JP5188240B2 - マグネトロンの製造方法 - Google Patents

Description

本発明はマグネトロンの製造方法、特に高出力パルスを実現するためのマグネトロンのエンドシールドの表面処理方法に関する。

図４に、従来のマグネトロンにおけるカソード及びアノードの概略構成、図５にカソードの構成が示されており、マグネトロンでは、複数の共振回路を形成するアノード１の内側に、カソード２が配置される。このカソード２は、例えば図５（Ａ）に示されるように、カソードスリーブ３の上下両方に釣鐘形状のエンドシールド４が溶接又は圧着等で接合されると共に、その側面に、酸化物陰極材を有する電子放出面５が形成される。また、このカソード２は、上下のエンドシールド４の部分で、支持リード６ａ，６ｂで支持され、かつ電気的に接続される。

図５（Ｂ）には、円板形状のエンドシールドを用いたカソードの他の構成例が示されており、このカソード８では、カソードスリーブ９の上下両方に円板形状のエンドシールド１０が溶接又は圧着等で接合されると共に、その側面に、酸化物陰極材を塗布した電子放出面１１が形成される。

このようなマグネトロンにおいて、上記のエンドシールド４，１０は、アノード１とカソード２との間の作用空間の電子が軸方向に漏れないようにする役目を担い、高出力パルスを得るために必要な部材となる。しかし、このエンドシールド４，１０の端部は、管内で最も強い電界がかかる個所の一つであるため、その表面に電子放出面１１の酸化物陰極材が付着するとエンドシールドエミッションと呼ばれる問題が発生する。このエンドシールドエミッションは、マイクロ波発振に寄与しない電流（暗電流）となり、マグネトロンの立ち上がり特性や動作効率に悪影響を与える。そのため、従来から、この暗電流を抑制する対策として、エンドシールド４，１０の材質、形状及び表面処理の改良が行なわれてきた。

このエンドシールド４，１０の材質としては、一般的に、純ニッケルが用いられるが、高出力マグネトロンでは、５９９ニッケル（シリコン添加ニッケル）やニッケルクロム合金が採用され、モリブデン等もしばしば用いられる。また、エンドシールド４，１０の形状としては、図５（Ａ），（Ｂ）に示したように、釣鐘状のものと円板状のものがあるが、釣鐘状のエンドシールド４を用いたものは、暗電流抑制の効果が高い。

そして、エンドシールド４，１０の表面処理としては、酸化膜（高抵抗）や不活性膜の形成が行われる。例えば、表面に、サンドブラスト様にαアルミナ粉末を吹き付けることが行われる。また、特に５９９ニッケルやニッケルクロム合金では、湿潤水素気流中で高温酸化させることにより、表面に酸化シリコンや酸化クロム膜をそれぞれ形成することも行われている。また、モリブデンを用いる場合は、カーボンと接触させながら水素気流中で侵炭させ炭化層を形成することが行なわれている。
特開平９−６９３４０号公報

ところで、従来のマグネトロンの上記エンドシールド４，１０は、カソードスリーブ３，９に溶接又は圧着によって固定され、またこのエンドシールド４，１０には、支持リード６ａ，６ｂが溶接又は圧着されるが、これら溶接や圧着において、カソードスリーブ３，９や支持リード６ａ，６ｂとの接合面に上記形成膜（例えば酸化膜）があると、機械的及び電気的な接合不具合が生じる。また、電気溶接においては、カソードスリーブ３，９や支持リード６ａ，６ｂの支持に必要な部分との接合面だけでなく、溶接電極との接合面においても接合不具合が生じることになる。

そこで、従来では、エンドシールド４，１０の表面において、カソードスリーブ３，９との接合面とその周辺の形成膜、また支持リード６ａ，６ｂとの接合面とその周辺の形成膜等を機械的或いは化学的に除去することが行われている。
図６は、マグネトロン内部を上側から見た図であるが、例えば上側エンドシールド４では、支持リード６ａとの接合のため、その上面４Ｓ全体の形成膜を除去している（外側面部はそのまま）。従って、このような形成膜の除去作業が煩雑になると共に、工数を要するためコスト高になるという問題があった。

また、溶接又は圧着場所の周辺の形成膜は、特に電気溶接を行う場合に顕著となるが、比較的広い範囲を除去する必要があることから、エンドシールド４，１０において形成膜のない面が広く存在し、エンドシールドエミッションに起因する暗電流の抑制が十分に効かなくなるという問題がある。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、煩雑な形成膜の除去作業を不要として低コスト化を図ると共に、暗電流の抑制効果を最大限に引き出すことができるマグネトロンの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明に係るマグネトロンの製造方法は、カソードスリーブの表面に電子放射性物質を含む陰極材の電子放出面を形成する電子放出面形成工程と、この電子放出面形成工程で得られたカソードスリーブに、少なくともクロムを含む金属からなるエンドシールドを接合し、かつこのエンドシールドに電極リードを接続して管球を組み立てる組立て工程と、この組立て工程の後、上記管球内に二酸化炭素ガスを充満させ、加熱することにより、上記エンドシールドの表面に露出する上記クロムを酸化し、酸化クロム膜を形成するエンドシールド酸化膜形成工程と、を含んでなることを特徴とする。
請求項２に係る発明は、上記陰極材として、バリウム酸化物を主成分とするアルカリ土類金属の酸化物を含む酸化物陰極材を含み、上記エンドシールド酸化膜形成工程は、上記酸化物陰極材が熱分解する際に発生する二酸化炭素ガスを管球内に充満させ、上記エンドシールドの表面に上記酸化クロム膜を形成することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、上記エンドシールド酸化膜形成工程では、カソード温度を６００〜９００℃に制御し、かつ管球内に充満させる二酸化炭素ガス分圧を１．３３×１０^−４〜１．３３×１０^−２Ｐａの範囲内に制御することを特徴とする。

本発明の構成によれば、陰極材の電子放出面を形成したカソードスリーブに、エンドシールドを接合し、かつこのエンドシールドに電極リードを接続することにより管球を組み立てた後、真空排気工程中の管球内に二酸化炭素ガスを充満させ、この二酸化炭素ガス分圧とカソード温度を所定値に制御することにより、二酸化炭素ガスを用いた酸化が行われ、これによって、エンドシールドの表面に酸化クロム膜が形成される。

また、請求項２の構成によれば、例えばカソードスリーブの陰極材として、（ＢａＳｒＣａ）ＣＯ_３等の炭酸塩を用い、排気工程中に、二酸化炭素ガス分圧とカソード温度を請求項３の所定値に制御すれば、酸化物陰極材の熱分解により発生させた二酸化炭素ガスによって、エンドシールド表面に酸化クロム膜が形成される。

本発明のマグネトロンの製造方法によれば、管球を組み立てた後の排気工程中に、エンドシールド表面に酸化クロム膜が形成できるので、エンドシールドとカソードスリーブ及びカソード支持リードとの溶接や圧着の前に行う従来の煩雑な酸化膜の除去工程が不必要となり、コストダウンを図ることができるという利点がある。
また、各部材との接合箇所以外のエンドシールド全面に、隙間なく酸化クロム膜が形成できるので、暗電流抑制効果を最大に引き出すことができるという効果がある。

図１には、本発明の実施例に係るマグネトロンの製造方法の各工程が示され、図２には、マグネトロンの組立て時の構成が示されており、この実施例は、酸化物陰極材の熱分解により発生した二酸化炭素ガスを用いて酸化を行うものである。なお、実施例のカソードの構成は、上述の図５のものと同様となる。実施例では、表面に酸化膜を形成していないエンドシールドを用いてマグネトロン管球を組み立てており、この管球組立てについては従来と同じ工程となる。

図１において、まず電子放出面形成工程１０１では、図２等に示されるカソード２のカソードスリーブ３（ニッケル製）の表面に電子放出面が作成される。即ち、例えば５０〜１００μｍ程度のニッケル粒をカソードスリーブ３に焼き付けることで、マトリックス構体が形成され、その後、このマトリックス構体に酸化物陰極材を塗布することで、電子放出面５が形成される。この電子放出面５の酸化物陰極材としては、例えば（ＢａＳｒＣａ）ＣＯ_３、（ＢａＳｒ）ＣＯ_３等の炭酸塩が用いられる。

次のカソード組立て工程１０２では、カソード２の組み立てが行われる。即ち、酸化膜を形成していないニッケルクロム合金製のエンドシールド１４を電極位置にセットし、絶縁碍子やタングステンヒ一夕を組み込みながら、前工程１０１で得られたニッケル製カソードスリーブ３とエンドシールド１４をアーク溶接（ＴＩＧ）で接合する。このとき、このエンドシールド１４の表面には酸化クロム膜が形成されていないので、容易に良好な接合が得られる。このようにして、図２又は図５で示されるカソード２が形成される。

続いて、管球組立て工程１０３にて、管球の組み立てが行われ、図２に示されるアノード１６に対する所定位置にカソード２が支持され、かつ電気的接続が行われる。即ち、図２のように、上側の支持リード（電極リード）６ａをエンドシールド１４にアーク溶接し、下側の支持リード（電極リード）６ｂを下側のエンドシールド１４の中央部に設けられたヒ一夕端子にアーク溶接することにより、カソード２が支持されると共に電気的にも接続される。このときも、上記エンドシールド１４の表面には酸化クロム膜が存在しないので、接合が容易かつ良好に行われる。そして、この後、管球内が封止状態に設定される。

そして、次の管球排気及び酸化クロム膜形成工程１０４では、封止された管球に、真空ポンプを装備した排気台が結合され、組み立てられた管球内が高真空に排気されると同時に、二酸化炭素ガスによる酸化が行われる。実施例では、まず管球内部を真空度１．３３×１０^−５Ｐａ以下に排気しながら、管球全体を１００℃〜４００℃程度にベーキングする。続いて、カソード２を活性化させながら、エンドシールド１４の表面に酸化クロム膜が形成される。

実施例では、カソード２の活性化により、下記の化学式１のように、酸化物陰極材である（ＢａＳｒＣａ）ＣＯ_３の熱分解を進行させるが、このとき発生する二酸化炭素ガスの分圧を制御することで、エンドシールド１４を高温酸化させ、これによって酸化クロム膜を形成する。
（ＢａＳｒＣａ）ＣＯ_３ → （ＢａＳｒＣａ）Ｏ ＋ ＣＯ_２↑… （１）

例えば、タングステンヒータでカソード２の温度を６００℃程度にすると、上記（ＢａＳｒＣａ）ＣＯ_３の熱分解が生じ始める。この後、バルブ操作等で排気速度を制御し、かつカソード温度の調整で酸化物陰極材の熱分解速度を制御することで、二酸化炭素ガス分圧が１．３３×１０^−４〜１．３３×１０^−２Ｐａとなるようにする。そして、この管内雰囲気を１０時間以上継続すると、下記の化学式２の酸化反応によって、ニッケルクロム合金製のエンドシールド１４の全表面に酸化クロム膜（Ｃｒ_２Ｏ_３）が形成される。
２Ｃｒ＋３ＣＯ_２ → Ｃｒ_２Ｏ_３ ＋ ３ＣＯ … （２）

このような酸化において、二酸化炭素ガス分圧が１．３３×１０^−４Ｐａよりも低い場合では、実用時間で必要な酸化クロム膜（１μｍ以上）が得られず、また二酸化炭素ガス分圧が１．３３×１０^−２Ｐａを超えると、熱分解前の炭酸塩（ＢａＳｒＣａ）ＣＯ_３と熱分解後の酸化物（ＢａＳｒＣａ）Ｏとの共晶が関与し、カソード２のマトリックス構体内で酸化物陰極材が実用上のダメージを受け、エミッション特性の劣化が生じてしまう。

一方、カソード温度の制御は、６００℃〜９００℃の範囲で行うのが好ましく、５９９℃以下では、熱分解速度が遅いため、実用時間でカソード活性化が終了できず、９０１℃以上では、熱分解速度が速いため、二酸化炭素ガス分圧の制御ができないばかりでなく、上述の共晶（共晶温度は９０３℃程度）により、マトリックス構体内の酸化物陰極材が溶け、エミッション特性の劣化が生じる。

更に、上述した酸化膜形成の雰囲気の継続時間は、実用上少なくとも１０時間以上が必要である。実施例では、１０時間〜４５時間保持したとき、図３に示されるように、カソード２のエンドシールド１４の表面に、必要十分な酸化クロム膜Ｍが得られた。また、これ以上の時間を継続させても、膜厚は殆ど変化しない結果となった。これは、酸化クロム膜Ｍが厚くなるにつれ、酸化界面と雰囲気が離れ、膜成長が進まないためである。逆に、３時間程度の短い時間では、目視で酸化クロム膜の存在を確認することはできなかった。

このようにして、実施例では、従来のようにエンドシールドの表面の酸化クロム膜を除去することなく、効率よくマグネトロンを組み立てることが可能となる。また、ニッケルクロム合金製エンドシールド１４の全表面に酸化クロム膜Ｍを隙間なく形成することができ、エンドシールドエミッション（暗電流）の抑制を確実にすることができるという利点がある。

上記実施例では、二酸化炭素ガスの供給源として酸化物陰極材の熱分解を利用したが、二酸化炭素ガスボンベを補助的又は主体的に用い、管球内に二酸化炭素ガスを供給するように構成してもよい。即ち、上記実施例にて、酸化物陰極材の熱分解により二酸化炭素ガスを発生させると共に、ガスボンベから二酸化炭素ガスを管球内へ補助的に供給し、これによって、二酸化炭素ガス分圧を所定値に設定してもよい。

また、二酸化炭素ガスを発生しない酸化物陰極材、例えばアルミン酸バリウム等の酸化物陰極材が用いられる場合に、ガスボンベの二酸化炭素ガスを管球内へ供給することにより、エンドシールド１４の表面に酸化クロム膜を形成することができる。このガスボンベからの供給を用いた場合は、管球内の一定の雰囲気を保持し易く、二酸化炭素ガス分圧の制御が行い易くなる。

本発明の実施例に係るマグネトロンの製造方法の各工程を示す図である。 実施例に係るマグネトロンの管球内部の構成を示す一部断面図である。 実施例に係るマグネトロンの管球内上部の構成を示し、酸化クロム膜形成後の図である。 従来のマグネトロンの内部構成を示す斜視図である。 従来及び実施例のカソードの２つの構成例を示す側面図である。 図５（Ａ）のカソードを用いた従来のマグネトロンの管球内上部の構成を示し、酸化クロム膜除去時の図である。

符号の説明

１，１６…アノード、 ２，８…カソード、
３，９…カソードスリーブ、 ４，１０，１４…エンドシールド、
５，１１…電子放出面、 ６ａ，６ｂ…支持リード、
Ｍ…酸化クロム膜。

Claims (3)

1. カソードスリーブの表面に電子放射性物質を含む陰極材の電子放出面を形成する電子放出面形成工程と、
   この電子放出面形成工程で得られたカソードスリーブに、少なくともクロムを含む金属からなるエンドシールドを接合し、かつこのエンドシールドに電極リードを接続して管球を組み立てる組立て工程と、
   この組立て工程の後、上記管球内に二酸化炭素ガスを充満させ、加熱することにより、上記エンドシールドの表面に露出する上記クロムを酸化し、酸化クロム膜を形成するエンドシールド酸化膜形成工程と、を含んでなるマグネトロンの製造方法。
2. 上記陰極材として、バリウム酸化物を主成分とするアルカリ土類金属の酸化物を含む酸化物陰極材を含み、上記エンドシールド酸化膜形成工程は、上記酸化物陰極材が熱分解する際に発生する二酸化炭素ガスを管球内に充満させ、上記エンドシールドの表面に上記酸化クロム膜を形成することを特徴とする請求項１記載のマグネトロンの製造方法。
3. 上記エンドシールド酸化膜形成工程では、カソード温度を６００〜９００℃に制御し、かつ管球内に充満させる二酸化炭素ガス分圧を１．３３×１０^−４〜１．３３×１０^−２Ｐａの範囲内に制御することを特徴とする請求項２記載のマグネトロンの製造方法。

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