JPH11204048A

JPH11204048A - 陰極構体およびマイクロ波電子管

Info

Publication number: JPH11204048A
Application number: JP596998A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sudo; 孝須藤; Kazuo Kobayashi; 一雄小林; Eiji Yamamoto; 栄治山本; Toshiharu Higuchi; 敏春樋口
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Engineering Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Development and Engineering Corp
Priority date: 1998-01-14
Filing date: 1998-01-14
Publication date: 1999-07-30

Abstract

(57)【要約】【課題】安定した寿命特性を有する陰極構体マイクロ
波電子管を提供する。【解決手段】陰極構体は電子放射物質を有する陰極基
体11を高融点金属の支持筒12で支え、支持筒12内に設け
られ埋込材14内に埋め込まれたヒータ13で陰極基体11を
加熱する。埋込材14は、粒子および繊維の混合物を焼結
したものであり、また、マイクロ波電子管は、陰極構体
を用いたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、陰極特性が安定
し、ヒータの長寿命化を図った陰極構体およびマイクロ
波電子管に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、クライストロンなどのマイクロ波
電子管は、高出力化の傾向にある。特に、核融合や粒子
加速器などに使用される電子管の出力はメガワット級に
なり、益々高出力化が望まれている。そして、このよう
な高出力化に伴い、陰極構体には高出力電流が要求され
てきている。

【０００３】このため、従来の酸化物の陰極構体に代っ
て、最も高放出電流が期待できる含浸型の陰極構体が主
に使用されるようになってきている。

【０００４】そして、含浸型の陰極構体は、高放出電流
を得られる反面、酸化物の陰極構体に比べて使用温度を
１００℃以上高くしなければならず、陰極構体を構成す
るヒータの負担が大きくなる。このため、含浸型の陰極
構体のヒータには、ブラウン管などのように陰極基体と
ヒータとの間で高耐圧を要求される場合や、量産品を除
いて、埋込型のヒータが用いられている。この埋め込み
型ヒータは、耐熱電気絶縁材による埋込材を媒体として
陰極基体を加熱するため熱効率が良く、ヒータの負担を
軽減することができる。

【０００５】図１は、一般的な埋込型ヒータを用いた含
浸型陰極構体の構造例を示す部分切り欠き断面図であ
る。

【０００６】図１に示すように、一般的な埋込型ヒータ
を用いた含浸型陰極構体において、11は陰極基体で、こ
の陰極基体11には多孔質タングステンなどの基体金属の
空孔部に電子放射物質が含浸されている。また、12はモ
リブデンなどの高融点金属の支持筒で、この支持筒12の
一端開口部には陰極基体11が支持されている。さらに、
支持筒12内の陰極基体11近くにはヒータ13が設置され、
このヒータ13はアルミナなどの耐熱電気絶縁物粒子から
なる埋込材14内に埋め込まれて固定され、このヒータ13
には外部と電気的に接続するための電極13a が設けられ
ている。

【０００７】ここで、埋込材14は、上述のようにアルミ
ナなどの耐熱電気絶縁物を主成分とした粒子を有機溶剤
と混合し、ヒータ13とともに支持筒12内の陰極基体11と
接する位置に埋め込まれ、乾燥後に還元または真空雰囲
気中にて１５００〜１８５０℃の温度範囲で焼結され
る。この場合、粒子として一定粒径のものを使用するこ
ともあるが、周密性を考慮して、一般的には次式を基本
とした粗粒と細粒との混合粒子を使用する。

【０００８】Ｐ＝（ｘ／Ｄ）^m×１００（％）なお、Ｐは細粒子の混合率、Ｄは粗粒子の径、ｘは細粒
子の径、ｍは１／２〜１／３である。

【０００９】そして、混合粒子と陰極基体との関係を説
明すると、たとえば陰極基体11の直径が２０ｍｍ以下の
比較的小型の陰極構体で埋込材としてアルミナを使用し
た場合は、平均１０μｍ径の細粒子と平均３０μｍ径の
粗粒子を７：３の割合で混合した混合粒子を使用する。
そして、この混合粒子を用いて、たとえば真空中で１８
２０℃の温度で２時間の焼結を行なうと、クラックなど
の欠陥を生じることなく強度的に良好な焼結体を得るこ
とができる。

【００１０】しかしながら、この焼結された埋込材14に
は数％〜１０％程度の収縮が生じる。この収縮は、焼結
された埋込材14と陰極基体11や支持筒12さらにはヒータ
13との間にそれぞれ隙間を生じさせる。

【００１１】ここで、陰極構体が小型の場合は収縮によ
り生じる隙間が小さいため、熱効率が極端に低下するこ
とはない。しかし、各陰極構体毎に本来的に生じていた
ヒータ13の配置位置の若干の違いや埋め込み状態の差が
収縮により明確化されてしまう。このため、ヒータ13の
特性にばらつきが生じ、歩留り低下の原因となる。

【００１２】また、大型の陰極構体では、収縮により生
じる隙間が大きいため、ヒータ13の熱効率が極端に低下
し、ヒータ13自体の温度を上昇させることとなり、場合
によっては局部的な加熱が生じてヒータ13の断線を引き
起こすおそれがある。

【００１３】そこで、大型の陰極構体では、粒径の比較
的大きい混合粒子を用いて焼結に伴う収縮率を軽減化し
ている。たとえば１０〜１５０μｍの径の混合粒子を使
用すると、収縮率を１％程度まで軽減できる。しかし、
その反面で粒径の大きい粒子の焼結では、接触面積が少
ないために焼結体としての強度が著しく低下してしま
う。このため、補強用として埋込材14の表面に再度細粒
子を埋め込んだ上で焼結を行なっている。

【００１４】ここで、ヒータ13の特性は、陰極構体に直
接影響する重要な特性であり、常に安定な特性が要求さ
れる。また、ヒータ13の特性を決定する要因として、ヒ
ータ13自体の設計の他に周辺部材への熱伝導状態が重要
である。特に、埋込型のヒータ13の場合は、埋込材14を
媒体として陰極基体11に熱が供給されるため、埋込材14
への埋め込み状態や、その埋込材14の焼結状態により、
ヒータ13の特性が大きく変化する。

【００１５】たとえば前述のように埋込材14とヒータ13
あるいは陰極基体11との間に隙間が生じた場合、陰極基
体11はヒータ13あるいは埋込材14の輻射熱によって加熱
される。このため、ヒータ13の熱効率が低下し、ヒータ
13の温度を上昇させねばならなくなり、その寿命を短縮
させる原因になる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】このように、ヒータ13
の埋込材14は、焼結に伴う収縮が少なく、ヒータ13を固
定するために十分な強度を有していなければならない。

【００１７】しかし、従来の技術では、焼結による埋込
材14の収縮が大きく、周辺部材との間に隙間が生じる。
また、この収縮を防止しようとすると、強度的に焼結体
の粒子が脱落するほど強度が低下してしまうので、再埋
め込みによって隙間への粒子充填や補強を行なわなけれ
ばならない。

【００１８】本発明は、上記問題点に鑑みなされたもの
で、焼結による収縮が少なく、十分な強度を持ってヒー
タが埋め込まれる耐熱電気絶縁材を有する陰極構体を提
供し、安定した寿命特性を有する陰極構体を提供するこ
とを目的とする。

【００１９】また、本発明は、安定した寿命特性を有す
るマイクロ波電子管を提供することを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１記載の
陰極構体は、電子放射物質を有する陰極基体と、この陰
極基体を支える高融点金属の支持筒と、前記陰極基体を
加熱するヒータと、前記支持筒内に設けられ前記ヒータ
が埋め込まれた耐熱電気絶縁材とを備えた陰極構体にお
いて、前記耐熱電気絶縁材は、粒子および繊維の混合物
を焼結したものであることを特徴とする。

【００２１】また、本発明の請求項２記載の陰極構体
は、上記請求項１の耐熱電気絶縁材が、アルミニウム、
イットリウム、ベリリウム、カルシウム、マグネシウ
ム、硅素、トリウム、チタン、ウラン、ジルコニウムよ
り選ばれる少なくとも１種の酸化物、窒化物よりなるこ
とを特徴とする。

【００２２】また、本発明の請求項３記載のマイクロ波
電子管は、請求項１または請求項２のいずれかに記載の
陰極構体を用いたことを特徴とする。

【００２３】まず、本発明の請求項１においては、陰極
構体のヒータを埋め込むために耐熱絶縁材として、粒子
および繊維の混合物を焼結したものを用いているので、
非収縮性材料である繊維が焼結による収縮を抑制すると
ともに強度向上の機能を抑制するとともに、繊維補強に
よる材料の複合化により強度が向上し、応力が母体を媒
体として繊維に伝達されて繊維が応力負担をするので、
母体を保護するとともに亀裂伝搬の障壁となる。

【００２４】また、本発明の請求項２においては、陰極
構体のヒータを埋め込むための耐熱電気絶縁材、すなわ
ち粒子および繊維は、アルミニウム、イットリウム、ベ
リリウム、カルシウム、マグネシウム、硅素、トリウ
ム、チタン、ウラン、ジルコニウムより選ばれる少なく
とも１種の酸化物、窒化物を用いることができる。

【００２５】具体的には、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃），イ
ットリア（Ｙ₂Ｏ₃）、ベリリア（ＢｅＯ）、カルシア
（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）、シリカ（Ｓｉ
Ｏ₂）、トリア（ＴｈＯ₂）、チタニア（ＴｉＯ₂）、
ウラニア（ＵＯ₂）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）、ムライ
ト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）、スピネル（ＭｇＡｌ
₂Ｏ₃）、フォルステライト（Ｍｇ₂ＳｉＯ₄）、ジル
コン（ＺｒＳｉＯ₄）および窒化けい素（Ｓｉ₃Ｎ₄）
などを使用することができる。

【００２６】この場合、これら粒子および繊維を構成す
る耐熱電気絶縁材の種類は、同種同士あるいは異種同士
であってもよく、また、粒子または繊維を構成する耐熱
電気絶縁材の種類においても同種同士あるいは異種同士
であっても良い。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の陰極構体の一実施
の形態を図面を参照して説明する。

【００２８】基本的な構造は、従来例で説明した図１で
示したものと同様で、多孔質タングステンなどの基体金
属の空孔部に電子放射物質を含浸させた陰極基体11を、
モリブデンなどの高融点金属の支持筒12の一端開口部に
より一体的に支持している。また、ヒータ13は、支持筒
12内の陰極基体11の近くにて、耐熱電気絶縁材である埋
込材14内に埋め込まれて固定されているとともに、電極
13a が接続されて外部と電気的に接続できるようになっ
ている。そして、埋込材14には、混合粒子および繊維を
焼結した複合材を使用しており、具体的には粒子および
繊維のいずれも純度９９．５％以上のアルミナを用いて
いる。

【００２９】また、埋込材14は、平均粒径が１３０μｍ
と３０μｍの粒子を重量比で４５：５５の割合で混合し
た混合粒子と、平均径１０μｍ、長さ０．５ｍｍの繊維
とを、混合粒子が５に対して繊維が１の割合で混合した
ものである。そして、この混合物を有機系のバインダで
ペースト状にし、ヒータ13を図１で示す支持筒12内の所
定位置に挿入し、ペーストを用いて埋め込み、乾燥後に
真空雰囲気中で１８２０℃の温度で２時間の焼結を行な
った。

【００３０】以下、材料の使用方法、条件検討および評
価結果について説明する。

【００３１】まず、繊維の使用方法としては、繊維は一
般的に繊維同士が複雑に絡み合い塊状になっているの
で、分散させる。すなわち、繊維の塊を容器内に入れ、
この容器をバイブレータにより５００ｒｐｍ以上の回転
速度で１時間以上振動させ、この後、６時間程度のロー
リングを行なって分散させる。また、上述の工程で分散
されない塊や、分散性の悪い比較的長い繊維は、さらに
有機溶剤と混合させ、バイブレーションおよびローリン
グを行なうことにより、確実に分散させる。

【００３２】次に、繊維の寸法については、繊維の長さ
は径以上の長さであること以外は特に規定せず、分散性
が良好な平均径１０μｍで長さ０．５ｍｍの繊維を使用
した。

【００３３】また、混合粒子と繊維との混合率について
は、繊維混合率が０％、１７％、５０％の３種類と、粒
径の異なる２種類の混合粒子との組み合わせで、合計６
種類のサンプルを作成し、焼結後の収縮率および強度に
ついて評価を行なった。

【００３４】なお、収縮率は、焼結前の寸法に対する焼
結後の寸法比として求めた。また、強度試験は、ＪＩＳ
Ｒ１６０１ファインセラミックの曲げ試験方法に準
じ、３点曲げ強さを測定した。

【００３５】そして、上述した粒径の異なる２種類の混
合粒子と３種類の繊維混合率との、合計６種類の組み合
わせに対する曲げ強度および収縮率の関係一覧を、表１
および図２にそれぞれ示す。これら表１および図２にお
ける曲げ強度の値は、大粒径の混合粒子で繊維混合比０
ｗｔ％のサンプル１を１００％として、このサンプル１
に対する他のそれぞれのサンプル２〜６の強度比を示し
ている。なお、図２において、Ａは大粒子、Ｂは小粒子
を示す。

【００３６】

【表１】これら表１および図２の内容から、繊維混合比が５０％
以下であれば、従来の埋込材に対して、高強度で収縮率
の少ない埋込材が得られることが解る。また、これらの
内容から、繊維混合率や混合粒子の大きさの組み合わせ
により、様々な特徴を持った埋込材14を得られることが
確認される。したがって、陰極構体の寸法、用途により
任意に選定して使い分けることができる。

【００３７】

【実施例】まず、第１の実施例では、平均粒径が１３０
μｍと３０μｍとのアルミナによる粒子を重量比で４
５：５５の割合に混合した混合粒子を、平均径１０μｍ
で長さ０．５ｍｍの繊維と、混合粒子５：繊維１の重量
比で混合したものを埋込材14とした。

【００３８】また、図３は、埋込材14を用いた陰極構体
でのヒータ13の寿命を示しており、この場合の寿命試験
方法は、ヒータ13の断続試験であり、断続回数に伴うヒ
ータ電流値の変化を示している。なお、図中曲線ａは従
来の埋込材を用いた場合の特性であり、曲線ｂは実施例
による埋込材14を用いた場合の特性である。これらから
明らかなように、曲線ｂで示す特性のヒータは、曲線ａ
で示す特性の従来のヒータに比べ、安定した寿命特性を
得られることが確認できた。

【００３９】さらに、ヒータ13の温度測定を行なったと
ころ、ヒータ定格でのヒータ温度が、従来１２５０℃で
あったのに対して、埋込材14を用いた場合は、ヒータ温
度を約５０℃低下できることが確認されている。

【００４０】上記陰極構体を、マイクロ波電子管に使用
したところ、安定した寿命特性を有する優れた特性のマ
イクロ波電子管が得られた。

【００４１】

【発明の効果】本発明の陰極構体によれば、耐熱電気絶
縁材は、粒子および繊維の混合物を焼結したので、焼結
に伴う収縮率が小さく、十分な強度を有する埋込材によ
りヒータを保持するので、振動などの応力に強く、安定
な熱伝導特性が得られ、陰極特性が安定し、ヒータの長
寿命化を得ることができる。

【００４２】また、本発明のマイクロ波電子管によれ
ば、安定した寿命特性を有する優れた特性を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される一般的な含浸型陰極構体の
構造例を示す部分切り欠き断面図である。

【図２】同上埋込材の繊維混合比と強度との関係を説明
する特性図である。

【図３】同上ヒータの寿命を従来例と比較して示す特性
図である。

【符号の説明】

11 陰極基体 12 支持筒 13 ヒータ 14 耐熱電気絶縁材としての埋込材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山本栄治神奈川県横浜市磯子区新杉田町８株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者樋口敏春神奈川県横浜市磯子区新杉田町８株式会社東芝横浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子放射物質を有する陰極基体と、この
陰極基体を支える高融点金属の支持筒と、前記陰極基体
を加熱するヒータと、前記支持筒内に設けられ前記ヒー
タが埋め込まれた耐熱電気絶縁材とを備えた陰極構体に
おいて、前記耐熱電気絶縁材は、粒子および繊維の混合物を焼結
したものであることを特徴とする陰極構体。
【請求項２】耐熱電気絶縁材は、アルミニウム、イッ
トリウム、ベリリウム、カルシウム、マグネシウム、硅
素、トリウム、チタン、ウラン、ジルコニウムより選ば
れる少なくとも１種の酸化物、窒化物であることを特徴
とする請求項１記載の陰極構体。
【請求項３】請求項１または請求項２のいずれか記載
の陰極構体を用いたことを特徴とするマイクロ波電子
管。