JP2014203799A - Impregnation type cathode structure - Google Patents
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Abstract
Description
実施形態は、概して、クライストロンやジャイロトロンなどのマイクロ波電子管の電子銃に用いられる含浸型陰極構体に関する。 Embodiments generally relate to an impregnated cathode assembly used in an electron gun of a microwave electron tube such as a klystron or a gyrotron.
現在、核融合や粒子加速器などに用いられるクライストロンなどのマイクロ波電子管は、その出力がメガワット級に至り、ますます高出力化が望まれている。そのため、このような高出力のマイクロ波電子管には、酸化物陰極に替えて含浸型陰極を用いた電子銃が使用されている。 Currently, microwave electron tubes such as klystrons used in nuclear fusion and particle accelerators have reached the megawatt level, and higher output is desired. Therefore, in such a high-power microwave electron tube, an electron gun using an impregnated cathode instead of an oxide cathode is used.
クライストロンの電子銃に用いられる陰極構体である含浸型陰極構体は、陰極基体、支持体、ヒータ、埋め込み材などを有している。陰極基体は、多孔質のタングステン(W)からなり、ディスク状に成型されている。陰極基体には、曲面状に凹陥した電子放射面が形成されている。陰極基体の空孔には、電子放射物質が含浸されている。 An impregnated cathode assembly that is a cathode assembly used in an electron gun of a klystron has a cathode base, a support, a heater, an embedding material, and the like. The cathode substrate is made of porous tungsten (W) and is formed into a disk shape. The cathode base is formed with an electron emission surface that is recessed in a curved shape. The holes of the cathode substrate are impregnated with an electron emitting material.
支持体は、陰極基体を支持することに加えて、内部に形成された収納空間にヒータおよび埋め込み材を収納する役割を果たす。支持体は、モリブデン(Mo)からなる支持外筒および支持内筒を有している。支持内筒は、支持外筒との間に環状の収納空間が形成されるように支持外筒の筒内に支持外筒と同軸(同心状)に配置されている。 In addition to supporting the cathode base, the support plays a role of storing the heater and the embedded material in a storage space formed inside. The support has a support outer cylinder and a support inner cylinder made of molybdenum (Mo). The support inner cylinder is arranged coaxially (concentrically) with the support outer cylinder in the cylinder of the support outer cylinder so that an annular storage space is formed between the support outer cylinder and the support outer cylinder.
陰極基体は、ルテニウム−モリブデン(Ru−Mo)合金を用いて、支持外筒および支持内筒の一端にろう付けされている。ヒータは、埋め込み材を介して、陰極基体を加熱する役割を果たす。ヒータは、コイル状に巻回されたタングステン(W)線であり、収納空間に収納されている。ヒータの一端は、支持内筒の外壁に接合されていて、ヒータと陰極基体とは、同電位となっている。 The cathode substrate is brazed to one end of the support outer cylinder and the support inner cylinder using a ruthenium-molybdenum (Ru-Mo) alloy. The heater plays the role of heating the cathode substrate through the filling material. The heater is a tungsten (W) wire wound in a coil shape, and is stored in the storage space. One end of the heater is joined to the outer wall of the supporting inner cylinder, and the heater and the cathode base are at the same potential.
埋め込み材は、ヒータからの熱を陰極基体に伝えることに加えて、収納空間に収納されたヒータを保持する役割を果たす。埋め込み材は、アルミナの焼結体であって、ヒータが収納された収納空間に隙間なく充填されている。 The filling material plays a role of holding the heater stored in the storage space in addition to transferring heat from the heater to the cathode base. The embedding material is an alumina sintered body, and the storage space in which the heater is stored is filled without a gap.
含浸型陰極構体において、支持体と埋め込み材とは、熱膨張率が異なる。このため、ヒータの加熱によって、支持体と埋め込み材との間に熱膨張差が生じて、ヒータの一端と支持内筒の外壁との接合部分には応力が加わる。 In the impregnated cathode assembly, the support and the embedding material have different coefficients of thermal expansion. For this reason, due to the heating of the heater, a difference in thermal expansion occurs between the support and the embedding material, and stress is applied to the joint portion between one end of the heater and the outer wall of the support inner cylinder.
ヒータを十分な精度で収納空間内の所定の位置に配置することは困難であり、ヒータの一端と支持内筒の外壁との接触面積が小さくなってしまうと、接合強度を確保できない。十分な接合強度を確保できない場合、ヒータのオン・オフの繰返しにより、ヒータと支持内筒との接合が外れてしまうことがある。 It is difficult to arrange the heater at a predetermined position in the storage space with sufficient accuracy. If the contact area between one end of the heater and the outer wall of the supporting inner cylinder becomes small, the bonding strength cannot be ensured. If sufficient bonding strength cannot be ensured, the heater may be disconnected from the support inner cylinder due to repeated ON / OFF of the heater.
ヒータと支持内筒との接合強度を確保するために、支持内筒の外壁に凹部を形成して、この凹部にヒータの一端を溶接する方法が提案されている。また、支持内筒の端面に突出部を形成して、この突出部にヒータの一端を溶接する方法が提案されている。 In order to ensure the bonding strength between the heater and the support inner cylinder, a method has been proposed in which a recess is formed in the outer wall of the support inner cylinder and one end of the heater is welded to the recess. Further, a method has been proposed in which a protrusion is formed on the end surface of the supporting inner cylinder, and one end of the heater is welded to the protrusion.
しかし、熱容量の大きい支持内筒の凹部もしくは支持内筒の端部突出部とヒータの一端との隙間が大きくなると溶接面積が小さくなり、接合部の強度が低下してしまうおそれがある。 However, if the concave portion of the supporting inner cylinder having a large heat capacity or the gap between the end projecting portion of the supporting inner cylinder and one end of the heater is increased, the welding area may be reduced, and the strength of the joint may be reduced.
そこで、実施形態は、含浸型陰極構体のヒータと支持体との接合強度をさらに高めることを目的とする。 Therefore, the embodiment aims to further increase the bonding strength between the heater and the support of the impregnated cathode assembly.
上述の目的を達成するため、実施形態による含浸型陰極構体は、電子放射物質が含浸された電子放出面を持つ陰極基体と、前記陰極基体の前記電子放出面の裏面から延びる支持外筒と、前記裏面から前記支持外筒と同軸に延びて前記支持外筒との間に環状の収納空間を形成する支持内筒と、前記支持外筒および前記支持内筒のいずれか一方から他方に向かって突出し前記支持外筒および前記支持内筒の軸方向に貫通する貫通孔が形成された固定部と、前記収納空間に収納されて一方の端部が前記貫通孔を貫通して前記固定部に固定された線状のヒータと、を具備することを特徴とする。 In order to achieve the above object, an impregnated-type cathode assembly according to an embodiment includes a cathode substrate having an electron emission surface impregnated with an electron-emitting material, a support outer cylinder extending from the back surface of the electron emission surface of the cathode substrate, A support inner cylinder that extends coaxially from the back surface with the support outer cylinder to form an annular storage space between the support outer cylinder, and either the support outer cylinder or the support inner cylinder toward the other A fixing portion that protrudes and has a through-hole that penetrates in the axial direction of the support outer cylinder and the support inner cylinder, and is housed in the storage space and has one end that passes through the through-hole and is fixed to the fixing portion. And a linear heater.
以下、いくつかの実施形態による含浸型陰極構体を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, impregnated-type cathode assemblies according to some embodiments will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or similar structure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態による含浸型陰極構体の一部を断面で示す側面図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a side view showing a part of the impregnated-type cathode assembly according to the first embodiment in cross section.
本実施形態による含浸型陰極構体1は、クライストロンの電子銃に用いられる陰極構体である。含浸型陰極構体1は、陰極基体10と支持体20とヒータ40と埋め込み材50と反射板60,62と反射筒66とを有している。陰極基体10は、たとえば空孔率15〜20%の多孔質のタングステン(W)からなる。陰極基体10は、たとえば直径が70mmのディスク状に成型されている。陰極基体10には、所定の曲率で曲面状に凹陥した電子放射面12が形成されている。陰極基体10の空孔には、たとえば酸化バリウム(BaO)、酸化カルシウム(CaO)、および、酸化アルミニウム(Al2O3)からなる電子放射物質が含浸されている。
The impregnated-
電子放射面12は、加工時に陰極基体10の空孔の目潰れが生じやすい。この目潰れにより電子放射物質が空孔に十分に含浸されないことがある。これを防ぐために、電子放射面12の加工前に、陰極基体10の空孔にプラスチックを含浸させて、電子放射面12の加工後に、そのプラスチックを飛散させることが好ましい。たとえば陰極基体10を水素雰囲気下または真空下で加熱することにより、陰極基体10に含浸されているプラスチックは飛散する。このようにしてプラスチックを飛散させた後、陰極基体10の空孔に電子放射物質を含浸させるとよい。
The
支持体20は、支持外筒24と支持内筒26とを有している。支持外筒24および支持内筒26は、それぞれモリブデン(Mo)からなり、円筒状に成型されている。支持内筒26は、支持外筒24との間に環状の収納空間22が形成されるように支持外筒24の筒内に支持外筒24と同軸(同心状)に配置されている。支持内筒26は、たとえば直径20mm、軸方向の長さ20mm、肉厚2mmに成型されている。支持体20は、陰極基体10を支持する。また、支持体20の支持外筒24と支持内筒26との間に形成された収納空間22には、ヒータ40および埋め込み材50が収納される。
The
陰極基体10は、収納空間22の一方の端部を塞ぐように配置されていて、支持外筒24および支持内筒26の同じ側の端部に接合されている。詳しくは、支持外筒24および支持内筒26の一方の端部と、陰極基体10の裏面14とは、たとえば、ルテニウム−モリブデン(Ru−Mo)合金を用いてろう付けされている。ここで、陰極基体10の裏面14とは、電子放射面12の反対側の面のことである。
The
ヒータ40は、線状に形成されたフィラメントであり、たとえば直径1.5mmのタングステン(W)線である。ヒータ40の中間部分(発熱部分)42は、コイル状に巻回されて、支持外筒24と支持内筒26との間に形成された収納空間22に収納されている。ヒータ40の巻回軸は、たとえば支持体20の周方向に延びている。
The
埋め込み材50は、たとえばアルミナの焼結体であって、ヒータ40の発熱部分である中間部42が収納された収納空間22に隙間なく充填されている。ヒータ40は、埋め込み材50を介して、陰極基体10を加熱する役割を果たす。埋め込み材50は、ヒータ40からの熱を陰極基体10に伝えることに加えて、収納空間22に収納されたヒータ40を保持する役割を果たす。
The embedding
ヒータ40の一方の端部44は、支持内筒26に電気的に接続されている。そのため、ヒータ40、支持体20、および、陰極基体10は、同電位となっている。
One
ヒータ40の他方の端部46は、支持体20の陰極基体10から離れた端部に設けられたアルミナ管48を挿通して含浸型陰極構体1の外部に延びて、図示しない電源装置に接続されている。アルミナ管48は、埋め込み材50の表面付近でヒータ40が折損することを防止するため、および、ヒータ40と後述する第1反射板60とを絶縁するために設けられている。
The
第1反射板60は、モリブデン(Mo)からなる環板体であって、支持外筒24と支持内筒26との間に形成された収納空間22の陰極基体10から離れた開口を塞ぐように配置されている。第1反射板60の外縁部は、支持外筒24の端部にアーク溶接により接合されていて、第1反射板60の内縁部は、アーク溶接により支持内筒26の端部に接合されている。
The first reflecting
第2反射板62は、モリブデン(Mo)からなる円板であり、第1反射板60より外側、すなわち陰極基体10から遠い方に配置されて、筒状のスペーサ64を介して、アーク溶接により第1反射板60に接合されている。
The second reflecting
反射筒66は、レニウム−モリブデン(Re−Mo)合金からなり、支持外筒24を覆うように、支持外筒24の外周に配置されている。反射筒66の陰極基体10に近い方の端部は、支持外筒24にルテニウム−モリブデン−ニッケル(Ru−Mo−Ni)合金を用いてろう付けされている。反射筒66の陰極基体10から遠い方の端部には、環状のフランジ部材68がRu−Mo−Ni合金を用いてろう付けされて設けられている。含浸型陰極構体1は、このフランジ部材68を介して、図示しない電子銃部に固定される。
The
第1反射板60、第2反射板62、および、反射筒66は、ヒータ40によって発生した熱の収納空間22から外部への放熱を抑制し、輻射により陰極基体10の加熱効率を高める。
The first reflecting
図2は、本実施形態による含浸型陰極構体のヒータと支持内筒との嵌合部付近を拡大した斜視図である。 FIG. 2 is an enlarged perspective view of the vicinity of the fitting portion between the heater and the supporting inner cylinder of the impregnated-type cathode assembly according to the present embodiment.
支持内筒26の陰極基体10から遠い方の端部には、支持内筒26の側面から支持外筒24に向かって突出した突出部30が設けられている。突出部30には、支持内筒26の軸方向に貫通する丸孔31が形成されている。突出部30は、支持内筒26と一体に形成されている。第1反射板60の突出部30に対応する位置には、切欠き61が形成されている。突出部30は、たとえば、突出方向の横断面が一辺2mmの正方形に形成され、丸孔部はφ1.5mmに形成されている。
A protruding
また、電源装置に接続された端部46とは反対側のヒータ40の端部44は、第1反射板60の内縁部に形成された切欠き61を挿通して、埋め込み材50の外部に延びて、収納空間の外部で突出部30の丸孔部31に挿入し接合されている。本実施形態においては、ヒータ40の端部44と突出部30とは、たとえば、アーク溶接により接合されている。
In addition, the
本実施形態に係る含浸型陰極構体1の製造方法について説明する。含浸型陰極構体1は、たとえば、以下のように製造される。
A method for manufacturing the impregnated-
まず、支持体20を電子放射物質が含浸されていない陰極基体10の裏面に設置して、陰極基体10と支持体20との接合部分にRu−Mo合金を塗布する。同時に、陰極基体10の裏面14にRu−Mo合金を塗布する。塗布後、Ru−Mo合金を溶解させて、陰極基体10と支持体20とを接合し、陰極基体10の裏面14にRu−Mo合金の膜を形成する。このRu−Mo合金の膜は、陰極基体10の電子放射面12から電子放射物質を含浸させる際に、電子放射物質が陰極基体10の裏面14から収納空間22に染み出さないようにするためのものである。
First, the
その後、冶具によりヒータ40を支持外筒24と支持内筒26との間に形成された収納空間22の所定位置に保持して、収納空間22に埋め込み材50を充填する。この埋め込み材50の充填は、たとえば、結着剤を含む有機溶剤に粉末状のアルミナを加えて撹拌してペースト状にしたものを収納空間22に流し込み、その後、乾燥により有機溶剤を飛散させて、真空中あるいは水素雰囲気下、1800〜1850℃で焼結させて行う。
Thereafter, the
埋め込み材50の充填後、支持体20に第1反射板60を溶接して、第1反射板60にスペーサ64を介して第2反射板62を溶接する。また、支持体20に反射筒66をろう付けする。さらに、ヒータ40の端部44を突出部30の丸孔部31に挿入して突出し部を溶接する。
After the filling
最後に、陰極基体10の電子放射面12上に電子放射物質を載せて、電子放射物質を水素雰囲気下、1600〜1700℃で溶融させて陰極基体10に含浸させて、含浸型陰極構体1が完成する。
Finally, an electron emitting material is placed on the
本実施形態によれば、電源装置に接続された端部46とは反対側のヒータ40の端部44は、埋め込み材50の外部に延びて、収納空間22の外部で支持内筒26に形成された突出部30に接合されている。そのため、この接合部分は、加熱時に支持内筒26と埋め込み材50との間に生じる熱膨張差による応力を受けにくく、ヒータ40のオン・オフを繰り返しても、ヒータ40と支持内筒26との接合が外れにくい。したがって、ヒータ40と支持体20との接合強度を、さらに高めることができ、ヒータ40に電流を安定して供給できる。
According to the present embodiment, the
また、熱容量の大きい支持内筒の外壁にヒータの一端を接合した従来の含浸型陰極構体に対し、本実施形態においては、熱容量の小さい突出部30にヒータ40の端部44を接合している。そのため、本実施形態においては、従来に比べて、溶接時の加熱量(溶接電流)および加熱時間を少なくすることができ、ヒータ40の脆化を抑制することができる。
In contrast to the conventional impregnated cathode structure in which one end of the heater is joined to the outer wall of the supporting inner cylinder having a large heat capacity, in this embodiment, the
さらに、本実施形態によれば、ヒータ40の端部44は、収納空間22の外部で支持内筒26に形成された突出部30の丸孔部31に接合されている。そのため、ヒータ40と支持体20との接合作業が容易となり、さらに接触不良を少なくすることができる。
Furthermore, according to the present embodiment, the
[第2実施形態]
本発明に係る含浸型陰極構体の第2の実施形態について、図3および図4を用いて説明する。
[Second Embodiment]
A second embodiment of the impregnated cathode assembly according to the present invention will be described with reference to FIGS.
図3は、第2実施形態による含浸型陰極構体の部分縦断面図である。図4は、本実施形態の含浸型陰極構体の突出部付近を拡大した斜視図である。 FIG. 3 is a partial longitudinal sectional view of an impregnated-type cathode assembly according to the second embodiment. FIG. 4 is an enlarged perspective view of the vicinity of the protruding portion of the impregnated-type cathode assembly of the present embodiment.
本実施形態による含浸型陰極構体2は、ジャイロトロンの電子銃に用いられる陰極構体である。含浸型陰極構体2は、陰極基体10と支持体20とヒータ40と埋め込み材50と反射板60と反射筒66とを有している。
The impregnated-type cathode assembly 2 according to the present embodiment is a cathode assembly used for an electron gun of a gyrotron. The impregnated cathode assembly 2 includes a
支持体20は、支持外筒24と支持内筒26と閉塞板28とを有している。支持内筒26は、支持外筒24との間に環状の収納空間22が形成されるように支持外筒24の筒内に支持外筒24と同軸的(同心状)に配置されている。閉塞板28は、支持体20の一方の開口端、すなわち支持外筒24および支持内筒26の同じ側の端部を塞ぐように配置されている。支持外筒24、支持内筒26、および、閉塞板28は、一体に成型されている。
The
陰極基体10は、たとえば内径70mmで外径90mmのリング状に成型されている。陰極基体10は、支持外筒24の外周に形成されたフランジ部25にろう付けされている。
The
支持体20の支持外筒24と支持内筒26との間に形成された収納空間22には、第1実施形態と同様に、ヒータ40が収納されて、埋め込み材50が充填されている。
The
支持内筒26の端部には、支持内筒26の側面にリング32が取り付けられ、このリング32は支持内筒26の軸方向に貫通する丸孔部31が形成されている。また、ヒータ40の端部44は、第1反射板60の内縁部に形成された切り欠き61を挿通して、埋め込み材50の外部に延びて、収納空間22の外部でリング32の丸孔部31に接合されている。
At the end of the support
本実施形態においては、ヒータ40の端部44の先端面とリング32の先端面とは、およそ同一平面を形成している。そして、ヒータ40の端部44の先端面、および、リング32の丸孔部31の先端面に、たとえば、長さ3mm、幅1mm、厚さ50μmの白金リボン33を20枚重ねて載置して、この白金リボン33を溶解させて、ヒータ40の端部44とリング32の丸孔部31およびリング32と支持内筒26とを電気的に接続している。
In the present embodiment, the distal end surface of the
本実施形態によっても、第1実施形態と同等の効果を得ることができる。 Also according to this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
図5は、本実施形態の変形例におけるリングの斜視図である。 FIG. 5 is a perspective view of a ring in a modification of the present embodiment.
この変形例において、支持内筒26に取り付けるリング32は、丸孔部31に切欠きが形成されたものである。この切欠きによってリング32は、周方向に分離されている。丸孔部31の内径をヒータ40の端部44よりも若干小さめに形成しておくと、リング32のばね力によってヒータ40の端部44を支持することができる。
In this modification, the
[他の実施形態]
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
[Other Embodiments]
Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
たとえば、クライストロン用の含浸型陰極構体1に係る第1実施形態では、ヒータ40の端部44と突出部30の丸孔部31とは、アーク溶接によって接合されているが、第2実施形態で説明したように、白金リボン33を溶解させることによって接合されていてもよい。また、ジャイロトロン用の含浸型陰極構体2に係る第2実施形態では、ヒータ40の端部44とリング32の丸孔部31およびリング32と支持内筒26とは、白金リボン33を溶解させることによって接合されているが、第1の実施形態で説明したように、アーク溶接によって接合されていてもよい。
For example, in the first embodiment related to the impregnated
第1実施形態における丸孔部31を有する突出部30は、支持内筒26と一体に成型されている必要はなく、支持内筒26の一端面に、たとえば、ろう付けにより接合されていてもよい。また、ヒータ40の端部44と突出部30の丸孔部31およびリング32と支持内筒26とは、たとえば、ろう付けにより接合されていても良い。
The protruding
第1実施形態および第2実施形態で説明したヒータ40の端部44の接合は、支持内筒26で行っているが、支持外筒24で行っても同様の効果が得られる。
The joining of the
1…含浸型陰極構体、2…含浸型陰極構体、10…陰極基体、12…電子放射面、14…裏面、20…支持体、22…収納空間、24…支持外筒、25…フランジ部、26…支持内筒、28…閉塞板、30…突出部、31…丸孔部、32…リング、33…白金リボン、40…ヒータ、42…発熱部分、44…端部、46…端部、48…アルミナ管、50…埋め込み材、60…第1反射板、61…切欠き、62…第2反射板、64…スペーサ、66…反射筒、68…フランジ部材
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記陰極基体の前記電子放出面の裏面から延びる支持外筒と、
前記裏面から前記支持外筒と同軸に延びて前記支持外筒との間に環状の収納空間を形成する支持内筒と、
前記支持外筒および前記支持内筒のいずれか一方から他方に向かって突出し前記支持外筒および前記支持内筒の軸方向に貫通する貫通孔が形成された固定部と、
前記収納空間に収納されて一方の端部が前記貫通孔を貫通して前記固定部に固定された線状のヒータと、
を具備することを特徴とする含浸型陰極構体。 A cathode substrate having an electron emission surface impregnated with an electron emitting material;
A support outer cylinder extending from the back surface of the electron emission surface of the cathode substrate;
A support inner cylinder extending coaxially with the support outer cylinder from the back surface to form an annular storage space between the support outer cylinder, and
A fixing portion in which a through hole that protrudes from one of the support outer cylinder and the support inner cylinder toward the other and penetrates in the axial direction of the support outer cylinder and the support inner cylinder;
A linear heater housed in the housing space and having one end passing through the through hole and fixed to the fixed part;
An impregnated cathode structure comprising:
The impregnated-type cathode assembly according to any one of claims 1 to 4, wherein the fixed portion and one end portion of the heater are joined by platinum.
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