JPS6319064B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はジヤイロトロン、ジヤイロクライスト
ロン及びジヤイロ進行波管などのような電子サイ
クロトロンメーザの原理に基づく大電力マイクロ
波電子管に関する。

ジヤイロトロン、ジヤイロクライストロン及び
ジヤイロ進行波管などの所謂電子ビームジヤイロ
装置は、高周波回路のTEモードと電子ビームの
サイクロトロンモード結合を利用し、大電力の電
磁波を発生するものである。高周波回路はTEモ
ードが励起される円形導波管または円筒空胴であ
り、電子銃は横方向ビームエネルギーが管軸方向
ビームエネルギーに比べて十分に大きく、しかも
横方向ビームエネルギーのばらつきが少ない中空
ビームを形成射出するマグネトロン型のものが用
いられる。高周波回路のTEモードの周波数ωと
電子ビームのサイクロトロン周波数ω_cとがｎを
整数として、ωnω_cなる同期条件を満足すると
き、強い相互作用が生じ、高周波回路内に大電力
電磁波が発生する。このような電子ビームのサイ
クロトロン運動を利用した相互作用は、電子ビー
ム及び高周波回路の寸法が波長に比較して大きく
なることを可能にし、従来のミリ波帯における進
行波管やクライストロンが当面する電力密度の問
題を回避することが出来る。

これまでに報告されたジヤイロトロンの試作結
果によれば、28GHz帯において200kWのシヨート
パルス出力が30％以上の高い効率で得られてお
り、電子ビームジヤイロ装置はミリ波からサブミ
リ波帯における大電力源として各方面から期待を
集めている。とくに、ミリ波帯において高効率で
大電力が発生できることは、該融合炉のプラズマ
追加熱の手段として魅力的である。しかしなが
ら、プラズマ追加熱用としては、パルス巾が0.1
〜10秒程度のロングパルス動作もしくは連続波動
作が必要とされており、このような電子ビームジ
ヤイロ装置を実現するためには、解決しなければ
ならない技術的問題が数多くあり、各方面で活発
な研究がなされている。

技術的問題の中で最も重要なものは、カソード
温度の安定化である。電子ビームジヤイロ装置の
電子銃では、先に述べたように横方向ビームエネ
ルギーを大きくし、ビームエネルギーのばらつき
を少なくするため、カソードを温度制限領域で用
い、電子の放射量すなわちビーム電流をカソード
温度で制御している。電子ビームジヤイロ装置の
カソード材料は、機械的工作精度が出せるという
ことと電流密度が高くとれるという理由から、多
孔質タングステンにバリウムを含浸させたものが
用いられ、カソード温度は850℃前後に選ばれて
いる。このカソード温度を維持するに要するヒー
タ電力は、カソードの大きさによつても異なるが
数10Wである。ロングパルスあるいは、カソード
がヒータ電力以外のエネルギーによつて加熱を受
け、カソード温度が上昇しすぎて、ビーム電流が
急増し、電子ビームジヤイロ装置が曝走すると
か、極端な場合にはヒータが断線するという重大
な問題があつた。

1977年11月に米国で発行された著名雑誌
Microwave Systems News第７巻11月号75頁に
記載の論文「Gyrotronreborn tube is
amillimeter powerhouse」（T.F.Godlove，V.L.
Granatstein著）には、電子銃と高周波回路との
間に電磁波減衰器を設けることによつて、カソー
ドが高周波数電力によつて加熱されることを防止
した従来技術が開示されている。しかしながら、
高周波電力によるカソードの加熱を防止してもな
お、ビーム電圧のパルス幅を拡大したと、ビーム
電流が急増するという現象があり、電子ビームジ
ヤイロ装置のロングパルス化あるいは連続波動作
を困難にしている。

本発明の目的は、カソード温度の安定化を計り
電子ビームジヤイロ装置のロングパルス化あるい
は連続波動作を実現することである。

この発明は、電子ビームによつて電離されたイ
オンが、負電位の電子銃電極に向つて加速され、
その衝突の際失われる運動エネルギーが熱に変換
されてカソード温度を高める要因になつているこ
とに着目して行なわれたものである。すなわち、
通常のジヤイロ装置は、イオンポンプにより10^-8
〜10^-9Torrの真空度が維持されており、残留ガ
スの主成分は水素分子であるとが知られている。
このような残留ガスの水素分子にエネルギ−
80keV程度の電子ビームを衝突させた場合、電離
した水素イオンは負電位の電子銃電極に向つて加
速され、その際の衝撃エネルギーは、連続波動作
の場合数10Wに達する。これは、ヒータ電力とほ
ぼ同等のエネルギーであり、高周波電力による加
熱を防止したとしても、このイオン衝撃による加
熱のためカソード温度が上昇し、電子ビームジヤ
イロ装置の動作を不安定にすることが分つた。

本発明の電子ビームジヤイロ装置は出力窓を支
持する金属円筒電極とコレクタとの間を絶縁し、
出力窓を支持する金属円筒電極には、コレクタに
対して200〜500V低い電圧を印加することによ
り、電離イオンを電子ビームジヤイロ装置内から
吸出し、イオン衝撃によるカソードの加熱を防止
したものである。

本発明の別の効果は、コレクタ内で発生した二
次電子が負のバイアスにより減速されるため、出
力窓の二次電子による衝撃が緩和されることであ
る。

更に別の効果は、コレクタと金属円筒電極との
間に設けられた絶縁間隙が、電子ビームジヤイロ
装置内で発生する不要モードを吸収する所謂モー
ドフイルタとして作用することである。

第１図は本発明を実施したジヤイロトロン１の
全体図であり、同図には、電子銃組立体２と、高
周波回路３と、コレクタ４と出力窓５を支持した
金属円筒電極６及び出力導波管７が管軸８に沿つ
て配列された構造が示されている。

電子銃組立体２は環状のカソード９及びヒータ
１０を含む電子銃電極１１と環状の陽極１２とが
管軸８に対し同軸に構成されている。典型的な値
としては、ヒータ１０に10V、5Aの電力がヒタ
電源１３によつて供給され、高圧電源１４によつ
て電子銃電極１１とカソード９には−80kVのビ
ーム電圧が印加され、陽極１２には−54kVの加
速電圧が印加される。適当な直流電源によつて励
磁される電子ソレノイド１５は電子銃電極１１及
び陽極１２を通る管軸８に沿つて直流磁界を発生
する。カソード９と陽極１４との間に印加される
直流電圧、並びに電子銃ソレノイド１５によつて
設定される直流磁界の相互作用によつて電子銃組
立体２から中空の螺旋運動を行なう電子ビームが
形成射出される。

中空電子ビームは、高周波回路３の中への加速
される。主ソレノイド１６は高周波回路３に沿つ
た部分に高強度直流磁界を発生する。その磁界強
度は中空電子ビームが管１の動作周波数のミリ波
に近い相対論的電子サイクロトロン周波数で螺旋
運動をするに充分大きいものである。

高周波回路３はその中心部に管１の動作周波数
においてTE₀₂₁モードで共振する円筒空胴１７を
含み、その電子銃側はTE₀₁モードがカツトオフ
になるような径の小さい部分があり、コレクタ側
はTE_poモードが伝搬できるよう径を大きくして
いる。円筒空胴１７内のTE₀₂₁モードに対し中空
電子ビームのサイクロトロンモードの角周波数が
同期するように、主ソレノイド１０を調整するこ
とによつて、電子ビームと円筒空胴１７内の電磁
波の間に強い相互作用が生じ、電子ビームの運動
エネルギーに変換されて大電力の電磁波が発生す
る。中空電子ビームとTEモード電磁波の相互作
用の詳細は前掲の論文に記載されている。円筒空
胴１７の内部で発生した大電力の電磁波はコレク
タ４，出力窓５を通じて出力導波管７から外部の
負荷へ導びかれる。

一方、中空電子ビームは、主ソレノイド１６に
よる磁界が無くなるコレクタ４の領域において電
子自身の空間電荷力により発散しコレクタ４に捕
捉される。このとき電子ビームの有する運動エネ
ルギーの大部分は熱エネルギーとしてコレクタ４
の表面で消費される。そのためコレクタ４の表面
温度は400℃程度に達しておりコレクタ４の表面
からはガス分子が遊離しやすくなつている。高温
金属表面から遊離したガス分子は、高エネルギー
の電子ビームと衝突し、電離してイオン化され
る。

電離されたイオンは、空間電荷により電位の下
つている中空電子ビームの内側にトラツプされ管
軸方向の電位の低い方向へドリフトする。

従来技術によるジヤイロトロンでは管軸上の電
位分布が第２図の点線で示す曲線３０のようにな
つているので、イオンは最も電位の低い電子銃電
極１１の先端部に衝突し、カソードの温度を不安
定にするという欠点があつた。これに対し本発明
のジヤイロトロン１では出力窓５を支持する金属
円筒電極６に−300V印加しているので、管軸上
の電位分布は第２図の実線で示す曲線３１のよう
にコレクタ４の先の方に電位の低い部分ができ
る。このため、コレクタ４の内部で電離したイオ
ンは金属円筒電極６から吸出されるので、電子銃
電極１１のイオン衝撃が防止でき、カソード温度
の安定化が図れる。

また、中空電子ビームがコレクタ４に捕捉され
たとき、２次電子が発出し、この２次電子は出力
窓５は衝撃するので、出力窓５を劣化させる欠点
があつた。本発明によれば、金属円筒電極６に−
300Vの負のバイアスをかけているので、出力窓
５に向う２次電子を減速する作用があり、２次電
子による出力窓５の劣化を防止できる。

更に円筒空胴１７の共振モードはTE₀₂₁なので
内部で発生した大電力電磁波はTE₀₂モードとし
て出力導波管７から外部負荷へ伝搬するが、外部
負荷での不整合や外部負荷へ至る導波管の変形等
により、モード分解した反射波がジヤイロトロン
１に戻つてくる。モード分解した反射波の中でも
TE_poモード成分以外は、管軸方向の管壁電流成
分を有するので、電極間の絶縁セラミツク１８，
１９部分で吸収が生じ減衰される。しかも円筒空
胴１７と電子銃組立体２との間ではTE₀₁成分が
カツトオフになるよう高周波回路３の内径が小さ
くなつているので、電子銃電極１１の高周波電力
による加熱も防止できる。

以上のように本発明のジヤイロトロンによれば
高周波電力によるカソードの加熱の防止だけでな
く、イオン衝撃によるカソードの温度上昇も同時
に阻止することができるので、ロングパルス化、
連続動作時のカソード温度の安定化を図ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するジヤイロトロンの一
実施例の全体図、第２図は従来技術によるジヤイ
ロトロンと第１図の実施例における管軸上の電位
分布を比較して示す曲線図である。 １……ジヤイロトロン、２……電子銃組立体、
３……高周波回路、４……コレクタ、５……出力
窓、６……金属円筒電極、７……出力導波管、９
……カソード、１０……ヒータ、１１……電子銃
電極、１３……ヒータ電源、１４……高圧電源、
１５……電子銃ソレノイド、１６……主ソレノイ
ド、１７……円筒空胴、１８，１９……絶縁セラ
ミツク、３０，３１……管軸上電位分布曲線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 中空の螺旋運動を行なう電子ビームを形成射
   出する電子銃組立体と、該中空電子ビームに沿つ
   て円形導波管もしくは円筒空胴を含む高周波回路
   と、前記電子ビームを捕捉するコレクタが配列さ
   れ、該コレクタの先には出力窓と出力導波管が取
   付けられた電子ビームジヤイロ装置において、前
   記の出力窓を支持する金属円筒電極とコレクタの
   間は絶縁され、出力窓を支持する金属円筒電極は
   コレクタに対して負電位にバイアスしたことを特
   徴とする電子ビームジヤイロ装置。