JP2005519448A - 高出力の多段式デプレッション型コレクタ - Google Patents

Abstract

リニア電子ビーム装置に用いるコレクタアセンブリを開示した。このコレクタアセンブリは、小型進行波管などにおける高温で高出力状態での連続動作を可能にする分割型のセラミック製コア部材を備えている。より詳しくは、このコレクタアセンブリは、高温のコア部材からの熱伝達効率を高めることができ、しかも、熱サイクルに起因してコレクタアセンブリの構成部品に作用する応力を軽減するこができる。このコレクタアセンブリは、このコレクタアセンブリの真空室の内壁面を画成する円筒形キャビティが形成されたヒートシンクと、この円筒形キャビティの中に配設された分割型の円筒形のセラミック製絶縁体と、このセラミック製絶縁体の中に配設されてセラミック製絶縁体に接触している電極構造体とを備えている。セラミック製絶縁体は、個々に分離した複数の分割部材から成り、隣り合う分割部材の間には隙間が確保されている。セラミック製絶縁体の外周面に、ヒートシンクから離隔させるための絶縁離隔部として機能する溝部を形成するようにしてもよい。電極構造体は、ロウ付けやはんだ付けなどによってセラミック製絶縁体に固定しないものとすることが好ましい。電極構造体の構成部品のうちの第２段電極部材は、プローブ部を備えず、中心円錐形凹部を備えたものとすることが好ましく、この中心円錐形凹部のアスペクト比は１以上とするのがよい。本発明の１つの具体例では、コレクタアセンブリのヒートシンクと第２段電極部材とをいずれもモリブデン製とし、セラミック製絶縁体を酸化ベリリウム、窒化アルミニウム、またはアルミナ製としている。本発明の別の１つの具体例では、ヒートシンクと第２段電極部材とをいずれも銅製とし、セラミック製絶縁体を窒化アルミニウム製としている。

Description

本発明は、リニア電子ビーム装置において、高周波信号の発生ないし増幅に利用された後の電子ビーム中の電子を回収するコレクタアセンブリに関する。より詳しくは、本発明は、例えば航空宇宙関連用途などにおいて高温環境下で使用される小型進行波管に用いるのに適した、多段式デプレッション型コレクタ及びその取付構造に関する。

進行波管などのリニア電子ビーム装置は、高周波信号の発生ないし増幅などに使用されている公知の装置である。リニア電子ビーム装置においては、陰極及び陽極を備えた電子銃によって、直線状の電子ビームを発生させる。この略々円筒形のビーム形状を有する電子ビームは相互作用部を通過し、その際に、その相互作用部において、電子ビームのエネルギの一部が電磁波信号に変換される。相互作用部を通過して、高周波信号の発生ないし増幅に利用された後の電子ビーム中の電子は、コレクタアセンブリ（コレクタ構造体）の中へ入射する。コレクタアセンブリは、入射してくる電子を減速させて捕捉することにより、それら電子の残余エネルギの一部を再生利用できるようにするためのものである。コレクタアセンブリの中には、複数の電極が配設されており、それら電極を利用して、高周波信号の発生ないし増幅に利用された後の電子を、それら電子の残余エネルギを略々そのままに回収することができ、それによって、リニア電子ビーム装置の電源へエネルギを回帰させることを可能にしている。従って、コレクタアセンブリは、進行波管などのリニア電子ビーム装置の全体としての、ＤＣ電力からＲＦ電力へのエネルギ変換効率を高めるものである。コレクタアセンブリへ入射した電子ビームのエネルギのうち、回収されなかった分のエネルギは、コレクタアセンブリの内部で熱に変わる。そのため、コレクタアセンブリが過熱することがないように、その熱をコレクタアセンブリから搬出して、ヒートシンクなどの適当なデバイスを介して外部環境中へ放散する必要がある。

一般的に、コレクタアセンブリ（コレクタ構造体）は、その中心に電極構造体を備えており、この電極構造体は、例えばセラミック材料などの耐熱性及び絶縁性を備えた材料から成るコア部材によって支持されている。そして、セラミック製絶縁体であるそのコア部材を、金属製のシリンダないしスリーブから成るアウタハウジングの中に収容し、更にそのアウタハウジングを、比較的大きな部材であるヒートシンクの中に嵌装している。コア部材は、電極構造体をグラウンドから絶縁する機能を果たし、また、電極構造体の各段の電極に印加する電圧を互いに絶縁する機能を果たすものである。また一方で、セラミック製絶縁体であるコア部材は、排出すべき熱を電極構造体からアウタハウジングへ伝達する機能も果たしており、それによって、その熱がアウタハウジングからヒートシンクへ伝達して行けるようにしている。また、アウタハウジングは、リニア電子ビーム装置の真空室画成壁としての機能を果たしている。

以上に説明した基本的な構造のコレクタアセンブリは、二段式デプレッション型コレクタ、或いは、多段式デプレッション型コレクタと呼ばれているものである。高周波信号の発生ないし増幅に利用された後の電子ビーム中の電子のエネルギは、通常、ある程度の幅を有するエネルギスペクトル領域に亘って分布している。そのエネルギスペクトル領域内のエネルギレベルの最も低い領域部分に存在する電子は、コレクタアセンブリの複数の電極のうち、デプレッションの最も小さい電極である第１段電極によって回収され、また、エネルギレベルがそれより高い領域部分に存在する電子は、第２段電極によって、或いは更に、第３段以降の電極によって回収される。電子を回収する電極の出力（パワー密度）は、通常、第２段電極が特に高くなる。そして、高出力であるということは、コレクタアセンブリに大きな熱応力が発生するおそれがあることを意味しており、従って、第２段電極を支持している絶縁体が溶融ないし亀裂を発生して、コレクタアセンブリが故障するおそれがある。例えば、約２００℃以上の高温で動作する進行波管などでは、特に大きな熱応力が発生する。

従来のコレクタアセンブリにおいて多く見られた熱応力の発生原因は、セラミック製コア部材とヒートシンクとで熱膨張率が異なることによるものであった。より詳しくは、ヒートシンクは金属製であるため、セラミック製コア部材よりも膨張率が大きく、従って、コア部材より大きな熱膨張を発生する。その結果、コア部材からヒートシンクへの伝熱性が低下する。コア部材からヒートシンクへの伝熱性が低下すると、動作時のコア部材の温度がより高くなる。そのため、コア部材の内部に配設されている金属製の電極構造体が熱膨張して、セラミック製コア部材に亀裂が入るおそれがあり、場合によっては電極構造体が溶融することさえあった。理論上は、コレクタアセンブリの全体を、予測される動作温度下において組立てを行うものとして構成しておけば、このような問題は緩和されるはずである。しかしながら、コレクタアセンブリの全体を高温環境下で組立てることは、実際には不可能である。更に、もし仮に、コレクタアセンブリの構成部品を動作温度下において互いに組付けて、組立てることが可能であったとしても、予測される動作温度領域の上下に温度が変動することによって反復応力にさらされることは、避けられない。

以上に説明したものとはまた別の型式のコレクタアセンブリが、米国特許第6,320,315号公報に開示されている。同米国特許公報のコレクタアセンブリは、ヒートシンクとは熱膨張率が異なる材料で製作したスリーブを使用している。コレクタアセンブリが高温の動作温度にあるときには、このスリーブはヒートシンクに密着している。また、コレクタアセンブリの温度が室温のときには、コア部材とスリーブとの間に小さな隙間が存在しており、一方、コレクタアセンブリが高温の動作温度にあるときには、コア部材とスリーブとが密着しているようにしてある。電極構造体は従来の一般的な構成のものである。また、ヒートシンクは銅製またはアルミニウム製とし、スリーブはモリブデン製とし、コア部材はセラミック製としている。このコレクタアセンブリを組立てる際には、ヒートシンクを動作温度以上の高温に加熱して、その中にスリーブを嵌装する。そして、ヒートシンク及びスリーブが室温にまで冷えてから、スリーブの中にセラミック製コア部材を嵌装するようにしている。この構成は、それなりに有用であり、また利点をもたらすものではあるものの、更にコストを低減し、性能を向上させることが望まれている。
米国特許第6,320,315号公報

従って、小型進行波管などにおける高温で高出力状態での連続動作を可能にするセラミック製コア部材を備えたコレクタアセンブリを提供することが望まれている。より詳しくは、高温のコア部材からの熱伝達効率を高めることができ、しかも、熱サイクルに起因してコレクタアセンブリの構成部品に作用する応力を軽減することのできるコレクタアセンブリが求められている。更には、第２段電極上のパワー密度の集中を回避することも望まれている。更に、かかるコレクタアセンブリを、製作コストが低廉なものとすることも望まれている。

本発明は、新規にして革新的な構成によって、従来のコレクタアセンブリに付随していた数々の制約を解消した、リニア電子ビーム装置に用いる新規なコレクタアセンブリ（コレクタ構造体）を提供するものである。このコレクタアセンブリは、真空室を画成するキャビティを備えたヒートシンクと、このキャビティの中に配設された分割型のセラミック製絶縁体と、このセラミック製絶縁体の中に配設された電極構造体とを備えている。

本発明に係るコレクタアセンブリにおけるセラミック製絶縁体（コア部材）は、２つ以上（例えば３つ）の分割部材から成る分割型のものであり、それら分割部材の形状は、軸心を中心とした対称形状とすることが好ましく、それら分割部材は、互いに組み合わさることで、コレクタアセンブリの電極構造体を囲繞するようにしたものである。セラミック製部材であるそれら分割部材は、隣り合う分割部材の側縁部どうしが突き合わさるようにして、その突き合わせ部に溝部を形成することが好ましく、そうすることによって、電極構造体を絶縁すると同時に、動作温度領域の全域においてセラミック材料内の電界の集中を緩和することができる。従って、分割部材の突き合わせ部に形成する溝部は、信頼性の高い、高電圧に耐え得る、絶縁離隔手段として機能するものである。セラミック製絶縁体の個々の分割部材は、互いに固定しないようにするのがよい。セラミック製絶縁体とヒートシンクとの間にスリーブを配設する必要はなく、ヒートシンクに形成したキャビティの中に、セラミック製絶縁体を直接嵌装するようにすることが好ましい。

本発明の１つの具体例では、第２段電極をモリブデン製としている。このモリブデン製の第２段電極の形状は、プローブ部を備えず、正面側から背面側へ向かって次第に縮径するテーパ付き凹部（円錐形凹部）を備えた形状とすることが好ましく、そうすることによって、コレクタアセンブリ内におけるパワー密度の集中を緩和して、熱エネルギの放散を良好に行わせることが可能になる。第１段電極の材料には銅などを使用することができ、その形状は従来の第１段電極の形状と同様とすればよい。

ヒートシンクの材料は銅やアルミニウムとするのが従来一般的であったが、本発明におけるヒートシンクは、モリブデン製とすることができる。また、ヒートシンクが、コレクタアセンブリの真空室画成部材としての役割を果たすようにするとよい。モリブデンは、耐熱性に優れ、熱膨張率が小さく、熱伝導率が大きく、しかも、高温における蒸気圧が小さいため、ヒートシンクの材料として特に好ましいものである。ヒートシンクの表面形状は、丸みを帯びた空冷用表面の表面形状や完成したコレクタアセンブリの表面形状に合わせた形状とするのがよく、そうすることによって、余計な熱伝達面を介在させずに済み、ひいては外部環境に対する熱交換性能を向上させることが可能になる。

特に低コストという点で有利な本発明の別の１つの具体例では、電極構造体の全ての段の電極を銅製とし、更に、ヒートシンクも銅製としている。また、そのコレクタアセンブリが、室温下にあるときにも、動作温度領域内のどの温度にあるときにも、常に、セラミック製絶縁体及び電極構造体が、ヒートシンクによって締め付けられている状態にあるように、ヒートシンク、セラミック製絶縁体、及び電極構造体の寸法を定めてある。この具体例のコレクタアセンブリのその他の部分は、電極構造体及びヒートシンクをモリブデン製とした具体例と同様の構成としてよい。この具体例では、コレクタアセンブリの構成要素の材料として銅を使用しているため、モリブデンを使用している具体例と比べてコストを低減できるという利点が得られる。ただし、高温で高出力の動作を行わせる場合には、銅を材料とすることは理想的とはいいがたい。

本発明は幾つもの利点を提供するものである。先ず、セラミック製絶縁体を分割型のものにしたため、セラミック製絶縁体に作用する熱応力を緩和しつつ、しかも、広範な動作温度領域の全域に亘って、セラミック製絶縁体からヒートシンクへの熱伝達性能を良好に維持することができる。また、電極構造体とヒートシンクとが略々同一の熱膨張率を持つようにした本発明の１つの具体例では、それらに発生する熱膨張量ないし熱収縮量が互いに略々等しいため、それらの間に挟圧されているセラミック製絶縁体に対する圧力が、比較的一定に保たれるという利点が得られる。一方、電極構造体とヒートシンクとで熱膨張率が異なる本発明の別の具体例においては、ヒートシンクの熱膨張率よりも、電極構造体の熱膨張率の方を大きくすることが好ましい。例えば、電極構造体を銅製とし、ヒートシンクをモリブデン製とした場合に、そのようになる。斯かる具体例では、温度が上昇するにつれて、セラミック製絶縁体を挟圧している圧力が増大する。そのため、コレクタアセンブリの温度が上昇するにつれて密着度が向上して、電極構造体とヒートシンクとの間の熱伝達性能が更に良好になるという利点が得られる。

セラミック製絶縁体の寸法は、室温下においても、目標とする動作温度領域の全域においても、セラミック製絶縁体が常に、ヒートシンクと電極構造体との両方に密接した状態にあるような寸法としておくことが好ましい。セラミック製絶縁体の外周面とヒートシンクの内周面との間や、セラミック製絶縁体の内周面と電極構造体の外周面との間に隙間が存在していると、電界の集中という不具合を発生するおそれがある上に、熱伝達性能も損なわれることになるため、それらには隙間が存在しないようにすべきである。

一般的に、セラミック製絶縁体の熱膨張率は、銅やモリブデンなどの金属材料の熱膨張率とは異なっている。従来のコレクタアセンブリの構造では、この熱膨張率の差によって熱応力が発生し、また、動作温度領域内の比較的高い温度にある場合と、比較的低い温度にあるときとで、コレクタアセンブリの熱伝達性能が変化していた。本発明においては、分割型のセラミック製絶縁体を、浮動状態（即ち、非固定状態）とすることで、温度が上昇するにつれて、膨張する電極構造体とヒートシンクとの間に挟圧されているセラミック製絶縁体に対する圧力が増大するようにしている。また、このとき、セラミック製の分割部材に作用する応力は主として圧縮応力であり、一般的にセラミック材料は、圧縮応力に対しては大きな強度を有する。セラミック製絶縁体を分割型のものとしてあるため、セラミック製絶縁体には殆ど、或いは全く引張応力が作用しない。また、動作温度領域の全域において、電極構造体とヒートシンクとの間の伝熱接触状態が良好に維持される。更に、セラミック製絶縁体の分割部材をロウ付けする必要がないため、使用するセラミック材料を広範な選択肢の中から選択することが可能となっている。

本発明の更なる利点として、コレクタアセンブリの組立てが容易であるということがある。本発明に係るコレクタアセンブリは、その構成要素を互いに組付けて組立てる際に、それら構成要素を加熱する必要がない。即ち、先ず、コレクタ電極構造体の複数段の電極を構成する複数の構成部材を互いに組合せ、セラミック製絶縁体の分割部材に組付ける。続いて、その電極構造体とセラミック製絶縁体とから成る半組立体を一括して、室温下において、ヒートシンクの中に嵌装する。続いて、そのコレクタアセンブリの正面側端部と背面側端部とに、夫々にシールフランジ部材をロウ付けする。これによって、コレクタアセンブリは、組付けられた状態に維持されるようになる。尚、背面側のシールフランジ部材は、エンドキャップから成るものである。ヒートシンクによって真空室を画成するようにしているため、組立ての際にロウ付け工程を二度に亘って行う必要はなく、１回のロウ付け工程で、正面側と背面側の２個のシールフランジ部材をヒートシンクに固定するだけでよい。従来の構成とは異なり、電極構造体の複数の構成部材を、ロウ付けなどによってセラミック製コア部材に固定する必要もない。

当業者であれば、以下に示す本発明の好適な実施の形態についての詳細な説明を参照することで、本発明に係るコレクタアセンブリを更に明瞭に理解することができ、また、本発明の更なる利点及び目的にも想到し得るはずである。

本発明が提供する新規なコレクタアセンブリ（コレクタ構造体）は、円筒形のキャビティが形成されたヒートシンクと、このヒートシンクのキャビティの中に配設された分割型のセラミック製絶縁体（このセラミック製絶縁体は、従来のコレクタアセンブリにおけるセラミック製コア部材に代わるものである）と、この分割型のセラミック製絶縁体中に配設された電極構造体とを備えたものである。尚、以下の詳細な説明においては、異なった図に示されていても、互いに対応した部材には、同一の参照符号を使用するようにしている。

図１は、本発明の１つの具体例に係るコレクタアセンブリ２０の端面図である。図１は適当な縮尺で描いたものであり、一般的な航空宇宙用の高出力の小型進行波管におけるコレクタアセンブリの大きさを基準にするならば、図１は拡大図に相当するものである。ただし本発明は、特定の大きさの装置に適用することに限定されるものではない。即ち、本発明は、小型リニア電子ビーム装置に適用するのに特に適したものではあるが、そのような装置に用いられる大きさのコレクタアセンブリばかりでなく、その他の様々な大きさのコレクタアセンブリにも適用し得るものである。

コレクタアセンブリ２０は、３つの主要な構成要素を備えており、それら構成要素は、内側に配設される電極構造体２５、外側に配設されるヒートシンク４０、それに、電極構造体２５とヒートシンク４０との間の中間に配設されるセラミック製絶縁体２２である。図１に示したように、それら３つの構成要素を互いに嵌合させて、互いに同心的に配設した構成としている。従来の多くのリニア電子ビーム装置と同様に、電極構造体２５（図１には、この電極構造体２５の構成部材のうちの第１段電極（正面側電極）２６だけが示されている）と、セラミック製絶縁体２２とは、略々回転体形状に形成されている。ただし本発明は、電極構造体及びセラミック製絶縁体を回転体形状に形成することに限定されるものではない。分割型のセラミック製絶縁体２２が電極構造体２５を囲繞している。かなり大きな部材であるヒートシンク４０がセラミック製絶縁体２２を囲繞している。電極構造体２５へは、電気接続部３６を介して電圧及び電流が供給されている。

セラミック製絶縁体２２と電極構造体２５とは、ヒートシンク４０に形成されている対応した形状のキャビティの中に嵌装されている。このヒートシンク４０のキャビティの内周面と、セラミック製絶縁体２２の外周面とが互いに接触している部分を、正面側真空シール部材３２が覆っており、この真空シール部材３２は、ヒートシンク４０にロウ付けされて固定されている。これによって、真空シール部材３２は、リニア電子ビーム装置（不図示）を密封状態にしている。電気接続部３６は、ヒートシンク４０のキャビティの内部を真空状態に維持できるように構成されている。ヒートシンク４０は、例えば航空宇宙用のラジエータなどのような、更に大きな部品の一部を利用したものとしてもよい。また、ヒートシンク４０の表面４８の形状を、そのような「更に大きな部品」の表面形状に合わせた、その表面形状に調和した形状にするとよく、ここでいう「更に大きな部品」の表面とは、例えば宇宙航空飛行体の機体表面などであって、その機体表面を図１に想像線７０で示した。こうすることによって、ヒートシンク４０の比較的大きな表面が、飛行体の機外の周囲温度にじかにさらされることになるため、熱交換の効率が向上する。

図２は、図１の２−２線に沿ったコレクタアセンブリ２０の断面図である。図２の縮尺は、図１の約２倍の大きさになるようにしてある。真空室画成壁としての役割を果たすヒートシンク４０のキャビティ４６の内周面は、図示したように、セラミック製絶縁体２２の外壁面に接している。コレクタアセンブリ２０の内部の真空状態を維持するために、コレクタアセンブリ２０の背面側を密封する背面側シール部材３４が備えられており、この背面側シール部材３４は、その外周部がヒートシンク４０にロウ付けされて固定されている。セラミック製絶縁体２２は、正面側シール部材３２と背面側シール部材３４とによって、それらの間に位置決めされている。セラミック製絶縁体２２は、コレクタアセンブリ２０のその他の構成部材に対して、ロウ付けやハンダ付けなどで固定しないままにしておくことが好ましく、なぜならば、それによって組立てが容易になり、また、使用するセラミック材料を、より広範な選択肢のうちから選択できるようになるからである。例えば、酸化ベリリウムばかりでなく、それより安価な窒化アルミニウムを使用することも可能になる。ヒートシンク４０は、例えば、むくのブロックから削り出すなどの製作方法を用いて製作することができる。図２の下端近くには、飛行体の機体表面４８の一部が見えている。

セラミック製絶縁体２２の外周面は、ヒートシンク４０に形成されたキャビティ４６の内周面に接触しているようにし、また、セラミック製絶縁体２２の内周面は、電極構造体２５に接触しているようにすることが好ましい。特に、セラミック製絶縁体２２に、第２段電極（背面側電極）２８の外周面が接触しているようにする。このコレクタアセンブリを組立てる際には、先ず、分割型のセラミック製絶縁体２２の構成部材である適当な大きさに形成されている複数の分割部材を、電極構造体２５の周囲に組付ける。このとき、電極構造体２５の構成部材である背面側電極２８及び正面側電極２６が、セラミック製絶縁体２２の内周面に形成されている環状の突条によって、軸心方向に位置決めされる。続いて、互いに組付けたセラミック製絶縁体２２と電極構造体２５とから成る半組立体を、室温下において、ヒートシンク４０のキャビティ４６の中に嵌装する。

セラミック製絶縁体と電極構造体との間の嵌め合い精度と、セラミック製絶縁体とヒートシンクのキャビティとの間の嵌め合い精度とは、いずれも高精度としておくことが望まれる。例えば、ヒートシンクをモリブデン製とした本発明の１つの具体例では、互いに組付けたセラミック製絶縁体と電極構造体とから成る半組立体と、そのヒートシンクのキャビティとの間の嵌め合いを、隙間が非常に小さいＬＣ１隙間嵌めとしている。この部分の嵌め合いは、締り嵌めとしたならば、組立てが困難となるため望ましくない。電極構造体とキャビティ４６の内周面との間の隙間は、また特に、この電極構造体の第２段電極の外周面とキャビティ４６の内周面との間の隙間は、室温下におけるその隙間の大きさが、組立てを容易に行える範囲内でできるだけ小さなものとなるようにすることが好ましい。例えば、図２のコレクタアセンブリにおいて、高圧絶縁破壊に至るおそれのある電界勾配の集中を回避でき、しかも、セラミック製絶縁体による熱伝達が良好に行われるようにするには、この図２のコレクタアセンブリにおけるどの隙間の大きさも、約０．００１６インチ（約０．０４ｍｍ）以下になるようにすることが好ましく、また、０．０００４インチ（約０．０１ｍｍ）以下になるようにすればなお好ましい。コレクタアセンブリが動作を開始したならば、その温度が上昇することにより、そのような小さな隙間はたちまちのうちに消失する。

電極構造体２５を構成する複数の構成部品は、従来公知のものと同様のものである。例えば、図示したコレクタアセンブリ２０では、第１段電極部材２６、バッフル部材２７、第２段電極のノーズ部材２９、及び、第２段電極部材２８を使用している。本発明の１つの具体例では、電極構造体２５の複数の構成部品のうち、第２段電極部材２８だけをモリブデン製とし、その他の構成部品を銅製としている。また、別の１つの具体例では、電極構造体２５の複数の構成部品の全てを銅製としている。更に、本発明は、電極構造体２５の構成部品を銅製またはモリブデン製にしたものに限定されず、その他の適当な材料を使用して電極構造体２５の構成部品を製作したものも、本発明に包含される。例えば、電極構造体の構成部品の製作材料として使用可能な材料には、タングステン、様々な種類のエルコナイト、それにPOCOグラファイト（カーボン）などがあり、更にその他にも使用可能な材料がある。

電極構造体２５の構成部品を銅製とし、ヒートシンク４０も銅製とした本発明の１つの具体例では、銅と比べてセラミックの方が圧縮強度が大きいことを利用して、セラミック製絶縁体と電極構造体とから成る半組立体をヒートシンクの中に嵌装する際に、締り嵌めの方法を採用している。銅製のヒートシンクは、モリブデン製のヒートシンクと比べて、それほど高温にしなくても大きな熱膨張を発生させることができる。電極構造体及びセラミック製絶縁体の寸法は、ヒートシンクのキャビティ４６に対して締り嵌めとなる寸法にしてある。そして、例えばロウ付けのための予備加熱によりヒートシンクを熱した際などに、そのヒートシンクのキャビティ４６の中に、セラミック製絶縁体と電極構造体とから成る半組立体を嵌装するようにしている。その後、端部シール部材３２、３４と電気接続部３６、３７とをロウ付けしてコレクタアセンブリを密封状態とした後に、装置を放冷すればよい。装置が冷却するにつれて、次第にヒートシンク４０が電極構造体２５を締め付け、それによって、セラミック製絶縁体とその内側の電極構造体との間の隙間と、セラミック製絶縁体とその外側のヒートシンクとの間の隙間とが、共に消失する。

電気接続部３６、３７は、必要とされる絶縁機能及び密封機能を提供することのできる従来の一般的な構造のものであり、ロウ付けやハンダ付けなどによってヒートシンク４０に固定すればよい。電気接続部３６は第１段電極部材２６に接続されている。電気接続部３７は第２段電極部材２８に接続されている。また、それら電気接続部３６、３７は、セラミック製絶縁体２２に形成されている開口２３、２３’を夫々に貫通している。電極構造体の電極段数は２段とすることが多いが、ただし２段に限定されるものではなく、任意の電極段数の電極構造体を使用することができる。電気接続部の具体的な構造としては、従来公知の様々な構造を採用することができ、本発明は、特定の構造の電気接続部を使用したものに限定されない。

図３は、セラミック製絶縁体２２の１つの具体例の端面図である。図４は、図３のセラミック製絶縁体２２の断面図である。図示したセラミック製絶縁体２２は分割型のものであり、３個の分割部材２４ａ、２４ｂ、２４ｃから成る。図には、それら３個の分割部材２４ａ〜２４ｃが互いに組合わされて、略々円筒形状の絶縁体を構成した状態を示した。ただし、個々の分割部材２４ａ〜２４ｃは、互いに固定されてはいない。また、それら分割部材は、電極構造体２５を囲繞して、電極構造体２５をヒートシンク４０から絶縁すればよいのであって、分割個数は３個に限られず、任意の個数として構わない。複数の分割部材は互いに略々同一形状とすることができ、例えば、図示した具体例では、３個の分割部材２４ａ〜２４ｃは、それらのうちの分割部材２４ｂだけに電気接続部を貫通させるための孔２３、２３’が形成されていることを除けば、互いに同一形状である。セラミック製絶縁体２２を分割型のものとすることによって、コレクタアセンブリの動作中にセラミック製絶縁体２２に作用する熱応力を緩和することができると共に、セラミック製絶縁体２２を電極構造体に組付けるための、ロウ付けを行わない組付け作業を、より容易なものにすることができる。

個々の分割部材２４ａ〜２４ｃの内周面の半径ｒ_ｉは、電極構造体２５の外周面の半径に合わせてあり、また、個々の分割部材２４ａ〜２４ｃの外周面の半径ｒ_ｏは、ヒートシンク４０のキャビティ４６の内周面の半径に合わせてある。例えば、本発明に係るコレクタアセンブリの１つの具体例においては、半径ｒ_ｉを約０．２３インチ（約５．８ｍｍ）とし、半径ｒ_ｏを約０．３３インチ（約８．４ｍｍ）とし、そして、セラミック製絶縁体２２の長さを約１インチ（約２５ｍｍ）としている。いうまでもないことであるが、コレクタアセンブリの寸法並びにコレクタアセンブリの構成部品の寸法は、本発明の範囲から逸脱することなく様々な寸法に設定し得るものである。既述のごとく、個々の分割部材の内周面の半径ｒ_ｉ及び外周面の半径ｒ_ｏの正確な値は、ヒートシンク４０に対する嵌め合いをどのようにするか（隙間嵌めとするか締り嵌めとするか）によって異なったものとなる。

セラミック製絶縁体２２の壁厚寸法（即ち、ｒ_ｏ−ｒ_ｉ）は、必要とされる絶縁性能の大小に応じて選択され、また、絶縁性能は、電極に印加される電圧と、セラミック製絶縁体２２の材料として使用するセラミック材料の絶縁特性値とに応じて定まるものである。セラミック製絶縁体２２の壁厚寸法を、必要とされる絶縁性能を得るための最小限度の厚さ以上にすることは好ましくなく、なぜならば、壁厚寸法が増大するほど、伝熱性能が低下するからである。組付けられた状態のセラミック製絶縁体２２には、圧縮荷重以外の荷重が作用しないようにしてあり、このようにしたのは、セラミック材料は、圧縮荷重に対してだけ大きな強度を発揮するからである。ただし、セラミック製絶縁体の分割部材の構造特性が問題となることもないわけではなく、それは、コレクタアセンブリの動作中に、電極構造体の長手方向の位置によって温度が異なることによって、熱応力が発生することがあるからである。更に、セラミック製絶縁体の分割部材を製作する上で、或いは、その組立て作業を行う上で、分割部材の構造強度を考慮することが必要になることもある。

個々の分割部材は、その内周面及び外周面に、絶縁体２２を電極構造体２５に組付けるための凹凸部や、ヒートシンクに組付けるための凹凸部などを形成しておくとよい。例えば、図４に示したセラミック製絶縁体の分割部材２４ａでは、その内周面に、電極構造体２５の構成部品を軸心方向に位置決めして保持するための、４本の突条２１ａ〜２１ｄが形成されている。その他の分割部材２４ｂ及び２４ｃにも、分割部材２４ａの突条に対応した突条が形成されており、それら３つの分割部材２４ａ〜２４ｃの突条が協働して、それら分割部材を電極構造体２５に組付けたときに、電極構造体２５の構成部品の外周部に係合する保持リングが形成されるようにしてある。

特に高出力の装置に用いるためのセラミック製絶縁体２２の好ましい材料は、例えば、非常に高純度（９９．５％）の酸化ベリリウム（ＢｅＯ）であり、高純度のＢｅＯは、低純度のＢｅＯと比べて、強度と伝熱性とのいずれにおいても優れている。高純度のＢｅＯはロウ付けが困難であるが、本発明においてはセラミック製絶縁体のロウ付けを必要としないため、ロウ付けが困難であることは何ら不利とはならない。一般的に、ＢｅＯは比較的高価であり、取扱いには特別の注意を要する。その他の使用可能なセラミック材料としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）があり、これら２つの材料はいずれも、酸化ベリリウムと比べて安価であり、しかも広範な用途に適合し得るものである。

分割部材２４ａ〜２４ｃを組付けた状態において、隣り合う分割部材の側縁部どうしの間に隙間が存在し、また、その部分に、ヒートシンクと分割部材の側縁部との接触を回避するための溝部が画成されるようにしておくことが好ましい。図５は、セラミック製絶縁体２２の、隣り合う分割部材２４ａ、２４ｂの間の溝部及び隙間の具体例を示した詳細図である。図中に、分割部材２４ａと２４ｂとの間の隙間の大きさを「ｇ」で表した。この隙間の大きさ「ｇ」は、様々な値とすることができる。例えば、上述したコレクタアセンブリの具体例に用いるセラミック製絶縁体では、この隙間の大きさ「ｇ」を０．０１０〜０．０３０インチ（約０．２５〜０．７５ｍｍ）とすれば、セラミック製絶縁体２２の絶縁性能を大きく損なうおそれがない。また、この隙間の大きさを、例えば０．０２０インチ（約０．５０ｍｍ）程度の、ほどほどの大きさにすれば、組立てに際して、隣り合う分割部材どうしの間の空間にガスが封入されてしまうという事態を防止できると共に、隣り合う分割部材どうしがぶつかるという事態も防止することができる。

更に、分割部材には、各々の分割部材の側縁部の外周面に沿って軸心方向に延在する溝部を形成することが好ましい。図５に、溝部３８ａ、３８ｂの断面を拡大して示した。図中に、溝部３８ａ、３８ｂの周方向の幅寸法を「ｗ」で表し、分割部材２４ａ、３４ｂの壁厚方向深さ寸法を「ｄ」で表した。上述したコレクタアセンブリの具体例においては、幅寸法「ｗ」を約０．０９０インチ（約２．３ｍｍ）とし、深さ寸法「ｄ」を約０．０３５インチ（約０．９ｍｍ）とすれば、好適な結果が得られる。溝部の各部の寸法や、寸法比、それに形状としては、ここに例示した以外にも適当なものがあり、従って本発明は、ここに例示した寸法ないし形状の溝部を備えたものに限定されない。セラミック製絶縁体の分割部材の形状がいかなるものであっても、溝部の形状及び寸法は、特にセラミック製絶縁体が高温のときに高圧絶縁破壊を発生させるおそれのある電界分布及びそれに対する接合部の影響を最小にできるように、慎重に決定するようにすべきである。特定の形状の溝部が絶縁体の両面間の電界に及ぼす影響を評価するための、様々な解析ツールや計算ツールが公知となっており、それらツールを使用するとよい。

図６は、コレクタ電極構造体２５の１つの具体例の第２段電極部材（背面側電極部材）２８の背面側の端面図である。図７は、図６の背面側電極部材２８の断面図である。背面側電極部材２８は円筒形状であり、その外周面の半径は、セラミック製絶縁体２２の内周面の半径ｒ_ｉと略々等しい。

コレクタ電極構造体２５のうち、最もエネルギ密度が高くなる部分は、第２段電極部材上に存在する。第２段電極部材上の特定の円環状領域にエネルギが集中すると、電極構造体及びセラミック製絶縁体に過熱領域及び過大応力領域が発生する。これを防止するためには、エネルギが第２段電極部材上になるべく均一に拡散するようにすべきであり、それには、第２段電極部材（背面側電極部材）２８の内面形状を、プローブ部（後方へ突出した突起部）を備えず、深いテーパ付き凹部（円錐形凹部）３０を備えた形状とすることが好ましい。テーパ付き凹部３０は、その中心を第２段電極部材２８の軸心に一致させ、その正面側の開口部の直径をノーズ部材２９（図２参照）の内径と同一にしてある。テーパ付き凹部３０は、その開口部の直径に対する深さ寸法の比であるアスペクト比を１以上にすることが望ましい。即ち、凹部３０の深さ寸法を、その開口部の直径以上の大きさとすることが望ましい。第２電極部材２８の形成してある孔４２は、コレクタアセンブリ２０の組立てに際して、コレクタアセンブリ２０の内部の空気を排出して真空にするために設けたものである。

第２段電極部材２８の好適な材料はモリブデンであり、これが好適であるのは、熱膨張率が小さいこと、熱伝導率が大きいこと、それに、高温下の蒸気圧が小さいことにある。モリブデンはこれら特性を備えているため、コレクタアセンブリを高温で動作させることができる。モリブデンは更に、二次電子放出率δが比較的小さく、これは、コレクタ効率を高める上で有利な特性である。要求条件がそれほど厳しくない用途であれば、第２段電極部材の材料として銅を使用することも可能である。

電極構造体２５のロウ付けを不要にしたことによって、電極の材料を、広範な選択肢のうちから選択できるという利点が得られている。電極の材料として使用可能なその他の材料には、例えば、タングステン、炭化タングステン、様々な種類のエルコナイト、それにPOCOグラファイト（カーボン）などがあり、更にこれら以外にも使用可能な材料がある。適当なエルコナイトの一例を挙げるならば、焼結法を用いて炭化タングステン母材中に銅を溶浸したものがある。このエルコナイトを材料として使用した電極は、エッチング処理を施すことによって、その表面部分の銅だけを除去することができ、それによって、電極の表面を、粗面度の高い、多孔質の、二次電子放出率δの小さな表面にすることができる。電極の材料として以上に列挙した材料を使用するとき、ヒートシンク４０の材料としては、モリブデンと銅とのいずれを使用することもでき、また、以上に電極の材料として列挙したその他の材料もヒートシンク４０の材料として使用することができ、更に、その他にも使用可能な適当な材料が存在する。

図８は、本発明に係るヒートシンクの１つの具体例の端面図である。図９は、図８に示したヒートシンクの側面図である。キャビティ４６の内周面の半径は、セラミック製絶縁体２２の外周面の半径ｒ_ｏに合わせてある。キャビティ４６は、真空室として機能し得るように形成されており、両端の端部シール部材と、一対の電気接続部とをロウ付けすることによって、密封状態にすることができる。一般的に、ヒートシンクは大型の構造部材であり、コレクタアセンブリ２０の動作中に、このヒートシンクから電極構造体２５及びセラミック製絶縁体２２に対して、締め付け力を作用させることができるように構成しておく。ヒートシンク４０の材料としては、その熱膨張率が電極構造体２５の熱膨張率と同程度かそれより小さい材料を使用することが好ましい。例えば、電極構造体２５の構成部材の材料が、モリブデン、モリブデン及び銅、または銅である場合には、ヒートシンク４０の材料としてモリブデンを使用するとよく、電極構造体２５の構成部材の材料が銅である場合には、ヒートシンクの材料として銅を使用するのもよい。また、先に電極構造体の構成部材の材料として列挙した材料を、ヒートシンクの材料として使用することも可能であり、更にその他にも使用可能な適当な材料が存在する。

ヒートシンク４０の表面のうちの少なくとも１つの表面４８の形状を、このヒートシンク４０を装備する装置の１つの表面形状に合わせた形状とすることによって、熱伝達効率を向上させることができる。ただし一般的に、ヒートシンクの表面形状は、この形状に限られるものではなく、任意の適当な形状にすることができる。例えば、ヒートシンクが、平坦な取付面を備えているようにしてもよく、或いは、放熱フィンを備えているようにしてもよい。更には、円筒スリーブや円筒容器の外周面と同様に、単純な円筒形の外周面を備えているようにしてもよい。ヒートシンクの表面には、必要に応じて様々な凹凸部や付加物が設けられ、例えば、取付孔５０や、位置決めピン５２などが設けられる。開口４４は、電気接続部３６、３７へ配線を接続するために設けたものであり、電気接続部３６、３７は、ヒートシンクにロウ付けされることによって、キャビティ４６を密封状態にしている。

以上に本発明の好適な実施の形態に係るコレクタアセンブリについて説明したが、当業者には容易に理解されるように、以上に説明した好適な実施の形態である組込型システムは、幾つもの利点を提供するものである。更に、これも容易に理解されるように、本発明の範囲及び概念から逸脱することなく、以上に説明した実施の形態の変更形態、或いは応用形態、ないしは別構成形態として、本発明を実施することも可能である。例えば、図示した実施の形態はスリーブを備えない構成のものであったが、容易に理解されるように、セラミック製コア部材とヒートシンクとの間にスリーブを介装したコレクタアセンブリにも、以上に説明した本発明の概念を同様に適用することが可能である。従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって規定されるものである。

本発明に係るコレクタアセンブリの１つの具体例の端面図であって、飛行体の表面形状に合わせた表面形状を有するヒートシンクを示した図である。 本発明に係るコレクタアセンブリの１つの具体例の断面図である。 セラミック製絶縁体の１つの具体例の端面図である。 図３のセラミック製絶縁体の断面図である。 互いに隣り合ったセラミック製絶縁体分割部材どうしの間の隙間と溝部とを示した詳細図である。 コレクタ電極構造体の１つの具体例における第２段電極部材の背面側端面図である。 図６に示したコレクタ電極構造体の断面図である。 本発明に係るヒートシンクの１つの具体例の端面図である。 図８に示したヒートシンクの側面図である。

Claims (20)

1. リニア電子ビーム装置に用いるコレクタアセンブリにおいて、
   ヒートシンクと、電極構造体と、分割型のセラミック製絶縁体とを備え、
   前記ヒートシンクは第１材料から成り、前記ヒートシンクには真空室画成用キャビティが形成されており、
   前記電極構造体は第２材料から成り、前記電極構造体は前記キャビティの中に配設されており、
   前記セラミック製絶縁体は、前記キャビティの中に配設され、且つ、前記電極構造体の周囲に配設されることによって、前記電極構造体と前記ヒートシンクとの間に介装されており、前記セラミック製絶縁体は、前記電極構造体を前記ヒートシンクから絶縁する一方で前記電極構造体から前記ヒートシンクへ熱を伝達するように構成されている、
   ことを特徴とするコレクタアセンブリ。
2. 前記電極構造体が前記セラミック製絶縁体に固定されていない請求項１記載のコレクタアセンブリ。
3. 前記セラミック製絶縁体が、互いに分離した複数の分割部材から成り、隣り合う分割部材どうしの間に隙間が確保されることで、前記セラミック製絶縁体が複数の隙間を備えている請求項１記載のコレクタアセンブリ。
4. 前記セラミック製絶縁体が、その外周面に、複数の長手方向に延在する溝部を備えており、それら複数の溝部の各々が、前記複数の隙間の各々の両側に亘って形成されている請求項１記載のコレクタアセンブリ。
5. 前記電極構造体が、第１段電極と第２段電極とを備えている請求項１記載のコレクタアセンブリ。
6. 前記第２段電極が、プローブ部を備えず、中心円錐形凹部を備えている請求項５記載のコレクタアセンブリ。
7. リング形の正面側シール部材を更に備え、該正面側シール部材は、該コレクタアセンブリの正面側端部において、前記セラミック製絶縁体と、前記ヒートシンクのうちの前記電極構造体の前記第１段電極に近接した部分とに、ロウ付けされて固定されている請求項５記載のコレクタアセンブリ。
8. 背面側シール部材を更に備え、該背面側シール部材は、該コレクタアセンブリの背面側端部において、前記セラミック製絶縁体と、前記ヒートシンクのうちの前記電極構造体の前記第２段電極に近接した部分とに、ロウ付けされて固定されている請求項５記載のコレクタアセンブリ。
9. 前記第１材料がモリブデンであり、前記第２材料がモリブデンである請求項１記載のコレクタアセンブリ。
10. 前記第１材料が銅であり、前記第２材料が銅である請求項１記載のコレクタアセンブリ。
11. 前記第１材料がモリブデンであり、前記第２材料がタングステン、炭化タングステン、エルコナイト材料、及びカーボンから成る部類中から選択された材料である請求項１記載のコレクタアセンブリ。
12. 前記エルコナイト材料が、焼結法を用いて炭化タングステン材料に銅を溶浸させた材料である請求項１１記載のコレクタアセンブリ。
13. 前記セラミック製絶縁体が、酸化ベリリウム、窒化アルミニウム、及びアルミナから成る部類中から選択された材料から成る請求項１記載のコレクタアセンブリ。
14. 前記第１材料が銅であり、前記第２材料が銅であり、前記セラミック製絶縁体が窒化アルミニウム材料から成る請求項１記載のコレクタアセンブリ。
15. 前記セラミック製絶縁体と前記ヒートシンクとの間に介装された金属材料製のスリーブを更に備えた請求項１記載のコレクタアセンブリ。
16. 前記ヒートシンクの表面形状が、装置の表面形状に合わせた形状である請求項１記載のコレクタアセンブリ。
17. 前記ヒートシンクの表面形状が、飛行体の表面形状に合わせた形状である請求項１記載のコレクタアセンブリ。
18. 前記セラミック製絶縁体が、室温下において、前記電極構造体と前記ヒートシンクとの間に挟圧されている請求項１記載のコレクタアセンブリ。
19. 前記セラミック製絶縁体が、０℃以下から２５０℃以上までの温度範囲に亘って、前記電極構造体と前記ヒートシンクとの間に挟圧されている請求項１記載のコレクタアセンブリ。
20. 前記セラミック製絶縁体が、０℃以下から２５０℃以上までの温度範囲に亘って、前記電極構造体と前記セラミック製絶縁体とに直接接触している請求項１記載のコレクタアセンブリ。

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