電子ビームコレクタの掃引を制御する方法及び装置
【課題】ビームコレクタ内の電子ビームを制御するため、励起電力の分布制御を行う。
【解決手段】磁気によるジャイロトロン装置のビームコレクタ２３０内の電子ビーム１を制御するためのコレクタ掃引方法であって、ビームコレクタ２３０の長手方向ｚに対して垂直な磁場成分を有する水平方向掃引磁場に電子ビーム１を当て、電子ビーム１の傾斜し、回転する交差領域３をビームコレクタ２３０内に設ける工程と、水平方向掃引磁場を変調することによって交差領域３の長手方向の位置及び傾斜角の内少なくとも一を変動させる工程を含む。またこれらを実現するコレクタ掃引装置１００及びマイクロ波発振器２００も開示する。
【解決手段】磁気によるジャイロトロン装置のビームコレクタ２３０内の電子ビーム１を制御するためのコレクタ掃引方法であって、ビームコレクタ２３０の長手方向ｚに対して垂直な磁場成分を有する水平方向掃引磁場に電子ビーム１を当て、電子ビーム１の傾斜し、回転する交差領域３をビームコレクタ２３０内に設ける工程と、水平方向掃引磁場を変調することによって交差領域３の長手方向の位置及び傾斜角の内少なくとも一を変動させる工程を含む。またこれらを実現するコレクタ掃引装置１００及びマイクロ波発振器２００も開示する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にマイクロ波発振器用真空管などの真空装置のビームコレクタ内の電子ビームを制御するためのコレクタ掃引方法に関する。また本発明は、電子ビームのコレクタ掃引を含めたマイクロ波発振器によるマイクロ波発振方法に関する。さらに本発明は、上記方法の実施に適したコレクタ掃引装置及びマイクロ波発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子管、特に自由電子メーザ、ジャイロトロン又はクライストロンを用いたマイクロ波発振については一般に知られている。例えば、ジャイロトロンとしては、高度に加速された電子の中空ビームを発生させるための電子源や、電子を強制的にサイクロトロン運動させるための磁気冷却共鳴（超電導磁気共鳴）装置があり、これによりマイクロ波が放射される。またマイクロ波光学でマイクロ波を分離した後で電子ビームを捕収するためのビームコレクタ（集電器）が提供されている。このビームコレクタは、電子ビームの電流を吸収するのみならず、マイクロ波を放射した後で電子ビーム内に留まっている廃棄出力（例えば廃熱）を放散させるのに適している。
【０００３】
ビームコレクタ内の放熱の問題は、特に高出力のマイクロ波発振器においては重要である。例えば、ミリメートル波の高出力真空管は、３０％〜５０％の効率を有するｃｗモードにおいて、通常１ＭＷの無線周波数（ｒｆ）出力で作動する。このような効率の範囲では、マイクロ波発振後に通常１〜２ＭＷの出力が電子ビーム内に残存する。この残存出力は、ビームコレクタ内の廃棄出力として放散しなければならない。通常、ビームコレクタは円筒形の銅で作製されている。軸対称をなす強力な定常磁場（通常５〜６Ｔ）によって、電子は入口領域を通って軸対称をなすコレクタ内へと誘導される。発散する磁力線と、それに伴うドリフト電子は、垂直方向のある位置でコレクタの壁面と交差する。この交差領域（走行線の領域）は、例えば２０ＭＷ／ｍ2といった典型的なパワー密度を有する水平リングを形成する。このような場合において、優れた冷却特性を有する高性能の水冷システムとして、銅がビームコレクタの壁面に一体化されているものの、上記のような高いパワー密度は既存の冷却能力を遙かに上回るものである。このため装置を連続動作させると、このような高いパワー密度によってビームコレクタが溶融される事態が起こりかねない。
【０００４】
ビームコレクタの損傷を回避するため、コレクタ掃引手法（磁場掃引手法）としてジャイロトロンが用いられている。例えば、「フュージョン・エンジニアリング・アンド・デザイン」第５３巻、２００１年、３８７〜３９７頁におけるＳ．アルベルティ他の「欧州におけるＥＣＲＨシステムに関する高出力ＣＷジャイロトロンの開発」（非特許文献１）を参照されたい。一般に、コレクタ掃引は、発散した定常磁場を掃引磁場と重畳させる工程を含んでおり、これによりビームコレクタの内壁面全般に亘って中空電子ビームを掃引（連続的に移動、偏向）させ、時間平均における局所的なパワー密度を低減させている（図５Ａ及び図５Ｂ）。
【０００５】
特に図５Ａ及び図５Ｂに、従来のジャイロトロン（完全な形では図示せず）の円筒形ビームコレクタ２３０’を示している。中空電子ビーム１’はビームコレクタ２３０’の方へ、その長手方向（中心軸方向）の（正のｚ方向に平行な）延在部に沿って指向される。発散した磁場２’により、電子ビーム１’はビームコレクタ２３０’の内壁の方へ指向される。掃引がなければ、電子ビーム１’によってビームコレクタ２３０’の内壁に形成される交差領域３’は、図５Ａにおいて中央部にある点線状リングで示す円形の領域になってしまう。
【０００６】
図５Ａによれば、コレクタの掃引は、ビームコレクタ２３０’の外壁を囲繞しコレクタの長手方向の延在部に沿って延在する垂直方向掃引コイル２２’により行われる。この垂直方向掃引コイル２２’によって垂直方向掃引磁場が形成され、周期的に交互する中心軸方向のベクトル成分（ｚ成分）が、発散した磁場（垂直磁場掃引システム：Vertical Field Sweeping System：VFSS）に加わる。その結果、電子ビーム１’はビームコレクタ２３０’の内壁に沿って掃引される。電子ビーム１’によって形成された交差領域３’は、移動する円形領域である。図５Ａにおける破線状リングは、偏向された電子ビーム１’の上方及び下方の折り返し点４’を示している。
【０００７】
一般に、ＶＦＳＳでは電気的効果が低いという欠点を有する。ビームコレクタ２３０’の銅壁は、垂直方向掃引磁場を効率的に防護する単巻の短絡化したコイルである。これに対し必要な掃引能力を得るためには、大型の水冷式掃引コイルに接続された強力な交流電源が必要となる。このような欠点は、図５Ｂに示す従来型のコレクタ掃引方法（水平磁場掃引システム：Transverse Field Sweep System：TFSS）で回避できる。
【０００８】
ＴＦＳＳでは、水平方向掃引コイル１１’によってコレクタ掃引が可能となる。この場合、水平方向掃引磁場が形成され、発散した磁場に、回転する水平なベクトル成分が加えられる。水平方向掃引磁場により、電子ビーム１’の交差領域は回転状楕円となる。電子ビームを効率的に偏向させるには、ｚ方向に垂直な小さいひずみのみでも十分であるから、前述したＶＦＳＳ手法の防護問題が著しく低減されるよう、水平方向掃引コイル１１’をビームコレクタ２３０’の入口領域の前に位置決めさせればよい。さらにまた、ジャイロトロンのこの部分は、銅ではなく導電性の劣るステンレス鋼で作製される。
【０００９】
ＶＦＳＳ及びＴＦＳＳに共通する問題は、掃引時間内における、いわゆるパワーピークに関連している。図６に、ＶＦＳＳ（点線）及びＴＦＳＳ（破線）についてコレクタの温度上昇に関する垂直方向の励起電力分布（power density profile）を示す。垂直方向掃引は、掃引時間内の折り返し点４’（図５Ａ）において２つのパワーピークとなるが、水平方向掃引は下限（ビームコレクタの入口領域付近）において単一のパワーピークを示している。このパワーピークが、主な欠点を表している。なぜなら、起電力分布の内で極大領域での励起電力強度がコレクタ全体の能力を決定するからである。
【００１０】
また一般に、ジャイロトロンビームコレクタのみならず、高出力真空装置のあらゆるビームコレクタにおいても、パワーピークを低減させることに関心が持たれている。例えば他のマイクロ波発振器、特に核融合炉においてプラズマを加熱する目的で利用されるからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２００６−０４５７６６号
【特許文献２】フランス特許出願公開第ＦＲ９９１１２７号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第０３２４６６７号明細書
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｓ．アルベルティ他「欧州におけるＥＣＲＨシステムに関する高出力ＣＷジャイロトロンの開発」フュージョン・エンジニアリング・アンド・デザイン第５３巻、２００１年、３８７〜３９７頁（S. Alberti et al. "European high-power CW gyrotron development for ECRH systems" in "Fusion Engineering and Design" vol. 53, 2001, p. 387 - 397）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、従来の方法におけるこのような欠点や制限を解消し、ビームコレクタ内の電子ビームを制御するよう改良されたコレクタ掃引方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【００１４】
このような目的は、独立項の特徴を含む方法及び装置によって達成される。本発明の好適な実施形態及び応用例については、従属項に記載されている。
【００１５】
第１の側面によれば、本発明はビームコレクタ内の電子ビームを制御するためのコレクタ掃引方法を提供する一般的な技術教示内容に基づいており、ビームコレクタ内の掃引電子ビームの位置及び／又は方向を連続的に変動させるため、水平方向掃引磁場が変調される。第２の側面によれば、本発明はビームコレクタ内の電子ビームを制御するように適合させたコレクタ掃引装置を提供する一般的な技術教示内容に基づいており、コレクタ掃引装置における水平方向掃引コイル装置には、水平方向掃引磁場の位置及び／又は方向を変調させるために配置された変調装置が設けられている。本発明における他の独立した技術的事項には、コレクタ掃引技術を含むマイクロ波発振及びマイクロ波発振器が含まれる。
【００１６】
本発明によれば、水平方向掃引磁場が変調される。この水平方向掃引磁場は、ビームコレクタの長手方向に垂直な、少なくとも一のベクトル成分を有する回転磁場である。水平方向掃引磁場は、傾斜し回転する交差領域がビームコレクタ内に形成されるよう電子ビームを偏向させる。好適には、本発明により水平方向掃引磁場を変調させると、交差領域に関する長手方向（特に中心軸方向）の位置及び傾斜角を連続的に変動させることになる。これにより、従来技術で発生していた顕著な励起電力の極大（パワーピーク）を回避することができ、廃棄出力の均一な分布が得られる。変調によってビームコレクタの長手方向に沿った熱分布が拡張され、その結果、出力のピークが低減される。特に、ビームコレクタの入口領域に近い交差領域の折り返し点（近接の、又は下方の折り返し点）における起電力分布は、水平方向掃引磁場の変調によって近接の折り返し点が反復的（好ましくは周期的）に移動するに従い、本質的に低減される。
【００１７】
本発明の主な特長として、熱分布全般に沿って均一な励起電力分布を得るコレクタ掃引システムが、初めて実現されたことが挙げられる。本発明によるコレクタ掃引は、１ＭＷ超、特に２ＭＷ超のマイクロ波出力を発振可能な真空管に特に有利となる。またこれに限られず、本発明のコレクタ掃引は従来のｒｆ管にも有効となる。それは、ｒｆ管を（特により小型のコレクタでは）より経済的に設計でき、また安全限界をより高くでき、及び／又は長寿命で動作できるからである。
【００１８】
本発明の第１の好ましい実施形態によれば、水平方向掃引磁場は、この水平方向掃引磁場を垂直方向掃引磁場と重畳させることによって変調される。好適には、交差領域、例えば円筒形のビームコレクタにおける交差楕円は、垂直（すなわち前後）に移動され、その結果、ビームコレクタの長手方向の延在部に沿った励起電力分布（power deposition profile）のピークが平滑化される。具体的な利点としては、第１の実施形態に係るコレクタ掃引の実現においては、既存のハードウェアが利用できることが挙げられる。特に、変調された水平方向掃引磁場を生成するために、既存の垂直方向の磁場コイル装置を、水平方向の磁場コイルと組み合わせることができる。
【００１９】
本発明の第１の実施形態は、新たな「ホットスポット（hot spots）」を生成することなくパワーピークを低減できる点で、特に有利となる。水平方向掃引磁場を垂直方向掃引磁場で変調すれば、パワーピークのシフトのみならず、寧ろ本質的な減衰がもたらされる。厚いコレクタの壁による周波数依存の寄与（表皮効果）によって、水平方向掃引磁場及び垂直方向掃引磁場の重畳は非線形の工程となる。したがって、コレクタの壁、特に銅壁による防護効果及び変形効果が存在する条件下で、重畳された放散時間に依存する磁場の複雑な相互作用を考慮すれば、パワーピークの減衰は驚異的かつ好適な結果をもたらす。
【００２０】
本発明の第２の好ましい実施形態によれば、水平方向掃引磁場は振幅の変調を受ける。この場合、回転する交差領域の傾斜角は変調され、その結果、励起電力分布のピークが平滑化される。また他の特長として、第２の実施形態によれば技術的構成を簡素化できる利点も得られる。すなわち、水平方向掃引磁場を振幅変調するために、垂直方向の磁場コイルシステムを要しない。
【００２１】
他の実施形態によれば、上述した第１の実施形態に係る垂直方向掃引磁場と第２の実施形態に係る振幅変調の両方を用いて、水平方向掃引磁場を変調することができる。好適には、この組み合わせによりビームコレクタ内における励起電力分布をさらに改善できる。
【００２２】
これらの実施形態を実現するために、本発明のコレクタ掃引装置は、水平方向掃引磁場を垂直方向掃引磁場と重畳させるように配置した垂直方向の磁場コイル装置及び／又は水平方向掃引磁場を振幅変調するために、水平方向掃引コイル装置に接続された振幅変調装置を備えている。
【００２３】
さらに水平方向掃引及び水平方向掃引磁場の変調を、異なる時間スケールで行うことでも、利点が得られる。好ましくは、通常は水平方向掃引磁場の回転頻度を示す水平方向掃引周波数が、変調する垂直方向掃引磁場に関する垂直方向掃引周波数及び／又は振幅変調周波数よりも大きい。本実施形態においては、交差領域におけるゆっくりとした垂直方向のずれ及び／又は傾斜によって、励起電力分布が平滑化される。本発明の好ましい変形例によれば、電子ビームの交差領域は、垂直方向の１サイクル（第１の実施形態）又は傾斜の１サイクル（第２の実施形態）が完了するまで、少なくとも２回転、特に好ましくは少なくとも５回転する。換言すれば、水平方向掃引周波数と垂直方向掃引周波数（又は振幅変調周波数）の比率は、好ましくは２以上、より好ましくは５以上である。
【００２４】
振幅変調が７０％以下、特に５０％又はそれ以下の変調度であれば、上述した第２の実施形態における他の利点が得られる。これらのパラメータによって、均一な励起電力分布がさらに最適化される。
【００２５】
通常、水平方向掃引磁場を変調する垂直方向掃引磁場（第１の実施形態）は、ビームコレクタの長手方向に延在する垂直方向の磁場コイル装置で、おそらくはビームコレクタの入口領域近傍にある垂直方向の磁場コイル装置で、生成できる。この場合、入口領域から離れたパワーピークに関して、改善された平滑化が得られる。ただ、垂直方向の磁場コイル装置は、ビームコレクタの入口領域に配置された垂直方向の磁場コイル（いわゆる入口領域のコイル）に限定される。本発明者らの知見によれば、入口領域のコイルのみで水平方向掃引磁場を変調させる垂直方向掃引磁場を生成することは、直近のパワーピークを平滑化するのに適している。入口領域にコイルを備えるだけで、コレクタ掃引装置の構造を本質的に簡素化できるのである。これにより、従来のＶＦＳＳ法の低効率という欠点を回避できる。
【００２６】
本発明によれば、特定の応用例に応じて選択される水平方向の磁場コイルを多様に配置できるので、コレクタ掃引法に関する他の利点も得られる。好ましくは、少なくとも２つの水平方向の磁場コイルを、ビームコレクタの入口領域の直前に配置する。切り換え可能な水平方向掃引磁場を実現するには、２つの水平方向の磁場コイルのみで足りる。本発明によれば、水平方向掃引磁場は垂直方向掃引磁場及び／又は振幅変調で変調される。好ましくは、３つ又は６つの水平方向の磁場コイルを配置することで、磁場を均一化できる利点が得られる。特に好ましくは、３対の水平方向の磁場コイルを相対的に１２０°ずらして配置する。コイル励磁をペアにすることで、水平方向掃引のための回転磁場を得ることができる。
【００２７】
さらに他の利点として、掃引磁場の制御に関する特別な条件が不要となるため、本発明に係るコレクタ掃引に関する操作上の安全性が改善される。水平方向掃引磁場及び垂直方向掃引のパラメータ（特に水平方向掃引周波数、垂直方向掃引周波数、振幅変調周波数、垂直方向掃引振幅、振幅変調の形状及び／又は変調度）は、ビームコレクタの特性、特に冷却能力、寸法及び操作条件（例えば電子ビームの電流値）に応じて調整できる。なお、本発明の変形例によれば、水平方向掃引磁場と垂直方向掃引磁場の内、少なくとも一に関してフィードバック制御も可能である。このような変形例においては、コレクタ掃引方法は、ビームコレクタ内の温度分布を得るため温度を検出する工程と、検出された温度分布に応じて、水平方向掃引磁場と本発明に係る水平方向掃引磁場変調のうち少なくとも一を制御する工程を含む。ここで温度データを収集するためには、複数の熱電センサを用いることが好ましい。
【００２８】
以下、本発明の好ましい実施形態に関する詳細及び利点について、添付図面を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の好ましい実施形態を示す概略図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態を示す概略図である。
【図３】本発明の好ましい実施形態を示す概略図である。
【図４】本発明により得た励起電力分布を示すグラフである。
【図５】従来技術を示す概略図である。
【図６】従来技術に関するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、好ましい実施形態を説明するとともに、高出力のジャイロトロン内の電子ビームを制御するための本発明に係るコレクタ掃引の応用例を参照しながら説明する。なお本発明の応用例はジャイロトロンのみに限定されず、例えば自由電子メーザ（free electron masers：ＦＥＭ）や自由電子レーザ（free electron lasers：ＦＥＬ）のような、高パワー密度の磁場誘導式電子ビームダンプを有する他の真空装置等、電子ビームを捕収するためのビームコレクタを含む他の真空装置でも利用可能であることはいうまでもない。さらに、一例として円筒形のビームコレクタを用いた本発明の応用例についても説明する。この例では、電子ビームはビームコレクタの内壁が長手方向に延在する延在部に沿って周期的に掃引される。ただ、本発明のコレクタ掃引は同様の方法に従い、異なるビームコレクタの設計にも適用できる。例えば、コレクタの内壁を漏斗形のコレクタ壁面で電子ビームを一瞥する場合にも適用できる。以下の実施例では、所定の水平方向掃引周波数を有し、周期的に回転する水平方向掃引磁場を想定している。同様の方法で、本発明は水平方向掃引磁場の方向を非均一的に回転させたり、段階的に変更させたりする場合にも利用可能である。
【００３１】
図１は、本発明に係るコレクタ掃引装置１００を備えたマイクロ波発振器２００（図１Ａ）の実施形態を概略的に示しており、その詳細については図１Ｂの概略平面図に示している。マイクロ波発振器２００は、電子銃２１０と、磁気冷却共鳴（超電導磁気共鳴）装置２２０と、円筒形のビームコレクタ２３０とを備えている。マイクロ波発振器２００は、例えば１００〜１４０ＧＨｚの範囲内のジャイロトロン周波数で、約１ＭＷの出力にてｃｗ動作するように構成した、市販のＴＨＡＬＥＳ社製ジャイロトロンＴＨ１５０７（ＳＮｏ．３）等の高出力ジャイロトロンである。これにより、約４５％の効率で、電子線と電磁波の相互作用の後、電子が約８０〜１００ｋｅＶのエネルギーを有することができる。円筒形のビームコレクタ２３０は、長手方向の長さが約１ｍで、直径は約０．５ｍである。
【００３２】
ここでは、マイクロ波発振器２００、特にビームコレクタ２３０内及びビームコレクタの中心軸方向に、電子が（並進）移動する長手方向をｚ方向とする。半径方向（ｘ軸及びｙ軸）は、ｚ軸に対して垂直である。
【００３３】
本発明に係るコレクタ掃引装置１００は、ビームコレクタ２３０の入口側、例えば磁気冷却共鳴装置２２０とビームコレクタ２３０との間の中心軸の位置、特に入口領域２３１の直前に配置される。本実施形態によれば、コレクタ掃引装置１００は、水平方向掃引コイル装置１０と垂直方向掃引コイル装置２０との組み合わせ（第１の実施形態）、又は（第２の実施形態における振幅変調装置３０と組み合わせた）水平方向掃引コイル装置１０のみ、又は水平方向掃引コイル装置１０と垂直方向掃引コイル２０及び振幅変調装置３０の両方との組み合わせのいずれとすることも可能である。
【００３４】
水平方向掃引コイル装置１０は、例えば６つの水平方向掃引コイル１１〜１６を有する。図１Ｂは、ビームコレクタ２３０を取り巻くコイル配置の平面図である。好ましくは、コイル１１〜１６は「第３０回赤外線及びミリメートル波国際会議・第１３回テラヘルツ電子工学国際会議の合同紀要」、米国ウィリアムズバーグ、ＩＳＢＮ０−７８０３−９３４９−Ｘ（２００５年）、３２３〜３２４頁（"Proc. of the Joint 30th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves and 13 th Int. Conf. On Terahertz Electronics", Williamsburg, USA, ISBN 0-7803-9349-X (2005) p. 323 - 324）に記載のＧ．ダンメルツ他の発表に記載されるように設計、配置とする。水平方向掃引コイル１１〜１６を、各々対（１１と１４、１２と１５、１３と１６）にして励磁させることにより、水平方向掃引磁場が形成される。水平方向掃引周波数は、電源供給を簡単にするため、例えば（欧州で標準的な）５０Ｈｚとなるように選択され、これにより水平方向掃引磁場が毎秒５０回転する。水平方向掃引コイル１１〜１６は、ジャイロトロン周囲の利用可能なスペース、必要とされる起磁力、連続作動に必要な冷却条件、その他製造上の諸事項を考慮して設計される。磁気冷却共鳴装置２２０の静的磁場で交流運転させる際の、振動による損傷を防止するため、コイルは（隙間なく）きつく巻回される。コイル１１〜１６にはそれぞれ、コイル温度を８０℃以下に保つ水冷式の銅製ジャケットが設けられている。各コイルは例えば８ｋＡ・ターンの起磁力を伝えるように設計されている。コイル１１〜１６の典型的な数値（寸法）は、外寸が３２２×２４５×９０ｍｍ、（銅線）巻回数が２００回（１０層）、巻き線の断面積が２．２４×３．５５ｍｍ（７．４ｍｍ2）、電流が３０Ａ（２１．２Ａrms）（２．８８Ａrms／ｍｍ2）、電圧が７２Ｖrms、全抵抗値が２０℃において０．３６Ω、抵抗損失が２０℃において１６２Ｗ、１２０℃において２２５Ｗ、最高許容断熱温度が２００℃、インダクタンスが１２ｍＨ、銅重量が１１ｋｇ、総重量が１７ｋｇ、巻型がオーステナイト系ステンレス鋼、コイル中心における磁場が２１ｍテスラである。コイル１１〜１６は、それぞれ水平方向掃引磁場電源１７に接続され、例えば各水平方向掃引コイルに２３Ａの電流を流す三相可変変圧器を備える。電子ビーム１（円形の破線）は、直径が約１００ｍｍの軸対称をなしており、中空である。
【００３５】
垂直方向掃引コイル装置２０は、垂直方向掃引電源２２に接続された円筒形の垂直方向掃引コイル２１を備えている。コイル２１は、ビームコレクタ２３０の入口領域２３１直前の電子ビーム１の通路周囲で、軸対称に配置されている。本発明の本質的な利点として、垂直方向掃引コイル２１における中心軸方向の長さは、従来のＶＦＳＳコイルに比して本質的に短くなるように選択できる。垂直方向掃引コイル装置２１は、例えば１０回巻き以下、又は１回巻きだけの数回巻きとしてもよい。したがって、垂直方向掃引コイルの電力消費及びコストを本質的に低減させることができる。垂直方向掃引コイル用電源２２は、垂直方向掃引コイル２１を励磁するために交流を流すように適合させたＡＣ電源である。このＡＣ電源は、コイル設計と静的磁場の大きさに応じて選択される。
【００３６】
振幅変調装置３０は、水平方向掃引電源１７に統合するのが好ましく、このような例を図１Ｂに示す。振幅変調装置３０は、低周波数（例えば７Ｈｚ）の振幅変調を生成するように構成している。この振幅変調は三角形のエンベロープで、典型的には変調度５０％である。
【００３７】
好ましい動作モードとしては、水平方向掃引磁場装置及び垂直方向掃引磁場装置のいずれにおいても、コイル電流は電源１７、２２で調整し、全体的なビーム拡散が同じとなるよう、水平方向掃引磁場の振幅が増大するにつれて、垂直方向掃引磁場の振幅が減少するように維持できる。
【００３８】
さらに図１Ｂは、必要に応じて本発明に係るコレクタ掃引を制御するためのフィードバックループ部４０を示している。このフィードバックループ部４０は、複数の温度センサ４１と、制御回路４２とを備えている。例えば、４９個の温度センサ（熱電対）が、ビームコレクタ２３０の垂直方向に沿って等間隔に装着される。温度上昇は、入口領域２３１から垂直方向の距離の関数として測定される。制御回路４２は、温度センサ４１で得られた温度データを評価し、水平方向掃引電源１７及び垂直方向掃引電源２２の少なくともいずれかの制御信号を生成する。例えば、入口領域２３１から離れた領域の温度が所定値を超えた場合、制御回路４２はコイル２１で生成した垂直方向掃引磁場の振幅を増大させる。
【００３９】
従来技術の手法（図５Ｂを参照）を用いたときと同様、水平方向掃引コイル装置１０は掃引電子ビームに関して楕円形の交差領域を形成するが、本発明により水平方向掃引磁場を変調させれば、図２及び図３に概略的に示すように交差領域３が変動する。
【００４０】
図２は、例えば単巻き又は複巻きの入口領域のコイル２１で生成される、低周波数の垂直方向掃引磁場に影響された交差領域３（楕円形の走行線）の、中心軸方向の動きを概略的に示している。発散した静的磁場４及び水平方向掃引磁場によって形成される交差領域３は、垂直に移動する。この楕円は、垂直方向の１サイクルが完了するまで、多数回（通常１０回）回転する。マイクロ波装置の動作パラメータに基づいて、垂直方向掃引システム及び水平方向掃引システムの振幅及び周波数を調整することにより、均一な励起電力分布が得られる。
【００４１】
図３によれば、水平方向掃引磁場における低周波数の振幅変調の結果、回転する楕円形の走行線の傾斜角がゆっくりと変調することになり、これによって励起電力分布のピークが平滑化される。本発明によれば、図２の実施形態及び図３の実施形態はいずれも、ビームコレクタ２３０内で、交差領域がさらに複雑な動きをするように組み合わせることができる。
【００４２】
図４は、本発明に係るコレクタ掃引方法で得られた実験結果を示している。本発明で得られた、平滑化された励起電力分布（実線）を、従来のＶＦＳＳ手法における２つのパワーピークを有する分布（図６の点線）と比較すると、図４から、ほぼ２倍のピーク負荷の低減が得られており、これにより同じ量でもコレクタの能力を向上できることが判る。さらに直流磁場の微調整によって水平方向掃引磁場の変調を微調整すれば、パワー密度の分布を更に改善できる。これにより交差領域３の下方折り返し点が、入口領域より僅かに離れるようにシフトする。
【００４３】
上記の詳細説明、図面、特許請求の範囲で開示した本発明の各特長は、様々な実施形態を実現するため単独又は組み合わせて利用することができるため、いずれも重要な要素となる。
【符号の説明】
【００４４】
１，１’…電子ビーム
２’…発散した磁場
３，３’…交差領域
４…発散した静的磁場
４’…上方及び下方の折り返し点
１０…水平方向掃引コイル装置
１１，１１’…水平方向掃引コイル
１２…水平方向掃引コイル
１３…水平方向掃引コイル
１４…水平方向掃引コイル
１５…水平方向掃引コイル
１６…水平方向掃引コイル
１７…水平方向掃引磁場電源
２０…垂直方向掃引コイル装置
２１…垂直方向掃引コイル
２２…垂直方向掃引電源
２２’…垂直方向掃引コイル
３０…振幅変調装置
４０…フィードバックループ部
４１…温度センサ
４２…制御回路
１００…コレクタ掃引装置
２００…マイクロ波発振器
２１０…電子銃
２２０…磁気冷却共鳴装置
２３０，２３０’…ビームコレクタ
２３１…入口領域
ｚ…長手方向
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にマイクロ波発振器用真空管などの真空装置のビームコレクタ内の電子ビームを制御するためのコレクタ掃引方法に関する。また本発明は、電子ビームのコレクタ掃引を含めたマイクロ波発振器によるマイクロ波発振方法に関する。さらに本発明は、上記方法の実施に適したコレクタ掃引装置及びマイクロ波発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子管、特に自由電子メーザ、ジャイロトロン又はクライストロンを用いたマイクロ波発振については一般に知られている。例えば、ジャイロトロンとしては、高度に加速された電子の中空ビームを発生させるための電子源や、電子を強制的にサイクロトロン運動させるための磁気冷却共鳴（超電導磁気共鳴）装置があり、これによりマイクロ波が放射される。またマイクロ波光学でマイクロ波を分離した後で電子ビームを捕収するためのビームコレクタ（集電器）が提供されている。このビームコレクタは、電子ビームの電流を吸収するのみならず、マイクロ波を放射した後で電子ビーム内に留まっている廃棄出力（例えば廃熱）を放散させるのに適している。
【０００３】
ビームコレクタ内の放熱の問題は、特に高出力のマイクロ波発振器においては重要である。例えば、ミリメートル波の高出力真空管は、３０％〜５０％の効率を有するｃｗモードにおいて、通常１ＭＷの無線周波数（ｒｆ）出力で作動する。このような効率の範囲では、マイクロ波発振後に通常１〜２ＭＷの出力が電子ビーム内に残存する。この残存出力は、ビームコレクタ内の廃棄出力として放散しなければならない。通常、ビームコレクタは円筒形の銅で作製されている。軸対称をなす強力な定常磁場（通常５〜６Ｔ）によって、電子は入口領域を通って軸対称をなすコレクタ内へと誘導される。発散する磁力線と、それに伴うドリフト電子は、垂直方向のある位置でコレクタの壁面と交差する。この交差領域（走行線の領域）は、例えば２０ＭＷ／ｍ2といった典型的なパワー密度を有する水平リングを形成する。このような場合において、優れた冷却特性を有する高性能の水冷システムとして、銅がビームコレクタの壁面に一体化されているものの、上記のような高いパワー密度は既存の冷却能力を遙かに上回るものである。このため装置を連続動作させると、このような高いパワー密度によってビームコレクタが溶融される事態が起こりかねない。
【０００４】
ビームコレクタの損傷を回避するため、コレクタ掃引手法（磁場掃引手法）としてジャイロトロンが用いられている。例えば、「フュージョン・エンジニアリング・アンド・デザイン」第５３巻、２００１年、３８７〜３９７頁におけるＳ．アルベルティ他の「欧州におけるＥＣＲＨシステムに関する高出力ＣＷジャイロトロンの開発」（非特許文献１）を参照されたい。一般に、コレクタ掃引は、発散した定常磁場を掃引磁場と重畳させる工程を含んでおり、これによりビームコレクタの内壁面全般に亘って中空電子ビームを掃引（連続的に移動、偏向）させ、時間平均における局所的なパワー密度を低減させている（図５Ａ及び図５Ｂ）。
【０００５】
特に図５Ａ及び図５Ｂに、従来のジャイロトロン（完全な形では図示せず）の円筒形ビームコレクタ２３０’を示している。中空電子ビーム１’はビームコレクタ２３０’の方へ、その長手方向（中心軸方向）の（正のｚ方向に平行な）延在部に沿って指向される。発散した磁場２’により、電子ビーム１’はビームコレクタ２３０’の内壁の方へ指向される。掃引がなければ、電子ビーム１’によってビームコレクタ２３０’の内壁に形成される交差領域３’は、図５Ａにおいて中央部にある点線状リングで示す円形の領域になってしまう。
【０００６】
図５Ａによれば、コレクタの掃引は、ビームコレクタ２３０’の外壁を囲繞しコレクタの長手方向の延在部に沿って延在する垂直方向掃引コイル２２’により行われる。この垂直方向掃引コイル２２’によって垂直方向掃引磁場が形成され、周期的に交互する中心軸方向のベクトル成分（ｚ成分）が、発散した磁場（垂直磁場掃引システム：Vertical Field Sweeping System：VFSS）に加わる。その結果、電子ビーム１’はビームコレクタ２３０’の内壁に沿って掃引される。電子ビーム１’によって形成された交差領域３’は、移動する円形領域である。図５Ａにおける破線状リングは、偏向された電子ビーム１’の上方及び下方の折り返し点４’を示している。
【０００７】
一般に、ＶＦＳＳでは電気的効果が低いという欠点を有する。ビームコレクタ２３０’の銅壁は、垂直方向掃引磁場を効率的に防護する単巻の短絡化したコイルである。これに対し必要な掃引能力を得るためには、大型の水冷式掃引コイルに接続された強力な交流電源が必要となる。このような欠点は、図５Ｂに示す従来型のコレクタ掃引方法（水平磁場掃引システム：Transverse Field Sweep System：TFSS）で回避できる。
【０００８】
ＴＦＳＳでは、水平方向掃引コイル１１’によってコレクタ掃引が可能となる。この場合、水平方向掃引磁場が形成され、発散した磁場に、回転する水平なベクトル成分が加えられる。水平方向掃引磁場により、電子ビーム１’の交差領域は回転状楕円となる。電子ビームを効率的に偏向させるには、ｚ方向に垂直な小さいひずみのみでも十分であるから、前述したＶＦＳＳ手法の防護問題が著しく低減されるよう、水平方向掃引コイル１１’をビームコレクタ２３０’の入口領域の前に位置決めさせればよい。さらにまた、ジャイロトロンのこの部分は、銅ではなく導電性の劣るステンレス鋼で作製される。
【０００９】
ＶＦＳＳ及びＴＦＳＳに共通する問題は、掃引時間内における、いわゆるパワーピークに関連している。図６に、ＶＦＳＳ（点線）及びＴＦＳＳ（破線）についてコレクタの温度上昇に関する垂直方向の励起電力分布（power density profile）を示す。垂直方向掃引は、掃引時間内の折り返し点４’（図５Ａ）において２つのパワーピークとなるが、水平方向掃引は下限（ビームコレクタの入口領域付近）において単一のパワーピークを示している。このパワーピークが、主な欠点を表している。なぜなら、起電力分布の内で極大領域での励起電力強度がコレクタ全体の能力を決定するからである。
【００１０】
また一般に、ジャイロトロンビームコレクタのみならず、高出力真空装置のあらゆるビームコレクタにおいても、パワーピークを低減させることに関心が持たれている。例えば他のマイクロ波発振器、特に核融合炉においてプラズマを加熱する目的で利用されるからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２００６−０４５７６６号
【特許文献２】フランス特許出願公開第ＦＲ９９１１２７号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第０３２４６６７号明細書
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｓ．アルベルティ他「欧州におけるＥＣＲＨシステムに関する高出力ＣＷジャイロトロンの開発」フュージョン・エンジニアリング・アンド・デザイン第５３巻、２００１年、３８７〜３９７頁（S. Alberti et al. "European high-power CW gyrotron development for ECRH systems" in "Fusion Engineering and Design" vol. 53, 2001, p. 387 - 397）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、従来の方法におけるこのような欠点や制限を解消し、ビームコレクタ内の電子ビームを制御するよう改良されたコレクタ掃引方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【００１４】
このような目的は、独立項の特徴を含む方法及び装置によって達成される。本発明の好適な実施形態及び応用例については、従属項に記載されている。
【００１５】
第１の側面によれば、本発明はビームコレクタ内の電子ビームを制御するためのコレクタ掃引方法を提供する一般的な技術教示内容に基づいており、ビームコレクタ内の掃引電子ビームの位置及び／又は方向を連続的に変動させるため、水平方向掃引磁場が変調される。第２の側面によれば、本発明はビームコレクタ内の電子ビームを制御するように適合させたコレクタ掃引装置を提供する一般的な技術教示内容に基づいており、コレクタ掃引装置における水平方向掃引コイル装置には、水平方向掃引磁場の位置及び／又は方向を変調させるために配置された変調装置が設けられている。本発明における他の独立した技術的事項には、コレクタ掃引技術を含むマイクロ波発振及びマイクロ波発振器が含まれる。
【００１６】
本発明によれば、水平方向掃引磁場が変調される。この水平方向掃引磁場は、ビームコレクタの長手方向に垂直な、少なくとも一のベクトル成分を有する回転磁場である。水平方向掃引磁場は、傾斜し回転する交差領域がビームコレクタ内に形成されるよう電子ビームを偏向させる。好適には、本発明により水平方向掃引磁場を変調させると、交差領域に関する長手方向（特に中心軸方向）の位置及び傾斜角を連続的に変動させることになる。これにより、従来技術で発生していた顕著な励起電力の極大（パワーピーク）を回避することができ、廃棄出力の均一な分布が得られる。変調によってビームコレクタの長手方向に沿った熱分布が拡張され、その結果、出力のピークが低減される。特に、ビームコレクタの入口領域に近い交差領域の折り返し点（近接の、又は下方の折り返し点）における起電力分布は、水平方向掃引磁場の変調によって近接の折り返し点が反復的（好ましくは周期的）に移動するに従い、本質的に低減される。
【００１７】
本発明の主な特長として、熱分布全般に沿って均一な励起電力分布を得るコレクタ掃引システムが、初めて実現されたことが挙げられる。本発明によるコレクタ掃引は、１ＭＷ超、特に２ＭＷ超のマイクロ波出力を発振可能な真空管に特に有利となる。またこれに限られず、本発明のコレクタ掃引は従来のｒｆ管にも有効となる。それは、ｒｆ管を（特により小型のコレクタでは）より経済的に設計でき、また安全限界をより高くでき、及び／又は長寿命で動作できるからである。
【００１８】
本発明の第１の好ましい実施形態によれば、水平方向掃引磁場は、この水平方向掃引磁場を垂直方向掃引磁場と重畳させることによって変調される。好適には、交差領域、例えば円筒形のビームコレクタにおける交差楕円は、垂直（すなわち前後）に移動され、その結果、ビームコレクタの長手方向の延在部に沿った励起電力分布（power deposition profile）のピークが平滑化される。具体的な利点としては、第１の実施形態に係るコレクタ掃引の実現においては、既存のハードウェアが利用できることが挙げられる。特に、変調された水平方向掃引磁場を生成するために、既存の垂直方向の磁場コイル装置を、水平方向の磁場コイルと組み合わせることができる。
【００１９】
本発明の第１の実施形態は、新たな「ホットスポット（hot spots）」を生成することなくパワーピークを低減できる点で、特に有利となる。水平方向掃引磁場を垂直方向掃引磁場で変調すれば、パワーピークのシフトのみならず、寧ろ本質的な減衰がもたらされる。厚いコレクタの壁による周波数依存の寄与（表皮効果）によって、水平方向掃引磁場及び垂直方向掃引磁場の重畳は非線形の工程となる。したがって、コレクタの壁、特に銅壁による防護効果及び変形効果が存在する条件下で、重畳された放散時間に依存する磁場の複雑な相互作用を考慮すれば、パワーピークの減衰は驚異的かつ好適な結果をもたらす。
【００２０】
本発明の第２の好ましい実施形態によれば、水平方向掃引磁場は振幅の変調を受ける。この場合、回転する交差領域の傾斜角は変調され、その結果、励起電力分布のピークが平滑化される。また他の特長として、第２の実施形態によれば技術的構成を簡素化できる利点も得られる。すなわち、水平方向掃引磁場を振幅変調するために、垂直方向の磁場コイルシステムを要しない。
【００２１】
他の実施形態によれば、上述した第１の実施形態に係る垂直方向掃引磁場と第２の実施形態に係る振幅変調の両方を用いて、水平方向掃引磁場を変調することができる。好適には、この組み合わせによりビームコレクタ内における励起電力分布をさらに改善できる。
【００２２】
これらの実施形態を実現するために、本発明のコレクタ掃引装置は、水平方向掃引磁場を垂直方向掃引磁場と重畳させるように配置した垂直方向の磁場コイル装置及び／又は水平方向掃引磁場を振幅変調するために、水平方向掃引コイル装置に接続された振幅変調装置を備えている。
【００２３】
さらに水平方向掃引及び水平方向掃引磁場の変調を、異なる時間スケールで行うことでも、利点が得られる。好ましくは、通常は水平方向掃引磁場の回転頻度を示す水平方向掃引周波数が、変調する垂直方向掃引磁場に関する垂直方向掃引周波数及び／又は振幅変調周波数よりも大きい。本実施形態においては、交差領域におけるゆっくりとした垂直方向のずれ及び／又は傾斜によって、励起電力分布が平滑化される。本発明の好ましい変形例によれば、電子ビームの交差領域は、垂直方向の１サイクル（第１の実施形態）又は傾斜の１サイクル（第２の実施形態）が完了するまで、少なくとも２回転、特に好ましくは少なくとも５回転する。換言すれば、水平方向掃引周波数と垂直方向掃引周波数（又は振幅変調周波数）の比率は、好ましくは２以上、より好ましくは５以上である。
【００２４】
振幅変調が７０％以下、特に５０％又はそれ以下の変調度であれば、上述した第２の実施形態における他の利点が得られる。これらのパラメータによって、均一な励起電力分布がさらに最適化される。
【００２５】
通常、水平方向掃引磁場を変調する垂直方向掃引磁場（第１の実施形態）は、ビームコレクタの長手方向に延在する垂直方向の磁場コイル装置で、おそらくはビームコレクタの入口領域近傍にある垂直方向の磁場コイル装置で、生成できる。この場合、入口領域から離れたパワーピークに関して、改善された平滑化が得られる。ただ、垂直方向の磁場コイル装置は、ビームコレクタの入口領域に配置された垂直方向の磁場コイル（いわゆる入口領域のコイル）に限定される。本発明者らの知見によれば、入口領域のコイルのみで水平方向掃引磁場を変調させる垂直方向掃引磁場を生成することは、直近のパワーピークを平滑化するのに適している。入口領域にコイルを備えるだけで、コレクタ掃引装置の構造を本質的に簡素化できるのである。これにより、従来のＶＦＳＳ法の低効率という欠点を回避できる。
【００２６】
本発明によれば、特定の応用例に応じて選択される水平方向の磁場コイルを多様に配置できるので、コレクタ掃引法に関する他の利点も得られる。好ましくは、少なくとも２つの水平方向の磁場コイルを、ビームコレクタの入口領域の直前に配置する。切り換え可能な水平方向掃引磁場を実現するには、２つの水平方向の磁場コイルのみで足りる。本発明によれば、水平方向掃引磁場は垂直方向掃引磁場及び／又は振幅変調で変調される。好ましくは、３つ又は６つの水平方向の磁場コイルを配置することで、磁場を均一化できる利点が得られる。特に好ましくは、３対の水平方向の磁場コイルを相対的に１２０°ずらして配置する。コイル励磁をペアにすることで、水平方向掃引のための回転磁場を得ることができる。
【００２７】
さらに他の利点として、掃引磁場の制御に関する特別な条件が不要となるため、本発明に係るコレクタ掃引に関する操作上の安全性が改善される。水平方向掃引磁場及び垂直方向掃引のパラメータ（特に水平方向掃引周波数、垂直方向掃引周波数、振幅変調周波数、垂直方向掃引振幅、振幅変調の形状及び／又は変調度）は、ビームコレクタの特性、特に冷却能力、寸法及び操作条件（例えば電子ビームの電流値）に応じて調整できる。なお、本発明の変形例によれば、水平方向掃引磁場と垂直方向掃引磁場の内、少なくとも一に関してフィードバック制御も可能である。このような変形例においては、コレクタ掃引方法は、ビームコレクタ内の温度分布を得るため温度を検出する工程と、検出された温度分布に応じて、水平方向掃引磁場と本発明に係る水平方向掃引磁場変調のうち少なくとも一を制御する工程を含む。ここで温度データを収集するためには、複数の熱電センサを用いることが好ましい。
【００２８】
以下、本発明の好ましい実施形態に関する詳細及び利点について、添付図面を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の好ましい実施形態を示す概略図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態を示す概略図である。
【図３】本発明の好ましい実施形態を示す概略図である。
【図４】本発明により得た励起電力分布を示すグラフである。
【図５】従来技術を示す概略図である。
【図６】従来技術に関するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、好ましい実施形態を説明するとともに、高出力のジャイロトロン内の電子ビームを制御するための本発明に係るコレクタ掃引の応用例を参照しながら説明する。なお本発明の応用例はジャイロトロンのみに限定されず、例えば自由電子メーザ（free electron masers：ＦＥＭ）や自由電子レーザ（free electron lasers：ＦＥＬ）のような、高パワー密度の磁場誘導式電子ビームダンプを有する他の真空装置等、電子ビームを捕収するためのビームコレクタを含む他の真空装置でも利用可能であることはいうまでもない。さらに、一例として円筒形のビームコレクタを用いた本発明の応用例についても説明する。この例では、電子ビームはビームコレクタの内壁が長手方向に延在する延在部に沿って周期的に掃引される。ただ、本発明のコレクタ掃引は同様の方法に従い、異なるビームコレクタの設計にも適用できる。例えば、コレクタの内壁を漏斗形のコレクタ壁面で電子ビームを一瞥する場合にも適用できる。以下の実施例では、所定の水平方向掃引周波数を有し、周期的に回転する水平方向掃引磁場を想定している。同様の方法で、本発明は水平方向掃引磁場の方向を非均一的に回転させたり、段階的に変更させたりする場合にも利用可能である。
【００３１】
図１は、本発明に係るコレクタ掃引装置１００を備えたマイクロ波発振器２００（図１Ａ）の実施形態を概略的に示しており、その詳細については図１Ｂの概略平面図に示している。マイクロ波発振器２００は、電子銃２１０と、磁気冷却共鳴（超電導磁気共鳴）装置２２０と、円筒形のビームコレクタ２３０とを備えている。マイクロ波発振器２００は、例えば１００〜１４０ＧＨｚの範囲内のジャイロトロン周波数で、約１ＭＷの出力にてｃｗ動作するように構成した、市販のＴＨＡＬＥＳ社製ジャイロトロンＴＨ１５０７（ＳＮｏ．３）等の高出力ジャイロトロンである。これにより、約４５％の効率で、電子線と電磁波の相互作用の後、電子が約８０〜１００ｋｅＶのエネルギーを有することができる。円筒形のビームコレクタ２３０は、長手方向の長さが約１ｍで、直径は約０．５ｍである。
【００３２】
ここでは、マイクロ波発振器２００、特にビームコレクタ２３０内及びビームコレクタの中心軸方向に、電子が（並進）移動する長手方向をｚ方向とする。半径方向（ｘ軸及びｙ軸）は、ｚ軸に対して垂直である。
【００３３】
本発明に係るコレクタ掃引装置１００は、ビームコレクタ２３０の入口側、例えば磁気冷却共鳴装置２２０とビームコレクタ２３０との間の中心軸の位置、特に入口領域２３１の直前に配置される。本実施形態によれば、コレクタ掃引装置１００は、水平方向掃引コイル装置１０と垂直方向掃引コイル装置２０との組み合わせ（第１の実施形態）、又は（第２の実施形態における振幅変調装置３０と組み合わせた）水平方向掃引コイル装置１０のみ、又は水平方向掃引コイル装置１０と垂直方向掃引コイル２０及び振幅変調装置３０の両方との組み合わせのいずれとすることも可能である。
【００３４】
水平方向掃引コイル装置１０は、例えば６つの水平方向掃引コイル１１〜１６を有する。図１Ｂは、ビームコレクタ２３０を取り巻くコイル配置の平面図である。好ましくは、コイル１１〜１６は「第３０回赤外線及びミリメートル波国際会議・第１３回テラヘルツ電子工学国際会議の合同紀要」、米国ウィリアムズバーグ、ＩＳＢＮ０−７８０３−９３４９−Ｘ（２００５年）、３２３〜３２４頁（"Proc. of the Joint 30th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves and 13 th Int. Conf. On Terahertz Electronics", Williamsburg, USA, ISBN 0-7803-9349-X (2005) p. 323 - 324）に記載のＧ．ダンメルツ他の発表に記載されるように設計、配置とする。水平方向掃引コイル１１〜１６を、各々対（１１と１４、１２と１５、１３と１６）にして励磁させることにより、水平方向掃引磁場が形成される。水平方向掃引周波数は、電源供給を簡単にするため、例えば（欧州で標準的な）５０Ｈｚとなるように選択され、これにより水平方向掃引磁場が毎秒５０回転する。水平方向掃引コイル１１〜１６は、ジャイロトロン周囲の利用可能なスペース、必要とされる起磁力、連続作動に必要な冷却条件、その他製造上の諸事項を考慮して設計される。磁気冷却共鳴装置２２０の静的磁場で交流運転させる際の、振動による損傷を防止するため、コイルは（隙間なく）きつく巻回される。コイル１１〜１６にはそれぞれ、コイル温度を８０℃以下に保つ水冷式の銅製ジャケットが設けられている。各コイルは例えば８ｋＡ・ターンの起磁力を伝えるように設計されている。コイル１１〜１６の典型的な数値（寸法）は、外寸が３２２×２４５×９０ｍｍ、（銅線）巻回数が２００回（１０層）、巻き線の断面積が２．２４×３．５５ｍｍ（７．４ｍｍ2）、電流が３０Ａ（２１．２Ａrms）（２．８８Ａrms／ｍｍ2）、電圧が７２Ｖrms、全抵抗値が２０℃において０．３６Ω、抵抗損失が２０℃において１６２Ｗ、１２０℃において２２５Ｗ、最高許容断熱温度が２００℃、インダクタンスが１２ｍＨ、銅重量が１１ｋｇ、総重量が１７ｋｇ、巻型がオーステナイト系ステンレス鋼、コイル中心における磁場が２１ｍテスラである。コイル１１〜１６は、それぞれ水平方向掃引磁場電源１７に接続され、例えば各水平方向掃引コイルに２３Ａの電流を流す三相可変変圧器を備える。電子ビーム１（円形の破線）は、直径が約１００ｍｍの軸対称をなしており、中空である。
【００３５】
垂直方向掃引コイル装置２０は、垂直方向掃引電源２２に接続された円筒形の垂直方向掃引コイル２１を備えている。コイル２１は、ビームコレクタ２３０の入口領域２３１直前の電子ビーム１の通路周囲で、軸対称に配置されている。本発明の本質的な利点として、垂直方向掃引コイル２１における中心軸方向の長さは、従来のＶＦＳＳコイルに比して本質的に短くなるように選択できる。垂直方向掃引コイル装置２１は、例えば１０回巻き以下、又は１回巻きだけの数回巻きとしてもよい。したがって、垂直方向掃引コイルの電力消費及びコストを本質的に低減させることができる。垂直方向掃引コイル用電源２２は、垂直方向掃引コイル２１を励磁するために交流を流すように適合させたＡＣ電源である。このＡＣ電源は、コイル設計と静的磁場の大きさに応じて選択される。
【００３６】
振幅変調装置３０は、水平方向掃引電源１７に統合するのが好ましく、このような例を図１Ｂに示す。振幅変調装置３０は、低周波数（例えば７Ｈｚ）の振幅変調を生成するように構成している。この振幅変調は三角形のエンベロープで、典型的には変調度５０％である。
【００３７】
好ましい動作モードとしては、水平方向掃引磁場装置及び垂直方向掃引磁場装置のいずれにおいても、コイル電流は電源１７、２２で調整し、全体的なビーム拡散が同じとなるよう、水平方向掃引磁場の振幅が増大するにつれて、垂直方向掃引磁場の振幅が減少するように維持できる。
【００３８】
さらに図１Ｂは、必要に応じて本発明に係るコレクタ掃引を制御するためのフィードバックループ部４０を示している。このフィードバックループ部４０は、複数の温度センサ４１と、制御回路４２とを備えている。例えば、４９個の温度センサ（熱電対）が、ビームコレクタ２３０の垂直方向に沿って等間隔に装着される。温度上昇は、入口領域２３１から垂直方向の距離の関数として測定される。制御回路４２は、温度センサ４１で得られた温度データを評価し、水平方向掃引電源１７及び垂直方向掃引電源２２の少なくともいずれかの制御信号を生成する。例えば、入口領域２３１から離れた領域の温度が所定値を超えた場合、制御回路４２はコイル２１で生成した垂直方向掃引磁場の振幅を増大させる。
【００３９】
従来技術の手法（図５Ｂを参照）を用いたときと同様、水平方向掃引コイル装置１０は掃引電子ビームに関して楕円形の交差領域を形成するが、本発明により水平方向掃引磁場を変調させれば、図２及び図３に概略的に示すように交差領域３が変動する。
【００４０】
図２は、例えば単巻き又は複巻きの入口領域のコイル２１で生成される、低周波数の垂直方向掃引磁場に影響された交差領域３（楕円形の走行線）の、中心軸方向の動きを概略的に示している。発散した静的磁場４及び水平方向掃引磁場によって形成される交差領域３は、垂直に移動する。この楕円は、垂直方向の１サイクルが完了するまで、多数回（通常１０回）回転する。マイクロ波装置の動作パラメータに基づいて、垂直方向掃引システム及び水平方向掃引システムの振幅及び周波数を調整することにより、均一な励起電力分布が得られる。
【００４１】
図３によれば、水平方向掃引磁場における低周波数の振幅変調の結果、回転する楕円形の走行線の傾斜角がゆっくりと変調することになり、これによって励起電力分布のピークが平滑化される。本発明によれば、図２の実施形態及び図３の実施形態はいずれも、ビームコレクタ２３０内で、交差領域がさらに複雑な動きをするように組み合わせることができる。
【００４２】
図４は、本発明に係るコレクタ掃引方法で得られた実験結果を示している。本発明で得られた、平滑化された励起電力分布（実線）を、従来のＶＦＳＳ手法における２つのパワーピークを有する分布（図６の点線）と比較すると、図４から、ほぼ２倍のピーク負荷の低減が得られており、これにより同じ量でもコレクタの能力を向上できることが判る。さらに直流磁場の微調整によって水平方向掃引磁場の変調を微調整すれば、パワー密度の分布を更に改善できる。これにより交差領域３の下方折り返し点が、入口領域より僅かに離れるようにシフトする。
【００４３】
上記の詳細説明、図面、特許請求の範囲で開示した本発明の各特長は、様々な実施形態を実現するため単独又は組み合わせて利用することができるため、いずれも重要な要素となる。
【符号の説明】
【００４４】
１，１’…電子ビーム
２’…発散した磁場
３，３’…交差領域
４…発散した静的磁場
４’…上方及び下方の折り返し点
１０…水平方向掃引コイル装置
１１，１１’…水平方向掃引コイル
１２…水平方向掃引コイル
１３…水平方向掃引コイル
１４…水平方向掃引コイル
１５…水平方向掃引コイル
１６…水平方向掃引コイル
１７…水平方向掃引磁場電源
２０…垂直方向掃引コイル装置
２１…垂直方向掃引コイル
２２…垂直方向掃引電源
２２’…垂直方向掃引コイル
３０…振幅変調装置
４０…フィードバックループ部
４１…温度センサ
４２…制御回路
１００…コレクタ掃引装置
２００…マイクロ波発振器
２１０…電子銃
２２０…磁気冷却共鳴装置
２３０，２３０’…ビームコレクタ
２３１…入口領域
ｚ…長手方向
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビームコレクタ(230)内の電子ビーム(1)を制御するためのコレクタ掃引方法であって、
ビームコレクタ(230)の長手方向(z)に対して垂直な磁場成分を有する垂直方向掃引磁場を電子ビーム(1)に印加し、電子ビーム(1)の傾斜し、回転する交差領域をビームコレクタ(230)内に形成する工程を含み、
さらに、水平方向掃引磁場を変調させることによって、交差領域(3)に関する長手方向の位置及び傾斜角の少なくとも一を変動させる工程を含むことを特徴とするコレクタ掃引方法。
【請求項２】
請求項１に記載のコレクタ掃引方法であって、
水平方向掃引磁場の変調が、
水平方向掃引磁場を垂直方向掃引磁場と重畳させる工程、又は
水平方向掃引磁場を振幅変調に適用させる工程、
のうち少なくとも一を含むことを特徴とするコレクタ掃引方法。
【請求項３】
請求項２に記載のコレクタ掃引方法であって、
水平方向掃引磁場の水平方向掃引周波数が、垂直方向掃引磁場の垂直方向掃引周波数又は振幅変調の振幅変調周波数よりも大きいことを特徴とするコレクタ掃引方法。
【請求項４】
請求項３に記載のコレクタ掃引方法であって、
水平方向掃引周波数と、垂直方向掃引周波数又は振幅変調周波数との比率が、２以上であることを特徴とするコレクタ掃引方法。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか一に記載のコレクタ掃引方法であって、
振幅変調が７０％以下の変調度を有することを特徴とするコレクタ掃引方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一に記載のコレクタ掃引方法であって、
ビームコレクタの入口領域において円周方向に配置された、少なくとも２つの水平方向磁場コイル(11, 12, ...)によって、水平方向掃引磁場が生成されることを特徴とするコレクタ掃引方法。
【請求項７】
請求項６に記載のコレクタ掃引方法であって、
水平方向掃引磁場が、３対の水平方向磁場コイル(11, 12, ...)によって生成されることを特徴とするコレクタ掃引方法。
【請求項８】
請求項２〜７のいずれか一に記載のコレクタ掃引方法であって、
ビームコレクタ(230)の入口領域(231)に配置されている垂直方向磁場コイル装置(20)及び／又はビームコレクタ(230)の長手方向(z)に沿って延在する垂直方向磁場個コイル装置(20)によって、垂直方向掃引磁場が生成されることを特徴とするコレクタ掃引方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一に記載のコレクタ掃引方法であって、さらに、
ビームコレクタ(230)内の温度分布を検出する工程と、
検出された温度分布に基づいて水平方向掃引磁場の変調を制御する工程と、
を含むことを特徴とするコレクタ掃引方法。
【請求項１０】
マイクロ波の生成方法であって、
電子ビームを生成する工程と、
マイクロ波を生成するために電子ビームにジャイロトロン磁場を印加する工程と、
電子ビームを捕収する工程と、
を含み、請求項１〜９のいずれか一に記載のコレクタ掃引方法を電子ビームに適用することを特徴とするマイクロ波生成方法。
【請求項１１】
ビームコレクタ(230)内の電子ビーム(1)を制御するよう構成されたコレクタ掃引装置(100)であって、
ビームコレクタ(230)の長手方向(z)に対して垂直な水平方向掃引磁場を生成し、ビームコレクタ内に電子ビーム(1)の傾斜し回転する交差領域(3)を形成するために配置された水平方向掃引コイル装置(10)を備え、
交差領域(3)に関する長手方向の位置及び傾斜角の内少なくとも一を変動させるよう、水平方向の掃引磁場を変調するために変調装置(20, 30)が配置されてなることを特徴とするコレクタ掃引装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載のコレクタ掃引装置であって、変調装置が、
水平方向掃引磁場を垂直方向掃引磁場に重畳させるために配置された垂直方向磁場コイル装置(20)と、
水平方向掃引磁場を振幅変調に適用させるために水平方向掃引コイル装置に接続された振幅変調装置(30)、
の内少なくとも一を備えることを特徴とするコレクタ掃引装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載のコレクタ掃引装置であって、
水平方向掃引磁場の水平方向掃引周波数を、垂直方向掃引磁場の垂直方向掃引周波数又は振幅変調の振幅変調周波数よりも大きくするように、変調装置(20, 30)を制御可能に構成してなることを特徴とするコレクタ掃引装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載のコレクタ掃引装置であって、
水平方向掃引周波数と振幅変調周波数の比率が２以上となるよう、水平方向掃引周波数を制御するように変調装置(20, 30)を構成してなることを特徴とするコレクタ掃引装置。
【請求項１５】
請求項１１〜１４のいずれか一に記載のコレクタ掃引装置であって、
水平方向掃引コイル装置(10)が、ビームコレクタの入口領域(231)の周囲で円周方向に配置された、少なくとも２つの水平方向磁場コイル(11, 12, ...)を備えることを特徴とするコレクタ掃引装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載のコレクタ掃引装置であって、
水平方向掃引コイル装置が３対の水平方向磁場コイルを備えることを特徴とするコレクタ掃引装置。
【請求項１７】
請求項１２〜１６のいずれか一に記載のコレクタ掃引装置であって、
垂直方向掃引コイル装置(20)が、ビームコレクタの入口領域を囲繞する入口領域コイル(21)と、ビームコレクタの長手方向(z)に沿って延在する垂直方向掃引コイルの内少なくとも一を備えることを特徴とするコレクタ掃引装置。
【請求項１８】
請求項１２〜１７のいずれか一に記載のコレクタ掃引装置であって、さらに、
ビームコレクタ(230)の温度に基づいて水平方向掃引磁場と垂直方向掃引磁場の内少なくとも一を制御するためのフィードバックループ部(40)を備えることを特徴とするコレクタ掃引装置。
【請求項１９】
マイクロ波発振器(200）であって、
電子ビームを生成するための電子ビーム源(210)と、
マイクロ波を生成するために電子ビーム(1)にジャイロトロン磁場を印加させるための磁気冷却共鳴装置(220)と、
電子ビーム(1)を捕収するために配置されたビームコレクタ(230)と、
を備え、前記ビームコレクタ(230)が請求項１１〜１８のいずれか一に係るコレクタ掃引装置(100)を備えることを特徴とするマイクロ波発振器。
【請求項１】
ビームコレクタ(230)内の電子ビーム(1)を制御するためのコレクタ掃引方法であって、
ビームコレクタ(230)の長手方向(z)に対して垂直な磁場成分を有する垂直方向掃引磁場を電子ビーム(1)に印加し、電子ビーム(1)の傾斜し、回転する交差領域をビームコレクタ(230)内に形成する工程を含み、
さらに、水平方向掃引磁場を変調させることによって、交差領域(3)に関する長手方向の位置及び傾斜角の少なくとも一を変動させる工程を含むことを特徴とするコレクタ掃引方法。
【請求項２】
請求項１に記載のコレクタ掃引方法であって、
水平方向掃引磁場の変調が、
水平方向掃引磁場を垂直方向掃引磁場と重畳させる工程、又は
水平方向掃引磁場を振幅変調に適用させる工程、
のうち少なくとも一を含むことを特徴とするコレクタ掃引方法。
【請求項３】
請求項２に記載のコレクタ掃引方法であって、
水平方向掃引磁場の水平方向掃引周波数が、垂直方向掃引磁場の垂直方向掃引周波数又は振幅変調の振幅変調周波数よりも大きいことを特徴とするコレクタ掃引方法。
【請求項４】
請求項３に記載のコレクタ掃引方法であって、
水平方向掃引周波数と、垂直方向掃引周波数又は振幅変調周波数との比率が、２以上であることを特徴とするコレクタ掃引方法。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか一に記載のコレクタ掃引方法であって、
振幅変調が７０％以下の変調度を有することを特徴とするコレクタ掃引方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一に記載のコレクタ掃引方法であって、
ビームコレクタの入口領域において円周方向に配置された、少なくとも２つの水平方向磁場コイル(11, 12, ...)によって、水平方向掃引磁場が生成されることを特徴とするコレクタ掃引方法。
【請求項７】
請求項６に記載のコレクタ掃引方法であって、
水平方向掃引磁場が、３対の水平方向磁場コイル(11, 12, ...)によって生成されることを特徴とするコレクタ掃引方法。
【請求項８】
請求項２〜７のいずれか一に記載のコレクタ掃引方法であって、
ビームコレクタ(230)の入口領域(231)に配置されている垂直方向磁場コイル装置(20)及び／又はビームコレクタ(230)の長手方向(z)に沿って延在する垂直方向磁場個コイル装置(20)によって、垂直方向掃引磁場が生成されることを特徴とするコレクタ掃引方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一に記載のコレクタ掃引方法であって、さらに、
ビームコレクタ(230)内の温度分布を検出する工程と、
検出された温度分布に基づいて水平方向掃引磁場の変調を制御する工程と、
を含むことを特徴とするコレクタ掃引方法。
【請求項１０】
マイクロ波の生成方法であって、
電子ビームを生成する工程と、
マイクロ波を生成するために電子ビームにジャイロトロン磁場を印加する工程と、
電子ビームを捕収する工程と、
を含み、請求項１〜９のいずれか一に記載のコレクタ掃引方法を電子ビームに適用することを特徴とするマイクロ波生成方法。
【請求項１１】
ビームコレクタ(230)内の電子ビーム(1)を制御するよう構成されたコレクタ掃引装置(100)であって、
ビームコレクタ(230)の長手方向(z)に対して垂直な水平方向掃引磁場を生成し、ビームコレクタ内に電子ビーム(1)の傾斜し回転する交差領域(3)を形成するために配置された水平方向掃引コイル装置(10)を備え、
交差領域(3)に関する長手方向の位置及び傾斜角の内少なくとも一を変動させるよう、水平方向の掃引磁場を変調するために変調装置(20, 30)が配置されてなることを特徴とするコレクタ掃引装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載のコレクタ掃引装置であって、変調装置が、
水平方向掃引磁場を垂直方向掃引磁場に重畳させるために配置された垂直方向磁場コイル装置(20)と、
水平方向掃引磁場を振幅変調に適用させるために水平方向掃引コイル装置に接続された振幅変調装置(30)、
の内少なくとも一を備えることを特徴とするコレクタ掃引装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載のコレクタ掃引装置であって、
水平方向掃引磁場の水平方向掃引周波数を、垂直方向掃引磁場の垂直方向掃引周波数又は振幅変調の振幅変調周波数よりも大きくするように、変調装置(20, 30)を制御可能に構成してなることを特徴とするコレクタ掃引装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載のコレクタ掃引装置であって、
水平方向掃引周波数と振幅変調周波数の比率が２以上となるよう、水平方向掃引周波数を制御するように変調装置(20, 30)を構成してなることを特徴とするコレクタ掃引装置。
【請求項１５】
請求項１１〜１４のいずれか一に記載のコレクタ掃引装置であって、
水平方向掃引コイル装置(10)が、ビームコレクタの入口領域(231)の周囲で円周方向に配置された、少なくとも２つの水平方向磁場コイル(11, 12, ...)を備えることを特徴とするコレクタ掃引装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載のコレクタ掃引装置であって、
水平方向掃引コイル装置が３対の水平方向磁場コイルを備えることを特徴とするコレクタ掃引装置。
【請求項１７】
請求項１２〜１６のいずれか一に記載のコレクタ掃引装置であって、
垂直方向掃引コイル装置(20)が、ビームコレクタの入口領域を囲繞する入口領域コイル(21)と、ビームコレクタの長手方向(z)に沿って延在する垂直方向掃引コイルの内少なくとも一を備えることを特徴とするコレクタ掃引装置。
【請求項１８】
請求項１２〜１７のいずれか一に記載のコレクタ掃引装置であって、さらに、
ビームコレクタ(230)の温度に基づいて水平方向掃引磁場と垂直方向掃引磁場の内少なくとも一を制御するためのフィードバックループ部(40)を備えることを特徴とするコレクタ掃引装置。
【請求項１９】
マイクロ波発振器(200）であって、
電子ビームを生成するための電子ビーム源(210)と、
マイクロ波を生成するために電子ビーム(1)にジャイロトロン磁場を印加させるための磁気冷却共鳴装置(220)と、
電子ビーム(1)を捕収するために配置されたビームコレクタ(230)と、
を備え、前記ビームコレクタ(230)が請求項１１〜１８のいずれか一に係るコレクタ掃引装置(100)を備えることを特徴とするマイクロ波発振器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２０１０−５２６４１７（Ｐ２０１０−５２６４１７Ａ）
【公表日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５０６８０５（Ｐ２０１０−５０６８０５）
【出願日】平成１９年５月４日（２００７．５．４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００７／００３９５８
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１３５０６４
【国際公開日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【出願人】（５０１４９７６５５）マックス プランク ゲゼルシャフト ツゥアー フェデルゥン デル ヴィッセンシャフテン エー フォー (10)
【出願人】（５０９３０５３２１）
【氏名又は名称原語表記】Ｋａｒｌｓｒｕｈｅｒ Ｉｎｓｔｉｔｕｔ ｆｕｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅ
【住所又は居所原語表記】Ｋａｉｓｅｒｓｔｒａｓｓｅ １２， ７６１３１ Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月４日（２００７．５．４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００７／００３９５８
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１３５０６４
【国際公開日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【出願人】（５０１４９７６５５）マックス プランク ゲゼルシャフト ツゥアー フェデルゥン デル ヴィッセンシャフテン エー フォー (10)
【出願人】（５０９３０５３２１）
【氏名又は名称原語表記】Ｋａｒｌｓｒｕｈｅｒ Ｉｎｓｔｉｔｕｔ ｆｕｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅ
【住所又は居所原語表記】Ｋａｉｓｅｒｓｔｒａｓｓｅ １２， ７６１３１ Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
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