JPH0696679A - Ｍ型電子管用陰極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 陰極逆加熱による熱塑性変形に対して極めて
強い連続波用大電力マグネトロン、ＣＦＡ等Ｍ型電子管
用の陰極、の設計を可能にする。 【構成】 タングステン、モリブデン等の電子放射性高
融点金属の円筒状陰極１、およびその内側にタングステ
ン、モリブデン等の電子放射性高融点金属のフィラメン
ト５を設け、陰極端子および一対のフィラメント端子を
それぞれ独立して設けて電子衝撃加熱可能な構造とし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロ波用発振管、
増幅管として知られるマグネトロン、ＣＦＡ〔Ｃｒｏｓ
ｓｅｄ Ｆｉｅｌｄ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ〕などのマグ
ネトロン型電子管〔以下「Ｍ型電子管」と呼ぶ〕の陰極
構造に関し、特にマイクロ波加熱、溶融などに使用され
る連続波大電力Ｍ型電子管の長寿命化に効果のある陰極
構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子管陰極は一般に別に設けたヒ−タで
間接的に加熱する傍熱型陰極と直接、電流を流して加熱
する直熱型陰極とに大別される。Ｍ型電子管においても
その両者が用いられているが通常、前者はレ−ダ等に使
用されるパルス動作用の電子管に、後者はマイクロ波加
熱、溶融などに使用される連続波動作用の電子管に用い
られる。

【０００３】周知のごとくＭ型電子管は交差電磁界、即
ち陽極から陰極へ向かう電界とこの電界に直交する磁界
のもとで動作するため、陰極から陽極に向かう電子は磁
界との相互作用により方向を変えられ陰極の回りを周回
する軌道をとるようになる。所要電界が加わり発振また
は増幅動作が開始すると、電子群の中、高周波電界によ
って加速される位相の一部電子は、陰極に舞い戻って陰
極を衝撃しこれを加熱する、いわゆる陰極逆衝撃、陰極
逆加熱という現象を発生させる。

【０００４】陰極逆加熱に伴う陰極温度の不要な上昇は
陰極寿命、即電子管の寿命に悪影響を与える。これを抑
制するために発振または増幅動作時、陰極加熱電力を減
らす方法が一般にとられている。この陰極逆加熱による
影響は当然ながら平均電力の大きい連続波用の電子管の
場合に顕著となるので、これらの電子管では逆加熱に強
い構造の陰極が特に要求される。

【０００５】逆衝撃による余分な熱を放熱するには輻射
を利用することが望ましい。傍熱型陰極にも含浸型陰極
など逆衝撃に強い構造のものもあるが、これらを含めて
傍熱型陰極は一般に使用温度が８００〜１２００℃と低
いので連続波用の電子管には不向きである。この要求を
満たすものとしてトリウム入りタングステン、純タング
ステン等の電子放射性高融点金属の線材をコイル状にし
た直熱型陰極〔使用温度１７００〜２２００℃〕があ
り、現在の殆どの連続波用マグネトロンにはこの方式の
陰極が採用されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図５に従来の直熱型陰
極の説明用断面図を示す。直熱型陰極ではフィラメント
は１７００〜２２００℃の高温で使用されるので熱によ
る塑性変形を避けることはできず、その変形量が大きい
と層間短絡を生じることにもなる。それ故、設計に当た
っては、まず陰極径Ｄ（ 即フィラメントコイル径 ）
がきまるとコイル素線径ｄおよびピッチｐは、所要放射
電流と共に線材料の塑性変形特性を考慮して適値に選ば
れる。素線径については陰極径の大きいものほど大きく
とる必要がある。また出力の大きい電子管ほど陰極径が
大きくなるので大きい素線径が必要となる。たとえば出
力数１０ｋＷ程度までの連続波用マグネトロンでは素線
径２ｍｍ以下もので済むが１００ｋＷを超えるような大
出力管の場合、素線径３〜６ｍｍ程度のものが必要とな
る。しかしながら現在の加工技術ではこのように径の大
きいもので対塑性変形特性の良い材料を得ることは極め
て困難であり、このことがマグネトロン、ＣＦＡ等Ｍ型
電子管の大出力化をはばむ大きい要因となっている。本
発明は、上述のようにフィラメント素線径が直接要求さ
れることなく設計可能な、熱塑性変形に対して強い構造
の陰極を提供しようとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、Ｍ型電子管の構造を、タングステン、モリ
ブデン等の電子放射性高融点金属、又はこれらを主体と
した材料で形成した円筒状陰極、および該円筒状陰極の
内側にこれと離間してタングステン、モリブデン等の電
子放射性高融点金属、又はこれらを主体とした材料で形
成したフィラメントを設けると共に、電極端子として前
記円筒状陰極に接続した陰極端子および前記フィラメン
トに接続した一対のフィラメント端子をそれぞれ独立し
て設け、前記円筒状陰極と前記フィラメント間に電圧を
印加して電子衝撃加熱可能な構造としたものである。ま
た、上記構造の陰極において、さらに前記円筒状陰極の
円筒面に複数個の小孔を設けたものである。

【０００８】

【作用】本発明の陰極は、概要以下のようにして動作さ
せる。まず、フィラメントに、通常の直熱型陰極の場合
と同様に加熱電流を流し、フィラメント自体を充分な電
子放射を生じる温度まで上昇させる。この時、円筒状陰
極はフィラメントからの熱輻射により通常の傍熱型陰極
のように加熱されるが、この輻射熱のみでは円筒状陰極
の温度はフィラメントに比べ５００〜６００℃程度低い
値にとどまり円筒状陰極からの電子放射は殆ど得られな
い。次にフィラメントと円筒状陰極との間に後者が正と
なるような加速電圧を印加すると、フィラメントからの
電子放射により電子流を生じ、この電子流は加速されて
円筒状陰極の内面に衝突して、いわゆる電子衝撃加熱を
生じる。この加熱により円筒状陰極温度は更に上昇す
る。この際の投入電力〔加速電圧と電子流電流の積〕を
適値に調整することにより円筒状陰極は発振または増幅
の開始に必要な温度に上昇し、動作を開始させることが
できる。動作開始後、陰極逆加熱に伴う過度の温度上昇
を抑制するためにフィラメント加熱電流および加速電圧
の適当な低減を行うことにより安定な動作をさせること
ができる。

【０００９】

【実施例】図１、図２に本発明陰極構造の一実施例を示
す。図１は陰極部要部の縱断面図、図２はその側面図で
ある。円筒状陰極１は、純タングステン、トリウム入り
タングステン等の電子放射性高融点金属の素材より鍛
造、研削等の加工方法により作られる。円筒状陰極１の
両端にはモリブデン、純タングステン等の高融点金属製
のエンドハット２、３が、またエンドハット３は、円筒
状の陰極支持管４にそれぞれ溶接またはロウ付等の方法
で固着されている。

【００１０】円筒状陰極１の内側には、純タングステ
ン、トリウム入りタングステン等の電子放射性高融点金
属の線材を捲回して作られたコイル状のフィラメント５
が設けられ、その一端はフィラメント支持金具６を介し
てフィラメント支持棒７に、その他端は円筒状のフィラ
メント支持管８に、溶接またはロウ付等の方法で固着さ
れる。陰極支持管４およびフィラメント棒７、フィラメ
ント支持管８の各末端は、それぞれ独立して真空外囲器
に設けられた〔図示されていない〕陰極端子および一対
のフィラメント端子へ接続され固着される。

【００１１】本発明の陰極構造では、フィラメントの寸
法は、直熱型陰極の場合と異なり発振、増幅等の電子管
動作と直接的な関係をもたないので設計の自由度が高
い。フィラメントは、円筒状陰極内に充分な絶縁ギャッ
プをもって配置され、適度な加速電圧によって所要の電
子衝撃加熱が行える電子放射特性を有するものであれば
よい。

【００１２】たとえば図５に示したような直熱型陰極を
図１に示したような本発明の構造の陰極に置き換えよう
とする場合、まず当然ながら円筒状陰極の外径および長
さは図５のＤ、Ｌと同一とし、円筒状陰極内に挿入する
フィラメントについては、コイル外径、コイル素線径お
よびピッチはそれぞれ同図のｋ倍（ｋ＜１）、即ちｋ
Ｄ、ｋｄおよびｋｐとする。円筒状陰極の肉厚は強度お
よび加工性を考慮して陰極径の５％〔陰極内径：０．９
Ｄ〕程度とする。上記ｋの値は陰極内径とフィラメント
間のギャップが、電子衝撃加熱用の加速電圧に充分耐え
うる寸法に選ぶ。たとえばｋ＝１／１．５とすればギャ
ップ寸法は、 １／２×（０．９Ｄ−Ｄ／１．５）≒０．１１７Ｄ となり、下記に例示するように実用上充分な寸法とな
る。

【００１３】たとえば、フィラメントコイル外径２ｃ
ｍ、素線径０．３ｃｍ、コイル長４．５ｃｍ、フィラメ
ント入力〔陰極加熱入力〕２ｋＷ、放射電流５Ａの直熱
型陰極を本発明の構造に変えようとする際、ｋの値等を
上記のように選んだとする。フィラメントの表面積もや
はりｋ倍となるので、同一フィラメント温度で動作させ
るとすれば放射電流もｋ倍、即ち５×１／１．５≒３．
３３（Ａ）となるが、加速電圧６００Ｖを印加すること
により電子衝撃加熱により上記フィラメント入力と同等
の２ｋＷの陰極加熱が可能となる。この場合、ギャップ
寸法は前式より約０．２３ｃｍとなっているので耐電圧
は充分である。

【００１４】このようにフィラメントの諸寸法を比例的
に小さくした設計が可能であり、従って対熱塑性変形特
性のより良い細い素線を用いたフィラメントの設計が可
能となる。また、更にはコイル径の小さいフィラメント
を複数本、円筒状陰極内に並列に配置した構造とするこ
とも可能である。また、従来のフィラメント形状直熱型
陰極を本発明のものに置き換えようとする場合、円筒状
陰極の（外側）表面積が前者のものより小さくなる場合
もあるが、必要があれば円筒状陰極の表面にリング状、
格子状等の溝を切ることにより実効的に陰極表面積を広
くし、前者と同等にすることができる。

【００１５】図３、図４に本発明の別の実施例を示す。
図３はその縱断面図、図４はその側面図である。図１、
図２のものと異なる点は、円筒状陰極１の円筒面に複数
個の小孔９を設けたことである。フィラメントより放射
された電子流の一部は、これらの小孔を通過して円筒状
陰極の外側に放出され、発振または増幅等の動作開始を
促進させるのに役立つ。これらの小孔は余りに大きいと
動作に影響を与えるが、たとえば円筒状陰極の肉厚の２
〜３倍程度の径の小孔を３０〜４０個、円筒面に均等に
配置したもので良好な結果が得られる。

【００１６】

【発明の効果】以上説明したように本発明のＭ型電子管
陰極構造では、タングステン、モリブデン等の電子放射
性高融点金属、又はこれらを主体とした円筒状陰極は、
その円筒内に設けられたタングステン、モリブデン等の
電子放射性高融点金属、又はこれらを主体としたフィラ
メントよりの熱放射により傍熱加熱されると共に、陰極
端子および一対のフィラメント端子がそれぞれ独立して
設けられていることにより電子衝撃加熱を同時に行える
ので、円筒状陰極の温度をフィラメントと同一の温度ま
で容易に上昇させることができる。この結果、従来困難
であったタングステン、モリブデン等の高融点材料を電
子放射体として用いた円筒状陰極の利用が可能となっ
た。

【００１７】円筒状陰極は、その形状から同じ高融点金
属を用いてもコイル形状の場合に比べ格段に機械的強度
が強く、熱塑性変形は極めて小さく抑えられる。また断
面積がフィラメントの場合に比べ実質的に広くなり熱抵
抗が小さくなるので陰極温度が均一化し易く、陰極逆加
熱に起こりがちな局部加熱の害を軽減できる利点があ
る。フィラメントについては、円筒状陰極内に配置され
るため当然ながらＭ型電子管の発振、増幅動作に伴う陰
極逆衝撃にさらされることなく、それによる熱塑性変形
を避けることができる。

【００１８】またフィラメントについては、その素線
径、コイル外径、ピッチ等の諸寸法は直熱型陰極フィラ
メントの場合と異なり、電子管動作のための陰極寸法と
しての制約を受けることがないので、設計の自由度が増
し、実施例で示したように上記諸寸法を比例的に小さく
する等の方法により、対熱塑性変形特性の良い素線を用
いたコイルの設計が可能となる。

【００１９】また上述の円筒状陰極において、更に複数
個の小孔を設けた構造とすることにより、発振や増幅等
の動作開始を促進させることができるので、陰極予熱時
間の短縮化や加速電圧の低減化を図ることができる。上
述したように本発明の陰極構造は、極めて陰極逆加熱に
対して強い陰極の設計を可能にするので、Ｍ型電子管、
特に連続波用大電力Ｍ型電子管に用いられるとき、その
大出力化、またその長寿命化に大なる効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明陰極の一実施例の縱断面図である。

【図２】同実施例の側面図である。

【図３】本発明陰極の別の実施例の縱断面図である。

【図４】同別の実施例の側面図である。

【図５】従来の直熱型陰極の説明用断面図である。

【符号の説明】

１：円筒状陰極、４：陰極支持管、５：フィラメント、
７：フィラメント支持棒、８：フィラメント支持管、
９：小孔。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 タングステン、モリブデン等の電子放射
   性高融点金属、又はこれらを主体とした材料で形成した
   円筒状陰極、および該円筒状陰極の内側にこれと離間し
   てタングステン、モリブデン等の電子放射性高融点金
   属、又はこれらを主体とした材料で形成したフィラメン
   トを設けると共に、電極端子として前記円筒状陰極に接
   続した陰極端子および前記フィラメントに接続した一対
   のフィラメント端子をそれぞれ独立して設け、前記円筒
   状陰極と前記フィラメント間に電圧を印加して電子衝撃
   加熱可能な構造とした、ことを特徴とするＭ型電子管用
   陰極。
2. 【請求項２】 前記円筒状陰極の円筒面に、複数個の小
   孔を設けたことを特徴とする請求項１のＭ型電子管用陰
   極。