JPS631201A - マイクロ波用改良型流体封止結合装置 - 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】 本発明はマイクロ波用の導波管に関するものであって、
更に詳細には、マイクロ波源に結合すべく適合された入
力端及びマイクロ波放射に対して透過性の誘電性窓で流
体封止されている出力端を持った導波管を有する高エネ
ルギのマイクロ波放射用の流体封止結合装置に関するも
のである。

マイクロ波源からのマイクロ波を結合させる為、及び気
体を充填した導波管からのマイクロ波を真空容器及び同
様の使用物内へ結合させる為に、真空密封又はより一般
的には流体封止結合装置（ｒマイクロ波窓」）が必要と
される。例えばメガワット範囲における極めて高いマイ
クロ波パワーの場合、例えばジャイロトロン又は自由電
子レーザで発生させることが可能な如く、比較的高い周
波数（例えば、数十ＧＨｚ、例えば６０乃至１００ＧＨ
ｚの間）且つ比較的大きなパルス幅（例えば、数秒から
最大連続波迄）において、パワー密度及び熱応力が発生
し、それらは既知の単−面又は多重開窓で処理すること
は困難である。特別の使用、例えばフユージュン即ち核
融合研究におけるプラズマの高周波数加熱の場合、高周
波数源の窓無し操作が考えられる。然し乍ら、この様な
操作はかなりの欠点及び大きな問題を持っている。

米国特許筒４，２９７，６６２号は、入力及び出力同軸
ライン間の真空密封高周波数透過性窓構成を開示してお
り、その場合、入力及び出力同軸ライン間において、セ
ラミックの中空円筒が配設されており、それは入力同軸
ラインの外側導体の連続として出力同軸ラインへの遷移
領域において入力同軸ラインの内側導体を囲繞している
。窓構成の領域において入力同軸ラインを出力同軸ライ
ンへ適合させる為に、適合用要素が設けられており、例
えば環状適合用要素が離隔した関係でセラミック中空円
筒を取り巻いており且つ出力同軸ラインの内側導体の内
側側部に装着されている。これらの適合用要素は内側導
体を持っていない導波管には適していない。

本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上述
した如き従来技術の欠点を解消し、非常に高い周波数処
理パワー及び長期間負荷に適したマイクロ波導波管に対
する流体封止結合装置を提供するものであって、窓は導
波管に継続する部分を形成する管の形態を持っておりそ
の一端を前記出力端に封止接続させると共に他端をマイ
クロ波反射器で封止されており、前記マイクロ波反射器
は第１近似において円錐状であり且つ前記反射器に対向
する前記導波管の出力端から軸方向に表れるマイクロ波
放射を前記管状窓を介して横方向に反射させ、且つ前記
窓は略カップ形状をした導波管部分によって囲繞されて
おり、前記カップ形状をした導波管部分は前記窓を介し
てそこへ入射されるマイクロ波放射を前記導波管の出力
端からマイクロ波放射が表れる方向へ実質的に反射させ
ることを特徴とする結合装置を提供することを目的とす
る。

本発明に基づく結合装置はインピーダンス整合よりも反
射の原理を基礎として動作するものであり、少なくとも
略円錐の反射器によってＨＦ処理パワーの典型的に１乃
至２％発生するＨＦパワーロスが窓区域上に比較的均一
に分布させることを可能としており、それは典型的に既
知のマイクロ波窓におけるよりも１桁乃至２桁大きい。

実際の窓の円筒形状によって、高い機械的強度も得られ
、従って比較的大きな円筒直径の場合でも、非常に／Ｉ
）さな壁厚さで十分であり、従って吸収を減少させ且つ
パワーロスを減少される。ＨＦ処理パワーが１乃至２Ｍ
Ｗの場合、平均表面応力は３乃至４ワツト／ｄが得られ
、それは強制空気又はガスの流れによって容易に散逸さ
せることが可能である。

１０乃至２０ＭＷのオーダのより一層高い処理パワーの
場合１例えば適宜のオイル、特にシリコーンオイル又は
石油等の適宜の低減衰冷却用流体で外側から誠意を冷却
することが可能であり、該冷却流体を自由表面（入力導
波管の垂直位置）で循環させることが可能である。

本発明に基づく結合装置は、そのことに限定するわけで
はないが、特に、軸対称モードエミッションＴＥｏｎ（
例えば、ジャイロトロン）を具備する高周波数源に適し
ている。非軸対称モード（例えば、私語しているギヤラ
リ−即ち人の集団等）の場合、回転（回転的に分極され
たエミッション）窓区域の−様な応力付与を得ることが
可能である。

以下、添付の図面を参考に、本願発明の具体的実施の態
様に付いて詳細に説明する。尚、第１図乃至第４図は、
本発明に基づく結合装置（マイクロ波窓装置）の４つの
異なった実施例の幾分概略的な軸方向断面図を示してい
る１図示した全ての実施例は回転対称的である。

第１図に示したマイクロ波窓装置１０は、例えば高周波
数セラミック、Ａ　１，０．、　Ｓ　ｉ　Ｏ，、石英ガ
ラス等の可及的に低ロスの誘電性マイクロ波透過性物質
の円筒管１２を有、している。管１２は導波管１４の整
合的継続部を形成しており、該導波管１４は円形断面を
持っており且つ、例えばジャイロトロン又は自由電子レ
ーザ等のマイクロ波源の出力導波管を形成することが可
能である。誘電体管１２の一端部は導波管１４の端部へ
真空密封的に接続されている。管１２の他端部において
、−次近似において円錐形状とした反射器１６が真空封
止的に融着されており、且っ鎖管の内部へ突出している
。管１２に接続されている導波管１４の端部において、
カップ形状の導波路部分１８が更に外側に取付けられて
おり且つ管１２と離隔してそれを囲繞しており、鎖管１
２の端部を越えて延在しており、導波路１４から離隔し
た開放端部２０を持っており、該開放端部２０は、例え
ば。

マイクロ波パワーを消費する物体へ通づる拡大断面部の
導波路２２へ接続させることが可能であるか、又はホー
ンアンテナの態様で動作することが可能である。

金属から構成されている導波路部分１８は、研磨され反
射性で実質的にチューリップ形状をした内側壁２４を持
っており、それは管１２に対向する領域において、ｆ□
（ｚ）の関数に従った断面形状で延在している。尚、２
は軸方向位置を示している。内＃壁２４は、例えば、中
空管状の導波路１４に隣接する実質的に球状のセグメン
トを持っており、それに続いて短い略円筒状の部分が設
けられ、且つ最後に緩やかな曲線に沿って拡大する部分
が設けられており、且つ軸に平行な端部が設けられてい
る。金属又はセラミックから構成される反射器１６は、
反射性の滑らかな内側表面２６を持っており、該内側表
面２６は導波路１４へ向かった方向における点へ向かっ
たテーパ形状となっており且つ２番目の関数ｆ２（ｚ）
に対応して該軸から外側に凹状に延在している。関数ｆ
□（Ｚ）及びｆ２（ｚ）は以下の如くに選択されている
。即ち、実際の窓として作用する管１２を介して通過し
た後に反射器１６の表面２６上にモードがＴＥｍｎで入
射する導波路１４からのマイクロ波放射は導波路部分１
８の表面２４でそれ自身又は明確に定義された隣接モー
ド（ＴＥ’ｍｎ）へ変換され、その他の二次的なモード
は最小とされ旦つ同時的に帰還波も最小とされる様に、
これらの２つの関数が選択される。第１図に基づく窓構
成はＴＥｏｎモード及び（回転していることのある）Ｔ
Ｅｍｎモードでｍが０より大である夫々のモードに適し
ている。関数ｆ工（２）及びｆ２（ｚ）の最初の決定は
、光学的反射テストの助けを借りて行うことが可能であ
る。更に最適化を行う為には、例えば有限要素法を使用
して変分法を使用することが可能である。最適化を実施
し且つ反射及び干渉モード発生に関して適宜のモード分
析器（ｋ分光計）を使用してチエツクすることが可能で
ある。

第２図に示したマイクロ波窓構成は、特に窓溝造へ通づ
る導波路１１４が拡大部１１５を持っておりその直径が
次第に増加し且つその内側壁が関数ｆ３（ｚ）に対応し
て延在しているという点が第１図に示したものと異なっ
ている。拡大部１１５の端部は窓として機能するセラミ
ック管１１２へ封止的に接続されており且つ離隔した関
係でセラミック管を囲繞するカップ形状部分１１８へ封
止状に接続されている。従って管１１２は、ここでは、
元の導波路１１４よりも一層大きな直径を持っている。

導波路１１４から離隔した端部において、第１図に関し
て説明したタイプの反射器１１６が封止状に取り付けら
れており且つその表面は関数ｆ’　２（ｚ）によって画
定される。

カップ形状導波路部分１１８の反射性表面の関数ｆ’　
、（ｚ）及び反射器１１６の関数ｆ″２（ｚ）は、関数
ｆ１（ｚ）及びｆ２（ｚ）の場合に第１図を参照して説
明した態様において選択される。拡大部１１５及びその
結果得られる管１１２のより大きな直径部は、マイクロ
波窓構成の全体的な長さを減少させることを可能とする
。何故ならば、単位長さ当りにおいてより大きな直径に
対応するより大きな窓面積が得られるからである。関数
ｆ３（ｚ）は関数ｆ’　、（ｚ）及びｆ’　２（ｚ）の
最適化の中に組み込まれている。

第３図の実施例は、第１図の実施例に実質的に対応して
いるが、異なる点としては、カップ形状の導波路部分１
８に管１２を冷却する為のガスの導入と排気の為に端子
２８及び３０が設けられている点である。この実施例は
、例えば、１乃至２ＭＷのスループットパワー即ち処理
パワーの場合に適している。

第４図に示した実施例は、例えば、ＩＯＭＷ又はそれ以
上のオーダの極めて高い処理パワーに適している。窓構
成は垂直軸に関して配置した状態で動作され、且つ導波
路部分１８は自由液体表面３８を形成することが可能で
あり且つ不図示の冷却回路を介して循環される低減衰の
誘電体冷却流体３６を流入及び流出させる為の接続部３
２及び３４が設けられている。この場合、冷却流体とし
て１例えば、非常に純粋な石油が適している。

約６０乃至１００ＧＨｚの周波数に対しての典型的な寸
法は以下の通りである。

管１２の軸方向長さ：　約０．５乃至１ｍ管１２の直径
：　約５０乃至１００ｍｍ導波路部分１８の出力側端部
直径：　約１００乃至２００ｍｍ 以上、本発明の具体的実施の態様に付いて詳細に説明し
たが、本発明はこれら具体例にのみ限定されるべきもの
では無く、本発明の技術的範囲を逸脱すること無しに種
々の変形が可能であることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は、本発明に基づいて構成されたマイ
クロ波結合装置の４つの実施例を夫々示した各概略説明
図である。 （符号の説明） １ｏ：マイクロ波窓装置 １２：円筒管 １４：導波路 １６二反射器 １８：カップ形状導波路部分 ２０：開放端部 ２２：導波路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高エネルギのマイクロ波放射用流体封止結合装置に
   おいて、マイクロ波源に結合させるべく適合されている
   入力端及び該マイクロ波放射に対して透過性の誘電性窓
   で流体封止されている出力端を持った導波管を有してお
   り、該窓は導波管に継続する部分を形成する管の形態を
   持っておりその一端を前記出力端に封止接続させると共
   に他端をマイクロ波反射器で封止されており、前記マイ
   クロ波反射器は第１近似において円錐状であり且つ前記
   反射器に対向する前記導波管の出力端から軸方向に表れ
   るマイクロ波放射を前記管状窓を介して横方向に反射さ
   せ、且つ前記窓は略カップ形状をした導波管部分によっ
   て囲繞されており、前記カップ形状をした導波管部分は
   前記窓を介してそこへ入射されるマイクロ波放射を前記
   導波管の出力端からマイクロ波放射が表れる方向へ実質
   的に反射させることを特徴とする結合装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記反射器は回転
   体の形態を持っており、該回転体は前記導波管の出力端
   へ向かう方向にテーパしており且つその反射表面は先端
   部とエッジ部との間における軸部分において導波管へ向
   かって凹形状であることを特徴とする結合装置。 ３、特許請求の範囲第１項又は第２項において、前記管
   状窓を囲繞する前記導波管部分は実質的にチューリップ
   形状の反射内側表面を持っていることを特徴とする結合
   装置。 ４、特許請求の範囲第１項乃至第３項の内のいずれか１
   項において、導波管の出力端はマイクロ波の伝播方向に
   おいて拡大する断面を持っており且つ前記管状窓は対応
   する大きな直径を持っていることを特徴とする結合装置
   。 ５、特許請求の範囲第１項乃至第４項の内のいずれか１
   項において、前記管状窓の外側へ冷却流体を供給する手
   段が設けられていることを特徴とする結合装置。 ６．特許請求の範囲第５項において、前記管状窓を囲繞
   する導波管部分は低損失液体冷却剤用のインレットライ
   ン及びアウトレットラインが具備されていることを特徴
   とする結合装置。 ７、特許請求の範囲第６項において、前記管状窓及びそ
   れを囲繞する導波管部分は実質的に垂直な軸に整合して
   配設されており且つ冷却用流体が前記導波管部分内に自
   由流体表面を形成することを特徴とする結合装置。