【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子レンジなどの高周波加熱装置やレーダなどのパルス発生装置に用いられるマグネトロン用陰極及びそれを用いたマグネトロンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在使われているマグネトロンは、電子源として熱陰極が用いられている。熱陰極は、熱電子放出により電子を供給するものである。熱電子放出は、これらの熱陰極を１８００〜３０００℃程度に加熱することで、陰極金属内の伝導帯の自由電子が熱エネルギーを得て陰極金属表面のポテンシャル障壁を乗り越えて空間に放出される機構である。
【０００３】
次に、従来のマグネトロンについて図面を用いて説明する。図７は、従来の熱陰極型マグネトロンの一実施形態を示す部分断面図であり、図８は図７の要部拡大図である。図において、軸方向に外部磁石１による直流磁界Ｔがある。
【０００４】
例えば、電子放出源としてトリウムタングステンフィラメントからなる螺旋状の陰極２が陽極３のほぼ中心に配設されている。この陰極２に十数Ａの電流を流し、１７００〜１８００℃に加熱する。陽極３と陰極２との間に数ｋＶの電圧を印加し、半径方向に直流電界を生じさせると熱電子４が陰極２から放出される。陽極３は、陽極円筒５の内面に中心軸へ向かって突設された複数のベイン６により空洞共振器（図示せず）が形成された分割陽極である。陰極２と陽極３との間の空間を作用空間７といい、直流磁界Ｔが供給される。陰極２の軸方向上下両側にはエンドハット８と呼ぶ電極を配置し、エンドハット８を陰極２と同電位あるいは負電位にすることで、熱電子を作用空間７内に閉じ込めることが可能である。電子は作用空間７において、直流磁界Ｔにより曲げられ、サイクロトロン運動をする。サイクロトロン運動した電子は陰極に再突入する。その際陰極表面の二次電子放出利得が大きいと二次電子が放出される。陽極３は空洞共振器による振動回路を持ち、陽極３の分割間隙に生ずる高周波電界（図示せず）により電子流は速度変調を受ける。やがて電子流は疎な部分と密な部分になりベイン間の隣同士異なる極性と同期して回転電子極を形成し、陽極３の空洞共振器に誘導電流が流れ高周波電力が生じる。陽極３に発生した高周波電力は外部出力端子９から外部へと取り出される（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
なお、従来例では、陰極にトリウムタングステンフィラメントを用いたが、酸化バリウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウムなどの酸化物陰極は加熱時に二次電子放出利得が大変大きく、熱エミッション電流そのものは少なくとも二次電子放出によって大電流を放出するため使用することは可能である。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−１２１００７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のマグネトロンでは、上記したように熱陰極を用いているため、マグネトロンの発振時の熱損失以外に熱陰極自身からの発熱があり、通常、マグネトロン自体を冷却させる必要があった。
【０００８】
また、熱陰極は１７００〜１８００℃の高温になるため、陰極自身はもちろんのこと周辺の部品にも高価な高融点金属、例えばタングステンやモリブデン等を用いる必要があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のマグネトロン用陰極は、上記課題を解決するため、電子放出源の表面の少なくとも一部に針状粒子または突起を備えたコイル状の第１電極と、電子放出源の表面の少なくとも一部に二次電子放出利得の高い酸化物膜を備えた第２電極とから構成されている。
【００１０】
この構成により、第１電極の針状粒子または突起の先端に電界集中が起こり、加熱することなく一次電子を放出させることができ、陰極から放出させる電子数を第２電極により増加させることができる。
【００１１】
また、本発明のマグネトロン用陰極は、前記第１電極の内側に、電子放出源の表面の少なくとも一部に二次電子放出利得の高い酸化物膜を備えた円筒あるいは円柱状第２電極が配設されて構成されている。
【００１２】
また、本発明のマグネトロン用陰極は、前記第２電極がコイル状に形成されている。
【００１３】
また、本発明のマグネトロン用陰極は、前記第１電極の内側に、電子放出源の表面の少なくとも一部に二次電子放出利得の高い酸化物膜を備えた円筒あるいは円柱状第２電極が配設されている。
【００１４】
また、本発明のマグネトロン用陰極は、多孔性金属に酸化物を含侵させて二次電子放出を安定化した第２電極を有している。
【００１５】
この構成により、針状粒子の先端に発生する電界集中と、二次電子放出による電子の倍増作用により、陰極を加熱することなく一次電子を放出させることが可能となる。
【００１６】
また、本発明のマグネトロンは、上記に記載されたマグネトロン陰極を備えている。
【００１７】
この構成により、従来より低い温度で動作させることが可能なマグネトロンを得ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のマグネトロン用陰極について図面を用いて説明する。なお、従来と同一の構成要素には同一符号を付し説明を省略する。
【００１９】
図１は本発明によるマグネトロンの要部構成を示した軸方向の断面図であり、図２および図３は図１の要部拡大図である。
【００２０】
図において、本発明のマグネトロンの一実施形態は、第１電極１０の表面の少なくとも一部に針状粒子１１を固着させた第１の電子放出源１２と、第２電極１３の表面の少なくとも一部に二次放出利得の高い酸化物膜１４を固着させた第２の電子放出源１５とが上下のエンドハット１６で挟持されて陰極部１７が構成されている。針状粒子１１は、図３に示されるように、例えばテトラポット形状のウィスカー１１１であってもよい。
【００２１】
針状粒子１１は、例えば、亜鉛、アルミニウム、珪素、鉄、ホウ素、マグネシウムなどの群から選択される金属、またはこれらの酸化物、窒化物、炭化物などから構成されている。そして、針状粒子１１の表面には、カーボンナノチューブ、炭素繊維などを固着させることも可能である。
【００２２】
また、電子を放出しやすい性質がある黒鉛、ダイヤモンド粒子などをウィスカー１１１状の針状粒子の表面に固着させることも可能である。
【００２３】
そこで、本発明者は、実際に上述した構成によるマグネトロンを試作し、その効果を確認した。
【００２４】
本発明者は、第１および第２の電子放出源を、例えば低価格のニッケルを原材料として用い、雰囲気温度を８００〜９００℃に保持しながら熱ＣＶＤ法あるいはプラズマＣＶＤ法によりアセチレン、メタンなどの炭化水素系の希釈ガスを第１の電子放出源１２の表面に反応させて炭素の針状粒子１１を形成させた。また、蒸着法あるいはイオンプレートにより第２の電子放出源１５の表面に酸化バリウム被膜１４を形成させた。
【００２５】
そして、真空中において陰極に電流を流すことで第１電極１０を加熱し、針状粒子１１のクリーニングと酸化バリウム膜１４の活性化を同時に行った。真空引きしながらマグネトロン全体を６００℃にし、ガス出しした後に真空封止をした。マグネトロン管内の真空度は１０−７Ｐａである。陰極半径は４ｍｍとし、分割陽極は既存のマグネトロン（１０分割、内径８ｍｍ）のものとした。この陰極に−６０００Ｖの電圧を印加すると、第１の電子放出源１２の針状粒子１１の先端に強電界（１０７Ｖ／ｃｍオーダー）が生じる。極度に高い電界の為、針状粒子１１の先端のポテンシャル障壁が薄くなり、電子の波動性から生じるトンネル効果により、真空準位の電子をそのまま空間に放出することになる。この電界放出電子を以後一次電子４０と称する。
【００２６】
また、軸方向に直流磁界Ｔを０．３５Ｔ発生させた。陽陰極間電圧のため生じる半径方向電界と、軸方向の直流磁界Ｔによって、陰極からの一次電子４０の一部はサイクロトロン運動し第２の電子放出源１５に突入し、第２の電子放出源１５から二次放出電子が放出された。この二次放出電子を以後二次電子４１と称する。更に二次電子４１が第２の電子放出源１５に再突入し二次電子４１は雪崩的に増え、陽陰極間に５０ｍＡの電流を流した時、２．４５ＧＨｚにて最大２００Ｗのマイクロ波の発振を確認した。
【００２７】
図４は本発明による第２の実施形態であるマグネトロンの要部構成を示した軸方向の断面図であり、図５は本発明による第２の実施形態の要部拡大図であり、図６は第２の実施形態による第２電極の酸化物膜の要部拡大図である。
【００２８】
図において、第２の電子放出源である第２電極１３１を円筒状にし、第１の電子放出源である第１電極１０の内側に配置したものである。また、第２電極１３１を多孔性の含浸型金属にした場合、異常放電率が減少し第１の実施形態で示された螺旋状に比較して約１０％長寿命になった。同様にして、電子が衝突すると多くの二次電子を放出するといわれているセラミックス材を第２電極に用いてもよいことはいうまでもない。
【００２９】
次に、第２の実施形態によるマグネトロン用陰極を用いたマグネトロンについて説明する。
【００３０】
第１電極１０の酸化亜鉛ウイスカー１１１が固着された第１の電子放出源１２と二次放出利得の高い酸化物膜１４を固着させた第２の電子放出源１５とから構成されるマグネトロンの陽極と陰極間に電圧を６．０ｋＶ印加し、半径方向に電界を生じさせ、軸方向に直流磁界を０．３５Ｔ生じさせた。電界によって、陰極の酸化亜鉛ウイスカー１１１の表面から最大１０ｍＡの電界放出電流が放出された。この電流により最大で２．４５ＧＨｚのマイクロ波４０Ｗの出力を確認した。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
【００３２】
針状粒子から電界放出される電子が一次電子として作用空間に放出された後、その電子が軸方向の直流磁界によってサイクロトロン運動し陰極に再突入し、その突入先が酸化物膜の場合、酸化物膜から二次電子が作用空間に放出される。二次電子がさらに酸化物膜に再突入するので、陰極から作用空間へと放出される総電子量は雪崩的に増えることになり、発振に十分な電子放出を得ることが出来る。
【００３３】
また、陰極から電子を放出させるために陰極を加熱する必要が無いので、ヒータ用の電源が省かれ、マグネトロン用電源が簡素化される。
【００３４】
フィラメントからなる陰極と比較し本発明の陰極は動作温度が低くなるので、陰極周辺の部品に従来から用いられてきたタングステンやモリブデンなどの高価な高融点金属と比較して安い金属（ニッケル、鉄、ステンレス鋼など）が用いられるようになる。
【００３５】
本発明の陰極から放出される電界放出電子は、エネルギーバンドが狭い為、熱擾乱が小さいのでマグネトロン動作時のノイズが少なくなるなど多くの効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるマグネトロンの第１の実施形態による要部構成を示した軸方向の断面図
【図２】本発明による第１の実施形態の要部拡大図
【図３】本発明による第１の実施形態の要部拡大図
【図４】本発明の第２の実施形態による要部構成を示した軸方向の断面図
【図５】本発明による第２の実施形態の要部拡大図
【図６】第２の実施形態による第２電極の要部拡大図
【図７】従来のマグネトロンの部分断面図
【図８】従来のマグネトロンの要部拡大図
【符号の説明】
１０、１１、１２、１１１ 第１の電子放出源
１３、１４、１５、１３１ 第２の電子放出源
１６ エンドハット
１７ 陰極部
４０ 一次電子
４１ 二次電子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetron cathode used in a high-frequency heating device such as a microwave oven or a pulse generator such as a radar, and a magnetron using the same.
[0002]
[Prior art]
Currently used magnetrons use hot cathodes as electron sources. The hot cathode supplies electrons by thermionic emission. Thermionic emission is achieved by heating these hot cathodes to about 1800 to 3000 ° C., so that free electrons in the conduction band in the cathode metal gain thermal energy and cross the potential barrier on the surface of the cathode metal to be emitted into space. Mechanism.
[0003]
Next, a conventional magnetron will be described with reference to the drawings. FIG. 7 is a partial sectional view showing an embodiment of a conventional hot cathode magnetron, and FIG. 8 is an enlarged view of a main part of FIG. In the figure, there is a DC magnetic field T generated by the external magnet 1 in the axial direction.
[0004]
For example, a helical cathode 2 made of a thorium tungsten filament as an electron emission source is disposed substantially at the center of the anode 3. A current of more than 10 A is passed through the cathode 2 to heat it to 1700 to 1800 ° C. When a voltage of several kV is applied between the anode 3 and the cathode 2 to generate a DC electric field in the radial direction, thermions 4 are emitted from the cathode 2. The anode 3 is a split anode in which a cavity (not shown) is formed by a plurality of vanes 6 protruding toward the central axis on the inner surface of the anode cylinder 5. The space between the cathode 2 and the anode 3 is referred to as a working space 7 and is supplied with a DC magnetic field T. Electrodes called end hats 8 are arranged on both upper and lower sides in the axial direction of the cathode 2, and by setting the end hat 8 to the same potential or a negative potential as the cathode 2, it is possible to confine thermoelectrons in the working space 7. . The electrons are bent by the DC magnetic field T in the working space 7 and perform cyclotron motion. Cyclotron-moved electrons re-enter the cathode. At that time, if the secondary electron emission gain on the cathode surface is large, secondary electrons are emitted. The anode 3 has an oscillating circuit with a cavity resonator, and the electron flow is subjected to velocity modulation by a high-frequency electric field (not shown) generated in the divided gap of the anode 3. Eventually, the electron flow becomes a sparse part and a dense part, and a rotating electron pole is formed in synchronization with the polarity different between adjacent vanes, and an induced current flows through the cavity resonator of the anode 3 to generate high-frequency power. The high-frequency power generated at the anode 3 is taken out from the external output terminal 9 (for example, see Patent Document 1).
[0005]
In the conventional example, a thorium-tungsten filament was used for the cathode, but an oxide cathode such as barium oxide, magnesium oxide, calcium oxide, or strontium oxide has a very large secondary electron emission gain when heated, and the thermal emission current itself is at least It can be used to emit a large current by secondary electron emission.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-5-121007
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional magnetron, since the hot cathode is used as described above, heat is generated from the hot cathode itself in addition to heat loss at the time of oscillation of the magnetron, and it is usually necessary to cool the magnetron itself.
[0008]
In addition, since the hot cathode has a high temperature of 1700 to 1800 ° C., it is necessary to use expensive high-melting-point metals, such as tungsten and molybdenum, not only for the cathode itself but also for peripheral parts.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the magnetron cathode according to the present invention includes a coil-shaped first electrode having needle-like particles or protrusions on at least a part of the surface of the electron emission source, and at least a part of the surface of the electron emission source. And a second electrode provided with an oxide film having a high secondary electron emission gain.
[0010]
With this configuration, electric field concentration occurs at the tips of the acicular particles or protrusions of the first electrode, primary electrons can be emitted without heating, and the number of electrons emitted from the cathode can be increased by the second electrode. .
[0011]
Further, in the magnetron cathode of the present invention, a cylindrical or columnar second electrode provided with an oxide film having a high secondary electron emission gain on at least a part of the surface of the electron emission source is provided inside the first electrode. It is provided and configured.
[0012]
Further, in the magnetron cathode of the present invention, the second electrode is formed in a coil shape.
[0013]
Further, in the magnetron cathode of the present invention, a cylindrical or columnar second electrode provided with an oxide film having a high secondary electron emission gain on at least a part of the surface of the electron emission source is provided inside the first electrode. Is established.
[0014]
Further, the magnetron cathode of the present invention has a second electrode in which secondary electrons are stabilized by impregnating a porous metal with an oxide.
[0015]
With this configuration, it is possible to emit primary electrons without heating the cathode due to the concentration of the electric field generated at the tips of the needle-like particles and the doubling of electrons due to secondary electron emission.
[0016]
Further, a magnetron of the present invention includes the magnetron cathode described above.
[0017]
With this configuration, it is possible to obtain a magnetron that can be operated at a lower temperature than before.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the magnetron cathode of the present invention will be described with reference to the drawings. The same components as those in the related art are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0019]
FIG. 1 is an axial cross-sectional view showing a configuration of a main part of a magnetron according to the present invention, and FIGS. 2 and 3 are enlarged views of a main part of FIG.
[0020]
In the figure, one embodiment of the magnetron of the present invention includes a first electron emission source 12 having needle-like particles 11 fixed to at least a part of a surface of a first electrode 10, and at least one surface of a second electrode 13. A second electron emission source 15 having an oxide film 14 having a high secondary emission gain fixed thereto is sandwiched between upper and lower end hats 16 to form a cathode portion 17. The needle-like particles 11 may be, for example, tetrapod-shaped whiskers 111 as shown in FIG.
[0021]
The acicular particles 11 are made of, for example, a metal selected from the group of zinc, aluminum, silicon, iron, boron, magnesium, and the like, or an oxide, nitride, carbide, or the like thereof. Further, carbon nanotubes, carbon fibers, and the like can be fixed on the surface of the acicular particles 11.
[0022]
It is also possible to fix graphite, diamond particles, etc., which have a property of easily emitting electrons, to the surface of the whisker 111-like needle-like particles.
[0023]
Then, the inventor actually manufactured a prototype of the magnetron having the above-described configuration, and confirmed its effects.
[0024]
The present inventor has proposed that the first and second electron emission sources are made of, for example, acetylene, methane, or the like by thermal CVD or plasma CVD while using low-cost nickel as a raw material and maintaining the ambient temperature at 800 to 900 ° C. The hydrocarbon-based diluent gas was reacted with the surface of the first electron emission source 12 to form the acicular particles 11 of carbon. Further, the barium oxide film 14 was formed on the surface of the second electron emission source 15 by a vapor deposition method or an ion plate.
[0025]
Then, the first electrode 10 was heated by applying a current to the cathode in a vacuum, thereby cleaning the needle-like particles 11 and activating the barium oxide film 14 at the same time. The entire magnetron was heated to 600 ° C. while evacuating, degassed, and then vacuum sealed. The degree of vacuum in the magnetron tube is 10 −7 Pa. The cathode radius was 4 mm, and the divided anode was an existing magnetron (10 divisions, inner diameter 8 mm). When a voltage of -6000 V is applied to this cathode, a strong electric field (on the order of 10 7 V / cm) is generated at the tip of the needle-like particles 11 of the first electron emission source 12. Due to the extremely high electric field, the potential barrier at the tip of the needle-like particles 11 becomes thin, and the electrons at the vacuum level are directly emitted into the space due to the tunnel effect caused by the wave nature of the electrons. This field emission electron is hereinafter referred to as primary electron 40.
[0026]
A DC magnetic field T of 0.35T was generated in the axial direction. Due to the radial electric field generated by the voltage between the cathode and the cathode, and a DC magnetic field T in the axial direction, a part of the primary electrons 40 from the cathode moves in a cyclotron manner and enters the second electron emission source 15, and the second electron emission source 15 15 emitted secondary emission electrons. This secondary emission electron is hereinafter referred to as secondary electron 41. Further, the secondary electrons 41 re-enter the second electron emission source 15 and the secondary electrons 41 increase in an avalanche manner. When a current of 50 mA flows between the positive and negative electrodes, a microwave of 200 W maximum at 2.45 GHz is generated. Oscillation was confirmed.
[0027]
FIG. 4 is an axial sectional view showing a configuration of a main part of a magnetron according to a second embodiment of the present invention. FIG. 5 is an enlarged view of a main part of the second embodiment of the present invention. FIG. 4 is an enlarged view of a main part of an oxide film of a second electrode according to a second embodiment.
[0028]
In the figure, a second electrode 131 serving as a second electron emission source is formed in a cylindrical shape, and is arranged inside a first electrode 10 serving as a first electron emission source. When the second electrode 131 was made of a porous impregnated metal, the abnormal discharge rate was reduced, and the life was extended by about 10% as compared with the spiral shape shown in the first embodiment. Similarly, it goes without saying that a ceramic material, which is said to emit many secondary electrons when electrons collide, may be used for the second electrode.
[0029]
Next, a magnetron using the magnetron cathode according to the second embodiment will be described.
[0030]
A magnetron anode composed of a first electron emission source 12 to which a zinc oxide whisker 111 of the first electrode 10 is fixed and a second electron emission source 15 to which an oxide film 14 having a high secondary emission gain is fixed. And a cathode, a voltage of 6.0 kV was applied to generate an electric field in the radial direction, and a DC magnetic field of 0.35 T in the axial direction. Due to the electric field, a field emission current of maximum 10 mA was emitted from the surface of the zinc oxide whisker 111 of the cathode. With this current, the output of a microwave of 40 W at a maximum of 2.45 GHz was confirmed.
[0031]
【The invention's effect】
The present invention is implemented in the form described above, and has the following effects.
[0032]
After electrons emitted from the needle-shaped particles are emitted to the working space as primary electrons, the electrons move in a cyclotron by an axial DC magnetic field and re-enter the cathode. Secondary electrons are emitted from the material film into the working space. Since the secondary electrons re-enter the oxide film again, the total amount of electrons emitted from the cathode to the working space increases like an avalanche, and sufficient electron emission for oscillation can be obtained.
[0033]
Further, since it is not necessary to heat the cathode in order to emit electrons from the cathode, the power supply for the heater is omitted, and the power supply for the magnetron is simplified.
[0034]
Since the operating temperature of the cathode of the present invention is lower than that of a cathode made of a filament, a cheaper metal (nickel, iron, etc.) is used as compared with expensive refractory metals such as tungsten and molybdenum which have been conventionally used for parts around the cathode. , Stainless steel, etc.).
[0035]
Since the field emission electrons emitted from the cathode of the present invention have a narrow energy band and a small thermal disturbance, there are many effects such as a reduction in noise during magnetron operation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an axial sectional view showing a configuration of a main part of a magnetron according to a first embodiment of the present invention; FIG. 2 is an enlarged view of a main part of the first embodiment according to the present invention; FIG. FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view in the axial direction showing a main part configuration according to a second embodiment of the present invention. FIG. 5 is an enlarged main part view of a second embodiment according to the present invention. FIG. 6 is an enlarged view of a main part of a second electrode according to a second embodiment. FIG. 7 is a partial sectional view of a conventional magnetron. FIG. 8 is an enlarged view of a main part of a conventional magnetron.
10, 11, 12, 111 First electron emission source 13, 14, 15, 131 Second electron emission source 16 End hat 17 Cathode unit 40 Primary electron 41 Secondary electron
