JP2000100339A

JP2000100339A - マグネトロン

Info

Publication number: JP2000100339A
Application number: JP10270400A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Ide; 哲也井出; Yoshihisa Inoue; 喜央井上; Haruhisa Takiguchi; 治久瀧口
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1998-09-25
Filing date: 1998-09-25
Publication date: 2000-04-07

Abstract

(57)【要約】【課題】電子源に熱陰極を用いたマグネトロンは、高
い電流密度が得られず、耐熱性の高い周辺部品が必要。
二極管冷陰極は、作用空間自体に高電圧を印加するた
め、放電を生じる。三極管構成フィールドエミッタアレ
イは、マグネトロン動作時に、高エネルギーの電子がゲ
ート電極に引き込まれ、ゲート電流の増大，ゲートから
のガス放出による仕事関数変化，エミッタの放電破壊が
生じる。【解決手段】微細加工技術により集積化した三極管構
成フィールドエミッタアレイのように陽極電圧より小さ
い電圧で使用する電子放出源と二次電子放出源の二種類
の電子放出源を用いる。前者がマグネトロン動作開始ま
での電子を供給し、作用空間内の陰極表面に形成された
二次電子放出比が１より大きい二次電子放出部が、陰極
損原因となる電子により二次電子放出を行い、増倍作用
により電子数を増加させ、マグネトロン動作時の電子を
供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、陽極電圧より小さ
い電圧で使用する電子放出源と二次電子放出源とを電子
放出源に用いたマグネトロンに関する。

【０００２】

【従来の技術】現在使われている電子管では、電子源と
して熱陰極（カソード）が用いられている。熱陰極は、
熱電子放出により電子を供給する陰極である。熱電子放
出は、物質を１５００〜２７００Ｋまで加熱して、伝導
帯の自由電子に仕事関数以上のエネルギーを与えること
で、電子が表面のポテンシャル障壁を超えて放出される
機構であり、純金属，酸化物等があるが、現在はＢａ化
合物（５ＢａＯ・２Ａ_l２Ｏ₃・ＣａＯ等）とＷ粉末とを
混合してプレス焼結した焼結型，多孔性ＷにＢａ化合物
を溶融状態で含浸させた含浸型が主流である。

【０００３】この両者は、電子放出密度が高い他にバリ
ウムアルミネートを用いているため真空排気中のガス放
出が少ない，大気暴露しても再活性化が可能という長所
がある。また、熱陰極には直熱型と傍熱型とがある。直
熱型は、純金属等で用いられるが、熱陰極自身の通電加
熱により、電子放出を行っている。傍熱型は、含浸型等
で用いられるが、熱陰極を近接させたヒーターにより加
熱することで、電子放出を行っている。直熱型は、電子
放出の立ち上がりが早いが、高い電流密度がとれない。
傍熱型は、比較的高い電流密度がとれるが、間接加熱の
ため立ち上がりが遅く、価格も高い。

【０００４】電子放出には、熱電子放出以外に電界放
出、二次電子放出、光電子放出等がある。冷陰極は、電
界放出により電子放出を行なう陰極である。電界放出
は、物質の表面近傍に強電界（１０⁹Ｖ／ｍ）を加え、
表面のポテンシャル障壁を下げることでトンネル効果に
より電子放出を行なうものである。熱陰極のように加熱
を必要としないので冷陰極と呼ばれる。また、その電流
−電圧特性はファウラ−ノードハイムの式で近似でき
る。電子放出部は、絶縁を保ちながら強電界を印加する
ために、電界集中定数を大きくする構造（針状等）を持
たせている。

【０００５】初期の冷陰極はウィスカーのような針状単
結晶を電界研磨して用いた二極管構造だったが、近年、
集積回路又は薄膜の分野において用いられている微細加
工技術により、高電界において電子を放出する電界放出
型電子源（フィールドエミッタアレイ）製造技術の進歩
は目覚ましく、特に極めて小型な構造を有する電界放出
型冷陰極が製造されている。この種の電界放出型冷陰極
は、３極管の超小型電子管又は超小型電子銃を構成する
主要部品の内、最も基本的な電子放出デバイスである。
構造の微細化が進んだことにより、電子源としては熱陰
極に比較して高い電流密度を得られ、動作電圧も低電圧
化するという利点がある。

【０００６】二次電子放出は、高速度の電子が固体表面
に衝突することで、電子がたたき出される現象をいう。
入射する電子を一次電子といい、放出される電子を二次
電子という。一次電子に対する二次電子の比率を二次電
子放出比といい、ある加速電圧値で最大値をとる。二次
電子放出比が１よりも大きいと電子の増幅作用がおき
る。一次電子が入射して、二次電子が放出するまでの時
間は、１０^-10秒以下と考えられ実際上時間の遅れがほ
とんどない。二次電子放出材料としては、Ｎｉ上に１０
^-5ｃｍ程度のＭｇＯ薄膜をつけたもの、Ｃｕ＋Ｂｅ（数
％），Ａｌ＋Ｍｇ（数％）等の合金がある。

【０００７】光電子放出は、物質に光を照射することで
光子の持つエネルギーが電子に与えられ、この電子のエ
ネルギーが、物質表面の仕事関数より大きくなること
で、電子が放出される現象をいい、このような電子を光
電子という。

【０００８】マイクロ波管は、マイクロ波帯（ＵＨＦ帯
以上）で発振，増幅機能を持つ電子管であるが、主とし
て電子速度変調管が用いられる。マイクロ波発振管とし
て代表的なものとしては、マグネトロン（磁電管）があ
る。マグネトロンは、電子管の中で作用空間に互いに直
角な直流磁界と直流電界が存在するクロスト・フィール
ド・デバイスの一つである。

【０００９】図６にマグネトロン電極の断面図を示す。
円筒状の陰極１１と陽極１２を同心に配し、直流電界を
与えると共に、軸方向に直流磁界１３を与える。陽極
は、複数のベイン１４により空胴共振器を形成した分割
陽極である。陰極と陽極との間の空間を作用空間とい
う。作用空間両側には、エンドハットと呼ばれる電極が
設けられる。エンドハットを陰極電位あるいは負電位に
することで、電子が作用空間内に閉じ込められる。

【００１０】図７は、八分割陽極マグネトロンの動作状
態を等価回路的にあらわしたものである。陰極より出た
電子は直交磁界１３のため曲げられ、陽極面に沿ったサ
イクロイド状の軌跡を描く。陽極は空胴共振器により振
動回路２１を形成しており、陽極の分割間隙に生ずる高
周波電界２２により電子は速度変調を受ける。ついに
は、電子流は粗な部分と密な部分になりベイン間の極性
と同期して回転電子極２３を形成し、誘導電流２４が流
れる。発生した高周波電力は出力回路２５から取り出さ
れる。回転電子極を形成することで、電子は陽極に集め
られるまでの間、常に高周波電界と同期しているため、
マグネトロンの効率は他の電子管，固体素子に比べて極
めて高い。

【００１１】マグネトロンの損失としては、陽極損と陰
極損がある。電子が陽極に衝突する際の損失が陽極損で
あり、加速位相にある電子が高周波電界からエネルギー
を得て陰極に戻る（逆衝撃）際の損失が陰極損である。
損失としては、陽極損の方が大きいが、マグネトロン発
振動作時には両者の損失は必ず発生する。

【００１２】マグネトロンの電子源としては、現在熱陰
極が用いられているが、熱陰極は単位面積当たりの電子
放出能力が低いので、それだけでは十分な電子を得るこ
とができない。そこで、ＧｅｏｒｇｅＢ．Ｃｏｌｌ
ｉｎｓ：ＭＩＣＲＯＷＡＶＥＭＡＧＮＥＴＲＯＮ（ＭＡ
ＳＳＡＣＨＵＳＥＴＴＳＩＮＳＴＩＴＵＴＥＯＦ
ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＲＡＤＩＡＴＩＯＮＬＡＢＯ
ＲＡＴＯＲＹＳＥＲＩＥＳ１９４８）５０３等に
記載されるように、熱陰極材料に二次電子放出能力の高
いものを用い、前述の逆衝撃により、二次電子放出を行
い、その増倍作用により必要電子量を得ている。

【００１３】また、ｍａｋｈｏｖＶ．Ｉ．：９ｔｈ
ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＶａｃｕｕｍＭｉｃ
ｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，
Ｓｔ．Ｐｅｔｅｒｓｂｕｒｇ（１９９６）４４９
に記載されるように二極管構成冷陰極と二次電子放出
源とを陰極部に形成したものがある。陽極電圧により、
冷陰極から電子放出を行い、マグネトロン動作開始まで
の電子供給を行う。マグネトロン動作による逆衝撃で二
次電子放出源から電子が増倍供給され、発振が持続され
る。

【００１４】また、分割陽極を用いたマグネトロンの場
合、その分割数によって様々なモードでの発振が起こ
る。この中で、主に用いられるモードは図７のように隣
接共振器間の位相推移がπラジアンに等しいπモードと
呼ばれるもので、最も相互作用が強い。しかし、マグネ
トロンの発振においてはπモードと他のモードとの発振
周波数が近接していると、動作条件が僅かに変化しても
πモードから他のモードへの飛躍（ｍｏｄｅ−ｊｕｍｐ
ｉｎｇ）が起こり、その結果発振周波数や出力が急変し
てしまう。そこで、共振器間の結合を密にして各モード
の共振周波数を可能な限り離すことが必要になる。

【００１５】従来のマグネトロンは、均圧環によりモー
ドの分離を行っている。均圧環は、陽極ベインを一つお
きに導体で接続したものである。これにより、一つおき
の陽極の電位は同じ位相で振動するように強制される。
従って、振動可能なモードをπモードと０モード（全て
の陽極ベインが同一位相で振動する）とに限定すること
ができる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】従来のマグネトロンで
は、直熱型の熱陰極を用いているため、高い電流密度を
得ることができなかった。さらに、マグネトロン自身の
損失による発熱以外に、熱陰極自身も高温で動作させる
ため、陰極以外の周辺部品も耐熱性の高いものを用いな
ければならず、真空封止時も高温でのベーキング等を必
要とした。また、二極管冷陰極は、作用空間自体に電界
放出のための高電圧を印加するため、放電等を生じやす
い。

【００１７】三極管構成フィールドエミッタアレイは、
電極間距離が小さいため低電圧で電子放出を行うことが
可能であり、高い電流密度を得ることもできるが、マグ
ネトロンの動作時には、陰極に高エネルギーで戻る電子
が存在する（陰極損）。三極管構成フィールドエミッタ
アレイのように、表面に正電位のゲート電極が露出して
いる電子放出源を、マグネトロンの電子源として作用空
間内の陰極部に配置する場合、前述の電子がゲート電極
に引き込まれ、ゲート電流の増大，それに伴うゲートか
らのガス放出による仕事関数変化（放出電流減少），エ
ミッタの放電破壊が生じ、最悪の場合電子放出源が破壊
される。本発明は、上記問題点を解決することを目的と
してなしたもので、これら問題点を解決したマグネトロ
ンを提供するものである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、例えば微細加工技術により集積化した三極
管構成フィールドエミッタアレイのように陽極電圧より
小さい電圧で使用する電子放出源と二次電子放出源の二
種類の電子放出源を用いる。前者がマグネトロン動作開
始までの電子を供給し、作用空間内の陰極表面に形成さ
れた二次電子放出比が１より大きい二次電子放出部が、
陰極損原因となる電子により二次電子放出を行い、増倍
作用により電子数を増加させ、マグネトロン動作時の電
子を供給する。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
乃至図５を用いて説明する。＜実施例１＞図１は、フィールドエミッタアレイを電子
放出源の一つに用いたマグネトロン電極の斜視図であ
る。図１において、１４はベイン、３１は突起部、３２
はフィールドエミッタアレイ、３３はゲート電極、３４
は絶縁層、３５は二次電子放出膜、３６は八角柱陰極を
示す。

【００２０】この図１に示したフィールドエミッタアレ
イ３２は、シリコンのリアクティブイオンエッチング
（ＲＩＥ）と熱酸化を用いた方法（Ｋ．Ｂｅｔｓｕｉ：
ＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｇｅｓｔｏｆＩＶＭＣ９
１，（１９９１）２６）により突起部３１を作製した
が、金属回転蒸着法を用いたＳｐｉｎｔ法（Ｃ．Ａ．Ｓ
ｐｉｎｔ：ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ（Ｒｅｃｅｉ
ｖｅｄ１９Ｆｅｂｒｕａｒｙ１９６８）３５０
４）や、シリコンの異方性エッチングにより製作した鋳
型を用いたモールド法（Ｇｒａｙｅｔａｌ．：Ｕ．
Ｓ．Ｐ４，３０７，５０７（１９８１））を用いること
もできる。また、フィールドエミッタ以外の光電子放出
や表面伝導電子放出を用いることもできる。

【００２１】上記手法で作製した三極管構成Ｓｉフィー
ルドエミッタアレイ３２のゲート電極３３上に更に絶縁
層３４を形成し、その上に二次電子放出材料膜３５を形
成した。二次電子放出材料には、Ｃｕ−Ｂｅ合金を用い
たが、二次電子放出比が１より大きく、電子がチャージ
アップを起こさなければこれに限定しない。

【００２２】エミッタ先端径は、７ｎｍ±２ｎｍ、ゲー
ト径は、１μｍ、アレイピッチは、１０μｍである。こ
れを八枚の１０ｍｍ×１．５ｍｍ（エミッタ数１５０，
０００個／枚）の短冊状に切断し、直径４ｍｍの八角柱
陰極３６を作製した。本実施例では、八角柱を作製した
が、作用空間の電界に影響を与えない範囲であれば、何
角形でもよい。また、フィールドエミッタアレイ３２
が、ロールシート上に形成できれば、それを円柱状にし
たものを用いてもよい。

【００２３】分割陽極は、既存のマグネトロン（八分
割，内径９ｍｍ）のものを使用し、陽極電圧４ｋＶ，磁
界１５００Ｇａｕｓｓのクロストフィールドにおいて、
ゲート電極に正電圧を印加し、フィールドエミッタアレ
イ３２からの電子放出を行った。２．４５ＧＨｚの発振
が開始した後、ゲート電極及びエミッタの電位をエンド
ハット電位と同電位に切り替えた。フィールドエミッタ
アレイからの電子放出は停止するが、発振出力は増加
し、７００Ｗの出力を得た。

【００２４】＜実施例２＞図２は、二次電子放出部４１
を陰極部に、もう一方の電子放出源４２をエンドハット
４３上に形成したマグネトロン電極の構成斜視図であ
る。この図２において、１４はベイン、４１は二次電子
放出部、４２は電子放出源、４３はエンドハットを示
す。

【００２５】また、図３及び図４は、この実施例２にお
ける電子ビーム偏向機能付フィールドエミッタ電極の構
成を示した電子ビーム偏向機能付フィールドエミッタ電
極構成断面図であり、３３はゲート電極、５１は収束電
極、５２は電子ビーム、また１３は直流磁界を示す。

【００２６】図３及び図４示すようにフィールドエミッ
タアレイ３２は、ゲート電極３３以外に集束電極５１を
設けるとよい。また、電子ビーム５２の偏向機能を付加
させたものを用いるとさらによい。Ｖｇ１，Ｖｇ２は、
分割ゲート電極の電圧値、Ｖｆ１，Ｖｆ２は、分割集束
電極の電圧値である。

【００２７】図３（ａ）〜（ｃ）は、電極位置によりビ
ーム偏向を行う場合、図４（ｄ）〜（ｇ）は、分割電極
によりビーム偏向を行うものである。本実施例では、エ
ンドハット上の電子放出源としてトラング・ティー・ド
ーン（マイクロン・テクノロジー・インコーポレイテッ
ド）が特許番号第２６９４８８９号で開示している手法
により、図４（ｄ）形状の集束電極付フィールドエミッ
タアレイを外径６ｍｍ，内径５ｍｍのリング状に作製し
たが、この手法に限定するものではない。

【００２８】図５に本実施例２における電子ビーム５２
の軌道イメージを示す。この図５において、１３は直流
磁界、１４はベイン、３１は突起部、３３はゲート電
極、４１は二次電子放出部、４３はエンドハット、５１
は収束電極、５２は電子ビームを示す。

【００２９】電子ビーム５２のエンドハット４３方向の
初速は、エンドハット４３の負電位により減速され作用
空間に押し戻される。更に、作用空間のクロストフィー
ルドによりサイクロイド運動をしながら陽極面に沿って
回転を始める。実施例１と同様に分割陽極は、既存のマ
グネトロン（八分割）のものを使用し、陽極電圧４ｋ
Ｖ，磁界１５００Ｇａｕｓｓのクロストフィールドにお
いて、ゲート電極に正電圧を印加し、フィールドエミッ
タアレイからの電子放出を行った。２．４５ＧＨｚの発
振が開始した後、ゲート電極及びエミッタの電位をエン
ドハット電位と同電位に切り替えた。フィールドエミッ
タアレイからの電子放出は停止するが、発振出力は増加
し、７００Ｗの出力を得た。

【００３０】上記第１及び第２実施例によれば、次の作
用効果が得られる。実施例１では、フィールドエミッタ
アレイの役割は、マグネトロン動作開始までの電子供給
なので、陰極損の影響が少ない状態であり、また、ゲー
ト電極上は、絶縁層を介して二次電子放出膜で覆われて
いるので、ゲート電極への電子の引き込みは減少する。
さらに、出力増加時は、ゲート電極をエンドハットと同
電位にするため、逆衝撃の電子のほとんどは、二次電子
放出膜に衝突する。そのため、フィールドエミッタアレ
イの破壊を防ぐことができる。

【００３１】実施例２では、フィールドエミッタアレイ
が陰極部に存在しないので、陰極損の影響をさらに小さ
くすることができる。フィールドエミッタアレイでは、
電子が広がり角を持って放出されるため、エンドハット
上からでは、陽極方向に放出された電子が作用空間で相
互作用を起こす前に陽極に捕らえられ、効率が低下して
しまうが、電子ビームの偏向機能を持たせることで、効
率を改善することができる。また、磁界方向に電子を放
出する形でエンドハット上にフィールドエミッタアレイ
を形成することにより、磁界の集束効果で更に電子ビー
ムの広がり角を抑えることができる。また、エンドハッ
ト上にフィールドエミッタアレイを作成するので、実施
例１よりもマウントが容易になる。

【００３２】また、微細加工技術によりエミッタの極近
傍にゲート電極を配した三極管構成フィールドエミッタ
アレイを冷陰極として用いることで、電子放出のために
必要な印加電圧を下げることができるので、陽極電圧を
従来より低電圧化したマグネトロンに対しても同様の効
果を得ることができる。

【００３３】

【発明の効果】本発明に係るマグネトロンは、陽極電圧
より小さい電圧で使用する電子放出源とマグネトロン動
作条件における二次電子放出比が１より大きい二次電子
放出源とを電子放出源として用い、前者がマグネトロン
動作開始までの電子を供給し、作用空間内の陰極表面に
形成された二次電子放出比が１より大きい二次電子放出
部が、陰極損原因となる電子により二次電子放出を行
い、増倍作用により電子数を増加させ、マグネトロン動
作時の電子を供給するので、ゲート電流の増大，それに
伴うゲートからのガス放出による仕事関数変化（放出電
流減少），エミッタの放電破壊等が生じことがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るマグネトロンの実施の形態（実施
例１）におけるマグネトロン電極の斜視図である。

【図２】同実施の形態（実施例２）におけるマグネトロ
ン電極の斜視図である。

【図３】同実施の形態（実施例２）における電子ビーム
偏向機能付加フィールドエミッタ電極の構成を示した断
面図である。

【図４】同実施の形態（実施例２）における電子ビーム
偏向機能付加フィールドエミッタ電極の構成を示した断
面図である。

【図５】同実施の形態（実施例２）における電子ビーム
軌跡のイメージ図である。

【図６】従来のマグネトロン電極の断面図である。

【図７】同マグネトロンの動作状態図である。

【符号の説明】

１１陰極１２陽極１３直流磁界１４ベイン２１振動回路２２高周波電界２３回転電子極２４誘導電流２５出力回路３１突起部３２フィールドエミッタアレイ３３ゲート電極３４絶縁層３５二次電子放出膜３６八角柱陰極４１二次電子放出部４２電子放出源４３エンドハット５１集束電極５２電子ビーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者瀧口治久大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内Ｆターム(参考） 5C029 CC01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】陽極電圧より小さい電圧で使用する電子
放出源とマグネトロン動作条件における二次電子放出比
が１より大きい二次電子放出源とを電子放出源に用いる
ことを特徴とするマグネトロン。
【請求項２】電子放出源がマグネトロンの陰極部に、
多角柱で形成されることを特徴とする請求項１記載のマ
グネトロン。
【請求項３】電子放出源がマグネトロンの陰極部に、
ロールシートで形成されることを特徴とする請求項１記
載のマグネトロン。
【請求項４】陽極電圧より小さい電圧で使用する電子
放出源が、エンドハット部に形成され、二次電子放出源
が、陰極部に形成されることを特徴とする請求項１記載
のマグネトロン。
【請求項５】陽極電圧より小さい電圧で使用する電子
放出源の電子ビームを偏向させることを特徴とする請求
項４記載のマグネトロン。
【請求項６】電子ビームを偏向させるために電極を分
割することを特徴とする請求項５記載のマグネトロン。
【請求項７】電子ビームを偏向させるために電極中心
位置を電子放出中心位置からずらした構成にすることを
特徴とする請求項５記載のマグネトロン。