JP2005353332A

JP2005353332A - マグネトロン

Info

Publication number: JP2005353332A
Application number: JP2004170671A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Obata; 英幸小畑
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2004-06-09
Filing date: 2004-06-09
Publication date: 2005-12-22

Abstract

【課題】大掛かりな放熱構造を設けることなく、マグネトロンの温度変化に対しても、安定した発振特性を維持することができる構造のマグネトロンを提供する。
【解決手段】円筒状のアノード１の中心部にアノード１の軸方向に沿ってカソード２が設けられ、カソード２とアノード１との間に形成される作用空間１４にカソード２とほぼ平行な磁界を印加し得るように、一端部３ａが所定のギャップで対向するように一対のポールピース３が設けられている。一対のポールピース３のそれぞれの他端部３ｂ側はマグネット４およびヨーク５を介して直列に接続され、ギャップを含む磁気回路が形成されている。この磁気回路に並列に整磁鋼６が設けられ、アノード１で発生する熱がマグネット４に伝導する熱伝導より、整磁鋼６に伝導する熱伝導を大きくしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波を発振するマグネット内蔵型のマグネトロンに関する。さらに詳しくは、温度上昇によるマグネットの磁束密度の低下に対しても、特性変化を軽減できる構造のマグネトロンに関する。

従来のマグネット内蔵型のマグネトロンは、図７に断面説明図が示されるような構造になっている。すなわち、円筒状のアノードシェル１１の内周壁に中心に向かって放射状に延びるベーン１２が複数個設けられ、そのベーン１２間に共振空胴を形成したアノード１と、ベーン１２の先端部で囲まれた空間にカソード２が設けられている。ベーン１２には、１枚おきに電気的に接続する金属からなるストラップ１３が設けられ、ベーン１２により囲まれる共振空胴の位相をπラジアンずつ異ならせ、πモードで発振しやすくされている。３は、一対（１組）のポールピースで、マグネット４の磁界を磁性体からなるヨーク５を介して、ベーン１２の先端とカソード２との間の作用空間１４にカソード２とほぼ平行に印加し得るように、その一端部側を所定のギャップで対向させて設けられている。その結果、一対のポールピース３のギャップを含む磁気回路がマグネット４を挟んで形成されている。なお、マグネット４は、図７に示される棒状のものではなく、円柱またはドーナッツ状の形状にして直接ポールピース３の少なくとも一方の他端部側に接触させて設けられる場合もある。

この構造で真空封止された後に、アノード１とカソード２との間に陽極電圧が、一対のポールピース３間のギャップに所定の磁界が、それぞれ印加されると、カソード２から引き出される電子は、印加される磁界によりその進行方向を変えられ、カソード２の周りを周回する運動をする。このときの電界は陽極電圧Ｖａ（Ｖ）として与えられ、その磁束密度Ｂ（作用空間の磁束密度：Ｔ）との関係は、次式（１）のように示される。
Ｖａ＝９４２（ｒ_a ²−ｒ_c ²）（１０^４・Ｂ−１０６５０／ｎλ）／ｎλ （１）
ここで、ｒ_aはアノード半径（ベーン先端部の内接円の半径；ｃｍ）、ｒ_cはカソード半径（ｃｍ）、ｎは分割数（ベーンの数）／２、λは発振波長（ｃｍ）である。

マグネトロンの発振効率は、通常４０〜７０％であり、入力電力に対してマイクロ波電力に変換されない分の大半は、アノード１で熱となり、エネルギー消費がなされる。このため、アノード１が昇温することになる。その温度は、周囲温度の上昇の影響も受け、１００〜１２０℃に到達する。その昇温による熱が伝わり、マグネット４が昇温すると、通常は磁束密度が低下することになる。磁束密度の温度係数は、表１に示されるように、材料によって異なるが、いずれの材料でも、温度が上昇すると磁束密度が減少する。

このように、磁束密度が低下すると、前述の磁束密度と陽極電圧との関係から明らかなように、マグネトロンの特性に対する影響は非常に大きいものとなる。すなわち、作用空間の磁束密度Ｂが変化すると、発振が行われる陽極電圧Ｖａが変化することになる。したがって、温度の変化によりマグネットの磁束密度が低下すると、マグネトロンの動作点が変化することになり、従来の陽極電圧Ｖａを加えたままだと、陽極電流が多く流れ、正常な発振を行うことができず、特性が低下する（たとえば特許文献１参照）。
特開２００１−２４３８８７号公報（段落０００７）

前述のようなマグネットを内蔵するマグネトロンでは、マグネットがアノードの近傍にあるため、アノードからの熱伝導により温度が上昇しやすい。しかし、前述のように、マグネットの温度が上昇するとその磁束密度が低下し、陽極電圧と磁束との関係式からはずれて陽極電流が大きくなるように動作点が変化する。その結果、異常な陽極電流が流れて発振出力が変動したり、本来の最適化された動作点からはずれることにより、スペクトラムが乱れ、または帯域幅が広がったり、プッシングの特性から周波数が変動したりするなどの問題が生じる。これらの問題を解決するためには、放熱構造を大掛かりにしてマグネットの温度が上昇しないようにする必要があり、コストが非常に増大するという問題がある。なお、前述の特許文献１では、ポールピースのテーパ部の厚さと作用空間中心の磁束密度との関係を一定の範囲に制御することが開示されている。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、大掛かりな放熱構造を設けることなく、マグネトロンの温度変化に対しても、安定した発振特性を維持することができる構造のマグネトロンを提供することを目的とする。

本発明によるマグネトロンは、円筒状のアノードシェル内周側に複数個に分割された共振空胴が形成されるアノードと、該アノードの中心部に前記アノードシェルの軸方向に沿って設けられるカソードと、該カソードと前記アノードとの間に形成される作用空間に前記カソードとほぼ平行な磁界を印加し得るように、前記アノードシェルの両端部側に一端部がそれぞれ所定のギャップで対向するように設けられる一対のポールピースと、該一対のポールピースの他端部側に接続されるマグネットと、該マグネットおよび前記ギャップを含む磁気回路を構成するように接続されるヨークと、前記マグネットに並列に接続される整磁鋼とを有することを特徴とする。

具体的には、前記整磁鋼が、前記アノードシェルの外周に接触して設けられる、前記ポールピースより熱伝導率の大きい部材に接触して設けられたり、前記アノードを構成する部分の一部に直接接触して設けられたりすることにより、アノードの温度変化による整磁鋼の温度変化を大きくすることができる。

本発明によれば、マグネットに並列に整磁鋼が接続されている。整磁鋼は、温度が上昇すると急激に磁束密度を低下させる特性を有しているので、磁気回路の一部に岐路として使用されることにより、温度上昇に伴う磁気回路の磁束変化を補償する材料として知られている。しかし、温度係数の大きいマグネットを用いるマグネトロンにこれを使用するとマグネトロンの重量の１０％以上に当たる非常に多くの整磁鋼を使用しなければならず、大型化し、重量も重くなると共に取付け場所も制約されることから実用化されていない。しかし、本発明では、この整磁鋼にアノードで発生する温度を効率よく伝達させることにより、マグネットより整磁鋼の温度が高くなるように整磁鋼が設けられているため、マグネットの量の５％程度と少ない量で、温度変化による磁束密度の変化が顕著となり、マグネットの温度変化による磁束密度の変化を充分に補償することができる。その結果、大掛かりな放熱構造や大量の整磁鋼を設けることなく、非常に安価な構造でマグネトロン動作時の温度変化による特性の低下を抑制することができる。

つぎに、図面を参照しながら本発明のマグネトロンについて説明をする。本発明によるマグネトロンは、図１にその一実施形態の断面説明図が示されるように、円筒状のアノードシェル１１の内周側に複数個に分割された共振空胴が形成されるアノード１の中心部にアノードシェル１１の軸方向に沿ってカソード２が設けられ、カソード２とアノード１との間に形成される作用空間１４にカソード２とほぼ平行な磁界を印加し得るように、アノードシェル１１の両端部側に一端部３ａがそれぞれ所定のギャップで対向するように一対のポールピース３が設けられ、その一対のポールピース３のそれぞれの他端部３ｂ側がマグネット４およびヨーク５を介して直列に接続されることにより、作用空間１４に形成される所定のギャップを含む磁気回路が形成されている。この磁気回路にマグネット４に対して並列に整磁鋼６が設けられ、アノード１で発生する熱がマグネット４に伝導する熱伝導より、整磁鋼６に伝導する熱伝導を大きくすることにより、整磁鋼６の温度がマグネット４の温度より高くなるように整磁鋼６が設けられている。

マグネトロンの基本的な構成は通常のマグネトロンの構成と同じであるが、たとえば図１に縦断面の説明図が示されるように、たとえば無酸素銅などからなる円筒状のアノードシェル１１の内周壁に、一端部が固着され、その一端部と対向する先端部がアノードシェル１１の中心に向かって放射状に延びるように、複数個のベーン（アノード片）１２が設けられることにより隣接するベーン１２間に共振空胴が複数個形成され、この複数個の共振空胴の全体でアノード共振空胴が形成されることによりアノード１を構成しており、そのアノードシェル１１の中心部に軸方向に沿ってカソード２が設けられている。このベーン１２を１個おきに連結するストラップ１３が設けられている。そして、ベーン１２の先端部とカソード２とが対向する作用空間１４にカソ−ド２とほぼ平行な磁界を印加し得るように、一対（１組）の鉄などからなるポールピース３が設けられている。カソード２から放出される電子は、作用空間１４に印加される電磁界により曲げられ、周回することによりエネルギーを空胴に与え、発振するように形成されている。

この作用空間１４に印加する磁界は、電磁石によりポールピース３を介して印加することもできるが、本発明では永久磁石（本明細書ではマグネット４という）を用い、ヨーク５を介してポールピース３、作用空間１４（ギャップ）、ポールピース３、ヨーク５からマグネット４に戻るループを形成する磁気回路を構成している。マグネット４としては、保持力や最大エネルギー積の大きいものが小型で大きな磁力が得られるため好ましく、一般的には希土類磁石、フェライト磁石などが用いられる。しかし、前述のように、希土類磁石などは負の温度係数が大きく、温度が上昇するとその磁束密度が減少するという問題を有している。図１に示される例は、マグネトロン本体と離れたところにマグネット４が配置され、そのマグネット４とポールピース３との間がヨーク５で接続されているが、後述する図３〜４に示される例のように、マグネット４を直接ポールピース３と接触させて配置することもできる。ヨーク５は、磁束をできるだけ減衰させることなく伝達する磁路を構成するもので、鉄などの強磁性体により形成されている。

整磁鋼６は、磁気回路に使用する磁性材料の磁気的性質の温度変化を補償するもので、たとえばＦｅ-Ｎｉ合金などからなり、Ｎｉの量により磁性を無くするキュリー温度を調整することができ、使用する温度に応じた温度特性が得られるように調整される。このＮｉの量を変えた材料の温度変化に対する磁束密度の変化の３種類の例を図６に示すように、温度の上昇と共に急激に磁束密度が低下（磁気抵抗が増大）する。このような整磁鋼６を磁気回路の温度補償に用いる場合、前述のキュリー温度の調整のみならず、整磁鋼材料の使用量も適合させる必要がある。すなわち、一般にマグネットの温度上昇による磁束密度の低下を補償するためには、マグネットの温度係数をＸｍ、マグネットの磁束密度をＢｍ、マグネットの使用量をＶｍ、マグネットの温度をＴｍ、整磁鋼の温度係数をＸｓ、整磁鋼の磁束密度をＢｓ、整磁鋼の使用量をＶｓ、整磁鋼の温度をＴｓとすると、整磁鋼の必要量Ｖｓは次式（２）を満たす必要があることが知られている。

Ｖｓ＝Ｘｍ・Ｂｍ・Ｖｍ・Ｔｍ／Ｘｓ・Ｂｓ・Ｔｓ（２）
したがって、マグネットに温度係数Ｘｍの大きいものを使用すると、整磁鋼６の量Ｖｓを多くしなければならない。整磁鋼６の温度係数Ｘｓは、１.２５％／℃程度であり、希土類磁石の温度係数は、前述の通り、−０.０８〜−０.１２％／℃程度である。本来マグネット４は、アノード１近傍にあるから、昇温が大きく、整磁鋼６の２倍の昇温とし、また完全に昇温による磁束密度変化を補償すると、Ｂｍ＝Ｂｓとなる。これを上述の式（２）に当てはめると、整磁鋼６の必要量Ｖｓは、マグネット４の０.１６倍（１６％）となる。マグネトロンの全重量の６０〜７０％はマグネット４の重量であり、この１６％の重量増加は、マグネトロンの重量、整磁鋼の配置場所およびコストの面から実用的ではなく、前述のように実用化されていない。しかし、本発明者は、アノード１から整磁鋼６への熱伝導をマグネット４への熱伝導より良くして、整磁鋼６の温度Ｔｓをマグネット４の温度Ｔｍより高くすることにより、上述の式（２）の関係から、整磁鋼６の量Ｖｓが小さくても温度補償をすることができることを見出して本発明を完成した。

すなわち、本発明では、マグネット４と並列に挿入される整磁鋼６が、アノード１の熱を効率よく整磁鋼６に伝達させてマグネット４の温度より整磁鋼６の温度が高くなるように整磁鋼６が設けられていることに特徴がある。図１に示される例では、アノードシェル１１の外壁に接触させた熱伝導板７を介して整磁鋼６が設けられている。熱伝導板７は、たとえば銅またはアルミニウムなどの熱伝導率の大きい材料で形成されている。さらに、この熱伝導板７は、アノードシェル１１の熱を整磁鋼６に良好に伝達することを目的としているため、アノードシェル１１および整磁鋼６と広い面積で接触することが必要であり、アノードシェル１１との接触側はアノードシェル１１の外形に合せた形状に、整磁鋼６との接触側は整磁鋼６の外形と合せた形状にそれぞれ形成され、ロウ付けやハンダ付け、ヒートシンク材などにより接触されている。この整磁鋼６は、後述するように、熱伝導板７を介さないで、直接アノード１またはその構成部品に接触させる構造にしてもよい。この場合、たとえばアノードシェル１１と接触させるには、アノードシェル１１は円筒形状であるため、その外周壁は凸型の円弧面になっているため、整磁鋼６の外形を凹型の円弧面に形成する。

つぎに、本発明のマグネトロンによれば、少ない量の整磁鋼６を用いて、温度上昇した場合でも磁束密度を補償することができる理由について説明をする。図１に示される構造のマグネトロンの磁気回路を等価回路図で書くと、図２に示されるようになる。すなわち、作用空間１４のギャップによる磁気抵抗をＲｉ、ポールピース３の磁気抵抗をＲｐｐ、ヨーク５の磁気抵抗をＲｙ、整磁鋼６の磁気抵抗をＲｓとすると、マグネット４（磁石）の両端に、Ｒｙと、Ｒｐｐと、Ｒｉとで磁気回路が形成され、Ｒｓが磁石と並列に挿入された回路となっている。

前述のように、整磁鋼６は、熱伝導率の優れた無酸素銅からなるアノードシェル１１に熱伝導率の良好な熱伝導板７（銅の０℃における熱伝導率４０３［Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1］）を介して接続されているため、アノード１で発生する熱は、非常に小さい熱抵抗を経て整磁鋼６に達する。そのため、整磁鋼６はアノード１の温度が上昇すると直ちに温度が上昇すると共に、アノード１の温度とほぼ同じ温度である１００〜１２０℃程度の高い温度になる。一方、アノード１で発生する熱は、ポールピース３およびヨーク５を介してマグネット４に達する。ポールピース３およびヨーク５は、共に鉄などの強磁性体により形成されており、その熱伝導率は、０℃で８３.５［Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1］程度で、銅の場合の１／５程度となる。そのため、熱抵抗も大きく温度の上昇も６０〜８０℃程度で飽和する。すなわち、本発明による整磁鋼６の設け方をすることにより、整磁鋼６の温度をマグネット４の温度よりも高くすることができ、マグネットの量の４.８％程度の量で、式（２）を満たすことができた。従って、マグネトロン全体の重量に対する整磁鋼６を備えたことによる重量の増加は、３.４％程度にとどまった。

一方、整磁鋼６は、前述の図６に示されるように、熱による磁気抵抗の増大が大きい材料であり、温度が高くなることにより、その磁気抵抗が増大する。したがって、温度が上昇すると、前述の図２に示される等価回路図で、Ｒｓが急速に大きくなるが、Ｒｙ、Ｒｐｐ、Ｒｉは温度が上昇しても殆ど変化しない。そのため、温度が上昇するとマグネット４から発せられる磁束密度が小さくなっても、Ｒｉ側が増加することになる。すなわち、温度が上昇して、マグネット４の磁束密度が低下しても、整磁鋼６に流れる磁束が低下して作用空間のギャップに向かう磁束を殆ど変わらなくすることができ、マグネット４の温度による磁束密度の変化を補償することができる。

図３（ａ）は、マグネット４ａ、４ｂを２個ポールピース３に接触させて設けた例である。すなわち、１組のポールピース３の他端部側にそれぞれ直接マグネット４ａ、４ｂが設けられ、マグネット４ａ、４ｂのポールピース３と反対側にヨーク５が接続され、作用空間１４（ギャップ）を含む磁気回路を形成している。この磁気回路の等価回路は図３（ｂ）に示されるように、マグネット４ｂと並列になるように整磁鋼６が取付けられている。この場合、並列回路となっていない側のマグネット４ａに対しては、温度補償がないことになるが、従来構造の補償効果がないものに比べれば、全体としての補償動作の効果は実用上十分な特性を得ることができる。もちろん、マグネットがいずれか一方のみに１個設けられる場合でも同様である。

この例の場合、マグネット４ａ、４ｂがポールピース３に直接接触して設けられているため、ヨーク５の熱伝導を経ることなく熱が伝わり、図１に示される例よりも温度が高くなる。しかし、整磁鋼６の温度よりは遥かに低い温度になる。

図４（ａ）は、さらに他の実施例を示す図である。すなわち、この例は整磁鋼を２個にして、それぞれの整磁鋼６ａ、６ｂをポールピース３とヨーク５との間に接続したものである。この場合の磁気回路の等価回路は、図４（ｂ）に示されるようになり、整磁鋼６ａは、マグネット４ａに対して並列に挿入されている。従って、マグネット本来の磁束密度をショートし、低下させていることになる。通常、マグネトロンが昇温し、マグネットの磁束密度が低下すると特性が劣化してしまうが、図４（ａ）に示す構成のマグネトロンでは、昇温と共に整磁鋼６ａ、６ｂの磁気抵抗が急激に増大し、ショート量が減少する。そのため、磁石４ａ、４ｂの磁力が最大限Ｒｉに伝わり、磁束密度を殆ど一定に保つことができる。この場合も図３に示される例と同様に、マグネット４ａ、４ｂの温度は図１に示される例よりも高くなるが、ポールピース３の熱抵抗によりアノード温度より低くなる一方、整磁鋼６ａ、６ｂの温度は、アノード温度とほぼ同じ温度となり、ギャップでの磁束密度の変化を小さくすることができる。また、マグネットが１個の場合でも整磁鋼も１個になるが同様に調整することができる。

前述の各例では、アノード１からの熱伝導を行う熱伝導板７を介在させて整磁鋼６を設ける例であるが、アノードシェル１１などのアノード１に直接接続させたり、予めアノード１に放熱や固定などのために部品が取り付けられている場合、これらのアノード１を構成する部品に接触させたりすることにより整磁鋼６が設けられてもよい。通常、マグネトロンのポールピース３付近の磁界に影響が出るとマグネトロンの発振特性を劣化させるため、整磁鋼６は作用空間１４から離して距離を得るように配置する必要があるが、アノードシェル１１の肉厚が５ｍｍ程度以上と厚い場合などには、自ずと距離を得ることが可能であり、また、相対的に作用空間１４の磁束密度が大きい場合などには、整磁鋼６によりポールピース３付近の磁界分布を乱すことはなく、直接アノード１またはその構成部品に整磁鋼６を取り付けることができる。アノードシェル１１など、アノード１の構成部品は通常銅を主とした材質により製作されるため、非磁性体で磁界分布には何ら影響しないと共に、熱伝導率は非常に高く、しかも整磁鋼６への熱伝導は直接となり、本発明の効果を大きく発揮する。

図５は、図１に示される構造のマグネトロンの温度に対する出力特性Ａを従来の図７に示される構造のマグネトロンの出力特性Ｂと対比して示した図である。従来のマグネトロンでは、アノード温度（アノードシェル外周壁の温度）が１２０℃まで昇温すると、出力が９３％まで低下し、図示されていないが、陽極電圧は５〜８％程度低下したのに対して、本発明のマグネトロンでは、同じ温度変化で出力は９８％程度の低下で収まり、そのときの陽極電圧の低下も２％程度に止まった。これは、従来構造のマグネトロンでは、アノードの温度上昇と共にマグネットの温度も同時に昇温して、磁束密度が急速に低下し、作用空間における一対のポールピース間のギャップにおける磁束密度もそのまま低下するのに対して、本発明では、マグネットの昇温により磁束密度が低下しても、整磁鋼がそれ以上に昇温して磁気抵抗が増大し、整磁鋼と並列回路になっている作用空間でのギャップにおける磁束密度を相対的に大きくするため、一対のポールピース間のギャップにおける磁束密度が殆ど下がらないことに基づいている。

本発明によるマグネトロンの一実施形態を説明する図である。図１に示されるマグネトロンの磁気回路の等価回路図である。本発明によるマグネトロンの他の実施形態を説明する図である。本発明によるマグネトロンのさらに他の実施形態を説明する図である。図１に示される構造のマグネトロンで、アノード温度が変化したときの出力特性Ａを、従来構造のマグネトロンの出力特性Ｂと対比して示した図である。整磁鋼の温度変化に対する磁束密度の変化を示した図である。従来のマグネトロンの構成説明図である。

符号の説明

１アノード
２カソード
３ポールピース
４マグネット
５ヨーク
６整磁鋼
７熱伝導板
１１アノードシェル
１４作用空間

Claims

円筒状のアノードシェル内周側に複数個に分割された共振空胴が形成されるアノードと、該アノードの中心部に前記アノードシェルの軸方向に沿って設けられるカソードと、該カソードと前記アノードとの間に形成される作用空間に前記カソードとほぼ平行な磁界を印加し得るように、前記アノードシェルの両端部側に一端部がそれぞれ所定のギャップで対向するように設けられる一対のポールピースと、該一対のポールピースの他端部側に接続されるマグネットと、該マグネットおよび前記ギャップを含む磁気回路を構成するように接続されるヨークと、前記マグネットに並列に接続される整磁鋼とを有することを特徴とするマグネトロン。
前記整磁鋼が、前記アノードシェルの外周に接触して設けられる、前記ポールピースより熱伝導率の大きい部材に接触して設けられてなる請求項１記載のマグネトロン。
前記整磁鋼が、前記アノードを構成する部分の一部に直接接触して設けられてなる請求項１記載のマグネトロン。