JP2007035368A - マグネトロン及びマグネトロンの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】上側エンドハット及び下側のエンドハットが存在することによる電界放出電流の低下を防止し、高出力のマイクロ波を発生させる。
【解決手段】マグネトロンの陰極２０を、一方の端に下側エンドハット２２を形成し、他方の端に突起部２３を形成した陰極構体２１と、陰極構体２１の他端に装着可能とする上側エンドハット２４と、陰極構体２１に設ける冷陰極電子放出源２５とを備え、陽極ベイン先端の角から冷陰極電子放出源２５までの最短距離をＡ、陽極ベイン先端の角から上側エンドハット２４までの最短距離をＢとして０．５≦Ｂ÷Ａ≦１．０の範囲に入るように上側エンドハット２４の外周部の大きさを決める。下側エンドハット２２についても同様である。これにより、冷陰極電子放出源２５の表面の広い範囲に亘って電気力線を到達させることが可能となり、電界放出電流が増加し、高出力のマイクロ波を発生できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子レンジ、高周波加熱装置、レーダ等のマイクロ波発振機等に用いて好適なマグネトロン及びマグネトロンの製造方法に関する。

近年、マグネトロンの電子源として、冷陰極が用いられるようになってきている（例えば、特許文献１参照）。この冷陰極を用いたマグネトロンでは、熱陰極の場合と違い、陽極ベインからの電気力線を冷陰極電子放出源表面に届かせることが必要である。

図４は、従来の冷陰極型のマグネトロンの構造を示す縦断面図である。この図において、マグネトロンは、中心軸を上下方向に向けた陰極１０と、この陰極１０を同軸的に包囲する陽極筒体１１と、この陽極筒体１１の下方の開口端に設けられた入力側磁極片１２と、この入力側磁極片１２を覆う第１の金属管１３と、陽極筒体１１の上方の開口端に設けられた出力側磁極片１４と、この出力側磁極片１４を覆う第２の金属環１５と、この第２の金属環１５に設けられたマイクロ波放出用アンテナ１６とを有している。陽極筒体１１の内壁面には陽極筒体１１の中心軸に向かう放射状に複数枚（偶数枚）の陽極ベイン１７が接合されている。隣り合う２つの陽極ベイン１７で空洞共振器が形成される。

図５は陰極１０を縦方向（垂直方向）に切断した断面図である。また、図６は陰極１０と陽極ベイン１７の先端部分を横方向（水平方向）で切断した断面図である。図５に示すように、陰極１０にはグラファイトナノファイバからなる冷陰極電子放出源１０１が設けられており、その冷陰極電子放出源１０１の上下には冷陰極電子放出源１０１を支持すると共に、電子の軸方向への拡散を防ぐ為の上側エンドハット１０２と下側エンドハット１０３と呼ぶ金属の笠が配置されている。陽極ベイン１７と陰極１０との間の空間は作用空間１０４と呼ばれ、上側エンドハット１０２と下側エンドハット１０３を陰極１０と同電位あるいは負電位にすることで、作用空間１０４内に電子が閉じ込められる。陰極１０と陽極筒体１１との間に高電圧を印加すると、冷陰極電子放出源１０１の表面にあるグラファイトナノファイバに１×１０⁹Ｖ／ｍ程度の強電界が生じ、これによって電界電子が放出される。

ここで、電界電子放出は、物質の表面付近に高電界を印加することで、物質表面のポテンシャル障壁が薄くなり、電子の波動性によって生じるトンネル効果により、電子がポテンシャル障壁を乗り越えることなく物質の外へ放出する現象である。電子放出には、電子放出源１１に高電界が必要であるので、電子放出源１１を電界集中の起り易い構造（針状など先端の曲率半径が小さい構造）にする必要がある。電界放出型の有力な冷陰極として、カーボンナノチューブ、グラファイトナノファイバのような炭素繊維が用いられる。因みに、グラファイトナノファイバとは、炭素原子が蜂の巣状の６角形の頂点に配置された炭素のシート（グラフェンシート）を積層した細長い形状のものである。これらの炭素繊維は通常アーク放電法、レーザ蒸着法、プラズマＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法、或いは熱ＣＶＤ法などにより形成される。

作用空間１０４内の電子は、図６に示すように、直流磁界１０６によって曲げられてサイクロイド運動をする。さらに電子は、複数の陽極ベイン１７で形成される空洞共振器に生ずる高周波電界により速度変調を受けて、電子流が疎な部分と密な部分になり、陽極ベイン１７間の極性と同期して回転電子極を形成し、陽極ベイン１７で形成される空洞共振器に誘導電流が流れる。そして、陽極ベイン１７で発生した高周波電力は、マイクロ波放出用アンテナ１６を介して外部へと取り出される。

特開２００５−５６７８５号公報

しかしながら、従来の冷陰極型のマグネトロンにおいては、冷陰極電子放出源１０１の近辺に存在する上側エンドハット１０２と下側エンドハット１０３が、陰極１０と陽極ベイン１７との間に発生する電気力線１０５の一部を遮る形になっている為、その分、電界放出電流が低減し、高出力のマイクロ波を発生できない場合がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、上側エンドハット及び下側のエンドハットが存在することによる電界放出電流の低下を防止し、高出力のマイクロ波を発生できるマグネトロン及びマグネトロンの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的は下記構成により達成される。
（１） 複数の陽極ベインを中心軸に向かって突設させた陽極筒体と、前記陽極筒体の中心軸上に配置され、冷陰極電子放出源及び該冷陰極電子放出源を挟む形で配置される２つのエンドハットを有する陰極構体と、を備え、前記エンドハットの中心軸から外縁に至る長さを、複数の前記陽極ベインが形成する陽極内径よりも大きく形成した。

（２） 上記（１）に記載のマグネトロンであって、前記エンドハットの外周部の大きさが、前記陽極ベインの先端の角から前記冷陰極電子放出源の表面までの最短距離をＡ、前記陽極ベインの先端の角から前記エンドハットまでの最短距離をＢとして、０．５≦Ｂ÷Ａ≦１．０の条件を満たすものである。

（３） 上記（１）又は（２）に記載のマグネトロンを備えるマイクロ波発振機。

（４） 上記（１）又は（２）に記載のマグネトロンを備える電子レンジ。

（５） 前記陰極を、前記中心軸から外縁に至る長さが前記陽極内径よりも大きく形成された下側エンドハットを一方の端に有する円柱状の陰極構体と、前記陰極構体の他方の端に装着可能であり前記下側エンドハットと同形状の上側エンドハットと、前記陰極構体の下側エンドハット部分及び上側エンドハット取り付け部分を除く部分に設けられる冷陰極電子放出源とを含む各部材で構成し、該陰極の組立ての際には、前記陰極構体に前記冷陰極電子放出源を設けた状態で、前記陰極構体をその他方の端側から前記陽極筒体に挿入して前記陽極筒体に対して固定した後、前記陰極構体の他方の端に前記上側エンドハットを固定する。

上記（１）に記載のマグネトロンでは、エンドハットの中心軸から外縁に至る長さを、複数の陽極ベインが形成する陽極内径よりも大きく形成したことにより、エンドハットが電気力線を遮る割合が低減し、その分、電界放出電流が増加してマイクロ波出力が増加する。

上記（２）に記載のマグネトロンでは、エンドハットの外周部の大きさを、陽極ベイン先端の角から電子放出源までの最短距離をＡ、陽極ベイン先端の角からエンドハットの内側までの最短距離をＢとして、０．５≦Ｂ÷Ａ≦１．０の条件を満たすものとしたことにより、エンドハットを適正な大きさに抑えながらも、エンドハットが電気力線を遮る割合を最小限に抑えることができる。即ち、Ｂ÷Ａが「１．０」以上では、電界放出電流の値が略一定になるものの、エンドハットの形状が大きくなっていくので、０．５以上かつ１．０以下の範囲が、電界放出電流を最大限増加させる点と、エンドハットの形状を大きくし過ぎないという点で好ましい。

上記（３）に記載のマイクロ波発振機では、上記（１）又は（２）に記載のマグネトロンを備えることにより、従来よりもマイクロ波出力の向上したマイクロ波発振機を提供できる。

上記（４）に記載の電子レンジでは、上記（１）又は（２）に記載のマグネトロンを備えることにより、従来よりもマイクロ波出力の向上した電子レンジを提供できる。

上記（５）に記載のマグネトロンの製造方法では、上側エンドハットを陰極構体と別体として、陰極構体に後付できるようにしたので、上側エンドハットの外周部を複数の陽極ベインが形成する陽極内径よりも大きく形成しても、容易に組み上げることが可能となる。言い換えれば、複数の陽極ベインが形成する陽極内径よりも外径の大きいエンドハットを設計することが可能となる。

以下、本発明を実施するための好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係るマグネトロンの陰極２０を含むその周辺部分を示す縦断面図である。

本実施の形態のマグネトロンは、電界放出現象により電子を放出させる冷陰極型のマグネトロンであり、図４に示す従来のマグネトロンと比べて陰極の構造が異なる以外は同じ構造を成している。したがって、陰極以外の部分を説明する場合は図４を援用することとする。図１において、本実施の形態のマグネトロンの陰極２０は、一方の端に下側エンドハット２２が形成され、他方の端に突起部２３が形成された円柱状の陰極構体２１と、陰極構体２１の他端に装着可能とする上側エンドハット２４と、陰極構体２１の下側エンドハット部分及び上側エンドハット取り付け部分を除く部分に設けられる冷陰極電子放出源２５とを備える。

陰極構体２１の他端（即ち上側エンドハット２４を取り付ける側の端）には、上述した突起部２３を除く部分２１Ａが水平に形成されており、上側エンドハット２４を水平に支持できるようになっている。また、陰極構体２１の突起部２３は、図１ではその先端部分が丸みを帯びた山形状になっているが、これは上側エンドハット２４を固定するためにプラズマ溶接を行った結果であり、プラズマ溶接する前は上側エンドハット２４の孔が嵌合するように上下に一定寸法の円柱形状となっている。冷陰極電子放出源２５は、従来のマグネトロンの冷陰極電子放出源１０１と同様に円筒の外周部に炭素繊維の冷陰極材料を備えて構成されるものである。

下側エンドハット２２は、上述したように陰極構体２１と一体であり、その中心軸から外縁に至る長さが、外周部が複数の陽極ベイン１７（図４参照）が形成する陽極内径Ｄ（図６参照）よりも大きく形成されている。上側エンドハット２４は、上述したように陰極構体２１とは別体であり、その中心軸から外縁に至る長さが下側エンドハット２２と同様に陽極内径Ｄよりも大きく形成されている。また、上側エンドハット２４には、その中央部分に陰極構体２１の他端に形成された突起部２３と嵌合する孔が形成されている。下側エンドハット２２と上側エンドハット２４夫々の外周部を複数の陽極ベイン１７が形成する陽極内径Ｄよりも大きく形成することで、陽極ベイン１７から冷陰極電子放出源２５の表面の広い範囲に亘って電気力線が到達することになり（即ち、冷陰極電子放出源２５の表面の電界が低下する領域が減少することになり）、従来のマグネトロンと比べて電界放出電流が増加する。図１において、陰極２０周辺の電気力線は２６であり、図５に示す従来のマグネトロンと比べて、冷陰極電子放出源２５の表面の広い範囲に亘って電気力線が到達しているのが分かる。電界放出電流が増加する分、マイクロ波出力が大きくなる。

本実施の形態では、下側エンドハット２２と上側エンドハット２４夫々の中心軸から外縁に至る長さを次のようにして決定している。

図２は陰極２０の先端部分２７を拡大した縦断面図である。この図において、陽極ベイン１７から冷陰極電子放出源２５までの最短距離をＡ、陽極ベイン１７から上側エンドハット２４までの最短距離をＢとする。図３は最短距離Ｂを最短距離Ａで割った値と電界放出電流との関係を示すグラフである。このグラフは、陽陰極間に４．５ｋＶの電圧を印加し、陽極に流れた電界放出電流を測定したものである。

従来のマグネトロンはＢ÷Ａの値が「０．２」で、電界放出電流は６０ｍＡであるが、Ｂ÷Ａの値が「０．５」を超えた付近から電界放出電流は１００ｍＡを超えて急激に増加する。Ｂ÷Ａの値が「１」を過ぎると、電界放出電流は１２０ｍＡ〜１４０ｍＡと略一定になる。Ｂ÷Ａの値が「１」を超えると、電界放出電流の増加は殆ど無いのに対し、下側エンドハット２２及び上側エンドハット２４が、図示しない磁気回路と距離を保つことができなくなるなど設計が非常に困難になる。このようなこともあって、最適範囲は０．５≦Ｂ÷Ａ≦１に収まる。

因みに、図１に示す直流磁界３０を加え、冷陰極電子放出源２５に４．５ｋＶの負の電圧を印加し、陽極ベイン１７をアース電位にすると、陽陰極間に最大１００ｍＡの電流が流れ、２．４５ＧＨｚにて最大３４０Ｗの発振が得られた。全く同じ条件で、従来のマグネトロンでは、陽陰極間に最大６０ｍＡの電流が流れ、２．４５ＧＨｚにて最大２００Ｗの発振が得られた。この結果から分かるように、本発明では、大幅な出力増加が可能となる。

次に、上記した構造の陰極２０を陽極に組み込むための製造方法について説明する。
上側エンドハット２４の中心軸から外縁に至る長さを陽極内径Ｄより大きく形成して冷陰極電子放出源２５から遠ざけることで、電界放出電流の増加が図れる反面、上側エンドハット２４の外周部の径が陽極内径Ｄより大きい為、陰極構体２１に上側エンドハットを取り付けた後に、陰極２０を陽極筒体１２内に挿入することは不可能である。そこで、陰極構体２１に冷陰極電子放出源２５を装着した状態で、陰極構体２１を、その他端（即ち上側エンドハット取り付け側）を先にして陽極筒体１１内に挿入する。陽極筒体１１内への挿入後、陽極筒体１１に対して固定した後、陰極構体２１の突起部２３に上側エンドハット２４を嵌め込む。そして、陰極構体２１の突起部２３と上側エンドハット２４をプラズマ溶接にて結合する。このような手順を踏むことで、上側及び下側エンドハット２２、２４の外周部を大きく形成しても陰極２０を陽極筒体１２内に組み込むことが可能となる。

因みに、本実施の形態のマグネトロンをマイクロ波発振機（図示略）に搭載したところ、安定した動作を確認できた。また、このマグネトロンを電子レンジ（図示略）に搭載しても同様に安定した動作を確認できた。

このように、本実施の形態のマグネトロンによれば、下側エンドハット２２及び上側エンドハット２４夫々の外周部を、複数の陽極ベイン１７が形成する陽極内径Ｄよりも大きく形成したので、従来のマグネトロンと比べて、冷陰極電子放出源２５の表面の広い範囲に亘って電気力線を到達させることが可能となり、電界放出電流が増加する分、高出力のマイクロ波を発生できる。

本発明は、エンドハットの中心軸から外縁に至る長さを、複数の陽極ベインが形成する陽極内径よりも大きく形成したことにより、エンドハットが電気力線を遮る割合が低減し、その分、電界放出電流が増加してマイクロ波出力が増加する効果を有し、電子レンジなどの高周波加熱装置や、レーダ、航空機、船舶、宇宙船、ロケット等のマイクロ波応用装置等に有用である。

本発明の一実施の形態に係るマグネトロンの陰極及びその周辺を示す縦断面図 図１の陰極の上側エンドハット部分を拡大した縦断面図 陽極ベインの角から陰極表面までの最短距離をＡ、陽極ベインの角からエンドハットまでの最短距離をＢとした場合のＢ÷Ａと電界放出電流との関係を示すグラフ 従来のマグネトロンの概略構造を示す縦断面図 図４の陰極及びその周辺を示す縦断面図 図４の陰極及びその周辺を示す横断面図

符号の説明

１１ 陽極筒体
１７ 陽極ベイン
２０ 陰極
２１ 陰極構体
２２ 下側エンドハット
２３ 突起部
２４ 上側エンドハット
２５ 冷陰極電子放出源
２６ 電気力線

Claims (5)

1. 複数の陽極ベインを中心軸に向かって突設させた陽極筒体と、
   前記陽極筒体の中心軸上に配置され、冷陰極電子放出源及び該冷陰極電子放出源を挟む形で配置される２つのエンドハットを有する陰極構体と、を備え、
   前記エンドハットの中心軸から外縁に至る長さが、複数の前記陽極ベインが形成する陽極内径よりも大きく形成されたマグネトロン。
2. 前記エンドハットの外周部の大きさが、前記陽極ベインの先端の角から前記冷陰極電子放出源の表面までの最短距離をＡ、前記陽極ベインの先端の角から前記エンドハットまでの最短距離をＢとして、０．５≦Ｂ÷Ａ≦１．０の条件を満たすものである請求項１記載のマグネトロン。
3. 請求項１又は２記載のマグネトロンを備えるマイクロ波発振機。
4. 請求項１又は２記載のマグネトロンを備える電子レンジ。
5. 請求項１又は２記載のマグネトロンの製造方法であって、
   前記陰極を、前記中心軸から外縁に至る長さが前記陽極内径よりも大きく形成された下側エンドハットを一方の端に有する円柱状の陰極構体と、前記陰極構体の他方の端に装着可能であり前記下側エンドハットと同形状の上側エンドハットと、前記陰極構体の下側エンドハット部分及び上側エンドハット取り付け部分を除く部分に設けられる冷陰極電子放出源とを含む各部材で構成し、該陰極の組立ての際には、前記陰極構体に前記冷陰極電子放出源を設けた状態で、前記陰極構体をその他方の端側から前記陽極筒体に挿入して前記陽極筒体に対して固定した後、前記陰極構体の他方の端に前記上側エンドハットを固定するマグネトロンの製造方法。

Images