JP6959103B2 - マグネトロンカソード - Google Patents

Description

本発明はマグネトロン用カソード、特に大出力が可能な直熱型のマグネトロンカソードの構造に関する。

従来から、マグネトロンは、簡便な構造で効率よく大出力のマイクロ波を発振可能なことから、様々なアプリケーションや装置用のマイクロ波源として利用されている。連続波で数百ｋＷレベルの出力、パルス波ではピークで数ＭＷのマイクロ波出力を得ることができ、半導体素子を利用した発振器では簡単に得られない領域の出力を供給することが可能である。

図４には、傍熱型カソード構造で大出力が得られるマグネトロンの１例が示されており、マグネトロンの中心に配置されたカソード(陰極）１の周囲に、アノード（陽極）として放射状に配置したベーン２及びこのベーン２を接合した陽極シェル３が設けられ、このベーン２及び陽極シェル３により陽極共振空胴５０が形成される。カソード１には、円筒状電子放出面４の内部にヒータ６が配置され、更にカソード１の上下に、ポールピース７ａ，７ｂが配置され、これによりカソード１の軸方向に磁界が加えられる。傍熱型では、ヒータ６への通電、加熱により電子放出面４を昇温させ、さらにカソード１とベーン２の間に印加する高電圧によって電子放出面４から電子を放出させる。放出した電子は、印加した磁界、電界の働きによって旋回運動、周回運動を行い、陽極共振空胴５０の高周波電界と相互作用し、マグネトロンは自励発振動作に至る。
下記特許文献１及び２には、上記の傍熱型の構造を有するマグネトロン用カソードが開示されている。

このような傍熱型カソード構造では、仕事関数の小さい電子放出物質が使用可能なため、低い温度で充分な熱電子放出を得ることができ、ヒータ６の電力を低減することが可能となる。一例として、上記カソード１は、カソードベースメタルをニッケルとし、電子放出物質としてバリウムを主とする酸化物を用い、これを塗布、含浸やスプレーでベースメタルに付着させた構造とされ、この場合は、７５０〜９００℃での電子放出が可能であり、低い温度での取り扱いが可能となる。また、ヒータ電力を低減し、過加熱を防止するための熱伝導設計が容易になる利点がある。

一方で、上記の構造のカソード１は、バックヒート（電子のバックボンバードメントに起因する）による過加熱による蒸発や損耗が大きく、局部的な加熱も発生することから、連続波や高出力には不向きである。酸化物陰極は、電子放出を低温で得られる利点がある一方、熱伝導が比較的悪くバックヒートによる局部加熱の熱を冷却しにくく、過加熱での劣化や蒸発消耗が激しい欠点がある。

図５には、傍熱型ではなく下記特許文献３等で採用される直熱型カソード構造のマグネトロンが示されており、このマグネトロンは、電子レンジやマイクロ波加熱応用装置等に用いられる連続波（ＣＷ）を発生するものである。この例のカソード１では、エンドシールド５ａ，５ｂ間にフィラメント８が取り付けられており、このフィラメント８はタングステンやトリウムタングステン等で形成される。この場合は、フィラメント８の両端にヒータ用電圧を印加して直熱すると共に、フィラメント８とベーン２との間に高電圧を印加することにより、フィラメント８から直接電子が放出される。

上記のような直熱型カソード構造は、電子放出部に高融点であり、かつ熱伝導率が高い金属を使用可能なことから、本来バックヒートの影響は小さくまた、過加熱にも強い利点がある。従って、連続波や大電力のマイクロ波を発生する場合に有利である。

特開昭６３−２２６８５１号公報 特開昭６３−２２６８５２号公報 特開２００３−２９７５４５号公報 米国特許ＵＳ４６３６７４９号公報

しかしながら、従来の直熱型カソード構造では、熱電子放出が充分に得られる温度は高く、１４００〜２１００℃と、構成部品に使用できる金属材料に加工性が悪く、また高融点の金属が必要となる等、扱いづらく、ヒータ電力も大きなものが必要である。
また、このような条件で大出力を得ようとした場合には、特許文献３に記載されているように、動作条件が僅かにずれただけでフィラメント温度の上昇を招き、フィラメント変形、脱炭現象、モーディング現象が発生する。そのため、フィラメントの温度条件を制御するための電流、電圧の検出をする大掛かりな構成や、複雑な制御が必要となる。また、ヒータ電圧を０Ｖに下げても、バックヒートの影響でカソード１が過加熱することがあった。

マグネトロンでは、より高い電力のマイクロ波を発振させようとすると、上記のバックヒートの影響が高まるため、発振時の熱を効率よく伝達させ、熱電子放出物質の温度を下げる必要がある。そのため、従来では、上記特許文献１及び２に示すように、フィラメントを内蔵するカソードが多孔質タングステンに酸化バリウムを含浸させた含浸型カソードとされ、このカソードの内周壁に熱伝導率の良好なモリブデンをロウ付けし、効率の良い熱伝導拡散を行えるような施策がなされている。この場合の利点としては、熱伝導率の改善により、バックヒートの影響の軽減が可能であるが、ヒータで熱電子放出物質を加熱する場合、大きなヒータ電力が必要となる。

一方、上記特許文献４では、大出力のマグネトロンを得ることを目的とし、低いカソード温度で充分な熱電子放出を確保できるように、高効率の熱電子放出物質であるバリウム及びカルシウムの混合物の材料を用いて、多孔質タングステンに含浸させた構造としつつ、ヒータ電力を低減可能なように、直熱型とする構成が示されている。
このような構造では、低温でカソードで充分な熱電子放出が可能な上、バックヒートの熱も効率よく熱伝導により逃がすことができ、直熱であるため、小さな電力でカソードを早く加熱でき、予熱時間が短いという利点が得られる。通常は、大電力になりバックヒート対策として熱伝導の効率をよくすると、相反してヒータの電力が大きくなり、また予熱時間が長くなる欠点を持つが、それを解消することができる。

しかしながら、この例では、加工の困難な多孔質タングステンの断面を四角形にする必要があり、製作のための加工が難しく、コストもかかってしまうという問題がある。また、断面が四角の電子放出部が大きなブロックとなり、カソードが昇温した際に熱膨張により大きな変化が生じやすく、熱膨張による寸法変化を吸収する部位を有せず、マグネトロンの動作上の特性に重大な影響を与えるカソード径や高さが変化し易い構造となっている。更に、カソード温度を加熱するための回路としての断面積が大きく展開長が短いため、多孔質タングステンで純粋なタングステンと比べては抵抗率が高くなるものの、簡単に電流が流れてしまい、電流容量の大きい電源を用意しないと発熱量を確保できない問題がある。従来の設計では、このように断面が四角となる形状にしないと、熱電子放出が確保できずに、大電力のマイクロ波出力を得るための大きな陽極電流を流すことができなかった。

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、低いカソード温度で動作させ、充分な電子放出物質の確保、予熱時間の短縮が可能となり、更には熱膨張による影響等をなくし、長寿命化を図ることができるマグネトロンカソード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カソードは、高融点、高熱伝導率の粒状金属と高耐熱性の粒状絶縁物とが混合された多孔性の螺旋体又は円筒体を有し、この多孔性の螺旋体又は円筒体に電子放出物質が含浸され、この多孔性の螺旋体又は円筒体の両端に電圧を印加する構成としたことを特徴とする。
請求項２の発明は、上記粒状金属をタングステン、上記粒状絶縁物をアルミナ、上記電子放出物質としてバリウムを含む酸化物としたことを特徴とする。

本発明のカソードによれば、螺旋体又は円筒体が多孔性であることに加え、粒状絶縁物が混合されている直熱型カソードの構造となり、仕事関数が低く、低いカソード温度での動作により、効率よい熱電子放出を確保することができる。また、電子放出時の電流密度が充分となるため、高出力のマイクロ波発振が可能となり、発振準備のためのヒータ予熱時間も短縮でき、ひいてはマグネトロンの長寿命化を図ることが可能になる。
更に、高出力の発振をした場合でも、カソード部分の熱膨張等、電子のバックボンバードメントによるバックヒートの影響を軽減し、安定した特性を低電力時から大電力時に至るまで得ることができる。

本発明の実施例のカソードに多孔性螺旋体を用いたマグネトロンの一部の構成を示す斜視図である。 実施例のカソードにおける多孔性の螺旋体又は円筒体の内部構造を示す説明図である。 実施例のカソードで多孔性円筒体を用いた場合の構成を示す斜視図である。 従来の傍熱型カソード構造のマグネトロンの構成を示す断面図である。 従来の直熱型カソード構造のマグネトロンの構成を示す断面図である。

図１に、実施例のマグネトロンの構成が示されており、このマグネトロンでは、図５の場合と同様に、中心にカソード(陰極）１１が配置され、その周囲に、アノード（陽極）として、放射状のベーン２及び、このベーン２を接合した陽極シェル３が設けられることで、陽極共振空胴が形成される。上記カソード１１の上下には、ポールピース（図では７ｂのみ描画）が配置され、これによりカソード軸方向に平行な磁界が与えられる。

上記カソード１１は、断面が円形の線材を螺旋状に巻いた多孔性螺旋体１４と、この多孔性螺旋体１４の上下両端に設けられたエンドハット１５ａ，１５ｂと、加熱用の電極とを有してなり、上記多孔性螺旋体１４は、高融点、高熱伝導率の粒状金属であるタングステンに高耐熱性の粒状絶縁物であるアルミナを加えて線材を形成し、この線材に、電子放出物質であるバリウムを中心とする酸化物を含浸させて螺旋状に巻いたものである。なお、符号の１６ａ，１６ｂは、カソード支持体であると共に、カソード１１へ電圧を印加するための部材である。

図２に、多孔性螺旋体１４の内部構造が示されており、この多孔性螺旋体１４は、粒状タングステン１７、粒状アルミナ１８とが混合配置され、それらの間に電子放出物質１９としてバリウムを含む酸化物が含浸されたものとなる。
上記のような構成のカソード１１は、マグネトロンのアノード軸の中心に配置され、マグネトロン管球の排気後に、両端の電極に電圧を印加することにより電子放出物質１９の加熱による活性化を行い、カソードとしての性能が確保されるが、マグネトロンとして完成した後にも、熱電子放出のための加熱熱源として、同様に両端に電圧を印加して使用する。このようにして製作されたカソード１１は、１２００℃以下で充分な熱電子放出特性が得られることになる。

また、実施例では、タングステンを用いた上記多孔性螺旋体１４において、１１００℃での電気抵抗温度計数を、２×１０^−７ 〜３×１０^−７ Ω/Ｋとなるように気孔率を調整する。実際に、１１００℃への昇温のカソード電源を想定すると、多孔性螺旋体１４の線径をφ０．８ｍｍｍ、展開長を４００ｍｍ、カソード径φ２０ｍｍとしてマグネトロン管球内部での使用を計算すると、カソード電圧（フィラメント電圧）１０Ｖ、カソード電流（フィラメント電流）１５Ａ、カソード入力電力１５０Ｗ程度で可能となり、一般的なマグネトロンの仕様に近い良好な動作条件を得ることができる。

更に、このときの電子放出物質１９の量は充分な量が確保でき、また予熱時間も通常の５分程度から、３分以内に短縮することが可能となる。実施例では、従来の含浸型カソード（傍熱型でヒータの外側の部分）に比べてアノードに対して裏側になる面にも電子放出物質が含浸されることになり、バックヒートの影響においても有利となる。また、従来のように局部加熱が起きても、タングステン材を通しての熱拡散が得られ、過加熱を防止できる。更に、発振時のカソード電流の減少を行えば、適正なカソード温度に制御することが可能となる。

図１の実施例では、多孔性螺旋体１４の断面を円形としており、断面を四角形にする場合に比べて、多孔性螺旋体１４の製作が容易になるという利点がある。

図３に、実施例のカソードの他の例が示されており、この例のカソード２１では、高融点、高熱伝導率の粒状金属であるタングステンに高耐熱性の粒状絶縁物であるアルミナを加えて多孔性円筒体２４を形成し、この多孔性円筒体２４に電子放出物質であるバリウムを中心とする酸化物を含浸させている。この多孔性円筒体２４の内部構造も、図２のように、粒状タングステン１７、粒状アルミナ１８とが混合配置され、それらの間に電子放出物質１９が含浸されたものとなる。

上記実施例の多孔性螺旋体１４又は多孔性円筒体２４では、粒状絶縁物を加えることにより、抵抗を増やして加熱効率を高めることができると共に、温度の過度な上昇を防止できることになる。

上記実施例の構成によれば、低いカソード温度で動作させることができ、充分な電子放出物質の確保と、予熱時間の短縮も可能となり、またバックヒートの影響もなくすことができ、長寿命化が実現可能となる。

本発明は、レーダ、Ｌｉｎａｃ等、マイクロ波を利用するアプリケーションや装置に適用でき、また高周波数、高出力のマグネトロンに適用することができる。

１，１１，２１…カソード(陰極）、 ２…ベーン、
３…アノード（陽極）シェル、 ４…電子放出面、
５ａ，５ｂ，１５ａ，１５ｂ…エンドシールド
６…ヒータ、 ７ａ，７ｂ…ポールピース
１４…多孔性螺旋体、 １７…粒状タングステン、
１８…粒状アルミナ、 １９…電子放出物質、
２４…多孔性円筒体。

Claims (2)

1. 高融点、高熱伝導率の粒状金属と高耐熱性の粒状絶縁物とが混合された多孔性の螺旋体又は円筒体を有し、この多孔性の螺旋体又は円筒体に電子放出物質が含浸され、この多孔性の螺旋体又は円筒体の両端に電圧を印加する構成としたことを特徴とするマグネトロンカソード。
2. 上記粒状金属をタングステン、上記粒状絶縁物をアルミナ、上記電子放出物質としてバリウムを含む酸化物としたことを特徴とする請求項１記載のマグネトロンカソード。
   
   

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