JP3414977B2 - Gyrotron device - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gyrotron device for generating a microwave or a millimeter wave by utilizing an electron cyclotron resonance maser action between an electron beam and a high frequency electromagnetic field of an eigenmode of a cavity resonator. Is.
【０００２】[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。このよう
な従来のジャイロトロン装置の概略を図１２に示す。図
１２は従来の３極型電子銃を用いたジャイロトロン装置
を示す断面図であり、図において、１０１は電子ビーム
１０９を取り出す電子銃であり、１０２はカソード、１
０３はカソード１０２上の電子放出部、１０４は第１ア
ノード、１０５は第２アノードで、通常、接地電位であ
る。１０６は電子ビーム１０９と高周波電磁場とが共鳴
的に相互作用を起こし、高周波１１０を発生する空胴共
振器、１０７は相互作用を終えた電子ビーム１０９を回
収するコレクタ、１０８は高周波１１０を取り出す出力
窓であり、ジャイロトロン装置３００はこれら電子銃１
０１、空胴共振器１０６、コレクタ１０７、出力窓１０
８等からなるジャイロトロン２００と、電子ビーム１０
９に旋回運動を与えるため、ジャイロトロン２００の軸
方向に磁場を発生する主磁場発生用電磁石１１１と電子
銃磁場発生用電磁石１１２とにより構成されている。こ
の主磁場発生用電磁石１１１、電子銃磁場発生用電磁石
１１２には、超電導電磁石、または常電導電磁石、ある
いはその両方を用いた電磁石が使用されている。2. Description of the Related Art A gyrotron device utilizing an electron cyclotron resonance maser interaction between an electron beam and a high frequency electromagnetic field of an eigenmode of a cavity resonator is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 56-102045. There is. An outline of such a conventional gyrotron device is shown in FIG. FIG. 12 is a cross-sectional view showing a gyrotron device using a conventional three-pole electron gun. In the figure, 101 is an electron gun for extracting an electron beam 109, 102 is a cathode, and 1 is a cathode.
Reference numeral 03 is an electron emitting portion on the cathode 102, 104 is a first anode, and 105 is a second anode, which are usually at ground potential. Reference numeral 106 denotes a cavity resonator in which the electron beam 109 and the high frequency electromagnetic field interact with each other in a resonant manner to generate a high frequency 110, 107 denotes a collector for collecting the electron beam 109 after the interaction, and 108 denotes an output for extracting the high frequency 110. The gyrotron device 300 is a window and the electron gun 1
01, cavity resonator 106, collector 107, output window 10
Gyrotron 200 composed of 8 etc., and electron beam 10
In order to give the gyrotron 9 a turning motion, it is composed of a main magnetic field generating electromagnet 111 that generates a magnetic field in the axial direction of the gyrotron 200 and an electron gun magnetic field generating electromagnet 112. As the main magnetic field generating electromagnet 111 and the electron gun magnetic field generating electromagnet 112, an electromagnet using a superconducting electromagnet, a normal electromagnet, or both is used.
【０００３】次に動作について説明する。電子銃１０１
のカソード１０２上の電子放出部１０３から射出された
電子ビーム１０９は、カソード１０２と第１アノード１
０４との間の電界により加速され、電子銃磁場発生用電
磁石１１２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。そしてさらに、主磁場発
生用電磁石１１１によって発生された強力な磁場によっ
て電子ビーム１０９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の速度
を減少させながら、空胴共振器１０６に入る。主磁場発
生用電磁石１１１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、空胴共振器１０６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１０６で相互作用を終えた電子ビーム
１０９は、コレクタ１０７に回収され、空胴共振器１０
６で励起された高周波１１０は、出力窓１０８を透過し
て外部に取り出される。Next, the operation will be described. Electron gun 101
The electron beam 109 emitted from the electron emitting portion 103 on the cathode 102 of the cathode 102 and the first anode 1
The magnetic field generated by the electron gun magnetic field generating electromagnet 112 is accelerated by the electric field between the magnetic field generator 04 and the electric field 04, and drifts in the axial direction while making a turning motion. Further, the electron beam 109 is compressed by the strong magnetic field generated by the main magnetic field generating electromagnet 111, and the electrons increase their velocity in the direction perpendicular to the magnetic field and decrease their velocity in the direction parallel to the magnetic field. , Enters the cavity resonator 106. Electrons that are in cyclotron motion by the axial magnetic field generated by the main magnetic field generating electromagnet 111 interact with the high-frequency electromagnetic field of the eigenmode in the cavity resonator 106 by cyclotron resonance maser interaction, and the velocity in the direction perpendicular to the magnetic field of the electrons. Part of the energy of the components is converted into high frequency energy. The electron beam 109 that has completed the interaction in the cavity resonator 106 is collected by the collector 107, and the cavity resonator 10
The high frequency wave 110 excited by 6 passes through the output window 108 and is taken out to the outside.
【０００４】空胴共振器１０６において、電子ビーム１
０９のエネルギーが効率的に高周波のエネルギーに変換
されるのは、次式が成り立つ時である。
ω−ｋz ｖz ≒＞ｓΩc （１）
ここでωは、空胴共振器１０６における固有モードの電
磁場の共振角周波数、ｋz は固有モードの軸方向波数、
ｖz は電子の軸方向速度、ｓは高調波次数、Ωc 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、≒
＞はω−ｋz ｖz よりｓΩc が僅かに小さいことを示
す。In the cavity resonator 106, the electron beam 1
The energy of 09 is efficiently converted into high-frequency energy when the following equation is established. ω−k z v z ≈> sΩ c (1) where ω is the resonance angular frequency of the electromagnetic field of the eigenmode in the cavity resonator 106, k z is the axial wavenumber of the eigenmode,
v z is the axial velocity of the electron, s is the harmonic order, Ω c is the cyclotron angular frequency of the electron considering the relativistic effect, ≈
> Indicates that sΩ c is slightly smaller than ω−k z v z .
【０００５】このΩc は、電子の電荷をｅ（絶対値）、
空胴共振器１０６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。
Ωc ＝ｅＢ／γｍ0 （２）
（１）式から分かるように、電子ビーム１０９のエネル
ギーが効率的に高周波の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。This Ω c is the charge of the electron e (absolute value),
When the axial magnetic flux density in the cavity resonator 106 is B, the relativistic coefficient is γ, and the static mass of electrons is m 0 , it is given by the following equation. Ω c = eB / γm 0 (2) As can be seen from the equation (1), the energy of the electron beam 109 is efficiently converted into high-frequency energy and a strong electromagnetic wave is generated on the right side of the equation (1). Is slightly smaller than the left side.
【０００６】また、電子ビーム１０９の加速電圧をＶb
[ｋＶ]とすると、相対論的係数γは次式で与えられる。
γ＝１＋Ｖb ／５１１ （３）
したがって、（３）式より、電子ビーム１０９の加速電
圧Ｖb 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
要があることが分かる。Further, the acceleration voltage of the electron beam 109 is set to Vb
Given [kV], the relativistic coefficient γ is given by the following equation. γ = 1 + V b / 511 (3) Therefore, from the equation (3), γ changes when the acceleration voltage V b of the electron beam 109 is changed. Therefore, in order to satisfy the equation (1), It can be seen that it is necessary to adjust the directional magnetic flux density B.
【０００７】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、磁場を精度良
く合わせることが、ジャイロトロン装置を効率良く運転
する上で重要となる。As described above, in the gyrotron device, the magnetic field plays an essential role, and it is important to match the magnetic fields with high precision in order to operate the gyrotron device efficiently.
【０００８】次に他の従来例について説明する。図１３
は従来の２極型電子銃を用いたジャイロトロン装置を示
す断面図である。上述した図１２では、ジャイロトロン
２００の電子銃１０１は、カソード１０２と第１アノー
ド１０４、第２アノード１０５からなる３極型電子銃で
あるが、図１３ではカソード１０２とアノード１１４か
らなる２極型電子銃が用いられている。通常、２極型電
子銃では、アノード１１４が接地電位である。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：レ
ディオフィジックス クワンタム エレクトロニクス
（ボリューム．１８，第２，１９７５年，２０４ペー
ジ）「Ｒａｄｉｏｐｈｙｓ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎ．（Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ２，１９７５，Ｐ．２
０４）」に示されている。図１２の３極型電子銃も図１
３の２極型電子銃も、ともに中空状の電子ビーム１０９
を射出し、ジャイロトロン２００を動作させる上での働
きは同じである。Next, another conventional example will be described. FIG.
FIG. 4 is a sectional view showing a gyrotron device using a conventional bipolar electron gun. In FIG. 12 described above, the electron gun 101 of the gyrotron 200 is a three-pole electron gun including a cathode 102, a first anode 104, and a second anode 105, but in FIG. 13, a two-pole electron gun including a cathode 102 and an anode 114. Type electron gun is used. Normally, in a bipolar electron gun, the anode 114 is at ground potential. A gyrotron device using a bipolar electron gun is disclosed in, for example, a magazine: Radiophysics Quantum Electronics (Vol. 18, 2, 1975, p. 204) “Radiophys. Quantum Elec.
tron. (Vol. 18, No. 2, 1975, P. 2
04) ". The three-pole electron gun of FIG. 12 is also shown in FIG.
The two-pole electron gun of No. 3 also has a hollow electron beam 109.
And the operation of operating the gyrotron 200 is the same.
【０００９】[0009]
【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いるので、電子ビーム１
０９の加速電圧や電子ビーム電流に応じて、電磁石１１
１等に流す電流を調整することによって磁束密度を最適
値に合わせなければならず、非常に手間がかかるほか、
運転コストが高いなどの課題があった。すなわち、
（１）式および（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１０６内に高磁場を発
生させる必要があり、例えば、基本波発振（ｓ＝１）で
２８ＧＨｚの周波数の発振を得るためには、約１Ｔの磁
場が必要であった。Since the conventional gyrotron device is constructed as described above, the electron beam 1
Depending on the accelerating voltage of 09 and the electron beam current.
It is necessary to adjust the magnetic flux density to the optimum value by adjusting the current flowing through 1 etc., which is very troublesome,
There were issues such as high operating costs. That is,
As can be seen from equations (1) and (2), in order to obtain high-frequency oscillation, it is necessary to generate a high magnetic field in the cavity resonator 106. For example, fundamental wave oscillation (s = 1) In order to obtain oscillation at a frequency of 28 GHz, a magnetic field of about 1T was required.
【００１０】一方、ジャイロトロン装置の運転コストを
下げるためには、ジャイロトロンの発振効率を上げるこ
とが有効であるが、その一手段として、空胴共振器１０
６内における軸方向の磁束密度に適当な分布を持たせる
と、当該効率が上がることが理論的に分かっている。例
えば、雑誌「アイイーイーイー トランザクションズオ
ン マイクロウエーブ セオリ アンド テクニクス
ボリューム．エムティティ ハイフン ２８，第４，１
９８０年，３１８ページ（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔ
ｉｏｎｓ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ
ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ Ｖｏｌ．ＭＴＴ−２
８，Ｎｏ４，１９８０，Ｐ．３１８）には、空胴共振器
の入口と出口で軸方向の磁束密度に１０％程度の傾斜を
つけることによって効率が上がることが、計算機シミュ
レーションにより示されている。しかし、図１２や図１
３に示した電磁石を用いたジャイロトロン装置におい
て、ジャイロトロンの空胴共振器１０６内に１０％程度
の磁束密度の傾斜をつけることは実際上難しい、という
課題があった。上述したように、ジャイロトロンでは、
動作原理上、空胴共振器１０６内に高磁場が必要なた
め、かなり大きな電磁石が使用され、通常、ジャイロト
ロンは、空胴共振器１０６内の軸方向磁束密度をほぼ平
坦な分布にして運転されている。したがって、ジャイロ
トロンの発振周波数に対する自由空間波長の数倍程度の
長さである空胴共振器１０６の範囲内に、１０％程度の
磁束密度の傾斜をつけるためには、図１２や図１３の２
個（必らずしも２個とは限らない。必要な主磁場が発生
できれば１個でも３個以上でもよい。）の主磁場発生用
電磁石１１１にそれぞれ異なる電流を流すか、あるいは
異なる巻き数や形状にしておかなければならない。しか
し、前者では複数個の励磁電源が必要で装置として高コ
ストとなり、後者では傾斜磁場分布の微調整が難しいと
いう課題があった。さらに、主磁場発生用電磁石１１１
の数を３個以上にしても、この状況は変わらない。On the other hand, in order to reduce the operating cost of the gyrotron device, it is effective to increase the oscillation efficiency of the gyrotron, and as one means therefor, the cavity resonator 10 can be used.
It is theoretically known that the efficiency can be improved by giving an appropriate distribution to the magnetic flux density in the axial direction within 6. For example, the magazine “IEEE Transactions on Microwave Theory and Technics”
volume. MT Hyphen 28, No. 4, 1
980, page 318 (IEEE Transact
ions on Microwave Theory
and Techniques Vol. MTT-2
8, No. 4, 1980, P.I. In 318), it is shown by computer simulation that the efficiency is improved by inclining the axial magnetic flux density at the entrance and exit of the cavity resonator by about 10%. However, FIG. 12 and FIG.
In the gyrotron device using the electromagnet shown in 3, it is practically difficult to provide a gradient of the magnetic flux density of about 10% in the cavity resonator 106 of the gyrotron. As mentioned above, in the gyrotron,
Since a high magnetic field is required in the cavity resonator 106 on the principle of operation, a considerably large electromagnet is used. Normally, the gyrotron is operated by making the axial magnetic flux density in the cavity resonator 106 substantially flat. Has been done. Therefore, in order to provide a gradient of the magnetic flux density of about 10% in the range of the cavity resonator 106 having a length of several times the free space wavelength with respect to the oscillation frequency of the gyrotron, the gradient of FIG. Two
Different currents are supplied to the respective main magnetic field generating electromagnets 111 (not necessarily limited to two, and may be one or three or more as long as the necessary main magnetic field can be generated), or different numbers of turns. Or shape. However, in the former case, a plurality of exciting power supplies are required, resulting in high cost of the apparatus, and in the latter case, there is a problem that it is difficult to finely adjust the gradient magnetic field distribution. Further, the main magnetic field generating electromagnet 111
This situation does not change even if the number of is three or more.
【００１１】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたもので、ジャイロトロン装置のコストを上
げないで高効率発振を実現し、かつ、その操作性も容易
にできるジャイロトロン装置を得ることを目的とする。The present invention has been made in order to solve the above problems, and provides a gyrotron device which can realize high-efficiency oscillation without increasing the cost of the gyrotron device and can be easily operated. The purpose is to get.
【００１２】また、この発明は、空胴共振器内において
比較的短区間に大きな傾斜磁場を発生することができ、
もってジャイロトロン発振の高効率化を図れるジャイロ
トロン装置を得ることを目的とする。Further, according to the present invention, a large gradient magnetic field can be generated in a relatively short section in the cavity resonator,
Therefore, it is an object to obtain a gyrotron device capable of improving the efficiency of gyrotron oscillation.
【００１３】さらに、この発明は、ジャイロトロンにお
ける電子ビームの加速電圧やその電流、発振出力に合わ
せて最適な傾斜磁場分布を選択することができ、操作性
が良いジャイロトロン装置を得ることを目的とする。Another object of the present invention is to obtain a gyrotron device which is capable of selecting an optimum gradient magnetic field distribution in accordance with the acceleration voltage of the electron beam in the gyrotron, its current, and the oscillation output, and which has good operability. And
【００１４】さらに、この発明は、空胴共振器部に感電
の心配なく安全に傾斜磁場をつけることができ、ジャイ
ロトロンの発振効率を上げることができるジャイロトロ
ン装置を得ることを目的とする。A further object of the present invention is to provide a gyrotron device capable of safely applying a gradient magnetic field to the cavity resonator portion without fear of electric shock and increasing the oscillation efficiency of the gyrotron.
【００１５】[0015]
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明に係
るジャイロトロン装置の傾斜磁場発生用電磁石は、同一
方向に巻いた電磁石を２個以上備え、当該同一方向に巻
いた電磁石が発生する軸方向磁場の向きが互いに逆方向
となるように配設したものである。An electromagnet for generating a gradient magnetic field of a gyrotron device according to claim 1 comprises two or more electromagnets wound in the same direction, and the electromagnet wound in the same direction is generated. It is arranged such that the directions of the axial magnetic fields are opposite to each other.
【００１６】
請求項２記載の発明に係るジャイロトロン
装置の傾斜磁場発生用電磁石は、右巻きの電磁石と左巻
きの電磁石をそれぞれ１個以上備え、当該右巻きの電磁
石と当該左巻きの電磁石が発生する軸方向磁場の向きが
互いに逆方向となるように配設したものである。 [0016] Claim 2 gradient magnetic field generating electromagnet gyrotron apparatus according to the described invention, each comprising one or more right-handed electromagnet and left-handed electromagnet, the right-handed electromagnet and the left-handed electromagnet is generated It is arranged such that the directions of the axial magnetic fields are opposite to each other.
【００１７】
請求項３記載の発明に係るジャイロトロン
装置は、電子銃と、空胴共振器と、コレクタと、出力窓
とを備えたジャイロトロンは、２倍高調波発振動作をす
るように構成したものである。 In the gyrotron device according to a third aspect of the invention, the gyrotron provided with an electron gun, a cavity resonator, a collector, and an output window is configured to perform a second harmonic oscillation operation. It was done.
【００１８】
請求項４記載の発明に係るジャイロトロン
装置の傾斜磁場発生用電磁石は、入出力端以外に１個以
上の中間タップを備えたものである。 [0018] 4. gradient magnetic field generating electromagnet gyrotron apparatus according to the invention described are those which include one or more intermediate tap in addition to input and output ends.
【００１９】
請求項５記載の発明に係るジャイロトロン
装置は、傾斜磁場発生用電磁石とジャイロトロン管との
間には、少なくとも１ｋＶ以上の電圧に耐える電気的絶
縁物を施したものである。 In the gyrotron device according to a fifth aspect of the present invention, an electrical insulator that withstands a voltage of at least 1 kV is applied between the gradient magnetic field generating electromagnet and the gyrotron tube.
【００２０】[0020]
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の一形態を
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
置を示す断面図であり、図において、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
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。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
であり、円筒状に形成されている。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。２００はこれら電子銃１、空胴
共振器６、コレクタ７、出力窓８等からなるジャイロト
ロンである。１１は電子ビーム９に旋回運動を与えるた
めにジャイロトロン２００の軸方向に磁場を発生する主
磁場発生用電磁石、１２は電子銃磁場発生用電磁石であ
る。３００はジャイロトロン２００と、主磁場発生用電
磁石１１及び電子銃磁場発生用電磁石１２とから構成さ
れるジャイロトロン装置である。２０ａ，２０ｂは空胴
共振器６において電子銃１側からコレクタ７側に向かっ
て軸方向磁束密度を大きくし傾斜磁場をつける傾斜磁場
発生用電磁石である。３０は傾斜磁場発生用電磁石２０
ａ，２０ｂのコイル巻枠であり、アルミニウムなどの熱
伝導率の高い材料を使用して形成されている。かかる材
料を使用するのは、コイル巻枠３０を空胴共振器６付近
の外壁に接触させて傾斜磁場発生用電磁石２０ａ，２０
ｂの冷却効果を上げるためである。したがって、かかる
冷却効果を確保できれば、コイル巻枠３０はアルミニウ
ムでもアルマイト加工したものでも、あるいは樹脂でも
よい。さらに、空胴共振器６付近の外壁との接触部での
熱伝導性を良くするために、コイル巻枠３０の内側の面
や、コイル巻枠３０を装着するジャイロトロン２００の
外壁面にグリースなどを塗ってもよい。また、コイル巻
枠３０の固定は、ジャイロトロン２００の外壁にネジを
切り、ボルトで固定したり、あるいは当該外壁に対して
ボルトで突っ張ることにより位置ずれしないように固定
することができる。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment of the present invention will be described below. Embodiment 1. 1 is a sectional view showing a gyrotron device according to Embodiment 1 of the present invention, in which 1 is an electron beam 9
2 is a cathode, 3 is an electron emitting portion on the cathode 2, 4 is a first anode, and 5 is a second anode. Reference numeral 6 denotes a cavity resonator in which the electron beam 9 and the high-frequency electromagnetic field interact with each other in a resonant manner to generate a high frequency 10, which is formed in a cylindrical shape. Reference numeral 7 is a collector for collecting the electron beam 9 which has finished the interaction, and 8 is an output window for extracting the high frequency wave 10. Reference numeral 200 denotes a gyrotron including the electron gun 1, the cavity resonator 6, the collector 7, the output window 8 and the like. Reference numeral 11 is an electromagnet for generating a main magnetic field that generates a magnetic field in the axial direction of the gyrotron 200 to give the electron beam 9 a turning motion, and 12 is an electromagnet for generating an electron gun magnetic field. Reference numeral 300 denotes a gyrotron device including a gyrotron 200, a main magnetic field generating electromagnet 11 and an electron gun magnetic field generating electromagnet 12. Reference numerals 20a and 20b denote gradient magnetic field generating electromagnets that increase the axial magnetic flux density from the electron gun 1 side to the collector 7 side in the cavity resonator 6 to provide a gradient magnetic field. 30 is an electromagnet 20 for generating a gradient magnetic field
It is a coil winding frame of a and 20b, and is formed using a material having a high thermal conductivity such as aluminum. This material is used because the coil winding frame 30 is brought into contact with the outer wall in the vicinity of the cavity resonator 6 to generate the gradient magnetic field generating electromagnets 20a, 20.
This is to improve the cooling effect of b. Therefore, as long as such a cooling effect can be secured, the coil winding frame 30 may be aluminum, alumite-processed, or resin. Further, in order to improve the thermal conductivity at the contact portion with the outer wall near the cavity resonator 6, grease is applied to the inner surface of the coil winding frame 30 and the outer wall surface of the gyrotron 200 on which the coil winding frame 30 is mounted. Etc. may be applied. Further, the coil winding frame 30 can be fixed by cutting a screw on the outer wall of the gyrotron 200 and fixing it with a bolt, or by fixing it to the outer wall with a bolt so as not to be displaced.
【００２１】
また、図２は空胴共振器付近に傾斜磁場を
付けた軸方向磁束密度Ｂｚ分布を示すグラフ図である。
図において、Ｂinは空胴共振器６の円筒部分の電子銃１
側端での軸方向磁束密度、△Ｂは空胴共振器６の円筒部
分のコレクタ７側端と電子銃１側端での軸方向磁束密度
の差である。理論計算によると、ジャイロトロン２００
の発振効率を向上させるために必要な傾斜磁場の大きさ
△Ｂ／Ｂinの最適値は、電子ビーム９の加速電圧やジャ
イロトロン２００の出力等に依存するが、最大でも１０
％程度以下であることが分かっている。 Further, FIG. 2 is a graph showing the axial magnetic flux density Bz distribution with a gradient in the vicinity of the cavity resonator.
In the figure, B in is the electron gun 1 in the cylindrical portion of the cavity resonator 6.
Axial magnetic flux density at the side end, ΔB is the difference between the axial magnetic flux density at the end of the cylindrical portion of the cavity resonator 6 on the side of the collector 7 and the end on the side of the electron gun 1. According to theoretical calculation, gyrotron 200
The optimum value of the magnitude ΔB / B in of the gradient magnetic field required to improve the oscillation efficiency of the pulse current depends on the acceleration voltage of the electron beam 9, the output of the gyrotron 200, etc.
It is known to be less than about%.
【００２２】
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、電子銃磁場発生用電磁石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。そ
してさらに、主磁場発生用電磁石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、平行方向速度
を減少させながら、空胴共振器６に入る。主磁場発生用
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、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。電子
が空胴共振器６の入り口に到達したときの速度をｖとす
ると、相対論的係数γは次式で与えられる。
γ＝｛１−（ｖ／ｃ）2 ｝-1/2 （４）
ここで、ｃは光速であり、この（４）式のγは、上述し
た（３）式のγの別の表現式である。電子が空胴共振器
６内で高周波電磁場と相互作用し、エネルギーを失って
いくにつれて電子の速度は減少し、したがって（４）式
からγも減少することが分かる。すなわち、電子の質量
が減少するのである。したがって、（２）式から、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Ωc
は、エネルギーを失っていく電子については大きくな
り、そうした電子については（１）式を満たさなくな
る。このような電子については、もはやその運動エネル
ギーは高周波エネルギーに変換されるのではなく、逆に
高周波電磁場からエネルギーを受け取り、加速されてい
く現象がおこる。このような現象は、「電子の再加速現
象」と呼ばれており、ジャイロトロン２００の発振効率
を下げることになるため、この現象が発振効率の限界を
与えることになる。 [0022] Next, the operation will be described. The electron beam 9 emitted from the electron emitting portion 3 on the cathode of the electron gun 1.
Is accelerated by the electric field between the cathode 2 and the first anode 4, and drifts in the axial direction while making a swirling motion due to the magnetic field generated by the electron gun magnetic field generating electromagnet 12. Further, the electron beam 9 is compressed by the strong magnetic field generated by the electromagnet 11 for generating the main magnetic field, and the electrons increase the velocity in the direction perpendicular to the magnetic field and decrease the velocity in the parallel direction, while maintaining the cavity resonator. Enter 6. Electrons that are in cyclotron motion by the axial magnetic field generated by the main magnetic field generating electromagnet 11 interact with the high frequency electromagnetic field of the eigenmode in the cavity resonator 6 by cyclotron resonance maser interaction, and the velocity in the direction perpendicular to the electron magnetic field. Part of the energy of the components is converted into high frequency energy. The relativistic coefficient γ is given by the following equation, where v is the velocity when the electrons reach the entrance of the cavity resonator 6. γ = {1- (v / c) 2 } -1/2 (4) Here, c is the speed of light, and γ in this equation (4) is another expression of γ in the above equation (3). Is. It can be seen that as the electrons interact with the high frequency electromagnetic field in the cavity resonator 6 and lose energy, the velocity of the electrons decreases, and therefore γ also decreases from equation (4). That is, the electron mass is reduced. Therefore, from equation (2), the cyclotron angular frequency Ω c of the electron considering the relativistic effect
Becomes large for electrons that lose energy, and formula (1) cannot be satisfied for such electrons. With respect to such electrons, the kinetic energy is no longer converted to high frequency energy, but conversely, energy is received from the high frequency electromagnetic field and accelerated. Such a phenomenon is called “electron re-acceleration phenomenon”, which lowers the oscillation efficiency of the gyrotron 200, and thus this phenomenon limits the oscillation efficiency.
【００２３】
しかし、上述したように、空胴共振器６内
に傾斜磁場を印加することによって、傾斜磁場が無い場
合よりも発振効率を向上させることができることが理論
的に分かっている。図３は空胴共振器の軸方向距離Ｚと
電子の平均運動エネルギーとの関係を示すグラフ図であ
る。図において、横軸Ｚは空胴共振器６の軸方向距離を
示しており、Ｚ＝０が空胴共振器６の入口端、Ｚ＝１０
０ｍｍが出口端に一致する。縦軸は空胴共振器６内の高
周波電磁場と相互作用しながら進むいくつかの電子につ
いての平均の運動エネルギーであり、空胴共振器６入口
での運動エネルギーで規格化している。また、この計算
例は、発振周波数２８ＧＨｚ、発振モードがＴＥ０２モ
ードのジャイロトロンに関するものであり、電子ビーム
の加速電圧がＶb ＝２１ｋＶ、出力１１ｋＷとした時の
結果である。磁場が平坦な場合、すなわち、△Ｂ／Ｂin
＝０％の場合には、Ｚ＝８０ｍｍを越えたあたりから電
子の平均運動エネルギーは増加しており、電子の再加速
現象が起こっていることが分かる。 [0023] However, as described above, by applying a gradient magnetic field in the cavity resonator 6, that can improve the oscillation efficiency than if the gradient is not know theoretically. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the axial distance Z of the cavity resonator and the average kinetic energy of electrons. In the figure, the horizontal axis Z indicates the axial distance of the cavity resonator 6, Z = 0 is the inlet end of the cavity resonator 6, and Z = 10.
0 mm corresponds to the exit end. The vertical axis represents the average kinetic energy of some electrons traveling while interacting with the high-frequency electromagnetic field in the cavity resonator 6, and is normalized by the kinetic energy at the entrance of the cavity resonator 6. Further, this calculation example relates to a gyrotron having an oscillation frequency of 28 GHz and an oscillation mode of TE02 mode, and is the result when the electron beam acceleration voltage is V b = 21 kV and the output is 11 kW. When the magnetic field is flat, that is, ΔB / B in
In the case of = 0%, the average kinetic energy of the electrons increases from around Z = 80 mm, and it can be seen that the electron re-acceleration phenomenon occurs.
【００２４】
一方、△Ｂ／Ｂin＝１．５％の場合、すな
わち、空胴共振器６の出口端の軸方向磁束密度が、入口
端での軸方向磁束密度Ｂinに対して１．５％大きい傾斜
磁場を印加した場合には、Ｚ＝８０ｍｍを越えてもなお
電子の平均運動エネルギーは減少しており、全体として
の電子の再加速現象を回避して発振効率を向上させてい
ることが分かる。これは（２）式から分かるように、傾
斜磁場をかけることにより積極的に電子のサイクロトロ
ン角周波数を大きくし、電子が再加速される周波数領域
の外に出すことによって実現できている。この計算例で
は、△Ｂ／Ｂin＝１．５％が最適の傾斜磁場であるが、
電子ビームの加速電圧や出力に依存して最適な傾斜磁場
が存在する。しかし、いずれの場合でも、最大１０％程
度以下の傾斜磁場によってジャイロトロンの発振効率を
向上させることができる。 On the other hand, △ B / B in = 1.5 % of the cases, i.e., the axial magnetic flux density at the outlet end of the cavity resonator 6, 1 against axial flux density B in at the inlet end. When a 5% larger gradient magnetic field is applied, the average kinetic energy of the electrons is still reduced even if Z = 80 mm is exceeded, and the re-acceleration phenomenon of the electrons as a whole is avoided to improve the oscillation efficiency. I understand. This can be realized by positively increasing the cyclotron angular frequency of the electron by applying a gradient magnetic field and letting the electron out of the frequency region where the electron is re-accelerated, as can be seen from the equation (2). In this calculation example, ΔB / B in = 1.5% is the optimum gradient magnetic field,
An optimum gradient magnetic field exists depending on the acceleration voltage and output of the electron beam. However, in either case, the oscillation efficiency of the gyrotron can be improved by the gradient magnetic field of about 10% or less at the maximum.
【００２５】
傾斜磁場発生用電磁石２０ａ，２０ｂを持
たない従来のジャイロトロン装置では、空胴共振器部に
局所的な軸方向傾斜磁場分布を発生させることは困難で
ある。上述したように、ジャイロトロン２００の発振周
波数は空胴共振器６部に印加されている軸方向磁場に対
する電子のサイクロトロン周波数の整数倍であるため、
高い周波数の発振を得るためには、高磁場が必要とな
る。したがって、主磁場発生用電磁石１１は、一般に複
数個のかなり大きな電磁石から構成されるため、主磁場
発生用電磁石１１を用いてこのような局所的な傾斜磁場
を発生させることは難しい。仮に、傾斜磁場を発生させ
るとすれば、（ａ）上記の複数個の電磁石の巻数などを
変えることにより同一電流に対する発生磁場の大きさを
変える、（ｂ）複数個の電磁石の配置を均等間隔にしな
いで適当な間隔で配置する、（ｃ）それぞれの電磁石に
同一電流を流さないで、別々の電源から適当な電流を流
す、などの対処が考えられる。しかし、空胴共振器６長
は、ジャイロトロン２００の発振周波数に対する電磁波
の自由空間波長の数倍から１０倍程度であるため、例え
ば、２８ＧＨｚの発振を行わせる場合には、５０〜１０
０ｍｍ程度となり、発振周波数が高くなるほど空胴共振
器６長は短くなる。したがって、大きな電磁石で、この
ような短区間へ局所的な傾斜磁場を発生させることは難
しい。さらに、これらの主磁場発生用電磁石１１によっ
て発生される磁場は、電子銃１部にも影響を与えている
ため、ジャイロトロン２００を動作させるための電子ビ
ーム９の加速電圧やビーム電流を変化させるたびに、主
磁場発生用電磁石１１の励磁電流だけではなく、電子銃
磁場発生用電磁石１２の励磁電流も調整する必要があ
り、ジャイロトロン２００運転上の操作が煩雑になる。 In the conventional gyrotron device that does not have the electromagnets 20a and 20b for generating the gradient magnetic field, it is difficult to generate a local axial gradient magnetic field distribution in the cavity resonator section. As described above, the oscillation frequency of the gyrotron 200 is an integer multiple of the electron cyclotron frequency with respect to the axial magnetic field applied to the cavity resonator 6,
A high magnetic field is required to obtain a high frequency oscillation. Therefore, since the main magnetic field generating electromagnet 11 is generally composed of a plurality of fairly large electromagnets, it is difficult to generate such a local gradient magnetic field using the main magnetic field generating electromagnet 11. If a gradient magnetic field is to be generated, (a) the magnitude of the generated magnetic field for the same current is changed by changing the number of turns of the plurality of electromagnets, and (b) the arrangement of the plurality of electromagnets is evenly spaced. It is conceivable to dispose them at appropriate intervals without performing the above, or (c) not to apply the same current to the respective electromagnets, but to apply appropriate currents from different power sources. However, since the length of the cavity resonator 6 is about several times to 10 times the free space wavelength of the electromagnetic wave with respect to the oscillation frequency of the gyrotron 200, for example, in the case of oscillating at 28 GHz, it is 50 to 10 times.
The length becomes about 0 mm, and the length of the cavity resonator 6 becomes shorter as the oscillation frequency becomes higher. Therefore, it is difficult to generate a local gradient magnetic field in such a short section with a large electromagnet. Further, since the magnetic field generated by the electromagnet 11 for generating the main magnetic field also affects the electron gun 1, the acceleration voltage and the beam current of the electron beam 9 for operating the gyrotron 200 are changed. Each time, it is necessary to adjust not only the exciting current of the main magnetic field generating electromagnet 11 but also the exciting current of the electron gun magnetic field generating electromagnet 12, which complicates the operation of the gyrotron 200.
【００２６】
これに対して、本実施の形態１の傾斜磁場
発生用電磁石２０ａ，２０ｂは、最大でも空胴共振器６
の中心付近の磁束密度の１０％程度を発生させればよい
小型の電磁石を用いており、容易に空胴共振器６部に軸
方向の傾斜磁場を発生させることができ、また、その磁
場が電子銃１部へ影響することもないため、ジャイロト
ロン２００の運転上、磁場の調整が容易である。 [0026] In contrast, the gradient magnetic field generating electromagnet 20a of the first embodiment, 20b are cavity resonators at most 6
A small electromagnet that only needs to generate about 10% of the magnetic flux density near the center of is used to easily generate an axial gradient magnetic field in the cavity resonator 6 and Since it does not affect the electron gun 1 part, it is easy to adjust the magnetic field in the operation of the gyrotron 200.
【００２７】
以上のように、この実施の形態１によれ
ば、小型の傾斜磁場発生用電磁石２０ａ，２０ｂを設け
たことにより、容易に空胴共振器６部に軸方向の傾斜磁
場を発生させることができ、また、その磁場が電子銃１
部へ影響することもないため、高効率発振を実現し、か
つ、その操作性も容易にできる効果が得られる。 As described above, according to the first embodiment, by providing the small-sized gradient magnetic field generating electromagnets 20a and 20b, the axial gradient magnetic field can be easily generated in the cavity resonator 6 portion. And its magnetic field is electron gun 1
Since it does not affect the parts, high-efficiency oscillation can be realized and the operability can be easily obtained.
【００２８】
なお、本実施の形態１では、傾斜磁場発生
用電磁石２０ａ，２０ｂは２個であるものとして説明し
たが、図２の△Ｂが小さくてもよい場合には、１個でも
空胴共振器６部に傾斜磁場をつけることが可能であり、
それで十分な場合にはそれでももちろんよい。 In the first embodiment, the description has been made assuming that the number of the gradient magnetic field generating electromagnets 20a and 20b is two, but if ΔB in FIG. It is possible to apply a gradient magnetic field to the resonator 6 part,
If that's enough, of course.
【００２９】
実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２によるジャイロトロン装
置を示す断面図であり、図において、１は２極型の電子
銃であり、カソード２とアノード１４から構成されてい
る。上記実施の形態１における電子銃１は、カソード
２、第１アノード４及び第２アノード５からなる３極型
電子銃と呼ばれる電子銃であるが、本実施の形態２で
は、図４に示すような２極型の電子銃を用いたジャイロ
トロン２００として構成したものである。動作は実施の
形態１の場合とほぼ同様であるので、説明を省略する。 [0029] Embodiment 2. FIG. 4 is a sectional view showing a gyrotron device according to a second embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 1 is a bipolar electron gun, which is composed of a cathode 2 and an anode 14. The electron gun 1 in the first embodiment is an electron gun called a triode type electron gun including a cathode 2, a first anode 4 and a second anode 5, but in the second embodiment, as shown in FIG. This is configured as a gyrotron 200 using a simple bipolar electron gun. The operation is almost the same as in the case of the first embodiment, and therefore the explanation is omitted.
【００３０】
以上のように、この実施の形態２によれ
ば、２極型の電子銃１は、カソード２とアノード１４と
からなり、３極型の電子銃１と比べると、第２アノード
５に対して負の電位を与える必要のある第１アノード４
がないので、簡単な構造にできる効果が得られる。ま
た、電子ビーム加速用の電源にとっても、第１アノード
４に与える電位のことを考慮しなくてもよいので、簡単
な構造にできる効果が得られる。 As described above, according to the second embodiment, the bipolar electron gun 1 is composed of the cathode 2 and the anode 14, and the second anode 5 is different from the tripolar electron gun 1. The first anode 4 that needs to be applied with a negative potential with respect to
Since it does not have a structure, an effect that a simple structure can be obtained can be obtained. Further, since the power supply for accelerating the electron beam does not need to consider the potential applied to the first anode 4, the effect that the structure can be simplified can be obtained.
【００３１】
なお、３極型の電子銃１では、第１アノー
ド４の電位を調整してジャイロトロン２００の発振を制
御できる利点がある。しかし、２極型の電子銃１、３極
型の電子銃１のいずれの電子銃も、空胴共振器６におい
て固有モードの高周波電磁場とサイクロトロン共鳴メー
ザ作用を行う電子ビーム９を引き出す点では同様の働き
をしている。したがって、以下の実施の形態で、３極型
電子銃１を用いたジャイロトロン２００についてのみ記
した場合でも、２極型電子銃１を用いたジャイロトロン
２００についても同様のことが言えるものとし、また逆
に、２極型電子銃１を用いたジャイロトロン２００につ
いてのみ記した場合でも、３極型電子銃１を用いたジャ
イロトロン２００についても同様のことが言えるものと
する。 The three-pole electron gun 1 has an advantage that the oscillation of the gyrotron 200 can be controlled by adjusting the potential of the first anode 4. However, both the two-pole type electron gun 1 and the three-pole type electron gun 1 are similar in that the high frequency electromagnetic field of the eigenmode and the electron beam 9 that performs cyclotron resonance maser action are extracted in the cavity resonator 6. Is working. Therefore, in the following embodiments, even when only the gyrotron 200 using the three-pole electron gun 1 is described, the same applies to the gyrotron 200 using the two-pole electron gun 1. Conversely, even when only the gyrotron 200 using the two-pole electron gun 1 is described, the same can be said for the gyrotron 200 using the three-pole electron gun 1.
【００３２】
実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３によるジャイロトロン装
置を示す断面図であり、図において、２１ａ，２１ｂは
空胴共振器６部に軸方向磁束密度についての傾斜磁場を
発生させる傾斜磁場発生用電磁石であり、ジャイロトロ
ン２００の空胴共振器６付近の外径を若干小さくし、こ
れに密着して巻かれている。なお、この傾斜磁場発生用
電磁石２１ａ，２１ｂは、空胴共振器６付近の外径を小
さくすることなく、そのまま取り付けてもよい。動作
は、実施の形態１の場合と同様であるので、説明を省略
する。 [0032] Embodiment 3. FIG. 5 is a sectional view showing a gyrotron device according to a third embodiment of the present invention. In the figure, 21a and 21b are for generating a gradient magnetic field for generating a gradient magnetic field about the axial magnetic flux density in the cavity resonator 6 part. It is an electromagnet, and has an outer diameter in the vicinity of the cavity resonator 6 of the gyrotron 200 slightly reduced, and is wound in close contact with this. The electromagnets 21a and 21b for generating the gradient magnetic field may be attached as they are without reducing the outer diameter in the vicinity of the cavity resonator 6. The operation is the same as in the case of the first embodiment, and therefore the description is omitted.
【００３３】
以上のように、この実施の形態３によれ
ば、傾斜磁場発生用電磁石２１ａ，２１ｂの内径を小さ
くできるため、同一磁場を発生させるための消費電力を
小さくできる効果がある。 As described above, according to the third embodiment, since the inner diameters of the gradient magnetic field generating electromagnets 21a and 21b can be reduced, the power consumption for generating the same magnetic field can be reduced.
【００３４】
実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態４によるジャイロトロン装
置の傾斜磁場発生用電磁石を示す側面図（ａ）とその軸
方向磁束密度の分布を示すグラフ図（ｂ）であり、図に
おいて、２２ａ，２２ｂは同一仕様のコイルを巻枠３１
に同一方向に巻いて形成した傾斜磁場発生用電磁石（同
一方向に巻いた電磁石）、４０，４１はそれぞれの傾斜
磁場発生用電磁石２２ａ，２２ｂに電流を流す直流電源
である。その他の構成は、実施の形態１の場合と同様で
ある。 [0034] Embodiment 4. 6 is a side view (a) showing a gradient magnetic field generating electromagnet of a gyrotron device according to a fourth embodiment of the present invention and a graph (b) showing the distribution of magnetic flux density in the axial direction thereof. 22b is a coil 31 of the same specifications
The gradient magnetic field generating electromagnets (electromagnets wound in the same direction) formed by winding the same in the same direction, and 40 and 41 are DC power supplies for supplying currents to the respective gradient magnetic field generating electromagnets 22a and 22b. Other configurations are similar to those in the first embodiment.
【００３５】
次に動作について説明する。傾斜磁場発生
用電磁石２２ａ，２２ｂのコイルは、巻枠３１に対して
同一方向に巻かれているため、図６（ａ）に示すよう
に、直流電源４０，４１を接続すると、それぞれのコイ
ルを流れる電流方向が逆向きとなり、発生する軸方向磁
束密度（軸方向磁場）Ｂｚも逆方向となる。したがっ
て、傾斜磁場発生用電磁石２２ａ，２２ｂが発生する軸
方向磁束密度Ｂｚの分布は、図６（ｂ）のようになり、
図中の磁束密度が零となるＣ点を挟んで比較的短区間に
大きな傾斜磁場を発生させやすく、ジャイロトロン発振
の高効率化のための空胴共振器６部に印加する傾斜磁場
の発生に適している。 [0035] Next, the operation will be described. Since the coils of the electromagnets 22a and 22b for generating the gradient magnetic field are wound in the same direction with respect to the winding frame 31, when the DC power supplies 40 and 41 are connected as shown in FIG. The flowing current direction is opposite, and the generated axial magnetic flux density (axial magnetic field) Bz is also opposite. Therefore, the distribution of the magnetic flux density Bz in the axial direction generated by the electromagnets 22a and 22b for generating the gradient magnetic field is as shown in FIG.
It is easy to generate a large gradient magnetic field in a relatively short section across the point C where the magnetic flux density is zero in the figure, and the generation of the gradient magnetic field applied to the cavity resonator 6 for the purpose of increasing the efficiency of gyrotron oscillation. Suitable for
【００３６】
以上のように、この実施の形態４によれ
ば、空胴共振器６において比較的短区間に大きな傾斜磁
場を発生することができ、もってジャイロトロン発振の
高効率化を図れる効果が得られる。 As described above, according to the fourth embodiment, it is possible to generate a large gradient magnetic field in the cavity resonator 6 in a relatively short section, so that the efficiency of gyrotron oscillation can be improved. can get.
【００３７】
なお、上記実施の形態４においては、傾斜
磁場発生用電磁石２２ａ，２２ｂのコイルは、同一仕様
で、流す電流も同じ値であるため、Ｂｚ分布はＣ点を挟
んで対称となるものとして説明したが、必ずしもその必
要はない。すなわち、最適なＢｚ分布を発生させるため
に、コイルの巻数やコイル長などを異なったものにして
もよく、また流す電流を異なる大きさにしてもよい。そ
の場合は、図７に示すように、Ｂｚ分布はＣ点を挟んで
非対称な分布となる。ここで、図７は異なる傾斜磁場発
生用電磁石を用いた場合の軸方向磁束密度の分布を示す
グラフ図である。また、直流電源４０，４１とコイルと
の接続に注意して、図６（ａ）の傾斜磁場発生用電磁石
２２ａ，２２ｂを一電源に並列接続することによって
も、図６（ｂ）に示すようなＢｚ分布を得ることが可能
である。さらに、図６（ａ）では、傾斜磁場発生用電磁
石は２個であるが、必ずしも２個である必要はなく、最
適なＢｚ分布を得るために３個以上を用いて構成しても
よい。 In the fourth embodiment, the coils of the gradient magnetic field generating electromagnets 22a and 22b have the same specifications and the same amount of current flows, so that the Bz distribution is symmetric with respect to the point C. However, it is not always necessary. That is, in order to generate the optimum Bz distribution, the number of turns of the coil, the coil length, and the like may be different, and the flowing current may be different in magnitude. In that case, as shown in FIG. 7, the Bz distribution is an asymmetric distribution with the point C in between. Here, FIG. 7 is a graph showing the distribution of the axial magnetic flux density when different electromagnets for generating a gradient magnetic field are used. Also, by paying attention to the connection between the DC power supplies 40 and 41 and the coil, by connecting the gradient magnetic field generating electromagnets 22a and 22b of FIG. 6A in parallel to one power supply, as shown in FIG. 6B. It is possible to obtain a different Bz distribution. Furthermore, in FIG. 6A, the number of electromagnets for generating the gradient magnetic field is two, but the number of electromagnets is not necessarily two, and three or more may be used to obtain the optimum Bz distribution.
【００３８】
実施の形態５．
図８はこの発明の実施の形態５によるジャイロトロン装
置の傾斜磁場発生用電磁石を示す側面図（ａ）とその軸
方向磁束密度の分布を示すグラフ図（ｂ）であり、図に
おいて、２３ａ，２３ｂは同一仕様のコイル（右巻きの
電磁石と左巻きの電磁石）であり、巻枠３１に逆方向に
巻いて傾斜磁場発生用電磁石を形成したものである。そ
の他の構成は、実施の形態１の場合と同様である。 [0038] Embodiment 5. FIG. 8 is a side view (a) showing a gradient magnetic field generating electromagnet of a gyrotron device according to a fifth embodiment of the present invention and a graph (b) showing a distribution of magnetic flux density in the axial direction thereof. Reference numeral 23b is a coil of the same specification (a right-handed electromagnet and a left-handed electromagnet), which is wound around the winding frame 31 in the opposite direction to form a gradient magnetic field generating electromagnet. Other configurations are similar to those in the first embodiment.
【００３９】
次に動作について説明する。傾斜磁場発生
用電磁石２３ａ，２３ｂのコイルは、巻枠３１に対して
逆方向に巻かれているため、図８（ａ）に示すように、
連続して巻いてもそれぞれの傾斜磁場発生用電磁石２３
ａ，２３ｂが発生する軸方向の磁束密度Ｂｚの方向は逆
であり、両者によって発生されるＢｚ分布は、図８
（ｂ）に示すようになる。このような傾斜磁場発生用電
磁石２３ａ，２３ｂを用いても、図中の磁束密度が零と
なるＣ点を挟んで、比較的短区間に大きな傾斜磁場を発
生させやすく、ジャイロトロン発振の高効率化のための
空胴共振器６部に印加する傾斜磁場の発生に適してい
る。 [0039] Next, the operation will be described. Since the coils of the electromagnets 23a and 23b for generating the gradient magnetic field are wound in the opposite direction with respect to the winding frame 31, as shown in FIG.
The electromagnets 23 for generating the respective gradient magnetic fields 23 even when continuously wound.
The directions of the axial magnetic flux densities Bz generated by a and 23b are opposite to each other, and the Bz distribution generated by both is as shown in FIG.
As shown in (b). Even if such electromagnets 23a and 23b for generating a gradient magnetic field are used, a large gradient magnetic field can be easily generated in a relatively short section across the point C where the magnetic flux density in the figure is zero, and the efficiency of gyrotron oscillation is high. It is suitable for the generation of a gradient magnetic field applied to the cavity resonator 6 portion for the purpose of realizing.
【００４０】
以上のように、この実施の形態５によれ
ば、空胴共振器６において比較的短区間に大きな傾斜磁
場を発生することができ、もってジャイロトロン発振の
高効率化を図れる効果が得られる。 As described above, according to the fifth embodiment, it is possible to generate a large gradient magnetic field in the cavity resonator 6 in a relatively short section, and thus it is possible to improve the efficiency of gyrotron oscillation. can get.
【００４１】
なお、上記実施の形態５においては、傾斜
磁場発生用電磁石２３ａ，２３ｂのコイルは同一仕様で
２個使用するものとして説明したが、必ずしも同一仕様
である必要はなく、最適な傾斜磁場を得るために、巻数
やコイル長が異なっていてもよいし、また３個以上の傾
斜磁場発生用電磁石を用いてもよい。 In the fifth embodiment described above, the two coils of the gradient magnetic field generating electromagnets 23a and 23b are used with the same specifications, but they do not necessarily have the same specifications, and the optimum gradient magnetic field is not necessarily required. In order to obtain the above, the number of turns and the coil length may be different, and three or more gradient magnetic field generating electromagnets may be used.
【００４２】
実施の形態６．
図９はこの発明の実施の形態６によるジャイロトロン装
置を示す断面図であり、図において、６は空胴共振器で
あるが、基本波動作のジャイロトロン２００よりも空胴
共振器６長を長くして、電子ビームと高調波電磁場とが
相互作用している時間を長くするように設計してある。
その他の構成は、実施の形態２の図４に示したものと同
様であるので、説明を省略する。 [0042] Embodiment 6. FIG. 9 is a cross-sectional view showing a gyrotron device according to a sixth embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 6 is a cavity resonator, but the cavity resonator 6 has a length longer than that of the gyrotron 200 operating in the fundamental wave. It is designed to be long to increase the time during which the electron beam and the harmonic electromagnetic field interact.
Other configurations are the same as those shown in FIG. 4 of the second embodiment, and therefore the description thereof will be omitted.
【００４３】
次に動作について説明する。ジャイロトロ
ン２００は、２倍高調波発振の動作をしている。ここ
で、２倍高調波発振の動作とは、上述した（１）式にお
けるｓが、ｓ＝２の場合の発振動作のことであり、この
（１）式と（２）式とから分かるように、同一周波数の
発振を得る場合、空胴共振器６内の軸方向磁束密度Ｂ
は、ｓ＝１の基本波発振の場合の約１／２でよく、した
がって、主磁場発生用電磁石１１やその励磁電源は、基
本波発振のジャイロトロン装置３００よりも小型にな
る。しかし、空胴共振器６内での電子ビームと高周波電
磁場との相互作用は、高調波次数ｓが大きくなるほど弱
くなり、そのためにジャイロトロン２００の発振効率も
下がる。したがって、２倍高調波動作のジャイロトロン
２００では、基本波動作のジャイロトロン２００よりも
空胴共振器６長を長くして、電子ビームと高調波電磁場
とが相互作用している時間を長くするように設計されて
いる。 [0043] Next, the operation will be described. The gyrotron 200 operates as a double harmonic oscillation. Here, the operation of the second harmonic oscillation is an oscillating operation when s in the above equation (1) is s = 2, and as can be seen from the equations (1) and (2). In order to obtain the oscillation of the same frequency, the axial magnetic flux density B in the cavity resonator 6 is
May be about 1/2 of that in the case of fundamental wave oscillation of s = 1. Therefore, the main magnetic field generating electromagnet 11 and its exciting power source are smaller than the fundamental wave oscillation gyrotron device 300. However, the interaction between the electron beam and the high-frequency electromagnetic field in the cavity resonator 6 becomes weaker as the harmonic order s becomes larger, and therefore the oscillation efficiency of the gyrotron 200 also decreases. Therefore, in the gyrotron 200 operating in the double harmonic, the cavity resonator 6 is made longer than in the gyrotron 200 operating in the fundamental wave, and the time during which the electron beam and the harmonic electromagnetic field interact is extended. Is designed to be.
【００４４】
このような２倍高調波動作のジャイロトロ
ン２００にとっては、その発振効率を向上させるために
空胴共振器６内に傾斜磁場を印加する方法は、特に有効
である。なぜなら、同一周波数の発振を得るために必要
な軸方向磁束密度は、基本波発振の場合の約１／２でよ
いため、同程度の△Ｂ／Ｂinを印加するにしても傾斜磁
場の大きさ△Ｂは小さくてよく、したがって、傾斜磁場
発生用電磁石２０ａ，２０ｂを小型にできたり、あるい
は傾斜磁場発生用電磁石２０ａ，２０ｂに流す電流が少
なくてよいからである。さらに、空胴共振器６長が、基
本波動作のジャイロトロン２００のそれよりも長いた
め、適当な傾斜磁場分布を発生させ易いという利点もあ
る。 [0044] For such a second harmonic wave operation gyrotron 200 of a method for applying a gradient magnetic field in order to improve the oscillation efficiency cavity resonator 6 is particularly effective. This is because the axial magnetic flux density required to obtain the oscillation of the same frequency may be about 1/2 of that in the case of fundamental wave oscillation, so even if ΔB / B in of the same degree is applied, the magnitude of the gradient magnetic field is large. This is because the size ΔB may be small, and therefore, the gradient magnetic field generating electromagnets 20a and 20b can be downsized, or a current flowing through the gradient magnetic field generating electromagnets 20a and 20b can be small. Further, since the length of the cavity resonator 6 is longer than that of the gyrotron 200 operating in the fundamental wave, there is an advantage that an appropriate gradient magnetic field distribution can be easily generated.
【００４５】
以上のように、この実施の形態６によれ
ば、ジャイロトロン発振の高効率化を図りつつ、基本波
発振動作のジャイロトロン装置よりもさらに小型に構成
できる効果がある。すなわち、基本波動作のジャイロト
ロン２００よりも空胴共振器６長が長くなる２倍高調波
動作のジャイロトロン２００にとっては、空胴共振器６
内に傾斜磁場を印加してジャイロトロン２００の発振効
率を向上させる方法は有効であり、しかも長い距離にわ
たって平坦な磁場を発生させ易い電磁石と傾斜磁場発生
用電磁石２０ａ，２０ｂとを組み合わせた２倍高調波動
作のジャイロトロン装置２００に特に有効な手段となる
効果が得られる。 As described above, according to the sixth embodiment, the efficiency of gyrotron oscillation can be improved and the size of the gyrotron device can be made smaller than that of the gyrotron device operating in the fundamental wave. That is, for the gyrotron 200 operating in the second harmonic in which the cavity resonator 6 is longer than the gyrotron 200 operating in the fundamental wave, the cavity resonator 6 is
A method of applying a gradient magnetic field to the inside of the gyrotron 200 to improve the oscillation efficiency of the gyrotron 200 is effective, and moreover, double the combination of an electromagnet that easily generates a flat magnetic field over a long distance and the gradient magnetic field generating electromagnets 20a and 20b. An effect can be obtained that is a particularly effective means for the harmonic operation gyrotron device 200.
【００４６】
なお、３倍高調波以上の高調波動作のジャ
イロトロンは、空胴共振器内での電子ビームと高周波電
磁場との相互作用が弱くなってしまうので、高効率発振
のジャイロトロンを設計することは難しく、傾斜磁場に
よる高効率化はあまり期待できない。 In the gyrotron operating at a harmonic higher than the third harmonic, the interaction between the electron beam and the high frequency electromagnetic field in the cavity resonator is weakened, so that a gyrotron of high efficiency oscillation is designed. It is difficult to do so, and it is difficult to expect high efficiency due to the gradient magnetic field.
【００４７】
実施の形態７．
図１０はこの発明の実施の形態７によるジャイロトロン
装置の傾斜磁場発生用電磁石を示す側面図（ａ）とその
軸方向磁束密度の分布を示すグラフ図（ｂ）であり、図
において、２４は傾斜磁場発生用電磁石で、コイルの途
中から３個の中間タップ２５ｂ，２５ｃ，２５ｄが出て
いる。２５ａ，２５ｅは傾斜磁場発生用電磁石２４の両
端部のコイル端（入出力端）である。また、２４ａ，２
４ｂ，２４ｃ，２４ｄは、それぞれ２５ａと２５ｂの
間、２５ｂと２５ｃの間、２５ｃと２５ｄの間、２５ｄ
と２５ｅの間に位置するコイル（傾斜磁場発生用磁石）
である。３２は傾斜磁場発生用電磁石２４の巻枠であ
る。 [0047] Embodiment 7. FIG. 10 is a side view (a) showing a gradient magnetic field generating electromagnet of a gyrotron device according to a seventh embodiment of the present invention and a graph (b) showing the distribution of the magnetic flux density in the axial direction thereof. In the gradient magnetic field generating electromagnet, three intermediate taps 25b, 25c and 25d are projected from the middle of the coil. Reference numerals 25a and 25e denote coil ends (input / output ends) of both ends of the gradient magnetic field generating electromagnet 24. Also, 24a, 2
4b, 24c, and 24d are between 25a and 25b, between 25b and 25c, between 25c and 25d, and 25d, respectively.
Between 25 and 25e (magnet for gradient magnetic field generation)
Is. 32 is a winding frame of the electromagnet 24 for generating a gradient magnetic field.
【００４８】
次に動作について説明する。このような傾
斜磁場電磁石２４を用いると、適当な中間タップを選択
し、流す電流の向きを考慮することによって、ジャイロ
トロン発振の高効率化のために、色々な軸方向分布の軸
方向磁束密度Ｂｚを発生させることができる。図１０
（ｂ）はその一例を示したものであり、図において、傾
斜磁場＃１は、コイル２５ａと２５ｃとを両端とする２
４ａと２４ｂのコイルと、コイル２５ｃと２５ｅとを両
端とする２４ｃと２４ｄのコイルを用いて発生させた軸
方向の傾斜磁場分布である。傾斜磁場＃２は、コイル２
５ｂと２５ｄとを両端とする２４ｂと２４ｃのコイル
と、コイル２５ｄと２５ｅとを両端とする２４ｄのコイ
ルを用いて発生させた軸方向の傾斜磁場分布である。こ
のようにコイル端として適当な中間タップを選択するこ
とにより、軸方向の傾斜磁場分布やその磁場の傾きを変
えることができるため、ジャイロトロン２００における
電子ビーム９の加速電圧やその電流、発振出力に合わせ
て最適な傾斜磁場分布を選択することができる。 [0048] Next, the operation will be described. By using such a gradient magnetic field electromagnet 24, by selecting an appropriate intermediate tap and considering the direction of the flowing current, the axial magnetic flux density of various axial distributions can be increased in order to improve the efficiency of gyrotron oscillation. Bz can be generated. Figure 10
(B) shows an example thereof. In the figure, the gradient magnetic field # 1 has coils 25a and 25c at both ends.
4a and 24b, and a gradient magnetic field distribution in the axial direction generated using coils 24c and 24d having coils 25c and 25e at both ends. Gradient magnetic field # 2 is coil 2
5 is an axial gradient magnetic field distribution generated by using coils 24b and 24c having 5b and 25d at both ends and a coil 24d having coils 25d and 25e at both ends. By thus selecting an appropriate intermediate tap as the coil end, the gradient magnetic field distribution in the axial direction and the gradient of the magnetic field can be changed. Therefore, the accelerating voltage of the electron beam 9 in the gyrotron 200, its current, oscillation output The optimum gradient magnetic field distribution can be selected according to the above.
【００４９】
以上のように、この実施の形態７によれ
ば、コイル端として適当な中間タップを選択することに
より、軸方向の傾斜磁場分布やその磁場の傾きを変える
ことができるため、ジャイロトロン２００における電子
ビーム９の加速電圧やその電流、発振出力に合わせて最
適な傾斜磁場分布を選択することができ、操作性が良く
なる効果が得られる。 As described above, according to the seventh embodiment, the gradient magnetic field distribution in the axial direction and the gradient of the magnetic field can be changed by selecting an appropriate intermediate tap as the coil end. The optimum gradient magnetic field distribution can be selected in accordance with the acceleration voltage and current of the electron beam 9 in 200, the oscillation output, and the effect of improving operability can be obtained.
【００５０】
実施の形態８．
図１１はこの発明の実施の形態８によるジャイロトロン
装置を示す断面図であり、図において、１６は、例えば
アルミナなどの電気的絶縁材料にて形成したスペーサで
あり、これによりスリット１７を作り、ジャイロトロン
管としてのジャイロトロン本体部分６０（この部分はア
ノード１４と導体でつながっており、電気的には同電位
である）とコレクタ７とを電気的に絶縁している。この
スリット１７の幅は、空胴共振器６で発生される高周波
１０の波長の１／４以下に設定してあり、高周波はその
影響をほとんど受けずにコレクタ７の部分を伝搬し、出
力窓８から取り出されるようになっている。２６ａ，２
６ｂは傾斜磁場発生用電磁石、３５は傾斜磁場発生用電
磁石２６ａ，２６ｂを電気的に絶縁するために、例え
ば、テフロンなどの絶縁物で構成した巻枠（電気的絶縁
物）である。５０はカソード２とアノード１４間に電圧
を印加するためのアノード電源であり、その電圧をＶａ
とする。５１はカソード２とコレクタ７間に電圧を印加
するためのコレクタ電源であり、その電圧をＶｃとす
る。また、コレクタ７は接地されているのが一般的であ
る。 [0050] Embodiment 8. FIG. 11 is a sectional view showing a gyrotron device according to an eighth embodiment of the present invention. In the figure, 16 is a spacer formed of an electrically insulating material such as alumina, and a slit 17 is formed by this spacer. A gyrotron body portion 60 as a gyrotron tube (this portion is connected to the anode 14 by a conductor and has the same electric potential) is electrically insulated from the collector 7. The width of the slit 17 is set to 1/4 or less of the wavelength of the high frequency wave 10 generated in the cavity resonator 6, and the high frequency wave propagates through the collector 7 portion without being influenced by the high frequency wave and the output window. It is designed to be taken out from 8. 26a, 2
6b is a gradient magnetic field generating electromagnet, and 35 is a winding frame (electrical insulator) made of an insulating material such as Teflon for electrically insulating the gradient magnetic field generating electromagnets 26a and 26b. Reference numeral 50 is an anode power source for applying a voltage between the cathode 2 and the anode 14, and the voltage is Va
And 51 is a collector power supply for applying a voltage between the cathode 2 and the collector 7, and the voltage is set to Vc. The collector 7 is generally grounded.
【００５１】
次に動作について説明する。上記電圧の関
係を、
Ｖａ＞Ｖｃ （５）
としておくと、カソード２上の電子放出部３から放出さ
れた電子ビームは、電圧Ｖａにより加速されるが、空胴
共振器６で高周波電磁場と相互作用した後、コレクタ７
に回収されるまでに、電子の減速電圧（Ｖｃ−Ｖａ）を
経験する。この電子ビームの減速エネルギーは、コレク
タ電源５１に回収されると考えることができ、全体とし
てジャイロトロンの発振効率を上げることができる。な
お、ここまでの実施の形態のジャイロトロン装置では、
ジャイロトロン管のアノード１４、または第２アノード
５は接地電位であったが、本実施の形態８におけるジャ
イロトロン装置にあっては、図１１から分かるように、
アノード１４は接地電位よりも高く（Ｖａ−Ｖｃ＞
０）、その大きさはジャイロトロンを運転する際の電子
ビームの加速電圧によって異なるが、数ｋＶから３０ｋ
Ｖ程度である。したがって、傾斜磁場発生用電磁石２６
ａ，２６ｂとジャイロトロン本体部分６０（アノード１
４と同電位であるため、接地電位より高い）との間を電
気的に絶縁しておく必要があり、このために設けたもの
が絶縁物としての巻枠３５である。 [0051] Next, the operation will be described. If the relation of the above voltages is set as Va> Vc (5), the electron beam emitted from the electron emitting portion 3 on the cathode 2 is accelerated by the voltage Va, but the cavity resonator 6 interacts with the high frequency electromagnetic field. After working, collector 7
It experiences the deceleration voltage (Vc-Va) of electrons before it is recovered. This deceleration energy of the electron beam can be considered to be recovered by the collector power supply 51, and the oscillation efficiency of the gyrotron can be increased as a whole. Incidentally, in the gyrotron device of the embodiment so far,
Although the anode 14 of the gyrotron tube or the second anode 5 was at the ground potential, in the gyrotron device according to the eighth embodiment, as can be seen from FIG.
The anode 14 is higher than the ground potential (Va-Vc>
0), its size depends on the accelerating voltage of the electron beam when operating the gyrotron, but it is from a few kV to 30 k
It is about V. Therefore, the electromagnet 26 for generating the gradient magnetic field
a, 26b and gyrotron body portion 60 (anode 1
4 is higher than the ground potential), it is necessary to electrically insulate it from the ground potential. Therefore, the winding frame 35 as an insulator is provided for this purpose.
【００５２】
以上のように、この実施の形態８によれ
ば、電気的絶縁物としての巻枠３５を設けたことによ
り、空胴共振器６部に感電の心配なく安全に傾斜磁場を
つけることができ、さらにジャイロトロンの発振効率を
上げることができる効果が得られる。 As described above, according to the eighth embodiment, since the winding frame 35 as an electrical insulator is provided, the gradient magnetic field can be safely applied to the cavity portion 6 without any electric shock. And the effect that the oscillation efficiency of the gyrotron can be increased.
【００５３】[0053]
【発明の効果】以上のように、請求項１記載の発明によ
れば、電子銃と、磁場発生手段と、空胴共振器と、コレ
クタと、出力窓とを備え、前記磁場発生手段は、前記空
胴共振器付近に磁場を発生する主磁場発生用電磁石と傾
斜磁場発生用電磁石とを備え、当該傾斜磁場発生用電磁
石は、ジャイロトロン装置が所定周波数の発振動作をし
ているときに、当該空胴共振器の中心部における軸方向
磁束密度の１０％以下の磁場を発生し、かつ、当該磁場
によって当該空胴共振器の内部およびその付近に所望の
分布をした軸方向磁場を発生させ、同一方向に巻いた電
磁石を２個以上備え、当該同一方向に巻いた電磁石が発
生する軸方向磁場の向きが互いに逆方向となるように配
設して構成したので、小型の傾斜磁場発生用電磁石によ
り、容易に空胴共振器部に軸方向の傾斜磁場を発生させ
ることができ、また、その磁場が電子銃部へ影響するこ
ともないため、高効率発振を実現し、かつ、その操作性
も容易にできるとともに、空胴共振器内において比較的
短区間に大きな傾斜磁場を発生することができ、もって
ジャイロトロン発振の高効率化を図ることができる効果
がある。 As described above, according to the first aspect of the invention, the electron gun, the magnetic field generating means, the cavity resonator, the collector, and the output window are provided, and the magnetic field generating means comprises: A main magnetic field generating electromagnet that generates a magnetic field in the vicinity of the cavity resonator and a gradient magnetic field generating electromagnet, the gradient magnetic field generating electromagnet, when the gyrotron device is oscillating operation of a predetermined frequency, A magnetic field of 10% or less of the axial magnetic flux density at the center of the cavity resonator is generated, and the magnetic field generates an axial magnetic field having a desired distribution inside and around the cavity resonator. , Electric wires wound in the same direction
Equipped with two or more magnets, the electromagnet wound in the same direction
Arrange the generated axial magnetic fields so that they are in opposite directions.
Since it is configured to be installed , a small gradient magnetic field generating electromagnet can easily generate an axial gradient magnetic field in the cavity portion, and the magnetic field does not affect the electron gun portion. Therefore, high-efficiency oscillation can be realized and its operability can be facilitated, and it can be relatively
It is possible to generate a large gradient magnetic field in a short section.
Effect that can improve efficiency of gyrotron oscillation
There is.
【００５４】
請求項２記載の発明によれば、電子銃と、
磁場発生手段と、空胴共振器と、コレクタと、出力窓と
を備え、前記磁場発生手段は、前記空胴共振器付近に磁
場を発生する主磁場発生用電磁石と傾斜磁場発生用電磁
石とを備え、当該傾斜磁場発生用電磁石は、ジャイロト
ロン装置が所定周波数の発振動作をしているときに、当
該空胴共振器の中心部における軸方向磁束密度の１０％
以下の磁場を発生し、かつ、当該磁場によって当該空胴
共振器の内部およびその付近に所望の分布をした軸方向
磁場を発生させ、右巻きの電磁石と左巻きの電磁石をそ
れぞれ１個以上備え、当該右巻きの電磁石と当該左巻き
の電磁石が発生する軸方向磁場の向きが互いに逆方向と
なるように配設して構成したので、小型の傾斜磁場発生
用電磁石により、容易に空胴共振器部に軸方向の傾斜磁
場を発生させることができ、また、その磁場が電子銃部
へ影響することもないため、高効率発振を実現し、か
つ、その操作性も容易にできるとともに、空胴共振器内
において比較的短区間に大きな傾斜磁場を発生すること
ができ、もってジャイロトロン発振の高効率化を図るこ
とができる効果がある。 [0054] According to the second aspect of the present invention, an electron gun,
Magnetic field generating means, cavity resonator, collector, output window
The magnetic field generating means includes a magnetic field near the cavity resonator.
Electromagnet for generating main magnetic field and electromagnetic for generating gradient magnetic field
The electromagnet for generating the gradient magnetic field is provided with a gyro
When the ron device is oscillating at a specified frequency,
10% of the axial magnetic flux density at the center of the cavity resonator
Generates the following magnetic field, and the magnetic field causes the cavity
Axial direction with desired distribution inside and around the resonator
Generates a magnetic field to rotate the right-handed electromagnet and left-handed electromagnet.
The right-handed electromagnet and the left-handed one each equipped with one or more
Direction of the axial magnetic field generated by the electromagnet of
Since it is arranged so that it can be generated, a small gradient magnetic field can be generated.
The electromagnet for use makes it easy to tilt the cavity resonator section in the axial direction.
A field can be generated, and its magnetic field is
Since it does not affect the
The operability of the cavity resonator
To generate a large gradient magnetic field in a relatively short section at
It is possible to improve the efficiency of gyrotron oscillation.
There is an effect that can be.
【００５５】
請求項３記載の発明によれば、電子銃と、
空胴共振器と、コレクタと、出力窓とを備えたジャイロ
トロンは、２倍高調波発振動作をするように構成したの
で、ジャイロトロン発振の高効率化を図りつつ、基本波
発振動作のジャイロトロン装置よりもさらに小型に構成
できる効果がある。 [0055] According to the third aspect of the present invention, an electron gun,
Since the gyrotron including the cavity resonator, the collector, and the output window is configured to perform the second harmonic oscillation operation, the gyrotron having the fundamental wave oscillation operation can be achieved while improving the efficiency of the gyrotron oscillation. There is an effect that it can be made smaller than the thoron device.
【００５６】
請求項４記載の発明によれば、傾斜磁場発
生用電磁石は、入出力端以外に１個以上の中間タップを
備えるように構成したので、適当な中間タップを選択す
ることにより、軸方向の傾斜磁場分布やその磁場の傾き
を変えることができるため、ジャイロトロンにおける電
子ビームの加速電圧やその電流、発振出力に合わせて最
適な傾斜磁場分布を選択することができ、操作性が良く
なる効果がある。 [0056] According to the fourth aspect of the present invention, the gradient magnetic field generating electromagnet is so constructed to include one or more intermediate tap in addition to input and output ends, by selecting the appropriate intermediate taps, the shaft Since the gradient magnetic field distribution in the direction and the gradient of the magnetic field can be changed, the optimum gradient magnetic field distribution can be selected according to the accelerating voltage and current of the electron beam in the gyrotron and the oscillation output, and the operability is good. There is an effect.
【００５７】
請求項５記載の発明によれば、傾斜磁場発
生用電磁石とジャイロトロン管との間には、少なくとも
１ｋＶ以上の電圧に耐える電気的絶縁物を施すように構
成したので、空胴共振器部に感電の心配なく安全に傾斜
磁場をつけることができ、ジャイロトロンの発振効率を
上げることができる効果がある。 [0057] According to the invention of claim 5, wherein, between the gradient magnetic field generating electromagnet and a gyrotron tube, since it is configured to perform a electrical insulator to withstand at least 1kV or more voltage, cavity resonance There is an effect that the gradient magnetic field can be safely applied to the vessel without fear of electric shock, and the oscillation efficiency of the gyrotron can be increased.
【図１】 この発明の実施の形態１によるジャイロトロ
ン装置を示す断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing a gyrotron device according to a first embodiment of the present invention.
【図２】 空胴共振器付近に傾斜磁場を付けた軸方向磁
束密度Ｂｚ分布を示すグラフ図である。FIG. 2 is a graph showing an axial magnetic flux density Bz distribution in which a gradient magnetic field is added near the cavity resonator.
【図３】 空胴共振器の軸方向距離Ｚと電子の平均運動
エネルギーとの関係を示すグラフ図である。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the axial distance Z of the cavity resonator and the average kinetic energy of electrons.
【図４】 この発明の実施の形態２によるジャイロトロ
ン装置を示す断面図である。FIG. 4 is a sectional view showing a gyrotron device according to a second embodiment of the present invention.
【図５】 この発明の実施の形態３によるジャイロトロ
ン装置を示す断面図である。FIG. 5 is a sectional view showing a gyrotron device according to a third embodiment of the present invention.
【図６】 この発明の実施の形態４によるジャイロトロ
ン装置の傾斜磁場発生用電磁石を示す側面図（ａ）とそ
の軸方向磁束密度の分布を示すグラフ図（ｂ）である。FIG. 6 is a side view (a) showing a gradient magnetic field generating electromagnet of a gyrotron device according to a fourth embodiment of the present invention and a graph (b) showing a distribution of magnetic flux density in an axial direction thereof.
【図７】 異なる傾斜磁場発生用電磁石を用いた場合の
軸方向磁束密度の分布を示すグラフ図である。FIG. 7 is a graph showing a distribution of magnetic flux density in the axial direction when different electromagnets for generating a gradient magnetic field are used.
【図８】 この発明の実施の形態５によるジャイロトロ
ン装置の傾斜磁場発生用電磁石を示す側面図（ａ）とそ
の軸方向磁束密度の分布を示すグラフ図（ｂ）である。FIG. 8 is a side view (a) showing a gradient magnetic field generating electromagnet of a gyrotron device according to a fifth embodiment of the present invention and a graph (b) showing a distribution of magnetic flux density in the axial direction thereof.
【図９】 この発明の実施の形態６によるジャイロトロ
ン装置を示す断面図である。FIG. 9 is a sectional view showing a gyrotron device according to a sixth embodiment of the present invention.
【図１０】 この発明の実施の形態７によるジャイロト
ロン装置の傾斜磁場発生用電磁石を示す側面図（ａ）と
その軸方向磁束密度の分布を示すグラフ図（ｂ）であ
る。FIG. 10 is a side view (a) showing a gradient magnetic field generating electromagnet of a gyrotron device according to a seventh embodiment of the present invention and a graph (b) showing a distribution of magnetic flux density in an axial direction thereof.
【図１１】 この発明の実施の形態８によるジャイロト
ロン装置を示す断面図である。FIG. 11 is a sectional view showing a gyrotron device according to an eighth embodiment of the present invention.
【図１２】 従来の３極型電子銃を用いたジャイロトロ
ン装置を示す断面図である。FIG. 12 is a sectional view showing a gyrotron device using a conventional three-pole electron gun.
【図１３】 従来の２極型電子銃を用いたジャイロトロ
ン装置を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing a gyrotron device using a conventional bipolar electron gun.
１ 電子銃、６ 空胴共振器、７ コレクタ、８ 出力
窓、９ 電子ビーム、１１ 主磁場発生用電磁石、１２
電子銃磁場発生用電磁石、２０ａ，２０ｂ，２１ａ，
２１ｂ，２４，２６ａ，２６ｂ 傾斜磁場発生用電磁
石、Ｂｚ 軸方向磁束密度の向き（軸方向磁場の向
き）、２２ａ，２２ｂ 傾斜磁場発生用電磁石（同一方
向に巻いた電磁石）、２３ａ，２３ｂ コイル（右巻き
の電磁石と左巻きの電磁石）、２４ａ，２４ｂ，２４
ｃ，２４ｄ コイル（傾斜磁場発生用電磁石）、２５
ａ，２５ｅ コイル端（入出力端）、２５ｂ，２５ｃ，
２５ｄ 中間タップ、３５ 巻枠（電気的絶縁物）、６
０ ジャイロトロン本体部分（ジャイロトロン管）、２
００ ジャイロトロン、３００ ジャイロトロン装置。1 electron gun, 6 cavity resonator, 7 collector, 8 output window, 9 electron beam, 11 main field generating electromagnet, 12
Electron gun magnetic field generating electromagnets, 20a, 20b, 21a,
21b, 24, 26a, 26b Gradient magnetic field generating electromagnet, Bz Axial direction magnetic flux density direction (axial magnetic field direction), 22a, 22b Gradient magnetic field generating electromagnet (electromagnet wound in the same direction), 23a, 23b Coil ( Right-handed electromagnet and left-handed electromagnet), 24a, 24b, 24
c, 24d coil (electromagnet for generating gradient magnetic field), 25
a, 25e Coil end (input / output end), 25b, 25c,
25d Intermediate tap, 35 Reel (electrical insulator), 6
0 Gyrotron body (gyrotron tube), 2
00 gyrotron, 300 gyrotron device.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01J 25/00 H01J 23/00 - 23/54 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01J 25/00 H01J 23/00-23/54
Claims (5)
子に旋回運動を起こさせる軸方向磁場を発生する磁場発
生手段と、旋回電子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、前記空胴共振器内を通過した前記電
子ビームを回収するコレクタと、前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、前記磁場
発生手段は、前記空胴共振器付近に磁場を発生する主磁
場発生用電磁石と傾斜磁場発生用電磁石とを備え、当該
傾斜磁場発生用電磁石は、前記ジャイロトロン装置が所
定周波数の発振動作をしているときに、当該空胴共振器
の中心部における軸方向磁束密度の１０％以下の磁場を
発生し、かつ、当該磁場によって当該空胴共振器の内部
およびその付近に所望の分布をした軸方向磁場を発生さ
せ、同一方向に巻いた電磁石を２個以上備え、当該同一
方向に巻いた電磁石が発生する軸方向磁場の向きが互い
に逆方向となるように配設したことを特徴とするジャイ
ロトロン装置。1. A cyclotron between an electron gun for emitting an electron beam, a magnetic field generating means for generating an axial magnetic field for causing the ejected electron to cause a swirling motion, and a high-frequency electromagnetic field resonating in the eigenmode with the swirl electron. A gyro having a cavity resonator that causes a resonance maser action, a collector that collects the electron beam that has passed through the cavity resonator, and an output window that extracts the high frequency generated by the cyclotron resonance maser action to the outside. In the tron device, the magnetic field generation means includes a main magnetic field generation electromagnet that generates a magnetic field in the vicinity of the cavity resonator and a gradient magnetic field generation electromagnet, and the gradient magnetic field generation electromagnet is the predetermined gyrotron device. When oscillating at a frequency, a magnetic field of 10% or less of the axial magnetic flux density at the center of the cavity resonator is generated, and An axial magnetic field having a desired distribution is generated in and around the cavity resonator by a magnetic field, and two or more electromagnets wound in the same direction are provided.
The directions of the axial magnetic fields generated by the electromagnets wound in one direction
A gyrotron device characterized in that the gyrotron device is arranged so as to be in the opposite direction .
子に旋回運動を起こさせる軸方向磁場を発生する磁場発
生手段と、旋回電子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、前記空胴共振器内を通過した前記電
子ビームを回収するコレクタと、前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、前記磁場
発生手段は、前記空胴共振器付近に磁場を発生する主磁
場発生用電磁石と傾斜磁場発生用電磁石とを備え、当該
傾斜磁場発生用電磁石は、前記ジャイロトロン装置が所
定周波数の発振動作をしているときに、当該空胴共振器
の中心部における軸方向磁束密度の１０％以下の磁場を
発生し、かつ、当該磁場によって当該空胴共振器の内部
およびその付近に所望の分布をした軸方向磁場を発生さ
せ、右巻きの電磁石と左巻きの電磁石をそれぞれ１個以
上備え、当該右巻きの電磁石と当該左巻きの電磁石が発
生する軸方向磁場の向きが互いに逆方向となるように配
設したことを特徴とするジャイロトロン装置。2. An electron gun for emitting an electron beam, and an injection electron.
Magnetic field generation that generates an axial magnetic field that causes the child to make a swirling motion
High frequency resonating with raw means and swirling electrons in eigenmodes
Caused cyclotron resonance maser action with electromagnetic field
The cavity resonator and the electric current that has passed through the cavity resonator.
Both the collector that collects the child beam and the cyclotron
Output the high frequency generated by the sound maser action to the outside.
And a magnetic field in a gyrotron device having a force window.
The generating means is a main magnet that generates a magnetic field near the cavity resonator.
A field generating electromagnet and a gradient magnetic field generating electromagnet,
The electromagnet for generating the gradient magnetic field is located in the gyrotron device.
When oscillating at a constant frequency, the cavity resonator concerned
A magnetic field of 10% or less of the axial magnetic flux density in the center of
Generated and by the magnetic field inside the cavity
And an axial magnetic field with a desired distribution
At least one right-handed electromagnet and one left-handed electromagnet are arranged, and the axial magnetic fields generated by the right-handed electromagnet and the left-handed electromagnet are arranged in opposite directions to each other. be distearate Yairotoron apparatus.
出力窓とを備えたジャイロトロンは、２倍高調波発振動
作をする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。 3. An electron gun, a cavity resonator, a collector,
The gyrotron device according to claim 1 or 2, wherein the gyrotron provided with an output window performs a second harmonic oscillation operation.
に１個以上の中間タップを備えたことを特徴とする請求
項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のジャイロ
トロン装置。 4. A gradient magnetic field generating electromagnet is gyrotron apparatus according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it comprises one or more intermediate tap in addition to input and output terminals .
発生用電磁石が装着されるジャイロトロン管との間に
は、少なくとも１ｋＶ以上の電圧に耐える電気的絶縁物
を施したことを特徴とする請求項１から請求項３のうち
のいずれか１項記載のジャイロトロン装置。 5. An electric insulator that withstands a voltage of at least 1 kV or more is provided between the gradient magnetic field generating electromagnet and the gyrotron tube to which the gradient magnetic field generating electromagnet is mounted. The gyrotron device according to any one of claims 1 to 3 .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07245897A JP3414977B2 (en) | 1997-03-25 | 1997-03-25 | Gyrotron device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07245897A JP3414977B2 (en) | 1997-03-25 | 1997-03-25 | Gyrotron device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10269957A JPH10269957A (en) | 1998-10-09 |
| JP3414977B2 true JP3414977B2 (en) | 2003-06-09 |
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ID=13489891
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP07245897A Expired - Fee Related JP3414977B2 (en) | 1997-03-25 | 1997-03-25 | Gyrotron device |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| JP (1) | JP3414977B2 (en) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| KR102007560B1 (en) * | 2016-06-20 | 2019-08-06 | 김영수 | Apparatus of recharging using electronic gun and charging plug applied for the apparatus |
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-
1997
- 1997-03-25 JP JP07245897A patent/JP3414977B2/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10269957A (en) | 1998-10-09 |
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