JP2010225534A

JP2010225534A - コレクタ及び電子管

Info

Publication number: JP2010225534A
Application number: JP2009074014A
Authority: JP
Inventors: Toru Chiba; 徹千葉
Original assignee: Netcomsec Co Ltd
Current assignee: Netcomsec Co Ltd
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2010-10-07
Also published as: US20100244690A1; US8502451B2

Abstract

【課題】二次電子放出係数が小さく、剥離し難い表面層を備えたコレクタ及び該コレクタ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表面の所要の部位をカーボンナノチューブ層で覆う。
【選択図】図１

Description

本発明は電子銃から放出された電子ビームを捕捉するコレクタ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ＲＦ（Radio Frequency）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２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ＲＦ信号とを相互作用させる高周波回路であるヘリックス２０と、ヘリックス２０から出力された電子ビームを捕捉するコレクタ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２０内に導くアノード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１１と、カソード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１１とアノード４０の電位差によって加速されてヘリックス２０内に導入され、ヘリックス２０の一端から入力されたＲＦ信号と相互作用しながらヘリックス２０の内部を進行する。ヘリックス２０の内部を通過した電子ビーム５０はコレクタ３０で捕捉される。このとき、ヘリックス２０の他端からは電子ビーム５０との相互作用によって増幅されたＲＦ信号が出力される。

電源装置６０は、カソード１１に対してヘリックス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、電源装置６０は、コレクタ３０に対してカソード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２はコレクタ３０を１つ備えた進行波管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３０を備えた構成もある。また、図２では、電源装置６０内でアノード４０を接地した使用例を示しているが、進行波管１には、アノード４０にカソード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）を供給する使用例もある。

図２に示したコレクタ３０の詳細な構成例を図３及び図４に示す。図３及び図４に示すコレクタ３０は、例えば特許文献１の背景技術にも記載されている。

図３は背景技術のコレクタの一構成例を示す側断面図であり、図４は背景技術のコレクタの他の構成例を示す側断面図である。

図３は１つのコレクタを備える進行波管の構成例を示し、図４は２つのコレクタを備える進行波管の構成例を示している。

図３に示す進行波管は、有底円筒状のコレクタ３０を備え、コレクタ３０は、側面の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３０は、該開口が電子銃１０（図２参照）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・固定される。コレクタ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る。

一方、図４に示す進行波管は、円筒状の第１のコレクタ３０₁及び有底円筒状の第２のコレクタ３０₂を備えている。第１のコレクタ３０₁は、側面の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３０₂は、図３に示したコレクタ３０と同様の形状である。

第１のコレクタ３０₁及び第２のコレクタ３０₂は、各々の開口が電子銃１０（図２参照）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・固定される。第１のコレクタ３０₁には第１のリード線３４₁が接続され、第２のコレクタ３０₂には第２のリード線３４₂が接続されている。

第１のリード線３４₁は、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る。また、第２のリード線３４₂は、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る。

図３に示すコレクタ３０及び図４に示す第１のコレクタ３０₁及び第２のコレクタ３０₂には、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）あるいはモリブデンと銅から成る複合材料が用いられ、これらの材料から成る板材または棒材を切削することで、図３や図４に示した形状に加工される。また、図３に示すコレクタ３０及び図４に示す第１のコレクタ３０₁及び第２のコレクタ３０₂には、電子ビームが衝突することによる二次電子放出を抑制するため、表面全体あるいはその表面の一部に、例えばモリブデンよりも二次電子放出係数が小さい銅のめっき層、あるいは銅よりもさらに二次電子放出係数が小さいグラファイト層が形成される。

特開平１１−６７１０８号公報

一般に、上述したモリブデンから成るコレクタの表面に銅めっきを施すことは困難であり、めっき層が形成できても剥がれ易いという問題がある。これは、モリブデンと銅が合金化しないため、めっき層とモリブデンとの結合力が弱いことによる。

一方、グラファイトは、六方晶系の六角板状扁平な結晶であり、環状平面に結合したＣ−Ｃ結合層が層状に積み重なった構造である。この環状平面内のＣ−Ｃ結合はｓｐ²混成により結合力が強いが、上下の層はファンデルワールス力によって結合しているため、結合力が弱い。また、グラファイトは、端部に炭素原子どうしが結合していない格子欠陥を多く含むため、該格子欠陥部位の炭素原子が酸素原子や水素原子等と結合することで容易に解離してしまう問題がある。そのため、グラファイト層は、進行波管の組み立て時にろう付け作業等によって加熱されると剥離するおそれがある。特に、グラファイトは、層状の緻密質構造であるため、基体となる金属が銅の場合、熱膨張率の差によって加熱時に剥離する可能性がより高くなってしまう。

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、二次電子放出係数が小さく、剥離し難い表面層を備えたコレクタ及び該コレクタ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は、電子管が備えるコレクタであって、
表面の所要部位にカーボンナノチューブ層が形成された構成である。

一方、本発明の電子管は、上記コレクタを有する構成である。

本発明によれば、二次電子放出係数が小さく、かつ剥離し難い表面層を備えたコレクタを得ることができる。また、該コレクタを進行波管等の電子管に用いれば、電子管の効率が向上すると共に、ヘリックス電流によるヘリックスの損傷が抑制される。

本発明のコレクタの一構成例を示す側断面図である。電子管及び電源装置を含む高周波回路システムの一構成例を示すブロック図である。背景技術のコレクタの一構成例を示す側断面図である。背景技術のコレクタの他の構成例を示す側断面図である。

次に本発明について図面を用いて説明する。

以下では、進行波管が備えるコレクタ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にも適用できる。

図１は本発明のコレクタの一構成例を示す側断面図である。

図１に示すように、本実施形態のコレクタ７０は、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）あるいはモリブデンと銅から成る複合材料を用いたコレクタ７０表面の所要部位にカーボンナノチューブ層７１が形成された構成である。

カーボンナノチューブ層７１は、図１の波線部位で示すように、電子銃（図２参照）から放出された電子ビームを捕捉する部位全体を覆うように形成する。具体的には、コレクタ７０の内面全域にカーボンナノチューブ層７１を形成する。

なお、図１は、進行波管が１つのコレクタを備えた構成である場合の、該コレクタ７０の形状例を示している。コレクタが２つ以上の進行波管では、ヘリックス（図２参照）から最も遠いコレクタが図１と同様の形状となり、該コレクタを除く他のコレクタは図１に示したコレクタ７０の底部が無い形状となる（図４の第１のコレクタ３０₁参照）。

カーボンナノチューブ層７１は、周知のＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、アーク放電法、あるいは電解めっき法を用いて、コレクタ７０表面の所要部位に炭素原料からカーボンナノチューブを合成・成長させることで形成できる。

カーボンナノチューブは、先端が尖った細長い形状の多数の構造体を複雑に織り成した構成であるため、衝突した電子を補集する効果が高い、すなわち二次電子放出係数の値が小さいと考えられる。例えばLei Huang, S P Lau, H Y Yang, S F Yuらの報告（"Local measurement of secondary electron emission from ZnO-coated carbon" INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING, Nanotechnology 17, 2006, pp. 1564-1567）によれば、カーボンナノチューブの二次電子放出係数σmaxの値は１以下であることが示され、グラファイトと同等あるいはそれ以下であることが分かる。

したがって、コレクタ７０の表面にカーボンナノチューブ層７１を形成することで、電子銃から放出された電子がコレクタ７０に衝突することで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７０から放出された二次電子がヘリックス（図２参照）へ戻り、該ヘリックスから接地電位へ流れるヘリックス電流が低減する。よって、進行波管の効率が向上すると共に、ヘリックス電流によるヘリックスの損傷も抑制される。

また、カーボンナノチューブは、炭素原子どうしが環状に結合することでグラファイトのように端部で格子欠陥が発生しないため、端部の炭素原子が酸素原子や水素原子等と結合することがない。そのため、カーボンナノチューブ層７１は進行波管の組み立て時にろう付け作業等によって加熱されても容易に剥離することがない。さらに、カーボンナノチューブは、上述したように先端が尖った細長い形状の多数の構造体を複雑に織り成した構成であるため、基体となる金属と熱膨張率に差があっても金属の膨張や収縮による剥離が起き難い。

なお、カーボンナノチューブは、ファンデルワールス力によって水素を取り込む水素吸蔵特性を備えていることが知られている。そのため、本実施形態のコレクタ７０から成るコレクタ組立体を、水素を含む雰囲気中にてろう付け等により形成し、そのコレクタ組立体を用いて進行波管を製造すると、カーボンナノチューブ層７１に取り込まれた水素が放出されて進行波管の外囲器内の真空度が悪化するおそれがある。

したがって、本実施形態のコレクタ７０を備える進行波管を製造する場合は、真空中でコレクタ組立体を形成することが望ましい。但し、水素を含む雰囲気中でコレクタ組立体を形成する場合は、形成後のコレクタ組立体を高温処理することで、カーボンナノチューブ層７１に取り込まれた水素を原子の熱振動により脱離すればよい。なお、コレクタ組立体とは、１つあるいは複数のコレクタ、リード線及び絶縁セラミック等を、進行波管の外囲器内に設置できるように、ろう付け作業等によって予め組み立てた構成物を指す。

本実施形態によれば、モリブデン、銅あるいはモリブデンと銅から成る複合材料を用いたコレクタ７０表面の所要部位にカーボンナノチューブ層７１を形成することで、二次電子放出係数が小さく、かつ剥離し難い表面層を備えたコレクタ７０を得ることができる。また、本実施形態のコレクタを、図２に示した進行波管等の電子管に用いれば、ヘリックス電流を低減できるため、電子管の効率が向上すると共に、ヘリックス電流によるヘリックスの損傷が抑制される。

７０コレクタ
７１カーボンナノチューブ層

Claims

電子管が備えるコレクタであって、
表面の所要部位にカーボンナノチューブ層が形成されたコレクタ。
前記所要部位は、
前記電子管が備える電子銃から放出された電子ビームを捕捉する部位である請求項１記載のコレクタ。
前記所要部位は、
前記コレクタの内面全域である請求項２記載のコレクタ。
請求項１から３のいずれか１項記載のコレクタを有する電子管。