JP2019061788A - 電子管用カソードの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒーターからの輻射熱を効率良く吸収するカソードスリーブを備えた電子管用カソードの製造方法を提供する。【解決手段】表面に熱電子放出物質を付着、または含浸し、中空部にヒーター４を配置するカソードスリーブ１を備え、カソードスリーブ１の中空部の表面に第１の金属膜を形成する工程と、第１の金属膜を加熱処理することにより、第１の金属膜が変化した第２の金属膜６を形成する工程とを含み、第２の金属膜６を形成する際、加熱処理により空隙部の多い金属膜を形成する。【選択図】図２

Description

本発明は、マグネトロン、クライストロン進行波管等に用いられる真空中で電子を放出する電子管用カソードの製造方法に関するものである。

近年、マイクロ波電子管に対する高出力化の要求が益々高まってきている。特に、マグネトロンはマイクロ波を効率良く発生することから、医療機器装置、レーダー装置等その他のマイクロ波応用機器の分野で広く使用されている。

図３にマグネトロン７の一般的な構成を示す。通常マグネトロン７は、真空を保持した管球内にカソード１２を配置する。またカソード１２の同軸上の周囲にアノードとして、放射状に配置したベーン１３と、このベーン１３を接合するアノードシェル１４を設けている。さらにカソード１２の上下方向の位置に、ポールピース１５ａ、１５ｂを配置することにより軸方向に磁界が印加される。カソード１２の内部には、ヒーター１０を配置する。

図４に電子管用カソードの一般的な構成を示す。ヒーター１０に通電し加熱することで、ベースメタル９表面に設けた熱電子放出物質１１を加熱し、熱電子を放出させる。カソード１２とベーン１３との間に高電圧を印加することにより、熱電子放出物質１１から放出された熱電子は、作用空間中の電界と磁界により周回運動してベーン１３に到達する。この電子運動によるエネルギーが、図３に示す隣り合ったベーン１３とアノードシェル１４とで囲まれた空間で形成される空洞共振器に与えられ、マイクロ波が発振する構成となっている。

図４に示す電子管用カソードについて、熱電子が放出される過程を図４を参照して詳細に説明する。図４に示すように、カソードスリーブ８の外側にベースメタル９が嵌合しており、このベースメタル９の外側表面に熱電子放出物質１１の一部が露出するように熱電子放出物質１１が埋め込まれている。カソードスリーブ８の内部には、螺旋形状のヒーター１０が配置されている。

このヒーター１０に電流を流すことにより、ヒーター１０がカソードスリーブ８の中空部の表面を加熱すると、カソードスリーブ８の外側に配置されたベースメタル９、さらに熱電子放出物質１１が加熱され、熱電子放出物質１１から熱電子が放出される。

ところでマグネトロンを安定して動作させるためには、ヒーター１０で発生した熱を熱電子放出物質１１に効率良く伝達する必要がある。しかし一般的なカソードスリーブ８の中空部の表面は、金属素材が露出した構造となっているため、ヒーター１０で発生した熱を反射し、ヒーター１０を加熱してしまう。ヒーター１０の温度が上昇し、抵抗値が上がり電流が減少することにより、ヒーター１０の発熱量が低下してしまうと、熱電子放出物質１１に効率良く熱が伝わらなくなってしまう。

一方加熱されたヒーター１０からの一部の輻射熱が、カソードスリーブ８に効率的に吸収される方法も検討されている。例えばカソードスリーブの中空部の表面を薬液によるエッチング法により凹凸のある粗面とすることにより、ヒーター１０からの輻射熱を受ける面積を増加させ、カソードスリーブ８の熱吸収率を高くする方法が提案されている（特許文献１）。

特開２００２−３４３２６７号公報

しかしながら、従来の製造方法によってカソードスリーブの中空部の表面を凹凸のある粗面としても、その凹凸のある表面は、カソードスリーブを構成する金属自体の表面が露出した構造となっているため、ヒーターからの輻射熱の反射を大幅に減少させる効果は得られなかった。特に高出力化が求められるマグネトロンのカソードの製造方法として、従来の製造方法を適用しても、ヒーターからの輻射熱は、カソードスリーブの中空部の表面で反射してしまい、その表面での熱吸収率が期待されるほど向上せず、高出力化が求められる電子管用カソードの製造方法として採用することができなかった。

そこで本発明は、ヒーター１０からの輻射熱を効率良く吸収するカソードスリーブを備えた電子管用カソードの製造方法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、本願請求項１の発明に係る電子管用カソードの製造方法は、表面に熱電子放出物質を付着し、または含浸し、中空部にヒーターを配置するカソードスリーブを備える電子管用カソードの製造方法において、前記カソードスリーブの中空部の表面に第１の金属膜を形成する工程と、前記第１の金属膜を加熱処理することにより、前記第１の金属膜が変化した第２の金属膜を形成する工程とを含むことを特徴とする。

本願請求項２に係る電子管用カソードの製造方法は、前記第１の金属膜を形成する方法は、不活性ガス中に酸素を含む混合ガス中で、前記第１の金属膜を形成する金属を加熱し、前記金属の酸化膜を前記カソードスリーブの中空部の表面に付着させる工程であり、前記第２の金属膜を形成する方法は、前記第１の金属膜を加熱することにより、少なくとも前記金属の酸化物を還元して形成される前記金属を含む膜を形成する工程であることを特徴とする。

本願請求項３に係る電子管用カソードの製造方法は、前記第１の金属膜を形成する方法は、バインダーと金属粒子とからなる膜を前記カソードスリーブの中空部の表面に形成する工程であり、前記第２の金属膜を形成する方法は、前記第１の金属膜を加熱することにより、前記バインダーを除去し、前記金属粒子からなる膜を形成する工程であることを特徴とする。

本発明の電子管用カソードの製造方法によれば、加熱処理により第１の金属膜から第２の金属膜へ変えることで、熱吸収率が優れた第２の金属膜をカソードスリーブの中空部の表面に形成することができる。

また本発明の製造方法により形成した電子管用カソードのカソードスリーブは、ヒーターで発生した熱を熱電子放出物質に効率良く伝達することができるので、ヒーターの入力電力を低くしても電子管を安定動作させることが可能となる。特にカソードスリーブの中空部の表面に形成した第２の金属膜は、カソードスリーブを構成する金属自体の表面が露出したものではないので、ヒーター本体の異常加熱を防ぐことが可能である。

具体的には、カソードスリーブに金属の酸化膜を付着させてから還元して金属膜とした場合、その表面は、金属の酸化膜が付着したときに形成される金属の微粒子が空隙部を介して層状に堆積した形状となり、ヒーターから放出される熱を効率的に吸収することが可能となる。またバインダーを除去することで形成した金属膜も、バインダーが除去された部分が空隙部となり、ヒーターから放出される熱を反射することなく効率的に吸収することが可能となる。

本発明の第１および第２の実施例に係る電子管用カソードの製造方法を説明する図である。 本発明の第１および第２の実施例に係る電子管用カソードの製造方法を説明する図である。 一般的なマグネトロンを説明する図である。 従来の電子管用カソードを説明する図である。

本発明の電子管用カソードの製造方法は、熱吸収率に優れた金属膜をカソードスリーブの内側表面に均一な厚さで形成する方法である。
以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

本発明の第１の実施例について、図１を用いて説明する。図１に示すように、モリブデンからなる円筒形状のカソードスリーブ１を準備する。カソードスリーブ１の材質は、高融点金属であればよく、モリブデンに限定されない。

まずカソードスリーブ１とタングステン線とを密閉可能で排気装置を備えた容器の中に配置する。次に、容器内の空気を排気しながら所望する真空度にしたのち、酸素ガスと不活性ガスとして例えばアルゴンガスとからなる混合ガスを容器内に導入しながら減圧状態を維持する。このとき、酸素ガスの流量、アルゴンガスの流量、容器内の真空度は適宜選択することが可能である。

各々のガスの流量と容器内の真空度とが所望する条件に安定してから、タングステン線に流す電流を制御しながら、１２００℃程度に加熱する。加熱されたタングステン線は近傍の酸素ガスと反応して酸化物を形成する。この生成した酸化物は１０００℃程度で昇華するので、酸化されるとすぐにタングステン線から解離し、加熱されたタングステン線によって作られる上昇気流により上方に搬送される。
このときにタングステン線の上方へカソードスリーブ１を配置しておくことで、少なくともカソードスリーブ１の内側表面上に昇華したタングステンの酸化物が堆積し、金属膜５（第１の金属膜に相当）を形成する。
ここで容器内の真空度を４×１０⁴Ｐａ以上とすると、カソードスリーブ１の内側表面上に線状あるいはウイスカー状の酸化タングステンからなる金属膜５として堆積し、空隙の多い形状となる。

この後、中空部の表面上に酸化タングステンからなる金属膜５を形成したカソードスリーブ１を還元装置内に載置し、酸化タングステンからなる金属膜５を４００〜５００℃程度、乾燥水素雰囲気中で加熱し、または水素プラズマと接触させることにより酸化タングステンからなる金属膜５を還元する。この結果、酸化タングステンからなる金属膜５から酸素が除去され、タングステンからなる金属膜６（第２の金属膜に相当）が得られる（図２）。この金属膜６は、線状あるいはウイスカー状に堆積しており、空隙の多い形状となる。

以下の工程は通常の電子管用カソードの製造方法と同様である。
まずカソードスリーブ１に嵌合可能な内径をもつ円筒形状のベースメタル２を準備する。ベースメタル２の材質は、一般的に高純度の金属ニッケルや金属ニッケルに微量のマグネシウムが含まれたものを使用する。カソードスリーブ１の外側に円筒形状のベースメタル２を嵌め込むことにより密着させ、カソードスリーブ１とベースメタル２とを一体化させる。

または、カソードスリーブ１とベースメタル２とが一体である形状を、例えば機械的に削り出すことにより作製してもよい。

次に円筒形状のベースメタル２の外側表面に溝を形成する。この溝は、機械的な金属加工により形成できる。溝の形成箇所は、図２のように円筒形状のベースメタル２の周方向に複数本設ける。または、ヒーター４の挿入方向と略平行に直線状に複数本設けたり、溝同士を交差させて格子状に設けたり、溝を島状に形成し千鳥状に設けたりする等種々変更可能である。

ベースメタル２の外側表面に形成した溝の中に熱電子放出物質３を埋め込む。熱電子放出物質３としては、例えばバリウム、ストロンチウム、カルシウム等の混合塩が用いられる。熱電子放出物質３を埋め込む方法は、スプレーによる塗布、浸漬法、滴下による塗布等が考えられるが、いずれの方法でも構わない。

また、ベースメタル２の外側表面を例えば粒状のタングステンを焼結して多孔質構造とし、熱電子放出物質３として例えばバリウム、カルシウム、アルミニウム等を含浸させた構造としても良い。

次に、ベースメタル２と一体化したカソードスリーブ１の内部にヒーター４を挿入することにより、電子管用カソードが完成する（図２）。

このようにして構成した電子管用カソードとして、いわゆるオキサイドカソードを選択した場合、ヒーター４を通電して加熱すると、ヒーター４からの熱が金属膜６から、カソードスリーブ１、ベースメタル２の順に伝わることによって、熱電子放出物質３を加熱する。そしてヒーター４への入力電力を調整することにより、熱電子放出物質３を８００℃程度まで加熱すると、熱電子放出物質３の表面より熱電子が放出されるようになる。このとき、空隙部の多い構成となる金属膜６の存在により、ヒーター４からの輻射熱を効率良く吸収し、金属膜６が存在しない従来の電子管用カソードよりヒーター４の温度を３０〜５０℃低くしても、またはヒーター４への入力電力を５．６〜９．３％低減しても、確実に熱電子が放出される温度まで熱電子放出物質３を加熱することが可能である。

一方、電子管用カソードとして、いわゆる含浸型カソードを選択した場合、ヒーター４を通電したことによる熱が、金属膜６、カソードスリーブ１、ベースメタル２の順に伝わり、最後に熱電子放出物質３を加熱する。このとき、ヒーター４への入力電力を調整することにより、熱電子放出物質３を１０００℃程度まで加熱すると、熱電子放出物質３の表面より熱電子が放出されるようになる。また、空隙部の多い構成となる金属膜６の存在により、ヒーター４からの輻射熱を効率良く吸収することができるため、金属膜６が存在しない従来の電子管用カソードを用いたときより、ヒーター４の温度を４０〜７０℃低くしても、またはヒーター４への入力電力を７．５〜１３．１％低減しても、確実に熱電子が放出される温度まで熱電子放出物質３を加熱することが可能である。
特に、熱電子放出物質３を高い温度まで加熱する必要がある含浸型カソードにおいては、金属膜６が存在することは有利となる。

次に第２の実施例について説明する。カソードスリーブ１の中空部の表面への金属膜の形成方法として、バインダーを用いて金属粒子を塗布することも可能である。例えば、バインダーとしてニトロセルロースと酢酸ブチルとを用い、粒径が０．２〜０．８μｍ程度のタングステン粒子を所望する量だけ分散させたものをカソードスリーブの中空部の表面に塗布し、塗膜を形成する（図示省略）。カソードスリーブの内径に応じて塗布液の粘度を選択してもよい。例えばカソードスリーブの内径が小さい場合は、ニトロセルロースと酢酸ブチルとの混合比を調整することによりバインダーの流動性を上げたものを準備し、流し込めばよい。また、カソードスリーブの内径が大きい場合は、前述と同様にしてバインダーの流動性を所望する状態に調整したものを準備し、カソードスリーブの中空部の表面上に直接塗布したり、スプレー等を用いたりして塗布してもよい。

続いて７２０〜９８０℃の温度、５〜２０分の間、水素雰囲気下で加熱処理することにより、バインダーを除去しカソードスリーブ１の内側表面に仮焼結したタングステンからなる金属膜５'を形成する（図１）。

続いて１２００〜１６００℃の温度、３０〜１２０分の間、減圧雰囲気下における処理によりタングステンからなる金属膜５'を焼結し、カソードスリーブ１の内側表面にタングステンによる金属膜（図２の（６））（第２の金属膜に相当）を形成することができる。
このように形成した金属膜６は、バインダーが除去された空隙部の多い形状となる。

以下の工程は、通常の電子管用カソードの製造方法と同様で、上述した方法により形成した第２の金属膜を中空部の表面上に有するカソードスリーブ１と熱電子放出物質３を表面に付着又は含浸したベースメタル２とを嵌め合わせ、ヒーター４をカソードスリーブ１の内部に挿入することにより電子管用カソードとすることができる。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではないことは言うまでもない。例えばカソードスリーブの内側表面に形成する金属膜の金属種としては、高融点でかつ蒸気圧が低い金属であればよい。具体的には上述のタングステンの他に、モリブデン、ニクロム、ニッケル等があげられ、前記金属を単体でも、少なくとも１種類以上含む合金として用いてもよい。
また、バインダーと金属粒子の種類についても適宜変更可能である。

１，８：カソードスリーブ、２，９：ベースメタル、３，１１：熱電子放出物質、４，１０：ヒーター、５，５’：第１の金属膜、６：第２の金属膜、７：マグネトロン、１２：カソード

Claims (3)

1. 表面に熱電子放出物質を付着し、または含浸し、中空部にヒーターを配置するカソードスリーブを備える電子管用カソードの製造方法において、
   前記カソードスリーブの中空部の表面に第１の金属膜を形成する工程と、前記第１の金属膜を加熱処理することにより、前記第１の金属膜が変化した第２の金属膜を形成する工程とを含むことを特徴とする電子管用カソードの製造方法。
2. 前記第１の金属膜を形成する方法は、不活性ガス中に酸素を含む混合ガス中で、前記第１の金属膜を形成する金属を加熱し、前記金属の酸化膜を前記カソードスリーブの中空部の表面に付着させる工程であり、
   前記第２の金属膜を形成する方法は、前記第１の金属膜を加熱することにより、少なくとも前記金属の酸化物を還元して形成される前記金属を含む膜を形成する工程であることを特徴とする請求項１記載の電子管用カソードの製造方法。
3. 前記第１の金属膜を形成する方法は、バインダーと金属粒子とからなる膜を前記カソードスリーブの中空部の表面に形成する工程であり、
   前記第２の金属膜を形成する方法は、前記第１の金属膜を加熱することにより、前記バインダーを除去し、前記金属粒子からなる膜を形成する工程であることを特徴とする請求項１記載の電子管用カソードの製造方法。

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