ジャイロトロン高効率化方法
【課題】
理論上予測される高い発振効率は、難発振開始領域と呼ばれる、ノイズレベルからは成長し得ないオペレーション領域に存在する。これは通常ジャイロトロンが運転される空胴磁場よりも、さらに低い空胴磁場領域に存在するが、従来の方法に従ってこの空胴磁場に設定してオペレーションを行おうとすると、より低い周波数の発振モードが成長してしまい、目的モードの発振が得られなかった。
【解決手段】
従来固定パラメータで行われていた発振を、発振中にジャイロトロンの電子ビームパラメータを積極的に制御することにより、高効率のジャイロトロン発振を得る、新しいジャイロトロン運転制御手法とこれを実現するためのものであり、その電子ビームパラメータとは、空胴共振器内における電子ビームの回転周波数、回転比、電子ビーム位置、電子ビーム電流などが含まれる。
理論上予測される高い発振効率は、難発振開始領域と呼ばれる、ノイズレベルからは成長し得ないオペレーション領域に存在する。これは通常ジャイロトロンが運転される空胴磁場よりも、さらに低い空胴磁場領域に存在するが、従来の方法に従ってこの空胴磁場に設定してオペレーションを行おうとすると、より低い周波数の発振モードが成長してしまい、目的モードの発振が得られなかった。
【解決手段】
従来固定パラメータで行われていた発振を、発振中にジャイロトロンの電子ビームパラメータを積極的に制御することにより、高効率のジャイロトロン発振を得る、新しいジャイロトロン運転制御手法とこれを実現するためのものであり、その電子ビームパラメータとは、空胴共振器内における電子ビームの回転周波数、回転比、電子ビーム位置、電子ビーム電流などが含まれる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、大電力マイクロ波発生装置ジャイロトロンの高効率化を可能とする方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
ジャイロトロンの概念図と電源構成を図1および図2に示す。大電力マイクロ波発生装置ジャイロトロン1は、ソレノイドコイル(主コイル)12に挿入され、ジャイロトロンの軸方向に静磁場が印可される。電子銃2に電圧を印加すると熱電子が引き出される。ここで、ジャイロトロンにおける電子放出部4は、一般にエミッションベルト4と呼ばれる幅の細いリング形状をしており、円筒型の電子ビームが形成される。電子がエミッションベルトから引き出される際、電子の引き出し方向と静磁場の磁力線方向の間に有限の角度を付けると、引き出される電子に回転速度が与えられる。電子の軌道に沿って加速電界と磁場強度が変化する配位を設けると、有効に電子に回転速度が与えられる。このタイプの電子銃をマグネトロン入射型電子銃と呼ぶ。ここから放出された電子は、静磁場に巻き付いて、磁力線に沿って下流の空胴共振器5に導入される。
【0003】
空胴共振器は、磁場発生装置であるソレノイドコイル12の中心部に配置される。磁場の強度は、電子銃2部から空胴共振部5に向かって強くなるため、電子の磁気モーメント保存則により、電子の進行エネルギーは回転エネルギーに変換され、電子の回転速度と進行速度の比、いわゆる回転比(ピッチファクタ)は進行するにつれて上昇し、空胴共振器では1.0程度以上の回転エネルギー成分の大きい電子ビームができる。
【0004】
ジャイトロン1は、空胴共振器5内において、電子サイクロトロン共鳴メーザーの効果で、電子の回転エネルギーを電磁波(マイクロ波)のエネルギーに変換する電子管であり、高い回転比の電子ビームを作ることが重要である。3極電子銃(電子放出部であるカソード部4と、引き出し電界を印加するためのアノード部3、さらに加速電圧を与えるボディ電極3aから成る)の場合、電子ビームのエネルギーを一定に保ちながらアノード電圧を制御することにより、回転比を制御することができる。また、電子銃部の磁場を変えることによっても回転比は変化するが、この場合電子ビームの位置が変化するため、空胴共振器5の磁場(以下、空胴磁場)と連動させ、かつ空胴共振器内において、最適の電子ビーム位置にあわせる必要がある。
【0005】
また、コントロールアノード電極がない2極電子銃では、電子ビームのエネルギーを変えることにより制御できるが、発振条件が変化するため、ソレノイドコイル12(主コイル),ソレノイドコイル13(電子銃部)による空胴磁場を同時に変更する。
【0006】
空胴共振器5の内部では、電子ビームの位置と印加磁場強度に応じ、固有の共振周波数を持つ共振モードの電磁波が励起される。この電磁波は、電子銃2側には電磁波のカットとなるため漏れてこず、下流側にのみ伝播する。この電磁波をモード変換器6によりガウス型電磁ビーム8変換し、真空窓(出力窓7)介して外部に準光学電磁ビームとして放出する。空胴共振器5で電磁波生起に利用された後のエネルギーを失った電子ビーム10aは、磁場に沿って進みコレクタ9に捕捉される。
【0007】
空胴共振器のサイズの目安は、例えば、発振モードがTE31,8の空胴共振器を持つ周波数170ギガヘルツのジャイロトロンの場合、空洞共振器の半径は17.9mm、円筒電子ビームの半径9.13mm、電子ビームの厚み約0.4mmである。それぞれの電子は、磁場に巻き付き、ら円運動しながら空胴共振器に打ち込まれるが、これらの回転半径は約0.2mmである。
【0008】
空胴共振器内において、目的の発振モードを、高いエネルギー変換効率(発振効率)で発振させるためには、最適な電子ビームの回転周波数と、回転比を選択する必要がある。一般には、回転比を上げ、回転周波数を下げると発振効率が上がる。空胴共振器内で回転周波数を下げることは、空胴磁場を下げることに対応する。
【0009】
なお、ジャイロトロン装置の構造およびジャイロトロン装置の出力調整方法に関する文献も存在している(特許文献1および2)。
【特許文献1】特開平7−307132号公報
【特許文献2】特開平8−203441号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
通常のジャイロトロンオペレーションでは、空胴磁場を固定し、電子銃に印加する電圧を0Vから設定値(例えば、数10キロボルト)まで数10ミリ秒程度までの短い時間で立ち上げる。電子ビーム電流は、電子銃への電圧印加と同時に発生し、電圧の上昇に伴い増加する。所定の電子ビームエネルギー、回転比、電子ビーム電流で決まる発振開始条件が満たされた時、目的の発振モードの高周波電力がノイズレベルより指数関数的に成長する。そしてついには成長が飽和し、発振出力は定常値に落ち着く。この成長時間は約1マイクロ秒程度以下であり、一般に通常の電圧の立ち上げ時間に比べて十分短い。その後は設定されたパルス幅まで、固定された電圧で発振を続ける。
【0011】
一方、理論上予測される高い発振効率は、難発振開始領域(図3および4参照)と呼ばれる、ノイズレベルからは成長し得ないオペレーション領域に存在する。これは通常ジャイロトロンが運転される空胴磁場よりも、さらに低い空胴磁場領域に存在するが、従来の方法に従ってこの空胴磁場に設定してオペレーションを行おうとすると、より低い周波数の発振モードが成長してしまい、目的モードの発振が得られなかった。
【0012】
また、一方、ジャイロトロンの発振開始にはオペレーションパラメータが安定せず、当初の設定条件からはずれ、エネルギー変換効率が下がるという問題があった。具体的には、電流が時間とともに減少する。ジャイロトロン内にイオンが蓄積し、ビーム電圧が変化する、回転比が下がる、空胴共振器の熱膨張により発振周波数が下がる、等であり、最悪の場合は、目的モードの発振が止まり他のモードに取って代わられる。これを防ぐためには空胴磁場を上げる、等の対策によりより安定な発振条件を設定する必要があるが、その代わりエネルギー変換効率が下がってしまっていた。
【0013】
これらの事情により、これまでのジャイロトロンでは、理論上予測されるよりも発振効率が大幅に低かった。これは、連続出力のジャイロトロンを考えた場合、電源容量が大きくなるにのみならず、コレクタ10の熱負荷が大きくなるとともに寿命が短くなる、冷却設備が過大になる、等の大きな不都合が生じてしまう。
【課題を解決するための手段】
【0014】
本発明においては、従来固定パラメータで行われていた発振を、ジャイロトロンの発振中にジャイロトロンの電子ビームパラメータを積極的に制御することにより、高効率のジャイロトロン発振を得る、新しいジャイロトロン運転制御手法とこれを実現するための機器構成を提示する。電子ビームパラメータとは、空胴共振器内における電子ビームの回転周波数、回転比、電子ビーム位置、電子ビーム電流などが含まれる。
【0015】
これらのパラメータを発振中に制御するために有効な、外部より制御する項目として、以下の5つがある。
(1)空胴磁場
(2)電子銃磁場
(3)電子ビーム加速電圧
(4)3極電子銃の中間電極電圧(2極電子銃の場合は制御不可)
(5)電子銃ヒーター電源
3極電子銃を用いた場合、電子ビーム加速電圧を一定に保った状態で、空胴磁場と電子銃の中間電極電圧の2つのみでも有効なビームパラメータの制御が可能で、最高効率領域への到達が容易に可能となる。制御の方式としては、プレプログラム制御、フィードバック制御、マニュアル制御のいずれも有効である。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、従来低い発振効果でしか運転できなかったジャイロトロンを、最大効率で安全かつ確実にオペレーションされることができる。また、仮にジャイロトロンパラメータが運転中にずれた場合でも、確実にジャイロトロンパラメータを追尾し、最適の発振を達成させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
本発明を図1及び図2に示したジャイロトロン及び電源構成を用いて説明する。図1と図2は電源配置(電源配線)のみ異なり、ジャイロトロンは同一である。
ジャイロトロンを発振させるためには、まず電子銃のヒーター電源18を立ち上げ、電子銃のヒーターを加熱し、電子銃2に電子ビーム加速電圧を印加すれば熱電子が放出される状態を作る。超伝導コイル12,13を所定の電流に立ち上げ、空胴磁場、および電子銃磁場を印加した後、主電源14、および電子ビーム加速電源15を立ち上げ、回転電子ビームを引き出すとともに加速し、空胴共振器の所定の位置に打ち込み、目的のモードを発振させる。
【0018】
発振した後、先述のように発振条件が変化し、発振効率が下がって行く。これに対応するために、発振条件の変化に応じて制御パラメータをコントロールさせ、最高発振効率を実現させることができる。
【0019】
上記(課題を解決するための手段)で示した制御項目(1)〜(5)を使って難発振開始領域における高効率発振を得るための手順は数多く存在するが、最も容易な制御手順は、(a)まず効率は低いが安定な発振が確実に得られる領域(通常発振領域、図4参照)で発振を確立する。(b)ここで時間が経過するとともにジャイロトロンパラメータが安定化する。(c)次に、アノード電圧制御部16の電源を制御することにより、3極電子銃のアノード電圧を上げ、(d)ついで超伝導コイル12の電流を制御して磁場を下げる。これは目的モードの発振を行わせながら電子ビームの回転比を上げた後、回転周波数を下げることに対応する。その結果、効率が上昇し最終的には難発振開始領域に到達させることができる。
【0020】
又、上記(c)及び(d)において、3極電子銃のアノード電圧を上げながら同時に磁場を下げることも可能である。これは、図4に示されるように、初期発振の初期値から目的のポイント(例えば、最高効率)までは目的モードの通常発振領域であればどの経路を通っても良いからである。
【実施例】
【0021】
(実施例1)ジャイロトロン運転制御における目的モードの出力と空胴磁場との関係
図3は、目的モードの出力と空胴磁場、すなわち電子ビームの回転周波数の関係の1例を示す。すなわち、図3は、目的モード21(TE31,8モード)と近傍モード23(TE30,8モード)における電子ビームの回転出力の空胴磁気依存性を示す図である。図中黒四角印■が安定な発振領域20(空胴磁場:6.7ステラ、出力:0.6MW)である。この例では、まずノイズレベル(縦軸の出力ゼロの位置)から目的とする発振モード21(TE31,8モード)を発振させ、すべての制御パラメータが変化した後に、出力を上げて電子ビームの回転比を上げ、エネルギー源となる電子の回転エネルギーを上昇させる(矢印22)。次に、空胴磁場を下げると発振電力が上昇して行き(発振領域20からの左方向上昇矢印)、ついには最高効率(目的モードである空胴磁場:6.63テスラ、出力:0.8MW)が得られる。
【0022】
上記モードについては、図6に示されるTE31,8モードの電界分布図(空胴共振器の断面図)に示されるように、TEm、mnモードの場合は半径方向にn個のピーク、周方向に2m個のピークが現れる。具体的には、TE31,8モードの場合、図6に示されるように、半径方向に8個のピーク、周方向に31個の山と谷(図6では、山31個、谷31個合計62個)が見える。円筒状の電子ビームは内側のピークに合わせて打ち込まれる。なお、外周の壁は空胴共振器の内壁を示している。
(比較例)ジャイロトロン運転制御における近傍モードの出力と空胴磁場との関係
図3において、さらに空胴磁場を下げると(6.63テスラ以下)、目的モード21が維持できなくなり、そのかわりパワーの低い近傍モード(TE30,8)が現れる。この近傍モード23(空胴磁場:6.63テスラ以下、出力:0.4MW以下)の周波数は、目的モードよりも周波数は低い。ここで反対に空胴磁場を上げても近傍モードが引続き発振するが、ある時点(空胴磁場:6.66テスラ付近)で目的モードが復活し、近傍モードが消える。
【0023】
このパワーが復活した空胴磁場よりも低い磁場領域が難発振開始領域黒丸●に対応する。すなわち、矢印23で示されるように、出力がゼロの領域から発振を立ち上げようとしても、所定の目的モードは立上らず、その代わりパワーの低い近傍モード23(TE30,8モード)が現れる。難発振開始領域にある、効率の高い(パワーの高い)発振を得ようとすれば、一旦通常発振領域(図4参照)で目的モードを立ち上げ、ついで磁場を下げて目的モードの発振を維持したまま、最高効率領域を得る必要があることが分かる。
(実施例2)ジャイロトロン運転制御におけるアノード電圧と空胴磁場との関係
図4は、空胴磁場とアノード電圧をパラメータとしたときの出力パワーの値を等高線で描いたものである。すなわち、空胴磁場とアノード電圧に対する目的モード(TE31,8)の発振出力依存性を示す図であり、図中、目的モードの発振出力を等高線で描いており、矢印は発振中のパラメータ制御経路である。
【0024】
図3で行った固定磁場で回転比を上げることは、図4中、経路(1)に対応し、磁場を下げることは経路(2)に対応する。目的の最高効率領域には、図4中の通常発振領域で発振を確立させた後、目的モードへの発振領域内の経路を通って到達する。
【0025】
電子ビームを立ち上げた直後には種々のパラメータが変化するため、通常発振領域自体が変化するため、パラメータの変化に発振がなるべく左右されない領域での初期発振が重要である。
【0026】
図4では、空洞磁場6.715テスラ、電子銃のアノード電圧40.0kVで初期発振させ、アノード電圧を42.5kVに上昇させた後に空洞磁場を6.64テスラに下降させると、電子ビームへの出力が0.5MWから0.8MWに上昇し、その回転比が上昇することが示されている。
(実施例3)ジャイロトロンパラメータの電子ビーム加速電圧20、電子引き出し電圧21及び空洞磁場22と経過時間との関係
図5に示されるように、(1)において、電子ビーム加速電圧20を一定に保ったままアノード電圧を上げると、すなわち電子ビーム加速電圧とアノード電圧の差である電子引き出し電圧21が増えると、電子の回転比が上昇して電子ビームに回転エネルギーが与えられる。その後、(2)において空胴磁場22を下げると、最高効率点に到達する。図5中の(1)、(2)は図4の制御経路(1)、(2)に対応している。すなわち、図5は、パラメータ(電子ビーム加速電圧20、電子引き出し電圧21、空胴磁場22)の具体的制御図である。(2)で大きく出力(0.5MWから0.8MWへ:図4参照)を上昇させるためには、図4から分かるように、(1)で十分に回転比を上げておくことが重要である。
【0027】
他に最高効率点に到達する方法として、発振中に電子ビーム加速電源15または15aを制御し、電子ビーム加速電圧を上げる方法もある。これは、電子ビームの回転周波数が磁場のみならず、相対論効果によって電子ビームのエネルギーによっても変化することによる。具体的には、電子の回転周波数f(ヘルツ)は
【0028】
【数1】
【0029】
で決まる。ここで、Bは空胴磁場で単位はテスラ、VBは空胴共振器中の電子ビームのエネルギーで単位はキロ電子ボルトである。
【産業上の利用分野】
【0030】
現在は、国際熱核融合炉実験炉ITERや、現在運転中の核融合研究用磁場閉じ込め型のプラズマ発生装置で使用されます。今後は、プラズマプロセッシング装置、イオン源、レーダー、加速器、高周波加熱装置、医療などへの利用可能性も考えられる。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】カソード接続型ジャイロトロンとその電源配置を示す図である。
【図2】コレクタ接続型ジャイロトロンその電源配置を示す図である。
【図3】ジャイロトロン制御パラメータにおける目的モードと近傍モードの出力の空胴磁気依存性を示す図である。
【図4】空胴磁場とアノード電圧に対する目的モードの発振依存性を示す図である。
【図5】パラメータの具体的制御例を示す図である。
【図6】目的モードの電界分布の空胴共振器における断面図である。
【符号の説明】
【0032】
1.ジャイロトロン装置
2.電子銃
3.3極電子銃アノード電極
3a.ボディ電極
4.電子放出部(エミッションベルト)
5.空胴共振器
6.放射器
7.出力窓
8.電磁ビーム
9.上部コレクタ
10.下部コレクタ
11.絶縁セラミック
12.超伝導ソレノイドコイル(主コイル)
13.超伝導ソレノイドコイル(電子銃部)
14.主電源
15.電子ビーム加速電源(カソード接続型)
15a.電子ビーム加速電源(コレクタ接続型)
16.アノード電圧制御部
17.分圧抵抗
18.電子銃ヒーター電源
19.電子銃ビーム減速電圧
20.電子銃ビーム加速電源への制御指令
21.アノード電圧制御指令
22.超伝導コイル(主コイル)電流制御指令
23.超伝導コイル(電子銃)電流制御指令
24.ヒーター入力電力制御指令
【技術分野】
【0001】
本発明は、大電力マイクロ波発生装置ジャイロトロンの高効率化を可能とする方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
ジャイロトロンの概念図と電源構成を図1および図2に示す。大電力マイクロ波発生装置ジャイロトロン1は、ソレノイドコイル(主コイル)12に挿入され、ジャイロトロンの軸方向に静磁場が印可される。電子銃2に電圧を印加すると熱電子が引き出される。ここで、ジャイロトロンにおける電子放出部4は、一般にエミッションベルト4と呼ばれる幅の細いリング形状をしており、円筒型の電子ビームが形成される。電子がエミッションベルトから引き出される際、電子の引き出し方向と静磁場の磁力線方向の間に有限の角度を付けると、引き出される電子に回転速度が与えられる。電子の軌道に沿って加速電界と磁場強度が変化する配位を設けると、有効に電子に回転速度が与えられる。このタイプの電子銃をマグネトロン入射型電子銃と呼ぶ。ここから放出された電子は、静磁場に巻き付いて、磁力線に沿って下流の空胴共振器5に導入される。
【0003】
空胴共振器は、磁場発生装置であるソレノイドコイル12の中心部に配置される。磁場の強度は、電子銃2部から空胴共振部5に向かって強くなるため、電子の磁気モーメント保存則により、電子の進行エネルギーは回転エネルギーに変換され、電子の回転速度と進行速度の比、いわゆる回転比(ピッチファクタ)は進行するにつれて上昇し、空胴共振器では1.0程度以上の回転エネルギー成分の大きい電子ビームができる。
【0004】
ジャイトロン1は、空胴共振器5内において、電子サイクロトロン共鳴メーザーの効果で、電子の回転エネルギーを電磁波(マイクロ波)のエネルギーに変換する電子管であり、高い回転比の電子ビームを作ることが重要である。3極電子銃(電子放出部であるカソード部4と、引き出し電界を印加するためのアノード部3、さらに加速電圧を与えるボディ電極3aから成る)の場合、電子ビームのエネルギーを一定に保ちながらアノード電圧を制御することにより、回転比を制御することができる。また、電子銃部の磁場を変えることによっても回転比は変化するが、この場合電子ビームの位置が変化するため、空胴共振器5の磁場(以下、空胴磁場)と連動させ、かつ空胴共振器内において、最適の電子ビーム位置にあわせる必要がある。
【0005】
また、コントロールアノード電極がない2極電子銃では、電子ビームのエネルギーを変えることにより制御できるが、発振条件が変化するため、ソレノイドコイル12(主コイル),ソレノイドコイル13(電子銃部)による空胴磁場を同時に変更する。
【0006】
空胴共振器5の内部では、電子ビームの位置と印加磁場強度に応じ、固有の共振周波数を持つ共振モードの電磁波が励起される。この電磁波は、電子銃2側には電磁波のカットとなるため漏れてこず、下流側にのみ伝播する。この電磁波をモード変換器6によりガウス型電磁ビーム8変換し、真空窓(出力窓7)介して外部に準光学電磁ビームとして放出する。空胴共振器5で電磁波生起に利用された後のエネルギーを失った電子ビーム10aは、磁場に沿って進みコレクタ9に捕捉される。
【0007】
空胴共振器のサイズの目安は、例えば、発振モードがTE31,8の空胴共振器を持つ周波数170ギガヘルツのジャイロトロンの場合、空洞共振器の半径は17.9mm、円筒電子ビームの半径9.13mm、電子ビームの厚み約0.4mmである。それぞれの電子は、磁場に巻き付き、ら円運動しながら空胴共振器に打ち込まれるが、これらの回転半径は約0.2mmである。
【0008】
空胴共振器内において、目的の発振モードを、高いエネルギー変換効率(発振効率)で発振させるためには、最適な電子ビームの回転周波数と、回転比を選択する必要がある。一般には、回転比を上げ、回転周波数を下げると発振効率が上がる。空胴共振器内で回転周波数を下げることは、空胴磁場を下げることに対応する。
【0009】
なお、ジャイロトロン装置の構造およびジャイロトロン装置の出力調整方法に関する文献も存在している(特許文献1および2)。
【特許文献1】特開平7−307132号公報
【特許文献2】特開平8−203441号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
通常のジャイロトロンオペレーションでは、空胴磁場を固定し、電子銃に印加する電圧を0Vから設定値(例えば、数10キロボルト)まで数10ミリ秒程度までの短い時間で立ち上げる。電子ビーム電流は、電子銃への電圧印加と同時に発生し、電圧の上昇に伴い増加する。所定の電子ビームエネルギー、回転比、電子ビーム電流で決まる発振開始条件が満たされた時、目的の発振モードの高周波電力がノイズレベルより指数関数的に成長する。そしてついには成長が飽和し、発振出力は定常値に落ち着く。この成長時間は約1マイクロ秒程度以下であり、一般に通常の電圧の立ち上げ時間に比べて十分短い。その後は設定されたパルス幅まで、固定された電圧で発振を続ける。
【0011】
一方、理論上予測される高い発振効率は、難発振開始領域(図3および4参照)と呼ばれる、ノイズレベルからは成長し得ないオペレーション領域に存在する。これは通常ジャイロトロンが運転される空胴磁場よりも、さらに低い空胴磁場領域に存在するが、従来の方法に従ってこの空胴磁場に設定してオペレーションを行おうとすると、より低い周波数の発振モードが成長してしまい、目的モードの発振が得られなかった。
【0012】
また、一方、ジャイロトロンの発振開始にはオペレーションパラメータが安定せず、当初の設定条件からはずれ、エネルギー変換効率が下がるという問題があった。具体的には、電流が時間とともに減少する。ジャイロトロン内にイオンが蓄積し、ビーム電圧が変化する、回転比が下がる、空胴共振器の熱膨張により発振周波数が下がる、等であり、最悪の場合は、目的モードの発振が止まり他のモードに取って代わられる。これを防ぐためには空胴磁場を上げる、等の対策によりより安定な発振条件を設定する必要があるが、その代わりエネルギー変換効率が下がってしまっていた。
【0013】
これらの事情により、これまでのジャイロトロンでは、理論上予測されるよりも発振効率が大幅に低かった。これは、連続出力のジャイロトロンを考えた場合、電源容量が大きくなるにのみならず、コレクタ10の熱負荷が大きくなるとともに寿命が短くなる、冷却設備が過大になる、等の大きな不都合が生じてしまう。
【課題を解決するための手段】
【0014】
本発明においては、従来固定パラメータで行われていた発振を、ジャイロトロンの発振中にジャイロトロンの電子ビームパラメータを積極的に制御することにより、高効率のジャイロトロン発振を得る、新しいジャイロトロン運転制御手法とこれを実現するための機器構成を提示する。電子ビームパラメータとは、空胴共振器内における電子ビームの回転周波数、回転比、電子ビーム位置、電子ビーム電流などが含まれる。
【0015】
これらのパラメータを発振中に制御するために有効な、外部より制御する項目として、以下の5つがある。
(1)空胴磁場
(2)電子銃磁場
(3)電子ビーム加速電圧
(4)3極電子銃の中間電極電圧(2極電子銃の場合は制御不可)
(5)電子銃ヒーター電源
3極電子銃を用いた場合、電子ビーム加速電圧を一定に保った状態で、空胴磁場と電子銃の中間電極電圧の2つのみでも有効なビームパラメータの制御が可能で、最高効率領域への到達が容易に可能となる。制御の方式としては、プレプログラム制御、フィードバック制御、マニュアル制御のいずれも有効である。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、従来低い発振効果でしか運転できなかったジャイロトロンを、最大効率で安全かつ確実にオペレーションされることができる。また、仮にジャイロトロンパラメータが運転中にずれた場合でも、確実にジャイロトロンパラメータを追尾し、最適の発振を達成させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
本発明を図1及び図2に示したジャイロトロン及び電源構成を用いて説明する。図1と図2は電源配置(電源配線)のみ異なり、ジャイロトロンは同一である。
ジャイロトロンを発振させるためには、まず電子銃のヒーター電源18を立ち上げ、電子銃のヒーターを加熱し、電子銃2に電子ビーム加速電圧を印加すれば熱電子が放出される状態を作る。超伝導コイル12,13を所定の電流に立ち上げ、空胴磁場、および電子銃磁場を印加した後、主電源14、および電子ビーム加速電源15を立ち上げ、回転電子ビームを引き出すとともに加速し、空胴共振器の所定の位置に打ち込み、目的のモードを発振させる。
【0018】
発振した後、先述のように発振条件が変化し、発振効率が下がって行く。これに対応するために、発振条件の変化に応じて制御パラメータをコントロールさせ、最高発振効率を実現させることができる。
【0019】
上記(課題を解決するための手段)で示した制御項目(1)〜(5)を使って難発振開始領域における高効率発振を得るための手順は数多く存在するが、最も容易な制御手順は、(a)まず効率は低いが安定な発振が確実に得られる領域(通常発振領域、図4参照)で発振を確立する。(b)ここで時間が経過するとともにジャイロトロンパラメータが安定化する。(c)次に、アノード電圧制御部16の電源を制御することにより、3極電子銃のアノード電圧を上げ、(d)ついで超伝導コイル12の電流を制御して磁場を下げる。これは目的モードの発振を行わせながら電子ビームの回転比を上げた後、回転周波数を下げることに対応する。その結果、効率が上昇し最終的には難発振開始領域に到達させることができる。
【0020】
又、上記(c)及び(d)において、3極電子銃のアノード電圧を上げながら同時に磁場を下げることも可能である。これは、図4に示されるように、初期発振の初期値から目的のポイント(例えば、最高効率)までは目的モードの通常発振領域であればどの経路を通っても良いからである。
【実施例】
【0021】
(実施例1)ジャイロトロン運転制御における目的モードの出力と空胴磁場との関係
図3は、目的モードの出力と空胴磁場、すなわち電子ビームの回転周波数の関係の1例を示す。すなわち、図3は、目的モード21(TE31,8モード)と近傍モード23(TE30,8モード)における電子ビームの回転出力の空胴磁気依存性を示す図である。図中黒四角印■が安定な発振領域20(空胴磁場:6.7ステラ、出力:0.6MW)である。この例では、まずノイズレベル(縦軸の出力ゼロの位置)から目的とする発振モード21(TE31,8モード)を発振させ、すべての制御パラメータが変化した後に、出力を上げて電子ビームの回転比を上げ、エネルギー源となる電子の回転エネルギーを上昇させる(矢印22)。次に、空胴磁場を下げると発振電力が上昇して行き(発振領域20からの左方向上昇矢印)、ついには最高効率(目的モードである空胴磁場:6.63テスラ、出力:0.8MW)が得られる。
【0022】
上記モードについては、図6に示されるTE31,8モードの電界分布図(空胴共振器の断面図)に示されるように、TEm、mnモードの場合は半径方向にn個のピーク、周方向に2m個のピークが現れる。具体的には、TE31,8モードの場合、図6に示されるように、半径方向に8個のピーク、周方向に31個の山と谷(図6では、山31個、谷31個合計62個)が見える。円筒状の電子ビームは内側のピークに合わせて打ち込まれる。なお、外周の壁は空胴共振器の内壁を示している。
(比較例)ジャイロトロン運転制御における近傍モードの出力と空胴磁場との関係
図3において、さらに空胴磁場を下げると(6.63テスラ以下)、目的モード21が維持できなくなり、そのかわりパワーの低い近傍モード(TE30,8)が現れる。この近傍モード23(空胴磁場:6.63テスラ以下、出力:0.4MW以下)の周波数は、目的モードよりも周波数は低い。ここで反対に空胴磁場を上げても近傍モードが引続き発振するが、ある時点(空胴磁場:6.66テスラ付近)で目的モードが復活し、近傍モードが消える。
【0023】
このパワーが復活した空胴磁場よりも低い磁場領域が難発振開始領域黒丸●に対応する。すなわち、矢印23で示されるように、出力がゼロの領域から発振を立ち上げようとしても、所定の目的モードは立上らず、その代わりパワーの低い近傍モード23(TE30,8モード)が現れる。難発振開始領域にある、効率の高い(パワーの高い)発振を得ようとすれば、一旦通常発振領域(図4参照)で目的モードを立ち上げ、ついで磁場を下げて目的モードの発振を維持したまま、最高効率領域を得る必要があることが分かる。
(実施例2)ジャイロトロン運転制御におけるアノード電圧と空胴磁場との関係
図4は、空胴磁場とアノード電圧をパラメータとしたときの出力パワーの値を等高線で描いたものである。すなわち、空胴磁場とアノード電圧に対する目的モード(TE31,8)の発振出力依存性を示す図であり、図中、目的モードの発振出力を等高線で描いており、矢印は発振中のパラメータ制御経路である。
【0024】
図3で行った固定磁場で回転比を上げることは、図4中、経路(1)に対応し、磁場を下げることは経路(2)に対応する。目的の最高効率領域には、図4中の通常発振領域で発振を確立させた後、目的モードへの発振領域内の経路を通って到達する。
【0025】
電子ビームを立ち上げた直後には種々のパラメータが変化するため、通常発振領域自体が変化するため、パラメータの変化に発振がなるべく左右されない領域での初期発振が重要である。
【0026】
図4では、空洞磁場6.715テスラ、電子銃のアノード電圧40.0kVで初期発振させ、アノード電圧を42.5kVに上昇させた後に空洞磁場を6.64テスラに下降させると、電子ビームへの出力が0.5MWから0.8MWに上昇し、その回転比が上昇することが示されている。
(実施例3)ジャイロトロンパラメータの電子ビーム加速電圧20、電子引き出し電圧21及び空洞磁場22と経過時間との関係
図5に示されるように、(1)において、電子ビーム加速電圧20を一定に保ったままアノード電圧を上げると、すなわち電子ビーム加速電圧とアノード電圧の差である電子引き出し電圧21が増えると、電子の回転比が上昇して電子ビームに回転エネルギーが与えられる。その後、(2)において空胴磁場22を下げると、最高効率点に到達する。図5中の(1)、(2)は図4の制御経路(1)、(2)に対応している。すなわち、図5は、パラメータ(電子ビーム加速電圧20、電子引き出し電圧21、空胴磁場22)の具体的制御図である。(2)で大きく出力(0.5MWから0.8MWへ:図4参照)を上昇させるためには、図4から分かるように、(1)で十分に回転比を上げておくことが重要である。
【0027】
他に最高効率点に到達する方法として、発振中に電子ビーム加速電源15または15aを制御し、電子ビーム加速電圧を上げる方法もある。これは、電子ビームの回転周波数が磁場のみならず、相対論効果によって電子ビームのエネルギーによっても変化することによる。具体的には、電子の回転周波数f(ヘルツ)は
【0028】
【数1】
【0029】
で決まる。ここで、Bは空胴磁場で単位はテスラ、VBは空胴共振器中の電子ビームのエネルギーで単位はキロ電子ボルトである。
【産業上の利用分野】
【0030】
現在は、国際熱核融合炉実験炉ITERや、現在運転中の核融合研究用磁場閉じ込め型のプラズマ発生装置で使用されます。今後は、プラズマプロセッシング装置、イオン源、レーダー、加速器、高周波加熱装置、医療などへの利用可能性も考えられる。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】カソード接続型ジャイロトロンとその電源配置を示す図である。
【図2】コレクタ接続型ジャイロトロンその電源配置を示す図である。
【図3】ジャイロトロン制御パラメータにおける目的モードと近傍モードの出力の空胴磁気依存性を示す図である。
【図4】空胴磁場とアノード電圧に対する目的モードの発振依存性を示す図である。
【図5】パラメータの具体的制御例を示す図である。
【図6】目的モードの電界分布の空胴共振器における断面図である。
【符号の説明】
【0032】
1.ジャイロトロン装置
2.電子銃
3.3極電子銃アノード電極
3a.ボディ電極
4.電子放出部(エミッションベルト)
5.空胴共振器
6.放射器
7.出力窓
8.電磁ビーム
9.上部コレクタ
10.下部コレクタ
11.絶縁セラミック
12.超伝導ソレノイドコイル(主コイル)
13.超伝導ソレノイドコイル(電子銃部)
14.主電源
15.電子ビーム加速電源(カソード接続型)
15a.電子ビーム加速電源(コレクタ接続型)
16.アノード電圧制御部
17.分圧抵抗
18.電子銃ヒーター電源
19.電子銃ビーム減速電圧
20.電子銃ビーム加速電源への制御指令
21.アノード電圧制御指令
22.超伝導コイル(主コイル)電流制御指令
23.超伝導コイル(電子銃)電流制御指令
24.ヒーター入力電力制御指令
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ジャイロトロンの軸方向に静磁場が印加され、電子銃から出射された電子が、旋回電子ビームとしてこの静磁場にそって空胴共振器に入射され、この空胴共振器において電子サイクロトロン共鳴メーザーの原理で電子ビームの回転エネルギーが電磁波のエネルギーに変換されるジャイロトロン装置において、ジャイロトロンのオペレーションパラメーターを発振中に能動的に制御し、最高発振条件を達成せしめることを特徴とするジャイロトロンの効率化方法。
【請求項2】
前記ジャイロトロンのオペレーションパラメーターの制御が、従来固定パラメータで行われていた発振を、発振中に、ジャイロトロンの電子ビームパラメータである、空胴共振器内における電子ビームの回転周波数、回転比、電子ビーム位置、および電子ビーム電流を制御することにより、高効率のジャイロトロン発振を得ることを特徴とする、請求項1記載の方法。
【請求項3】
前記ジャイロトロンのオペレーションパラメーターを発振中に外部より制御するために、(1)空胴磁場、(2)電子銃磁場、(3)電子ビーム加速電圧、(4)3極電子銃の中間電極電圧、および(5)電子銃ヒーター電源を制御することを特徴とする、請求項1又は2記載の方法。
【請求項4】
前記3極電子銃を用いた場合、電子ビーム加速電圧を一定に保った状態で、空胴磁場と電子銃の中間電極電圧の2つでビームパラメータを制御することにより最高効率領域へ到達することを特徴とする、請求項1乃至3のいずれかに記載の方法。
【請求項5】
前記制御項目(1)〜(5)を使って難発振開始領域における高効率発振を得るための制御手順が、(a)効率は低いが安定な発振が確実に得られる領域で発振を確立し、(b)ここで時間が経過するとともにジャイロトロンパラメータを安定化させ、(c)次に、アノード電圧制御部電源を制御することにより、3極電子銃のアノード電圧を上げ、(d)ついで超伝導コイルの電流を制御して磁場を下げることにより、目的モードの発振を行わせながら電子ビームの回転比を上げた後、回転周波数を下げ、その結果効率が上昇し最終的に難発振開始領域に到達させる、請求項1乃至4のいずれかに記載の方法。
【請求項6】
前記制御項目(1)〜(5)を使って難発振開始領域における高効率発振を得るための制御手順が、(a)効率は低いが安定な発振が確実に得られる領域で発振を確立し、(b)ここで時間が経過するとともにジャイロトロンパラメータを安定化させ、(c)次に、アノード電圧制御部電源を制御することにより、3極電子銃のアノード電圧を上げながら同時に超伝導コイルの電流を制御して磁場を下げることにより、目的モードの発振を行わせながら電子ビームの回転比を上げた後、回転周波数を下げ、その結果効率が上昇し最終的に難発振開始領域に到達させる、請求項1乃至4のいずれかに記載の方法。
【請求項1】
ジャイロトロンの軸方向に静磁場が印加され、電子銃から出射された電子が、旋回電子ビームとしてこの静磁場にそって空胴共振器に入射され、この空胴共振器において電子サイクロトロン共鳴メーザーの原理で電子ビームの回転エネルギーが電磁波のエネルギーに変換されるジャイロトロン装置において、ジャイロトロンのオペレーションパラメーターを発振中に能動的に制御し、最高発振条件を達成せしめることを特徴とするジャイロトロンの効率化方法。
【請求項2】
前記ジャイロトロンのオペレーションパラメーターの制御が、従来固定パラメータで行われていた発振を、発振中に、ジャイロトロンの電子ビームパラメータである、空胴共振器内における電子ビームの回転周波数、回転比、電子ビーム位置、および電子ビーム電流を制御することにより、高効率のジャイロトロン発振を得ることを特徴とする、請求項1記載の方法。
【請求項3】
前記ジャイロトロンのオペレーションパラメーターを発振中に外部より制御するために、(1)空胴磁場、(2)電子銃磁場、(3)電子ビーム加速電圧、(4)3極電子銃の中間電極電圧、および(5)電子銃ヒーター電源を制御することを特徴とする、請求項1又は2記載の方法。
【請求項4】
前記3極電子銃を用いた場合、電子ビーム加速電圧を一定に保った状態で、空胴磁場と電子銃の中間電極電圧の2つでビームパラメータを制御することにより最高効率領域へ到達することを特徴とする、請求項1乃至3のいずれかに記載の方法。
【請求項5】
前記制御項目(1)〜(5)を使って難発振開始領域における高効率発振を得るための制御手順が、(a)効率は低いが安定な発振が確実に得られる領域で発振を確立し、(b)ここで時間が経過するとともにジャイロトロンパラメータを安定化させ、(c)次に、アノード電圧制御部電源を制御することにより、3極電子銃のアノード電圧を上げ、(d)ついで超伝導コイルの電流を制御して磁場を下げることにより、目的モードの発振を行わせながら電子ビームの回転比を上げた後、回転周波数を下げ、その結果効率が上昇し最終的に難発振開始領域に到達させる、請求項1乃至4のいずれかに記載の方法。
【請求項6】
前記制御項目(1)〜(5)を使って難発振開始領域における高効率発振を得るための制御手順が、(a)効率は低いが安定な発振が確実に得られる領域で発振を確立し、(b)ここで時間が経過するとともにジャイロトロンパラメータを安定化させ、(c)次に、アノード電圧制御部電源を制御することにより、3極電子銃のアノード電圧を上げながら同時に超伝導コイルの電流を制御して磁場を下げることにより、目的モードの発振を行わせながら電子ビームの回転比を上げた後、回転周波数を下げ、その結果効率が上昇し最終的に難発振開始領域に到達させる、請求項1乃至4のいずれかに記載の方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【公開番号】特開2009−81001(P2009−81001A)
【公開日】平成21年4月16日(2009.4.16)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−248439(P2007−248439)
【出願日】平成19年9月26日(2007.9.26)
【新規性喪失の例外の表示】特許法第30条第1項適用申請有り 2007年4月29日 Nature Publishing Groupにより http://www.nature.com/naturephysicsを通じて発表
【出願人】(505374783)独立行政法人 日本原子力研究開発機構 (727)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成21年4月16日(2009.4.16)
【国際特許分類】
【出願日】平成19年9月26日(2007.9.26)
【新規性喪失の例外の表示】特許法第30条第1項適用申請有り 2007年4月29日 Nature Publishing Groupにより http://www.nature.com/naturephysicsを通じて発表
【出願人】(505374783)独立行政法人 日本原子力研究開発機構 (727)
【Fターム(参考)】
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