JP2010015815A - 電子管用カソード構体 - Google Patents

Abstract

【課題】電子銃のカソードの速動性が容易に向上する電子管用カソード構体を提供する。
【解決手段】電子銃においては管軸ｍを軸中心としてカソード１１、その前方のアノード１２が取り付けられ、カソード１１の後方にカソードを加熱するヒータ１３が配置されている。そして、ヒータ１３を支持するヒータ支持用部材１６ヒータ１３からの熱を反射しカソード１１を効率的に加熱するための反射筒１７が取り付けられ、固定部材１８によりヒータ支持用部材１６は反射筒１７に固定されている。ここで、ヒータ支持用部材１６は多孔質セラミックス、繊維質材料含有セラミックス、あるいはＰＢＮにより形成されている。
【選択図】図９

Description

本発明は、電子ビームを放出するカソードと該カソードを加熱するヒータを有する電子銃に使用される電子管用カソード構体に関する。

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、断面凹形状の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。このような電子銃についてはこれまで種々のものが提示されている（例えば、特許文献１参照）。

以下、クライストロンに使用される電子銃を例にとり、電子管用カソード構体について図９を参照して説明する。図９は電子銃構体の一例を示した側断面図である。

図９に示されるように、通常、電子銃においては管軸ｍを軸中心としてカソード１１、その前方のアノード１２が取り付けられ、カソード１１の後方にカソードを加熱するヒータ１３が配置されている。ここで、カソード１１としては、所定の曲率をもつ断面凹形状であって平面円形状に形成されたいわゆる含浸型カソードや酸化物カソードが用いられる。含浸型カソードの場合、気孔率（ポロシティ）が約２０％の多孔質タングステン基体の孔部に電子放射物質が含浸される。そして、電子放射物質は酸化バリウム、酸化カルシウム、酸化アルミニウムの混合物が用いられる。

上記カソード１１は、その外周端面が円筒状のカソードスリーブ１４の前端で強固に保持され、カソードスリーブ１４の後端が円環状のフランジ部材１５に溶接され支持されるようになっている。このカソードスリーブ１４は薄肉のモリブデンやレニウム・モリブデン合金から成る。ここで、カソード１１とカソードスリーブ１４はモリブデン・ルテニウム合金のようなロウ材で接合されている。また、フランジ部材１５は導電体から成り例えばモリブデンで構成される。

上記ヒータ１３は、その詳細は後述されるが、タングステン線やレニウム・タングステン線から成り渦巻きコイル状に形成されている。そして、コーン状に配置されたセラミックス製のヒータ支持用部材１６がその孔部を通してヒータ１３を支持している。ここで、従来技術では、上記ヒータ支持用部材１６は緻密質構造のアルミナのようなセラミックスで構成されている。

そして、上記ヒータ１３やヒータ支持用部材１６は、例えば有底円筒状の反射筒１７内に収容され、導電体から成る固定部材１８により反射筒１７内に固定されている。ここで、固定部材１８は、反射筒１７と共にモリブデンやレニウム・モリブデン合金から成り、ヒータ支持用部材１６を固持し反射筒１７内壁に接合している。また、この反射筒１７はカソードスリーブ１４内にあって、ヒータ１３がカソード１１の後方の所定のところに位置するように取り付けられている。

そして、線状のヒータ１３の一端は、反射筒１７の底部から延出する第１のヒータリード１９ａにつながっている。この第１のヒータリード１９ａは、例えばモリブデン等の導電体から成るカソード支持筒２０の前端のフランジおよび上述したフランジ部材１５の穴部に取り付けられた絶縁性のヒータガイド２１を通して、カソード支持筒２０内に取り出される。ここで、カソード支持筒２０の前端のフランジとフランジ部材１５は溶接されている。

また、ヒータ１３の他端は、反射筒１７の底部から延出する第２のヒータリード１９ｂにつながっている。この第２のヒータリード１９ｂも上述したカソード支持筒２０の前端のフランジおよびフランジ部材１５に設けた別の穴部の絶縁性のヒータガイド２１を通して、カソード支持筒２０内に取り出される。そして、この第２のヒータリード１９ｂは、カソード支持筒２０の内面に溶接されている。

一方、第１のヒータリード１９ａは、支持筒２０内部に延在するリード支持部材２２に電気接続している。そして、上記支持筒２０の後端が筒状のカソード支持体２３と接合し、そのカソード支持体２３の拡径したところで円盤状の絶縁板２４により閉じてある。そして、上記リード支持部材２２は絶縁板２４を貫通しヒータ端子２５に接続して、支持筒２０およびカソード支持体２３の外部に取り出されるようになっている。ここで、カソード支持体２３の外周面はカソード端子２６が接合している。絶縁板２４はヒータ端子２５とカソード端子２６を電気的に絶縁する。

そして、カソード１１は、カソードスリーブ１４、フランジ部材１５、支持筒２０およびカソード支持体２３によりカソード端子２６に電気接続する。また、カソード１１から放出される電子ビームを集束する例えばステンレス製のウェネルト電極２８も、支持筒２０およびカソード支持体２３によりカソード端子２６に電気接続しカソード１１と同電位の構造になる。そして、例えばセラミックス製の筒状絶縁体から成る絶縁体シェル２７がアノード１２とカソード端子２６を互いに絶縁し保持している。

上記電子銃構体において、カソード１１、ヒータ１３、ヒータ支持用部材１６を少なくとも含むものをカソード構体という。ここで、反射筒１７、ヒータ支持用部材１６を反射筒１７に固定する固定部材１８あるいはヒータリード１９（１９ａ、１９ｂ）等が含まれても構わない。
特開２００６−１２７８９９号公報

上記電子銃では、ヒータ１３の加熱によるカソード１１の温度は、使用される電子管により種々の値に設定されが例えば９００〜１１００℃にされカソード１１より電子が放出される。そして、数十ｋＶ〜数百ｋＶの高電圧がカソード１１とアノード１２間に印加され、カソード１１より放出された電子は、ウェネルト電極２８の集束作用を受け電子ビームとして、アノード１２の開口部へ走行する。ここで、カソード・アノード間の高電圧は直流電圧あるいはパルス電圧であり、電流密度にして７Ａ／ｃｍ^２程度の電子ビームが出射する。

この電子銃は、カソード１１の温度が安定し、電子ビームの電流密度が安定した空間電荷制限領域で動作させる必要がある。カソード１１の温度は、ヒータ１３への電力入力後に徐々に上昇し、ヒータ１３からカソード１１への熱放射および熱伝導により定常状態に達して安定化する。そして、ヒータ１３への電力供給からカソード温度の安定化までに要する時間は、カソード１１の温度が高くなるほど長くなるが、従来の電子銃にあってはカソード温度が９５０℃の場合に例えば１０分程度になっていた。

ところが、近年、電子管の搭載された装置の立ち上げ時間を短縮する要望が強くなっている。上述したように、カソード温度が安定し電子管が動作するまで所定の時間が必要になることから、例えば緊急対応設備においては、電子銃のヒータを常に予備加熱しておく必要があり、その不便さが指摘されている。このため、電子銃のカソードの速動性の向上が強く望まれていた。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、電子銃のカソードの速動性が容易に向上する電子管用カソード構体を提供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管用カソード構体は、電子を放出するためのカソードと、カソードを加熱するためのヒータと、ヒータを固定するための絶縁体から成るヒータ支持用部材とを少なくとも具備する電子管用カソード構体において、ヒータ支持用部材が、多孔質セラミックス、繊維質材料含有セラミックス、あるいはパイロリティック・ボロンナイトライドからなる構成になっている。

本発明によれば、電子銃のカソードの速動性が容易に向上する電子管用カソード構体を提供できる。また、カソードを加熱するヒータ構体の熱的および機械的強度が充分に確保され、あるいは上記カソード構体の長寿命化が容易になる。

以下、本発明の好適な実施形態について図９、図１ないし図３を参照して説明する。図１は電子管用のヒータ構体をアノード１２側から見た平面図であり、図２は図１の反射筒１７の側部を欠截して上記ヒータ構体を示した側面図である。そして、図３はコーン状に配置されたヒータ支持用部材１６がその孔部を通してヒータ１３を支持する様子を模式的に示す斜視図である。ここで、ヒータ構体は、電子管用カソード構体からカソード１１、カソードスリーブ１４あるいはウェネルト電極２８を除いたもので、ヒータ１３、ヒータ支持用部材１６および反射筒１７が少なくとも含まれる。

図１ないし図３に示すように、例えば１ｍｍ程度に薄い板厚でほぼ短冊状に外形加工した４個のヒータ支持用部材１６が、管軸ｍを中心として半径方向に延在し、９０°回転対称に配置される。この４個のヒータ支持用部材１６は、それぞれ反射筒１７内で所定角度に立設され、その上端が固定部材１８により反射筒１７上方の内壁に固定され、その下端が反射筒１７の底部に固持されている。

そして、タングステン線やレニウム・タングステン線から成る１本のヒータ１３が、ヒータ支持用部材１６に設けた孔部１６ａを通って支持され、渦巻きコイル状に形成されている。ここで、ヒータ１３は、その一端および他端がそれぞれ反射筒１７の底部に設けた第１の孔部１７ａおよび第２の孔部１７ｂから第１のヒータリード１９ａおよび第２のヒータリード１９ｂとして延出する。

このようにして、ヒータ支持用部材１６により支持されコーン状に捲回されたヒータ１３が、カソード１１の後方に近接して配置されカソードを加熱する。カソード１１は例えば凹球面の電子放射表面をもつ含浸型カソードであり、多孔質タングステン母体に電子放射物質を含浸させている。カソード裏面は凸球面状をなしており、コーン状のヒータが凸球面に沿って近接配置される。

本実施形態では、上記ヒータ支持用部材１６が多孔質セラミックス、繊維質材料を含有するセラミックスすなわち繊維質材料含有セラミックス、あるいはパイロリティック・ボロンナイトライド（Pyrolytic Boron Nitride；ＰＢＮ）により形成される。以下、ヒータ支持用部材１６に加工され形成される多孔質セラミックス、繊維質材料含有セラミックスおよびＰＢＮの材質について詳細に説明する。

（多孔質セラミックス）
多孔質セラミックスは、基材としてアルミナが好適であり、その気孔率が２０ないし５０％の範囲が好ましい。この多孔質アルミナおよびその気孔率の範囲ついては後述の実施例１において詳述される。なお、この気孔率はアルミナ基材に占める孔の体積％であって、例えば、緻密質アルミナに対する多孔質アルミナの密度比でもって算出される。ここで、基材としては酸化カルシウム、酸化シリコン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムあるいは酸化マグネシウム等が添加されたアルミナであってもよい。

ここで、アルミナセラミックス基材では、アルミナの純度は例えば９２％から９９．５％と要求される電子管用カソード構体の耐熱性により適宜に選択される。なお、上記耐熱性は電子管の用途により決まる。

多孔質セラミックスの基材は、その他に、アルミナ、窒化アルミナ、酸化シリコン、窒化シリコン、ベリリアからなる群より選択された少なくとも二種以上の材料から成る高耐熱性のセラミックスであってもよい。ここで、これ等のセラミックスは、電子管用カソードにおける加熱温度、真空蒸気圧、熱的および機械的強度等を勘案して決められる。そして、上記セラミックス基材には、アルミナの場合と同じように酸化カルシウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムあるいは酸化マグネシウム等が添加されていても構わない。

上記多孔質セラミックスは種々の方法により作製することができる。セラミックス気孔率の制御は通常、粉体を部品形状に成形するときのプレス圧および焼結温度で制御する。プレス圧を高くし、焼結温度を最大に設定することにより緻密質セラミックスを製作することができる。この緻密質セラミックスでは、焼固したセラミックス粒子間には粒界が存在するが、それ等の粒界には孔は存在しないように緻密にできあがっている。そこで、多孔質セラミックスの気孔率は、上記緻密質セラミックスとの密度比でもって表すことができる。

また、多孔質セラミックスとしては、多孔質セラミックスと緻密質セラミックスとが層構造になっているものであってもよい。この場合には、適用されるヒータ支持用部材１６において、その板厚方向に多孔質セラミックスと緻密質セラミックスとが層を成して形成された構造になる。

（繊維質材料含有セラミックス）
繊維質材料含有セラミックスは、例えば繊維質アルミナが用いられて多孔性を有し、この場合にはその気孔率が２０ないし５５％の範囲が好適である。この繊維質材料含有アルミナおよびその気孔率の範囲ついては後述の実施例１において詳述される。この場合でも、その気孔率は緻密質アルミナに対する密度比でもって算出することができる。ここで、繊維状アルミナに酸化カルシウム、酸化シリコン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムあるいは酸化マグネシウム等が添加されたものであってもよい。

上記繊維質材料含有セラミックスに使用される繊維質セラミックスとしては、その他に、アルミナ、窒化アルミナ、酸化シリコン、窒化シリコン、ベリリアからなる群より選択された少なくとも二種以上の材料から成る高耐熱性のセラミックスであってもよい。ここで、これ等の繊維状セラミックスは、アルミナの場合と同じように酸化カルシウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムあるいは酸化マグネシウム等が添加されていても構わない。

繊維質材料含有セラミックスの作製では、例えば、基材となる粒状のセラミックスに対して繊維状セラミックスを気孔率に合わせた適当量に混合し、これ等の混合物を高温度で焼結することにより、所望の気孔率を有する繊維質材料含有セラミックスが得られる。ここで、繊維質材料含有セラミックスにおいて、繊維質セラミックスとその基材のセラミックスは、そのセラミックス素材が互いに同種であっても異種であっても構わない。

また、繊維質材料含有セラミックスとしては、繊維質セラミックスと緻密質セラミックスとが層構造になっているものであってもよい。この場合には、適用されるヒータ支持用部材１６において、その板厚方向に繊維質セラミックスと緻密質セラミックスとが層を成して形成された構造になる。

（ＰＢＮ）
ＰＢＮは化学気相成長（Chemical Vapor Deposition；ＣＶＤ）法により成膜される。ここで、成長温度は１０００以上の高温度であり、原料ガスとしては例えば三塩化ボロン（ＢＣｌ_３）ガスとアンモニア（ＮＨ_３）ガスが使用される。このＣＶＤで例えば０．５ｍｍ以上の膜厚のＰＢＮが形成される。

そして、ヒータ支持用部材１６は、上記多孔質セラミックスあるいは繊維質材料含有セラミックスが板厚１ｍｍ程度にされて所要形状に加工して作製される。ＰＢＮの場合は、ＣＶＤで形成した厚さ０．５ｍｍ以上の厚膜がヒータ支持用部材１６の所要形状に加工される。

図１ないし図３および図９に示した電子管用カソード構体では、以下のような主な熱移動の過程を経てカソード構体の温度が上昇し、熱平衡状態に達してカソード１１の温度が安定化する。

すなわち、（１）ヒータ１３に電力が供給されヒータ１３の温度が上昇する。（２）ヒータ１３の発する熱が熱輻射および熱伝導によりヒータ支持用部材１６へ伝わる。同時に、（３）ヒータ１３あるいはヒータ支持用部材１６の熱は、熱輻射によりカソード１１へ伝わり、反射筒１７およびカソードスリーブ１４へ伝わる。そして、（４）カソード１１の温度が上昇するとカソード１１の熱は、その表面からの熱輻射によりウェネルト電極２８およびアノード１２に流れ、熱伝導によりカソードスリーブ１４へと流れる。また、（５）カソードスリーブ１４の熱は支持筒２０へ流れる。（６）反射筒１７の熱は熱輻射および熱伝導により支持筒２０等へと流れる。

ヒータ１３熱源からの上述したような熱移動の組み合わせを計算し、電子管用カソード構体が熱平衡状態に達するまでの時間を算出するためには、カソード構体の周辺部に閉曲面をとり、その境界面に熱輻射の境界条件および熱伝導の境界条件をとった熱伝達の方程式を解く必要がある。しかしながら、このシミュレーションはかなり複雑である。そこで、簡略化し（１）式を用いて本実施形態にかかるカソード構体の作用について述べる。

t = （Cth ／Hp）×（Ｔ−Ｔ_０） （１）
ここで、tは物体が所要温度Ｔに達するまでの時間でありCthは物体の熱容量である。そして、Hpはヒータ入力電力であり、Ｔはカソード１１の所要温度、Ｔ_０は室温である。

そして、物体の熱容量Cthは次の（２）式で与えられる。
Cth = (比熱)×(密度)×(体積) （２）

電子管用カソード構体にあっては、ヒータ支持用部材１６以外はタングステン等の比熱が小さい金属材料で構成される。また、上記カソード構体にあっては、カソード１１の直径が４０ｍｍ、肉厚が０．８ｍｍ程度である。また、カソードスリーブ１４あるいは反射筒１７の肉厚は０．０８ｍｍ程度である。このために、これ等のカソード構体の構成部分の熱容量は比較的に小さい。しかし、例えばアルミナのようなセラミックスから成るヒータ支持用部材１６は、上記金属から成っているカソード構体の構成部分に較べて熱容量が大きい。

なお、カソード１１の電子放射物質の含浸量上では問題にならないが、カソード構体の動作中およびヒータ１３のオン／オフ動作でカソード１１の凹曲面の変形が生じるため、カソード１１の肉厚０．８ｍｍがほぼ限界値でありこれ以下に薄くできない。これは、カソードスリーブ１４の肉厚についても同様であり、動作中の熱変形を考慮すると０．０８ｍｍが限度であり、これ以下に薄くすることはできない。

本実施形態では、ヒータ支持用部材１６は多孔質セラミックス、繊維質材料を含有するセラミックスすなわち繊維質材料含有セラミックス、あるいはＰＢＮにより形成される。このようにすると、ヒータ支持用部材１６の熱容量Cthが低下し、カソード構体全体の熱容量を効果的に減少させることができる。ここで、ヒータ支持用部材１６が多孔質セラミックスあるいは繊維質材料含有セラミックスから成る場合には、熱容量の低下は（２）式の密度が低下することによる。また、ヒータ支持用部材１６がＰＢＮから成る場合の熱容量の低下も、主に（２）式の密度が低減することによる。

このように、ヒータ支持用部材１６の熱容量が低減することによって、カソード１１の所要温度Ｔへの昇温時間が短縮され、電子管用カソード構体の速動性の向上が効果的に現れる。

また、図３で説明したように、線状のヒータ１３は所定のテンションを持ちヒータ支持用部材１６に設けた孔部１６ａを通り抜けている。そして、このヒータ１３は、ヒータ１３の昇降温あるいは熱平衡状態において孔部１６ａでヒータ支持用部材１６に接触する。この時の接触力によって孔部１６ａに亀裂が発生し、この亀裂を起点としてヒータ支持用部材１６の破損が生じる。

本実施形態では、ヒータ支持用部材１６の板厚は０．５ｍｍから１ｍｍ範囲にされる。あるいは、上記多孔性を有する場合のその気孔率は２０〜５５％程度と適度に調節される。このようなヒータ支持用部材１６であると、上記ヒータ１３の昇降温あるいは熱平衡状態においてヒータ支持用部材１６の孔部１６ａで亀裂が発生することは抑制される。そして、電子管用カソード構体の熱的および機械的強度が確保される。

ここで、多孔質セラミックスあるいは繊維質セラミックスと緻密質セラミックスとが層構造に形成される場合には、ヒータ支持用部材１６の表面および裏面が緻密質セラミックスで構成されるようにするとよい。このようにすると、ヒータ１３が接触し易くなる孔部１６ａにおけるヒータ支持用部材１６の表裏面は高強度の緻密質セラミックスにより保護され、上記亀裂発生が抑制されてヒータ支持用部材１６の破損耐性が大きく向上する。

また、本実施形態では、電子管用カソード構体の構成部分のうち相対的に大きなウェートを占めるヒータ支持用部材１６の熱容量を低減させることにより、カソード１１を所要温度Ｔに昇温しで安定させるに要するヒータ入力電力Hpは容易に小さくできる。ところで、従来技術において例えば含浸型カソードのように所要温度Ｔが９５０℃程度の場合、ヒータ１３の温度が１８００℃以上となってヒータ１３の耐熱性上問題が生じていた。しかし、上記ヒータ支持用部材１６の熱容量が低減すると、ヒータ入力電力Hpが小さくて済み、ヒータ１３温度は下がり例えば１７５０℃程度になる。このようにして、電子管用カソード構体の長寿命化が容易になる。

上述したように、本実施形態では、電子管に用いられる電子銃において、その電子管用カソード構体の速動性が容易に向上する。また、カソード１１を加熱するヒータ構体の熱的および機械的強度が充分に確保され、上記カソード構体の長寿命化が容易になる。そして、装置の立ち上げ時間の短縮化が必要な例えば緊急対応設備にあって、電子銃のヒータの予備加熱を不要とし、極めて利便性に優れた電子管用カソード構体が提供できる。

次に、実施例により本発明の効果について具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。

実施例１では、ヒータ支持用部材１６の材料として多孔質アルミナセラミックスおよび繊維質材料含有アルミナセラミックスを用いて実験した。これ等の多孔性アルミナセラミックスから成るヒータ支持用部材１６を有する電子管用カソードを作製した。このカソード構体の試験例は図４に示すように計１２例である。ここで、ヒータ支持用部材１６の板厚は１ｍｍとした。アルミナセラミックスに要求される条件は、耐熱性が１７００℃以上であること、およびヒータ１３から受ける機械的応力に耐えることである。前者の条件を満たすため、アルミナの純度は９７％とした。そして、後者の条件を満たすため焼結温度は１８００℃とした。

多孔性アルミナセラミックスの気孔率が０％から２０％程度までは、通常市販品として購入できるが、気孔率３０％以上は簡単に入手できない。ここで、気孔率０％はいわゆる緻密質アルミナセラミックスである。そこで、試験例１から３で使用した多孔性アルミナセラミックスは市販品を用い、それ以外は発明者が新たに焼成により作製した。試験例４から７では、アルミナ粉末の粒径を大きくすると同時に、水酸化アルミニウムを添加剤として用いた。気孔率のコントロールは水酸化アルミニウムの量と焼結時間で行った。

そして、試験例８から１２では、繊維質材料含有アルミナセラミックスは添加物として繊維質アルミナを用い焼成して作製した。ここで使用した繊維質アルミナの線径は３μｍ程度、長さは１００μｍ程度である。ここに試験例Ｎｏ．１，２，７，１２は比較例である。

なお、作製した電子管用カソード構体は、図１ないし図３および図９で説明したのと同じ材料、寸法および構造をしたものである。ここで、有底円筒状の反射筒１７は、その口径が３０ｍｍ、その深さが１０ｍｍであり、この中にヒータ１３およびヒータ支持用部材１６を収容した。

このようにして作製したカソード構体を実際に電子銃に組み込み、カソード温度が室温Ｔ_０からＴ＝９５０℃に到達するまでの時間を測定した。このカソード構体の昇温特性について図５に示す。図５はカソード構体の昇温におけるカソードの温度の時間変化を示したグラフである。９００℃到達時間はカソード温度が安定化する直前の時間であり、各試験例の比較において測定しやすいこの時間を基準にして評価した。図５では、本実施例である試験例Ｎｏ．５のヒータ支持部材と、試験例Ｎｏ．１の比較例である緻密質アルミナセラミックスから成るヒータ支持用部材の特性を示している。９００℃到達時間はＮｏ．５で５分、Ｎｏ．１で７分である。

更に、上記カソード構体を電子銃に組み込んだ電子管の寿命試験を行った。寿命試験条件は、ヒータ１３のオン・オフ時間をそれぞれ１０分、３０分として、３０００回のサイクリング試験を行った。その後管球を分解し、セラミックスの欠けの状態を観察した。そして、これ等の結果を図６にまとめて示した。図６において、セラミックスに欠けがない場合を○印にし、欠けがある場合を×印で示している。また、総合評価の判定では、カソード構体の速動性および熱的・機械的強度が高くなる場合に○印、そうでない場合に×印で示す。

上記結果より、試験例Ｎｏ．３のように気孔率を２０％にすると、９００℃到達時間が比較例（試験例Ｎｏ．１）より１４％以上短くなることが判る。更に気孔率が増加していくと、速動性はさらに向上することが実験的にも明らかとなった。速動性の点からはアルミナの気孔率を大きくする程向上するが、気孔率を大きくし過ぎるとセラミックスそのものの強度が弱くなってくる。

電子管では、稼動前後でヒータのオン・オフ作業が行われる。このオン・オフによりヒータは急速加熱・冷却され、ヒータ支持用部材１６に力を与える。もしこのセラミックスの熱的および機械的強度が弱いと、セラミックスにクラックが入り欠けとなる。図６に示した試験結果では、水酸化アルミニウムを添加したものでは気孔率５５％（試験例７）で欠けが発生し、繊維質アルミナを添加したものでは、気孔率６０％（試験例１２）で欠けが発生した。これらの結果より、水酸化アルミニウムを添加したものでは、気孔率２０ないし５０％の範囲が好適で、繊維質アルミナを添加したものでは気孔率２０ないし５５％の範囲が好適であることが判る。

上記実施例において、電子管用カソード構体のヒータ構体に用いられるアルミナセラミックス製のヒータ支持用部材１６に、多孔質セラミックスあるいは繊維質材料含有セラミックスを適用することにより、電子管用カソード構体の速動性の向上が確認された。また、多孔質セラミックスあるいは繊維質材料含有セラミックスには、その熱的および機械的強度を確保する上でそれぞれの気孔率に適度な範囲があることが確認された。

実施例２では、ヒータ支持用部材１６の材質をＰＢＮ（パイロリティック・ボロンナイトライド）へ変更して実験した。ＰＢＮは高温ＣＶＤ法によって製作された材料であり、図７に示すようにアルミナに対し、速動性に関しては、熱伝導率が約７倍、密度が５８％という特徴を有しており、本目的には好適な材料である。但し、それ等の比熱については大差がない。またＰＢＮは真空中の耐熱温度が１９００℃以上であるため耐熱性にも問題はない。

本実施例の電子管用カソード構体を用いた試験例は図８に示すように計３例である。ＰＢＮは高温の機械的強度がアルミナよりも強いといわれているため、ヒータ支持用部材１６の板厚をアルミナの場合よりも更に薄くして検討した。

試験例１３のヒータ支持用部材１６の板厚は、従来と同じ１ｍｍとし、試験例１４，１５はそれぞれ０．８ｍｍ、０．５ｍｍまで薄くした。そして、それぞれのヒータ支持用部材１６を有するカソード構体を実施例１と同様な方法で作製し評価した。その結果を図８にまとめて示した。この結果より、ヒータ支持用部材１６の材質をＰＢＮにすることにより、速動性、セラミックスの欠け共に格段に向上することが判った。板厚を更に薄くすると更なる改善が望まれるが、直径４０ｍｍ程度の大型カソードの場合、使用されるヒータ１３の線径が０．５ｍｍ程度となり、このヒータ線をヒータ支持用部材１６の孔部１６ａに挿入する作業中に割れが発生するので板厚が０．５ｍｍ未満になると好ましくない。

上記実施例において、電子管用カソード構体のヒータ構体にＰＢＮ製のヒータ支持用部材１６を用いることにより、電子管用カソード構体の速動性の向上が確認された。また、この場合に、ヒータ支持用部材１６はアルミナセラミックス製の場合より、その板厚を薄くできることが確認された。

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、本実施形態のヒータ支持用部材１６では、セラミックス基体に多孔質セラミックスおよび繊維質セラミックスが含有された構造になっていてもよい。ここで、セラミックス基体と多孔質セラミックスあるいは繊維質セラミックスとは異種セラミックスあるいは同種セラミックスのどちらであっても構わない。

また、本実施形態の電子管用カソード構体は、グリッド付きのクライストロンや進行波管に適用される場合であってもよく、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。

本発明の実施形態における電子管用のヒータ構体をアノード側から見た平面図である。 本発明の実施形態における電子管用のヒータ構体を示した側面図である。 本発明の実施形態にかかる電子管用カソードのヒータを支持するヒータ支持用部材を模式的に示す斜視図である。 本発明の実施例１と比較例における試験例のヒータ支持用部材の種類を示した表である。 本発明の実施例１の一試験例と比較例における電子管用カソード構体のカソード温度の時間変化を示したグラフである。 本発明の実施例１と比較例における結果をまとめた表である。 本発明の実施例２における試験例のＰＢＮの特性を示した表である。 本発明の実施例２における結果をまとめた表である。 本発明を説明するための電子銃構体を示した側断面図である。

符号の説明

１１…カソード，１２…アノード，１３…ヒータ，１４…カソードスリーブ，１５…フランジ部材，１６…ヒータ支持用部材，１６ａ…孔部，１７…反射筒，１７ａ…第１の孔部，１７ｂ…第２の孔部，１８…固定部材，１９ａ…第１のヒータリード，１９ｂ…第２のヒータリード，２０…支持筒，２１…ヒータガイド，２２…リード支持部材，２３…カソード支持体，２４…絶縁板，２５…ヒータ端子，２６…カソード端子，２７…絶縁体シェル，２８…ウェネルト電極

Claims (6)

1. 電子を放出するためのカソードと、前記カソードを加熱するためのヒータと、前記ヒータを固定するための絶縁体から成るヒータ支持用部材とを少なくとも具備する電子管用カソード構体において、
   前記ヒータ支持用部材が、多孔質セラミックス、繊維質材料含有セラミックス、あるいはパイロリティック・ボロンナイトライドからなることを特徴とする電子管用カソード構体。
2. 前記ヒータ支持用部材は、多孔質セラミックスと緻密質セラミックスとが層構造に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電子管用カソード構体。
3. 前記ヒータ支持用部材は、繊維質セラミックスと緻密質セラミックスとが層構造に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電子管用カソード構体。
4. 前記多孔質セラミックスは、アルミナから成り、その気孔率が２０ないし５０％の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の電子管用カソード構体。
5. 前記繊維質材料は繊維質アルミナであり、前記繊維質材料含有セラミックスの気孔率が２０ないし５５％であることを特徴とする請求項１に記載の電子管用カソード構体。
6. 前記ヒータ支持用部材の板厚が、０．５ｍｍから１ｍｍの範囲にあることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の電子管用カソード構体。

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