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JPS592137B2 - straight type klystron - Google Patents
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JPS592137B2 - straight type klystron - Google Patents

straight type klystron

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Publication number
JPS592137B2
JPS592137B2 JP10624978A JP10624978A JPS592137B2 JP S592137 B2 JPS592137 B2 JP S592137B2 JP 10624978 A JP10624978 A JP 10624978A JP 10624978 A JP10624978 A JP 10624978A JP S592137 B2 JPS592137 B2 JP S592137B2
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JP
Japan
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cavity
frequency
harmonic
klystron
electron beam
Prior art date
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JP10624978A
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Inventor
圭司 大家
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Toshiba Corp
Original Assignee
Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は空胴の1つに高調波空胴を用いた高能率直進
形クライストロンに関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a high performance linear klystron using a harmonic cavity as one of the cavities.

従来から高能率の直進形クライストロンを得るためにい
くつかの発明がなされている。
Several inventions have been made to obtain highly efficient linear klystrons.

例えば特開昭46−5765号公報によれば、基本波空
胴のみの構成で、最終中間空胴の間隙中心とそのすぐ上
流の中間空胴の間隙中心間のドリフト長を低減プラズマ
波長λ、の1/4倍以上、5/12倍以下、理想的には
1/3倍とし、この長いドリフト管において電子ビーム
中に発生する空間電荷力を有効に利用して電子ビームを
より強く集群させて高能率化を図るよう眞したものがあ
る。
For example, according to Japanese Patent Application Laid-Open No. 46-5765, with a configuration of only a fundamental wave cavity, the drift length between the gap center of the final intermediate cavity and the gap center of the intermediate cavity immediately upstream thereof is reduced by plasma wavelength λ, 1/4 times or more, 5/12 times or less, ideally 1/3 times, and the space charge force generated in the electron beam in this long drift tube is effectively used to focus the electron beam more strongly. There are some things that are really designed to improve efficiency.

ここで低減プラズマ波長はλ は2πuo/ωグで良わ
? される。
Here, the reduced plasma wavelength λ should be 2πuo/ωg, right? be done.

なおU は電子ビームの直流速度、ω。は低減プラズマ
角周波数である。
Note that U is the DC velocity of the electron beam, ω. is the reduced plasma angular frequency.

小信号時において、速度変調を受けた電子ビームt−1
−ドリフト長が1/4λ、の点で最大の密度変調を受け
、それ以上ではビーム中の基本波電流成分は減少する。
Electron beam t-1 subjected to velocity modulation during small signal
- Maximum density modulation occurs at a point where the drift length is 1/4λ, beyond which the fundamental current component in the beam decreases.

そして信号が大きくなれば、基本波電流成分の最大を生
ずる点はi / 4 A yよりかなり小さくなる。
And as the signal becomes larger, the point that produces the maximum of the fundamental current component will be much smaller than i/4 A y.

このだめ高能率化を図るために1/3λ、程度という異
常に長いドリフト管を1つ用いなければならない。
Therefore, in order to achieve high efficiency, it is necessary to use an unusually long drift tube of about 1/3 λ.

従ってこれは従来一般に使用されているものに比較して
管球の全長が長くなる。
Therefore, the total length of the tube is longer than that conventionally used.

このことは管の製造設備の大型化、取り扱いの困難さ、
及び管も含めた装置全体の大型化を招き、高能率化の利
点よりも全体として見た場合には不都合なものとなる。
This means that pipe manufacturing equipment becomes larger, handling becomes more difficult, and
This results in an increase in the size of the entire device including the pipes, which is more inconvenient than the advantage of higher efficiency when viewed as a whole.

また特公昭47−32386号公報に記載されているよ
うに、基本波空胴の他に第2高調波空胴を用いて、これ
によって電子ビームを強く集群させて、高能率化を図る
提案もある。
In addition, as described in Japanese Patent Publication No. 47-32386, there is also a proposal to use a second harmonic cavity in addition to the fundamental cavity to strongly concentrate the electron beam and improve efficiency. be.

ところがこの構成によれば、同公報に記載された実施例
のような空胴配置の場合に基本波空胴4個、高調波空胴
1個の合計5個の空胴を用い、しかもごく狭帯域として
いるにも拘らず、利得が20 dB以下で非常に低い。
However, according to this configuration, in the case of a cavity arrangement like the example described in the same publication, a total of five cavities, four fundamental wave cavities and one harmonic wave cavity, are used, and moreover, it is very narrow. Despite the band, the gain is very low at less than 20 dB.

従ってこの構成で高能率、高利得を得るためには実際に
は更に上流に1〜2個の空胴を設けなければならないも
のと考えられる。
Therefore, in order to obtain high efficiency and high gain with this configuration, it is considered that one or two cavities must actually be provided further upstream.

そうすると空胴数の増加に伴い製造、調整上著しく困難
となり、また、管の全長も前述の長いドリフト管を用い
るものと大差なくなり同様の不都合が生ずる。
In this case, as the number of cavities increases, manufacturing and adjustment becomes extremely difficult, and the overall length of the tube is not much different from that using the long drift tube described above, resulting in similar problems.

この発明の目的は直進形クライストロンにおいて基本波
空胴及び高調波空胴を適正に配置するととにより、管の
全長を従来のものに比べ非常に短りシラる高能率、高利
得の管を提供するものである。
The purpose of this invention is to provide a high-efficiency, high-gain tube in which the total length of the tube is much shorter than conventional ones by properly arranging the fundamental wave cavity and the harmonic cavity in a straight klystron. It is something to do.

以下図に依って本発明の詳細な説明する。The present invention will be explained in detail below with reference to the drawings.

本発明における直進形クライストロンは、5空胴直進形
クライストロンで、電子ビームを発生する電子銃部11
、電子ビームの直流エネルギーを高周波エネルギーに変
換する相互作用部12、及び用済後の電子ビームを捕集
するコレクター3からなり、更に電子ビームを集束する
ために相互作用部12を囲んで集束磁界発生装置(図示
せず)が設けられる。
The linear klystron in the present invention is a 5-cavity linear klystron with an electron gun section 11 that generates an electron beam.
, an interaction section 12 that converts the direct current energy of the electron beam into high-frequency energy, and a collector 3 that collects the spent electron beam, and further includes a focusing magnetic field surrounding the interaction section 12 to focus the electron beam. A generator (not shown) is provided.

相互作用部Lスは高周波電力が導入される入力空胴21
と、電子ビームの流nにおいてそれのすぐ下流の前置中
間空胴22と、高周波電力がとり出される出力空胴25
と、そ九のすぐ上流の終段中間空胴24と、さらに真中
の第2高訓波空胴23とから成っている。
The interaction part L is an input cavity 21 into which high frequency power is introduced.
, a pre-intermediate cavity 22 immediately downstream thereof in the electron beam stream n, and an output cavity 25 from which the high-frequency power is extracted.
It consists of a final stage intermediate cavity 24 immediately upstream of the ninth stage, and a second high frequency cavity 23 further in the middle.

第2高調波空胴23はこのクライストロンの中心動作周
波数fに対応する第2高調波周波数付近に同調され、但
の空胴は中心動作周波数f 付近に同調されている。
The second harmonic cavity 23 is tuned around the second harmonic frequency corresponding to the center operating frequency f of this klystron, except that the cavity is tuned around the center operating frequency f 2 .

従ってこれらを基本波空胴と記すことにするなおそnぞ
れの空胴ばその中にドリフト管間隙をもつ。
Therefore, these will be referred to as fundamental wave cavities, and each cavity has a drift tube gap within each of them.

そこで、上流から3番目に配置される第2高訓波空胴2
3ば、間隙中心23aがその前後の中間空胴22,24
の間隙中心間の中間、又は中間よりも下流にずらして配
置する。
Therefore, the second high frequency cavity 2 located third from the upstream
3, the gap center 23a is the intermediate cavity 22, 24 before and after it.
Arranged midway between the gap centers or shifted downstream from the midpoint.

つまりこれら空胴の間隙中心22a、23a、24aの
間の距離t をt と同じか、又はt よりも小さくな
るように設置する。
In other words, the distance t 1 between the gap centers 22a, 23a, and 24a of these cavities is set to be equal to or smaller than t 2 .

また各空胴の同調周波数は次のように設定する。Further, the tuning frequency of each cavity is set as follows.

入力空胴21の同調周波数f、そのすぐ下流の空胴22
のそれf 及び出力空胴25のそれf は狭帯域増幅
の場合は中心動作周波数f。
Tuning frequency f of input cavity 21, immediately downstream cavity 22
f of the output cavity 25 and that of the output cavity 25 f is the center operating frequency f in the case of narrowband amplification.

又はその付近、広帯域増幅の場合はf かられずかに上
下にずらしてスタガ同調方式とする。
In the case of broadband amplification, a staggered tuning method is used in which the frequency is slightly shifted up or down from f.

そこで、真中の第2高調波空胴23の同調周波数f は
第2高調波周波数2f よシもわずかに低い周波数に設
定し、またそのすぐ下流の基本波空胴24を動作周波数
f よりもわずかに高い周波数に設定する。
Therefore, the tuning frequency f of the second harmonic cavity 23 in the middle is set to a frequency slightly lower than the second harmonic frequency 2f, and the tuning frequency f of the second harmonic cavity 23 immediately downstream thereof is set to a frequency slightly lower than the operating frequency f. set to a high frequency.

このような配置における電子ビームの様子を第2図によ
って説明する。
The state of the electron beam in such an arrangement will be explained with reference to FIG.

第2図は、第1図に示した直進形クライストロンをディ
スクモデルを用いて、大信号動作をコンピューターシミ
ュレーションしたものである。
FIG. 2 is a computer simulation of the large signal operation of the linear klystron shown in FIG. 1 using a disk model.

すなわちこれは電子の位相とビーム路に沿った前記低減
プラズマ波長りほよって正規化された距離とをプロット
したもので、アンプルゲイトダイアグラムと同等のもの
である。
That is, this is a plot of the electron phase and the distance normalized by the reduced plasma wavelength along the beam path, and is equivalent to an ampoule gate diagram.

この場合は基本波周波数の1周期にわたって一様に分布
している24個の電子を追跡している。
In this case, 24 electrons uniformly distributed over one period of the fundamental frequency are tracked.

相互作用部の各空胴の間隙中心の位置は横軸に記載して
いる。
The position of the gap center of each cavity of the interaction part is indicated on the horizontal axis.

まず入力空胴に導入された高周波電力に応じて空胴間隙
に高周波電界を生じ、この電界に応じて電子ビームは速
度変調される。
First, a high-frequency electric field is generated in the cavity gap according to the high-frequency power introduced into the input cavity, and the electron beam is velocity-modulated according to this electric field.

ドリフト管中には高周波電界が存在しないだめ、電子は
空胴と空胴との間の区間すなわちドリフト管中を走るう
ちに人力空胴で与えられた速度変調に応じて集群される
Since there is no high-frequency electric field in the drift tube, the electrons are concentrated in response to the velocity modulation given by the manual cavity while running in the section between the cavities, that is, in the drift tube.

その結果、集群された電子ビームが第2番目の空胴間隙
22aを通過する際、ここへ高周波電界を発生せしめ更
に変調を受は集群される。
As a result, when the focused electron beam passes through the second cavity gap 22a, a high frequency electric field is generated therein, and the electron beam is further modulated and focused.

このように集群された電子ビームが上流から第3番目の
空胴すなわち高調波空胴に達すると、との空胴は前述し
たように管の動作周波数f の2倍よりわずかに低い周
波数に同調されているとともにその位置が前後の中間空
胴間の中間あるいは中間よりも下流に配置されているの
で、電子ビームはそれまではある位相のところに集群す
るように運動してきたのが、この高調波空胴の間隙を通
過する際十分大きな速度変調を受け、通過後は2群に分
かれて各々が別々の位相に集群するようになる。
When the electron beam thus concentrated reaches the third cavity from upstream, that is, the harmonic cavity, the cavity is tuned to a frequency slightly lower than twice the operating frequency f of the tube, as described above. Because the electron beam is located midway between the front and rear intermediate cavities or downstream of the midway, the electron beams have been moving so as to converge at a certain phase, but this harmonic When passing through the gap in the wave cavity, the wave undergoes a sufficiently large velocity modulation, and after passing, it is divided into two groups, each of which converges in a different phase.

これは全体として見るとむしろ船群されるような速度変
調を受けることになるが、この高調波空胴は前後の空胴
間の比較的下流に置かれているのでこの高調波空胴に達
する迄にかなり集群しており、それまでに良く集群して
いる位相にある電子は少し船群し、集群していない位相
にある電子は集群される速度変調を受ける。
If you look at this as a whole, it will be subject to speed modulation that is more like being swarmed, but since this harmonic cavity is placed relatively downstream between the front and rear cavities, it will reach this harmonic cavity. Electrons that have already clustered well and are in a phase that has clustered well up to that point swarm a little, and electrons that are in a phase that is not clustered undergo velocity modulation due to the clustering.

こうして結果的にはすぐ下流の基本波空胴に達する時に
は、電子ビームは非常に良く集群され、その速度も均一
化する。
As a result, when the electron beam reaches the fundamental wave cavity immediately downstream, the electron beam is very well concentrated and its velocity is also uniform.

この様子は第2図において第4番目の空胴の位置。This situation is the position of the fourth cavity in Figure 2.

24aは1周期の約0.4倍の範囲に約85%の電子が
ほぼ一様に存在し、更にその速度がほぼ一様であること
が、グラフの傾斜がすべてほぼ軸に平行であるというこ
とから明らかである。
24a, about 85% of the electrons exist almost uniformly in a range of about 0.4 times one period, and furthermore, the velocity is almost uniform, which means that all the slopes of the graph are almost parallel to the axis. It is clear from this.

高能率を得るためには、出力空胴へ入る電子ビームは良
く集群されていてかつできるだけ一様な速度を持つこと
が必要であるが、この発明において第4番目の空胴すな
わち高調波空胴のすぐ下流の空胴はクライストロンの動
作周波数f より高い周波数に同調されているので、電
子ビームを更に強く集群するように働く。
In order to obtain high efficiency, it is necessary that the electron beam entering the output cavity is well-focused and has as uniform a velocity as possible, but in this invention, the fourth cavity, that is, the harmonic cavity. The cavity immediately downstream of is tuned to a higher frequency than the klystron's operating frequency f and thus serves to focus the electron beam more strongly.

このようにして出力空胴の位置25aにおける能率係数
F=I/I は第3図に示す通り1.7以上という高
い値が達成される。
In this way, the efficiency coefficient F=I/I at the position 25a of the output cavity achieves a high value of 1.7 or more, as shown in FIG.

ここで■ は電子ビーム中の基本波電流成分、■。Here ■ is the fundamental wave current component in the electron beam, ■.

は直流ビーム電流である。is the DC beam current.

第3図は本発明のものの能率係数のプロットしたもので
、出力空胴の位置で1.74となっていることがわかる
FIG. 3 is a plot of the efficiency coefficient of the invention, and it can be seen that it is 1.74 at the output cavity position.

ここで前述の従来例(特公昭47−32386)の実施
例と比べるとその優位性は明白である。
Here, its superiority is obvious when compared with the prior art example (Japanese Patent Publication No. 47-32386) described above.

すなわちこの従来例では第2高調波に同調した空胴をよ
り上流に設けており、その場合前述したように第2高調
波空胴はそこに達する迄に電子ビームがかなり集群され
ていないと有効に作用しない。
In other words, in this conventional example, a cavity tuned to the second harmonic is provided further upstream, and in that case, as mentioned above, the second harmonic cavity is effective unless the electron beam is concentrated considerably by the time it reaches there. does not work.

従ってこの高調波空胴の上流に設ける基本波中間空胴が
1個の場合は、1個だけで電子ビームをかなり集群させ
なければならないため、高周波入力電力が多く必要とな
り、従って管の利得が低くなる。
Therefore, if there is only one fundamental wave intermediate cavity installed upstream of this harmonic cavity, the electron beam must be concentrated considerably with just one cavity, so a large amount of high-frequency input power is required, and the gain of the tube is therefore reduced. It gets lower.

実用的に充分高い利得を得るためには2個以上の基本波
空胴が必要となるわけである。
In order to obtain a sufficiently high gain for practical use, two or more fundamental wave cavities are required.

これに対して本発明は5つの空胴で第2高調波空胴を上
流から第3番目に設置するとともに空胴相互の位置及び
同調周波数を前述の通りに設定することにより、40d
B以上の高利得が達成でき、しかもこれは最小の空胴数
で、管の全長を短かく構成できるのである。
In contrast, in the present invention, there are five cavities, and the second harmonic cavity is installed third from the upstream, and the mutual positions and tuning frequencies of the cavities are set as described above.
A high gain of B or more can be achieved with a minimum number of cavities, and the total length of the tube can be shortened.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図はこの発明の実施例を示す概略図、第2図はこの
発明における電子の位相と正規化された距離とをプロッ
トしたもので、電子がビーム路に沿って集群する様子を
示した図、第3図はこの発明の能率係数F =I
/I と、正規化された距離とをプロットした特性図
である。 11・・・・・・電子銃部、12・・・・・・相互作用
部、13・・・・・・コレクタ、21・・・・・・人力
空胴、22・・・・・・前置中間空胴、23・・・・・
・第2高調波中間空胴、24・・・・・・基本波終段中
間空胴、25・・・・・・出力空胴、21a〜25a・
・・・・・各空胴の間隙中心。
Figure 1 is a schematic diagram showing an embodiment of the present invention, and Figure 2 is a plot of the electron phase and normalized distance in this invention, showing how the electrons cluster along the beam path. Figure 3 shows the efficiency coefficient F = I of this invention.
It is a characteristic diagram in which /I and normalized distance are plotted. 11...Electron gun section, 12...Interaction section, 13...Collector, 21...Manual cavity, 22...Front Intermediate cavity, 23...
・Second harmonic intermediate cavity, 24... Fundamental wave final stage intermediate cavity, 25... Output cavity, 21a to 25a.
・・・・・・Center of each cavity gap.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 人力空胴、2個の基本波空胴と1個の第2高調波空
胴とを有する中間空胴、及び出力空胴を有し、上記第2
高調波空胴は電子ビームの上流から数えて3番目に配置
するとともにその間隙中心位置は基本波に同調した前後
の中間空胴の間隙中心間の中間又は中間よりも下流に配
置されてなるととを特徴とする5空胴直進形クライスト
ロン。 2 第2高調波空胴の同調周波数f は動作周波数f
の2倍よりもわずかに低い周波数に設定さ〇 九でなる特許請求の範囲第1項記載のクライストロン。 3 第2高調波空胴のすぐ下流の基本波空胴の同調周波
数f は動作周波数f よりも高い周波数に設定されて
なる特許請求の範囲第1項記載のクライストロン。
[Scope of Claims] 1. A human powered cavity, an intermediate cavity having two fundamental wave cavities and one second harmonic cavity, and an output cavity,
The harmonic cavity is placed third from the upstream side of the electron beam, and the gap center position is placed in the middle between the gap centers of the front and rear intermediate cavities tuned to the fundamental wave, or downstream from the middle. A 5-cavity linear klystron featuring: 2 The tuning frequency f of the second harmonic cavity is the operating frequency f
The klystron according to claim 1, wherein the klystron is set at a frequency slightly lower than twice the frequency of the klystron. 3. The klystron according to claim 1, wherein the tuning frequency f of the fundamental wave cavity immediately downstream of the second harmonic cavity is set to a higher frequency than the operating frequency f.
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