JPS6256621B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はクライストロン装置の改良に関する。 クライストロン装置は、周知のように直進電子
ビームを発生する電子銃部、電子ビーム路に沿つ
て配置された入力空胴、１個又は複数個の中間空
胴、出力空胴、これらを相互に連結するドリフト
管、用済みの電子ビームを捕集するコレクタ部、
および電子ビームを集束するための集束磁界装置
を有してなり、マイクロ波の増幅や発振をおこな
わせるものである。 そして近来はとくに、入出力変換効率を高める
ため各空胴間を接続するドリフト管の長さを中間
空胴から出力空胴にかけて順次短くして不等配分
にするとともに、高効率および所要の帯域特性が
得られるように各空胴の同調周波数を適宜異なら
せて動作させる多空胴ビーム直進形クライストロ
ン装置が広く使用されている。 ところで、このような電子ビーム直進形クライ
ストロン装置を、連続波あるいは変調周波数の低
い信号の振幅増幅に使用する場合には非常に安定
で高い入出力変換効率での動作が得られる。しか
しパルス信号の増幅あるいはテレビジヨン放送用
電波の同期信号の如くパルス状信号を含む信号の
増幅においては、しばしば第１図に符号ａで示す
ような数ＭHz前後の周波数での振動や、第２図に
符号ｂで示すような不安定な出力レベル変動を生
じることがある。このような現象は、飽和出力に
対して60％ぐらいの出力レベルから上のレベルで
断続的に発生する。また負荷の定在波比が劣化し
た場合には50％以下の出力レベルでも発生するこ
とがある。このような不所望な現象の発生を皆無
とするには入出力変換効率を50％以下にまでおと
して使用せざるを得ない。 このような不安定現象が起る理由は、出力空胴
に高周波を誘起することにより速度エネルギーを
失つた電子が、その下流のドリフト管あるいはコ
レクタ部に滞留してその空間電荷によりこの付近
の電位を一層低める結果、高周波成分をもつ電子
の一部が電子銃方向に逆行して上流の空胴に高周
波電界を誘起するとともにこの高周波電界により
順行電子ビームが速度変調を受け、高周波出力を
不安定にするものと考えられる。そこでこのよう
な逆行電子をドリフト管の一部に強制的に捕捉さ
せるようにしたクライストロン装置が、米国特許
第4099133号明細書に開示されている。それによ
れば、出力空胴の下流又はすぐ上流のドリフト管
のまわりに磁石又は強磁性体を配置して電子ビー
ム路上の集束磁界を部分的に曲げて逆行電子をド
リフト管壁に捕捉しようとする構成である。 ところで、逆行電子をドリフト管の一部に捕捉
するためのみであれば、ビーム集束電界を曲げる
位置とそのための手段の設置位置はどこでもよい
ように思える。しかしながら、逆行電子による高
周波出力の不安定現象を抑制しつつ出力変換効率
を最大にできるビーム集束磁界分布の設定が、と
くに重要であることを本発明者は見い出した。 本発明は以上のような事情にもとづいてなされ
たもので、前述のような不所望な振動、出力レベ
ルの変動などの現象を防止して安定で高い入出力
変換効率の動作を得ることのできるビーム直進形
クライストロン装置を提供するものである。 以下、図面を参照してその実施例を説明する。
なお同一部分は同一符号であらわす。 第３図乃至第８図に示す実施例は、UHFテレ
ビジヨン放送用電力増幅機に使用される５空胴直
進形クライストロン装置である。クライストロン
管本体２０はその空胴群が集束磁界装置２１の内
側に配設されている。管本体２０は、電子ビーム
を発生する電子銃部２２、第１ドリフト管２３、
入力線路２４が接続された共振器からなる入力空
胴２５、第２ドリフト管２６、ダミーロード２７
が接続された共振器からなる第１中間空胴２８、
第３ドリフト管２９、ダミーロード３０が接続さ
れた共振器からなる第２中間空胴３１、第４ドリ
フト管３２、ダミーロードのない高いＱの共振器
からなる第３中間空胴３３、第５ドリフト管３
４、出力同軸線路３５が接続された共振器からな
る出力空胴３６、第６ドリフト管３７、および電
子ビームを捕集するためのコレクタ部３８が、電
子ビーム路の上流から下流へ順次配列されてな
る。各ドリフト管の開口端部は各空胴内で所定の
間隙をおいて相対向しており、空胴間隙をつくつ
ている。そして各ドリフト管長すなわち空胴間隙
の中心間の長さ（l₁）、（l₂）、（l₃）、（l₄）は、高
効
率を得る目的で（l₂）が最も長く、次に（l₁）、
（l₃）、（l₄）の順に短かい関係になつている。つま
りこの発明は、中間空胴が２個もしくはそれ以上
の多空胴形クライストロン装置で、ドリフト管の
長さすなわち各空胴間隙の間隔が、例えば第３図
に示したように出力空胴とそのすぐ上流の中間空
胴３３との間のドリフト管３４の長さ（l₄）が、
その１つ上流のドリフト管３２またはさらにその
１つ上流のドリフト管２９の長さ（l₃）又は（l₂）
よりも短かく構成されている。また各空胴の同調
周波数は、高効率、高利得および広帯域特性を得
る目的で、入力空胴がわから（f₁）、（f₂）、（f₃）、
（f₄）、（f₅）とし、動作中心周波数を（f₀）とすると
第５図に示すような関係にそれぞれ離調されてい
る。なお、第２中間空胴３１と第３中間空胴３３
の同調関係を図と逆に入れ替えてもよい。そして
各空胴のＱも総合の帯域特性が第５図に示すよう
に所定の帯域幅になるようにしている。管本体２
０には、電子銃部２２と入力空胴２５との間、お
よび出力空胴３６とコレクタ部３８との間にそれ
ぞれ強磁性体からなる円板状磁極板（ポールピー
ス）３９，４０が、各ドリフト管２３，３７にそ
れぞれの中央孔が一体的に固着されている。これ
ら磁極板には集束磁界装置２１の継鉄枠４１の上
下端板４２，４３が磁気的に結合されている。継
鉄枠４１の内側には、管本体の管軸ｃと同心状と
なるように巻かれた４個の電磁石コイル４４，４
５，４６，４７が所定間隔をおいて配置されてお
り、これによつて生じる一方向の磁束が、管軸ｃ
すなわち電子ビーム路に平行に導かれる。 そして、出力空胴３６とコレクタ部がわに近接
する磁極板４０との間に、この部分のドリフト管
３７の外周に磁束拡散部材５０が管軸ｃに対して
同心状に配置されている。この実施例で磁束拡散
部材５０は、鉄のような強磁性体の円筒からな
り、以下の説明ではこれを単に磁性円筒５１と記
載する。この部分すなわち出力空胴、磁極板、コ
レクタ部の付近の構造を第４図により説明する。
第５ドリフト管３４の途中の外周に銅製の出力空
胴壁板５２が気密封着され、これと対向するよう
に第６ドリフト管３７の途中の外周にもう１枚の
出力空胴壁板５３が気密封着されている。これら
２枚の円板状出力空胴壁板５２，５３の間に、円
筒状セラミツク誘電体からなる真空外囲器５４が
気密封着されており、またその外周に箱形の外付
空胴箱５５がねじ５６により接続固定され、出力
空胴３６を形づくつている。第６ドリフト管３７
は内径がコレクタ部がわに順次径大となるように
形成されその上方開口部は磁極板４０の中央孔４
０ａに気密に鑞接され、外周には複数のラジエー
タフイン５７が積層固着されている。磁極板４０
にはステンレス鋼の支持リング５８および円板５
９、さらに絶縁セラミツクのスペーサ６０を介し
て銅製のコレクタ電極６１が気密に接合されてお
り、コレクタ部３８を構成している。なお第６ド
リフト管３７のフイン外周の、出力空胴壁板５３
と磁極板４０との間には、ステンレス鋼のような
非磁性体であつて機械的強度の強い補強円筒６２
が、セラミツク誘電体製の外囲器５４と対応する
位置に鑞接されている。またコレクタ電極６１の
下側には銅製円筒６３が接続され、これはコレク
タの延長部としてはたらく。さて磁性円筒５１は
補強円筒６２の外周に巻きつけられており、その
一端開口面５１ａが磁極板４０の中央孔４０ａよ
りも外側の内面に密接されて磁気的に接続されて
おり、他端開口面５１ｂはドリフト管３７に沿つ
て出力空胴３６の方に延長され、その空胴壁板５
３の付近まで延長して配置されている。なお補強
円筒６２と磁性円筒５１とには、内側のラジエー
タフイン５７に冷却空気を導入、排出するための
孔６４が円周上に複数個形成されている。 次にこのクライストロン装置の電子ビーム集束
磁界の分布について説明する。第７図および第８
図に、この発明実施例の構造をそれぞれの図の右
側ａに、それに対応する電子ビーム路上（すなわ
ち管軸ｃ上）の磁束密度分布をそれぞれの図の左
側ｂに実線曲線Ｒで示している。すなわちこの発
明の装置は、磁束拡散部材５０によりビーム路上
の磁束密度の最大位置(k)が出力空胴３６の間隙Ｇ
よりもわずかに上流に位置し、そこから下流側で
磁束ｆが放射方向に拡散して磁束密度が急に低下
する分布になつている。この磁束密度最大点の位
置(k)は、上述のように出力空胴間隙Ｇよりも上流
側で且つこの出力空胴間隙Ｇから上流方向にこの
部分のドリフト管長（l₄）すなわち出力空胴間隙
中心ｇとその１つ上流の中間空胴の空胴間隙中心
ｊとの間の距離の3/5までの領域にあるように設
定されている。 なお磁性円筒を有しない場合の磁束密度分布
は、同図にそれぞれ点線曲線ｐで示すようにコレ
クタ部側磁極板４０の中央孔の位置(h)のわずか上
流に磁束密度最大点が位置している。 なおまた、この磁束密度分布は出力空胴間隙中
心ｇと磁極板４０の中央孔４０ａの内側位置(h)と
中間の位置(i)におけるビーム路上の磁束密度が、
出力空胴間隙中心ｇの位置での磁束密度の60％〜
85％の範囲になるようにすることが特性上さらに
好ましい。なお磁極板４０内面の中央孔４０ａの
位置での磁束密度は出力空胴間隙位置の50％以下
の磁束密度であり、これは磁性円筒がないときよ
りも少し低い値となる。本発明における磁性円筒
５１は、このように電子ビーム路上の磁束が出力
空胴間隙中心よりも上流側で外側へ拡散され、ビ
ーム路上の磁束密度がこの付近から下流側で急激
に低下しはじめるように設けたものである。 出力空胴の１つ上流の中間空胴およびさらにそ
の上流の空胴で速度変調をうけた電子ビームが、
出力空胴間隙の直前でより大きい高周波成分をも
つように集群される。そして出力空胴間隙よりも
上流側で且つこの出力空胴間隙からドリフト管長
の3/5までの領域にビーム集束磁界の磁束密度最
大点が位置される分布となつているので、出力空
胴間隙よりも上流で電子ビームがより強く集束さ
れ、電子の反発力による拡散が抑制されるととも
にこの磁束密度最大点から下流となる出力空胴間
隙ではビーム集束力が再び緩和され電子ビームと
出力空胴との高周波結合が強くなり入出力変換効
率が改善される。 本発明者は、磁極板の中央孔の内径（直径）が
32mm、この磁極板から第６ドリフト管の出力空胴
間隙までの長さが100mm、ドリフト管の最小部内
径が22mmである場合、磁性円筒５１として厚さ
1.5mm、内径120mm、長さ53mmの鉄円筒を、一端が
磁極板に接するようにして同心状に配置し、高周
波出力信号の不安定現象が生じない最大入出力変
換効率を測定した。その結果、磁性円筒がない場
合は約55％の効率であるのに対し、本発明では63
％に改善することができた。なお上述の例で磁性
円筒は、その長さを約半分の28mmにすると効果が
非常に薄れてしまい、他方、磁束密度最大点がド
リフト管長（l₄）の3/5以上上流側に位置する如く
その長さを大幅に長くし、出力空胴間隙よりもは
るかに上流の位置たとえば出力空胴の１つ上流の
空胴付近から磁束が拡散するような磁束密度分布
にしてしまうと、主電子ビームそのものの集束を
乱してしまつてむしろ不都合が生ずる。また磁性
円筒は磁極板から少し離して配置してもよい。こ
の場合は両者を密接させた場合よりも円筒の長さ
を幾分長くする必要がある。しかし離して配置し
ても両者は磁気的には空間を介して結合してお
り、実用上大差ない。なお主電子ビームすなわち
入力空胴がわからコレクタ部へ向かう順行電子ビ
ームは、このような磁性円筒を配置してもほとん
どすべてコレクタ部へ捕集されることが確かめら
れた。具体的にはドリフト管へ流入する電子流に
よるドリフト管電流と、コレクタ部へ捕集される
電子ビームによるコレクタ電流とを、第６図に示
した絶縁スペーサ６０で電気的に両者を分離し、
一方電位は同電位として動作させて測定したとこ
ろ、コレクタ電流が2.1Aのとき、磁性円筒がな
い場合はドリフト管電流が10ｍＡであるのに対
し、磁性円筒を配置した本発明の場合はこれより
も若干増えるがそれでも15ｍＡで、これはコレク
タ電流の0.7％にすぎず、主電子ビームのコレク
タ部への直進を妨げるほどのものではないといえ
る。このように本発明の磁界分布は、主電子ビー
ムの直進に対してはほとんど悪影響を与えず、速
度の遅い電子あるいは逆行電子に対してこれを速
やかにドリフト管に捕集させるように作用する。 第９図に示す実施例は、コレクタ部３８に近く
設けられた磁極板４０の外周に磁気的に補助磁極
板７１を結合し、磁極板４０の裏面に磁束拡散部
材５０を磁気的に接続したものである。磁束拡散
部材５０は磁性円筒５１の下端に外方へ拡がるフ
ランジ部７３が一体的に設けられた強磁性体から
なつている。フランジ部７３は出力空胴壁５５の
近くに位置し、この空胴壁５５の外径寸法よりは
小さい寸法の円板である。 これによつて磁束は出力空胴間隙Ｇよりも少し
上流から拡散する。このため前述のように戻りビ
ームの発生を抑制するとともに電子ビームと出力
空胴との高周波結合が改善される。 第１０図乃至第１３図に示す本発明の各実施例
は、いずれも磁束拡散部材５０の変形例を示すも
のである。第１０図に示す実施例は、コレクタ部
３８に近く設けられた磁極板４０の外周に磁気的
に結合された補助磁極板７１の内側に、半断面が
クランク状に曲げて形成された強磁性体の磁性円
筒５１およびフランジ部７３からなる磁束拡散部
材５０をねじ７２により固定してある。この磁性
円筒５１の下側の内方に延びるフランジ部７３は
磁極板４０と平行になつており、その端部開口５
１ｂはドリフト管３７の外周の補強円筒６２の近
くまで延ばされている。この実施例も磁束拡散部
材５０により電子ビーム路上の磁束の一部が出力
空胴間隙Ｇよりもすぐ上流付近から外側へ拡げら
れる。 第１１図に示す実施例は、磁束拡散部材５０を
その一端に径小にして磁極板４０の中央孔４０ａ
の部分に接続し、外側へ拡げたテーパ部７４をつ
くつたうえ径大な円筒部７５をねじ７６により固
定し、これをドリフト管３７に沿つて出力空胴３
６の方に延長したものである。これは円筒部７５
をねじ７６により出力空胴間隙との相対位置が調
整できるようにしてあり、この円筒部７５の調節
によつて電子ビーム路上の磁束の一部の拡がり具
合を所望に応じて微調整できる。 第１２図に示す実施例は、コレクタ側の電磁石
４７を出力空胴３６に一部同軸的にかかる位置に
おき、継鉄端板４３の円筒部４３ａの内側に補助
磁極板７１を設けこれを磁性円筒５１の下端に接
続し、さらにこの磁性円筒５１の上端にコレクタ
部３８に近接しドリフト管３７に結合された磁極
板４０を結合したものである。この実施例では補
助磁極板７１と磁性円筒とで磁束拡散部材５０を
構成するとともに、これらはまた事実上磁界装置
の磁極板の一部を構成している。これによつて管
軸上の磁束密度分布をその最大点が出力空胴間隙
Ｇよりもわずか上流に位置させそこからコレクタ
部がわに急激に低下する分布とすることができ
る。 以上の実施例では、ドリフト管の外側に磁性円
筒を付加したものであるが、これに限らず、例え
ば第６図に示す補強円筒６２そのものを鉄のよう
な強磁性体で形成して、これで磁性円筒を兼ねて
もよい。この場合はわざわざ第６図の磁性円筒５
１を外付けしなくてよいため構造が不所望に複雑
にならず、実用性がさらに増す。 また同様に、第６図において出力空胴壁板５３
の一部または全部を強磁性体で形成してもよい。
この場合、強磁性体で形成した出力空胴壁板５３
は磁気的には磁極板４０との間の比較的大きな空
間を介して接続され、電子ビーム路上の磁束の一
部が出力空胴間隙よりもわずか上流で外側へ拡が
りはじめるようになる。なおこの場合、第５図の
磁性円筒５１を使用してもよく、この磁性円筒の
長さを適当に選らべば、所望の本発明の磁界分布
に調節することもできる。 また第６図に示すドリフト管３７の外周に積層
したラジエータフイン５７の一部または全部を強
磁性体で形成して、外側の磁性円筒を省略しても
よい。 第１３図に示す実施例は、ドリフト管３７の外
側に、リング状の永久磁石７８を配置したもので
ある。この場合、同図に示すように上側磁極板４
０がＮ極であれば、永久磁石７８を上側がＳ極、
下側がＮ極となるように着磁しておく。これによ
つて磁石による磁界の一部が磁極板とも結合し、
電子ビーム路上の集束用磁束の一部は出力空胴間
隙Ｇよりもわずか上流で外側へ拡げられこの付近
からビーム路上の磁束密度が急に低下する分布に
できる。磁石７８は電磁石であつてもよく、これ
によつて磁束拡散部材５０を構成してもよい。 なお、以上の実施例は、ドリフト管の外周に円
筒状の磁石あるいは強磁性体を同心状に設けた例
であるが、これに限らず、電子ビーム路のまわり
の近くに棒状、半円状、Ｕ字状など任意形状の磁
石あるいは強磁性体片を、ビーム路に対して対称
に、あるいは非対称に配置してもよい。 さらにまた、本発明はコレクタ電位低下形のク
ライストロン装置にも適用できる。 以上のように、本発明のクライストロン装置は
比較的簡単な構造で高効率、安定な動作特性を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は各々クライストロン装置
の出力波形の例を示す図、第３図は本発明の一実
施例を示す概略図、第４図は各空胴の同調周波数
を示す図、第５図は総合の帯域特性図、第６図は
第３図に示す装置の要部拡大断面図、第７図はそ
の構造及びそれに対応する中心軸上の磁束密度分
布を示す図、第８図は同じくその要部を拡大して
示す拡大図、第９図は本発明の他の実施例を示す
概略図、第１０図は本発明の他の実施例を示す要
部縦断面図、第１１図乃至第１３図は各々本発明
の他の実施例を示す要部縦断面図である。 ２０……クライストロン管本体、２１……集束
磁界装置、２２……電子銃部、２５……入力空
胴、２８，３１，３３……中間空胴、３６……出
力空胴、３８……コレクタ部、２３，２６，２
９，３２，３４，３７……ドリフト管、Ｇ……出
力空胴間隙、Ｃ……電子ビーム路（管軸）、４０
……磁極板、５０……磁束拡散部材、５１……磁
性円筒、７８……永久磁石。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電子銃部２２、入力空胴２５、少なくとも２
   個の中間空胴２８，３１，３３、出力空胴３６、
   コレクタ部３８、及びこれらの間を連結する複数
   のドリフト管を有する管本体２０と、電子ビーム
   路に略平行な集束磁界を与えるように配設される
   とともに出力空胴３６の下流側に設けられたコレ
   クタ側磁極板４０を含む集束磁界装置２１と、上
   記管本体２０の出力空胴間隙から下流の電子ビー
   ム路のまわりに設けられた磁束拡散部材５０とを
   具備し、且つ上記管本体２０の出力空胴３６とそ
   のすぐビーム上流の中間空胴３３とを連結するド
   リフト管の長さ（l₄）がその一つ上流のドリフト
   管３２又はさらにその一つ上流のドリフト管２９
   の長さ（l₃、l₂）よりも短く構成されてなるビーム
   直進形クライストロン装置において、 上記磁束拡散部材５０による電子ビーム路上の
   磁束密度分布が、上記出力空胴３６の空胴間隙Ｇ
   よりも上流であつて且つ該出力空胴間隙から上流
   方向にドリフト管３４の長さ（l₄）の3/5までの領
   域に磁束密度最大点があり、該磁束密度最大点か
   ら下流がわで低下する分布であることを特徴とす
   るビーム直進形クライストロン装置。 ２ 磁束拡散部材５０は、出力空胴３６の下流に
   配置されたドリフト管３７のまわりに配置された
   磁石又は強磁性体で構成されてなる特許請求の範
   囲第１項記載のビーム直進形クライストロン装
   置。