JP2014067615A - Magnetron - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マイクロ波を発生する電子管であるマグネトロンに関する。 The present invention relates to a magnetron that is an electron tube that generates a microwave.
一般的に、マグネトロンは、その中心部に配置される真空管部と、真空管部の外周の冷却部と、真空管部と同軸に配設される一対の環状磁石と、環状磁石を磁気的に継ぐヨークと、フィルタ回路部とを備えて構成されている。 In general, a magnetron has a vacuum tube portion disposed at the center thereof, a cooling portion on the outer periphery of the vacuum tube portion, a pair of annular magnets arranged coaxially with the vacuum tube portion, and a yoke that magnetically connects the annular magnets. And a filter circuit unit.
この種の従来のマグネトロンとして特許文献1に記載された、本明細書では図9に示すものがある。図9は従来のマグネトロンの構造例を説明する断面図である。同図において、1は熱電子放出源となるフィラメント、2は複数枚の陽極ベイン、3は陽極円筒(陽極シリンダー)、4,4aは円環状の永久磁石、5,5aは磁極、6,6aはヨーク、7はアンテナリード、8はアンテナ、9は排気管、10はアンテナカバー、11は絶縁体、12は排気管サポート、13は作用空間、14,15は内側及び外側ストラップ、16,17は棒状の上下封止金属、18は金属ガスケット、19は出力部である。この出力部19は前記アンテナリード7、アンテナ8、排気管9及びアンテナカバー10を含んでいる。20は磁気回路部であり、磁気発生源としての前記永久磁石4,4aと磁極5,5a更にはヨーク6,6aを含んでいる。
A conventional magnetron of this type is described in Patent Document 1 and shown in FIG. 9 in this specification. FIG. 9 is a cross-sectional view for explaining an example of the structure of a conventional magnetron. In the figure, 1 is a filament serving as a thermionic emission source, 2 is a plurality of anode vanes, 3 is an anode cylinder (anode cylinder), 4 and 4a are annular permanent magnets, 5 and 5a are magnetic poles, and 6a Is a yoke, 7 is an antenna lead, 8 is an antenna, 9 is an exhaust pipe, 10 is an antenna cover, 11 is an insulator, 12 is an exhaust pipe support, 13 is a working space, 14 and 15 are inner and outer straps, 16 and 17 Is a bar-shaped upper and lower sealing metal, 18 is a metal gasket, and 19 is an output portion. The
21は上側エンドシールド、22は下側エンドシールド、23,24は陰極リードであって、23はセンターリード、24はサイドリードである。25は入力側セラミック、26は陰極端子、27は外部導出リード、28は陰極部であり、この陰極部28は熱電子放出源となる陰極フィラメント1、上側及び下側エンドシールド21,22、更には陰極リード23,24等を含んでいる。29は陽極部であり、この陽極部29は複数枚の陽極ベイン2、陽極部円筒3及び内側及び外側ストラップ14,15等を含んでいる。31はチョークコイル、32は貫通コンデンサ、33はフィルターケース、34は冷却フィンである。35は陽極円筒3の外周に設置された冷却フィンである。
21 is an upper end shield, 22 is a lower end shield, 23 and 24 are cathode leads, 23 is a center lead, and 24 is a side lead.
図9において、螺旋状の陰極フィラメント1の周りには、複数枚の陽極ベイン2が陽極円筒3とろう付け等で固着されるか、若しくは陽極円筒3と共に押し出し成形により一体成型されている。陽極円筒3の上下には軟鉄などの強磁性体からなる磁極5,5a及び円筒状の永久磁石4,4aが配置されている。永久磁石4,4aから発生した磁束は、磁極5,5aを通って陰極フィラメント1と陽極ベイン2との間に形成される作用空間13に入り、軸芯方向に必要な直流磁界を与える。
In FIG. 9, a plurality of
ヨーク6,6aは永久磁石4,4aの磁束が通る磁気回路を構成するものであり、この磁気回路はヨーク6,6a、永久磁石4,4a、及び磁極5,5aにより構成される。負の高電圧となっている陰極フィラメント1から放出された電子は、電界及び磁界の作用を受けて円運動しながら各陽極ベイン2に高周波電界を形成する。
The
この形成された高周波電界はアンテナリード7を通してアンテナ8に至り、アンテナカバー10から外部機器に出力される。陰極フィラメント1は電子放出特性及び加工性等を考慮して、一般には酸化トリウム(ThO2)を約1%含むタングステン線が用いられ、上側エンドシールド21と下側エンドシールド22及び陰極リード23,24で支持されている。
The formed high frequency electric field reaches the
陰極リード23,24は、耐熱性、加工性の観点から、一般的にはモリブデン(Mo)が採用され、入力側セラミック25の上面に銀ろう等でろう付けされた端子板26でチョークコイル31に接続する外部導出リード27,27に接続されている。また、マグネトロンの下部にはチョークコイル31と貫通コンデンサ32を支持するフィルターケース33とこのフィルターケース33を閉じる蓋体34とからなるフィルタ構体が取り付けられている。
The cathode leads 23 and 24 are generally made of molybdenum (Mo) from the viewpoint of heat resistance and workability, and the
外部導出リード27,27に接続されたチョークコイル31は貫通コンデンサ32とでL−Cフィルタを構成し、陰極リード23,24から伝播されてくる低周波成分を抑制する。なお、高周波成分はフィルターケース33とその蓋体34でシールドされる。そして、陽極円筒3の外周に設置された冷却フィン35はマグネトロンの作動に伴う熱を拡散させる。
The
このような構成の従来のマグネトロンにおいては、発振周波数として915MHzと、ISM(Industry Science Medical)バンドである2.45GHz(又は2450MHz)の2種類のものが実用化されている。市場においては、2450MHz又は915MHz帯を発振周波数とするマグネトロンが主流であり、特に前者の2450MHzのものが多用されている。2450MHzのマグネトロンは、加工室及び被加熱物の大きさ、導波管サイズ等を小型化できる特徴を有することから、業務用、家庭用等の電子レンジの様な加熱装置はもとより、半導体製造装置として、薄膜のドライエッチング用装置、マイクロ波プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)装置にも使用されている。 In the conventional magnetron having such a configuration, two types of oscillation frequency of 915 MHz and 2.45 GHz (or 2450 MHz) which is an ISM (Industry Science Medical) band have been put into practical use. In the market, a magnetron having an oscillation frequency in the 2450 MHz or 915 MHz band is the mainstream, and in particular, the former 1450 MHz one is frequently used. The 2450 MHz magnetron has features that can reduce the size of the processing chamber and the object to be heated, the size of the waveguide, etc., so that it can be used not only for heating devices such as microwave ovens for business use and home use, but also for semiconductor manufacturing equipment. As a thin film dry etching apparatus and a microwave plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) apparatus.
しかし、2450MHzのマグネトロンを例えば加熱装置に用いた場合、大きな加熱物、厚物加熱物、解凍物等の被加熱物では加熱むらが発生しやすい。即ち、被加熱物の外表面から中心部まで、短時間での均一加熱が難しい。また、半導体製造装置の例えば薄膜のドライエッチング用装置、マイクロ波プラズマCVD装置等に用いた場合では、加工室へ供給される出力の変動が生じ易く、フィードバック回路を備えた精密な制御を行っても均一な加工が困難で、半導体ウエハへ大きなダメージを与える恐れがあった。 However, when a 2450 MHz magnetron is used for a heating device, for example, heating unevenness is likely to occur in a heated object such as a large heating object, a thick heating object, or a thawed object. That is, uniform heating is difficult in a short time from the outer surface to the center of the object to be heated. Also, when used in semiconductor manufacturing equipment such as thin film dry etching equipment and microwave plasma CVD equipment, fluctuations in the output supplied to the processing chamber are likely to occur, and precise control with a feedback circuit is performed. However, uniform processing is difficult, and there is a risk of damaging the semiconductor wafer.
一方、近年では900MHz帯マイクロ波の需要が増えている。例えば、915MHzのマグネトロンは、大型の電磁石タイプのマグネトロンで、数十kW以上の大出力の工業用加熱装置等に用いられている。915MHzのマグネトロンを前述した加熱装置に実装することも考えられる。しかし、915MHzのマグネトロンはそれ自体が大型で、加熱装置に実装する為には当該加熱装置自体も大型化せざるを得ず、実用上使用するには困難である。 On the other hand, in recent years, the demand for 900 MHz band microwaves is increasing. For example, a 915 MHz magnetron is a large electromagnet type magnetron, and is used in industrial heating devices having a large output of several tens of kW or more. It is also conceivable to mount a 915 MHz magnetron in the heating device described above. However, the 915 MHz magnetron itself is large, and the heating device itself must be enlarged to be mounted on the heating device, which is difficult to use in practice.
また、マイクロ波の周波数が低いほど、伝送する方形導波管は大型となるため、2450MHz用に比べ、915MHz用の方形導波管は大型となる。更に前述した半導体製造装置では、発信源として半導体を用いることも検討されているが、出力が数十W/個と低く、所望の高出力対応が困難であることと、デバイスを駆動させる為の電源コストが高く、これらが解決すべき問題となっている。 Moreover, since the rectangular waveguide to transmit becomes large, so that the frequency of a microwave is low, the rectangular waveguide for 915 MHz becomes large compared with 2450 MHz use. Further, in the semiconductor manufacturing apparatus described above, it is also considered to use a semiconductor as a transmission source, but the output is as low as several tens of W / piece, and it is difficult to cope with a desired high output, and to drive the device. Power supply costs are high, and these are problems to be solved.
マイクロ波の伝送経路を小型化する方法として、同軸導波管結合方式があるが、一般的な915MHzマグネトロンの出力部の構造はアンテナがセラミックで覆われており、同軸導波管への取り付けができず、方形導波管への取り付けが必須であった。特許文献1に示す(本明細書では図10に示す)ように、管内を真空引きするための排気管301にアンテナ309fを通し、一緒に圧接し、その圧接部を保護するカバー302を設け、この保護カバー302に同軸導波管の内導体309aを結合させる方法等が記載されている。しかし、保護カバー302の嵌合部及び圧接部は同軸導波管接続構造としては機械的にも、熱的にも信頼性が低く、同軸導波管部分の付替えには十分な注意が必要であり、高出力用途への採用は難しいとされている。
There is a coaxial waveguide coupling method as a method for miniaturizing the microwave transmission path, but the structure of the output part of a general 915 MHz magnetron is covered with ceramic, so that it can be attached to the coaxial waveguide. It was not possible to attach to the rectangular waveguide. As shown in Patent Document 1 (shown in FIG. 10 in this specification), an
このように、915MHz帯のマグネトロンは大型の電磁石タイプしか製品化されていないということもあり、永久磁石タイプが一般化している2450MHz帯のマグネトロンに比べて重量化、大型化してしまう。また、マイクロ波を伝送する方形導波管の寸法が2450MHzの寸法より大型化してしまう。更に、電磁石励磁用電源が必要になり、電源が複雑化してコスト高となり、同軸導波管接続構造の信頼性が低く、高出力用途への適用が難しいという問題があった。 As described above, only a large electromagnet type of the 915 MHz band magnetron has been commercialized, so that it becomes heavier and larger than the 2450 MHz band magnetron in which the permanent magnet type is generalized. Moreover, the dimension of the rectangular waveguide which transmits a microwave will become larger than the dimension of 2450 MHz. In addition, an electromagnet excitation power source is required, which complicates the power source and increases the cost. The reliability of the coaxial waveguide connection structure is low, making it difficult to apply to high power applications.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、915MHz帯のマグネトロンを、これよりも小型の2450MHz帯のマグネトロンと略同一外形寸法で略同一出力とすることができ、電源のコストが低く、同軸導波管接続構造の信頼性を高くして高出力用途に適用することができるマグネトロンを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a 915 MHz band magnetron can have substantially the same external dimensions and substantially the same output as a smaller 2450 MHz band magnetron. An object of the present invention is to provide a magnetron that is low in reliability and can be applied to high-power applications by increasing the reliability of the coaxial waveguide connection structure.
上記課題を解決するために、本発明は、熱電子放出源を含む陰極部と、陽極円筒部の内側に複数の陽極ベインを一定間隔離して円環状に配列した構造であり、当該陽極ベイン同士の間に形成される空洞による空洞共振器を有する陽極部と、空洞共振器に蓄えられるマイクロ波を外部へ送出する出力部と、陰極部、陽極部及び出力部の一部を内封する真空管本体の軸方向上下端に磁石を配設した磁気回路部とを備え、空洞共振器の数が10個、陰極部の外径と陽極ベイン先端の内径との比が0.36〜0.59、陽極円筒部の外径が80〜100mmであり、真空管本体の発振周波数を800乃至1000MHzとした。 In order to solve the above problems, the present invention is a structure in which a cathode part including a thermionic emission source and a plurality of anode vanes are arranged in a ring shape inside the anode cylindrical part, and the anode vanes are arranged in an annular shape. An anode part having a cavity resonator formed by a cavity, an output part for sending microwaves stored in the cavity resonator to the outside, and a vacuum tube for enclosing a part of the cathode part, anode part and output part And a magnetic circuit part having magnets disposed at upper and lower ends in the axial direction of the main body, the number of cavity resonators is 10, and the ratio of the outer diameter of the cathode part to the inner diameter of the tip of the anode vane is 0.36 to 0.59. The outer diameter of the anode cylindrical portion was 80 to 100 mm, and the oscillation frequency of the vacuum tube body was set to 800 to 1000 MHz.
本発明によれば、915MHz帯のマグネトロンを、これよりも小型の2450MHz帯のマグネトロンと略同一外形寸法で略同一出力とすることができ、電源のコストが低く、同軸導波管接続構造の信頼性を高くして高出力用途に適用することが可能なマグネトロンを提供することができる。 According to the present invention, a magnetron in the 915 MHz band can have substantially the same output with substantially the same external dimensions as a smaller 2450 MHz band magnetron, the power supply cost is low, and the coaxial waveguide connection structure is reliable. Therefore, it is possible to provide a magnetron that can be applied to high power applications with high performance.
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
<実施形態の構成>
図1は、本発明の実施形態に係る永久磁石型900MHz帯のマグネトロン100の構成を示す断面図である。
マグネトロン100において、51は熱電子放出源となる陰極フィラメント(直熱形螺旋状陰極)、52は複数枚の陽極ベイン(単に、ベインともいう)、53は陽極円筒部(陽極シリンダ)である。これらの陽極円筒部53、陽極ベイン52及び陰極フィラメント51の寸法及び配置等は、後述する特定の関係を保っている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
<Configuration of Embodiment>
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a permanent magnet type 900
In the
54,54aは円環状の永久磁石、55,55aは磁極、56,56aはヨークである。57はアンテナリード、58は円筒状のアンテナブロック、61は絶縁体、63は作用空間、64はストラップ、66,67は棒状の上下封止金属、68,68aは上下陽極板、69は出力部である。この出力部69は、アンテナリード57及びアンテナブロック58を含んで構成されている。また、アンテナリード57とアンテナブロック58とは、銀ろう付け又はアーク溶接等の方法によって接合されている。
54 and 54a are annular permanent magnets, 55 and 55a are magnetic poles, and 56 and 56a are yokes. 57 is an antenna lead, 58 is a cylindrical antenna block, 61 is an insulator, 63 is a working space, 64 is a strap, 66 and 67 are bar-shaped upper and lower sealing metals, 68 and 68a are upper and lower anode plates, and 69 is an output section. It is. The
70は磁気回路部であり、この磁気回路部70は、磁気発生源である永久磁石54,54a及び磁極55,55a並びにヨーク56,56aを含んで構成されている。71は上側エンドシールド(出力側エンドシールドともいう)、72は下側エンドシールド(入力側エンドシールドともいう)、73は陰極リードのセンターリード、74は陰極リードのサイドリードである。
75は入力側セラミック、78は陰極部である。この陰極部78は熱電子放出源となる陰極フィラメント51及び上側及び下側エンドシールド71,72並びに陰極リード73,74等を含んで構成されている。79は陽極部であり、この陽極部79は複数枚の陽極ベイン52及び陽極円筒部53と、ろう付け等で固着されるか、又は陽極円筒部53と共に押し出し成形により一体形成されている。76は端子板、80は排気管である。
75 is an input side ceramic, and 78 is a cathode part. The
このような構成要素を有するマグネトロン100において、ヨーク56,56aは、磁気回路部70を構成するが、永久磁石54,54a、磁極55,55a、アンテナリード57、陰極部78及び陽極部79を収容する筐体でもあり、マイクロ波の出力側に配置され、図示せぬ外部機構との結合部材としても用いられる。その筐体は、一方のヨーク56が下面が開口した箱形を成し、他方のヨーク56aがその開口を塞ぐ蓋状を成して構成されている。また、ヨーク56とヨーク56a同士が、ネジ205でネジ止めされており、更にヨーク56が冷却機構77にネジ205aでネジ止めされている。
In the
陽極円筒部53の上下には軟鉄等の強磁性体から成る磁極55,55a及び円筒状の永久磁石54,54aが配置されている。永久磁石54,54aから発生した磁束は、磁極55,55aを通って陰極フィラメント51と陽極ベイン52との間に形成される作用空間63に入り、マグネトロン100の上下方向である軸芯方向に必要な直流磁界を与える。
この直流磁界により次のような作用を及ぼす。即ち、マグネトロン100の本体軸芯が水平面に対して垂直に設置されている状態において、陰極フィラメント51から陽極ベイン52に向かって水平方向に飛ぶ電子に対して垂直方向(軸芯方向)に磁束が付与されると、電子にローレンツ力が加わる。このローレンツ力により電子が水平方向に螺旋状に旋回しながら飛ぶことになり、陽極ベイン52に高周波電界が形成される。
This DC magnetic field has the following effects. That is, in a state where the main axis of the
陰極フィラメント51は、直流の4kV〜8kVの負の高電圧の印加状態において電子を放出し、この電子は、上記のように電界及び磁界の作用を受けて螺旋運動しながら各陽極ベイン52に高周波電界を形成する。この形成された高周波電界は、アンテナリード57を通してアンテナブロック58から図示せぬ外部機器へ出力される。但し、上記で、直流の4kV〜8kVの負の高電圧としたのは、負の高電圧が8kV未満の場合は永久磁石54,54aの磁力が不足するため、現実的ではない。負の高電圧が4kVを超える場合は、十分な出力が得られにくく、実用的ではないという理由がある。
The
また、陰極フィラメント51は、電子放出特性及び加工性等を考慮して、一般的には酸化トリウム(ThO2)を約1%含むタングステン線が用いられ、上側エンドシールド71と下側エンドシールド72及び陰極リード73,74で支持されている。陰極リード73,74は耐熱性、加工性の観点から、一般的にはモリブデン(Mo)が採用され、入力側セラミック75の上面に銀ろう等でろう付けされた端子板76を介してチョークコイル81に接続されている。
The
マグネトロン100の下部には、チョークコイル81及び貫通コンデンサ82を支持するフィルターケース83と、このフィルターケース83を閉じる蓋体84とから成るフィルタ構造体85が取り付けられている。端子板76に接続されたチョークコイル81は、貫通コンデンサ82とでL−Cフィルタを構成し、陰極リード73,74から伝播されてくる低周波成分を抑制する。但し、高周波成分はフィルターケース83とその蓋体84でシールドされる。また、陽極円筒部53の外周に設置された冷却機構77は、冷水が通る冷却水通路77aが内部に周回されて配設されており、その通過する冷水でマグネトロン100の作動に伴う熱を拡散させる。
A
また、排気管80は、陰極部78、陽極等79及び出力部69の一部等が封入されるマグネトロン真空管本体の内部の気体を抜くためのものである。気体を抜いて真空状態となった後、排気管80の先端が封印されるようになっている。
図2は図1に示す陰極部78及び陽極部79を含む部分の要部平面図、図3は図2のA−A断面図、図4は本実施形態のマグネトロン100における1枚の陽極ベイン52の構成例を示し、(a)は平面図、(b)は正面図、(c)は底面図である。
The
2 is a plan view of the main part of the portion including the
図2に示すように陽極円筒部53の内周側に、平面形状が長方形状の10枚の陽極ベイン52の末端が、均等に配置固定されている。更に、その固定位置から各陽極ベイン52の先端が陰極フィラメント51の中心に向かって逆放射状に突出して円形状に配列され、この円形状配列の各先端と陰極フィラメント51との間に作用空間63が形成されている。
As shown in FIG. 2, the ends of ten
更に、各陽極ベイン52の先端側には、図4(b)に示すように、深さH3のストラップ収納溝52aが形成され、ストラップ収納溝52aの上下方向の対向位置には深さH2の切込み52bが形成されている。これらストラップ収納溝52a及び切込み52bは、図3に示すように、各陽極ベイン52に1つ置きに、即ち交互に形成されており、これらストラップ収納溝52a及び切込み52bに円環状のストラップ64が嵌合されて組み込まれている。
Furthermore, as shown in FIG. 4B, a
但し、ストラップ64は、ストラップ収納溝52aに対しては隙間なく嵌合され、切込み52bに対しては両側と底面側とに隙間(ギャップ)ができるように嵌合される。即ち、ストラップ収納溝52aと切込み52bとの幅及び深さH3,H2がそのような寸法に形成されている。そのストラップ64と切込み52bとのギャップは、後述のように静電容量Cの大きさと相関関係を有する。
However, the
図2に示す構造は多分割構造陽極構造と呼称され、10枚の陽極ベイン52で分割された空洞共振器となっている。個々の空洞共振器が構成する静電容量C及びインダクタンスLにより、共振周波数、つまりマグネトロン100の発振周波数が決まる。
The structure shown in FIG. 2 is called a multi-segment structure anode structure and is a cavity resonator divided by ten
インダクタンスLは、陽極円筒部53の内周側と円環状のストラップ64の外周側との間に位置する各陽極ベイン52間の三角形状の空洞の大きさで決まる。空洞が大きくなる程にインダクタンスLが大きくなる。つまり、陽極円筒部53の内径が大きくなる程に、三角形状の空洞が大きくなるのでインダクタンスLが大きくなる。
The inductance L is determined by the size of a triangular cavity between the
静電容量Cは、各陽極ベイン52におけるストラップ64の内周側に付き出した先端部同士の間のギャップで決まる。ギャップが小さいほどに静電容量Cが大きくなる。また、その先端部の互いに対向する部分の面積が大きいほどに、静電容量Cが大きくなる。つまり、図4(b)に示す陽極ベイン52の先端部の高さH1が高くなる程に先端部面積が大きくなって、静電容量Cも大きくなる。
更に、静電容量Cは、図3に示すように、ストラップ64と、切込み52bの両側及び底面側との間のギャップの大きさでも変化する。このギャップが小さいほどに静電容量Cが大きくなる。
The capacitance C is determined by the gap between the tip portions of the
Furthermore, as shown in FIG. 3, the electrostatic capacitance C also changes depending on the size of the gap between the
陽極円筒部53の円周中心部に配置された陰極フィラメント51の上端は出力側エンドシールド71に固着され、下端は入力側エンドシールド72に固着されている。出力側エンドシールド71は棒状の陰極リード73に支持され、入力側エンドシールド72は棒状の陰極リード74に支持されている。
The upper end of the
ここで、10枚の陽極ベイン52を有したマグネトロン100の各部寸法は、発振周波数が800乃至1000MHzを得るため、例えば下記のように定められている。
F(フィラメント外径)=9.2mm(図3参照)
G(陽極ベイン先端内径)=20mm(図3参照)
D1(陽極円筒部内径)=85mm(図3参照)
D2(陽極円筒部外径)=95mm(図3参照)
F/G〔(陰極フィラメント外径)/(陽極ベイン先端内径)〕=0.46(図3参照)
L1(陽極ベイン全長)=32.5mm{図4(b)参照}
L2(陽極ベイン先端部テーパ部長さ)=4.6mm{図4(a)参照}
H1(陽極ベイン高さ)=24mm{図4(b)参照}
H2(ストラップ収納溝通過部高さ)=6.8mm{図4(b)参照}
H3(ストラップ収納溝ろう付け部高さ)=5.8mm{図4(b)参照}
T1(陽極ベイン厚さ)=8.0mm{図4(a)参照}
T2(陽極ベイン先端部厚さ)=5.0mm{図4(a)参照}
R1(ストラップ収納溝壁面曲率)=14.9mm{図4(a)参照}
R2(ストラップ収納溝壁面曲率)=20.5mm{図4(a)参照}
R3(ストラップ収納溝壁面曲率)=15.9mm{図4(c)参照}
R4(ストラップ収納溝壁面曲率)=19.8mm{図4(c)参照}
ストラップ外径:39.3mm(図3参照)
ストラップ内径:31.7mm(図3参照)
Here, the dimensions of each part of the
F (filament outer diameter) = 9.2 mm (see FIG. 3)
G (anode vane tip inner diameter) = 20 mm (see FIG. 3)
D1 (inner cylindrical part inner diameter) = 85 mm (see FIG. 3)
D2 (anode cylindrical outer diameter) = 95 mm (see FIG. 3)
F / G [(cathode filament outer diameter) / (anode vane tip inner diameter)] = 0.46 (see FIG. 3)
L1 (total length of anode vane) = 32.5 mm {see FIG. 4B}
L2 (length of anode vane tip tapered portion) = 4.6 mm {see FIG. 4A}
H1 (anode vane height) = 24 mm {see FIG. 4B}
H2 (the height of the strap storage groove passage) = 6.8 mm {see FIG. 4B}
H3 (Strap storage groove brazing section height) = 5.8 mm {see FIG. 4B}
T1 (anode vane thickness) = 8.0 mm {see FIG. 4A}
T2 (anode vane tip portion thickness) = 5.0 mm {see FIG. 4A}
R1 (curvature of strap storage groove wall) = 14.9 mm {see FIG. 4 (a)}
R2 (curvature of strap storage groove wall surface) = 20.5 mm {see FIG. 4 (a)}
R3 (Surface of groove storing groove wall) = 15.9 mm {see FIG. 4 (c)}
R4 (Surface of groove storing groove wall) = 19.8 mm {see FIG. 4 (c)}
Strap outer diameter: 39.3 mm (see Fig. 3)
Strap inner diameter: 31.7 mm (see Fig. 3)
上記各寸法の陽極構造のマグネトロン100の発振周波数スペクトラムを図5に示す。図5に示す発振周波数スペクトラムから明らかなように、この陽極構造であれば発振周波数はピークが914MHzであり、本発明の発振周波数の800乃至1000MHzの条件を満たしている。また、このときのマイクロ波出力は6kWである。
FIG. 5 shows the oscillation frequency spectrum of the
図6はマグネトロン100の発振周波数(横軸)とマグネトロン100の重量比(縦軸)との関係を示す図である。この図6では、発振周波数2450MHzのマグネトロンの重量を重量比100%とし、2450MHz以下の各発振周波数と、マグネトロンの重量比との関係を曲線MLで表してある。
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the oscillation frequency (horizontal axis) of the
従来のマグネトロン、例えば陽極ベインの枚数が14枚、発振周波数が2450MHz、マイクロ波出力が6kW(6kWクラス)の場合のマグネトロンの質量は2.7kg程度である。この従来のマグネトロンの質量と発振周波数との相対位置を図6に点aで示す。これを基準に発振周波数が915MHzのマグネトロンを実現させようとすると、陽極ベインの長さを7倍以上にする必要があり、その重量は図6の点bに位置する。 When a conventional magnetron, for example, the number of anode vanes is 14, the oscillation frequency is 2450 MHz, and the microwave output is 6 kW (6 kW class), the mass of the magnetron is about 2.7 kg. The relative position between the mass of the conventional magnetron and the oscillation frequency is indicated by a point a in FIG. In order to realize a magnetron with an oscillation frequency of 915 MHz based on this, it is necessary to make the length of the anode vane 7 times or more, and its weight is located at a point b in FIG.
マグネトロンのような多空胴(上述した図2の各陽極ベイン52での分割空洞)を有する陽極構造の発振周波数fは、1つの空胴で構成されるインダクタンスLと静電容量Cに応じて次式(1)のように決まる。
f=1/2π√(LC) …(1)
この式(1)から、安定した発振周波数fを得るためには、空洞をある程度大きくする必要があることが分かる。このため、従来では陽極構造の大型化は避けられない。
The oscillation frequency f of the anode structure having a multi-cavity such as a magnetron (divided cavities at each
f = 1 / 2π√ (LC) (1)
From this equation (1), it can be seen that the cavity needs to be enlarged to some extent in order to obtain a stable oscillation frequency f. For this reason, the enlargement of the anode structure is inevitable conventionally.
一般的には、陽極ベインの厚さを薄くしてインダクタンスLを補正し、陽極ベインが薄くなったことによる熱的余裕度の補正を、陽極ベインの枚数を増やすことで対応している。例えば14枚の陽極ベインのマグネトロンでは、ベイン枚数が多いので、ベイン間の3角形状の空洞が小さくなる。これを大きくするために陽極円筒部53の径を大きくする必要がある。つまり、14枚の陽極ベインのマグネトロンでは、12枚の陽極ベインのマグネトロンよりも陽極構造が大きくなってしまう。
Generally, the inductance L is corrected by reducing the thickness of the anode vane, and the correction of the thermal margin due to the thinner anode vane is dealt with by increasing the number of anode vanes. For example, in the 14 anode vane magnetrons, since the number of vanes is large, the triangular cavity between the vanes becomes small. In order to increase this, it is necessary to increase the diameter of the anode
一方、12枚の陽極ベインで静電容量Cを大きくしようとしても、ベイン先端部間のサイズは0.5mm以下が限界であるため、構造的限界がある。このため、結果的には915MHzで発振するマグネトロンを実現させても、図6の点bのように、点aと比較して約3倍の大きさになってしまう。
但し、陽極ベイン52の先端部間隔は、極力狭くした方が静電容量Cが大きくなって、陽極ベイン52の先端部間の高周波電界を相対的に強くすることができ、負荷安定度は改善されることになる。
On the other hand, even if it is attempted to increase the capacitance C with 12 anode vanes, there is a structural limit because the size between the vane tips is 0.5 mm or less. For this reason, as a result, even if a magnetron that oscillates at 915 MHz is realized, it becomes about three times as large as point a as shown by point b in FIG.
However, when the distance between the tip portions of the
本実施形態のように、従来よりもベイン枚数が少なく、即ち、陽極ベイン52を10枚とすれば、静電容量Cを変えずに、ベイン間空洞が大きくなってインダクタンスLが大きくなるので、その分、陽極円筒部53の径を小さくすることができる。また、インダクタンスLが大きくなると、発振周波数は下がって低周波となる。つまり、陽極ベイン52を10枚とすれば、小形の低周波(発振周波数800〜1000MHz)のマグネトロン100を実現することができる。
マグネトロン100として満足される実用的な各部寸法範囲は次の通りである。上記各寸法は1例であるが、種々の検討をした結果、800乃至1000MHzの発振周波数のマグネトロン100として満足される実用的な各部寸法範囲は次の通りである。
As in this embodiment, if the number of vanes is less than that of the prior art, that is, the
Practical size ranges of each part that are satisfied as the
F(フィラメント外径)=8.0〜10.0mm(図3参照)
G(陽極ベイン先端内径)=17〜22mm(図3参照)
D1(陽極円筒内径)=70〜90mm(図3参照)
D2(陽極円筒部外径)=80〜100mm(図3参照)
F/G〔(陰極フィラメント外径)/(陽極ベイン先端内径)〕=0.36〜0.59(図3参照)
L1(陽極ベイン全長)=30〜35mm{図4(b)参照}
H1(陽極ベイン高さ)=23〜25mm{図4(b)参照}
T1(陽極ベイン厚さ)=7.5〜8.5mm{図4(a)参照}
F/Gの値が0.36未満であると、発振効率が悪くなり実用的ではなくなる。0.59を超える値では、磁束密度が不足し、陽極電圧が上がりにくくなるため、現実的ではなくなる。(D2−D1)/2の結果の値が陽極円筒部53の厚さとなり、この厚さが5mm未満では陽極円筒部53が歪み易くなり、品質が悪くなる。5mmを超えても発振可能ではあるが、陽極円筒部53の冷却効率が悪くなるだけでなく、陽極円筒部53の価格が高くなったり、重量が重くなったりする等の問題が生じる。そこで、D1=70〜90mm、D2=80〜100mmとした。ここで、少なくともD2=80〜100mmとするのがよい。
F (filament outer diameter) = 8.0 to 10.0 mm (see FIG. 3)
G (anode vane tip inner diameter) = 17 to 22 mm (see FIG. 3)
D1 (inner cylinder inner diameter) = 70 to 90 mm (see FIG. 3)
D2 (outer diameter of anode cylindrical portion) = 80 to 100 mm (see FIG. 3)
F / G [(cathode filament outer diameter) / (anode vane tip inner diameter)] = 0.36 to 0.59 (see FIG. 3)
L1 (the total length of the anode vane) = 30 to 35 mm {see FIG. 4B}
H1 (anode vane height) = 23 to 25 mm {see FIG. 4B}
T1 (anode vane thickness) = 7.5 to 8.5 mm {see FIG. 4A}
When the value of F / G is less than 0.36, the oscillation efficiency is deteriorated and is not practical. A value exceeding 0.59 is not practical because the magnetic flux density is insufficient and the anode voltage is difficult to increase. The value of the result of (D2-D1) / 2 is the thickness of the anode
一方、安定的な発振動作を維持すると共に、陽極円筒部53の径小化を図るための図3に示す陽極円筒内径D1と陽極ベイン先端内径Gとの比(D1/G)は、実験の結果、約4.2倍が適切である。また、陽極円筒部外径D2は陽極円筒の機械的強度、放熱効率等を考慮して80〜100mmに決定される。
On the other hand, the ratio (D1 / G) between the anode cylinder inner diameter D1 and the anode vane tip inner diameter G shown in FIG. 3 for maintaining a stable oscillation operation and reducing the diameter of the
また、マグネトロン100は上述したように多空胴共振構造である。このため、従来のようにベイン枚数が14枚のように多くなると、1つの空洞が小さくなる程に、空洞の形成誤差が空洞形状全体に反映される割合が大きくなってしまう。このため、個々の空洞共振器の形状バラツキが大きくなるので、発振周波数が不安定となる。
The
一方、本実施形態のマグネトロン100のようにベイン枚数が10枚の場合、1つの空洞が大きいので、空洞の形成誤差が空洞形状全体に反映される割合が小さい。このため、個々の空洞共振器の形状バラツキが小さいので、発振周波数が安定する。言い換えれば、静電容量Cが一定でインダクタンスLが大きいので、個々の空洞共振器のバラツキが少なくなり、このため、発振周波数が安定する。
従って、10枚の陽極ベイン52を用いた空胴数の少ないマグネトロン100の方が、従来のマグネトロンよりも発振周波数特性に優れている。なお、ベイン枚数がより少ない8枚の場合、空洞はより大きくなるが、入出力効率が悪くなり使用に耐えなくなってしまう。
On the other hand, when the number of vanes is 10 as in the
Therefore, the
<39D同軸導波管使用構造>
図7はマグネトロン100の出力部69に39D規格の同軸導波管を接続した際の構造を示す要部断面図である。
外径Di1の円筒状ブロックである39D内導体91は、直接アンテナブロック58に接触しており、内径Do1の円筒状ブロックである39D外導体93はヨーク56(図1参照)に固定されている。39D内導体91は39Dインナ92に導通しており、39D外導体93は39Dフランジ94にボルト201とナット202によって固定されている。
<39D coaxial waveguide structure>
FIG. 7 is a cross-sectional view of the main part showing the structure when a 39D standard coaxial waveguide is connected to the
The 39D
また、39D内導体91と39D外導体93は、フッ素樹脂スペーサ95によって同軸を維持するように固定されている。39Dフランジ94の内壁面に39D外導体93が、39Dインナ92の外壁面に39D内導体91が取り付けられる構造となっている。破線枠98で囲む部分は、アンテナブロック58とセラミック円筒部60とが密着した気密封止機構である。
The 39D
<77D同軸導波管使用構造>
図8は出力部69に77D規格の同軸導波管を接続した際の構造を示す要部断面図である。
外径Di2の円筒状ブロックである77D内導体103は、スリットが設けられ、ばね性を有した結合部101を介してアンテナブロック58に結合されている。また、77D外導体固定板106によって、ヨーク56に、内径Do2の円筒状ブロックである77D外導体104が固定されている。77D内導体103は77D内導体102に導通しており、77D外導体104は77D外導体105にねじ止め203されている。
<Use of 77D coaxial waveguide>
FIG. 8 is a cross-sectional view of the main part showing the structure when a 77D standard coaxial waveguide is connected to the
The 77D
また、77D内導体104と77D外導体105は、フッ素樹脂スペーサ107によって固定されている。77D外導体105の外壁面に77Dフランジが、77D内導体102の内壁面に77Dインナが取り付けられる構造となっている。
但し、上記の実施形態においては、磁石を永久磁石54,54aとしたが、電磁石であってもよい。
The 77D
However, in the above embodiment, the
<実施形態の効果>
以上説明したように、本実施形態のマグネトロン100は、熱電子放出源である陰極フィラメント51を含む陰極部78と、陽極円筒部53の内側に複数の陽極ベイン52を一定間隔離して円環状に配列した構造であり、陽極ベイン52同士の間に形成される空洞による空洞共振器を有する陽極部79と、空洞共振器に蓄えられるマイクロ波を外部へ送出する出力部69と、陰極部78、陽極部79及び出力部69の一部を内封する真空管本体の軸方向上下端に磁石を配設した磁気回路部70とを備える。そして、空洞共振器の数を10個、陰極部78の外径と陽極ベイン52先端の内径との比を0.36〜0.59、陽極円筒部53の外径を80〜100mmとした。更に、真空管本体の発振周波数が800乃至1000MHzとなる。
<Effect of embodiment>
As described above, the
この構成によれば、陽極ベイン52の枚数を、従来の12枚よりも少ない10枚とした。このようにベイン枚数を10枚とすれば、静電容量Cを変えずに、ベイン間の空洞共振器が大となりインダクタンスLが大となるので、その分、陽極円筒部53の径を小さくすることができる。従って、陽極部79の円形状の径を小さくすることができるので、マグネトロン全体を小型化することができる。
According to this configuration, the number of
また、ベイン枚数が10枚の場合、1つの空洞が大きいので、空洞の形成誤差が空洞形状全体に反映される割合が小さい。このため、個々の空洞共振器の形状バラツキが小さいので、発振周波数が安定する。言い換えれば、静電容量Cが一定でインダクタンスLが大きいので、個々の空洞共振器のバラツキが少なくなり、このため、発振周波数が安定する。更に、インダクタンスLが大になると、発振周波数は下がって低周波となる。つまり、陽極ベイン52を10枚とすれば、小形の低周波(発振周波数800〜1000MHz)のマグネトロン100を実現することができる。
従って、900MHz帯のマグネトロンを、従来の2450MHz帯のマグネトロンと略同一外径寸法及び略同一出力で提供することができる。
Further, when the number of vanes is 10, since one cavity is large, the rate at which the cavity formation error is reflected in the entire cavity shape is small. For this reason, since the shape variation of each cavity resonator is small, the oscillation frequency is stabilized. In other words, since the capacitance C is constant and the inductance L is large, the variation of individual cavity resonators is reduced, and thus the oscillation frequency is stabilized. Further, when the inductance L is increased, the oscillation frequency is lowered and becomes a low frequency. That is, if the number of
Therefore, a 900 MHz band magnetron can be provided with substantially the same outer diameter and substantially the same output as a conventional 2450 MHz band magnetron.
また、上記の磁石を、永久磁石54,54aとした。
この構成によれば、電磁石を用いないので電磁石励磁用の電源も不要となり、その分、電源のコストが下がる。また、電磁石を用いた場合、陰極部78、陽極部79、電磁石用の3つの電源が必要であり、各給電対象の作用動作を考えながら各電源を制御して作動させる必要があった。しかし、電磁石が無くなると、陰極部78と陽極部79の2つの電源のみとなるので、電源の作動制御がその分簡単になるという効果がある。
The magnets described above are
According to this configuration, since no electromagnet is used, an electromagnet excitation power source is not necessary, and the cost of the power source is reduced accordingly. Further, when an electromagnet is used, three power sources for the
また、陰極部78は、直流の4kV〜8kVの負の高電圧の印加状態において陽極部79へ電子を放出し、この電子放出に応じて当該陽極部79が高周波電界を形成してマイクロ波を出力するようにした。
この構成によれば、従来のように発信源に半導体デバイスを用いる場合よりも高出力化が容易であり、半導体デバイスを駆動させる高コストの電源よりも、低コストとすることができるといった効果がある。
Further, the
According to this configuration, it is easier to increase the output than in the case where a semiconductor device is used as a transmission source as in the prior art, and there is an effect that the cost can be reduced as compared with a high-cost power source for driving the semiconductor device. is there.
また、出力部69は、マイクロ波を外部へ出力するアンテナ先端部としてのアンテナブロック58に、マイクロ波が伝搬する同軸導波管(39D同軸導波管又は77D同軸導波管)の内導体91,103を気密状に嵌合し、当該同軸導波管を伝搬するマイクロ波をアンテナ先端部から外部へ送出するようにした。
この出力部69の構成によれば、従来の圧接構造に比べると、嵌合等による組み合わせ構造なので、機械的に信頼性が高くなる。このため、同軸導波管(39D同軸導波管又は77D同軸導波管)の内導体91,103(図7,8参照)との結合も容易となり、同軸導波管の取り換えにおいても、破損等の問題が発生するリスクが少なくなる。
Further, the
According to the configuration of the
また、嵌合構造なので結合部101(図8参照)の熱伝導率、電気伝導率を上げることが可能であり、その分の損失も低減させることができる。
更に、機械的、熱的に信頼性が向上するので、高出力マグネトロン等のように、アンテナブロック58を含むアンテナ部が高温になる仕様には有利である。
Moreover, since it is a fitting structure, it is possible to raise the heat conductivity of the coupling | bond part 101 (refer FIG. 8), and an electrical conductivity, and the loss of the part can also be reduced.
Furthermore, since the reliability is improved mechanically and thermally, it is advantageous for a specification in which the antenna portion including the
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 In addition, this invention is not limited to above-described embodiment, Various modifications are included. For example, the above-described embodiment has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to the one having all the configurations described. Further, a part of the configuration of an embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of an embodiment. In addition, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
51 陰極フィラメント
52 陽極ベイン
52a ストラップ収納溝
52b 切込み
53 陽極円筒部
54,54a 永久磁石
55,55a 磁極
56,56a ヨーク
57 アンテナリード
58 アンテナブロック
60 セラミック円筒部
61 出力側セラミック
63 作用空間
64 ストラップ
66,67 上下封止金属
68,68a 上下陽極板
69 出力部
70 磁気回路部
71 上側エンドシールド
72 下側エンドシールド
73 陰極リード(センターリード)
74 陰極リード(サイドリード)
75 入力側セラミック
76 端子板
77 冷却機構
77a 冷却水通路
78 陰極部
79 陽極部
80 排気管
81 チョークコイル
82 貫通コンデンサ
83 フィルターケース
84 蓋体
85 フィルタ構造体
91 39D内導体
93 39D外導体
98 気密封止機構
100 マグネトロン
103 77D内導体
104 77D外導体
51
74 Cathode lead (side lead)
75 Input side ceramic 76
Claims (4)
陽極円筒部の内側に複数の陽極ベインを一定間隔離して円環状に配列した構造であり、当該陽極ベイン同士の間に形成される空洞による空洞共振器を有する陽極部と、
前記空洞共振器に蓄えられるマイクロ波を外部へ送出する出力部と、
前記陰極部、前記陽極部及び前記出力部の一部を内封する真空管本体の軸方向上下端に磁石を配設した磁気回路部と
を備え、
前記空洞共振器の数が10個、前記陰極部の外径と前記陽極ベイン先端の内径との比が0.36〜0.59、前記陽極円筒部の外径が80〜100mmであり、前記真空管本体の発振周波数が800乃至1000MHzである
ことを特徴とするマグネトロン。 A cathode portion including a thermionic emission source;
A structure in which a plurality of anode vanes are arranged in an annular shape inside the anode cylindrical portion and spaced apart from each other, and an anode portion having a cavity resonator formed by a cavity formed between the anode vanes,
An output unit for sending microwaves stored in the cavity resonator to the outside;
A magnetic circuit unit having magnets disposed at upper and lower ends in the axial direction of a vacuum tube body enclosing a part of the cathode unit, the anode unit, and the output unit,
The number of the cavity resonators is 10, the ratio of the outer diameter of the cathode part to the inner diameter of the tip of the anode vane is 0.36 to 0.59, the outer diameter of the anode cylindrical part is 80 to 100 mm, A magnetron characterized in that the oscillation frequency of the vacuum tube body is 800 to 1000 MHz.
前記磁石は、永久磁石である
ことを特徴とするマグネトロン。 The magnetron according to claim 1, wherein
The magnetron is a permanent magnet.
前記陰極部は、直流の4kV〜8kVの負の高電圧の印加状態において前記陽極部へ電子を放出し、この電子放出に応じて当該陽極部が高周波電界を形成して前記マイクロ波を出力する
ことを特徴とするマグネトロン。 The magnetron according to claim 1 or 2, wherein
The cathode part emits electrons to the anode part in a state where a negative high voltage of 4 kV to 8 kV of direct current is applied, and the anode part forms a high-frequency electric field according to the electron emission and outputs the microwave. Magnetron characterized by that.
前記出力部は、前記マイクロ波を外部へ送出するアンテナ先端部に、前記マイクロ波が伝搬する同軸導波管の内導体を気密状に嵌合し、当該同軸導波管を伝搬するマイクロ波を前記アンテナ先端部から外部へ送出する
ことを特徴とするマグネトロン。 The magnetron according to claim 1 or 2, wherein
The output section is fitted with an inner conductor of a coaxial waveguide through which the microwave propagates in an airtight manner at an antenna tip that transmits the microwave to the outside, and the microwave that propagates through the coaxial waveguide is transmitted. The magnetron is sent out from the front end of the antenna.
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