JP2010015814A - 電子銃構体およびマイクロ波管 - Google Patents

Abstract

【課題】動作時のカソードとグリッドの間の間隔の変化を抑制すると共に、高い安定性および信頼性を有する電子銃構体およびマイクロ波管を提供する。
【解決手段】電子銃構体の主要部１１は、例えば、電子を放出するカソード１、その前面に対向して配置したグリッド２、グリッド２の前方に配置のアノード３、カソード１を加熱するヒータ４を有している。そして、筒状の導電体から成りカソード１を支持するカソードスリーブ１０１の内周面がカソード１の外周端面を覆い、カソード１とグリッド２は、カソードスリーブ１０１の外周面より放射状に突き出た複数のグリッド支持舌片１０２と、グリッド２の縁端のグリッドフランジ２０４とが少なくとも絶縁層２０５を介して接合され一体型構造になっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子ビームを放出するカソードとアノードとの間に置かれて上記電子ビームを制御するグリッドを有する直線ビーム機器の電子銃構体およびこれを用いたマイクロ波管に関する。

例えばクライストロンや進行波管などの直線ビームを利用して、高周波ＲＦ信号を生成したり、増幅したりするマイクロ波管がよく知られている。この電子管は、電子を放出するカソードと、このカソードから間隔を置いて配置されたアノードと、電子を捕獲するコレクタとを少なくとも具備している。ここで、電子ビームを放出する電子銃は通常ピアス型となっている。そして、アノードは中心に開口を有していて、湾曲状カソードとアノードとの間に高電圧を印加すると、アノードの開口部を通過する電子ビームが得られる。

これに対し、例えばＩＯＴ（誘導出力増幅管）と呼ばれる種類の直線ビームを用いたマイクロ波管では、上述したようなカソードとアノードで構成される相互作用領域にグリッドが配置されている。このグリッドにＲＦ信号を印加することにより電子ビームを密度変調することができる。密度変調されたビームはアノードにより加速されてから、ＩＯＴ内の下流に設けられたギャップを横切って伝わるので、このギャップに結合している出力空洞に、増幅されたＲＦ電磁場が引き起こされる。この増幅されたＲＦ電磁場が、出力空洞部より導波管などにより取り出されることにより、ＩＯＴは増幅器として機能する。

ところで、上記ＩＯＴにおいて、そのカソードは、一般に電子放射物質が含浸された多孔質タングステンで形成されており、９００℃ないし１１００℃範囲の高温度で動作するものである。そして、グリッドは、カソードに対して負の直流電圧が印加され、カソードからの電子ビームの放出量（以下、カソード電流ともいう）を制御するようになっている。ここで、上記カソードとグリッドは例えば数十ないし数百μｍと非常に近接して配置されるが、その間隔は電子ビームの制御すなわちカソード電流の制御上、非常に重要である。

一般的にグリッドのカソード電流に対するカットオフ電圧は、上記カソードとグリッドの間隔の逆数に比例する。例えばカソードとグリッドとの間隔をコールドな状態（例えば室温）で１００μｍ程度に設定した場合、上記高温に昇温するカソードの熱膨張のためにその間隔が２０μｍ程度小さくなり、カットオフ電圧は２５％程度も小さくなる。このように、カソードの動作時の温度により上記間隔が大きく変化すると、電子ビームのグリッドによるＲＦ変調における安定した制御が難しい。

そこで、上記問題を解決する手法として、カソードとグリッドとをＰＢＮ（Pyrolytic Boron Nitride）の絶縁体から成る支持部材を用い機械的に結合させ、上記熱膨張によるカソード・グリッド間の間隔の変化を小さくする構造が提示されている（例えば、特許文献１参照）。ここで、支持部材は、キャップ頭部が欠截され円状にくり抜かれ、キャップ底部が第１のフランジとしてグリッド周縁と接合し、上記キャップ頭部が第２のフランジとしてカソード外周端面に設けた円環状溝に係合するようになっている。

しかしながら、上記支持部材は機械的強度を確保するためにその肉厚が比較的に大きいこと、および、その肉厚方向に直交する方向の熱伝導が大きいことから、高温動作のカソードからグリッドへと熱が流れ込み易い。ここで、カソードの熱は、支持部材の第２のフランジから第１のフランジの方向を通りグリッドへと流れる。なお、上記第２のフランジから第１のフランジの方向（以下、ａ方向ともいう）は、支持部材の肉厚方向（以下、ｃ方向ともいう）に直交する方向である。このように、グリッドはカソードの昇温により加熱され易くなっており、グリッドに付着した電子放射物質からの電子の熱放出が増加し、電子のグリッドエミッションが生じ易い。そして、グリッドによるＲＦ変調における安定した高精度の制御が難しいという不具合がある。

また、支持部材の第２のフランジがカソードの円環状溝に係合する姿態になっているため、上記熱伝達にばらつきが生じ易くグリッドの温度が不安定になり易い。更に、ＩＯＴを長時間使用していくと、カソードの熱膨張により第２のフランジが永久変形し、電子銃構体あるいはマイクロ波管の振動や衝撃によりグリッドが振動したり、位置ずれを引き起こし易く信頼性に難点がある。そして、場合によっては支持部材がカソードから外れてしまう虞もある。
米国特許第６，６６４，７２０号明細書

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、カソードを高温にすることによるカソードとグリッドの間の間隔の変化を抑制すると共に、高い安定性および信頼性を有する電子銃構体およびそれを用いたマイクロ波管を提供することを目的とする。更に、カソードとグリッド間の高い絶縁耐性を確保することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明にかかる電子銃構体は、電子を放出するカソードと、該カソードの前面に対向して配置されたグリッドと、前記カソードを加熱するためのヒータと、筒状の導電体から成り前記カソードを支持するカソードスリーブとを少なくとも具備する電子銃構体であって、前記カソードと前記グリッドは、前記カソードスリーブの外周面より放射状に突き出た導電体から成る複数の舌片と前記グリッドの縁端とが絶縁層を介して接合され一体型構造になっている。

また、本発明にかかるマイクロ波管は、カソードからアノードに向けて出射される電子ビームが、前記カソードと前記アノードの間に配置されたグリッドの高周波入力信号により密度変調され、前記密度変調された電子ビームからの電磁エネルギーが高周波出力信号として出力空洞に出力されるマイクロ波管であって、前記カソードおよび前記グリッドの一体型構造になった上記電子銃構体が備えられている構成になっている。

本発明によれば、カソードを高温にすることによるカソードとグリッドの間の間隔の変化を抑制すると共に、高い安定性および信頼性を有する電子銃構体およびそれを用いたマイクロ波管を提供することができる。そして、カソードとグリッド間の高い絶縁耐性が容易に確保される。

本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、図面において同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は一部省略する。

図１はＩＯＴの側断面図である。ＩＯＴは電子銃構体２０、ドリフト管３０、およびコレクタ４０を含む３つの部分からなっている。ここで、電子銃構体２０は、ＲＦ信号により密度が変調された電子ビームを提供する。また、電子銃構体２０は、詳細は後述するが、ＲＦ信号の入出力に結合するための高周波回路として利用される。

上記変調された電子ビームは、アノード電極板３１に電気的に接続する第１のドリフト管部分３２および第２のドリフト管部分３３からなるドリフト管３０を通過する。第１および第２のドリフト管部分３２，３３は、互いにギャップにより分離されていて、かつ軸方向に伸びたビームトンネルを有している。

第１および第２のドリフト管部分３２，３３等により形成された出力空洞３４は、その内部に出力カップリングコイル３５を有しており、変調された電子ビームからＲＦ電磁エネルギーを抽出する。そして、このＲＦ電磁エネルギーは接続端子３６から導波路を介してマイクロ波として出力端子側へ伝送されるようになっている。

コレクタ４０は、外装ハウジング（図示しない）に内蔵され、導体の内部構造体４１を有している。内部構造体４１は、ドリフト管３０を通過した電子ビームを捕獲する。内部構造体４１は、図１に示すように、１段のコレクタ電極であるが、複数のコレクタ電極により構成され、それぞれに、異なるコレクタ電圧のための電圧が提供される構造になっていてもよい。また、電子の衝突により発生する内部構造体４１の熱を取り除くための水冷や蒸発冷却の熱制御システムが設けられている。

図２は電子銃構体の主要部１１を拡大して示した側断面図である。この電子銃構体の主要部１１では、凹面に湾曲したカソード１、グリッド２が管軸ｍ方向に僅かなすき間で配置され、グリッド２の前方にアノード３が設けられている。ここで、カソード１とグリッド２はそれ等の外周領域において互いに接合され、グリッド・カソード一体型構造体になっている。なお、アノード３は図１に示すように第１のドリフト管部分３２と一体に構成されている。

上記グリッド・カソード一体型構造体をなすカソード１は、所定の曲率をもつ断面凹形状であって円形状に形成されたいわゆる含浸型カソードであり、そのポロシティが例えば２０％程度のポーラスタングステン基体の孔部に電子放射物質の含浸された構造になっている。この電子放射物質としては、酸化バリウム、酸化カルシウム、あるいは酸化アルミニウム等の金属酸化物が用いられる。そして、含浸型のカソード１の凹面の電子放射表面は、その仕事関数を低減させるため、イリジウム金属薄膜、あるいはオスミウム−ルテニウム合金薄膜が例えばスパッタリング法でコーティングされている。ここで、カソード１の直径は例えば２０ｍｍ程度である。

そして、図２および図３に示されるように、カソード１の外周端面に円筒状のカソードスリーブ１０１が取り付けられている。ここで、図３は本実施形態にかかるカソードの平面図である。このカソードスリーブ１０１は、モリブデン、あるいはレニウム−モリブデン合金でできている。カソード１とカソードスリーブ１０１は、例えばモリブデン−ルテニウム合金のような高融点ロウ材で接合されている。ここで、その詳細は後述されるが、カソードスリーブ１０１は、カソード１の外周端面を被覆し、カソード１の前面とカソードスリーブ１０１の前端面が管軸ｍ方向にほぼ同位置にくるように接合されている。

更に、グリッド支持舌片１０２が、カソードスリーブ１０１の外周面に円周方向で等間隔に例えば４個の舌片として取り付けられている。このグリッド支持舌片１０２は、例えば、その材質がモリブデンであり厚さ０．１５ｍｍ、幅１．５ｍｍのＬ字型の形状をしている。そして、そのＬ字の一辺がカソードスリーブ１０１の外周面にモリブデン−ルテニウム合金のような高融点ロウ材で接合され、その他片が管軸ｍに直交する方向にカソード１の外周端面の辺りから放射状に延出している。

そして、カソード１の後面側に例えばタングステン線あるいはレニウム−タングステン合金線により構成されたヒータ４が配置されている。このヒータ４は、ヒータリード４ａと４ｂを通して供給されるヒータ電力により、カソード１を所定の高温度に加熱するようになっている。また、カソードスリーブ１０１は、その後端が高融点ロウ材によりフランジにロウ付けされ、そのフランジ部１２において支持筒１３および反射板１４に対し溶接されている。

ここで、支持筒１３および反射板１４は例えばモリブデンから成り、反射板１４はヒータ４からの熱を効率よくカソード１へ与える役目をする。そして、ヒータリード４ａは、絶縁部材１５において反射板１４と絶縁分離しこの反射板１４を貫通し、リード管１６内を通って円筒状のカソード支持体１７外部へ延出するようになっている。一方のヒータリード４ｂは反射板１４に電気的に接続される。

次に、グリッド・カソード一体型構造体をなすグリッド２は、図２、図４および図５に示されるような構造になっている。ここで、図４および図５はそれぞれグリッドの平面図および断面図である。

グリッド２は、図４および図５に示されるように、その内周部がカソード１前面の電子放射面曲率と同じような断面凹形状であって平面円形状に形成された構造になっている。そして、この内周部は例えば蜘蛛の巣状であり、カソード１前面に対向する領域において、電子ビームを通過させるための開口部２０１が設けられた構造になっている。一方、グリッド２の外周部は、電子ビームを通過させる開口部２０１がなく、管軸ｍの前方向に湾曲し、所定のところで突起部２０２を有し、その周縁が管軸ｍの後方向に屈曲した円筒屈曲部２０３を有する構造になっている。そして、例えば４個のグリッドフランジ２０４が円筒屈曲部２０３の縁端から管軸ｍに直交する方向に放射状に出ている。なお、これ等の基材は例えばパイロリティック・グラファイト（ＰＧ、Pyrolytic Graphite）のような高耐熱性の導電体から成る。

そして、グリッドフランジ２０４の下面（後面）にパイロリティック・ボロンナイトライド（ＰＢＮ）より成る絶縁層２０５が形成され、絶縁層２０５表面に例えばモリブデン等から成るグリッド固定片２０６が取り付けられている。また、例えば１つのグリッドフランジ２０４の上面にフレキシブルなニッケル線２０７が取り付けられ、グリッド２は、図２に示されるウェネルト電極１８に電気的に接続している。

上記グリッド２は、以下のようにして形成するとよい。例えば、グリッドの金型となるグラファイト製マンドレルをＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置の反応炉内に取り付ける。そして、反応炉内を高真空にして炉内温度を１８００℃ないし２０００℃に上昇させる。この状態で原料ガスとして例えばメタン（ＣＨ_４）ガスを反応炉内に導入すると、原料ガスが熱分解してマンドレル上にパイロリティック・グラファイト（ＰＧ）層が気相成長する。ここで、ＰＧ層の厚さは１３０μｍ程度である。このようにして、開口部２０１がなく突起部２０２、円筒屈曲部２０３およびグリッドフランジ２０４が一体のグリッド基体が形成される。

引き続いて、ＣＶＤ装置を用いてグリッドフランジ２０４の下面にＰＢＮから成る絶縁層２０５を形成する。この絶縁層２０５の形成では、グリッドフランジ２０４の下面以外はグラファイト製冶具でマスキングしておき、原料ガスとしてＢＣｌ_３（三塩化ボロン）ガスとＮＨ_３（アンモニア）ガスを反応炉内に導入する。そして、これ等の原料ガスの熱分解によりＰＢＮ層を気相成長させる。このようにして、例えば２５０μｍ程度になる所要膜厚の絶縁層２０５を形成する。

次に、上記グリッド基体の穴あけ加工により開口部２０１を形成する。穴あけ加工としては、レーザ加工、放電加工、あるいは切削加工等が用いられる。そして、グリッドフランジ２０４の上面にニッケル線２０７を取り付ける。この取り付けでは、グリッドフランジ２０４の上面にニッケル線２０７を冶具を用いてセットし、いわゆる水素雰囲気中、１２５０℃温度での活性金属法により固着させる。このニッケル線２０７はグリッド２に直流の負バイアス電圧を印加するためのリード線である。

次に、グリッド固定片２０６を取り付ける方法について述べる。例えば厚さ０．１ｍｍ程度のモリブデンの片面にニッケル粉末を有機性バインダで混練したペーストをスクリーン印刷法で塗布する。その後に、大気中１５０℃ないし２００℃で乾燥させてから、所定の冶具を用い、グリッド固定片２０６を絶縁層２０５の下面に有機性バインダを介在させ重ね合わせる。この重ね合わせたものを真空加熱炉に入れ、高融点ロウ材を用い温度１２５０℃でロウ付けする。ここで、好適な高融点ロウ材としてはニッケルおよびチタン−クロム系合金が挙げられる。このようなロウ材は、電子ビームを放出するためカソード１が動作して高温になる場合において、絶縁層２０５の絶縁性劣化を極めて小さくする。ここで、チタン−クロム系合金のロウ材を用いる場合は真空中１４５０℃でロウ付けする。

そして、グリッド・カソード一体型構造体の形成では、上記グリッド固定片２０６とグリッド支持舌片１０２とをアーキング法により溶接する。この溶接作業により、カソード１とグリッド２とは強固に結合した一体型構造体になる。

そして、図２に示されるように、ウェネルト電極１８がカソード支持体１７に入力空洞インシュレータ１９を介して管軸ｍ方向に組み立てられ固定される。更に、ウェネルト電極１８にニッケル線２０７がレーザ溶接方法により接続される。

次に、上記グリッド・カソード一体型構造体の構造について図６を参照して詳細に説明する。図６は本実施形態にかかるグリッド・カソード一体型構造体の接合部を示す一部拡大断面図である。図６に示されるように、例えば、コールドな状態において、カソード１の直径ａは２０ｍｍの場合、その肉厚ｂは１．５ｍｍ程度になる。そして、このカソード１の外周端面１０３を被覆してカソードスリーブ１０１が取り付けられる。ここで、カソードスリーブ１０１の肉厚ｃは０．１ｍｍ程度である。また、カソードスリーブ１０１の前端面はカソード１の外周端面１０３の前面と連続した曲面を有していると好適である。

そして、Ｌ字型のグリッド支持舌片１０２の一辺１０２ａがカソードスリーブ１０１の外周面に接合されている。ここで、カソードスリーブ１０１の前端面からの高さｄがカソード１の肉厚の半分の０．７５ｍｍ程度になるところで、グリッド支持舌片１０２の他辺１０２ｂが管軸ｍに直交する方向に放射状に延出している。

また、コールドな状態において、グリッド２の肉厚ｅは０．１３ｍｍ程度であり、グリッド２のカソード１前面との間の間隔ｆは０．１３ｍｍ程度にされて、カソード１とグリッド２は一体型構造に結合されている。この場合の結合は、上述したようにグリッド支持舌片１０２の他片１０２ｂへのグリッド固定片２０６の接合によりなされている。ここで、絶縁層２０５の厚さｇは０．２５ｍｍ程度にされ、グリッド固定片２０６の肉厚ｈは０．１ｍｍ程度である。

上記グリッド・カソード一体型構造体において、絶縁層２０５は、グリッド２とカソード１を電気的に絶縁する。ＩＯＴの場合、グリッド２とカソード１の間には通常１００Ｖの直流バイアス電圧が印加される。絶縁層２０５の材質はＰＢＮであり、耐電界強度は２×１０^５Ｖ／ｍｍである。このため、先述したような厚さの絶縁層２０５は５×１０^４Ｖの充分な耐電圧を有することになり極めて好適である。

上記ＰＢＮから成る絶縁層２０５の厚さは、上記電気的な絶縁性を確保する上から０．１５ｍｍ〜０．６５ｍｍの範囲にするとよい。グリッド固定片２０６をニッケルあるいはチタン−クロム合金のような高融点ロウ材を用いてロウ付けするときに、高融点ロウ材の表面からの内部拡散が最大０．０５ｍｍ発生する場合がある。このため、絶縁層２０５の厚さは０．１５ｍｍ以上であることが好ましい。絶縁層の厚さが０．１５ｍｍでロウ材の表面からの拡散を０．０５ｍｍとすると、絶縁層の実質的な絶縁厚さは０．１ｍｍとなり、この場合でも耐電圧は２×１０^４Ｖであり、グリッド・カソード間の電圧１００Ｖに対し２００倍の耐電圧特性を有する。そして、高い信頼性のグリッド・カソード一体型構造体が確保される。

一方、絶縁層２０５は厚ければ厚いほどよいが、ＰＢＮはＣＶＤ法で成膜されることから、膜厚が増大すると絶縁層２０５の作製に長時間を要しコストアップになる。このため、製造コスト的に考えてＰＧから成るグリッドの厚さの約５倍の０．６５ｍｍが上限となる。また、後述するようにカソード１とグリッド２間には数千ＭＨｚから数ＧＨｚの高周波電力が入力信号として与えられる。ＰＢＮの比誘電率は５．２であるため、絶縁層２０５の膜厚が増大しその占める体積が大きすぎると、この部分で電界分布に乱れが生じ易くなる。この点から考えても絶縁層２０５の厚さは０．６５ｍｍ以下であることが好ましい。

上記グリッド・カソード一体型構造体を用いた電子銃構体２０から電子ビームを出射する場合、カソード１は９００℃ないし１１００℃の範囲の高温で動作する。このような高温になると、カソード１中の電子放射物質を構成する例えばバリウムのようなアルカリ土類金属がカソード１から蒸発する。そして、この蒸発した金属が絶縁層２０５表面に付着し、カソード１とグリッド２間の絶縁性を劣化させる。

図６に示したように、カソード１の外周端面１０３を被覆するように接合したカソードスリーブ１０１は、この外周端面１０３からの電子放射物質を構成するバリウムなどの金属の蒸発を効果的に抑制する。また、カソード１の前面から蒸発した上記金属は、カソードスリーブ１０１の前端面において表面拡散しその外周面に達し、外周面に達した金属が蒸発して絶縁層２０５表面に付着する。この付着経路をなくするためには、カソードスリーブ１０１の肉厚は０．０５ｍｍ以上が好ましい。

また、グリッド２の周縁に形成された円筒屈曲部２０３の管軸ｍ方向の長さ（周縁段差）は０．４ｍｍ程度になると好適である。この周縁段差は、図６から判るように、カソード１前面から蒸発する金属等の導電体物質を絶縁層２０５から効果的に遮蔽するように作用する。例えば、上記グリッド２の周縁に設けた周縁段差が、絶縁層２０５側から見てカソード１の前面が全く視野に入らないように構造にすることで、カソード１前面から蒸発したカソード１を構成する導電体物質が絶縁層２０５に飛翔し付着するのを抑制するようになる。

また、図９に示すように、カソードから蒸発したバリウムなどの金属が絶縁層２０５に付着するのを防止する構造としてカソード１外周と絶縁層２０５間に板状遮蔽体１０４を配置することができる。絶縁層２０５が板状遮蔽体によりカソードから見た視野の影になり、飛翔してきた蒸発金属の付着を避けることができる。板状遮蔽体１０４はモリブデンやレニウム合金で形成され、グリッド支持舌片１０２にレーザ溶接やろう付けで接合される。

図１に示されるように、上述したグリッド・カソード一体型構造体を有する電子銃構体２０にあって、電子銃構体の主要部１１で説明したカソード支持体１７の底部が円盤状の絶縁板２１により閉じられ、リード管１６からヒータ端子２２が取り出されるようになっている。そして、外周シリンダ２３および内周シリンダ２４が電子銃構体の主要部１１を収容し同軸に配置されている。これ等のシリンダの間隙が入力ＲＦ信号の導波路となり、入力空洞にある入力カップリングコイル２５から入力空洞インシュレータ１９を通りグリッド２へと伝送されるようになっている。ここで、外周シリンダ２３は電子銃構体２０の外装ハウジングを提供する。

上記電子銃構体の主要部１１および内周シリンダ２４は、その間に取り付けられる環状のスペーサにより互いに強固に保持される。同様に、外周シリンダ２３と内周シリンダ２４も、それ等の間に適宜に取り付けられる環状のスペーサにより互いに強固に保持される。これ等の各種のスペーサは例えばセラミックスである絶縁体あるいは例えば銅のような導電体から成る。

また、上記入力ＲＦ信号のグリッド２までの導波路では、ＲＦ信号が伝送される円筒状の第１のインシュレータ２６が、電子銃構体の主要部１１および内周シリンダ２４の間に介挿される。そして、電子銃構体２０とドリフト管３０は、円筒状の第２のインシュレータ２７により同軸上に固持されるようになっている。ここで、第２のインシュレータ２７はＩＯＴのための真空室を提供する。これ等のインシュレータ１９，２６，２７は例えばセラミックスのようなＲＦ透過材料から成る。

図１に示したようなＩＯＴにおいて、導電体から成るカソード支持体１７に、絶縁された外皮つきの導線（図示せず）が接続され、支持筒１３およびカソードスリーブ１０１を通し、カソード電圧源（図示せず）からカソード１に所要の負の直流電圧が印加させる。また、ウェネルト電極１８の所定の箇所にバイアス電圧が印加される。そして、ヒータ４に対しヒータ端子２２からバイアス電圧が印加され、上述したようにヒータリード４ａと４ｂを通して適宜のヒータ電力が供給される。なお、コレクタ４０の内部構造体４１は接地電位に固定される。

このようにして、ＩＯＴに所要の電力が供給され、カソード１から出射する電子ビームはグリッド２入力のＲＦ信号によりその密度が変調される。そして、上述したように、ドリフト管３０において、変調された電子ビームからＲＦ電磁エネルギーが抽出され、上述したように接続端子３６から導波路を介して出力ＲＦ信号のマイクロ波として出力端子に取り出される。

本実施形態のグリッド・カソード一体型構造体を有する電子銃構体２０における効果について図２、図７および図８を参照して説明する。ここで、図７は従来技術における電子銃構体の主要部を拡大して示した側断面図である。この電子銃構体の主要部は、カソードとグリッドが一体型構造になっていない点を除くと、その材質、構造および寸法が本実施形態の場合と同じとする。そして、図８は本実施形態の電子銃構体の効果の説明に供するグラフである。

本実施形態ではグリッド・カソード一体型構造体を用いることにより、ヒータ４の点火によるカソード１とグリッド２間の間隔の変化を最小限に抑えることができる。図２および図７を比較して本実施形態のグリッド・カソード一体型構造体を有する構造の電子銃構体の作用効果について説明する。

はじめに、図７を用いて従来構造の熱膨張によるカソード・グリッド間の間隔の変化について述べる。ヒータ４を点火することにより、カソード１、カソードスリーブ１０１および反射板１４が加熱される。その後カソードスリーブ１０１および反射板１４の熱は主に熱伝導により支持筒１３へ伝わる。更にこの熱はカソード支持体１７へ主に熱伝導により伝わる。

一方、カソード１表面からの熱はグリッド２へ輻射熱として伝わる。グリッド２はウェネルト電極１８に固定ネジ２０８を用いて固着されているため、グリッド２の熱はウェネルト電極１８へ熱伝導により伝わる。またウェネルト電極１８はカソードスリーブ１０１からの輻射熱を受ける。

そして、ヒータ４が動作した後の熱安定になった状態におけるカソード１とグリッド２間の間隔の変化は、図７に記したＸ点を基準として考えると、図中の実線矢印に示した熱膨張による伸張２０９の積算と点線矢印に示した熱膨張による伸張２１０の積算の差で決まる。この熱膨張によるカソード１およびグリッド２間の間隔変化について、実際のＩＯＴ動作でのエミッション特性の時間的変化を調べ図８に示した。図７に示す構造の従来技術の場合、図８の結果よりカソード電流はヒータ点火後１２分までは、カソード電流が増加し続ける。そして、カソード電流のピーク値を示した後は徐々にカソード電流は低下し安定状態に移る。この安定状態になるまでの時間はほぼ２５分程度でなる。

これに対して、本実施形態の場合は、ヒータ４の点火により、カソード１、カソードスリーブ１０１および反射板１４は従来構造と同じような熱伝達形態で温度上昇する。熱膨張の形態も従来とほぼ同様である。ところが、本実施形態の場合、グリッド・カソード間隔の変化に関与する部分は、上記Ｘ点を基準として、カソード１の一部分の熱膨張による伸張と、グリッド固定片２０６、絶縁層２０５およびグリッド２の熱膨張による伸張との差である。しかし、グリッド固定片２０６と絶縁層２０５の厚さは比較的に薄いこともあり、管軸ｍ方向における上記伸張差は極めて小さくすることができる。

ここでは、ウェネルト電極１８および入力空洞インシュレータ１９の熱膨張はグリッド・カソード間隔の変化に関与しない。これは、グリッド２に電気的に接続するニッケル線２０７が柔軟性を有し、ウェネルト電極１８および入力空洞インシュレータ１９の熱膨張による伸張がグリッド２に全く伝わらない構造になっているからである。

このため、図８の本実施形態の場合に示すようにカソード電流は、ヒータ点火後５分で安定する。このようにグリッド・カソード一体型構造体にすることにより、ＩＯＴ動作においてカソード電流を短時間で安定化させることが極めて容易になり、その速動性が向上する。

また、電子銃構体２０におけるグリッド２は、電子のグリッドエミッションを防止するため高温になることを極力避けることが望まれる。本実施形態のグリッド・カソード一体型構造体の場合には、グリッド２の温度上昇が抑制される。上述したように、カソード１からの輻射熱はグリッド２を加熱する。この輻射による熱量は本実施形態の構造でも従来技術の構造でも同量である。ところが、本実施形態の構造の場合は、カソードスリーブ１０１からの熱がグリッド支持舌片１０２を通ってグリッド２のグリッドフランジ２０４へ熱伝導により伝わる構造になっている。

しかし、この熱伝導の経路において絶縁層２０５を構成しているＰＢＮは、その気相成長における堆積方向が熱伝導の小さいｃ方向になる。このため、上記熱伝導は大きく抑制される。因みにＰＢＮのＣＶＤでは、ｃ方向の熱伝導率はａ方向のそれの略１／３５と大幅に低減する。

更に、本実施形態の構造では、４個のグリッド支持舌片１０２がヒートダムとなって熱を放散することから、グリッド２の過熱が防止される。

上記実施形態においては、グリッド支持舌片１０２とグリッド固定片２０６が同じ材質のモリブデンから成る場合には、グリッド固定片２０６を削除するようにしてもよい。但し、この場合には、グリッド支持舌片１０２は、グリッド固定片２０６の取り付けの場合と同様にして絶縁層２０５にロウ付けされる。そして、このグリッド支持舌片１０２のカソードスリーブ１０１の外周面へのロウ付けによる接合により、カソード１とグリッド２は結合して一体型構造になる。

上記実施形態においては、グリッド・カソード一体型構造体の接合部は種々に変形したものであっても構わない。例えば、図６に示した接合部の構造にあって、グリッド支持舌片１０２の他辺１０２ｂが管軸ｍに直交しない所定角度の方向に放射状に延出し、それに合わせて円筒屈曲部２０３、グリッドフランジ２０４が変形していても構わない。

本実施形態では、例えばＩＯＴのようなマイクロ波管の電子銃構造体に上述したようなグリッド・カソード一体型構造体を用いることにより、ヒータ点火後の電子銃構造体の各部材の熱膨張によるグリッド・カソード間の間隔の変化が容易に抑制できる。このため、マイクロ波管および電子銃構造体において高い速動性を有し安定した動作が可能になる。

そして、グリッドがカソードの昇温により過熱され難い構造になっていることから、グリッドに付着した電子放射物質からの電子の熱放出が低減し、電子のグリッドエミッションが抑制される。このために、マイクロ波管の動作において、グリッドによるＲＦ変調における安定した高精度の制御が可能になる。

また、グリッドとカソード間の間隔の設定が電子銃構造体の各部材であるウェネルト電極、カソードスリーブ、支持筒、入力空洞インシュレータ、カソードおよびカソード支持体などの加工寸法のばらつきおよび組み立ての影響を受け難い。このため、電子のエミッション特性において均一性に優れた電子銃構体が製造できる。

更に、グリッドとカソードが強固に結合した構造になることから、従来技術で説明したような電子銃構体あるいはマイクロ波管の振動や衝撃によるグリッドの振動、位置ずれ、あるいは部材の位置変位等の問題は無くなる。そして、グリッドとカソード間の絶縁耐性は高く維持できることから、電子銃構体の長時間使用が容易になる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものでない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。

例えば、本実施形態のＩＯＴにおいて、電子銃構体２０としてグリッド２へのＲＦ信号の入力回路となる部分が取り込まれて示されているが、本発明の電子銃構体は、少なくともカソード、グリッドおよびカソードを加熱するヒータを含み、電子ビームを出射する構造になっていればよい。

また、本実施形態のグリッド・カソード一体型構造体では、カソードおよびグリッドの接合部（グリッド支持舌片およびグリッド固定片）がグリッドスリーブ外周面の円周方向に９０°の等間隔に取り付けられているが、これ等の接合部は熱伝導上問題のない範囲の複数個であっても構わない。

あるいは、本実施形態ではグリッド２の材質をＰＧとしたが、モリブデン、レニウム−モリブデン合金、タンタル、ニオブ、タングステンなどの高融点金属およびこれ等の合金であってもよい。また、絶縁層はＰＢＮの替わりにアルミナ等で形成してもよい。

また、本実施形態ではカソードを含浸型カソードとして説明したが、このカソードは酸化物カソードであってもよい。

更に、本発明は、ＩＯＴについて説明しているが、グリッド付きのクライストロンや進行波管の場合であっても同様に適用できる。あるいは、その他の直線ビーム機器、例えば電子加速器における電子インジェクタ等にも適用できることに言及しておく。

本発明の実施形態を説明するための誘導出力増幅管の概略の側断面図である。 本発明の実施形態にかかる電子銃構体の主要部を拡大して示した側断面図である。 本発明の実施形態にかかるカソードの平面図である。 本発明の実施形態にかかるグリッドの平面図である。 本発明の実施形態にかかるグリッドの断面図である。 本発明の実施形態にかかるグリッド・カソード一体型構造体の接合部を示す一部拡大断面図である。 従来技術における電子銃構体の主要部を拡大して示した側断面図である。 本発明の電子銃構体の効果の説明に供するグラフである。 本発明の変形例を示す一部拡大断面図である。

符号の説明

１…カソード，１０１…カソードスリーブ，１０２…グリッド支持舌片，２…グリッド，２０１…開口部，２０２…突起部，２０３…円筒屈曲部，２０４…グリッドフランジ，２０５…絶縁層，２０６…グリッド固定片，２０７…ニッケル線，２０８…固定ネジ，２０９，２１０…熱膨張による伸張，３…アノード，４…ヒータ，１１…電子銃構体の主要部，１２…フランジ部，１３…支持筒，１４…反射板，１５…絶縁部材，１６…リード管，１７…カソード支持体，１８…ウェネルト電極，１９…入力空洞インシュレータ，２０…電子銃構体，２１…絶縁板，２２…ヒータ端子，２３…外周シリンダ，２４…内周シリンダ，２５…入力カップリングコイル，２６…第１のインシュレータ，２７…第２のインシュレータ，３０…ドリフト管，３１…アノード電極板，３２…第１のドリフト管部分，３３…第２のドリフト管部分，３４…出力空洞，３５…出力カップリングコイル，３６…接続端子，４０…コレクタ，４１…内部構造体

Claims (9)

1. 電子を放出するカソードと、該カソードの前面に対向して配置されたグリッドと、前記カソードを加熱するためのヒータと、筒状の導電体から成り前記カソードを支持するカソードスリーブとを少なくとも具備する電子銃構体であって、
   前記カソードと前記グリッドは、前記カソードスリーブの外周面より放射状に突き出た導電体から成る複数の舌片と前記グリッドの縁端とが絶縁層を介して接合され一体型構造になっていることを特徴とする電子銃構体。
2. 前記グリッドはパイロリティック・グラファイトから成ることを特徴とする請求項１に記載の電子銃構体。
3. 前記絶縁層はパイロリティック・ボロンナイトライドから成ることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子銃構体。
4. 前記絶縁層の厚さは０．１５ｍｍから０．６５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項３に記載の電子銃構体。
5. 導電体から成るグリッド固定片がニッケルあるいはチタン−クロム系合金のロウ材により前記絶縁層にロウ付けされ、前記ロウ付けされたグリッド固定片が前記舌片に溶接され接合していることを特徴とする請求項３又は４に記載の電子銃構体。
6. 前記グリッドの縁端に形成された前記絶縁層は、その厚さ方向に直交する面が前記舌片あるいは前記グリッド固定片とロウ付けされていることを特徴とする請求項３ないし５のいずれか一項に記載の電子銃構体。
7. 前記カソードの外周端面を被覆する前記カソードスリーブの肉厚が０．０５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の電子銃構体。
8. 前記グリッドは、その外周部から縁端にかけて屈曲し、前記ヒータの加熱により前記カソードの前面から導電体物質が蒸発し飛翔して前記絶縁層に付着するのを抑制する構造になっていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載の電子銃構体。
9. カソードからアノードに向けて出射される電子ビームが、前記カソードと前記アノードの間に配置されたグリッドの高周波入力信号により密度変調され、前記密度変調された電子ビームからの電磁エネルギーが高周波出力信号として出力空洞に出力されるマイクロ波管であって、
   前記カソードと前記グリッドが一体型構造になった請求項１ないし８のいずれか一項に記載の電子銃構体が備えられていることを特徴とするマイクロ波管。

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