JP2015216006A - マグネトロンの陰極、マグネトロン、およびマイクロ波加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放射性物質を使用せずに、従来に比べて有意に良好な効率で電子を放出させることが可能な、マグネトロンの陰極を提供する。
【解決手段】マグネトロンの陰極であって、Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物を有することを特徴とする陰極。
【選択図】図２

Description

本発明は、マグネトロンの陰極、マグネトロン、およびマイクロ波加熱装置に関する。

マイクロ波加熱装置およびマイクロ波通信装置などに用いられるマイクロ波は、マグネトロン（磁電管）により発生させることができる。

マグネトロンは、二極真空管の一種であり、電子源である陰極、電子を捕集する陽極、これらの電極を真空雰囲気に保持するための容器、および放出された電子の運動を制御するための磁石などの磁界発生器から構成される。

陰極から放出された電子は、電場によって加速され、磁場によって曲げられる。磁場が大きくなると、電子が陽極に到達することは難しくなるが、電子の到達／未到達の境界付近では、陽極電流に振動が生じる。マグネトロンでは、この振動を陽極側に設けた空洞で共振させ、これによりマイクロ波を取り出すことができる。

このようなマグネトロンには、電子放出原理に着目した場合、熱電子放出方式および電界電子放出方式の２つのタイプがある。このうち、熱電子放出方式は、熱エネルギーを利用して、陰極中の電子を真空中に取り出す方式である。この方式では、陰極材料として、例えば、仕事関数の低い酸化トリウムを含むタングステンがフィラメントコイル状に加工されて使用される（特許文献１、２）。

これに対して、電界電子放出方式では、陰極に高電界を印加して、陰極材料のポテンシャル障壁を下げることにより、トンネル効果を利用して、電子を真空中に取り出す。この方式では、陰極の特に電子放出部での電界の集中を生じやすくするため、陰極に、スピント型（円錐状）の形状を有する材料が使用される（特許文献３）。

特開昭５８−８０２４２号公報 国際公開第ＷＯ２０１３／０９４１８５号 特開平８−７８１５３号公報

前述のように、熱電子放出方式のマグネトロンの陰極には、仕事関数を下げるため、酸化トリウムのような放射性物質が使用される。しかしながら、このような放射性物質は、取扱に高度な管理および注意が必要となる。また、陰極の形状、すなわちフィラメントコイル形状は、比較的破断が生じやすく、寿命の点で問題がある。

一方、電界電子放出方式のマグネトロンの陰極には、カーボンナノチューブおよびケイ素のような材料が使用される。しかしながら、カーボンナノチューブおよびケイ素の仕事関数は、それぞれ、４．６ｅＶおよび４．１ｅＶ程度であり、これらは、酸化トリウムの仕事関数（２．６ｅＶ）に比べると、比較的高い。このため、陰極にこれらの材料を使用した場合、放出電子の量が不十分となり、現実的な効率でマグネトロンを作動させることは難しいという問題がある。

本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、本発明では、放射性物質を使用せずに、従来に比べて有意に良好な効率で電子を放出させることが可能な、マグネトロンの陰極を提供することを目的とする。また、本発明では、そのような陰極を有するマグネトロン、およびマイクロ波加熱装置を提供することを目的とする。

本発明では、マグネトロンの陰極であって、
Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物を有することを特徴とする陰極が提供される。

また、本発明では、マグネトロンの陰極であって、
当該陰極は、電界電子放出方式の第１の陰極部分と、熱電子放出方式の第２の陰極部分とを有し、
前記第１の陰極部分および第２の陰極部分は、Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物を有することを特徴とする陰極が提供される。

さらに、本発明では、陰極および陽極を有するマグネトロンであって、
前記陰極は、前述のような陰極であることを特徴とするマグネトロンが提供される。

さらに、本発明では、マグネトロンを備えるマイクロ波加熱装置であって、
前記マグネトロンは、前述のようなマグネトロンであることを特徴とするマイクロ波加熱装置が提供される。

本発明では、放射性物質を使用せずに、従来に比べて有意に良好な効率で電子を放出させることが可能な、マグネトロンの陰極を提供することができる。また、本発明では、そのような陰極を有するマグネトロン、およびマイクロ波加熱装置を提供することができる。

従来のマグネトロンの陰極の構成を模式的に示した図である。 本発明の一実施例によるマグネトロンの陰極の構成を模式的に示した図である。 本発明の一実施例による別のマグネトロンの陰極の構成を模式的に示した図である。 陰極における円筒部材の別の構成例を模式的に示した図である。 本発明の一実施例によるさらに別のマグネトロンの陰極の構成を模式的に示した図である。 第２の陰極に含まれる円筒部材の製造フローを模式的に示した図である。 第２の陰極に含まれる円筒部材の製造工程の一態様を模式的に示した図である。 第２の陰極に含まれる円筒部材の製造工程の一態様を模式的に示した図である。 第２の陰極に含まれる円筒部材の製造工程の一態様を模式的に示した図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。

（従来のマグネトロンの陰極について）
まず、本発明の特徴および効果をより良く理解するため、図１を参照して、従来のマグネトロンの陰極の構成について簡単に説明する。

図１には、従来のマグネトロンの陰極の構成を模式的に示す。このマグネトロンの陰極は、前述の特許文献２に記載されたものであり、いわゆる熱電子放出方式の陰極である。

図１に示すように、従来のマグネトロンの陰極１は、センターリード２と、該センターリード２の上端に接合されたトップハット３と、サイドリード４と、該サイドリード４の上端に接合されたエンドハット５と、フィラメントコイル６とを備える。 エンドハット５は、センターリード２の軸方向にトップハット３と対向して配設される。また、フィラメントコイル６は、トップハット３とエンドハット５の間に配置される。

フィラメントコイル６は、酸化トリウムを含むタングステン等で構成される。

このような熱電子放出方式の陰極１は、放射性物質である酸化トリウムを含むため、取扱に高度な管理および注意が必要となる。特に、材料の輸送時や保管の際には、大量の放射性物質を取り扱うことになり、このような材料は、工業上好ましくはない。

また、フィラメントコイル６は、部材の抵抗を高めるため、比較的細い線で構成される。このため、フィラメントコイル６は、比較的破断が生じやすく、寿命の点で問題がある。

一方、マグネトロンの電子放出方式には、図１に示したような熱電子放出方式の他、電界電子放出方式と呼ばれる方式がある。この電界電子放出方式では、陰極に高電界を印加することにより、電子放出が行われる。

電界電子放出方式を使用した場合、陰極の加熱が理論上不要となり、陰極への電圧の印加直後から、電子放出を発生させることができる。

ここで、電子放出の量、すなわち放出電流密度ｉ（Ａ／ｍ^２）は、以下に示すような、Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍの式（（１）式）で表される：

ここで、

であり、φ（ｅＶ）は仕事関数であり、Ｅ（Ｖ／ｍ）は電界、すなわち表面電場である。

これらの式から、放出電流密度ｉは、電界Ｅおよび材料の仕事関数φに依存することがわかる。

なお、引用文献３には、電界電子放出方式の陰極に、ケイ素（ｎ型）またはカーボンナノチューブを使用することが記載されている。

しかしながら、ケイ素およびカーボンナノチューブの仕事関数φは、それぞれ、４．６ｅＶおよび４．１ｅＶと比較的高いことが知られている。従って、このような比較的仕事関数φの大きな材料を陰極に使用した場合、電界を印加した際に実際に得られる放出電流密度ｉが、非現実的な値にまで低下してしまう。

このように、従来のマグネトロンに関しては、熱電子放出方式および電界電子放出方式のいずれのタイプにおいても、前述のような問題を解消または軽減することが可能な新たな陰極が要望されている。

（本発明によるマグネトロンの陰極について）
これに対して、本発明では、陰極がＣ１２Ａ７エレクトライド化合物を有するという特徴を有する。

本発明に使用されるＣ１２Ａ７エレクトライド化合物は、放射性物質ではないため、安全であり、取扱や保管に際して高度な注意を払う必要はない。また、Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物は、例えば、円筒状など、破損が生じ難い形状で、陰極に適用することができる。このため、フィラメントコイルのような断線の問題が有意に軽減され、寿命を長くすることができる。

また、Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物は、仕事関数φが約２．４ｅＶ程度であり、この値は、カーボンナノチューブおよびケイ素に比べて有意に小さい。このため、前述の（１）式で表される放出電流密度ｉを、有意に高めることができる。

従って、本発明では、Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物を、熱電子放出方式の陰極および電界電子放出方式の陰極のいずれに適用した場合も、従来の問題を有意に解消または抑制することができる。

（Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物等について）
ここで、本願において使用される「Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物」に関連する用語について説明する。

（結晶質Ｃ１２Ａ７化合物）
本願において、「結晶質Ｃ１２Ａ７化合物」とは、１２ＣａＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３の結晶、およびこれと同等の結晶構造を有する同型化合物を意味する。本化合物の鉱物名は、「マイエナイト」である。

本発明における結晶質Ｃ１２Ａ７化合物は、結晶格子の骨格により形成されるケージ構造が保持される範囲で、Ｃ１２Ａ７結晶骨格のＣａ原子および／またはＡｌ原子の一部乃至全部が他の原子に置換された化合物、ならびにケージ中のフリー酸素イオンの一部乃至全部が他の陰イオンに置換された同型化合物であっても良い。なお、Ｃ１２Ａ７は、Ｃａ_１２Ａｌ_１４Ｏ_３３またはＣａ_２４Ａｌ_２８Ｏ_６６と表記されることがある。

同型化合物としては、これに限られるものではないが、例えば、下記の（１）〜（５）の化合物が例示される。
（１）結晶中のＣａ原子の一部乃至全部が、Ｓｒ、Ｍｇ、およびＢａからなる群から選択される一種以上の金属原子に置換された同型化合物。例えば、Ｃａ原子の一部乃至全部がＳｒに置換された化合物としては、ストロンチウムアルミネートＳｒ_１２Ａｌ_１４Ｏ_３３があり、ＣａとＳｒの混合比が任意に変化された混晶として、カルシウムストロンチウムアルミネートＣａ_１２−ｘＳｒ_ＸＡｌ_１４Ｏ_３３（ｘは１〜１１の整数；平均値の場合は０超１２未満の数）などがある。
（２）結晶中のＡｌ原子の一部ないし全部が、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｉｎ、およびＢからなる群から選択される一種以上の原子に置換された同型化合物。例えば、Ｃａ_１２Ａｌ_１０Ｓｉ_４Ｏ_３５などが挙げられる。
（３）１２ＣａＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３の結晶（上記（１）、（２）の化合物を含む）中の金属原子および／または非金属原子（ただし、酸素原子を除く）の一部が、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、およびＣｕからなる群から選択される一種以上の遷移金属原子もしくは典型金属原子、Ｌｉ、Ｎａ、およびＫからなる群から選択される一種以上のアルカリ金属原子、またはＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、およびＹｂからなる群から選択される一種以上の希土類原子と置換された同型化合物。
（４）ケージに包接されているフリー酸素イオンの一部乃至全部が、他の陰イオンに置換された化合物。他の陰イオンとしては、例えば、Ｈ⁻、Ｈ_２ ⁻、Ｈ^２−、Ｏ⁻、Ｏ_２ ⁻、ＯＨ⁻、Ｆ⁻、Ｃｌ⁻、およびＳ^２−などの陰イオンや、窒素（Ｎ）の陰イオンなどがある。
（５）ケージの骨格の酸素の一部が、窒素（Ｎ）などで置換された化合物。

（結晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物）
本願において、「結晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物」とは、前述の「結晶質Ｃ１２Ａ７化合物」において、ケージに包接されたフリー酸素イオン（ケージに包接された他の陰イオンを有する場合は、当該陰イオン）の一部乃至全部が電子に置換された化合物を意味する。

結晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物において、ケージに包接された電子は、ケージに緩く束縛され、結晶中を自由に動くことができる。このため、結晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物は、導電性を示す。特に、全てのフリー酸素イオンが電子で置き換えられた結晶質Ｃ１２Ａ７化合物は、［Ｃａ_２４Ａｌ_２８Ｏ_６４］^４＋（４ｅ⁻）と表記されることがある。

結晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライドの仕事関数は、例えば、２．４〜３．０ｅＶである。

（非晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物）
本願において、「非晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物」とは、結晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライドと同等の組成を有し、非晶質Ｃ１２Ａ７を溶媒とし、電子を溶質とする溶媒和からなる非晶質固体物質を意味する。

一般に、結晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物では、それぞれのケージが面を共有して３次元的に積み重なることにより、結晶格子が構成され、それらのケージの一部に電子が包接される。これに対して、非晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物の場合、非晶質Ｃ１２Ａ７からなる溶媒中に、バイポーラロンと呼ばれる特徴的な部分構造が分散された状態で存在する。バイポーラロンは、２つのケージが隣接し、さらにそれぞれのケージに、電子（溶質）が包接されて構成される。

非晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物は、半導体的な電気的特性を示し、低い仕事関数を有する。仕事関数は、例えば、２．８〜３．２ｅＶである。

バイポーラロンは、光子エネルギーが１．５５ｅＶ〜３．１０ｅＶの可視光の範囲では光吸収がほとんどなく、４．６ｅＶ付近で光吸収を示す。従って、非晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物の薄膜は可視光において透明である。また、サンプルの光吸収特性を測定し、４．６ｅＶ付近の光吸収係数を測定することにより、サンプル中にバイポーラロンが存在するかどうか、すなわちサンプルが非晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物を有するかどうかを確認することができる。

また、バイポーラロンを構成する隣接する２つのケージは、ラマン活性であり、ラマン分光測定の際に１８６ｃｍ^−１付近に特徴的なピークを示す。

（Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物）
本願において、「Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物」とは、前述の「結晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド」および「非晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド」の両方を含む概念を意味する。

なお、結晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド」は、Ｃａ原子、Ａｌ原子、およびＯ原子を含み、Ｃａ：Ａｌのモル比が１３：１３〜１１：１５の範囲であり、Ｃａ：Ａｌのモル比は、１２．５：１３．５〜１１．５：１４．５の範囲であることが好ましく、１２．２：１３．８〜１１．８：１４．２の範囲であることがより好ましい。

また、「非晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物」は、Ｃａ原子、Ａｌ原子、およびＯ原子を含み、Ｃａ：Ａｌのモル比が１３：１２〜１１：１６の範囲であり、Ｃａ：Ａｌのモル比は、１３：１３〜１１：１５の範囲であることが好ましく、１２．５：１３．５〜１１．５：１４．５の範囲であることがより好ましい。

（本発明の一実施例によるマグネトロンの陰極について）
次に、図２を参照して、本発明の一実施例によるマグネトロンの陰極（以下、単に「第１の陰極」と称する）の構成について説明する。なお、ここでは、一例として、熱電子放出方式のマグネトロンの陰極として適用可能な、第１の陰極について説明する。

図２には、第１の陰極の構成例を模式的に示す。

図２に示すように、第１の陰極１０１は、センターリード１０２と、該センターリード１０２の上端に接合されたトップハット１０３と、サイドリード１０４と、該サイドリード１０４の上端に接合されたエンドハット１０５と、円筒部材１３０とを備える。 エンドハット１０５は、センターリード１０２の軸方向にトップハット１０３と対向して配設される。また、円筒部材１３０は、トップハット１０３とエンドハット１０５の間に配置される。センターリード１０２は、円筒部材１３０を貫通して延在する。

トップハット１０３およびエンドハット１０５は、例えばモリブデンのような高融点金属で構成されても良い。

ここで、円筒部材１３０は、Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物で構成される。Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物は、結晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物であっても、非晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物であっても良い。ただし、通常の場合、結晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物は、非晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物に比べて、仕事関数φが低い。このため、円筒部材１３０は、結晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物であることが好ましい。このように仕事関数の低い熱電子源を使用することによって、同じ電流が相対的に低温で得られ、マグネトロンの小型化、耐熱部材の削減などに有効である。

また、円筒部材１３０を構成するＣ１２Ａ７エレクトライド化合物の電子密度は、例えば、２．０×１０^１８ｃｍ^−３〜２．３×１０^２１ｃｍ^−３の範囲である。

Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物の円筒部材１３０は、例えば以下の方法で作製できる。
まず、Ｃ１２Ａ７化合物の粉末と樹脂を混合し、円筒状に成形する。成形方法は射出成形や押出成形など一般的なセラミックスの成形方法で可能である。次に、大気中１０００℃程度に加熱し脱脂する。さらに、還元雰囲気で熱処理する。還元熱処理によって表面に付着した異物を取り除くため、ドライ研磨やリン酸などの酸でエッチングしても良い。さらに表面清浄化や表面結晶化のために、１０^−４Ｐａより高真空雰囲気下で１２００℃未満の熱処理を行っても良い。

なお、Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物は、電子密度を制御することにより、電気抵抗を容易に調整することができる。従って、円筒部材１３０は、フィラメントコイル形状ではないものの、通電により、容易に加熱することができる。

このような構成の第１の陰極１０１は、放射性物質を有さず、フィラメントコイルも有さない。このため、前述のような従来の熱電子放出方式の陰極が有する問題を、有意に回避することができる。

以上、図２を参照して、本発明の一実施例による熱電子放出方式の陰極の構成について説明した。しかしながら、これは単なる一例であって、本発明の一実施例による熱電子放出方式の陰極が、その他の構成を有しても良いことは当業者には明らかである。

（本発明の一実施例による別のマグネトロンの陰極について）
次に、図３を参照して、本発明の一実施例による別のマグネトロンの陰極（以下、単に「第２の陰極」と称する）の構成について説明する。なお、ここでは、一例として、電界電子放出方式のマグネトロンの陰極として適用可能な、第２の陰極について説明する。

図３には、第２の陰極の構成例を模式的に示す。

図３に示すように、第２の陰極２０１は、図２に示した第１の陰極１０１と同様の構成を有する。例えば、第２の陰極２０１は、センターリード２０２と、トップハット２０３と、サイドリード２０４と、エンドハット２０５とを備える。

ただし、第２の陰極２０１は、円筒部材２８０の構成が、第１の陰極１０１の円筒部材１３０とは異なっている。すなわち、図３に示すように、第２の陰極２０１において、円筒部材２８０は、金属パイプ２８３と、該金属パイプ２８３の外表面に形成された複数の突起２８５とで構成される。

金属パイプ２８３は、例えば、モリブデンのような金属で構成される。また、突起２８５は、Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物で構成される。Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物は、結晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物であっても、非晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物であっても良い。ただし、通常の場合、結晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物は、非晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物に比べて、仕事関数φが低い。このため、突起２８５は、結晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物であることが好ましい。

また、突起２８５を構成するＣ１２Ａ７エレクトライド化合物の電子密度は、例えば、２．０×１０^１８ｃｍ^−３〜２．３×１０^２１ｃｍ^−３の範囲である。

ここで、図３からは明確ではないが、金属パイプ２８３の外表面に配置された各突起２８５は、略三角錐状の形状を有し、それぞれの三角錐の頂点は、金属パイプ２８３の軸に対して垂直な方向、すなわち半径方向に向かって突出するように形成されている。

ただし、これは、単なる一例であって、突起２８５は、その他の形態を有しても良い。例えば、突起２８５は、略円錐状、略楕円錐状、略四角錐状、および略五角錐状等、頂点を有するいかなる形状であっても良い。

あるいは、突起２８５は、例えば、金属パイプ２８３の外表面に、軸方向に沿って相互に離間して配列された、複数のリング形状物で構成されても良い。この場合、金属パイプ２８３の軸方向と平行な方向から見た際に、突起２８５は、連続的な単一の突起として視認される。

あるいは、突起２８５は、例えば、金属パイプ２８３の外表面に、ネジのような連続的な螺旋構造で構成されても良い。この場合、突起２８５は、一続きの単一の凸部として視認される。

このような構成を有する第２の陰極２０１では、電界の集中が生じる突起２８５に、仕事関数が小さいＣ１２Ａ７エレクトライド化合物が使用されている。このため、前述のような従来の電界電子放出方式の陰極が有する、放出電流密度ｉが低く効率向上が難しいという問題を、有意に改善することができる。

以上、図３を参照して、本発明の一実施例による電界電子放出方式の陰極の構成について説明した。しかしながら、これは単なる一例であって、本発明の一実施例による電界電子放出方式の陰極が、その他の構成を有しても良いことは当業者には明らかである。

図４には、陰極の円筒部材の別の構成例を示す。図４には、第２の陰極２０１に、円筒部材２８０の代わりに適用され得る、第２の円筒部材２８１の断面（軸方向に垂直な断面）の一部が模式的に示されている。

図４に示すように、この円筒部材２８１は、金属パイプ２８４と、該金属パイプ２８４の外表面に形成された膜２８８とで構成される。

より具体的には、金属パイプ２８４は、外表面に複数のスパイク２８６を有する。このようなスパイク２８６を有する金属パイプ２８４は、例えば、機械加工等により形成することができる。金属パイプ２８４の外表面には、スパイク２８６を覆うように膜２８８が形成される。膜２８８は、Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物で構成される。

このような構成の円筒部材２８１を有する陰極においても、図３に示した第２の陰極２０１と同様の効果が得られることは明らかであろう。

さらに、本発明の一実施例による電界電子放出方式の陰極は、図２に示した熱電子放出方式の陰極（第１の陰極）１０１と同様の円筒部材１６０、すなわち突起を有さない電子放出部を有しても良い。

一般に、電界電子放出方式の陰極では、電子放出部において電界集中を生じやすくするため、前述の突起２８５のような、複数の突出部が必要となる。

しかしながら、本発明の一実施例による電界電子放出方式の陰極は、仕事関数φが有意に低いＣ１２Ａ７エレクトライド化合物を有する。このため、本発明の一実施例による電界電子放出方式の陰極は、電子放出部に必ずしも突出部を形成しなくても、電界の印加によって、十分に大きな放出電流密度ｉを得ることができる。

従って、本発明の一実施例では、電界電子放出方式の陰極において、熱電子放出方式と同様の構成を有する陰極を適用することができる。

（本発明の一実施例によるさらに別のマグネトロンの陰極について）
次に、図５を参照して、本発明の一実施例によるさらに別のマグネトロンの陰極（以下、単に「第３の陰極」と称する）の構成について説明する。

図５には、第３の陰極の構成例を模式的に示す。

図５に示すように、第３の陰極３０１は、センターリード３０２と、該センターリード３０２の上端に配置された電界電子放出部３２０と、センターリード３０２の電界電子放出部３２０よりも下側に配置された熱電子放出部３７０とを有する。

電界電子放出部３２０は、前述の図３に示した第２の陰極２０１と同様の構成を有し、熱電子放出部３７０は、前述の図２に示した第１の陰極１０１と同様の構成を有する。

より具体的には、電界電子放出部３２０は、センターリード３０２の上端に接合された第１のトップハット３２３と、第１のエンドハット３２５と、円筒部材３３０とを備える。

第１のエンドハット３２５は、センターリード３０２の軸方向に、第１のトップハット３２３と対向して配設される。また、円筒部材３３０は、第１のトップハット３２３と、第１のエンドハット３２５の間に配置される。センターリード３０２は、円筒部材３３０を貫通して延在する。

円筒部材３３０は、金属パイプ３３３と、該金属パイプ３３３の外表面に形成された複数の突起３３５とで構成される。金属パイプ３３３は、例えば、モリブデンのような金属で構成される。また、突起３３５は、Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物で構成される。Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物は、結晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物であっても、非晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物であっても良い。

前述のように、円筒部材３３０は、各種形態を取り得る。例えば、突起３３５は、略円錐状および略四角錐状等、頂点を有するいかなる形状であっても良い。また、突起３３５は、リング形状物またはネジのような螺旋構造物で構成されても良い。さらに、円筒部材３３０は、スパイクを有する金属パイプ３３３の外表面に、Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物の連続膜を成膜することにより構成されても良い（図４参照）。

一方、熱電子放出部３７０は、センターリード３０２に接合された第２のトップハット３７３と、第２のエンドハット３７５と、円筒部材３８０とを備える。

第２のエンドハット３７５は、センターリード３０２の軸方向に、第２のトップハット３７３と対向して配設される。また、円筒部材３８０は、第２のトップハット３７３と、第２のエンドハット３７５の間に配置される。センターリード３０２は、円筒部材３８０を貫通して延在する。

円筒部材３８０は、Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物で構成される。Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物は、結晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物であっても、非晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物であっても良い。

このような構成の第３の陰極３０１においても、前述の第１および第２の陰極１０１、２０１と同様の効果が得られることは、当業者には明らかである。

また、第３の陰極３０１は、電界電子放出部３２０と熱電子放出部３７０の双方を有する。

一般のマグネトロンにおいて、熱電子放出方式では、電界電子放出方式に比べて、初期のスタートアップから定常的に放電電流が得られるまでに、相応の時間がかかるという問題がある。陰極から放出された電子は磁界で曲げられ、一部は陽極に到達せずに陰極に衝突し、陰極を加熱する。よって、電子放出が増えると陰極が加熱されるため、さらに熱電子放出が増加するためである。

また、電界電子放出方式では、熱電子放出方式に比べて、十分な放電電流が得にくいという問題がある。実用的には、空気が絶縁破壊する３×１０^６Ｖ／ｍ以上の高圧を印加することは好ましくないためである。

しかしながら、第３の陰極３０１のような「ハイブリッド」方式では、それぞれの方式を単独で使用した場合に比べて、そのような問題が抑制できるという効果が得られる。すなわち、スタートアップ直後に電界放出によって、ある程度の放電を始めることで、十分な放電電流が得られるまでの時間が大幅に短縮される。

以上、図面を参照して、本発明の一実施例による陰極の構成およびその特徴について説明した。このような陰極は、マグネトロン、およびそのようなマグネトロンを備えるマイクロ波加熱装置等に適用することができる。

（本発明の一実施例によるマグネトロンの陰極の製造方法について）
次に、本発明の一実施例によるマグネトロンの陰極の製造方法について、簡単に説明する。以降の説明では、特に、図３に示すような第２の陰極２０１を例に、陰極の製造方法について説明する。ただし、一般的な陰極の製造方法は、当業者には明らかである。従って、ここでは特に、Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物を含む円筒部材２８０の製造方法について説明する。

図６には、そのような円筒部材２８０を製造するためのフロー図を模式的に示す。

図６に示すように、円筒部材２８０を製造する方法は、
金属板の外表面に、Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物で構成された複数の突起２８５を形成する工程（工程Ｓ１１０）と、
金属板をパイプ状に変形させる工程（工程Ｓ１２０）と、
を有する。

以下、図７〜図９も参照して、各工程について説明する。なお、図７〜図９は、円筒部材２８０の製造工程の一態様を模式的に示した図である。

（工程Ｓ１１０）
まず、金属板２８３が準備される。

金属板２８３の寸法は、特に限られない。一例を示すと、厚さは、例えば、０．１ｍｍ〜２ｍｍの範囲である。この範囲の場合、機械的強度を保持する一方、パイプ状に成形することが容易となる。

金属板２８３の材質は、特に限られないが、例えば、ニッケル、アルミニウム、チタニウム、クロム、モリブデン、タングステンなどの金属や、ステンレス鋼やコバールなどの合金が好ましい。

次に、金属板２８３の外面に、Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物で構成された複数の突起２８５が形成される。

突起２８５の形成方法は特に限られない。突起２８５は、例えば、気相成膜法等により形成されても良い。

以下、一例として、図７〜図９を参照して、スパッタリング法により突起２８５を形成する工程について説明する。

まず、図７に示すように、金属板２８３の外面７８４に、第１のレジスト７１２および第２のレジスト７１４を塗布する。フォトリソグラフィーによってこれらをパターン化することにより、オーバーハング構造を有するレジストパターン７１０を形成する。レジストパターン７１０は、複数の開口７１６を有する。

次に、この金属板２８３の外面７８４に、レジストパターン７１０を介して、Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物をスパッタリング成膜する。

スパッタリング処理のターゲットには、結晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物が使用される。この結晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物の電子密度は、例えば、２．０×１０^１８ｃｍ^−３〜２．３×１０^２１ｃｍ^−３の範囲である。また、スパッタリング処理の雰囲気は、酸素分圧の低い還元性雰囲気であることが好ましい。スパッタリング処理は、例えば、大電力パルススパッタリングにより実施されても良い。

図８に示すように、この処理により、レジストパターン７１０の上部に、堆積物７１８が堆積される。また、堆積物の一部は、レジストパターン７１０の開口７１６を通過して、金属板２８３の外面７８４に堆積して、堆積物７１９を形成する。

その後、さらに成膜を継続すると、第２のレジスト７１４および第１のレジスト７１２の側壁にも、堆積物７１８が堆積するようになり、開口７１６が徐々に狭くなっていく。その結果、最終的には、図９に示すように、金属板２８３の外面７８４に、円錐状の堆積物７１９が形成される。

その後、堆積物７１８を、レジストパターン７１０を構成する第１および第２のレジストとともに除去することにより、金属板２８３の外面７８４に、Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物の突起２８５を配置することができる。

ここで、突起２８５のアスペクト比、すなわち突起２８５の底面の最大寸法ｄに対する突起２８５の高さｈの比（ｈ／ｄ）は、１以上であることが好ましい。アスペクト比が１未満の場合、電界の集中が生じ難くなる。突起２８５の底面の最大寸法ｄは、１０〜１０００μｍであって良い。

なお、成膜直後の突起２８５は、非晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物で構成される。このため、その後、さらに熱処理を実施して、突起２８５を構成する非晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物を、結晶質Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物に変化させても良い。

熱処理は、１０^−３Ｐａ以上の高真空下で、１０００℃〜１２００℃の範囲に加熱することにより、実施されても良い。
（工程Ｓ１２０）
次に、Ｃ１２Ａ７エレクトライドの突起を有する金属板をパイプ状に変形させ、スポット溶接などによって固定する。

以上の工程により、Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物を含む円筒部材２８０を製造することができる。

本発明は、例えば、マグネトロンおよびマイクロ波加熱装置等に利用することができる。

１ 従来のマグネトロンの陰極
２ センターリード
３ トップハット
４ サイドリード
５ エンドハット
６ フィラメントコイル
１０１ 第１の陰極
１０２ センターリード
１０３ トップハット
１０４ サイドリード
１０５ エンドハット
１３０ 円筒部材
２０１ 第２の陰極
２０２ センターリード
２０３ トップハット
２０４ サイドリード
２０５ エンドハット
２８０ 円筒部材
２８１ 円筒部材
２８３ 金属板
２８４ 金属パイプ
２８５ 突起
２８６ 金属パイプのスパイク
２８８ 膜
３０１ 第３の陰極
３０２ センターリード
３２０ 電界電子放出部
３２３ 第１のトップハット
３２５ 第１のエンドハット
３３０ 円筒部材
３３３ 金属パイプ
３３５ 突起
３７０ 熱電子放出部
３７３ 第２のトップハット
３７５ 第２のエンドハット
３８０ 円筒部材
７１０ レジストパターン
７１２ 第１のレジスト
７１４ 第２のレジスト
７１６ 開口
７１８ 堆積物
７１９ 堆積物
７８４ 金属パイプの外面

Claims (13)

1. マグネトロンの陰極であって、
   Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物を有する、陰極。
2. 前記Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物は、結晶質である、請求項１に記載の陰極。
3. 前記Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物は、非晶質である、請求項１に記載の陰極。
4. 当該陰極は、電界電子放出方式の陰極である、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の陰極。
5. 前記Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物は、先端が尖った形状を有する、請求項４に記載の陰極。
6. 前記Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物は、金属基板の上に配置される、請求項５に記載の陰極。
7. 前記Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物は、膜状に配置される、請求項５または６に記載の陰極。
8. 当該陰極は、熱電子放出方式の陰極である、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の陰極。
9. 前記Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物は、円筒状の形状を有する、請求項８に記載の陰極。
10. 前記Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物は、２．０×１０^１８ｃｍ^−３以上の電子密度を有する、請求項１乃至９のいずれか一つに記載の陰極。
11. マグネトロンの陰極であって、
    当該陰極は、電界電子放出方式の第１の陰極部分と、熱電子放出方式の第２の陰極部分とを有し、
    前記第１の陰極部分および第２の陰極部分のいずれかに、Ｃ１２Ａ７エレクトライド化合物を有する、陰極。
12. 陰極および陽極を有するマグネトロンであって、
    前記陰極は、請求項１乃至１１のいずれか一つに記載の陰極である、マグネトロン。
13. マグネトロンを備えるマイクロ波加熱装置であって、
    前記マグネトロンは、請求項１２に記載のマグネトロンである、マイクロ波加熱装置。

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