JP6302290B2 - 含浸型陰極構体 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、含浸型陰極構体に関する。

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は、その出力がメガワット級に至り、ますます高出力化が進んでいる。そのため、高出力化に対応するために、酸化物陰極に代えて、含浸型陰極構体が用いられるようになってきている。
含浸型陰極構体は、円筒状の収納部と、収納部の内部に設けられたヒータを備えている。
ヒータの一方の端部は、含浸型陰極構体の外部に伸び、電源装置などに接続されている。
ヒータの他方の端部は、収納部に接合されている。
ここで、含浸型陰極構体の小型化が進むと、ヒータの線状材の直径寸法が小さくなる。 ヒータの線状材の直径寸法が小さくなると、ヒータの端部と収納部との接合強度が低くなるおそれがある。
そのため、ヒータの端部における接合強度の向上を図ることができる技術の開発が望まれていた。

特開２０１１−１２９３８４号公報

本発明が解決しようとする課題は、ヒータの端部における接合強度の向上を図ることができる含浸型陰極構体を提供することである。

実施形態に係る含浸型陰極構体は、収納部と、電子放射物質が含浸され、前記収納部の一方の端部に設けられた陰極基体と、前記収納部の他方の端部に設けられた反射板と、前記収納部の内部に設けられ、少なくとも一方の端部が前記反射板を挿通して前記収納部の外部に伸びるヒータと、前記反射板に設けられ、前記ヒータの前記一方の端部に沿って伸び、前記反射板と、前記ヒータの前記一方の端部と、を電気的に接合する接合部と、を備えている。

本実施の形態に係る含浸型陰極構体１を例示するための模式部分断面図である。 接合部３０を例示するための模式斜視図である。 他の実施形態に係る接合部１３０を例示するための模式斜視図である。 他の接合形態を例示するための模式斜視図である。

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
本発明の実施形態に係る含浸型陰極構体は、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ることができる。
以下においては、一例として、クライストロンの電子銃に用いることができる含浸型陰極構体について例示をする。

図１は、本実施の形態に係る含浸型陰極構体１を例示するための模式部分断面図である。
図１に示すように、含浸型陰極構体１には、陰極基体１０、収納部２０、接合部３０、ヒータ４０、絶縁管４８、埋め込み材５０、反射板６０、および反射筒６６が設けられている。

陰極基体１０は、収納部２０の一方の端部を塞ぐように設けられている。
陰極基体１０の裏面１４（電子放射面１２とは反対側の面）は、収納部２０の一方の端部にろう付けされている。ろう付けには、例えば、ルテニウム−モリブデン（Ｒｕ−Ｍｏ）合金を用いることができる。
陰極基体１０の収納部２０側とは反対側の面には、電子放射面１２が設けられている。
電子放射面１２は、所定の曲率を有する凹状の曲面となっている。
陰極基体１０は、例えば、直径寸法が１５ｍｍ程度の円板とすることができる。
陰極基体１０は、例えば、タングステン（Ｗ）からなる多孔質体から形成することができる。多孔質体である陰極基体１０の空孔率は、例えば、１５％〜２０％程度とすることができる。
陰極基体１０の空孔には、電子放射物質が含浸されている。電子放射物質は、例えば、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）などとすることができる。

収納部２０は、その内部に設けられた収納空間２２に、ヒータ４０と埋め込み材５０を収納する。
また、収納部２０は、一方の端部側において陰極基体１０を保持する。
収納部２０は、例えば、円筒状を呈している。
収納部２０は、例えば、モリブデン（Ｍｏ）から形成することができる。

接合部３０は、反射板６０に設けられ、ヒータ４０の一方の端部４４に沿って伸びている。
接合部３０は、反射板６０と、ヒータ４０の一方の端部４４とを電気的に接合する。
接合部３０は、例えば、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、レ二ウム−モリブデン（Ｒｅ）合金などから形成することができる。この場合、接合部３０の材料は、反射板６０の材料と同じとすることができる。
なお、接合部３０に関する詳細は後述する。

ヒータ４０は、ジュール熱を発生し、埋め込み材５０を介して、陰極基体１０を加熱する。
ヒータ４０は、線状材を巻き回して形成されたコイル状の中間部分４２（発熱部分）と、中間部分４２の一端に設けられた端部４４と、中間部分４２の他端に設けられた端部４６とを有する。
線状材の直径寸法は、例えば、０．３ｍｍ程度とすることができる。線状材の材料は、例えば、タングステン（Ｗ）とすることができる。

中間部分４２は、収納空間２２に収納されている。中間部分４２の巻き回し軸（巻き回しの中心軸）は、収納部２０の周方向に伸びている。
なお、中間部分４２の巻き回し軸は、収納部２０の軸方向に伸びていてもよい。例えば、中間部分４２は、収納部２０の中心軸の周りに巻き回されたものであってもよい。
また、コイル状の中間部分４２を例示したが、これに限定されるわけではない。中間部分４２の形態は、ヒータ４０に供給される電力や、必要となる発熱量などに応じて適宜変更することができる。

ヒータ４０の端部４４は、反射板６０に設けられた孔６１を通り、収納部２０の外部に伸びている。
また、ヒータ４０の端部４４は、接合部３０を介して、反射板６０と電気的に接合されている。
そのため、ヒータ４０、収納部２０、および、陰極基体１０は、同電位となっている。
一方、ヒータ４０の端部４６は、絶縁管４８の内部を通り、収納部２０の外部に伸びている。ヒータ４０の端部４６は、含浸型陰極構体１の外部に設けられた電源装置と接続される。

絶縁管４８は、管状を呈し、反射板６０に設けられた孔に挿入されている。
絶縁管４８は、ヒータ４０と反射板６０とを絶縁する。また、絶縁管４８は、埋め込み材５０の表面付近においてヒータ４０が折損することを防止する。
絶縁管４８は、絶縁材料から形成されている。絶縁管４８は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）などから形成することができる。

埋め込み材５０は、ヒータ４０からの熱を陰極基体１０に伝達する。また、埋め込み材５０は、収納空間２２に収納されたヒータ４０を保持する。
そのため、埋め込み材５０は、ヒータ４０の中間部分４２が収納された収納空間２２に隙間なく充填されている。
埋め込み材５０は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の焼結体（アルミナ焼結体）から形成することができる。

反射板６０は、収納空間２２から外部へ放出される熱を抑制するとともに、入射した熱を陰極基体１０に向けて放出する。反射板６０を設けるようにすれば、陰極基体１０に対する加熱効率を向上させることができる。
反射板６０は、例えば、円板状を呈したものとすることができる。
反射板６０は、収納部２０の陰極基体１０側とは反対側の端部を塞ぐように設けられている。
反射板６０周縁は、収納部２０の陰極基体１０側とは反対側の端部に溶接されている。反射板６０は、例えば、レーザ溶接法を用いて、収納部２０の端部に溶接することができる。
反射板６０は、例えば、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、レ二ウム−モリブデン（Ｒｅ）合金などから形成することができる。

反射筒６６は、収納部２０から外部へ放出される熱を抑制するとともに、入射した熱を収納部２０に向けて放出する。反射筒６６を設けるようにすれば、陰極基体１０に対する加熱効率を向上させることができる。
反射筒６６は、例えば、円筒状を呈し、収納部２０の側面を覆うように設けられている。反射筒６６は、例えば、収納部２０と同軸となるように設けることができる。
反射筒６６の一方の端部（陰極基体１０寄りの端部）は、陰極基体１０の裏面１４にろう付けされている。ろう付けには、例えば、ルテニウム−モリブデン−ニッケル（Ｒｕ−Ｍｏ−Ｎｉ）合金を用いることができる。
反射筒６６の他方の端部は、含浸型陰極構体１が設けられる電子銃に固定される。
反射筒６６は、例えば、レニウム−モリブデン（Ｒｅ−Ｍｏ）合金から形成することができる。

次に、接合部３０についてさらに説明する。
図２は、接合部３０を例示するための模式斜視図である。
図２に示すように、接合部３０は、第１の部分３０ａ、第２の部分３０ｂ、第３の部分３０ｃ、および座部３０ｄを有する。
第１の部分３０ａは、反射板６０に設けられた孔６１の近傍に設けられている。第１の部分３０ａは、ヒータ４０の端部４４に沿って伸びている。
第１の部分３０ａの反射板６０側の端部は、反射板６０と接合されている。

第２の部分３０ｂは、反射板６０に設けられた孔６１の近傍に設けられている。第２の部分３０ｂは、ヒータ４０の端部４４を挟んで第１の部分３０ａと対峙している。第２の部分３０ｂは、ヒータ４０の端部４４に沿って伸びている。

第３の部分３０ｃは、ヒータ４０の端部４４の端面の上に設けられている。第３の部分３０ｃは、ヒータ４０の端部４４の端面と接触していてもよいし、ヒータ４０の端部４４の端面との間に隙間が設けられていてもよい。
第３の部分３０ｃは、第１の部分３０ａの反射板６０側とは反対側の端部と、第２の部分３０ｂの反射板６０側とは反対側の端部とに接合されている。

座部３０ｄは、第２の部分３０ｂの反射板６０側の端部に設けられている。
座部３０ｄは、面状を呈し、反射板６０に接合されている。座部３０ｄを設けるようにすれば、接合部３０と反射板６０の接合強度を高めることができるとともに、接合が容易となる。

第１の部分３０ａと、第２の部分３０ｂと、第３の部分３０ｃとにより画された空間の内部には、ヒータ４０の端部４４が伸びている。
第１の部分３０ａ、第２の部分３０ｂ、第３の部分３０ｃ、および座部３０ｄは、塑性加工法などを用いて一体に形成することができる。
この場合、第１の部分３０ａおよび座部３０ｄと、反射板６０との接合は、例えば、抵抗溶接法やレーザ溶接法などを用いて行うことができる。
また、接合部３０と反射板６０は、塑性加工法などを用いて一体に形成することもできる。
この場合、接合部３０の座部３０ｄと、反射板６０とを接合する場合は、例えば、抵抗溶接法やレーザ溶接法などを用いて行うことができる。

第１の部分３０ａおよび第２の部分３０ｂのヒータ４０の端部４４に沿って伸びる方向における長さ（高さ方向の長さ）は、例えば、１ｍｍ〜５ｍｍ程度とすることができる。
第１の部分３０ａ、第２の部分３０ｂ、および第３の部分３０ｃのヒータ４０の端部４４に沿って伸びる方向と直交する方向における長さ（幅方向の長さ）は、例えば、１ｍｍ程度とすることができる。
第１の部分３０ａ、第２の部分３０ｂ、および第３の部分３０ｃの厚みは、０．１ｍｍ程度とすることができる。

前述したように、ヒータ４０の端部４４は、接合部３０を介して、反射板６０と電気的に接合されている。
例えば、図１、図２に示したように、第１の部分３０ａおよび第２の部分３０ｂにおいて、ヒータ４０の端部４４と接合部３０とを溶融接合することができる。
この場合、ヒータ４０の端部４４の外周面と、第１の部分３０ａおよび第２の部分３０ｂの内面とが溶融接合される。

ヒータ４０の端部４４と接合部３０との溶融接合は、例えば、抵抗溶接法やレーザ溶接法などを用いて行うことができる。
なお、図１、図２に例示をしたものは、抵抗溶接法を用いて溶融接合した場合である。

ここで、収納部２０の熱膨張率は、埋め込み材５０の熱膨張率とは異なる。そのため、ヒータ４０による加熱が行われると、ヒータ４０の端部４４と収納部２０側との接合部分において熱応力が発生するおそれがある。
本実施の形態に係る含浸型陰極構体１は、収納部２０および埋め込み材５０の外部において、ヒータ４０の端部４４と、収納部２０側である接合部３０とが接合されている。

そのため、ヒータ４０の端部４４と接合部３０との接合部分に発生する熱応力を低減させることができる。
その結果、ヒータ４０のオン・オフを繰り返しても、ヒータ４０の端部４４と接合部３０との接合が外れにくくなる。
ヒータ４０の端部４４と接合部３０との接合が外れにくくなれば、ヒータ４０と陰極基体１０の電位を安定して同電位に保つことができるため、ヒータ４０に電流を安定して供給することができる。

また、接合部３０の熱容量は、収納部２０の熱容量よりも遙かに小さい。
そのため、ヒータ４０の端部４４と接合部３０とを接合する場合の加熱量（溶接電流）および加熱時間は、ヒータ４０の端部４４と収納部２０とを接合する場合に比べて少なくすることができる。
その結果、ヒータ４０の脆化を抑制することができるので、ヒータ４０の端部４４における接合強度の向上を図ることができる。

ここで、含浸型陰極構体１の小型化が進むと、ヒータ４０の線状材の直径寸法が小さくなる。
例えば、含浸型陰極構体１の直径寸法が２０ｍｍ以下となると、ヒータ４０の線状材の直径寸法が０．５ｍｍ以下となる。
ヒータ４０の線状材の直径寸法が小さくなるほど、ヒータ４０の端部４４と収納部２０側との接合時に溶断が発生したり、ヒータ４０の脆化が生じやすくなったりする。
接合部３０の熱容量は、収納部２０の熱容量よりも遙かに小さいので、ヒータ４０の線状材の直径寸法が小さくなっても、ヒータ４０の端部４４と接合部３０との接合時に溶断が発生したり、ヒータ４０の脆化が生じたりするのを抑制することができる。
そのため、ヒータ４０の端部４４における接合強度の向上を図ることができる。

また、ヒータ４０の端部４４は、収納部２０の外部において、接合部３０と接合される。そのため、ヒータ４０の端部４４と接合部３０との接合作業が容易となる。その結果、ヒータ４０と陰極基体１０との導通不良の発生を低減させることができ、かつ、製造コストを抑えることができる。

図３は、他の実施形態に係る接合部１３０を例示するための模式斜視図である。
図３に示すように、接合部１３０は、第１の部分３０ａ、第２の部分３０ｂ、第３の部分３０ｃ、座部３０ｄ１、および座部３０ｄ２を有する。
座部３０ｄ１は、第１の部分３０ａの反射板６０側の端部に設けられている。
座部３０ｄ１は、面状を呈し、反射板６０に接合されている。
座部３０ｄ２は、第２の部分３０ｂの反射板６０側の端部に設けられている。
座部３０ｄ２は、面状を呈し、反射板６０に接合されている。
座部３０ｄ１、および座部３０ｄ２を設けるようにすれば、接合部１３０と反射板６０の接合強度をさらに高めることができる。
また、接合時に接合部１３０の姿勢を安定させることができるので、接合が容易となる。

第１の部分３０ａ、第２の部分３０ｂ、第３の部分３０ｃ、座部３０ｄ１、および座部３０ｄ２は、塑性加工法などを用いて一体に形成することができる。
座部３０ｄ１および座部３０ｄ２と、反射板６０との接合は、例えば、抵抗溶接法やレーザ溶接法などを用いて行うことができる。

図４は、他の接合形態を例示するための模式斜視図である。
図１〜図３に例示をした場合は、接合部３０とヒータ４０の端部４４とを直接接合している。
これに対し、図４に例示をするものの場合は、接合材３２を介して、接合部３０とヒータ４０の端部４４とを接合している。
接合材３２は、厚みの薄い帯状体とすることができる。
接合材３２は、例えば、幅寸法が１ｍｍ程度、厚み寸法が５０μｍ程度の帯状体とすることができる。
接合材３２の材料は、例えば、白金（Ｐｔ）などとすることができる。

接合材３２は、複数の折り目が付けられた状態で、第１の部分３０ａと、ヒータ４０の端部４４との間に設けられている。
また、接合材３２は、複数の折り目が付けられた状態で、第２の部分３０ｂと、ヒータ４０の端部４４との間にも設けることができる。
接合部３０（第１の部分３０ａ、第２の部分３０ｂ）とヒータ４０の端部４４とを接合する際には、まず、抵抗溶接法を用いて、接合部３０とヒータ４０の端部４４とを接合材３２を介して溶融接合する。
次に、レーザ溶接法を用いて、接合材３２をさらに溶融する。
この様にすれば、接合部３０と反射板６０の接合強度をさらに高めることができる。
また、抵抗溶接法やレーザ溶接法を用いて溶融接合される部分以外の領域においても、接合材３２を介して、接合部３０とヒータ４０の端部４４とを電気的に接合することもできる。
ここで、接合材３２が、接合部３０とヒータ４０の端部４４との間に設けられる場合を例示したが、接合材３２が、接合部の３０の外側に設けられるようにすることもできる。

なお、以上においては、接合部３０とヒータ４０の端部４４とが溶融接合される場合を例示したが、接合部３０とヒータ４０の端部４４とが電気的に接合されていればよい。
例えば、第１の部分３０ａおよび第２の部分３０ｂの少なくともいずれかと、ヒータ４０の端部４４が接触していたり、第１の部分３０ａと第２の部分３０ｂとの間にヒータ４０の端部４４が嵌め合わされていたりしていてもよい。
ただし、接合部３０とヒータ４０の端部４４とが溶融接合されていれば、電気的な接合に対する信頼性を向上させることができる。

次に、含浸型陰極構体１の製造方法について例示をする。
含浸型陰極構体１は、例えば、以下のようにして製造することができる。
まず、陰極基体１０に電子放射面１２を形成する。
ここで、陰極基体１０に電子放射面１２を形成する際に、空孔の目潰れが発生すると、電子放射物質が空孔に十分に含浸されないおそれがある。
そのため、陰極基体１０の空孔に樹脂を含浸させておく。
そして、樹脂を含浸させた陰極基体１０を加工して、所定の曲率を有する凹状の電子放射面１２を形成する。
電子放射面１２の加工後に、陰極基体１０を水素雰囲気下または真空下で加熱して、含浸されている樹脂を除去する。

次に、陰極基体１０の裏面１４に、収納部２０を取り付ける。
次に、陰極基体１０と収納部２０との接合のためにルテニウム−モリブデン（Ｒｕ−Ｍｏ）合金を塗布する。
この際、陰極基体１０の裏面１４にもルテニウム−モリブデン（Ｒｕ−Ｍｏ）合金を塗布する。
次に、ルテニウム−モリブデン（Ｒｕ−Ｍｏ）合金を溶解させて、陰極基体１０と収納部２０とを接合する。
また、これと同時に、陰極基体１０の裏面１４にルテニウム−モリブデン（Ｒｕ−Ｍｏ）合金の膜を形成する。
陰極基体１０の裏面１４にルテニウム−モリブデン（Ｒｕ−Ｍｏ）合金の膜を形成すれば、陰極基体１０の電子放射面１２側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ことができる。

次に、冶具を用いて、収納空間２２の所定位置にヒータ４０を保持する。
次に、収納空間２２に埋め込み材５０を充填する。
例えば、以下の様にして埋め込み材５０を充填することができる。
まず、結着剤を含む有機溶剤に粉末状の酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を加え、撹拌してペースト状の埋め込み材５０を生成する。
続いて、ペースト状の埋め込み材５０を収納空間２２に流し込み、これを乾燥させることで、有機溶剤を飛散させる。
続いて、真空中あるいは水素雰囲気下において、１８００℃〜１８５０℃に加熱することで、乾燥させた埋め込み材５０を焼結させる。

次に、陰極基体１０の空孔に電子放射物質を含浸させる。
例えば、陰極基体１０の電子放射面１２上に電子放射物質を載せて、水素雰囲気下において、１３００℃〜１７００℃に加熱する。
すると、電子放射物質が溶融して、陰極基体１０の空孔に含浸される。
次に、収納部２０の端部に反射板６０を接合する。
例えば、レーザ溶接法を用いて、収納部２０の端部に反射板６０を溶融接合する。
次に、陰極基体１０の裏面１４に、反射筒６６を接合する。
例えば、ルテニウム−モリブデン−ニッケル（Ｒｕ−Ｍｏ−Ｎｉ）合金を用いて、陰極基体１０の裏面１４に、反射筒６６をろう付けする。

次に、ヒータ４０の端部４４と接合部３０、１３０を接合する。
例えば、抵抗溶接法やレーザ溶接法を用いて、ヒータ４０の端部４４と接合部３０、１３０を溶融接合する。
以上のようにして、含浸型陰極構体１を製造することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、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、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、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。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１ 含浸型陰極構体、１０ 陰極基体、１２ 電子放射面、１４ 裏面、２０ 収納部、３０ 接合部、３０ａ 第１の部分、３０ｂ 第２の部分、３０ｃ 第３の部分、３０ｄ 座部、３０ｄ１ 座部、３０ｄ２ 座部、３２ 接合材、４０ ヒータ、４２ 中間部分、４４ 端部、４６ 端部、４８ 絶縁管、５０ 埋め込み材、６０ 反射板、６６ 反射筒、１３０ 接合部

Claims (5)

1. 収納部と、
   電子放射物質が含浸され、前記収納部の一方の端部に設けられた陰極基体と、
   前記収納部の他方の端部に設けられた反射板と、
   前記収納部の内部に設けられ、少なくとも一方の端部が前記反射板を挿通して前記収納部の外部に伸びるヒータと、
   前記反射板に設けられ、前記ヒータの前記一方の端部に沿って伸び、前記反射板と、前記ヒータの前記一方の端部と、を電気的に接合する接合部と、
   を備えた含浸型陰極構体。
2. 前記接合部は、
   前記ヒータの前記一方の端部に沿って伸びる第１の部分と、
   前記ヒータの前記一方の端部を挟んで前記第１の部分と対峙して設けられ、前記ヒータの前記一方の端部に沿って伸びる第２の部分と、
   を有する請求項１記載の含浸型陰極構体。
3. 前記第１の部分と、前記ヒータの前記一方の端部と、の間に設けられ、白金を含む接合材をさらに備えた請求項２記載の含浸型陰極構体。
4. 前記接合材は、前記第２の部分と、前記ヒータの前記一方の端部と、の間にもさらに設けられている請求項３記載の含浸型陰極構体。
5. 前記接合部は、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、およびレ二ウム−モリブデン（Ｒｅ）合金からなる群より選ばれた少なくとも１種を含む請求項１〜４のいずれか１つに記載の含浸型陰極構体。

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