JP3996442B2 - 電子銃 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、進行波管やクライストロン等で用いられる電子銃に関し、特に電子ビームを集束するためのウェネルト電極（focus electrodeとも呼ばれる）を備えたピアス型の電子銃に関する。
【０００２】
【従来の技術】
進行波管やクライストロンは、電子銃から放出される電子ビームと高周波回路との相互作用によりマイクロ波の増幅や発振を行う電子管であり、例えば、図６に示すように、電子ビームを放出する電子銃２１と、電子銃２１から放出された電子ビームと高周波信号（マイクロ波）とを相互作用させる高周波回路２２と、高周波回路２２から出力された電子ビームを補足するコレクタ２３と、電子銃から放出された電子ビームを高周波回路２２内に導くアノード電極２４とを有する構成である。
【０００３】
電子銃２１から放出された電子ビームは、アノード電極２４により高周波回路２２内に導入され、高周波回路２２に入力された高周波信号と相互作用しながら内部を進行する。高周波回路２２から出力された電子ビームはコレクタ２３に入力され、コレクタ２３が備えるコレクタ電極で捕捉される。このとき、高周波回路２２からは電子ビームとの相互作用により増幅された高周波信号が出力される。
【０００４】
このような進行波管やクライストロンで用いられる電子銃には多くの種類が知られているが、その一つとして電子ビームを集束するためのウェネルト電極を備えたピアス型電子銃がある。
【０００５】
図７は従来のピアス型電子銃の構造を示す側断面図である。
【０００６】
図７に示すように、従来のピアス型電子銃は、電子を放出する陰極１１と、陰極１１から放出された電子を集束するためのウェネルト電極１５とを有する構成である。
【０００７】
陰極１１は、バリウム（Ba）、カルシウム（Ca）、アルミニウム（Al）等の酸化物（エミッタ材）が含侵された円板状のポーラスタングステン（porous tungsten）基体で構成され、モリブデン(Mo)等から成る円筒状のヒータキャップ１２に対して、その開口の一端を封止するように溶接またはろう付けによって取り付けられている。なお、陰極１１は、溶接やろう付け温度に耐え、かつヒータキャップ１２の円筒内側壁に対して直角に取り付けることが容易な厚さで形成される。ヒータキャップ１２内には、陰極１１から電子を放出させるための熱エネルギーを与える不図示のヒータが配置される。
【０００８】
ウェネルト電極１５は、モリブデン等の金属を切削することで中心に開口を有するドーナツ状に形成され、円筒状に形成されたウェネルト支持体１４の一方の開口端に溶接またはろう付けによって取り付けられる。
【０００９】
陰極１１が取り付けられたヒータキャップ１２は、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、モリブデン・レニウム合金（Ｍｏ−Ｒｅ）、あるいは鉄・ニッケル・コバルト合金（コバール：Ｋｖ）等から成る金属支持体１６により、例えばトライポッド構造（３本吊構造）でウェネルト支持体１４内に支持され、陰極１１の電子放出面とウェネルト電極１５の表面とが略同一平面を形成する位置で固定される。なお、ウェネルト電極１５は、図７に示すようにアノード電極１９側の表面が電子ビーム１８の最外殻とおよそ６７．５度（ピアス角と称す）の角度を有する形状に加工される。
【００１０】
陰極１１が取り付けられたヒータキャップ１２を内蔵するウェネルト支持体１４は、不図示の電子銃筐体内に支持固定され、真空封止される。
【００１１】
上述したピアス型電子銃では、陰極１１と同電位が印加されるウェネルト電極１５の集束作用により陰極１１から放出された電子がビーム状に整形され、アノード電極１９により高周波回路（図６参照）内に導入される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のピアス型電子銃では、陰極から放出された電子を所望のビーム径に集束するために、陰極とウェネルト電極との電極間隔、及び陰極とアノード電極との電極間隔、すなわちパービアンスを設計値に一致させる必要がある。特に間隔の狭い陰極とウェネルト電極間の寸法精度を満たすことが重要である。
【００１３】
陰極とウェネルト電極間のパービアンスが大きいと、陰極から放出された電子がアノード電極へ衝突する問題や、電子ビームの径が高周波回路内で変動して高周波信号との相互作用にムラが生じる問題が発生するため、進行波管の消費電力の増大や増幅性能の低下等を引き起こす。
【００１４】
図７に示した従来のピアス型電子銃の構造では、ウェネルト電極、ウェネルト支持体、及び金属支持体を切削により一体的に形成することが非常に困難であり、ウェネルト電極、ヒータキャップ、金属支持体、及びウェネルト支持体を別々に形成し、それらを溶接やろう付け等で接合していた。したがって、部品点数が多く、組み立てに要する時間が長くなるという問題があった。さらに、部品点数が多いと、各部品の寸法誤差、及び接合時の取り付け誤差や歪み等が増えるため、陰極とウェネルト電極のパービアンスを所定値以内に収めることが困難であった。
【００１５】
本発明は上記したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、ヒータの消費電力の増大やパービアンスの増大を抑制しつつ、部品点数を減らして組み立てを容易にしたピアス型の電子銃を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の電子銃は、電子ビームを集束するためのウェネルト電極を備えた電子銃であって、
電子を放出する陰極と、
電子を放出させるための熱エネルギーを前記陰極に与えるヒータが内蔵されたヒータキャップと、
前記陰極の周縁を前記ヒータキャップに係止することで該陰極を前記ヒータキャップ上に設置固定するリテーナと、
前記電子ビームの最外殻に対する表面の平均角度がピアス角に一致する形状に成形されたウェネルト電極部、及び前記陰極の電子放出面と前記ウェネルト電極部に設けられた開口とが所定のパービアンスを満たす位置になるように前記ヒータキャップを支持固定するための３つ以上のヒータキャップ支持体部が一体に形成された円筒状のウェネルト支持体と、
を有する構成である。
【００１７】
このとき、前記ヒータキャップ支持体部は、
前記ウェネルト支持体の円筒側面に一方の短辺を残してリボン状に切断することで形成されていてもよく、
前記一方の短辺は、
前記ウェネルト支持体の円周方向と平行な辺のうち、前記ウェネルト電極側に位置する辺であることが好ましい。
【００１８】
また、前記リテーナは、
前記陰極の周縁を前記ヒータキャップに押圧するように、前記陰極と当接する端部が折り返し形状に成形されていてもよく、
前記陰極の周縁を前記ヒータキャップに押圧するように、前記陰極と当接する端部が円弧形状に成形されていてもよい。
【００１９】
さらに、前記ウェネルト電極部は、
前記ウェネルト支持体の円筒側面から前記開口に向かって順に、第１の円弧部位、直線部位、及び第２の円弧部位の断面形状に成形されていてもよく、
前記ウェネルト支持体の側面から前記開口に向かって順に、第１の円弧部位、
第２の円弧部位、第１の直線部位、及び第２の直線部位の断面形状に成形されていてもよく、
前記ウェネルト支持体の側面から前記開口に向かって順に、第１の円弧部位、
第１の直線部位、第２の円弧部位、第２の直線部位、及び第３の直線部位の断面形状に成形されていてもよい。
【００２０】
または、前記ウェネルト電極部は、
前記ウェネルト支持体の側面から前記開口に向かって断面が直線状に成形されていてもよく、
前記ウェネルト支持体の側面から前記開口に向かって断面が円弧状に成形されていてもよい。
【００２１】
上記のように構成された電子銃では、ウェネルト支持体にウェネルト電極及びヒータキャップ支持体を一体に形成することで、部品点数が低減するため、各部品の寸法誤差及び接合時の取り付け誤差や歪み等が低減する。さらに、ウェネルト電極及びヒータキャップ支持体を含むウェネルト支持体をプレス加工で形成できる。
【００２２】
また、陰極と当接するリテーナの端部を折り返し形状または円弧形状にすることで、ヒータからの熱で陰極が膨張することによるリテーナの変形、及び陰極とヒータキャップの位置ずれが防止される。
【００２３】
また、ヒータキャップ支持体部をウェネルト電極部側の短辺を残してリボン状に切断して形成することで、ウェネルト支持体の側面に形成されるリボン状の開口から漏れるヒータキャップの輻射熱が抑制される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に本発明について図面を参照して説明する。
【００２５】
図１は本発明の電子銃の一構成例を示す斜視図であり、図２は図１に示した陰極の取り付け構造を示す要部断面図である。図３は図１に示したウェネルト電極部の形状例を示す側面図であり、図４は図１に示したウェネルト電極部と、電子ビーム及びアノード電極の関係を示す模式図である。また、図５は図１に示したヒータキャップ支持体部の他の構成例を示す側面図である。なお、図１、図３（ａ）〜（ｅ）、及び図５では、ヒータキャップがウェネルト支持体内で支持されることを示すために、ウェネルト支持体及びウェネルト電極部の一部を切り欠いた様子を示している。実際のウェネルト支持体及びウェネルト電極部は、ヒータキャップ支持体を除いて図１、図３（ａ）〜（ｅ）、図５に示すような切り欠きを有するものではない。
【００２６】
図１に示すように、本発明の電子銃は、電子を放出する陰極１と、電子を放出させるための熱エネルギーを陰極に与えるヒータ７（図２参照）を内蔵したヒータキャップ２と、陰極周縁をヒータキャップ２に係止することでヒータキャップ２上に陰極１を設置固定するリテーナ３と、ヒータキャップ２を支持するウェネルト支持体４とを有する構成である。
【００２７】
ウェネルト支持体４は、真空下で熱処理されたタンタル、モリブデン、あるいはモリブデン−レニウムの合金（Ｍｏ−Ｒｅ）等から成る薄い金属板を図１に示すように円筒状に加工したものであり、その一方の開口端を塞ぐように円筒内部へ向かって側面を屈曲させることでウェネルト電極部５が形成された構成である。ウェネルト電極部５の中心には、陰極１の電子放出面を露出するために円状の開口が設けられている。また、ウェネルト支持体４の側面には、一方の短辺を残してリボン状に切断された３つ以上のヒータキャップ支持体部６が形成される。
【００２８】
ヒータキャップ２は、一端が封止された円筒形状であり、封止面がヒータキャップ２の円筒側壁に対して直角であり、かつ平坦に形成されている。
【００２９】
陰極１が取り付けられたヒータキャップ２は、ヒータキャップ支持体部６の他方の短辺を含む端部をそれぞれ溶接またはろう付けで接合することによりウェネルト支持体４内に吊構造で支持され、陰極１の電子放出面とウェネルト電極部５に設けられた開口とが所定のパービアンスを満たす位置で固定される。
【００３０】
図２に示すように、陰極１は、従来と同様に、バリウム、カルシウム、あるいはアルミニウム等の酸化物から成るエミッタ材が含侵された円板状のポーラスタングステン基体から構成され、電子放出面が平坦または凹状の球面の一部で形成され、電子放出面と反対側の面が平坦に形成された形状である。また、陰極１の周縁には階段状の切り欠きが設けられ、該切り欠き部がヒータキャップ２の封止面上にリテーナ３を用いて押圧される。なお、陰極１の周縁に設けられた切り欠き部は、後述する折り返し形状あるいは円弧形状のリテーナ３の端部が陰極１の電子放出面よりも突出しない深さで形成される。
【００３１】
リテーナ３は、モリブデン等を用いて円筒状に形成され、陰極１と当接する一方の端部が、図２（ａ）に示すような折り返し形状、あるいは図２（ｂ）に示すような円弧形状に加工されている。また、陰極１と当接しない他方の端部は、陰極１の設置後に溶接またはろう付けでヒータキャップ２に接合される。陰極１は、図２（ａ）に示した折り返し形状の端部、あるいは図２（ｂ）に示した円弧形状の端部でヒータキャップ２の封止面上に押圧されて固定される。
【００３２】
このように、リテーナ３を用いてヒータキャップ２の封止面上に陰極１を固定することで、従来のように陰極１にろう付けや溶接のために高温が印加されることがなく、ヒータキャップ２内に陰極１を円筒側壁に対して直角に取り付ける必要がないため、陰極１を従来よりも薄く形成することが可能になる。したがって、陰極１の重量が低減するため、電子銃に加わる振動や衝撃に対する耐性が向上する。
【００３３】
また、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、陰極１と当接するリテーナ３の端部を折りかえし形状あるいは円弧形状にすることで、ヒータ７からの熱で陰極１が膨張することによるリテーナ３の変形が抑制されるため、リテーナ３による陰極の固定力のゆるみが低減され、陰極１の位置ずれが防止される。
【００３４】
ヒータキャップ２内には、従来と同様に陰極１から電子を放出させるための熱エネルギーを与えるヒータ７が配置される。
【００３５】
ウェネルト電極部５は、例えば、図３（ａ）〜（ｅ）で示すような断面形状に成形される。図３（ａ）は、ウェネルト電極部５を、ウェネルト支持体４の円筒側面から開口に向かって順に、第１の円弧部位５ａ、直線部位５ｂ、及び第２の円弧部位５ｃの断面形状に成形する例であり、図３（ｂ）は、第１の円弧部位５ｄ、第２の円弧部位５ｅ、第１の直線部位５ｆ、及び第２の直線部位５ｇの断面形状に成形する例であり、図３（ｃ）は、第１の円弧部位５ｈ、第１の直線部位５ｉ、第２の円弧部位５ｊ、第２の直線部位５ｋ、及び第３の直線部位５ｌの断面形状に成形する例である。また、図３（ｄ）は、ウェネルト電極部５を、ウェネルト支持体４の円筒側面から開口に向かって、断面が直線部位５ｍに成形された例であり、図３（ｅ）は断面が円弧部位５ｎに成形された例である。
【００３６】
図３（ａ）〜（ｅ）に示した形状は、全てプレス加工により形成することができるため、本発明では、図６に示した従来の電子銃のように、別々に形成したウェネルト電極部とウェネルト支持体を溶接やろう付け等で接合する必要が無く、加工時間や組み立てに要する時間が短縮され、電子銃のコストが低減される。
【００３７】
さらに、図３（ａ）〜（ｃ）に示した円弧部位と直線部位とを組み合わせた形状では、ウェネルト支持体４の側面近傍に配置した円弧部位及び直線部位により図３（ｄ）で示した直線部位だけの形状、あるいは図３（ｅ）で示した円弧部位だけの形状に比べて陰極１から遠い位置（アノード電極９側）における電子の集束度を上げることができるため、ウェネルト電極を小型に形成することができる。
【００３８】
また、本発明では、図３（ａ）〜（ｅ）で示したウェネルト電極部５のアノード側表面の平均角度を、電子ビームの最外殻に対して、いずれも略ピアス角（６７．５度）となるように成形する。ここで、平均角度とは、電子の集束に寄与する部位の角度の平均値とする。例えば、図３（ａ）に示した形状では、第１の円弧部位５ａ、直線部位５ｂ、及び第２の円弧部位５ｃの表面の角度の平均値であり、平均角度はウェネルト支持体４の円筒側面から開口に向かう第１の円弧部位５ａの始点と第２の円弧部位５ｃの終点とを結ぶ直線の角度にほぼ一致する。
【００３９】
また、図３（ａ）に示した形状では、第２の円弧部位５ｅ、第１の直線部位５ｆ、及び第２の直線部位５ｇの表面の角度の平均値であり、平均角度はウェネルト支持体４の円筒側面から開口に向かう第２の円弧部位５ｅの始点と第２の直線部位５ｇの終点とを結ぶ直線の角度にほぼ一致する。
【００４０】
同様に、図３（ｃ）に示した形状では第２の円弧部位５ｊ、第２の直線部位５ｋ、及び第３の直線部位５ｌの表面の角度の平均値であり、平均角度はウェネルト支持体４の円筒側面から開口に向かう第２の直線部位５ｋの始点と第３の直線部位５ｌの終点とを結ぶ直線の角度にほぼ一致する。
【００４１】
また、図３（ｅ）に示した形状では、平均角度は円弧部位５ｍの始点と終点とを結ぶ直線の角度にほぼ一致する。
【００４２】
図４に、本発明のウェネルト電極部５と、電子ビーム８及びアノード電極９の関係の一例を示す。なお、図４はウェネルト電極部５として図３（ａ）に示した形状を採用した場合の様子を示している。
【００４３】
ウェネルト電極部５と電子ビーム８の最外殻とのピアス角を維持する場合、電子の放出方向の軸（電子の放出軸）に対するウェネルト電極５の表面の平均角度はアノード電極９との関係によって変わってくる。すなわち、アノード電極９との距離及びアノード電極９の内径（電子ビームの集束径）に応じて電子の放出軸に対するウェネルト電極５の表面の平均角度が異なってくる。図３（ａ）〜（ｅ）に示した例では、アノード電極９との距離やアノード電極９の内径が等しいことを前提とした図ではないため、電子の放出軸に対するウェネルト電極５の表面の平均角度がそれぞれ異なっている。
【００４４】
本発明では、ウェネルト電極部５を、図３（ａ）〜（ｅ）で示した円弧部位と直線部位とを組み合わせた形状、直線部位だけの形状、あるいは円弧部位だけの形状にすることで、プレス加工を用いて容易に形成できるようにすると共に電子の集束作用を実現する。
【００４５】
本発明のように電子ビーム８の最外殻に対するウェネルト電極部５の表面の平均角度がほぼピアス角に一致していれば、陰極１から放出された電子が問題無く集束されることを発明者はシミュレーションにより確認している。
【００４６】
なお、本発明のウェネルト電極部５の形状は、図３（ａ）〜（ｅ）で示した形状に限定されるものではなく、上述したようにウェネルト電極部５の表面の平均角度が電子ビーム８に対してほぼピアス角に一致していればどのような形状であってもよい。
【００４７】
また、図１及び図３（ａ）〜（ｅ）では、ウェネルト支持体４の円周方向と平行な辺のうち、ウェネルト電極部５側の短辺を残してリボン状に切断されたヒータキャップ支持体部６でヒータキャップ２が支持される構造を示したが、図５に示すようにウェネルト電極部５側と対向する短辺を残してリボン状に切断されたヒータキャップ支持体部６ａで支持される構造であってもよい。
【００４８】
図５に示した構造では、ヒータキャップ支持体部６がヒータキャップ２の側面から離れた位置にあるため、ヒータキャップ２からの輻射熱を受け難く、図１及び図３（ａ）〜（ｅ）で示した構造と比べてヒータキャップ支持体部６の温度上昇が抑制される。したがって、熱によるヒータキャップ支持体部６の曲げ強度の低下が抑制されるため、ヒータキャップ支持体部６を細くしても必要な支持強度を確保できる。
【００４９】
しかしながら、図５に示す構造では、ウェネルト支持体４の側面に形成されたリボン状の開口から漏れるヒータキャップ２の輻射熱が図１及び図３（ａ）〜（ｅ）に示した構造と比べて増えるため、ヒータキャップ２からの放熱量が増え、ヒータ７の消費電力が増大する問題がある。したがって、図１及び図３（ａ）〜（ｅ）で示したように、ウェネルト電極部５側の短辺を残してリボン状に切断したヒータキャップ支持体部６でヒータキャップ２を支持する構造が好ましい。
【００５０】
以上説明したように、本発明の電子銃の構成によれば、ウェネルト支持体４にウェネルト電極部５及びヒータキャップ支持体部６を一体に形成することで、従来の構成に比べて部品点数が低減するため、陰極１とウェネルト電極部５のパービアンスを所定値以内に収めることが容易になる。さらに、ウェネルト電極部５及びヒータキャップ支持体部６を含むウェネルト支持体４をプレス加工で容易に形成できるため、各部品の加工時間や組み立てに要する時間が短縮され、電子銃のコストが低減される。
【００５１】
ところで、図１に示した本発明の電子銃は、ウェネルト電極部５及びヒータキャップ支持体部６がウェネルト支持体４と一体に形成され、ヒータ７によって加熱された陰極１の熱が近接したウェネルト電極部５へ輻射によって伝導するため、陰極１の熱が比較的逃げ易い構造である。しかしながら、本発明では、ウェネルト支持体４（ウェネルト電極部５）を薄い金属板（例えば、０．０３ｍｍ程度）で形成するため、ウェネルト電極部５の熱伝導率が低く、図７に示した従来の構造よりも陰極１からの熱の逃げが抑制されてヒータ７の消費電力が低減する。
【００５２】
一般に、動作中に高温に加熱された陰極からはエミッタ材が蒸発してウェネルト電極に付着する。したがって、陰極の熱がウェネルト電極へ伝わり易い構造では、陰極と同様に高温になったウェネルト電極からも電子が放出され、陰極から放出された電子と互いに反発し合うために電子ビームを所定の軌道に一致させることが困難になる。本発明では、ウェネルト電極部５が薄い金属板で形成されているため、動作中に陰極１が約１０００〜１０５０℃の温度に到達してもウェネルト電極部５の温度を５００℃以下に抑えることが可能であり、ウェネルト電極部５からの電子の放出が抑制される。
【００５３】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成されているので、以下に記載する効果を奏する。
【００５４】
ウェネルト支持体にウェネルト電極及びヒータキャップ支持体を一体に形成することで、部品点数が低減するため、各部品の寸法誤差及び接合時の取り付け誤差や歪み等が低減し、陰極とウェネルト電極のパービアンスを所定値以内に収めることが容易になる。さらに、ウェネルト電極及びヒータキャップ支持体を含むウェネルト支持体をプレス加工で形成できるため、各部品の加工時間や組み立てに要する時間が短縮され、電子銃のコストが低減される。
【００５５】
また、陰極と当接するリテーナの端部を折り返し形状または円弧形状にすることで、ヒータからの熱で陰極が膨張することによるリテーナの変形が抑制されるため、リテーナによる陰極の固定力のゆるみが低減され、陰極の位置ずれが防止される。
【００５６】
また、ヒータキャップ支持体部をウェネルト電極部側の短辺を残してリボン状に切断して形成することで、ウェネルト支持体の側面に形成されるリボン状の開口から漏れるヒータキャップの輻射熱が抑制されるため、ヒータの消費電力の増大が防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子銃の一構成例を示す斜視図である。
【図２】図１に示した陰極の取り付け構造を示す要部断面図である。
【図３】図１に示したウェネルト電極部の形状例を示す側面図である。
【図４】図１に示したウェネルト電極部と、電子ビーム及びアノード電極の関係を示す模式図である。
【図５】図１に示したヒータキャップ支持体部の他の構成例を示す側面図である。
【図６】進行波管の一構成例を示す側断面図である。
【図７】従来のピアス型電子銃の構造を示す側断面図である。
【符号の説明】
１ 陰極
２ ヒータキャップ
３ リテーナ
４ ウェネルト支持体
５ ウェネルト電極部
６、６ａ ヒータキャップ支持体
７ ヒータ
８ 電子ビーム
９ アノード電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、進行波管やクライストロン等で用いられる電子銃に関し、特に電子ビームを集束するためのウェネルト電極（focus electrodeとも呼ばれる）を備えたピアス型の電子銃に関する。
【０００２】
【従来の技術】
進行波管やクライストロンは、電子銃から放出される電子ビームと高周波回路との相互作用によりマイクロ波の増幅や発振を行う電子管であり、例えば、図６に示すように、電子ビームを放出する電子銃２１と、電子銃２１から放出された電子ビームと高周波信号（マイクロ波）とを相互作用させる高周波回路２２と、高周波回路２２から出力された電子ビームを補足するコレクタ２３と、電子銃から放出された電子ビームを高周波回路２２内に導くアノード電極２４とを有する構成である。
【０００３】
電子銃２１から放出された電子ビームは、アノード電極２４により高周波回路２２内に導入され、高周波回路２２に入力された高周波信号と相互作用しながら内部を進行する。高周波回路２２から出力された電子ビームはコレクタ２３に入力され、コレクタ２３が備えるコレクタ電極で捕捉される。このとき、高周波回路２２からは電子ビームとの相互作用により増幅された高周波信号が出力される。
【０００４】
このような進行波管やクライストロンで用いられる電子銃には多くの種類が知られているが、その一つとして電子ビームを集束するためのウェネルト電極を備えたピアス型電子銃がある。
【０００５】
図７は従来のピアス型電子銃の構造を示す側断面図である。
【０００６】
図７に示すように、従来のピアス型電子銃は、電子を放出する陰極１１と、陰極１１から放出された電子を集束するためのウェネルト電極１５とを有する構成である。
【０００７】
陰極１１は、バリウム（Ba）、カルシウム（Ca）、アルミニウム（Al）等の酸化物（エミッタ材）が含侵された円板状のポーラスタングステン（porous tungsten）基体で構成され、モリブデン(Mo)等から成る円筒状のヒータキャップ１２に対して、その開口の一端を封止するように溶接またはろう付けによって取り付けられている。なお、陰極１１は、溶接やろう付け温度に耐え、かつヒータキャップ１２の円筒内側壁に対して直角に取り付けることが容易な厚さで形成される。ヒータキャップ１２内には、陰極１１から電子を放出させるための熱エネルギーを与える不図示のヒータが配置される。
【０００８】
ウェネルト電極１５は、モリブデン等の金属を切削することで中心に開口を有するドーナツ状に形成され、円筒状に形成されたウェネルト支持体１４の一方の開口端に溶接またはろう付けによって取り付けられる。
【０００９】
陰極１１が取り付けられたヒータキャップ１２は、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、モリブデン・レニウム合金（Ｍｏ−Ｒｅ）、あるいは鉄・ニッケル・コバルト合金（コバール：Ｋｖ）等から成る金属支持体１６により、例えばトライポッド構造（３本吊構造）でウェネルト支持体１４内に支持され、陰極１１の電子放出面とウェネルト電極１５の表面とが略同一平面を形成する位置で固定される。なお、ウェネルト電極１５は、図７に示すようにアノード電極１９側の表面が電子ビーム１８の最外殻とおよそ６７．５度（ピアス角と称す）の角度を有する形状に加工される。
【００１０】
陰極１１が取り付けられたヒータキャップ１２を内蔵するウェネルト支持体１４は、不図示の電子銃筐体内に支持固定され、真空封止される。
【００１１】
上述したピアス型電子銃では、陰極１１と同電位が印加されるウェネルト電極１５の集束作用により陰極１１から放出された電子がビーム状に整形され、アノード電極１９により高周波回路（図６参照）内に導入される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のピアス型電子銃では、陰極から放出された電子を所望のビーム径に集束するために、陰極とウェネルト電極との電極間隔、及び陰極とアノード電極との電極間隔、すなわちパービアンスを設計値に一致させる必要がある。特に間隔の狭い陰極とウェネルト電極間の寸法精度を満たすことが重要である。
【００１３】
陰極とウェネルト電極間のパービアンスが大きいと、陰極から放出された電子がアノード電極へ衝突する問題や、電子ビームの径が高周波回路内で変動して高周波信号との相互作用にムラが生じる問題が発生するため、進行波管の消費電力の増大や増幅性能の低下等を引き起こす。
【００１４】
図７に示した従来のピアス型電子銃の構造では、ウェネルト電極、ウェネルト支持体、及び金属支持体を切削により一体的に形成することが非常に困難であり、ウェネルト電極、ヒータキャップ、金属支持体、及びウェネルト支持体を別々に形成し、それらを溶接やろう付け等で接合していた。したがって、部品点数が多く、組み立てに要する時間が長くなるという問題があった。さらに、部品点数が多いと、各部品の寸法誤差、及び接合時の取り付け誤差や歪み等が増えるため、陰極とウェネルト電極のパービアンスを所定値以内に収めることが困難であった。
【００１５】
本発明は上記したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、ヒータの消費電力の増大やパービアンスの増大を抑制しつつ、部品点数を減らして組み立てを容易にしたピアス型の電子銃を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の電子銃は、電子ビームを集束するためのウェネルト電極を備えた電子銃であって、
電子を放出する陰極と、
電子を放出させるための熱エネルギーを前記陰極に与えるヒータが内蔵されたヒータキャップと、
前記陰極の周縁を前記ヒータキャップに係止することで該陰極を前記ヒータキャップ上に設置固定するリテーナと、
前記電子ビームの最外殻に対する表面の平均角度がピアス角に一致する形状に成形されたウェネルト電極部、及び前記陰極の電子放出面と前記ウェネルト電極部に設けられた開口とが所定のパービアンスを満たす位置になるように前記ヒータキャップを支持固定するための３つ以上のヒータキャップ支持体部が一体に形成された円筒状のウェネルト支持体と、
を有する構成である。
【００１７】
このとき、前記ヒータキャップ支持体部は、
前記ウェネルト支持体の円筒側面に一方の短辺を残してリボン状に切断することで形成されていてもよく、
前記一方の短辺は、
前記ウェネルト支持体の円周方向と平行な辺のうち、前記ウェネルト電極側に位置する辺であることが好ましい。
【００１８】
また、前記リテーナは、
前記陰極の周縁を前記ヒータキャップに押圧するように、前記陰極と当接する端部が折り返し形状に成形されていてもよく、
前記陰極の周縁を前記ヒータキャップに押圧するように、前記陰極と当接する端部が円弧形状に成形されていてもよい。
【００１９】
さらに、前記ウェネルト電極部は、
前記ウェネルト支持体の円筒側面から前記開口に向かって順に、第１の円弧部位、直線部位、及び第２の円弧部位の断面形状に成形されていてもよく、
前記ウェネルト支持体の側面から前記開口に向かって順に、第１の円弧部位、
第２の円弧部位、第１の直線部位、及び第２の直線部位の断面形状に成形されていてもよく、
前記ウェネルト支持体の側面から前記開口に向かって順に、第１の円弧部位、
第１の直線部位、第２の円弧部位、第２の直線部位、及び第３の直線部位の断面形状に成形されていてもよい。
【００２０】
または、前記ウェネルト電極部は、
前記ウェネルト支持体の側面から前記開口に向かって断面が直線状に成形されていてもよく、
前記ウェネルト支持体の側面から前記開口に向かって断面が円弧状に成形されていてもよい。
【００２１】
上記のように構成された電子銃では、ウェネルト支持体にウェネルト電極及びヒータキャップ支持体を一体に形成することで、部品点数が低減するため、各部品の寸法誤差及び接合時の取り付け誤差や歪み等が低減する。さらに、ウェネルト電極及びヒータキャップ支持体を含むウェネルト支持体をプレス加工で形成できる。
【００２２】
また、陰極と当接するリテーナの端部を折り返し形状または円弧形状にすることで、ヒータからの熱で陰極が膨張することによるリテーナの変形、及び陰極とヒータキャップの位置ずれが防止される。
【００２３】
また、ヒータキャップ支持体部をウェネルト電極部側の短辺を残してリボン状に切断して形成することで、ウェネルト支持体の側面に形成されるリボン状の開口から漏れるヒータキャップの輻射熱が抑制される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に本発明について図面を参照して説明する。
【００２５】
図１は本発明の電子銃の一構成例を示す斜視図であり、図２は図１に示した陰極の取り付け構造を示す要部断面図である。図３は図１に示したウェネルト電極部の形状例を示す側面図であり、図４は図１に示したウェネルト電極部と、電子ビーム及びアノード電極の関係を示す模式図である。また、図５は図１に示したヒータキャップ支持体部の他の構成例を示す側面図である。なお、図１、図３（ａ）〜（ｅ）、及び図５では、ヒータキャップがウェネルト支持体内で支持されることを示すために、ウェネルト支持体及びウェネルト電極部の一部を切り欠いた様子を示している。実際のウェネルト支持体及びウェネルト電極部は、ヒータキャップ支持体を除いて図１、図３（ａ）〜（ｅ）、図５に示すような切り欠きを有するものではない。
【００２６】
図１に示すように、本発明の電子銃は、電子を放出する陰極１と、電子を放出させるための熱エネルギーを陰極に与えるヒータ７（図２参照）を内蔵したヒータキャップ２と、陰極周縁をヒータキャップ２に係止することでヒータキャップ２上に陰極１を設置固定するリテーナ３と、ヒータキャップ２を支持するウェネルト支持体４とを有する構成である。
【００２７】
ウェネルト支持体４は、真空下で熱処理されたタンタル、モリブデン、あるいはモリブデン−レニウムの合金（Ｍｏ−Ｒｅ）等から成る薄い金属板を図１に示すように円筒状に加工したものであり、その一方の開口端を塞ぐように円筒内部へ向かって側面を屈曲させることでウェネルト電極部５が形成された構成である。ウェネルト電極部５の中心には、陰極１の電子放出面を露出するために円状の開口が設けられている。また、ウェネルト支持体４の側面には、一方の短辺を残してリボン状に切断された３つ以上のヒータキャップ支持体部６が形成される。
【００２８】
ヒータキャップ２は、一端が封止された円筒形状であり、封止面がヒータキャップ２の円筒側壁に対して直角であり、かつ平坦に形成されている。
【００２９】
陰極１が取り付けられたヒータキャップ２は、ヒータキャップ支持体部６の他方の短辺を含む端部をそれぞれ溶接またはろう付けで接合することによりウェネルト支持体４内に吊構造で支持され、陰極１の電子放出面とウェネルト電極部５に設けられた開口とが所定のパービアンスを満たす位置で固定される。
【００３０】
図２に示すように、陰極１は、従来と同様に、バリウム、カルシウム、あるいはアルミニウム等の酸化物から成るエミッタ材が含侵された円板状のポーラスタングステン基体から構成され、電子放出面が平坦または凹状の球面の一部で形成され、電子放出面と反対側の面が平坦に形成された形状である。また、陰極１の周縁には階段状の切り欠きが設けられ、該切り欠き部がヒータキャップ２の封止面上にリテーナ３を用いて押圧される。なお、陰極１の周縁に設けられた切り欠き部は、後述する折り返し形状あるいは円弧形状のリテーナ３の端部が陰極１の電子放出面よりも突出しない深さで形成される。
【００３１】
リテーナ３は、モリブデン等を用いて円筒状に形成され、陰極１と当接する一方の端部が、図２（ａ）に示すような折り返し形状、あるいは図２（ｂ）に示すような円弧形状に加工されている。また、陰極１と当接しない他方の端部は、陰極１の設置後に溶接またはろう付けでヒータキャップ２に接合される。陰極１は、図２（ａ）に示した折り返し形状の端部、あるいは図２（ｂ）に示した円弧形状の端部でヒータキャップ２の封止面上に押圧されて固定される。
【００３２】
このように、リテーナ３を用いてヒータキャップ２の封止面上に陰極１を固定することで、従来のように陰極１にろう付けや溶接のために高温が印加されることがなく、ヒータキャップ２内に陰極１を円筒側壁に対して直角に取り付ける必要がないため、陰極１を従来よりも薄く形成することが可能になる。したがって、陰極１の重量が低減するため、電子銃に加わる振動や衝撃に対する耐性が向上する。
【００３３】
また、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、陰極１と当接するリテーナ３の端部を折りかえし形状あるいは円弧形状にすることで、ヒータ７からの熱で陰極１が膨張することによるリテーナ３の変形が抑制されるため、リテーナ３による陰極の固定力のゆるみが低減され、陰極１の位置ずれが防止される。
【００３４】
ヒータキャップ２内には、従来と同様に陰極１から電子を放出させるための熱エネルギーを与えるヒータ７が配置される。
【００３５】
ウェネルト電極部５は、例えば、図３（ａ）〜（ｅ）で示すような断面形状に成形される。図３（ａ）は、ウェネルト電極部５を、ウェネルト支持体４の円筒側面から開口に向かって順に、第１の円弧部位５ａ、直線部位５ｂ、及び第２の円弧部位５ｃの断面形状に成形する例であり、図３（ｂ）は、第１の円弧部位５ｄ、第２の円弧部位５ｅ、第１の直線部位５ｆ、及び第２の直線部位５ｇの断面形状に成形する例であり、図３（ｃ）は、第１の円弧部位５ｈ、第１の直線部位５ｉ、第２の円弧部位５ｊ、第２の直線部位５ｋ、及び第３の直線部位５ｌの断面形状に成形する例である。また、図３（ｄ）は、ウェネルト電極部５を、ウェネルト支持体４の円筒側面から開口に向かって、断面が直線部位５ｍに成形された例であり、図３（ｅ）は断面が円弧部位５ｎに成形された例である。
【００３６】
図３（ａ）〜（ｅ）に示した形状は、全てプレス加工により形成することができるため、本発明では、図６に示した従来の電子銃のように、別々に形成したウェネルト電極部とウェネルト支持体を溶接やろう付け等で接合する必要が無く、加工時間や組み立てに要する時間が短縮され、電子銃のコストが低減される。
【００３７】
さらに、図３（ａ）〜（ｃ）に示した円弧部位と直線部位とを組み合わせた形状では、ウェネルト支持体４の側面近傍に配置した円弧部位及び直線部位により図３（ｄ）で示した直線部位だけの形状、あるいは図３（ｅ）で示した円弧部位だけの形状に比べて陰極１から遠い位置（アノード電極９側）における電子の集束度を上げることができるため、ウェネルト電極を小型に形成することができる。
【００３８】
また、本発明では、図３（ａ）〜（ｅ）で示したウェネルト電極部５のアノード側表面の平均角度を、電子ビームの最外殻に対して、いずれも略ピアス角（６７．５度）となるように成形する。ここで、平均角度とは、電子の集束に寄与する部位の角度の平均値とする。例えば、図３（ａ）に示した形状では、第１の円弧部位５ａ、直線部位５ｂ、及び第２の円弧部位５ｃの表面の角度の平均値であり、平均角度はウェネルト支持体４の円筒側面から開口に向かう第１の円弧部位５ａの始点と第２の円弧部位５ｃの終点とを結ぶ直線の角度にほぼ一致する。
【００３９】
また、図３（ａ）に示した形状では、第２の円弧部位５ｅ、第１の直線部位５ｆ、及び第２の直線部位５ｇの表面の角度の平均値であり、平均角度はウェネルト支持体４の円筒側面から開口に向かう第２の円弧部位５ｅの始点と第２の直線部位５ｇの終点とを結ぶ直線の角度にほぼ一致する。
【００４０】
同様に、図３（ｃ）に示した形状では第２の円弧部位５ｊ、第２の直線部位５ｋ、及び第３の直線部位５ｌの表面の角度の平均値であり、平均角度はウェネルト支持体４の円筒側面から開口に向かう第２の直線部位５ｋの始点と第３の直線部位５ｌの終点とを結ぶ直線の角度にほぼ一致する。
【００４１】
また、図３（ｅ）に示した形状では、平均角度は円弧部位５ｍの始点と終点とを結ぶ直線の角度にほぼ一致する。
【００４２】
図４に、本発明のウェネルト電極部５と、電子ビーム８及びアノード電極９の関係の一例を示す。なお、図４はウェネルト電極部５として図３（ａ）に示した形状を採用した場合の様子を示している。
【００４３】
ウェネルト電極部５と電子ビーム８の最外殻とのピアス角を維持する場合、電子の放出方向の軸（電子の放出軸）に対するウェネルト電極５の表面の平均角度はアノード電極９との関係によって変わってくる。すなわち、アノード電極９との距離及びアノード電極９の内径（電子ビームの集束径）に応じて電子の放出軸に対するウェネルト電極５の表面の平均角度が異なってくる。図３（ａ）〜（ｅ）に示した例では、アノード電極９との距離やアノード電極９の内径が等しいことを前提とした図ではないため、電子の放出軸に対するウェネルト電極５の表面の平均角度がそれぞれ異なっている。
【００４４】
本発明では、ウェネルト電極部５を、図３（ａ）〜（ｅ）で示した円弧部位と直線部位とを組み合わせた形状、直線部位だけの形状、あるいは円弧部位だけの形状にすることで、プレス加工を用いて容易に形成できるようにすると共に電子の集束作用を実現する。
【００４５】
本発明のように電子ビーム８の最外殻に対するウェネルト電極部５の表面の平均角度がほぼピアス角に一致していれば、陰極１から放出された電子が問題無く集束されることを発明者はシミュレーションにより確認している。
【００４６】
なお、本発明のウェネルト電極部５の形状は、図３（ａ）〜（ｅ）で示した形状に限定されるものではなく、上述したようにウェネルト電極部５の表面の平均角度が電子ビーム８に対してほぼピアス角に一致していればどのような形状であってもよい。
【００４７】
また、図１及び図３（ａ）〜（ｅ）では、ウェネルト支持体４の円周方向と平行な辺のうち、ウェネルト電極部５側の短辺を残してリボン状に切断されたヒータキャップ支持体部６でヒータキャップ２が支持される構造を示したが、図５に示すようにウェネルト電極部５側と対向する短辺を残してリボン状に切断されたヒータキャップ支持体部６ａで支持される構造であってもよい。
【００４８】
図５に示した構造では、ヒータキャップ支持体部６がヒータキャップ２の側面から離れた位置にあるため、ヒータキャップ２からの輻射熱を受け難く、図１及び図３（ａ）〜（ｅ）で示した構造と比べてヒータキャップ支持体部６の温度上昇が抑制される。したがって、熱によるヒータキャップ支持体部６の曲げ強度の低下が抑制されるため、ヒータキャップ支持体部６を細くしても必要な支持強度を確保できる。
【００４９】
しかしながら、図５に示す構造では、ウェネルト支持体４の側面に形成されたリボン状の開口から漏れるヒータキャップ２の輻射熱が図１及び図３（ａ）〜（ｅ）に示した構造と比べて増えるため、ヒータキャップ２からの放熱量が増え、ヒータ７の消費電力が増大する問題がある。したがって、図１及び図３（ａ）〜（ｅ）で示したように、ウェネルト電極部５側の短辺を残してリボン状に切断したヒータキャップ支持体部６でヒータキャップ２を支持する構造が好ましい。
【００５０】
以上説明したように、本発明の電子銃の構成によれば、ウェネルト支持体４にウェネルト電極部５及びヒータキャップ支持体部６を一体に形成することで、従来の構成に比べて部品点数が低減するため、陰極１とウェネルト電極部５のパービアンスを所定値以内に収めることが容易になる。さらに、ウェネルト電極部５及びヒータキャップ支持体部６を含むウェネルト支持体４をプレス加工で容易に形成できるため、各部品の加工時間や組み立てに要する時間が短縮され、電子銃のコストが低減される。
【００５１】
ところで、図１に示した本発明の電子銃は、ウェネルト電極部５及びヒータキャップ支持体部６がウェネルト支持体４と一体に形成され、ヒータ７によって加熱された陰極１の熱が近接したウェネルト電極部５へ輻射によって伝導するため、陰極１の熱が比較的逃げ易い構造である。しかしながら、本発明では、ウェネルト支持体４（ウェネルト電極部５）を薄い金属板（例えば、０．０３ｍｍ程度）で形成するため、ウェネルト電極部５の熱伝導率が低く、図７に示した従来の構造よりも陰極１からの熱の逃げが抑制されてヒータ７の消費電力が低減する。
【００５２】
一般に、動作中に高温に加熱された陰極からはエミッタ材が蒸発してウェネルト電極に付着する。したがって、陰極の熱がウェネルト電極へ伝わり易い構造では、陰極と同様に高温になったウェネルト電極からも電子が放出され、陰極から放出された電子と互いに反発し合うために電子ビームを所定の軌道に一致させることが困難になる。本発明では、ウェネルト電極部５が薄い金属板で形成されているため、動作中に陰極１が約１０００〜１０５０℃の温度に到達してもウェネルト電極部５の温度を５００℃以下に抑えることが可能であり、ウェネルト電極部５からの電子の放出が抑制される。
【００５３】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成されているので、以下に記載する効果を奏する。
【００５４】
ウェネルト支持体にウェネルト電極及びヒータキャップ支持体を一体に形成することで、部品点数が低減するため、各部品の寸法誤差及び接合時の取り付け誤差や歪み等が低減し、陰極とウェネルト電極のパービアンスを所定値以内に収めることが容易になる。さらに、ウェネルト電極及びヒータキャップ支持体を含むウェネルト支持体をプレス加工で形成できるため、各部品の加工時間や組み立てに要する時間が短縮され、電子銃のコストが低減される。
【００５５】
また、陰極と当接するリテーナの端部を折り返し形状または円弧形状にすることで、ヒータからの熱で陰極が膨張することによるリテーナの変形が抑制されるため、リテーナによる陰極の固定力のゆるみが低減され、陰極の位置ずれが防止される。
【００５６】
また、ヒータキャップ支持体部をウェネルト電極部側の短辺を残してリボン状に切断して形成することで、ウェネルト支持体の側面に形成されるリボン状の開口から漏れるヒータキャップの輻射熱が抑制されるため、ヒータの消費電力の増大が防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子銃の一構成例を示す斜視図である。
【図２】図１に示した陰極の取り付け構造を示す要部断面図である。
【図３】図１に示したウェネルト電極部の形状例を示す側面図である。
【図４】図１に示したウェネルト電極部と、電子ビーム及びアノード電極の関係を示す模式図である。
【図５】図１に示したヒータキャップ支持体部の他の構成例を示す側面図である。
【図６】進行波管の一構成例を示す側断面図である。
【図７】従来のピアス型電子銃の構造を示す側断面図である。
【符号の説明】
１ 陰極
２ ヒータキャップ
３ リテーナ
４ ウェネルト支持体
５ ウェネルト電極部
６、６ａ ヒータキャップ支持体
７ ヒータ
８ 電子ビーム
９ アノード電極
Claims (10)
- 電子ビームを集束するためのウェネルト電極を備えた電子銃であって、
電子を放出する陰極と、
電子を放出させるための熱エネルギーを前記陰極に与えるヒータが内蔵されたヒータキャップと、
前記陰極の周縁を前記ヒータキャップに係止することで該陰極を前記ヒータキャップ上に設置固定するリテーナと、
前記電子ビームの最外殻に対する表面の平均角度がピアス角に一致する形状に成形されたウェネルト電極部、及び前記陰極の電子放出面と前記ウェネルト電極部に設けられた開口とが所定のパービアンスを満たす位置になるように前記ヒータキャップを支持固定するための３つ以上のヒータキャップ支持体部が一体に形成された円筒状のウェネルト支持体と、
を有する電子銃。 - 前記ヒータキャップ支持体部は、
前記ウェネルト支持体の円筒側面に一方の短辺を残してリボン状に切断することで形成された請求項１記載の電子銃。 - 前記一方の短辺は、
前記ウェネルト支持体の円周方向と平行な辺のうち、前記ウェネルト電極側に位置する辺である請求項２項記載の電子銃。 - 前記リテーナは、
前記陰極の周縁を前記ヒータキャップに押圧するように、前記陰極と当接する端部が折り返し形状に成形された請求項１乃至３のいずれか1項記載の電子銃。 - 前記リテーナは、
前記陰極の周縁を前記ヒータキャップに押圧するように、前記陰極と当接する端部が円弧形状に成形された請求項１乃至３のいずれか1項記載の電子銃。 - 前記ウェネルト電極部は、
前記ウェネルト支持体の円筒側面から前記開口に向かって順に、第１の円弧部位、直線部位、及び第２の円弧部位の断面形状に成形された請求項１乃至５のいずれか１項記載の電子銃。 - 前記ウェネルト電極部は、
前記ウェネルト支持体の側面から前記開口に向かって順に、第１の円弧部位、
第２の円弧部位、第１の直線部位、及び第２の直線部位の断面形状に成形された請求項１乃至５のいずれか１項記載の電子銃。 - 前記ウェネルト電極部は、
前記ウェネルト支持体の側面から前記開口に向かって順に、第１の円弧部位、
第１の直線部位、第２の円弧部位、第２の直線部位、及び第３の直線部位の断面形状に成形された請求項１乃至５のいずれか１項記載の電子銃。 - 前記ウェネルト電極部は、
前記ウェネルト支持体の側面から前記開口に向かって断面が直線状に成形された請求項１乃至５のいずれか１項記載の電子銃。 - 前記ウェネルト電極部は、
前記ウェネルト支持体の側面から前記開口に向かって断面が円弧状に成形された請求項１乃至５のいずれか１項記載の電子銃。
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