JP2019192344A - Klystron - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、マイクロ波を増幅するクライストロンに関する。 Embodiments described herein relate generally to a klystron that amplifies microwaves.
クライストロンにおけるマイクロ波の増幅は、直流の電子ビームとマイクロ波とが相互作用することによって電子の速度変調が密度変調に成り代わることで行われている。マイクロ波の存在領域は共振空胴によって限定されている。 Amplification of microwaves in the klystron is performed by the fact that the velocity modulation of electrons substitutes for density modulation by the interaction of a DC electron beam and microwaves. The microwave region is limited by the resonant cavity.
クライストロンは、複数の共振空胴を備え、これら共振空胴の配置とインピーダンスの設計によりマイクロ波の増幅特性が特徴付けられている。多くの場合、効率的なマイクロ波の増幅を達成するために、共振空胴の共振周波数は入力されるマイクロ波の動作周波数よりも高い側に離調されている。このため、マイクロ波の周波数が動作周波数から変化して、共振空胴の共振周波数に近付く場合には共振空胴の空胴電圧が増加して利得も増加し、一方、共振空胴の共振周波数から遠ざかる場合には共振空胴の空胴電圧が減少して利得も減少する。 The klystron includes a plurality of resonant cavities, and the microwave amplification characteristics are characterized by the arrangement of the resonant cavities and the design of the impedance. In many cases, in order to achieve efficient microwave amplification, the resonant frequency of the resonant cavity is detuned higher than the operating frequency of the input microwave. Therefore, when the microwave frequency changes from the operating frequency and approaches the resonant frequency of the resonant cavity, the cavity voltage of the resonant cavity increases and the gain also increases, while the resonant frequency of the resonant cavity When moving away from the distance, the cavity voltage of the resonant cavity decreases and the gain also decreases.
クライストロンでは、逆行電子の発生や発振等のためにその動作が不安定になることがあるが、マイクロ波の周波数が動作周波数から外れた周波数での利得が高い場合には、マイクロ波の周波数が動作周波数で安定に動作していても、周波数が意図せず変化すると、不安定な動作に陥る可能性がある。例えば、マイクロ波の周波数が動作周波数の場合には、逆行電子が存在しても、逆行電子によるマイクロ波が増幅される利得が低いために安定に動作するが、マイクロ波の周波数が動作周波数から外れて利得が高くなった場合には、逆行電子によるマイクロ波が増幅される利得が高くなって発振に至るために不安定な動作が発生する。 In klystrons, the operation may become unstable due to the generation or oscillation of retrograde electrons, but if the gain is high at frequencies that deviate from the operating frequency, the microwave frequency Even if the operation is stable at the operating frequency, if the frequency is unintentionally changed, an unstable operation may occur. For example, when the frequency of the microwave is the operating frequency, even if retrograde electrons are present, the microwave is amplified stably due to the low gain by which the microwaves are amplified. When the gain is increased and the gain is increased, the gain by which the microwaves due to retrograde electrons are amplified is increased and oscillation is caused, so that unstable operation occurs.
本発明が解決しようとする課題は、利得帯域を平準化し、安定に動作するクライストロンを提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a klystron that leveles the gain band and operates stably.
本実施形態のクライストロンは、電子銃部、相互作用部およびコレクタを備える。電子銃部は、電子を放出する。相互作用部は、電子銃部から電子の進行方向に沿って順に位置される入力空胴、第２空胴、第３空胴および出力空胴を含む複数の共振空胴を有する。入力空胴および第３空胴は入力空胴に入力されるマイクロ波の動作周波数よりも高い共振周波数に離調されているとともに、第２空胴は動作周波数よりも低い共振周波数に離調され、出力空胴でのマイクロ波の周波数に応じた利得が動作周波数で最大となる。コレクタは、相互作用部を通過した電子を捕捉する。 The klystron of this embodiment includes an electron gun unit, an interaction unit, and a collector. The electron gun unit emits electrons. The interaction unit has a plurality of resonant cavities including an input cavity, a second cavity, a third cavity, and an output cavity, which are sequentially positioned from the electron gun unit along the traveling direction of electrons. The input cavity and the third cavity are detuned to a resonance frequency higher than the operating frequency of the microwave input to the input cavity, and the second cavity is detuned to a resonance frequency lower than the operating frequency. The gain corresponding to the microwave frequency in the output cavity is maximized at the operating frequency. The collector captures electrons that have passed through the interaction section.
以下、第１の実施形態を、図１ないし図６を参照して説明する。 Hereinafter, a first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 6.
図１にクライストロン10の断面図を示す。クライストロン10は、電子11を放出する電子銃部12を備えている。電子銃部12は、電子（電子ビーム）11を発生する陰極13および電子11を加速する陽極14を備えている。
FIG. 1 shows a cross-sectional view of the
電子11の進行方向である電子銃部12の前方には、電子ビーム−マイクロ波の相互作用部（高周波相互作用部）15が設けられている。相互作用部15は、電子11の進行方向に配列された複数の共振空胴16を備えている。本実施形態では、複数の共振空胴16には、電子銃部12から電子11の進行方向に沿って、第１空胴である入力空胴16aと、中間空胴である第２空胴16b、第３空胴16cおよび第４空胴16dと、第５空胴である出力空胴16eとが含まれている。入力空胴16aには所定の動作周波数のマイクロ波を入力する例えば同軸線路である入力部17が接続されている。出力空胴16eには例えば導波管である出力部18が接続されている。
An electron beam-microwave interaction section (high-frequency interaction section) 15 is provided in front of the
電子11の進行方向である相互作用部15のさらに前方には、相互作用部15を通過した電子11を捕捉するコレクタ19が設けられている。
A
また、相互作用部15の周囲には、電子ビームを集束するための磁場を発生する図示しない集束磁場装置が配置されている。
A focusing magnetic field device (not shown) that generates a magnetic field for focusing the electron beam is disposed around the
そして、複数の共振空胴16のうちの電子11の進行方向上流側に位置する共振空胴16がクライストロン10の利得に関わっており、さらに、その電子11の進行方向上流側に位置する共振空胴16のうちの第２空胴16bがクライストロン10の利得に最も影響がある。
Of the plurality of
複数の共振空胴16のうち、第２空胴16b以外はマイクロ波の動作周波数よりも高い共振周波数に離調され、第２空胴16bのみはマイクロ波の動作周波数よりも低い共振周波数に離調されている。第２空胴16bとともに入力空胴16aおよび第３空胴16cを含めた３つ共振空胴16の各共振周波数は、出力空胴16eでのマイクロ波の周波数の変化に対する空胴電圧の変化、つまり空胴電圧に応じた利得の変化が平準化されるように調整されている。この平準化では、出力空胴16eでのマイクロ波の周波数に応じた利得が動作周波数のときに最大となるように調整されている。各共振空胴16の共振周波数は、例えば、共振空胴16の径を変えることによって調整でき、径を小さくすると共振周波数が高くなり、径を大きくすると共振周波数が低くなる。
Of the plurality of
次に、クライストロン10の入力空胴16a、第２空胴16bおよび第３空胴16cにおけるマイクロ波の周波数の変化に対する空胴電圧（利得）の変化の関係について説明する。
Next, the relationship between changes in the cavity voltage (gain) with respect to changes in the microwave frequency in the
図２には、クライストロン10の入力空胴16a、第２空胴16bおよび第３空胴16cが、動作周波数よりも高い共振周波数に離調されている場合に、これら入力空胴16a、第２空胴16bおよび第３空胴16cにおけるマイクロ波の周波数と空胴電圧との関係を示す。なお、図面には、マイクロ波の動作周波数をf0、動作周波数f0よりも高い周波数をf0+dfおよびf0+2df、動作周波数f0よりも低い周波数をf0-dfおよびf0-2dfと示す。
In FIG. 2, when the
第２空胴16b、第３空胴16cのそれぞれの空胴電圧が、マイクロ波の周波数の変化に対して片側に単調に変化する。すなわち、利得（小信号利得）は、動作周波数から外れて高くなった周波数（f0+2df）のところで最大となる。そして、第３空胴16cでのマイクロ波の周波数の変化と空胴電圧の変化との関係が第４空胴16dおよび出力空胴16eにおいても同様の関係となる。つまり、出力空胴16eの空胴電圧が、マイクロ波の周波数の変化に対して片側に単調に変化する。
The cavity voltages of the
マイクロ波の周波数が動作周波数の場合には、逆行電子が発生しても、逆行電子によってマイクロ波が増幅される利得が低いために安定に動作するが、マイクロ波の周波数が動作周波数から外れて利得が高くなった場合には、逆行電子によってマイクロ波が増幅される利得が高くなって発振に至るために不安定な動作が発生する。 When the microwave frequency is the operating frequency, even if retrograde electrons are generated, the microwave is amplified by the retrograde electrons and the gain is low, so the operation is stable, but the microwave frequency deviates from the operating frequency. When the gain is increased, an unstable operation occurs because the gain by which the microwave is amplified by the backward electrons is increased and oscillation is caused.
また、図３には、クライストロン10の第２空胴16bが動作周波数よりも低い共振周波数に離調されるが、単純に第２空胴16bの共振周波数が動作周波数よりも低くしただけで、入力空胴16a、第２空胴16bおよび第３空胴16cの各共振周波数が調整されていない場合に、これら入力空胴16a、第２空胴16bおよび第３空胴16cにおけるマイクロ波の周波数と空胴電圧との関係を示す。
Also, in FIG. 3, the
第２空胴16b、第３空胴16cのそれぞれの空胴電圧が、マイクロ波の周波数の変化に対して片側に単調に変化する。すなわち、利得（小信号利得）は、動作周波数から外れて低くなった周波数（f0-2df）のところで最大となる。そして、第３空胴16cでのマイクロ波の周波数の変化と空胴電圧の変化との関係が第４空胴16dおよび出力空胴16eにおいても同様の関係となる。つまり、出力空胴16eの空胴電圧が、マイクロ波の周波数の変化に対して片側に単調に変化する。
The cavity voltages of the
マイクロ波の周波数が動作周波数の場合には、逆行電子が発生しても、逆行電子によってマイクロ波が増幅される利得が低いために安定に動作するが、マイクロ波の周波数が動作周波数から外れて利得が高くなった場合には、逆行電子によってマイクロ波が増幅される利得が高くなって発振に至るために不安定な動作が発生する。 When the microwave frequency is the operating frequency, even if retrograde electrons are generated, the microwave is amplified by the retrograde electrons and the gain is low, so the operation is stable, but the microwave frequency deviates from the operating frequency. When the gain is increased, an unstable operation occurs because the gain by which the microwave is amplified by the backward electrons is increased and oscillation is caused.
また、図４に、本実施形態のクライストロン10であって、クライストロン10の第２空胴16bが動作周波数よりも低い共振周波数に離調されているとともに、入力空胴16a、第２空胴16bおよび第３空胴16cの共振周波数が調整された場合に、これら入力空胴16a、第２空胴16bおよび第３空胴16cにおけるマイクロ波の周波数と空胴電圧との関係を示す。
FIG. 4 shows the
第２空胴16bとともに入力空胴16aおよび第３空胴16cを含めた３つ共振空胴16の各共振周波数は、出力空胴16eでのマイクロ波の周波数の変化に対する空胴電圧の変化、つまり空胴電圧に応じた利得の変化が平準化されるように調整されている。この平準化では、出力空胴16eでのマイクロ波の周波数に応じた利得が動作周波数のときに最大となるように調整されている。そして、第３空胴16cでのマイクロ波の周波数の変化と空胴電圧の変化との関係が第４空胴16dおよび出力空胴16eにおいても同様の関係となる。つまり、出力空胴16eの空胴電圧が、マイクロ波の周波数の変化に対して平準化される。
The resonance frequencies of the three
この場合、マイクロ波の入出力特性は、図５に示すクライストロン10の入出力特性から図６に示すクライストロン10の入出力特性のように変化し、利得（小信号利得）も動作周波数で最大とすることができる。なお、図５は図３の関係を有するクライストロン10の入出力特性を示すグラフであり、図６は図４の関係を有するクライストロン10の入出力特性を示すグラフである。
In this case, the input / output characteristics of the microwave change from the input / output characteristics of the
これは、共振周波数が動作周波数よりも高い側に離調された第２空胴16b以外の共振空胴16ではマイクロ波の周波数が高くなることで空胴電圧が高くなるのに対し、共振周波数が動作周波数よりも低い側に離調された第２空胴16bでは逆の特性になるため、それらの組み合わせによって動作波周波数よりも高い側への離調による特性と低い側への離調による特性とが相殺され、出力空胴16eでのマイクロ波の周波数に応じた利得が動作周波数のときに最大となるように平準化されるためである。そのため、第２空胴16bと第３空胴16cの離調の幅を等しくすることにより、利得の平準化を容易に行える。しかも、入力空胴16a、第２空胴16bおよび第３空胴16cの各共振周波数は、第２空胴16bと第３空胴16cの離調の幅を等しくすると、バランスがとりやすい。
This is because, in the
このように、本実施形態のクライストロン10は、第２空胴16b以外はマイクロ波の動作周波数よりも高い共振周波数に離調され、第２空胴16bはマイクロ波の動作周波数よりも低い共振周波数に離調され、出力空胴16eでのマイクロ波の周波数に応じた利得が動作周波数のときに最大となるように、利得帯域を平準化しているため、安定に動作するクライストロン10を提供できる。
Thus, the
また、第２空胴16bと第３空胴16cの離調の幅が等しいことにより、動作波周波数よりも高い側への離調による特性と低い側への離調による特性とが相殺され、出力空胴16eでのマイクロ波の周波数に応じた利得が動作周波数のときに最大となる平準化を容易に行えるとともに、入力空胴16a、第２空胴16bおよび第３空胴16cの各共振周波数のバランスをとりやすく調整しやすい。
Further, since the detuning widths of the
次に、図７に第２の実施形態を示す。 Next, FIG. 7 shows a second embodiment.
クライストロン10は、高い効率を実現するため、共振空胴16の数を１０以上とする。本実施形態では、共振空胴16には、電子銃部12から電子11の進行方向に沿って、第１空胴である入力空胴16a、中間空胴である第２空胴16b、第３空胴16c、第４空胴16d、第５空胴16f、第６空胴16g、第７空胴16h、第８空胴16i、第９空胴16j、および第１０空胴である出力空胴16kが含まれている。
The
この場合でも、マイクロ波の動作周波数よりも低い共振周波数に離調する共振空胴16は第２空胴16bとし、この第２空胴16bと入力空胴16aと第３空胴16cの各共振周波数の調整によって、出力空胴16eでのマイクロ波の周波数に応じた利得が動作周波数のときに最大となるように、利得帯域の平準化を図る。
Even in this case, the
そして、第２空胴16bをマイクロ波の動作周波数よりも低い共振周波数に離調した場合、電子11の集群作用とは逆の働きをすることになるため、効率は低下する傾向にある。そのため、第２空胴16bをマイクロ波の動作周波数よりも低い共振周波数に離調するクライストロン10では、共振空胴16を１０以上備えたものとすることにより、高い効率を実現できる。
When the
さらに、１０個の共振空胴16により、電子11を徐々に集群させることができる。これにより、集群した電子11はその進行方向への広がりが抑えられ、速度が均一化されることで、高周波電力への変換効率を向上させることができる。
Furthermore, the
なお、共振空胴16の数は、第２空胴16bでの効率の低下を補って、電子11を徐々に集群させるために、１０個以上であることが好ましい。
The number of
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10 クライストロン
11 電子
12 電子銃部
15 相互作用部
16 共振空胴
16a 入力空胴
16b 第２空胴
16c 第３空胴
16e，16k 出力空胴
19 コレクタ
10 Klystron
11 electrons
12 electron gun
15 Interaction part
16 Resonant cavity
16a input cavity
16b 2nd cavity
16c 3rd cavity
16e, 16k output cavity
19 Collector
Claims (3)
前記電子銃部から電子の進行方向に沿って順に位置される入力空胴、第２空胴、第３空胴および出力空胴を含む複数の共振空胴を有し、前記入力空胴および前記第３空胴は前記入力空胴に入力されるマイクロ波の動作周波数よりも高い共振周波数に離調されているとともに、前記第２空胴は前記動作周波数よりも低い共振周波数に離調され、前記出力空胴での前記マイクロ波の周波数に応じた利得が前記動作周波数で最大となる相互作用部と、
前記相互作用部を通過した電子を捕捉するコレクタと
を具備することを特徴とするクライストロン。 An electron gun that emits electrons;
A plurality of resonant cavities including an input cavity, a second cavity, a third cavity, and an output cavity, which are sequentially positioned from the electron gun unit along an electron traveling direction; The third cavity is detuned to a resonance frequency higher than the operating frequency of the microwave input to the input cavity, and the second cavity is detuned to a resonance frequency lower than the operating frequency, An interaction unit in which the gain according to the frequency of the microwave in the output cavity is maximized at the operating frequency;
A klystron comprising: a collector that captures electrons that have passed through the interaction portion.
ことを特徴とする請求項１記載のクライストロン。 The klystron according to claim 1, wherein the detuning widths of the second cavity and the third cavity are equal.
ことを特徴とする請求項１または２記載のクライストロン。 The klystron according to claim 1 or 2, wherein the number of the resonance cavities is ten or more.
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