JP2010073380A - マグネトロン - Google Patents

Abstract

【課題】高域側のスプリアスを抑制する。
【解決手段】円筒のカソード１２と、カソード１２と同心に配置され、作用空間１３だけ離間して配置された円筒状のアノードベーン１４と、作用空間１３を挟んで軸方向両側に対向配置され、軸方向に垂直な対向面１５１を有する一対のポールピース１５，１５とを備えたマグネトロン１０において、作用空間１３の中心側から外径方向の略半分までの範囲における磁束密度を略連続的に減少させるための磁性材の円筒体１７１，１７２を対向面１５１に設けた。
【選択図】 図９

Description

本発明は、スプリアスの発生を抑制するマグネトロンの構造に関する。

特許文献１には、スプリアスレベルを低く抑えるマグネトロンの構造が提案されている。すなわち、特許文献１の図１には、カソード２とアノードベーン４間の作用空間３に磁場を付与する一対のポールピース６，６の対向面の形状を工夫することで、スプリアスレベルを低く抑えるようにしている。具体的には、ポールピース６，６の対向面を２０°以上のテーパを有する円錐台形状に形成して、作用空間の磁束密度を、特許文献１の図３の磁束密度分布図に示すように、軸方向の中心位置より両端側で大きくなるようにしたものである。一般的に、カソード２、アノードベーン４の軸方向両端部である境界面では電界が乱れるため、磁界はこの近傍の電子分布を低下させるように作用している可能性がある。そこで、特許文献１に記載の形状を採用して、この境界近傍の磁界を強くすることで、電子をミラー効果（磁力線が漏斗状に収束しているミラーと呼ばれる領域で斥力をうける現象）によって磁界の弱い方に跳ね返させて電子分布をカソード２の軸方向中心部に寄せ、これにより均一に運動する電子の割合を増加させて不要輻射（スプリアス）を低減するというものである。
特開２０００−２９９０７０号公報

しかしながら、特許文献１の図１に示すように対向面をペーパ状に加工したポールピース６，６では、特許文献１の図３に示すように、作用空間内の磁束密度は径方向全体に亘って直線的に傾斜した分布となっている。従って、このような作用空間の径方向全域に亘る磁束密度分布の不均一によってスプリアスの抑制には限界がある。特に、マグネトロンは、レーダで使用されるマグネトロンでは、所定の繰り返し周波数でパルス状にマイクロ波を発生させる使用態様が一般的であることから、マイクロ波が発生するパルス期間のうち、特にその立ち上がり期間に発生するスプリアスの抑制を検討する必要があるが、特許文献１では、この点に関する考察は全くない。また、マイクロ波応用機器、適用分野が増大する中で、スプリアス規制が厳しくなる傾向がある一方、フィルタを介在させる構成では基本波に比して多少周波数の異なるスプリアスの抑制に限界があり、また小型化の要請に沿わないことから、マグネトロン単体でのスプリアス対策が一層求められている。

本発明は上記に鑑みてなされたもので、前記作用空間の径方向に対する磁束密度を中心側から所定範囲までに対して略連続的に減少させることで、特にパルス立ち上がり期間に亘って高域側のスプリアスを抑制するマグネトロンを提供するものである。

請求項１記載の発明は、柱状の陰極と、この陰極と同心に配置され、所定の作用空間だけ離間して配置された円筒状の陽極と、前記作用空間を挟んで軸方向両側に対向配置され、軸方向に垂直な対向面を有する一対のポールピースとを備えたマグネトロンにおいて、前記作用空間の径方向に対する磁束密度を中心側から所定範囲まで略連続的に減少させる磁束密度変更部材を設けたことを特徴とするものである。

この発明によれば、陽極への電圧印加によって陰極と陽極との間の作用空間に電界が付与され、さらにポールピースを通して、作用空間に軸方向に平行な磁界が付与され、作用空間では電界と磁界とが互いに直交する空間とされる。陰極から飛び出した電子の群（電子雲）は作用空間を旋回し、電界の旋回と同期することで、電子のポテンシャルエネルギーが陽極側のキャビティで共振して、基本周波数の電磁波（マイクロ波）に変換される。そして、磁束密度変更部材によって、作用空間の径方向に対する磁束密度が中心側から所定範囲まで略連続的に減少する勾配となるので、電界が印加された（立ち上がり期間）における陰極周辺の電子の相対的な高速回転（ドリフト角速度）に起因する高域側のスプリアスが抑制される。なお、その後の駆動期間では平衡状態にある電子雲によって本来周波数のマイクロ波が発生され、全体として高域側のスプリアスが抑制される。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のマグネトロンにおいて、前記作用空間の前記所定範囲より径方向外側は、磁束密度が一様に分布していることを特徴とする。このように陰極側の磁束密度に傾斜を与え、それより外側では従来通りの一様分布とすることで、パルス立ち上がり期間における陰極側での電子雲の挙動に応じたスプリアス抑制制御が可能となる。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載のマグネトロンにおいて、前記磁束密度変更部材は、前記磁束密度を、前記中心側から第１の範囲に対して軸心からの距離の２乗に反比例して減少させ、さらに前記第１の範囲から前記所定範囲に対して前記軸心からの距離に反比例して減少させるものであることを特徴とする。この構成によれば、磁束密度は、作用空間の中心側から外径方向の第１の範囲に対して軸心からの距離の２乗に反比例して減少する勾配分布とすることで、立ち上がり時での高域側のスプリアスが抑制され、さらに前記第１の範囲から前記所定範囲に対して前記軸心からの距離に反比例して減少する勾配分布とすることで、立ち上がり時を含む立ち上がり期間での高域側のスプリアスが抑制される。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のマグネトロンにおいて、前記磁束密度変更部材は、前記各ポールピースの前記対向面に前記陰極と同心に設けられた環状の磁性部材であることを特徴とする。この構成によれば、環状の磁性部材によって陰極の表面から外径方向に磁束密度が減少する勾配分布が形成されるので、立ち上がり期間での高域側のスプリアスが抑制される。

請求項５記載の発明は、請求項４記載のマグネトロンにおいて、前記環状の磁性部材は、所定距離離れた同心の二重構造を有するものであることを特徴とする。この構成によれば、内側の磁性部材で中心側ほど磁束密度が高くなり、一方、外側の磁性部材によって、作用空間の所定範囲より外側で、内側の磁性部材によって漸減する勾配を持ち上げて一定化される。従って、立ち上がり期間での高域側のスプリアスが抑制され、かつ立ち上がり期間後では、基本周波数のマイクロ波が効率よく発生する。

請求項６記載の発明は、請求項１記載のマグネトロンにおいて、前記磁束密度変更部材は、ポールピースの肉厚内に前記陰極と同心に設けられた、前記ポールピースよりも高い透磁率を有する環状の磁性部材であることを特徴とする。この構成によれば、ポールピースの対向面が平面に維持されたままとなり、組み付け作業も容易となる。

請求項７記載の発明は、請求項１記載のマグネトロンにおいて、前記磁束密度変更部材は、前記各ポールピースを挟んで前記作用空間とは反対側に配置された前記陰極と同心の励磁用コイルであることを特徴とする。この構成によれば、能動的に磁束を補充するので、ポールピースに対する工夫は不要となる。また、励磁用コイルを立ち上がり期間のみ動作させるようにすることで、時間的に高域側のスプリアス抑制が図れる。

請求項１記載の発明によれば、作用空間の径方向に対する磁束密度を中心側から所定範囲までに対して略連続的に減少させる勾配分布とすることで、特にパルス立ち上がり期間において高域側のスプリアスを抑制することができる。

請求項２記載の発明によれば、パルス立ち上がり期間における陰極側での電子雲の挙動に応じたスプリアス抑制制御ができる。

請求項３，４記載の発明によれば、立ち上がり時を含む立ち上がり期間での高域側のスプリアスを抑制できる。

請求項５記載の発明によれば、立ち上がり期間での高域側のスプリアスを抑制でき、かつ立ち上がり期間後では、基本周波数のマイクロ波を効率よく発生させることができる。

請求項６記載の発明によれば、ポールピースの対向面を平面に維持させたままで使用できるので、容易に組み付けることが可能となる。

請求項７記載の発明によれば、能動的に磁束を補充するため、ポールピースに対する工夫を不要にでき、また、励磁用コイルを立ち上がり期間のみ動作させるようにすれば、時間的に高域側のスプリアス抑制を図ることが可能となる。

図１は、本発明に係るマグネトロンが適用される一例である、レーダ装置のマイクロ波送受信機の構成図である。マイクロ波送受信機は、例えば９．４ＧＨｚのマイクロ波を基本波として発振するマグネトロン１０１を有する。パルス駆動回路１０２は、所定の繰り返し周波数、例えば２０００ｐｐｓで、７５ｎｓ程度のパルス幅を有するトリガパルスをマグネトロン１０１に出力して、マグネトロン１０１をトリガパルスの印加期間駆動させ、パルス状のマイクロ波を間欠的に発生させるものである。サーキュレータ１０３は、マグネトロン１０１で発生したマイクロ波パルスをアンテナ側へ伝搬すると共に、アンテナ側からの受信信号を受信回路側へ伝搬する切替器である。ロータリージョイント１０４は、静止系と回転系とを電気的に接続するためのものである。アンテナ１０５は、図略のモータで定速回転させられており、マイクロ波パルスを狭指向性を有する探知パルスとして実質的に３６０°方向に送信するものである。リミッタ回路１０６は、受信開始直後の高レベルの電力信号レベルを抑制して受信回路１０７を保護する。受信回路１０７は、物標で反射されアンテナ１０５に帰来した信号を受信するものである。受信された物標からの信号は受信回路１０７で検出されて、図略のモニタに、距離及び方位を識別可能に表示される。

図２は、マグネトロン１０１の一般的な構造を説明するための縦断面図である。図２において、アノードシリンダ１は円筒状を有し、その軸の中央には所定半径を有する円筒形状のカソード２が同心で配置されている。アノードシリンダ１の内壁側には周方向に等間隔を有して放射状のアノードベーン４が配設されている。アノードベーン４の内端壁とカソード２の外周面との間には環状の作用空間３が形成されている。なお、隣接するアノードベーン４，４間の空間は共振空洞（キャビティ）として機能する。マグネトロン１０１の駆動時には、アノードベーン４が所定電位Ｖａとなるように、図略の電源からの電圧印加が行われ、カソード２とアノードベーン４との間の作用空間３に所定の電界Ｅが形成される。

作用空間３を挟んで軸方向両側には、磁性体からなる一対のポールピース５が配置されている。各ポールピース５の対向面は軸方向に直角で平行な平面とされている。ポールピース５の外側にはそれぞれマグネット６が配置されている。マグネット６の磁束は両ポールピース５を介して、カソード２とアノードベーン４の間の作用空間３に軸方向の磁界を形成する。

かかる一般的構造において、次に、カソード２から飛び出した電子及びその群である電子雲の振る舞いについて、図３〜図８を用いて説明する。

図３は、電子雲（電子極）とキャビティを回る電界との関係を示した図である。電子雲はカソード２とアノードベーン４との間の作用空間３でＥ×Ｂドリフト（Ｅ：電界、Ｂ：磁界）により、カソード２の周りを図中の矢印方向に回転する。電子雲の各電子のポテンシャルエネルギーはキャビティ内の電界と作用して電磁界に変換される。電子雲の回転速度とキャビティを回る電界の速度とが等しい状態で共振が起こり、マグネトロン１０１は発振する。以下、作用空間の状態に別けて、電子のドリフト角速度を検証する。

[Ａ] 平衡状態の場合
まず、作用空間３が平衡状態（カソード２から飛び出した電子の個数とカソード２で吸収されていく電子の個数とが同一）にあるとすると、電子は一様な磁界Ｂで、磁界に直交する平面内においてサイクロイド運動を行い、カソード２の周囲を旋回（ドリフト）する。このときの電子のドリフト速度Ｖ_Ｄは、

として表される。ここで、キャビティにπモードの電界が励振されていると仮定し、その周波数をｆ、モード数をＮ（πモードではキャビティの数の１／２）とおくと、キャビティに励振される電界が半径ｒの円周上を回転する速度は、

と表される。ここで、軸中心からの距離をｒ、軸中心からアノードベーン４の内端壁までの寸法（半径）をｒ_ａ、カソード２の半径をｒ_ｃとおき、アノードベーン４に電圧Ｖａが印加されているとすると、そのときの、電位の分布φは、平衡状態にあるとして、

となる。ここで、電界の強さＥは、Ｅ＝∂φ／∂ｒであるから、（数３）は、

となる。そして、マグネトロン１０１の発振条件は、前述のとおり、キャビティを回る電界の速度Ｖ_Ｅと電子雲の回転速度Ｖ_Ｄとが一致することである。Ｖ_Ｅ＝Ｖ_Ｄであるならば、電子雲の同一箇所に、励振されている電界の力を受け続けることになって（図３（ａ），（ｃ）参照）、発振が起きる。次に、（数１）、（数２）（数４）から、Ｖａは、

となる。また、Ｖ_Ｄ＝Ｅ／Ｂ、Ｖ_Ｄ＝ｒω_Ｄ（ω_Ｄ：ドリフト角速度）から得られる、ω_Ｄ＝（１／ｒ）・Ｅ／Ｂと（数４）とから、ドリフト角速度ω_Ｄは、

となる。（数６）から判るように、（数６）では距離ｒが相殺されている。このため、ドリフト角速度ω_Ｄは、距離ｒに依存せず、作用空間３内で一定となる。以上より、電子雲は、アノードベーン４の電圧Ｖａの立ち上がり時にゆっくりと回転を始め、電圧Ｖａが定常状態になると、所望の回転速度となるような動作になると予想される。

[Ｂ] 真空中の場合
次に、マグネトロン１０１の立ち上がり時について説明する。マグネトロン１０１の立ち上がり時は、カソード２から飛び出す電子の個数は少ないため、作用空間３を真空中と同等に扱うことができる。この状態での同軸導体間の電位分布Ｖ（ｒ）は、

で表すことができる。σ＝ｒ_ｃ／ｒ_ａとすると、電界Ｅは、∂Ｖ（ｒ）／∂ｒであるから、（数７）は、

となる。従って、ドリフト角速度ω_Ｄは、（数８）と前述のω_Ｄ＝（１／ｒ）・Ｅ／Ｂとから、

のように求まる。（数９）によれば、ドリフト角速度ω_Ｄは、距離ｒの２乗に反比例していることが判る。従って、作用空間３内のうち、カソード２に近い領域にある電子ほど高い角速度で回転していることになる。

図４は、電子雲の状態（左側の図）と電位分布（右側の図）とを示す図で、図４（ａ）〜（ｄ）は電子雲の形成過程に対応している。すなわち、図４（ａ）は、真空中での状態、図４（ｂ）は、作用空間３のうちカソード２の近傍に電子雲が形成された状態、図４（ｃ）は、作用空間３の中心側略半分辺りに対して電子雲が形成された状態、図４（ｂ）は、平衡状態を示している。図４（ａ）の電位分布は、（数７）で示した「真空中の場合」のものであり、図４（ｄ）の電位分布は、（数３）で示した「平衡状態の場合」のものである。

図５は、「真空中の場合」と「平衡状態の場合」とにおけるそれぞれの作用空間３内での電位分布とドリフト角速度とを示した特性図で、図５（ａ）は電位分布を示し、図５（ａ）はドリフト角速度を示している。なお、特性図は、磁束密度０．３７９Ｔによるものである。また、図５の横軸に示すように、マグネトロン１０１は、カソード２の表面が軸中心から１．２ｍｍの位置にあり、アノードベーン４の内端壁が半径１．８ｍｍの位置にあり、作用空間３は１．２ｍｍ〜１．８ｍｍの範囲となる。

図中、[１]は「真空中の場合」に対応し、[２]は「平衡状態の場合」に対応する。図５に示す「真空中の場合」の電位分布に対応して、電子はカソード２近傍では高いドリフト角速度で回転する。作用空間３内の電子が増大して、「平衡状態の場合」の電位分布に移行するに従い、ドリフト角速度は低くなっていき、「平衡状態の場合」では、距離ｒによらず一定になると予想される。

ところで、図５から、電子の輻射開始から平衡状態に達するまでの間に、図４（ｂ）のように、電界強度が一定（電位分布が直線的）になる電位分布の状態も考えられるので、この点についても説明する。

[Ｃ] 電界強度一定の場合
電界強度一定の場合、電界は、

のように求まる。そして、電子雲が作用空間３を回転するドリフト角速度ω_Ｄは、

となる。（数１１）によれば、ドリフト角速度ω_Ｄは、距離ｒに反比例していることが判る。従って、作用空間３内のうち、カソード２に近い電子ほど高い角速度で回転していることになる。

図６は、図５に、（数１０）、（数１１）で示される「電界強度一定の場合」における特性線[３]を追記したものである。以上の説明で、立ち上がり時、すなわち真空時〜電界強度一定状態までの立ち上がり期間、カソード２の近傍乃至は周囲で、周波数の高いスプリアスが発生することが判る。

[Ｄ] 磁界によるドリフト角速度補正
磁束密度に勾配を付けることにより、ドリフト角速度が一定になるようにする。すなわち、「真空中の場合」のＥ×Ｂドリフトの速度から、

同様に、「一様電界の場合」のＥ×Ｂドリフトの速度から、

従って、「真空中の場合」に、磁界Ｂ（磁束密度と同義とする）を距離ｒの２乗に反比例するようにすれば、ドリフト角速度が一定にできる。すなわち、（数１２）から、磁束密度Ｂを、

となるように補正し、また、「一様電界の場合」に、磁界Ｂ（磁束密度と同義とする）を距離ｒに反比例するようにすれば、ドリフト角速度が一定にできる。すなわち、（数１３）から、磁束密度Ｂを、

となるように補正すればよい。

図７は、ドリフト角速度補正後の特性図で、図７（ａ）は、「一様電界の場合」の（式１５）に対応する修正された特性図であり、図７（ｂ）は、「真空中の場合」の（式１４）に対応する修正された特性図である。図７において、立ち上がり期間のドリフト角速度を一定にするには、カソード２付近の磁束密度の分布に勾配を設ければよい。

ところで、図７の修正された特性線によれば、「平衡状態の場合」には、カソード２の表面側の電子雲は低い周波数に同期することになるが、発振現象に大きく関与するのは、作用空間３内のアノードベーン４側にある電子雲（電子極）と考えられることから、周波数の低いスプリアスの発生を抑制し、さらにπモードの発振を安定させるためには、アノードベーン４側での磁束密度を一様分布とする方が好ましい。

そして、修正の具体例としては、カソード２の表面から、図７に示す特性線[１]と特性線[３]との交点まで、すなわち図７（ａ）、（ｂ）では、いずれも略１．５ｍｍ付近まで磁束密度に勾配による分布を与えるようにする。すなわち、カソード２の表面から前記交点である略１．５ｍｍまでの途中である所定範囲、例えば略半分までの範囲を、距離ｒの２乗に反比例する磁束密度分布とし、前記所定範囲から前記交点付近までの残り範囲を距離ｒに反比例する磁束密度分布とする。そして、交点付近から作用空間３の外方残り範囲は補正せず、平衡状態の場合の均一な磁束密度とする。

図８は、作用空間３内における補正後の特性図で、図８（ａ）は補正後の磁束密度、図８（ｂ）は補正後のドラフト角速度の各特性図である。図８（ａ）において、カソード２の表面（軸中心から１．２ｍｍ）〜１．３５ｍｍ辺りまでは距離ｒの２乗に反比例し、１．３５ｍｍ〜１．５ｍｍ辺りまでは距離ｒに反比例し、１．５ｍｍ〜アノードベーン４の内端壁（軸中心から１．８ｍｍ）までは一定となっている。

そして、図８（ｂ）によれば、カソード２の近傍、すなわち１．２ｍｍ〜１．３５ｍｍでは、エミッション初期（パルスの立ち上がり時）に、基本波のドリフト角速度（略６．６Ｅ＋０９）に対して高いドリフト角速度が主役となる（特性線[１]参照）が、その後のパルス期間中は、一様電界の場合、平衡状態の場合（特性線[２]、[３]参照）が主流となり、かつ作用空間が少なくとも真空中状態ではなくなるため、低いドリフト角速度に移行する。また、１．３５ｍｍ〜１．５ｍｍ辺りでは、一様電界の場合によるドリフト角速度は、ほぼ安定したドリフト角速度である一方、平衡状態の場合による多少低いドリフト角速度、及び立ち上がり時のみ真空中の場合による多少高いドリフト角速度が含まれる。そして、１．５ｍｍ〜アノードベーン４の内端壁（軸中心から１．８ｍｍ）では、立ち上がり期間で真空中及び一様電界による低いドリフト角速度が表れ、その後のパルス期間中は、平衡状態による、基本波のドリフト角速度に相当する一定のドリフト角速度である。立ち上がり期間における真空中及び一様電界による低いドリフト角速度は、いわゆるカソード２の付近となるので、発振現象には実質的に関与しているものではない。

この結果、マグネトロン１０１が所定の繰り返し周波数で駆動されて、マイクロ波パルスを発生する毎に、その立ち上がり期間での高域側のスプリアスは結果的に抑制され、かつパルス期間に亘っても高域側のスプリアスが抑制されることになる。なお、基本波に対応するドリフト角速度に対して低いドリフト角速度によるスプリアスは、基本波より波長が長いためマイクロ波伝送用の導波管を通過することができず、特別な部材を採用するまでもなく効果的に遮断し得る。

以下、実施形態について説明する。図９は、本発明に係るマグネトロンの第１実施形態を示す縦断面図、図１０は、ポールピースの構造を示す斜視図、図１１は、作用空間とポールピースとの位置関係を示す縦断面図、図１２は、図１０、図１１における作用空間での磁束密度の分布図である。

マグネトロン１０は、図略の円筒状を有するアノードシリンダの軸の中央に所定半径（例えば略３．２ｍｍ）を有する円筒形状のカソード１２が同心で配置されている。カソード１２の軸方向両側には鍔状の保護用エンドハット１２１が取り付けられている。図略のアノードシリンダの内壁側周囲には等間隔で放射状のアノードベーン１４が配設されている。アノードベーン１４の内端壁とカソード１２の外周面との間には環状の作用空間１３が形成されている。隣接するアノードベーン１４，１４間の空間は共振空洞（キャビティ）として機能する。マグネトロン１０の動作時には、アノードベーン１４が所定電位Ｖａとなるように電圧印加が行われ、カソード１２とアノードベーン１４との間の作用空間１３に所定の電界Ｅが形成される。

作用空間１３を挟んで軸方向両側には、磁性体からなる一対のポールピース１５が配置されている。各ポールピース１５の対向面は軸方向に直角で平行な平面とされている。ポールピース１５の軸方向外側にはそれぞれ図略のマグネットが配置されている。そして、図略のマグネットの磁束は両ポールピース１５を介して、カソード１２とアノードベーン１４の間の作用空間１３に軸方向の磁界を形成する。

ポールピース１５は、中心に軸方向に平行な支持孔１５０を有し、対向面１５１は軸方向に直交する平面とされている。対向面１５１には軸心の周りに、磁束密度変更部材１７としての、同心でそれぞれ所定径を有する磁性材からなる円筒体１７１，１７２が取り付けられている。円筒体１７１，１７２は、ポールピース１５のスリーブとして突設された一体物でもよく、別体でもよい。また、円筒体１７１，１７２の材質はポールピース１５と同一でもよく、あるいはポールピース１５と異なる透磁率を有するものでもよい。

第１実施形態では、内側の円筒体１７１はカソード１２の半径に対応する半径を有し、外側の円筒体１７２は、アノードベーン１４の内端壁よりも外側のキャビティ内の適所に対応する半径を有している。円筒体１７１，１７２は半径を除き、同一形状としてもよく、あるいは高さ、厚みがそれぞれ設定されたものとしてもよい。

内側の円筒体１７１は、カソード１２の近傍に低磁気抵抗領域を形成し、この領域に磁束を集中させるための磁路を構成している。外側の円筒体１７２は、内側の円筒体１７１によって作用空間１３からキャビティ内に亘って減少する磁束密度分布を持ち上げるように修正して、作用空間１３の途中、例えば作用空間１３の中央付近から少なくとも作用空間１３の最外位置（アノードベーン１４の内端壁）外方に向けて磁束密度を略一定化させるためのものである。円筒体１７１，１７２による磁界修正は、それらの高さ寸法、厚み寸法、半径寸法（及び間隔）、透磁率が主要なパラメータとなる。円筒体１７１は、半径が１．６ｍｍ、高さは１．２ｍｍ〜１．３ｍｍ（カソード１２に接触しない寸法）であり、円筒体１７２は、半径が４．０ｍｍ、高さは１．２ｍｍ〜１．３ｍｍ（アノードベーン１４に接触しない寸法）である。厚みはいずれも０．数ｍｍ程度である。

図１１では、カソード１２の軸方向寸法が１．６ｍｍ（各エンドハット１２１が０．３ｍｍ）である。また、図１１中に示されるスケールを参照して、カソード１２の半径は、２．０ｍｍであり、アノードベーン１４の内端壁の半径は、２．９ｍｍである。従って、作用空間１３は、カソード２の軸心からの距離Ｒ（ｍｍ）としたとき、Ｒ＝２．０ｍｍ〜２．９ｍｍの範囲となる。なお、軸方向の寸法は、カソード１２の軸方向中心を基準として、軸方向の距離をＸ（ｍｍ）で表している。

図１２は、Ｒ−Ｘ座標系における図１０の構成における磁束密度[Ｔ：テスラ]の分布を示すものである。[１]は、Ｘ＝０ｍｍにおける磁束密度分布の特性線、[２]は、Ｘ＝０．８ｍｍにおける磁束密度分布の特性線である。[１]の特性線によれば、カソード１２表面（Ｒ＝２．０ｍｍ）から緩やかな曲線（下向きに凸）で漸減し、Ｒ＝２．５ｍｍ辺りからＲ＝２．９ｍｍで略一定（安定）している。また、[２] の特性線によれば、カソード１２表面（Ｒ＝２．０ｍｍ）からＲ＝２．３ｍｍ辺りまで比較的急勾配の曲線（下向きに凸）で減少し、Ｒ＝２．３ｍｍ辺りからＲ＝２．６ｍｍ値まで略直線的に漸減し、その外方では略一定（安定）している。

本発明は、好ましくは、図８で示したように、磁束密度の分布として、カソード近傍を距離ｒの２乗に反比例させ、その外側を距離ｒに反比例させ、更にその外方を一定となるように設計するものであるが、カソードの近傍について、距離ｒの２乗に反比例させ、あるいは距離ｒに反比例させるように設計しても、図８の[１]と[２]のみの特性線、また[２]と[３]のみの特性線からして、それぞれ高域側の周波数のスプリアスを抑制できるものである。また、本発明は、好ましくは、図８で示したように、磁束密度の分布として、カソード近傍を距離ｒの２乗に反比例させ、その外側を距離ｒに反比例させ、更にその外方を一定となるように設計するものであるが、具体的な実施例に示すように、正確にカソード近傍を距離ｒの２乗に反比例させ、その外側を距離ｒに反比例させることは困難であり、あくまで近似したものとして実現しているが、これによっても、実質的に効果は得られる。

以下、図１３〜図１５を用いて、その他の実施形態を説明する。図１３は、本発明に係るマグネトロンの第２実施形態を示す縦断面図である。図１３では、ポールピース２５の対向面２５１であって、カソード２２の半径に対応する位置近傍に一体として、あるいは別体として磁性材からなる１個の円筒体２７が設けられている。この円筒体２７によって、カソード２２の近傍に低磁気抵抗領域を形成して、この領域に磁束を集中させるための磁路を構成している。従って、カソード２２の表面から作用空間に向けて磁束密度を減少する分布が実現できる。円筒体２７の磁性、形状を調整することで、すなわち、磁束の集中範囲を狭めるようにすることで、作用空間２３の略中央から外方側に円筒体２７による磁束密度の変化ができるだけ表れないようにすれば、この作用空間２３の略半分位置より外方側の範囲の磁束密度を略一定として扱うことが可能となる。

図１４は、本発明に係るマグネトロンの第２実施形態を示す縦断面図である。ポールピース３５の径方向の一部分についてポールピース３５より高透磁率を有する環状の円筒体３７を嵌合等することで形成したものである。円筒体３７の半径をカソード３２の表面位置に対応するものとすることで、カソード３２の表面から作用空間に向けて磁束密度を減少する分布が実現できる。ポールピース３５の軸中心の支持孔３５０を一回り大きく穿設し、この支持孔３５０に対応する径を有する円筒体３７を圧入して嵌合し、あるいは接着などで固定して形成することができる。支持孔３５０がない構造では、ポールピース３５を不連続な２個の環状体として構成し、その間に円筒体３７を嵌合し、３者を接着等することで形成すればよい。なお、肉厚全部でなく、ポールピース３５の対向面２５１側に所要深さの環状溝を穿設し、円筒体３７をこの溝に嵌挿する構成としてもよい。

図１５は、本発明に係るマグネトロンの第２実施形態を示す縦断面図である。ポールピース４５の外側に配置されるマグネット４６の中心に孔乃至は隙間を形成しておき、この隙間に、電磁コイル４７を設置したものである。電磁コイル４７は、励磁される磁束が軸方向と平行になる向きにされている。電磁コイル４７には常時所要レベルの電流を供給してカソード４７の表面近傍に対して高い磁束密度を付与するようにしてもよいが、以下のようにしてもよい。励磁部４７１は、パルス駆動回路１０２（図１参照）からのトリガパルスを受けて、その立ち上がり時、すなわち前述した「真空中の場合」までの立ち上がり時のみ、乃至はさらに「一様電界の場合」の状態までを含む立ち上がり期間のみ、所定の励磁電流を供給することで、高磁束密度領域の動的に形成する態様としてもよい。このようにすることで、立ち上がり期間で高域側のスプリアスは抑制され、かつその後は、「平衡状態の場合」のみで、作用空間全体に亘って、本来の均一な磁束密度を提供することができる。

また、さらに他の実施形態として、エンドハットの外周側の所定範囲を磁性体で構成することで、カソード表面近傍に磁束の集中を実現し、高い磁束密度分布を得るようにしてもよい。なお、磁束密度補正（変更）部材としての円筒体１７１，１７２に代えて、筒形状ではない、種々の環状（リング）形状を採用することも可能である。

本発明に係るマグネトロンが適用される一例である、レーダ装置のマイクロ波送受信機の構成図である。 マグネトロンの一般的な構造を説明するための縦断面図である。 電子雲（電子極）とキャビティを回る電界との関係を示した図である。 電子雲の状態（左側の図）と電位分布（右側の図）とを示す図で、図４（ａ）〜（ｄ）は電子雲の形成過程に対応している。 「真空中の場合」と「平衡状態の場合」とにおけるそれぞれの作用空間内での電位分布とドリフト角速度とを示した特性図で、図５（ａ）は電位分布を示し、図５（ａ）はドリフト角速度を示している。 図５に、（数１０）、（数１１）で示される「電界強度一定の場合」における特性線[３]を追記したものである。 ドリフト角速度補正後の特性図で、図７（ａ）は、「一様電界の場合」の（式１５）に対応する修正された特性図であり、図７（ｂ）は、「真空中の場合」の（式１４）に対応する修正された特性図である。 作用空間内における補正後の特性図で、図８（ａ）は補正後の磁束密度、図８（ｂ）は補正後のドラフト角速度の各特性図である。 本発明に係るマグネトロンの第１実施形態を示す縦断面図である。 ポールピースの構造を示す斜視図である。 作用空間とポールピースとの位置関係を示す縦断面図である。 図１０、図１１における作用空間での磁束密度の分布図である。 本発明に係るマグネトロンの第２実施形態を示す縦断面図である。 本発明に係るマグネトロンの第２実施形態を示す縦断面図である。 本発明に係るマグネトロンの第２実施形態を示す縦断面図である。

符号の説明

１０，１０１ マグネトロン
２，１２，２２，３２，４２ カソード（陰極）
３，１３ 作用空間
４，１４，２４，３４，４４ アノードベーン（陽極）
５，１５，２５，３５，４５ ポールピース
１７ 磁束密度変更部材
１７１，１７２，２７，３７ 円筒体（磁束密度変更部材）
４７ 電磁コイル（磁束密度変更部材）

Claims (7)

1. 柱状の陰極と、この陰極と同心に配置され、所定の作用空間だけ離間して配置された円筒状の陽極と、前記作用空間を挟んで軸方向両側に対向配置され、軸方向に垂直な対向面を有する一対のポールピースとを備えたマグネトロンにおいて、
   前記作用空間の径方向に対する磁束密度を中心側から所定範囲まで略連続的に減少させる磁束密度変更部材を設けたことを特徴とするマグネトロン。
2. 前記作用空間の前記所定範囲より径方向外側は、磁束密度が一様に分布していることを特徴とする請求項１記載のマグネトロン。
3. 前記磁束密度変更部材は、前記磁束密度を、前記中心側から第１の範囲に対して軸心からの距離の２乗に反比例して減少させ、さらに前記第１の範囲から前記所定範囲に対して前記軸心からの距離に反比例して減少させるものであることを特徴とする請求項１又は２に記載のマグネトロン。
4. 前記磁束密度変更部材は、前記各ポールピースの前記対向面に前記陰極と同心に設けられた環状の磁性部材であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のマグネトロン。
5. 前記環状の磁性部材は、所定距離離れた同心の二重構造を有するものであることを特徴とする請求項４記載のマグネトロン。
6. 前記磁束密度変更部材は、前記各ポールピースの肉厚内に前記陰極と同心に設けられた、前記ポールピースよりも高透磁率を有する環状の磁性部材であることを特徴とする請求項１記載のマグネトロン。
7. 前記磁束密度変更部材は、前記各ポールピースを挟んで前記作用空間とは反対側に配置された前記陰極と同心の励磁用コイルであることを特徴とする請求項１記載のマグネトロン。

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