちょうど等
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Ｋよって得られる。実際のジャイロト
ロンにおいては、点４７．４８に対応する周波数ω、と
ω、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、ジャイロトロン、・やンテル型の管は、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５ｏは、米国特許第３．２５８，６２６
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チ
ー／４’付き導電性陽極５４から成る。陽極５４は、電
源５８によっ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６００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）中ニする。陰極５２
から外方へ引き出される電子が、軸方向磁力線を切シ、
それにより回転運動が与えられる。これらの電子は、チ
ーツク付陰極５２とチー・や付陽極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３．３９８，
３７６号に開示されている。次にビーム５６は主要管？
デー６１へと引かれる。？デー６１は、金属製構造物で
あシ、本実施例では陽極５４の電位に支持されている。

？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っ
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
ッチをもって、方位角方向に回転する横方向磁場がある
。この技術は、前掲のバーシュフィ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
ら成シ、導体６２は軸に向けて突出する１対の並置導電
性リッジ６６を有する。リッツ６６の軸に垂直な断面の
形状は、通常のりツノ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、リッジ６６の目的及び
特性は通常のリッジ導波管のそれとは全く異なる。通常
のりツノ導波管の目的は、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７
０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との相互作用によって導波管６４内
で増幅され、下流端において出力導波管７２によって取
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６７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、丑だ軸方向ビーム
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内のりツノ６６の向きは、軸方向距離に従っ
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、リッ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。リップは、
１つのりツノ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
、リッ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、かつリッジのない導波管の遮断周波
数よシ低くしている。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、リッジは十分に大キく、負荷モードのモード・
ぐターンをそこに支持し、全モード・やターンを軸に沿
って前進させながら回転させる。モードパターンとりツ
ノとの間の空間的関係は、変化しない。

リッツの軸方向ピッチは、モードパターンをそこに固定
させるために重要である。ピッチは、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ｒＫ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つのりツノの対向する先
端の間の距離よシも大きくすべきである。

本発明のいくつかの利点を第４図に示しである。

第４図は、第２図と同様な分散図であシ、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ωＣのところで、導波管波長は
無限大になシ波数は零になる。

螺旋回路に対する第４図において、電子から見た電磁渡
場に対する波数がプロットされている。これらは、相互
作用について重要な値である。遮断周波数ωＣのところ
で螺旋リッジに沿っ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
見た横方白場は、ねじれリッジの各ピッチの間に３６０
度又は２ラジアンだけ回転する２、かくして電子は、分
散曲線１５０の中心かに＝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、リッジのね
じれのピッチである。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かに＝−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５４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ωＣから離れ、傾斜の変化率はかな
り小さくなっていることである。かくして、２曲線が非
常に接近した範囲は、ω、からω４への広がった周波数
範囲となっている。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重螺旋導体から成っている。こ
の管において、２つの螺旋は、どの断面をと−っても逆
位相の電流を有するように接続される。モートノ母ター
ンは、第３Ａ及び３Ｂ図のリッ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りツノ
導波管に比して制限される。

２重螺旋は、〇−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シ、螺旋
のピッチは径に比して小さい。本発明においては、横方
向電場が有用であシ、ピッチｐは少なくとも、径りに比
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υ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って良く、或いは
第３Ａ図及び３Ｂ図に示すような中空ビームであっても
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図のリッジ導
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太きいからである。

円筒形又は方形の単一リッジ導波管、２重リッジ方形導
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、上述の倒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って指数的に減少し、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、例示的なものであって限定的なもので
はない。当業者にとっ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
個物によってのみ限定される。

【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３Ａ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５
４・・・陽極　　　　　　　　　５６・・・ビーム５８
・・・電源　　　　　　　　　６０・・・誘電シール６
１・・・主要管ゲデー　　　　　６２・・・中空円筒導
体６４・・・導波管部位　　　　　　６６・・・リッジ
６７・・・絞シ　　　　　　　　　６８・・・コレクタ
７０・・・結合絞シ　　　　　　　７２・・・導波管４
６′・・・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 特許出願人　　パリアン・アソシエイツ・インコーポレ
イテッド 手続補正書（方式・自船 特許庁長官　若　杉　和　夫殿 １、事件の表示　昭和５８年特許願第９５！６２８号２
．１ｌＪ）名　称　　横方向サイクロトロン相互作用を
有する電子管３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住　所（居所）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　　ａ）〜ｆ）の手段から構成され、ｇ）の特徴を
   有する電子管： ａ）軸線に沿った速度成分を有する電子のビ　　２゜−
   ムを発生するだめの読手段； ｂ）前記軸線に対して横方向の前記電子の速度を発生さ
   せるだめの手段； Ｃ）前記電子の前記横方向速度とのエネルギ交換関係を
   もって、前記軸線の方向に電磁波　　３゜を伝搬させる
   ための、（ｃｌ）の特徴を有する導波管手段； ｄ）前記軸線に平行な磁場を発生するだめの手段；　　
   　　　　　　　　　　　　　　　　　４・ｅ）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；ｆ）前記導波管手段から電磁エネルギを
   取出　　　１すための手段； （ｃｌ）前記導波管手段は、所望電磁波モードの横方向
   電場成分の偏波が当該導波管手段の部材の方位角方向に
   固定されるような、前記軸線に垂直な断面形状を有する
   こと；並びにｇ）前記断面形状が前記軸線に沿った距離
   の増大につれて回転すること。 特許請求の範囲第１項に記載された電子管であって： 前記ビームは、前記電磁波との相互作用の前には前記軸
   線に関して対称的である、ところの電子管。 特許請求の範囲第２項に記載された電子管であって： 前記ビームは中空環状断面を有する、ところの電子管１
   、 特許請求の範囲第１項に記載された電子管でちって： 横方向速度を発生させるだめの前記手段は、肪記銃のマ
   グネトロン注入構造体から構成される、ところの電子管
   。 ５、特許請求の範囲第１項に記載された電子管であって
   ： 横方向速度を発生させるための前記手段は、前記銃と前
   記導波管との間の前記磁場の強度を増大させるだめの手
   段を含む、ところの電子管。 ６、特許請求の範囲第１項に記載された電子管であって
   ： 横方向速度を発生させるだめの前記手段は前記銃と前記
   導波管との間の横方向磁場から成り、該横方向磁場は前
   記軸線に沿った距離に従った方向に回転する、ところの
   電子管。 ７、　特許請求の範囲第１項に記載された電子管であっ
   て： 前記軸方向磁場内の前記電子のサイクロトロン周波数が
   、ビーム速度の軸方向成分によりドツプラーシフトした
   前記電磁波周波数にほぼ等しい、ところの電子管。 ８、特許請求の範囲第１項に記載された電子管であって
   ： 前記導波管手段は２重螺旋から成る、ところの電子管。 ９、特許請求の範囲第１項に記載された電子管であって
   ： 前記導波管手段はりツノ負荷導波管から成る、ところの
   電子管。 １０、特許請求の範囲第９項に記載された電子管であっ
   て： 前記導波管は、前記軸線に沿った距離に従ってねじれた
   内方突出導電リッツを有する円筒形状中空管から成る、
   ところの導波管。 １１、特許請求の範囲第１０項に記載された電子管であ
   って： 前記導波管は、互いに対称的に対向して配列された一対
   の内方突出リッジから成る、ところの電子管。 １２、特許請求の範囲第１項に記載された電子管であっ
   て：さらに 前記導波管手段の一端において信号波を注入するだめの
   手段から構成され、 以て当該電子管が増幅器として動作可能である、電子管
   。 １３、特許請求の範囲第１項に記載された電子管であっ
   て： 前記断面形状の前記回転のピッチが前記ビームの径より
   も大きい、ところの電子管。 １４、％許請求の範囲第１項に記載された電子管であっ
   て： 前記断面形状の前記回転のピッチが前記電磁波の導波管
   波長よりも大きい、ところの電子管。 １５、特許請求の範囲第１項に記載された電子管であっ
   て： 前記断面形状は、方向が前記軸線拓沿った距離に従って
   前進的に回転するところのひとつづきの電磁波負荷不連
   続体から成る、ところの電子管。