JP2009252444A - コレクタ電極及び電子管 - Google Patents

Abstract

【課題】電子管のさらなる小型化や高出力電力化に寄与するコレクタ電極及びそれを備えた電子管を提供する。
【解決手段】電子管が備えるコレクタ電極を、モリブデンと銅の複合材料、またはタングステンと銅の複合材料を用いて形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は電子を捕捉するコレクタ電極及びそれを備えた電子管に関する。

進行波管やクライストロン等は電子銃から放出された電子ビームと高周波回路との相互作用により高周波信号の増幅や発振等を行うために用いる電子管である。進行波管１は、例えば図３に示すように、電子ビーム５０を放出する電子銃１０と、電子銃１０から放出された電子ビーム５０と高周波信号（マイクロ波）とを相互作用させる高周波回路であるヘリックス電極２０と、ヘリックス電極２０から出力された電子を捕捉するコレクタ電極３０と、電子銃１０から電子を引き出すと共に電子銃１０から放出された電子ビーム５０をスパイラル状のヘリックス電極２０内に導くアノード電極４０とを有する構成である。電子銃１０は、熱電子を放出するカソード電極１１と、カソード電極１１に熱電子を放出させるための熱エネルギーを与えるヒータ１２とを備えている。

電子銃１０から放出された電子ビーム５０は、カソード電極１１とアノード電極４０との電位差により加速されてヘリックス電極２０内に導入され、ヘリックス電極２０の一端から入力された高周波信号と相互作用しながらヘリックス電極２０の内部を進行する。ヘリックス電極２０の内部を通過した電子はコレクタ電極３０で捕捉される。このとき、ヘリックス電極２０の他端からは電子ビーム５０との相互作用により増幅された高周波信号が出力される。

電源装置６０は、カソード電極１１に対してヘリックス電極２０の電位（HELIX）を基準に負の直流電圧であるヘリックス電圧（Ehel）を供給する。また、コレクタ電極３０に対してカソード電極１１の電位（H/K）を基準に正の直流電圧であるコレクタ電圧（Ecol）を供給し、ヒータ１２に対してカソード電極１１の電位（H/K）を基準に負の直流電圧であるヒータ電圧（Eh）を供給する。ヘリックス電極２０は、通常、進行波管１のケースに接続されて接地される。

なお、図３は１つのコレクタ電極３０を備えた進行波管１の構成例を示しているが、進行波管１には複数のコレクタ電極３０を備えた構成もある。また、図３では、電源装置６０内でアノード電極４０とヘリックス電極２０とを接続した構成を示しているが、アノード電極４０にはカソード電極１１の電位（H/K）を基準に正の直流電圧であるアノード電圧（Ea）が供給される構成もある。

図３に示したコレクタ電極３０の構成を図４及び図５に示す。図４及び図５に示すコレクタ電極３０は特許文献１の背景技術にも記載されている。

図４はコレクタ電極の一構成例を示す断面図である。また、図５はコレクタ電極の他の構成例を示す断面図である。

図４は進行波管に１つのコレクタ電極を備えた構成例を示し、図５は進行波管に２つのコレクタ電極を備えた構成例を示している。

図４に示すコレクタ電極３０は、有底円筒状であり、該円筒の側面が中途から開口端に向かってテーパー状に絞り込まれた形状である。コレクタ電極３０は、該開口が電子銃１０（図３参照）を向くように絶縁セラミック３２によって進行波管１の外囲器３３内に支持・固定されている。コレクタ電極３０の底部にはリード線３４が接続され、該リード線３４は外囲器３３に設けられたコレクタ端子３５を介して外部に引き出されている。

一方、２つのコレクタ電極を備えた進行波管では、図５に示すように、不図示のヘリックス電極２０（図３参照）から近い順に第１のコレクタ電極３０₁及び第２のコレクタ電極３０₂が配置されている。第１のコレクタ電極３０₁は、底部を有しない円筒状であり、該円筒の側面が中途から一方の開口端に向かってテーパー状に絞り込まれた形状である。第２のコレクタ電極３０₂は、図４に示したコレクタ電極３０と同様の形状である。

第１のコレクタ電極３０₁及び第２のコレクタ電極３０₂は、各々の開口が不図示の電子銃１０（図３参照）を向くように絶縁セラミック３２によって進行波管１の外囲器３３内に支持・固定されている。また、第１のコレクタ電極３０₁には第１のリード線３４₁が接続され、絶縁セラミック３２に設けられた空隙及び外囲器３３に設けられた第１のコレクタ端子３５₁を通して外部に引き出されている。第２のコレクタ電極３０₂には第２のリード線３４₂が接続され、外囲器３３に設けられた第２のコレクタ端子３５₂を通して外部に引き出されている。

図４に示すコレクタ電極３０及び図５に示す第１のコレクタ電極３０₁及び第２のコレクタ電極３０₂には、通常、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）等が用いられ、これらの板材または棒材から切削することで図４または図５に示した形状に加工される。
特開平１１−６７１０８号公報

上述したように電子銃から放出された電子はアノード電極及びヘリックス電極を通過した後、コレクタ電極によって捕捉される。このとき、コレクタ電極では電子が衝突するエネルギーによって温度が上昇する。

コレクタ電極をモリブデンで形成する場合、モリブデンは融点が高い（約２６２２℃）ため、例えば電子が任意の一点に集中することで、その部位が高温になっても、溶融し難いという特徴がある。

しかしながら、モリブデンは、熱伝導率が比較的小さい（約１３８Ｗ／ｍ・ｋ）ため、コレクタ電極で発生した熱が放熱しにくいという問題がある。したがって、モリブデンを用いても、コレクタ電極の温度上昇が大きいために進行波管の高出力電力化には限界がある。

また、モリブデンは、上述したように高融点金属であり、モリブデン粉末をプレス成形・焼成することで板材や棒材が作製されるため、焼成時に発生した微細な空孔に意図しないガスが閉じ込められることがある。その場合、モリブデンのコレクタ電極を用いて進行波管を製造すると、空孔に閉じ込められたガスが放出されて外囲器内の真空度が悪化する問題がある。

一方、銅は、熱伝導率が大きい（約３９８Ｗ／ｍ・ｋ）ため、コレクタ電極を銅で形成すると、コレクタ電極で発生した熱が放熱しやすくなる。

しかしながら、銅はモリブデンに比べて融点が低い（約１０８３℃）ため、上述した電子が集中する現象が発生すると、当該部位が溶融するおそれがある。そのため、コレクタ電極に銅を用いると、進行波管の高出力電力化が困難である。また、進行波管から所要の出力電力を得るためには、例えばコレクタ電極を厚く形成する必要があるため、銅をコレクタ電極に用いる構成は、進行波管を小型化したい場合に採用できない。

本発明は上記したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、電子管のさらなる小型化や高出力電力化に寄与するコレクタ電極及びそれを備えた電子管を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明のコレクタ電極は、電子管が備えるコレクタ電極であって、
モリブデンと銅の複合材料から成るものである。

または、電子管が備えるコレクタ電極であって、
タングステンと銅の複合材料から成るものである。

一方、本発明の電子管は、上記コレクタ電極を有する構成である。

本発明によれば、電子管のさらなる小型化や高出力電力化に寄与するコレクタ電極が得られる。

次に本発明について図面を用いて説明する。

以下では、進行波管のコレクタ電極を例にして説明するが、本発明は、その他の電子管が備えるコレクタ電極にも適用できる。

図１は本発明のコレクタ電極の一構成例を示す斜視図である。また、図２は図１に示したコレクタ電極のＡ−Ａ’線断面図である。

本実施形態のコレクタ電極７０は、モリブデンと銅のコンポジット（複合）材料を用いて形成する。

さらに、本実施形態では、モリブデンと銅の複合材料から成るコレクタ電極７０の所要の部位の表面近傍にモリブデンカーバイト層７１を形成する。

モリブデンカーバイト層７１は、図１の斜線部位及び図２の波線部位で示すように、不図示の電子銃（図３参照）から放出された電子が衝突する部位（衝突する確率が高い部位）を覆うように形成する。より具体的には、有底円筒状のコレクタ電極７０の内面全域、及びコレクタ電極７０の外面のうち、開口７２周縁のテーパー部位にモリブデンカーバイト層７１を形成する。

なお、図１及び図２では、進行波管が１つのコレクタ電極のみ備える場合の、該コレクタ電極７０の形状例を示している。進行波管が２つ以上のコレクタ電極を備える場合、不図示のヘリックス電極（図３参照）から最も遠いコレクタ電極は図１及び図２で示した形状と同様であり、該コレクタ電極を除く他のコレクタ電極は、図５で示したように、図１及び図２に示したコレクタ電極７０の底面が無い形状となる。

モリブデンと銅の複合材料は、板状や棒状に成形された、所要の空孔率を備えたモリブデン材料に銅を溶融含浸させ、モリブデン材料に含まれる空孔を銅で充填することで形成する。複合材料のモリブデンと銅の割合（重量比）はモリブデン材料の空孔率によって決まり、複合材料の空孔率はモリブデンと銅の重量比（ｗｔ％）が所望の値となるように調整される。

モリブデン材料の空孔率は、モリブデン粉末をプレス成形・焼成して板材あるいは棒材を形成する工程において、モリブデン粉末の粒度、成形時の圧力、焼成温度、焼成時間等により制御できる。

ここで、モリブデン材料の空孔率を大きくして複合材料に含まれる銅の割合を増大させると、モリブデン粒子間の結合力が低下してコレクタ電極として必要な強度が低下すると共に、モリブデンカーバイト層７１の材料となるモリブデンが低減する。したがって、本実施形態のモリブデンと銅の複合材料は、モリブデンに対する銅の割合（重量比）が０％よりも大きく、４０％以下であることが好ましい。

一方、モリブデン材料の空孔率を小さくして複合材料に含まれる銅の割合を減少させると、後述する熱伝導率が大きい銅を含むことで得られる、複合材料の熱伝導率の向上効果が低減する。また、モリブデンと銅の複合材料は、その熱膨張率が、該複合材料から成るコレクタ電極７０を支持する部材（図４に示した絶縁セラミック３２等）の熱膨張率と同程度となるように、モリブデンと銅の割合（重量比）が設定されていることが好ましい。そのため、本実施形態のモリブデンと銅の複合材料は、モリブデンに対する銅の割合（重量比）が１５％から２５％の範囲であることが、より好ましい。

モリブデンカーバイト層７１は、例えば周知のスパッタリング法やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いてコレクタ電極７０表面の所要部位にカーボン薄膜を形成し、その後、真空雰囲気中で過熱することで該カーボン薄膜とその薄膜下のモリブデンとを合金化させることで生成する。

通常、モリブデンと銅は合金化しないため、モリブデンと銅の複合材料の融点はモリブデンとほぼ同一と考えてよい。一方、モリブデンと銅の複合材料の熱伝導率は、空孔に充填された銅の作用によりモリブデンよりも大きな値（１５４−１７４Ｗ／ｍ・ｋ程度）となる。コレクタ電極７０の表面にコーティングするモリブデンカーバイト層７１は膜状であるため、コレクタ電極７０の熱伝導率にはほとんど影響しない。

したがって、モリブデンと銅の複合材料を用いてコレクタ電極７０を形成することで、モリブデンから成るコレクタ電極３０よりも熱伝導率が向上する。そのため、コレクタ電極７０で発生した熱が放熱しやすくなり、背景技術よりも進行波管の高出力電力化が可能になる。

また、モリブデンと銅の複合材料は、融点がモリブデンとほぼ同一であるため、コレクタ電極７０を比較的薄く形成することが可能であり、コレクタ電極７０及びそれを備える進行波管を小型化できる。

また、モリブデンカーバイトは二次電子放出係数δmaxの値が小さい（δmax＝０．９０）ため、コレクタ電極７０の表面にモリブデンカーバイト層７１を形成することで、コレクタ電極７０で電子が衝突する際に発生する二次電子放出が抑制される。そのため、二次電子放出によってコレクタ電極７０から放出された２次電子がもどり電子となって不図示のヘリックス電極（図３参照）を通して接地電位へ流れるヘリックス電流も低減する。したがって、進行波管の効率が向上すると共に、ヘリックス電流が流れることによるヘリックス電極の損傷も抑制される。

さらに、モリブデンは、硬度が高く、また空孔が存在するためにコレクタ電極７０の形状へ切削・加工することが困難であるが、モリブデンと銅の複合材料はモリブデン材料の空孔に充填された銅によって潤滑性が向上するため、背景技術よりも板材や棒材からコレクタ電極７０の形状に加工する際の切削性が向上する。

なお、上記説明では、進行波管用のコレクタ電極７０として、モリブデンと銅の複合材料を用いる例を示したが、モリブデンに代えてタングステン（Ｗ）を用いることも可能である。その場合、タングステンと銅の複合材料から成るコレクタ電極表面の所要部位に、上述と同様の方法でタングステンカーバイト層を形成すればよい。また、タングステンと銅の複合材料は、上記モリブデンと銅の複合材料と同様の理由により、タングステンに対する銅の割合（重量比）を０％よりも大きく、４０％以下に設定すればよく、さらに好ましくは１５％から２５％の範囲に設定すればよい。

タングステンと銅の複合材料は、熱伝導率がモリブデンと銅の複合材料と同程度であり、タングステンの融点はモリブデンと同様に非常に高温（３４００℃）である。さらに、タングステンカーバイトの二次電子放出係数δmaxの値は１以下である。

したがって、タングステンと銅の複合材料でコレクタ電極を形成してもモリブデンと銅の複合材料を用いる場合と同様の効果を得ることができる。

本発明のコレクタ電極の一構成例を示す斜視図である。 図１に示したコレクタ電極のＡ−Ａ’線断面図である。 電子管及び電源装置を含む高周波回路システムの構成例を示すブロック図である。 コレクタ電極の一構成例を示す断面図である。 コレクタ電極の他の構成例を示す断面図である。

符号の説明

７０ コレクタ電極
７１ モリブデンカーバイト層
７２ 開口

Claims (11)

1. 電子管が備えるコレクタ電極であって、
   モリブデンと銅の複合材料から成るコレクタ電極。
2. 前記複合材料は、
   前記モリブデンに対する前記銅の割合が０％よりも大きく、４０％以下である請求項１記載のコレクタ電極。
3. 前記複合材料は、
   前記モリブデンに対する前記銅の割合が１５％から２５％の範囲である請求項２記載のコレクタ電極。
4. 前記コレクタ電極の所要の部位の表面近傍にモリブデンカーバイト層を備えた請求項１から３のいずれか１項記載のコレクタ電極。
5. 前記所要の部位は、
   前記電子管が備える電子銃から放出された電子が衝突する部位である請求項４記載のコレクタ電極。
6. 電子管が備えるコレクタ電極であって、
   タングステンと銅の複合材料から成るコレクタ電極。
7. 前記複合材料は、
   前記タングステンに対する前記銅の割合が０％よりも大きく、４０％以下である請求項６記載のコレクタ電極。
8. 前記複合材料は、
   前記タングステンに対する前記銅の割合が１５％から２５％の範囲である請求項７記載のコレクタ電極。
9. 前記コレクタ電極の所要の部位の表面近傍にタングステンカーバイト層を備えた請求項６から８のいずれか１項記載のコレクタ電極。
10. 前記所要の部位は、
    前記電子管が備える電子銃から放出された電子が衝突する部位である請求項９記載のコレクタ電極。
11. 請求項１から１０のいずれか１項記載のコレクタ電極を有する電子管。

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