JP2021096951A

JP2021096951A - 陰極構体

Info

Publication number: JP2021096951A
Application number: JP2019227251A
Authority: JP
Inventors: 昭人原; Akito Hara
Original assignee: Canon Electron Tubes and Devices Co Ltd
Current assignee: Canon Electron Tubes and Devices Co Ltd
Priority date: 2019-12-17
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2021-06-24

Abstract

【課題】消費電力を低減することができる陰極構体を提供する。【解決手段】陰極構体１ａは、陰極基体１０と、スリーブ２０と、ヒータ３０と、埋め込み材４０と、を備える。スリーブ２０は、陰極基体１０の第２面に固定された第１端部（２０Ａ）と、上記第１端部と反対側の第２端部（２０Ｂ）と、を有する。スリーブ２０の外周面Ｓ２０は、上記第１端部から上記第２端部に向かって先細る円錐台の側面に沿った形状を有する。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、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をマイクロ波電力に変換する電子管に用いられている。含浸型陰極構体は、陰極基体と、陰極基体に固定されたスリーブと、スリーブ内に埋め込まれたヒータと、スリーブ内でヒータを固定し、絶縁性を有するためにアルミナなどから成る埋め込み材とを備えている。含浸型陰極構体は、ヒータにより陰極基体が加熱されることで陰極基体の表面から電子を放射する。

特開２０１１−１３４４４５号公報特開２０１５−１７０４０７号公報

本実施形態は、消費電力を低減することができる陰極構体を提供する。

一実施形態に係る陰極構体は、
第１面と、前記第１面と反対側の第２面と、を有する陰極基体と、前記第２面に固定された第１端部と、前記第１端部と反対側の第２端部と、を有するスリーブと、前記第２面及び前記スリーブで囲まれた空間内に収容されたヒータと、前記空間内に埋め込まれ、前記ヒータを固定する埋め込み材と、を備え、前記スリーブの外周面は、前記第１端部から前記第２端部に向かって先細る円錐台の側面に沿った形状を有する。

図１は、一実施形態に係るクライストロンを示す構成図である。図２は、図１に示した陰極構体を示す断面図である。図３は、図２に示したスリーブを示す拡大断面図である。

以下に、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、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様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。

始めに、本発明の実施形態の基本構想について説明する。
ヒータにより陰極基体が加熱されることで陰極基体の表面から電子が放出される。ところで、含浸型陰極構体では、ヒータにより陰極基体が加熱されると同時にスリーブ等も加熱される。そのため、含浸型陰極構体のうち、スリーブの外周面と、含浸型陰極構体のうち陰極基体と反対側の面からの熱放射による熱損失が大きくなってしまう。すると、ヒータの消費電力の高騰を招いてしまう。

なぜなら、含浸型陰極構体において、陰極基体以外の表面積が大きいためである。例えば、スリーブの外周面が、直円柱の外周面に沿った形状を有している場合、スリーブの外周面の表面積は大きくなってしまう。また、含浸型陰極構体のうち陰極基体と反対側の面の表面積も大きくなってしまう。上記のように、含浸型陰極構体において、陰極基体以外の表面積が大きくなる程、陰極基体以外の部分からの熱の逃げ量も大きくなってしまう。そのため、消費電力を低減することができる含浸型陰極構体が望まれている。

かかる問題を解決すべく、本発明の実施形態においては、消費電力を低減することができる陰極構体を得ることができるものである。次に、上記問題を解決するための手段及び手法について説明する。

（一実施形態）
一実施形態に係るクライストロンＫＴについて説明する。
図１は、一実施形態に係るクライストロンＫＴを示す構成図である。
図１に示すように、クライストロンＫＴは、電子銃部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、金属部材で形成されている。

電子銃部１は、電子ビームを放射する陰極構体（含浸型陰極構体、陰極、又は電子銃と称する場合もある）１ａと、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方向に作る陽極構体（陽極と称する場合もある）１ｂと、を有している。図１に示した例では、電子銃部１は、１個の陰極構体１ａを有している。なお、電子銃部１は、複数個の陰極構体１ａを有していてもよい。複数個の陰極構体１ａを有する場合、電子銃部１は、複数の電子ビームを放出できる。

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、スペントビームのエネルギを熱に変換する。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は、クライストロンＫＴのボディ部である。高周波相互作用部３は、電子銃部１及びコレクタ２の間に気密に接続されている。高周波相互作用部３は、入力空胴３ａと、少なくとも１つの中間空胴３ｂと、出力空胴３ｃと、ドリフト管３ｄと、を有している。

入力空胴３ａは、電子銃部１及びコレクタ２の間に位置している。中間空胴３ｂは、入力空胴３ａ及びコレクタ２の間に位置している。出力空胴３ｃは、中間空胴３ｂ及びコレクタ２の間に位置し、穴部Ｏが形成されている。ドリフト管３ｄは、入力空胴３ａ、中間空胴３ｂ及び出力空胴３ｃを気密に連結している。図１に示した例では、高周波相互作用部３は、３つの中間空胴３ｂを有している。また、入力空胴３ａ、中間空胴３ｂ及び出力空胴３ｃは、それぞれ、ドリフト管３ｄに接続されている。

ここで、高周波相互作用部３の動作原理について説明する。入力信号が入力空胴３ａに入力される。入力信号は、例えば、電波（マイクロ波）である。電子銃部１から放射された電子ビームは、入力空胴３ａを通過するとき、入力空胴３ａに入力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る。密度変調が生じることにより、電子ビームは、次第に集群（バンチ）される。集群された電子ビームは、中間空胴３ｂを通過する度に相互作用により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。

集群された電子ビームは、出力空胴３ｃの間隙を通過する時、大きな交流電界を誘起する。出力空胴３ｃの間隙を通過した電子ビームは、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から外部に出力される。つまり、高周波相互作用部３は、入力空胴３ａに入力された入力信号を増幅した高周波の出力信号として出力空胴３ｃから出力する。

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、電子銃部１から放射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の出力空胴３ｃの穴部Ｏに接続されている。出力導波管５の内側の空間は、出力空胴３ｃの内側の空間と連続である。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を介して出力空胴３ｃから入力された出力信号を出力窓５ａから出力する。

次に、陰極構体１ａについて説明する。
図２は、図１に示した陰極構体１ａを示す断面図である。
図３は、図２に示したスリーブ２０を示す拡大断面図である。図２及び図３には、陰極構体１ａの中心軸ＣＴを示している。

図２に示すように、陰極構体１ａは、陰極基体１０、スリーブ（陰極スリーブ又は筒状部材）２０、筒部としての支持筒２１、ヒータ３０、及び埋め込み材４０を備えている。図２に示した例では、陰極基体１０、スリーブ２０、及び埋め込み材４０は、中心軸ＣＴを中心として同軸状に配置されている。なお、陰極基体１０、スリーブ２０、及び埋め込み材４０は、同軸状に配置されていなくともよい。

陰極基体１０は、板状、例えば、円板状に形成されている。一例では、陰極基体１０の直径は、例えば、２０ｍｍである。陰極基体１０は、多孔質の金属部材、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）で形成されている。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）などから成る電子放出物質が含浸されている。

陰極基体１０は、図１に示した陽極構体１ｂ側に位置する電子放出面１０Ａと、電子放出面１０Ａとは反対側の裏面１０Ｂとを有している。本実施形態において、電子放出面１０Ａは第１面として機能し、裏面１０Ｂは第２面として機能している。電子放出面１０Ａは、所定の曲率を有している。図１に示した例では、電子放出面１０Ａは、裏面１０Ｂ側に窪んでいる曲面状に形成されている。

電子放出面１０Ａを曲面状に加工（切削加工）する際に、陰極基体１０の空孔の目潰れが生じる可能性がある。空孔の目潰れが生じると、上記電子放出物質が、空孔に充分に含浸されない可能性がある。そのため、以下に示すような方法で電子放出物質を陰極基体１０に含浸させることが望ましい。

はじめに、電子放出面１０Ａを曲面状に加工する前に、陰極基体１０の空孔に金属部材、例えば、銅（Ｃｕ）を含浸させる。次に、電子放出面１０Ａを曲面状に加工した後に、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、含浸されている銅を飛散させる。その後、陰極基体１０の空孔に電子放出物質を含浸させる。

なお、電子放出面１０Ａを曲面状に加工する前に、陰極基体１０の空孔に含浸する材料は銅等の金属に限定されるものではなく種々変形可能である。例えば、陰極基体１０の空孔に含浸する材料は、プラスチック、例えばアクリル系の樹脂であってもよい。
その場合、電子放出面１０Ａを曲面状に加工する前に、陰極基体１０の空孔にアクリル系の樹脂を含浸させる。次に、電子放出面１０Ａを曲面状に加工した後に、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、含浸されている樹脂を飛散させる。その後、陰極基体１０の空孔に電子放出物質を含浸させる。

以上に示した方法により陰極基体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。陰極基体１０は、所定の温度に到達した際に電子を放出する。例えば、陰極基体１０は、９００℃乃至１０５０℃に到達した際に電子放出面１０Ａから電子を放出する。なお、陰極基体１０は、９００℃より低い温度で電子を放出してもよいし、１０５０℃より高い温度で電子を放出してもよい。

図２及び図３に示すように、スリーブ２０は、筒状の形状を有し、外径が異なる端部２０Ａと端部２０Ｂとを有している。本実施形態において、端部２０Ａは第１端部として機能し、端部２０Ｂは第２端部として機能している。端部２０Ａは、陰極基体１０の裏面１０Ｂに固定されている。端部２０Ａは、例えば、ルテニウム−モリブデン（Ｒｕ−Ｍｏ）合金により裏面１０Ｂにろう付けされている。スリーブ２０において、端部２０Ｂは、端部２０Ａと反対側に位置している。端部２０Ｂ側の開口は、埋め込み材４０を形成する際に、材料をスリーブ２０の内部に取り入れるための取入れ口として機能している。

スリーブ２０は外周面Ｓ２０を有している。外周面Ｓ２０は、端部２０Ａから端部２０Ｂに向かって先細る仮想の円錐台（直円錐台）ＴＣの側面ＴＣｓに沿った形状を有している。スリーブ２０の外径Ｄのうち、端部２０Ａの外径を第１外径Ｄ１とし、端部２０Ｂの外径を第２外径Ｄ２とする。第２外径Ｄ２は、第１外径Ｄ１よりも小さくなっている。すなわち、スリーブ２０の端部２０Ｂ側はテーパ状に形成され、端部２０Ｂの手前から端部２０Ｂに向かって外径Ｄが小さくなっている。

本実施形態において、スリーブ２０の外周面Ｓ２０は、第１外周面Ｓ２０ａ及び第２外周面Ｓ２０ｂを有している。第１外周面Ｓ２０ａは、端部２０Ａから連続している。第１外周面Ｓ２０ａの外径Ｄは、第１外径Ｄ１であり、全長にわたって一定である。第２外周面Ｓ２０ｂは、第１外周面Ｓ２０ａから端部２０Ｂまで連続している。第２外周面Ｓ２０ｂは、円錐台ＴＣの側面ＴＣｓに沿った面である。

スリーブ２０のサイズを例示する。第１外径Ｄ１は２０ｍｍである。第２外径Ｄ２は１０ｍｍである。スリーブ２０の高さＨ（中心軸ＣＴに沿った方向におけるスリーブ２０の長さ）は１０ｍｍである。第２外周面Ｓ２０ｂのテーパ角度θは、４０°である。ここで、円錐台ＴＣの一対の底面のうち端部２０Ｂ側の底面を上底ＴＣｔとする。すると、テーパ角度θは、上底ＴＣｔから延長する仮想の平面（中心軸ＣＴに垂直な仮想の平面）Ｐと、第２外周面Ｓ２０ｂとの間の角度である。
なお、スリーブ２０のサイズは、上記の例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、テーパ角度θは、４０°に限らず、鋭角であればよい。

スリーブ２０は、モリブデン、モリブデンを主成分とする合金、又はモリブデンを含む合金で形成されている。なお、スリーブ２０は、タングステン、ニオブ、タンタル、レニウム−モリブデン、又はこれらを含む合金で形成されてもよい。上記のことから、スリーブ２０は、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタル、レニウム−モリブデン、又はこれらを含む金属材料で形成されてもよい。

図２に示すように、ヒータ３０は、線状部材で形成されたフィラメントを有している。線状部材は、例えば、タングステンを主成分とする金属部材、又はモリブデンを主成分とする金属部材で形成されている。線状部材の直径は、例えば、０．３ｍｍである。ヒータ３０の脚部３０Ａは、リード端子３１を介して図示しない電源装置に接続されている。

ヒータ３０は、陰極基体１０の裏面１０Ｂ及びスリーブ２０で囲まれた空間内に収容されている。そのため、ヒータ３０は、スリーブ２０の内側に配置されている。図に示した例では、ヒータ３０は、スリーブ２０の中心部、例えば、中心軸ＣＴを中心として同軸状に配置されている。ヒータ３０の脚部３０Ａは、スリーブ２０内において、端部２０Ｂ側に位置している。ヒータ３０は、図示しない電源から電力が供給されることで発熱する。

埋め込み材４０は、裏面１０Ｂ及びスリーブ２０で囲まれた空間内に埋め込まれ、ヒータ３０を固定している。埋め込み材４０は、酸化アルミニウム等の金属材料で形成されている。
支持筒２１は、スリーブ２０で囲まれ、陰極基体１０の裏面１０Ｂに固定されている。そのため、埋め込み材４０は、裏面１０Ｂ、支持筒２１、及びスリーブ２０で囲まれた空間内に埋め込まれている。

陰極構体１ａは、蓋部５０をさらに備えている。蓋部５０は、円錐台ＴＣの上底ＴＣｔに沿って設けられている。蓋部５０は、陰極基体１０及びスリーブ２０とともに埋め込み材４０を覆っている。より詳しくは、蓋部５０は、環状の形状を有し、支持筒２１を囲み、陰極基体１０、支持筒２１、及びスリーブ２０とともに埋め込み材４０を覆っている。

支持筒２１及び蓋部５０は、スリーブ２０と同様、モリブデン又はモリブデンを含む合金で形成されている。また、支持筒２１及び蓋部５０は、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタル、レニウム−モリブデン、又はこれらを含む金属材料で形成されてもよい。

支持筒２１、スリーブ２０、及び蓋部５０のそれぞれの放射率は、埋め込み材４０（酸化アルミニウム）の放射率より低い。そのため、熱損失を小さくする観点から、陰極構体１ａが蓋部５０を備えていた方が望ましい。

上述したように、スリーブ２０の外周面Ｓ２０は、円錐台ＴＣの側面ＴＣｓに沿った形状を有している。そのため、陰極構体１ａが比較例のスリーブ２０を有している場合と比較し、陰極構体１ａの表面積を約１０％低減することができる。ここで、上記比較例のスリーブ２０の外周面Ｓ２０は、全長にわたって外径が一定である円柱の外周面のみに沿った形状を有している。スリーブ２０の外周面Ｓ２０（第２外周面Ｓ２０ｂ）からの熱放射量を減らすことができるため、陰極基体１０を加熱するために必要な電力を低減することができる。

陰極基体１０の温度を、実際に使用するための９２０℃に設定するため、比較例のスリーブ２０を有する陰極構体１ａでは４５Ｗワットの消費電力が必要であったのに対し、
本実施形態の陰極構体１ａの消費電力は４２．２Ｗであり、実質的に６％の電力を削減することができた。

ここで、物体から放射される熱エネルギ量Ｑについて説明する。熱エネルギ量Ｑは、次の計算式（式１）により求めることができる。
Ｑ＝σ×ε×Ｔ^４×Ａ・・・（式１）
上記σは、ステファンボルツマン係数である（σ＝５．６６９７×１０^−１２［Ｗ・ｃｍ^−２・Ｋ^−４・ｈ^−１］）。上記εは放射率である。上記Ｔは絶対温度である（２７３℃＋Ｘ℃）。上記Ａは、物体の表面積（ｃｍ^２）である。

上記式１より、物体の表面積を小さくすると放射される熱エネルギが低減されることが分かる。そのため、上述したように、本実施形態では、スリーブ２０の第２外周面Ｓ２０ｂをテーパ形状にしてスリーブ２０の表面積を減らしている。

上記のように構成された実施形態に係るクライストロンＫＴによれば、陰極構体１ａは、陰極基体１０と、スリーブ２０と、ヒータ３０と、埋め込み材４０と、を備えている。陰極基体１０は、電子放出面１０Ａと、電子放出面１０Ａと反対側の裏面１０Ｂと、を有している。スリーブ２０は、裏面１０Ｂに固定された端部２０Ａと、端部２０Ａと反対側の端部２０Ｂと、を有している。ヒータ３０は、裏面１０Ｂ及びスリーブ２０で囲まれた空間内に収容されている。埋め込み材４０は、上記空間内に埋め込まれ、ヒータ３０を固定している。スリーブ２０の外周面Ｓ２０は、端部２０Ａから端部２０Ｂに向かって先細る円錐台ＴＣの側面ＴＣｓに沿った形状を有している。

これにより、スリーブ２０の外周面Ｓ２０の面積と、陰極構体１ａのうち電子放出面１０Ａとは反対側の表面積（蓋部５０の表面積）と、の低減に寄与することができる。陰極構体１ａのうち、電子放出面１０Ａ以外の表面からの熱放射量を減らすことができ、陰極構体１ａの消費電力を低減することができる。
これにより、長時間安定した電子放射が得られる陰極構体１ａを得ることができる。そして、消費電力を低減することができる陰極構体１ａを得ることができる。

本発明の実施形態を説明したが、上記の実施形態は、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。上記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。上記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ともに、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。

１ａ…陰極構体、１０…陰極基体、１０Ａ…電子放出面、１０Ｂ…裏面、
２０…スリーブ、２０Ａ，２０Ｂ…端部、２１…支持筒、３０…ヒータ、
４０…埋め込み材、５０…蓋部、Ｄ…外径、Ｄ１…第１外径、Ｄ２…第２外径、
Ｓ２０…外周面、Ｓ２０ａ…第１外周面、Ｓ２０ｂ…第２外周面、ＴＣ…円錐台、
ＴＣｓ…側面、ＴＣｔ…上底。

Claims

第１面と、前記第１面と反対側の第２面と、を有する陰極基体と、
前記第２面に固定された第１端部と、前記第１端部と反対側の第２端部と、を有するスリーブと、
前記第２面及び前記スリーブで囲まれた空間内に収容されたヒータと、
前記空間内に埋め込まれ、前記ヒータを固定する埋め込み材と、を備え、
前記スリーブの外周面は、前記第１端部から前記第２端部に向かって先細る円錐台の側面に沿った形状を有する、
陰極構体。
前記スリーブにおいて、前記第２端部の第２外径は、前記第１端部の第１外径より小さい、
請求項１に記載の陰極構体。
前記スリーブの前記外周面は、前記第１端部から連続する第１外周面と、前記第１外周面から前記第２端部まで連続する第２外周面と、を有し、
前記第１外周面の外径は、前記第１外径であり、全長にわたって一定であり、
前記第２外周面は、前記円錐台の前記側面に沿った面である、
請求項２に記載の陰極構体。
蓋部をさらに備え、
前記円錐台の一対の底面のうち前記第２端部側の前記底面を上底とすると、
前記蓋部は、前記上底に沿って設けられ、前記陰極基体及び前記スリーブとともに前記埋め込み材を覆っている、
請求項１に記載の陰極構体。