JP2020187963A - マグネトロン - Google Patents

Abstract

【課題】エンドハットの昇温が抑制されて安定した動作が可能なマグネトロンを提供する。【解決手段】エンドハット８は、円筒状で内径がスリーブ６の外径よりも大きいハット筒部８１と、ハット筒部８１の一端部から外側に広がりカソード５からの電子が軸方向にリークするのを防止するシールド部８２と、を備え、シールド部８２がカソード５に対向するようにハット筒部８１内にスリーブ６が挿入され、ハット筒部８１の内周面とスリーブ６の外周面との間に隙間Ｇが設けられた状態で、ハット筒部８１の他端部がヒータ７の外側においてスリーブ６に接続されている。【選択図】図１

Description

この発明は、マグネトロンに関し、特に、医療機器などに使用される高出力のマグネトロンに関する。

マグネトロンは、円筒状のアノードの内面に複数のベーンが配設され、ベーンの内側にアノードと同心のカソードが配設されている。また、カソードには、電子放出物質、例えば酸化バリウムなどが塗布され、ヒータで加熱することでカソードから電子（熱電子）が放出される。そして、ポールピース間の磁界とアノードとカソード間の高電圧印加による電界で、カソードから放出された電子を周回させ、ベーンが形成する共振器に高周波電界を誘起、発振させて、高周波電力を出力するものである。

このようなマグネトロンでは、カソードから放出された電子が、その電荷によってカソードの軸方向にも力を受けるため、一部がベーンに到達しないで軸方向に漏れようとしてしまう。このため、電子が軸方向に漏れるのを防止する円盤状のエンドハットが、カソードの両端に設けられている（例えば、特許文献１等参照。）。このエンドハットはベーン先端に近いため、最も電界強度が高くなり、エンドハットの温度が上がると暗流（電子放出）の原因ともなり、マグネトロン動作に悪影響を与える。さらに、エンドハットは通常カソードと接しているため、その温度はカソード温度と同等にまで達する。そこで、カソードをできる限り低い温度（９５０〜１０５０℃）で使用することで、エンドハット温度も低く保つことができ、マグネトロンの安定動作につながる。

特開２０１６−７１９９９号公報

ところで、マグネトロンを高出力化する場合、入力電力を大きくする必要がある。磁力一定の下では、陽極電流を増加させれば良いが、カソードの電子放出能力（単位面積当たりの電子放出量）には限界があるため、陽極電流のみを増加させることによる高出力化には限界がある。そこで、磁力を大きくすることで陽極電圧を上げ、さらにカソード面積を大きくすることで陽極電流を増加し、マグネトロンを高出力化することができる。

一方、マグネトロンを高出力化すると、バックボンバードメント（カソードから放出された電子であって、加速位相にある電子が高周波電界からエネルギーを得てカソードに戻り、衝突する現象）のエネルギーも大きくなる。このバックボンバードメントのエネルギーが大きくなると、カソードは加熱され、その温度は１０５０℃を超えることもある。前述の通り、エンドハットもカソード温度と同等の温度まで上昇するため、エンドハットからの熱電子や２次電子の放出が増加し、暗流ばかりか、アーキングをも誘発し、マグネトロンの動作を不安定にする、という問題があった。

そこで本発明は、エンドハットの昇温が抑制されて安定した動作が可能なマグネトロン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請求項１に記載の発明は、円筒状のアノードと、前記アノードの内面に配設された複数のベーンと、前記ベーンの内側に配設された円筒状のカソードと、前記カソード内に装着され前記カソードを支持する管状のスリーブと、前記スリーブ内に配設されて前記カソードを加熱するヒータと、前記カソードの端部側に配設されたエンドハットと、を備えるマグネトロンであって、前記エンドハットは、円筒状で内径が前記スリーブの外径よりも大きいハット筒部と、前記ハット筒部の一端部から外側に広がり前記カソードからの電子が軸方向にリークするのを防止するシールド部と、を備え、前記シールド部が前記カソードに対向するように前記ハット筒部内に前記スリーブが挿入され、前記ハット筒部の内周面と前記スリーブの外周面との間に隙間が設けられた状態で、前記ハット筒部の他端部が前記ヒータの外側において前記スリーブに接続されている、ことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のマグネトロンにおいて、前記ハット筒部の他端部が周方向においてスポット状に前記スリーブに接続されている、ことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のマグネトロンにおいて、前記隙間の軸方向の長さが、発振波長の１／２以下に設定されている、ことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３に記載のマグネトロンにおいて、前記ヒータの端部を前記スリーブに固定するヒータ支持体が筒状で、前記ヒータ支持体内に前記ヒータの端部が挿入されている、ことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、エンドハットのハット筒部の内周面とスリーブの外周面との間に隙間が設けられ、しかも、ハット筒部の他端部がヒータの外側（ヒータから離れた位置）においてスリーブに接続されている。このため、ヒータによる熱やバックボンバードメントによる熱がエンドハットに伝わりにくく、エンドハットの昇温が抑制される。この結果、エンドハットからの電子放出や放出電子によるアーキングを抑制でき、高出力のマイクロ波を安定して発振することが可能となる。つまり、高出力であってもマグネトロンの安定した動作を確保することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、ハット筒部の他端部が周方向において全周ではなくスポット状（部分的）にスリーブに接続されているため、ヒータで加熱されたスリーブの熱がハット筒部に伝わりにくい。この結果、エンドハットの昇温をより抑制することができ、マグネトロンの安定した動作をより確保することが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、エンドハットとスリーブとの隙間の軸方向の長さが、発振波長の１／２以下に設定されているため、不要な共振モードの発生を抑制することができ、マグネトロンの安定した動作をより確保することが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、ヒータの端部が筒状のヒータ支持体内に挿入され、ヒータ支持体とスリーブで二重に覆われており、また熱伝導の経路が長くなるため、ヒータの端部からの熱がエンドハットにより伝わりにくい。この結果、エンドハットの昇温をより抑制することができ、マグネトロンの安定した動作をより確保することが可能となる。

この発明の実施の形態１に係るマグネトロンの概略構成を示す断面図である。 図１のマグネトロンのエンドハットを示す平面図（ａ）と、そのＡ−Ａ断面図（ｂ）である。 図２のエンドハットの配設状態を示す断面図である。 図２のエンドハットの配設位置を示す断面図である。 従来のマグネトロンの概略構成を示す断面図である。 図１のマグネトロンのエンドハットと図５のマグネトロンのエンドハットの温度比較を示す図である。 この発明の実施の形態２に係るマグネトロンのヒータ支持体周辺を示す断面図である。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１は、この実施の形態に係るマグネトロン１の概略構成を示す断面図である。このマグネトロン１は、主として、エンドハット８が従来のマグネトロンと構成が異なり、同等の構成についての説明を省略するが、概略次のような構成となっている。

すなわち、円筒状のアノード２の内面に複数のベーン３が配設され、アノード２の上下の両端にポールピース４が配設され、さらに、ベーン３の内側に円筒状のカソード５がアノード２と同心に配設されている。カソード５には、この実施の形態では、電子放出物質である酸化バリウムなどが塗布され、加熱されることでカソード５から電子が放出される。このカソード５内に、カソード５よりも長尺で管状のスリーブ６が装着されることで、カソード５が支持され、このスリーブ６内にカソード５を加熱するヒータ７が配設されている。そして、ポールピース４でカソード５軸方向に磁力を与えつつ、アノード２とカソード５に高電圧を印加することで、カソード５から放出された電子を周回させ、ベーン３が形成する共振器に高周波電界を誘起、発振させて、高周波電力を出力するものである。

エンドハット８は、カソード５の両端部側に配設され、カソード５から放出された電子が軸方向にリークするのを防止するものである。このエンドハット８は、図２に示すように、円筒状のハット筒部８１と、ハット筒部８１の一端部から外側に広がるシールド部８２と、を備え、ハット筒部８１とシールド部８２は一体的に形成されている。

ハット筒部８１の内径は、スリーブ６の外径よりも大きく設定され、スリーブ６が挿入された状態で、ハット筒部８１の内周面とスリーブ６の外周面との間に隙間Ｇが形成されるようになっている。また、ハット筒部８１の軸方向の長さは、ヒータ７やバックボンバードメントによる熱でエンドハット８が高温まで昇温しない長さであり、かつ、ハット筒部８１とスリーブ６との隙間Ｇの軸方向の長さが、マグネトロン１の発振波長の１／２以下になるように設定されている。

シールド部８２は、ハット筒部８１の一端部から外側に広がるリング状で、その外径は、カソード５からの電子が軸方向にリークするのを効果的に防止でき、かつ、ベーン３などに接近しすぎないように設定されている。また、ハット筒部８１の他端部の開口周縁には、軸心側に突出する複数の接続部８３が、周縁に沿ってスポット的（点在的）に形成されている。

この接続部８３の突出量と形成位置は、スリーブ６が挿入された状態で、ハット筒部８１の内周面とスリーブ６の外周面との間に後述する寸法ｄ１の隙間Ｇが形成され、かつ、ハット筒部８１とスリーブ６とが同心になるように設定されている。また、接続部８３の軸方向の長さｄ２と形成数は、スリーブ６に強固に支持され、かつ、スリーブ６からの熱ができるだけ伝わらないように設定されている。例えば、ハット筒部８１の厚さｄ３よりも小さく設定されている。

次に、このようなエンドハット８の配設状態および配設位置について説明する。まず、カソード５やヒータ７の配設関係などについて説明すると、図１に示すように、スリーブ６の中央部にカソード５が配置され、カソード５よりも長いヒータ７がカソード５の全長に対向してスリーブ６内に配設されている。ヒータ７の一端側（図中上側）にはヒータ支持体７１が接続され、このヒータ支持体７１がスリーブ６の内面に固定されており、ヒータ支持体７１は、スリーブ６の一端縁よりも内側に位置している。また、ヒータ７の他端側（図中下側）には、図示しないヒータ端子が設けられたヒータリード７２が接続されている。

そして、図３、図４に示すように、エンドハット８のシールド部８２がカソード５に対向するようにハット筒部８１内にスリーブ６が挿入され、ハット筒部８１の内周面とスリーブ６の外周面との間に、全周にわたって均一に隙間Ｇが設けられた状態で、ハット筒部８１の他端部がヒータ７の外側においてスリーブ６に接続されている。

具体的には、出力側（上側）のエンドハット８の場合、ハット筒部８１内にスリーブ６が挿入され、スリーブ６の上端に接続部８３がロウ付けなどで接続されることで、ハット筒部８１の内周面とスリーブ６の外周面との間に隙間Ｇが設けられ、かつ、ハット筒部８１の他端部つまり接続部８３がヒータ７（ヒータ支持体７１）から離れた位置でスリーブ６に接続されている。つまり、カソード５の上端Ｐ１から接続部８３の位置Ｐ２までの距離Ｌ１が、カソード５の上端Ｐ１からヒータ７の上端（ヒータ支持体７１）Ｐ３までの距離Ｌ２よりも長くなっている。

同様に、入力側（下側）のエンドハット８の場合、ハット筒部８１内にスリーブ６が挿入され、スリーブ６の下側に接続部８３がロウ付けなどで接続されること、ハット筒部８１の内周面とスリーブ６の外周面との間に隙間Ｇが設けられ、かつ、接続部８３がヒータ７（ヒータ７とヒータリード７２の接続点）から離れた位置でスリーブ６に接続されている。つまり、カソード５の下端Ｐ４から接続部８３の位置Ｐ５までの距離Ｌ３が、カソード５の下端Ｐ４からヒータ７の下端Ｐ６までの距離Ｌ４よりも長くなっている。

このように、接続部８３のみがスリーブ６に接続されることで、ハット筒部８１の他端部が周方向においてスポット状にスリーブ６に接続されている。ここで、距離Ｌ１と距離Ｌ３は同距離で、距離Ｌ２と距離Ｌ４は同距離に設定されている。また、隙間Ｇの寸法ｄ１は、ヒータ７で加熱されたスリーブ６の熱がエンドハット８に伝わりにくく、かつ、不要な共振モードの発生が抑制される寸法、例えば、マグネトロン１の発振波長の１／１００以下に設定されている。なお、図３などにおいては、見やすくするために隙間Ｇを大きく図示している。

このような構成のマグネトロン１によれば、エンドハット８のハット筒部８１の内周面とスリーブ６の外周面との間に隙間Ｇが設けられ、しかも、ハット筒部８１の他端部がヒータ７の外側（ヒータ７から離れた位置）においてスリーブ６に接続されている。このため、ヒータ７による熱やバックボンバードメントによる熱がエンドハット８に伝わりにくく、エンドハット８の昇温が抑制される。すなわち、ハット筒部８１は、カソード５やヒータ７から離れているため加熱されにくく比較的低温となり、シールド部８２が加熱されたとしても、その熱が低温のハット筒部８１に伝わるため、シールド部８２およびエンドハット８全体がカソード５の温度と同等の高温にまで上昇するのを抑制することができる。この結果、エンドハット８からの電子放出や放出電子を起因とするアーキングを抑制でき、高出力のマイクロ波を安定して発振することが可能となる。つまり、高出力であってもマグネトロン１の安定した動作を確保することが可能となる。

また、ハット筒部８１の他端部つまり接続部８３が周方向において全周ではなくスポット状（部分的）にスリーブ６に接続されているため、ヒータ７で加熱されたスリーブ６の熱がハット筒部８１に伝わりにくい。この結果、エンドハット８の昇温をより抑制することができ、マグネトロン１の安定した動作をより確保することが可能となる。

さらに、ハット筒部８１とスリーブ６との隙間Ｇの寸法ｄ１が発振波長の１／１００以下に設定され、しかも、隙間Ｇの軸方向の長さが、発振波長の１／２以下に設定されているため、不要な共振モードの発生を抑制することができる。すなわち、隙間Ｇが大きいと、マグネトロン１の動作周波数周辺の周波数帯域で共振が発生し、動作が不安定となるおそれがあるが、隙間Ｇが小さいため、このような共振が発生せず、マグネトロン１の安定した動作をより確保することが可能となる。

ここで、本マグネトロン１のエンドハット８と、図５に示す従来のマグネトロンのエンドハット１０８の温度上昇例について説明する。従来の出力側のエンドハット１０８は、円板状でスリーブ１０６の上部開口に配設されてカソード５に対向し、かつ、ヒータ１０７の上端部が接続されている。また、入力側のエンドハット１０８は、リング状でヒータ１０７の下端部近傍のスリーブ１０６に配設されてカソード５に対向している。

カソード５、１０５が１０５０℃で動作するマグネトロンの場合、エンドハット８、１０８の温度は図６に示すようになった。すなわち、ヒータ７、１０７による予熱時には、従来の入力側のエンドハット１０８の温度が１０２８℃であるのに対して、本マグネトロン１の入力側のエンドハット８の温度が９５５℃であり、７３℃の温度低減効果が得られ、従来の出力側のエンドハット１０８の温度が１０３５℃であるのに対して、本マグネトロン１の出力側のエンドハット８の温度が９９０℃であり、４５℃の温度低減効果が得られた。

同様に、カソード５、１０５が動作してバックボンバードメント作用時には、従来の入力側のエンドハット１０８の温度が１０３７℃であるのに対して、本マグネトロン１の入力側のエンドハット８の温度が８９１℃であり、１４６℃の温度低減効果が得られ、従来の出力側のエンドハット１０８の温度が１０４４℃であるのに対して、本マグネトロン１の出力側のエンドハット８の温度が９３５℃であり、１０９℃の温度低減効果が得られた。

このように、予熱時には４５〜７３℃の温度低減効果が得られ、動作時には１０９〜１４６℃の温度低減効果が得られた。この低減温度は、カソード５の表面温度１０５０℃と比べると、予熱時で６０〜９５℃、動作時で１１５〜１５９℃という大きな温度差であり、エンドハット８からの電子放出の低減効果が大きいことが認められる。

（実施の形態２）
図７は、この実施の形態に係るマグネトロンのヒータ支持体７３周辺を示す断面図である。この実施の形態では、ヒータ支持体７３が実施の形態１のヒータ支持体７１と構成が異なり、実施の形態１と同等の構成については、同一符号を付することでその説明を省略する。

ヒータ支持体７３は、円筒状の円筒部７３１と、この円筒部７３１の一方の開口を塞ぐ蓋部７３２と、円筒部７３１の他方の端部から外側に広がるツバ部７３３と、を有する。このようなヒータ支持体７３の円筒部７３１内にヒータ７の上端部が挿入、接続され、ツバ部７３３がスリーブ６の内面に固定されることで、ヒータ７の上端部がスリーブ６に固定されている。このような固定状態で、ヒータ７の上端部が、円筒部７３１とスリーブ６で二重に覆われてエンドハット８のハット筒部８１に対向している。

このような実施の形態によれば、ヒータ７の上端部が筒状のヒータ支持体７３内に挿入され、円筒部７３１とスリーブ６で二重に覆われており、また熱伝導の経路が長くなるため、ヒータ７の上端部からの熱がエンドハット８により伝わりにくい。この結果、エンドハット８の昇温をより抑制することができ、マグネトロンの安定した動作をより確保することが可能となる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、エンドハット８には複数の接合部８３がハット筒部８１の開口周縁に沿ってスポット的に形成されているが、接続部８３をリング状に形成し、このリング状の接続部とスリーブ６を隙間（隙間Ｇとは異なる）を介して配置し、リング状の接続部とスリーブ６とを溶接などによって、スポット的に接続してもよい。また、エンドハット８の接続部８３によってハット筒部８１とスリーブ６との間に隙間Ｇが設けられているが、溶接などによってハット筒部８１とスリーブ６を直接接続したり、別部材を介して接続したりして、隙間Ｇを設けるようにしてもよい。また、カソード５に電子放出物質が塗布されている場合について説明したが、その他の構造であってもよく、例えば、ポーラス構造の金属でカソード５を構成し、このカソード５に電子放出物質を含浸させた構造でもよい。

１ マグネトロン
２ アノード
３ ベーン
４ ポールピース
５ カソード
６ スリーブ
７ ヒータ
７１、７３ ヒータ支持体
８ エンドハット
８１ ハット筒部
８２ シールド部
８３ 接続部
Ｇ 隙間

Claims (4)

1. 円筒状のアノードと、前記アノードの内面に配設された複数のベーンと、前記ベーンの内側に配設された円筒状のカソードと、前記カソード内に装着され前記カソードを支持する管状のスリーブと、前記スリーブ内に配設されて前記カソードを加熱するヒータと、前記カソードの端部側に配設されたエンドハットと、を備えるマグネトロンであって、
   前記エンドハットは、円筒状で内径が前記スリーブの外径よりも大きいハット筒部と、前記ハット筒部の一端部から外側に広がり前記カソードからの電子が軸方向にリークするのを防止するシールド部と、を備え、
   前記シールド部が前記カソードに対向するように前記ハット筒部内に前記スリーブが挿入され、前記ハット筒部の内周面と前記スリーブの外周面との間に隙間が設けられた状態で、前記ハット筒部の他端部が前記ヒータの外側において前記スリーブに接続されている、
   ことを特徴とするマグネトロン。
2. 前記ハット筒部の他端部が周方向においてスポット状に前記スリーブに接続されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のマグネトロン。
3. 前記隙間の軸方向の長さが、発振波長の１／２以下に設定されている、
   ことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載のマグネトロン。
4. 前記ヒータの端部を前記スリーブに固定するヒータ支持体が筒状で、前記ヒータ支持体内に前記ヒータの端部が挿入されている、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のマグネトロン。
   

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