JP2020009666A - 含浸型陰極構体 - Google Patents

Abstract

【課題】 陰極基体の表面温度を均一化することができる含浸型陰極構体を提供する。【解決手段】 含浸型陰極構体は、一面に電子放出面を有し、電子放出物質が含浸された陰極基体と、陰極基体において電子放出面の裏側に設けられた外筒と、外筒の内側に設けられた内筒と、内筒と外筒との間で周方向に亘って設けられた第１電熱ヒータと、第１電熱ヒータの外周側に設けられた第２電熱ヒータとを備え、第２電熱ヒータは前記第１電熱ヒータより冷抵抗が高い。【選択図】 図２

Description

本発明の実施形態は、含浸型陰極構体に関する。

一般に、含浸型陰極構体を備えた電子銃は、クライストロンや進行波管などの直流電子エネルギーをマイクロ波電力に変換する電子管に用いられている。
かかる含浸型陰極構体には、円板状を呈した陰極基体、内筒および外筒を有する支持体及び電熱ヒータが設けられおり、電熱ヒータにより陰極基体が加熱されて陰極基体表面から電子が放射される構成としてある。

特開平１１−１８５５９７号公報 特開平１１−２９７１８８号公報

かかる含浸型陰極構体では、陰極基体の表面温度を均一化する改善が望まれていた。

本実施形態は、陰極基体の表面温度を均一化することができる含浸型陰極構体を提供する。

一実施形態は、一面に電子放出面を有し、電子放出物質が含浸された陰極基体と、前記陰極基体において前記電子放出面の裏側に設けられた外筒と、前記外筒の内側に設けられた内筒と、前記内筒と前記外筒との間で周方向に亘って設けられた第１電熱ヒータと、前記第１電熱ヒータの外周側に設けられた第２電熱ヒータとを備え、前記第２電熱ヒータは前記第１電熱ヒータより冷抵抗が高い含浸型陰極構体である。

図１は、一実施形態に係るクライストロンの概略構成図である。 図２は、図１に示す含浸型陰極構体の断面図である。 図３は、一実施形態に係る含浸型陰極構体の陰極基体表面の温度分布を比較例と共に示すグラフである。

以下に、図面を参照しながら、一実施形態に係る含浸型陰極構体について詳細に説明する。なお、図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べて、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する詳細な説明を適宜省略することがある。

本実施形態に係る含浸型陰極構体１ａは、例えば、クライストロンの電子銃に用いられる陰極構体とすることができる。
ただし、含浸型陰極構体１ａの用途は、クライストロン用に限定されるわけではない。
まず、クライストロンの構成について説明する。
図１に示すように、クライストロンは、含浸型陰極構体１ａを備える電子銃１と、コレクタ２と、高周波相互作用部３と、集束コイル４と、出力導波管５と、を備えている。コレクタ２、高周波相互作用部３及び出力導波管５は、それぞれ金属で形成されている。

電子銃１は、電子ビームを放出する含浸型陰極構体１ａと、含浸型陰極構体１ａから放出された電子ビームを加速させ、電子の流れをコレクタ２方向に作るアノード１ｃとを有している。
コレクタ２は、高周波相互作用部３を通過した使用済みの電子ビーム（スペントビーム）を捕捉し、残ったエネルギーを熱エネルギーに変換するものである。コレクタ２は、図示しない冷却機構により冷却されている。

高周波相互作用部３では、電子ビームが通過するとき、電子ビームは入力空胴３ａに導入された入力信号により速度変調される。その後、電子ビームが一様電界中を通過する間、電子ビームに密度変調が生じ、電子ビームは次第に集群（バンチ）される。さらに、集群された電子ビームは、空胴に高周波電界を発生する。これにより、電子ビームはその電界により再度速度変調を受ける。
そして、最後に集群された電子ビームは、大きな交流電界を誘起し、増幅された高周波（大電力マイクロ波）の出力信号として出力空胴３ｃから外部に取り出される。
すなわち、高周波相互作用部３は、入力空胴３ａに入力信号を入力することにより、出力空胴３ｃから増幅された高周波の出力信号を出力するものである。

集束コイル４は、筒状に形成され、高周波相互作用部３の外周を囲んでいる。集束コイル４は、電子銃１から放出される電子ビームを集束するものである。
出力導波管５は、高周波相互作用部３に接合され、穴部Ｏに連通されている。出力導波管５には、誘電体で形成された出力窓５ａが気密に取り付けられている。出力導波管５は、穴部Ｏを通して出力空胴３ｃから出力信号を取り出すものである。

次に、電子ビームを放出する含浸型陰極構体１ａについて説明する。図２は、図１に示す含浸型陰極構体１ａの断面図である。
図２に示すように、含浸型陰極構体１ａには、陰極基体１０、支持体２０、第１電熱ヒータ（以下単に「第１ヒータ」という）３０、第２電熱ヒータ（以下単に「第２ヒータ」という）４０、埋め込み部５０、第１反射板６０、第２反射板６２及び反射筒６６が設けられている。

陰極基体１０は、例えば、２０％程度の空孔率を有する多孔質のタングステン（Ｗ）から形成することができる。陰極基体１０は、例えば、円板状を呈し、陰極基体１０の直径寸法は７０ｍｍ程度とすることができる。陰極基体１０には、所定の曲率を有し、曲面状に窪んだ電子放出面（陰極基体表面）１２が形成されている。陰極基体１０の空孔には、例えば、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）及び酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる電子放出物質が含浸されている。

なお、電子放出面１２の加工時に空孔の目潰れが生じる場合がある。目潰れが生じると、電子放出物質が空孔に充分に含浸されないことがある。これを防ぐために、以下の様にして陰極基体１０の空孔に電子放出物質を含浸させるようにすることが望ましい。
まず、電子放出面１２の加工前に、陰極基体１０の空孔にプラスチックを含浸させる。 次に、電子放出面１２の加工後に、陰極基体１０を水素雰囲気下又は真空下において加熱して、含浸されているプラスチックを飛散させる。
その後、陰極基体１０の空孔に電子放出物質を含浸させる。
この様にすれば、陰極基体１０の空孔に電子放出物質を充分に含浸させることができる。

支持体２０は、陰極基体１０を支持する。また、支持体２０は、内部に形成された収納空間２２に第１ヒータ３０、第２ヒータ４０及び埋め込み部５０を収納している。支持体２０は、外筒２４及び内筒２６を有している。
外筒２４および内筒２６は、モリブデン（Ｍｏ）から形成することができる。内筒２６は、外筒２４の内側に、外筒２４と軸線Ｘを同軸（同心状）となるように配置されている。そのため、内筒２６と外筒２４との間の収納空間２２は、環状に形成されている。

外筒２４及び内筒２６の一方の端部には、陰極基体１０が接合されており、環状の収納空間２２の一方の端部は、この陰極基体１０により塞がれている。例えば、外筒２４及び内筒２６の一方の端部と、陰極基体１０の裏面（電子放出面１２とは反対側の面）１４とが、ルテニウム−モリブデン（Ｒｕ−Ｍｏ）合金を用いてろう付けされている。

第１ヒータ３０及び第２ヒータ４０は、後述する埋め込み部５０に埋め込まれており、埋め込み部５０を介して、陰極基体１０を加熱する。第１ヒータ３０は、収納空間中央付近に設けられた線状部材からなるフィラメントである。線状部材は、例えば、直径寸法が１．２ｍｍの３％レニウム・タングステン（３Ｒｅ／Ｗ）線である。第１ヒータ３０の本体部分（発熱部分）３２は、コイル状を呈し、冷抵抗は９０ｍΩとなるように製作した。本体部分３２は、埋め込み部５０の内部に設けられている。コイル状の本体部分３２は、例えば、内筒２６の周方向に沿って配置されている。

第２ヒータ４０は、外筒２４の内側で且つ陰極基体１０の裏面側で、陰極基体１０の外周部の直下に設けられた線状部材からなるフィラメントである。線状部材は、例えば、直径寸法が１．０ｍｍの３％レニウム・タングステン（３Ｒｅ／Ｗ）線である。第２ヒータ４０の本体部分（発熱部分）４２は、コイル状を呈し、冷抵抗は１００ｍΩとなるように製作した。本体部分４２は、埋め込み部５０の内部に設けられている。コイル状の本体部分４２は、例えば、陰極基体１０の外周部の直下で且つ外筒２４の内側に周方向に配置されている。
第２ヒータ４０の冷抵抗は第１ヒータ３０に比べ１１％程度高くなっている。
また、第２ヒータ４０の線状部材の直径寸法は、第１ヒータ３０に比べは１７％程度小さくなっている。

第１ヒータ３０の一方の端部３４は、第２ヒータ４０の一方の端部４４と溶接されており、電気的に接続されている。
第２ヒータ４０の他方の端部４５は、外筒２４に溶接されており、電気的に接続されている。
第１ヒータ３０の他方の端部３６は、アルミナ管３８を通って含浸型陰極構体１ａの外部に延出されている。他方の端部３６は、図示しない電源装置に接続されている。
アルミナ管３８は、支持体２０において、陰極基体１０が設けられる側とは反対側に設けられている。アルミナ管３８は、第１ヒータ３０を第１反射板６０及び第２反射板６２から絶縁するために設けられている。

埋め込み部５０は、第１ヒータ３０及び第２ヒータ４０からの熱を陰極基体１０に伝える。埋め込み部５０は、収納空間２２に収納された第１ヒータ３０及び第２ヒータ４０を保持している。埋め込み部５０は、第１ヒータ３０及び第２ヒータ４０を絶縁している。埋め込み部５０は、例えば、アルミナ（酸化アルミニウム）の焼結体であって、第１ヒータ３０及び第２ヒータ４０の本体部分３２、４２が収納された収納空間２２に隙間なく充填されている。

第１反射板６０、第２反射板６２及び反射筒６６は、収納空間２２から外部への放熱を抑制し、輻射により陰極基体１０の加熱効率を高める役割を果たす。
第１反射板６０は、モリブデン（Ｍｏ）から形成することができる。第１反射板６０は、環状の板状体とすることができる。第１反射板６０は、収納空間２２において、陰極基体１０が設けられる側とは反対側の開口を塞ぐように設けられている。第１反射板６０は、アーク溶接により外筒２４の端部に接合されている。

第２反射板６２は、円板状を呈し、モリブデン（Ｍｏ）から形成することができる。第２反射板６２は、第１反射板６０に対して外筒２４側とは反対側に間隔をあけて設けられている。第１反射板６０と第２反射板６２との間には、環状のスペーサ６４が設けられている。スペーサ６４と第１反射板６０は、アーク溶接により接合されている。スペーサ６４と第２反射板６２は、アーク溶接により接合されている。

反射筒６６は、例えば、レニウム−モリブデン（Ｒｅ−Ｍｏ）合金の薄板を用いて形成することができる。反射筒６６は、外筒２４と間隔を空けて、外筒２４の外周側に配置されている。反射筒６６の一端部（陰極基体１０側の端部）は、外筒２４にろう付けされている。ろう付けは、例えば、ルテニウム−モリブデン−ニッケル（Ｒｕ−Ｍｏ−Ｎｉ）合金を用いて行うことができる。反射筒６６の他端部（陰極基体１０側とは反対側の端部）には、環状のフランジ部材６８がろう付けされている。ろう付けは、例えば、ルテニウム−モリブデン−ニッケル合金を用いて行うことができる。
含浸型陰極構体１ａは、フランジ部材６８を介して、電子銃１の支持体Ｆに固定されている。

上述のように、本実施形態にかかる含浸型陰極構体１ａでは、第１ヒータ３０よりも第２ヒータ４０の抵抗が高いため、陰極基体表面外周部の温度低減を防ぎ、均一な電子放出特性が得られる。

図２に示す本実施の形態の含浸型陰極構体１ａと、含浸型陰極構体１ａにおいて第２ヒータ４０を設けない含浸型陰極構体（比較例）とについて比較試験を行い、各陰極基体１０の電子放出面１２の温度分布を測定したので、その結果を図３に示す。本実施の形態の含浸型陰極構体１ａと、比較例の含浸型陰極構体は共に陰極基体１０の電子放出面１２の直径は７０ｍｍである。
この比較試験では、各含浸型陰極構体において、陰極基体１０の電子放出面１２の中心温度を１０００℃ｂ（輝度温度）に設定した。そして、電子放出面１２の直径において、中心から左右に５ｍｍごとの位置について、左右に３５ｍｍの位置まで表面温度を測定した。

図３から明らかなように、比較例の含浸型陰極構体では、陰極基体の電子放出面１２の中心から左右１５ｍｍを過ぎると温度が低下し、左右に中心から３５ｍｍ離れた位置では、左側が９８１℃ｂであり、右側が９８０℃ｂであり、中心温度の１０００℃ｂに対して、約２０℃の温度差が生じた。
これに対して、本実施の形態では、中心から３５ｍｍ離れた位置でも温度低下がほとんどなく、左側に３５ｍｍ離れた位置では１０００℃ｂで温度差は０であり、右側に３５ｍｍ離れた位置では、１００２℃ｂで、温度差は２℃以下で良好な結果を得た。
以上のように、本実施の形態では、第１ヒータ３０に比べ第２ヒータ４０の冷抵抗を１１％程度高く、各ヒータの線状部材の直径寸法は、第１ヒータ３０に比べ第２ヒータ４０は１７％程度小さくしているが、第１ヒータ３０に比べ第２ヒータ４０の冷抵抗を１０％乃至２０％高く、線状部材の直径寸法は、第１ヒータ３０に比べ第２ヒータ４０は１０％乃至２０％小さくしても同等な効果が得られる。

以上説明したように本実施の形態よれば、陰極基体１０の裏面外周部の直下に第１ヒータ３０よりも抵抗が高い第２ヒータ４０を設け、第２ヒータ４０の温度を高められ、陰極基体１０の外周部の温度低下を防ぎ、表面（電子放射面）温度を均一にすることが可能となり、安定した電子放出が得られる。
また、第１ヒータ３０よりも抵抗が高い第２ヒータ４０を設け、第１ヒータ３０と第２ヒータ４０を直列でつないでいることによっても、第２ヒータ４０の温度を高められ、陰極基体１０の外周部の温度低下を防ぎ、表面（電子放射面）温度を均一にすることが可能となり、安定した電子放出が得られる。

上述した一実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、実施の形態において、第１ヒータ３０の本体部分３２及び第２ヒータの本体部分４２は、それぞれコイル状に形成することに限らず、線材を陰極基体１０の周方向に沿って渦状に配置してもよいし、蛇行させて面状に位置しても良い。

１ａ…含浸型陰極構体、１０…陰極基体、１２…電子放出面、２４…外筒、２６…内筒、３０…第１ヒータ（第１電熱ヒータ）、４０…第２ヒータ（第２電熱ヒータ）。

Claims (5)

1. 一面に電子放出面を有し、電子放出物質が含浸された陰極基体と、
   前記陰極基体において前記電子放出面の裏側に設けられた外筒と、
   前記外筒の内側に設けられた内筒と、
   前記内筒と前記外筒との間で周方向に亘って設けられた第１電熱ヒータと、
   前記第１電熱ヒータの外周側に設けられた第２電熱ヒータとを備え、
   前記第２電熱ヒータは前記第１電熱ヒータより冷抵抗が高い含浸型陰極構体。
2. 前記第２電熱ヒータは前記第１電熱ヒータよりも電子放出面側に配置されている請求項１に記載の含浸型陰極構体。
3. 前記第２電熱ヒータは前記第１電熱ヒータよりも冷抵抗が１０％乃至２０高い請求項１又は２に記載の含浸型陰極構体。
4. 前記第1電熱ヒータ及び前記第２電熱ヒータは、直列に接続されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の含浸型陰極構体。
5. 前記第２電熱ヒータは、前記第１電熱ヒータよりも線径が１０乃至２０％小さい請求項１〜４のいずれか一項に記載の含浸型陰極構体。

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