JP4134000B2 - 電子銃 - Google Patents

Description

本発明は、進行波管やクライストロン等のマイクロ波管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を備えたピアス型の電子銃に関する。

進行波管やクライストロンは、電子銃から放射される電子ビームと高周波回路との相互作用により高周波信号の増幅を行うための電子管である。これらの電子管は、例えば、図４に示すように、電子ビーム５０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５０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５０を捕捉するコレクタ２３と、電子銃２１から放射された電子ビーム５０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。

電子銃２１から放射された電子ビーム５０は、アノード電極２４により加速されて高周波回路２２内に導入され、高周波回路２２の入力端から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内から出力された電子ビーム５０はコレクタ２３で捕捉される。このとき、高周波回路２２の出力端からは電子ビーム５０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。

このような進行波管やクライストロン等のマイクロ波管で用いられる電子銃２１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。

図５は従来のピアス型電子銃の構造を示す側断面図である。

図５に示すように、従来のピアス型電子銃は、熱電子を放射するカソードペレット１１と、カソードペレット１１に熱電子を放射させるための熱エネルギーを与えるヒータ１２と、ヒータ１２が内包されるヒータキャップ１３と、熱電子を集束して電子ビーム５０を形成するためのウェネルト電極１４とを備えた構成である。

ヒータキャップ１３は、モリブデン(Mo)等から成る一端が封止された円筒状に形成され、該封止面上にカソードペレット１１が取り付けられる構造である。

カソードペレット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）が含侵されたポーラスタングステン（porous tungsten）基体で構成される。また、カソードペレット１１は、その周縁部に電子の放出軸に沿った断面から見て階段状の切り欠き部が設けられた、電子の放出軸方向の凸状となる略円板状に形成され、電子放出面が平坦または凹状の球面の一部に加工され、電子放出面と反対側の面が平坦に加工された形状である。カソードペレット１１はリテーナ１５により上記切り欠き部が封止面に押圧されることで、ヒータキャップ１３上に固定される。このような形状のカソードペレットは、例えば特許文献１で開示されている。

リテーナ３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）等の高融点金属を用いて円筒状に形成され、カソードペレットと当接しない他方の端部がカソードペレット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。

ウェネルト電極１４は、モリブデン等の金属を切削することで、中心に開口を備えたドーナツ状に形成され、円筒状に形成された電子銃筺体１６の一方の開口端に溶接やろう付け等によって固定される。

カソードペレット１１が取り付けられたヒータキャップ１３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１７によって電子銃筺体１６内に支持され、カソードペレット１１の電子放出面とウェネルト電極１４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１４は、そのアノード電極２４側の表面が電子ビーム５０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（図５参照）。
特開２００３−３４６６７１号公報

図５に示した従来のピアス型電子銃では、カソードペレット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、カソードペレットとウェネルト電極の間隔、すなわちパービアンスを設計値に高い精度で一致させる必要がある。また、カソードペレットの電子放出面とウェネルト電極の表面の電子の放出軸方向のずれを低減することが重要である。

カソードペレットとウェネルト電極間のパービアンス、あるいは電子の放出軸方向のずれが大きいと、カソードペレットから放出された電子がアノード電極へ衝突する問題あるいは電子ビームの径が高周波回路内で変動するためにその一部が高周波回路に衝突する問題等が発生し、マイクロ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。

一方、電子銃では、消費電力を低減するためにヒータによる熱エネルギーをカソードペレットに効率よく伝達し、かつカソードペレットに与えられた熱が電子銃筺体やウェネルト電極等を介して放散されないことが望ましい。

図５に示した従来のピアス型電子銃では、ヒータからカソードペレットに与えられた熱エネルギーが電子銃筺体やウェネルト電極にて放散されないように、カソードペレットから離れた位置に固定された金属支持体を用いてヒータキャップを電子銃筺体内で支持している。したがって、カソードペレットとウェネルト電極のパービアンスや電子の放出軸方向のずれを所定値以内に収めるためには、高精度な冶工具等を用いてヒータキャップを溶接固定する必要があり、かつ製造上のバラツキが大きくなるという問題があった。

また、カソードペレットの電子の放出軸方向の断面形状が凸状であると、カソードペレット周縁のリテーナで覆われていない部位からも外側へ向かって電子が放射されるため（以下、サイドエミッションと称す）、上述したカソードペレット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するためにその一部が高周波回路に衝突する問題が生じ、良好な電子放射特性を得ることができないという問題が発生する。そのため、上述した高精度な冶工具等を用いてカソードペレットとウェネルト電極間の隙間をできるだけ少なくし、かつカソード表面よりも前（アノード電極側）にウェネルト電極を配置することで外側へ放射された電子を集束していた。

さらに、近年のマイクロ波通信では、大容量化や電波の有効利用の観点から、より高い周波数の電波を使用することが望まれている。この高周波化に伴ってマイクロ波管のサイズが小さくなるため、電子銃も小型化される傾向にある。

しかしながら、図５に示した従来のピアス型電子銃では、カソードペレットの電子の放出軸方向の断面形状が凸状であるため、リテーナによる固定力に耐えるためにカソードペレットをある程度厚くする必要がある。そのため、カソードペレットの重量が増え、さらにカソードペレットを固定するためにリテーナを厚くして強度を上げたりカソードペレットをヒータキャップ上にろう付けして固定する必要があった。したがって、このような構造は電子銃の小型化を阻害する問題があった。

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、製造上のバラツキによる個体差が少なく、かつ良好な電子放射特性を得ることができる電子銃を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の電子銃は、電子を放出する円板状のカソードペレットと、
電子を放出させるための熱エネルギーを前記カソードペレットに与えるヒータが内蔵されたヒータキャップと、
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形成された、前記電子ビームを集束するためのウェネルト電極と、
サイドエミッションが発生しないように前記カソードペレットの電子放出面の周縁を覆うようにして前記カソードペレットを前記ヒータキャップに係止し、該カソードペレットを前記ヒータキャップ上に設置固定するリテーナと、
を有する構成とする。

上記のような電子銃では、リテーナによりカソードペレットの電子放出面の周縁を覆うことで、リテーナの電子放出面の周縁を覆う部位がウェネルト電極として働く。そのため、パービアンス及びカソードペレットの電子放出面とウェネルト電極として働くリテーナ表面の電子の放出軸方向のずれが一定となり、ウェネルト電極とカソードペレット表面の位置関係の固体差が少なくなる。

したがって、リテーナの周囲に配置されるウェネルト電極とリテーナとの隙間に製造上のバラツキがあってもカソードペレット表面の電界に与える影響が低減される。さらに、カソードペレットの周縁がリテーナで覆われているためサイドエミッションが発生しない。

本発明によれば、個体差が少なく、かつ良好な電子放射特性を備えた電子銃を得ることができる。

次に本発明について図面を参照して説明する。

図１は本発明の電子銃の一構成例を示す断面図である。

図１に示すように、本発明の電子銃は、カソードペレット３１を円板状に形成し、リテーナ３５によりその周縁をヒータキャップ３３の封止面に係止・押圧することで、カソードペレット３１をヒータキャップ３３上に固定した構成である。

カソードペレット３１は、従来と同様に電子放出面とウェネルト電極３４の表面とが略同一平面を形成する位置で固定される。このとき、リテーナ３５はカソードペレット３１の電子放出面に対してその厚さの分だけ突出した構造となる。その他の構成は従来の電子銃と同様であるため、その説明は省略する。

本発明の電子銃では、リテーナ３５のうち、カソードペレット３１の電子放出面の周縁を覆う部位がカソードペレット３１を固定するための固定部品として利用されるだけでなく、電子を集束するためのウェネルト電極３４として働く。

従来の電子銃では、上述したように、カソードペレットの電子の放出軸方向の断面形状が凸状であるため、その周縁（エッジ部位）の電界強度が強くなってしまう。また、カソードペレットの表面に対して電界が平行に形成されないため、電子が外側へ向かって放射される。そのため、カソードペレットとウェネルト電極間の隙間をできるだけ少なくし、かつカソード表面よりも前（アノード電極側）にウェネルト電極を配置することで外側へ放射された電子を集束していた。

本発明の電子銃では、カソードペレット３１の電子放出面の周縁（エッジ部位）がリテーナ３５で覆われているため、リテーナ３５のエッジ部位では電界強度が強くなるが、リテーナ３５からは電子が放出されないため、電子ビームの層流性が劣化するようなことはない。

また、本発明の電子銃では、ウェネルト電極３４として働くリテーナ３５とカソードペレット３１表面の位置関係が一定であるため、パービアンス及びカソードペレット３１の電子放出面とウェネルト電極３４の表面の電子の放出軸方向のずれも一定となる。

カソードペレット３１周縁の電界強度は、リテーナ３５との位置関係によってほぼ決まるため、殆んど変化しない。また、カソードペレット３１の周縁がリテーナ３５で覆われているためサイドエミッションが発生しない。さらに、リテーナ３５とカソードペレット３１表面の位置関係の固体差が少なくなることで、リテーナ３５の周囲に配置されるウェネルト電極３４とリテーナ３５との隙間に製造上のバラツキがあってもカソードペレット３１表面の電界に与える影響が低減される。したがって、個体差が少なく、良好な電子放射特性を備えた電子銃を得ることができる。

さらに、本発明の電子銃では、カソードペレット３１を円板状に形成するため、カソードペレット３１の電子の放出軸方向の厚さを従来よりも薄く形成できる。したがって、カソードペレット３１の熱容量が小さくなり、ヒータ３２からカソードペレット３１への熱伝導性が向上する。そのため、ヒータ電力が少なくて済み、マイクロ波管の消費電力を低減できる。また、熱応答速度も速くなるため、電源投入から電子銃が動作するまでの立ち上がり時間が短縮する。

なお、本発明の電子銃では、リテーナ３５の厚さを０．２ｍｍ程度よりも厚くすると、あるいはリテーナ３５の厚さがカソードペレットの直径の約１０％を越えると、カソードペレット３１表面の電界強度が中央部と周縁部で一様ではなくなるため、カソードペレット３１の周縁部の電子が中央部へ向かって放射され、電子ビームの層流性を維持できなくなるおそれがある。したがって、リテーナ３５の厚さは、０．２ｍｍ以下、またはカソードペレット３１の直径の１０％以下の少なくともいずれか一方を満たすことが望ましい。リテーナ３５の厚さは、カソードペレット３１を固定しうる強度があれば良いので、カソードペレット３１が薄く軽量化されたことで、リテーナ３５の厚さを薄くすることも容易になる。

また、本発明の電子銃では、リテーナ３５のウェネルト電極３４として働く部位とウェネルト電極３４の表面の平均角度が電子ビームに対してピアス角（６７、５°）を実現していれば、リテーナ３５で覆うカソードペレット３１の表面積に特に制限を設けるものではない。しかしながら、リテーナ３５がカソードペレット３１の表面を覆い過ぎると、カソードペレット３１が有効に利用されないことになる。逆にあまり覆わない場合はリテーナ３５によるウェネルト電極３４としての働きが無くなってしまう。したがって、カソードペレット３１表面の周縁を覆うリテーナ３１の内径は、カソードペレット３１の直径の９０％程度が望ましい。

リテーナ３１は、上述したようにタンタル（Ta）、モリブデン（Mo）、モリブデン・レニウム合金（Mo-Re）等から成る薄い高融点の金属板で形成される。一方、カソードペレット３１は、上述したように主な材質としてタングステンが用いられる。したがって、リテーナ３５の熱膨張率とカソードペレット３１の熱膨張率には大きな差がないため、熱膨張率の違いに起因してリテーナ３５によるカソードペレット３１の固定力が緩むことはほとんど無い。しかしながら、わずかな緩みを防止するために、リテーナ３５のカソードペレット３１と当接する一方の端部は、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してもよい。

また、カソードペレット３１の電子放出面は、図１に示したように平坦である必要はなく、図２（ｃ）に示すように球面の一部を成す凹状に加工されていてもよい。その場合、リテーナ３５のカソードペレット３１と当接する端部は、図２（ａ）に示すような折り返し形状、図２（ｂ）に示すような円弧形状、あるいは該凹面に対応する９０°よりも深い角度に屈曲させた形状であってもよい。

上述したように、本発明ではリテーナ３５がウェネルト電極３４として働くが、このことは、リテーナ３５のウェネルト電極３４として働く部位とウェネルト電極３４の表面の平均角度が電子ビームに対してピアス角を有していれば、どのような構造であってもよいことを示している。すなわち、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、リテーナ３５のカソードペレット３１の電子放出面側をロート状あるいはロート状を含む形状とすることで、リテーナ３５にウェネルト電極としての機能を持たせてもよい。その場合、ウェネルト電極３４が不要になる。

本発明の電子銃によれば、リテーナ３５の電子放出面の周縁を覆う部位がウェネルト電極３４として働くため、パービアンス及びカソードペレット３１の電子放出面とウェネルト電極３４として働くリテーナの表面の電子の放出軸方向のずれが一定となり、リテーナ３５で形成されるウェネルト電極３４とカソードペレット３１表面の位置関係の固体差が少なくなる。したがって、リテーナ３５の周囲に配置されるウェネルト電極３４とリテーナ３５との隙間に製造上のバラツキがあってもカソードペレット３１表面の電界に与える影響が低減される。さらに、カソードペレット３１の周縁がリテーナ３５で覆われているためサイドエミッションが発生しない。よって、個体差が少なく、かつ良好な電子放射特性を備えた電子銃を得ることができる。

本発明の電子銃の一構成例を示す側断面図である。 図１に示した電子銃の変形例の構成を示す側断面図である。 本発明の電子銃の他の変形例の構成を示す側断面図である。 進行波管の一構成例を示す側断面図である。 従来の電子銃の構成を示す側断面図である。

符号の説明

１１、３１ カソードペレット
１２、３２ ヒータ
１３、３３ ヒータキャップ
１４、３４ ウェネルト電極
１５、３５ リテーナ
１６ 電子銃筺体
１７ 金属支持体
２１ 電子銃
２２ 高周波回路
２３ コレクタ
２４ アノード電極
５０ 電子ビーム

Claims (5)

1. 電子を放出する円板状のカソードペレットと、
   電子を放出させるための熱エネルギーを前記カソードペレットに与えるヒータが内蔵されたヒータキャップと、
   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形成された、前記電子ビームを集束するためのウェネルト電極と、
   サイドエミッションが発生しないように前記カソードペレットの電子放出面の周縁を覆うようにして前記カソードペレットを前記ヒータキャップに係止し、該カソードペレットを前記ヒータキャップ上に設置固定するリテーナと、
   を有する電子銃。
2. 前記リテーナは、
   前記カソードペレットの周縁を前記ヒータキャップに押圧するように、前記カソードペレットと当接する端部が折り返し形状に成形された請求項１記載の電子銃。
3. 前記リテーナは、
   前記カソードペレットの周縁を前記ヒータキャップに押圧するように、前記カソードペレットと当接する端部が円弧状に成形された請求項１記載の電子銃。
4. 前記リテーナの厚さが、
   ０．２ｍｍ以下、または前記カソードペレットの直径の１０％以下の少なくともいずれか一方を満たす請求項１乃至３のいずれか１項記載の電子銃。
5. 前記カソードペレットの電子放出面の周縁を覆う部位の内径は、
   前記カソードペレットの直径の９０％である請求項１乃至４のいずれか１項記載の電子銃。

Images