JP6744150B2 - マイクロ波管、およびマイクロ波管のコレクタ - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波管、およびマイクロ波管のコレクタに関するものである。

マイクロ波管（microwave tube）は、電子銃部、高周波回路部、およびコレクタ（collector）によって構成される。電子銃部は、電子ビーム（beam）を発生させる。高周波回路部は、電子ビームとの相互作用によりマイクロ波を増幅する。また、コレクタは、高周波回路部でマイクロ波の増幅に寄与した電子ビームを捕捉する。

図９は一般的な内部絶縁型のコレクタ９００の構成の断面図である。図９において、電子ビームはコレクタの右側から突入してくる。

コレクタ９００は、無酸素銅等を材料とする円筒状の真空外囲器９０１の内側に円筒状の絶縁セラミック（ceramic）９０２が固定されている。絶縁セラミック９０２の内側には、円筒状の銅パイプ（pipe）９０３が固定され、銅パイプ９０３の内側には、電子ビームを捕捉するための無酸素銅等を材料として外形が円柱状のコレクタ電極９０４が配置されている。

また、コレクタ９００はコレクタ電極９０４で捕捉した電子ビームを熱にかえ外部に逃がす役目がある。そのため、コレクタ電極９０４と銅パイプ９０３の接触部、銅パイプ９０３と絶縁セラミック９０２の接触部、及び絶縁セラミック９０２と真空外囲器９０１の接触部は、ろう付けにより接合されている。

ここで、無酸素銅の熱膨張率は19.6×10-6/K、絶縁セラミックは8×10-6/Kであり、内部の方が熱膨張率が大きいため、動作時のコレクタ電極の熱膨張時の応力に絶縁セラミックが耐えられなくなってしまうことがある。その結果、絶縁セラミックが割れてコレクタ電極と真空外囲器の耐電圧が低くなり、マイクロ波管が動作しなくなる不具合が発生し信頼性が低下する問題が生じていた。

また、マイクロ波管の動作時だけでなく、マイクロ波管の製造時にも絶縁セラミックが割れることがあった。即ち、製造時にコレクタ電極をろう付する際に生じた熱により、コレクタ電極が膨張し、絶縁セラミックが割れることがあった。

特許文献１では、この様な不具合を改善するために、絶縁セラミックとコレクタ電極の間に、円筒形上で円筒の円周に沿って波型の形状をもつ波型金属薄板を配置する構成が提示されている。

特開平８−３０６３２０号公報

しかし、特許文献１に示されるコレクタの構成では、絶縁セラミックとコレクタ電極の間に波型金属薄板が配置されるため、絶縁セラミックの内径と比べて、コレクタ電極の外形は波型金属薄板の波の高低差の分だけ小さい外形になる。

即ち、図９に示される構成と同じ外形のコレクタ電極を用いて、特許文献１の構成でコレクタを設計すると、コレクタ全体の外形は波型金属薄板の波の高低差の分だけ大きくなってしまう問題があった。

本発明は、小形で信頼性の高いマイクロ波管のコレクタを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のマイクロ波管のコレクタは、電子ビームを放射する電子銃部と電子ビームとの相互作用により高周波増幅を行う高周波回路部と電子ビームを捕捉するコレクタからなるマイクロ波管に用いられるコレクタは、円筒状の導電性材料で形成される真空外囲器と、前記真空外囲器に内接する円筒状の絶縁セラミックと、前記絶縁セラミックに内接する円筒状の導電性パイプと、外形が略円柱で前記略円柱の外周の半分より小さい範囲の溶着部で前記導電性パイプと溶着され、前記溶着部以外の前記外周が、前記マイクロ波管が非動作時には前記導電性パイプと接触せず、前記マイクロ波管が動作時には前記溶着部以外の前記外周の少なくとも一部が前記導電性パイプと接触する導電性のコレクタ電極とを備える。

上記の目的を達成するために、本発明のマイクロ波管は、電子ビームを放射する電子銃部と電子ビームとの相互作用により高周波増幅を行う高周波回路部と電子ビームを捕捉するコレクタからなるマイクロ波管は、円筒状の導電性材料で形成される真空外囲器と、前記真空外囲器に内接する円筒状の絶縁セラミックと、前記絶縁セラミックに内接する円筒状の導電性パイプと、外形が略円柱で前記略円柱の外周の半分より小さい範囲の溶着部で前記導電性パイプと溶着され、前記溶着部以外の前記外周が、前記マイクロ波管が非動作時には前記導電性パイプと接触せず、前記マイクロ波管が動作時には前記溶着部以外の前記外周の少なくとも一部が前記導電性パイプと接触する導電性のコレクタ電極とを有するコレクタを備える。

本発明によれば、小形で信頼性の高いマイクロ波管、およびマイクロ波管のコレクタを提供することが可能となる。

第１の実施形態の構成例を示す図である。 第２の実施形態の構成例を示す図である。 第３の実施形態の構成例を示す図である。 第３の実施形態の構成例を示す図である。 第３の実施形態の構成例を示す図である。 第３の実施形態の構成例を示す図である。 第３の実施形態の構成例を示す図である。 第２の実施形態の変形例を示す図である。 関連技術の構成を示す図である。 第４の実施形態の構成例を示す図である。

［第１の実施形態］
次に、本発明の実施の形態について図１を参照して詳細に説明する。
［構成の説明］
図１に第１の実施形態の構成を示す。

図１はコレクタ１００の構成を示す。図１の上の図において、電子ビームはコレクタ１００の右側から突入してくる。

コレクタ１００は、無酸素銅等を材料とする円筒状の真空外囲器１０１の内側に円筒状の絶縁セラミック１０２が固定されている。絶縁セラミック１０２の内側には、無酸素銅等を材料とする円筒状の銅パイプ１０３が固定されている。銅パイプ１０３の内側には、電子ビームを捕捉するための無酸素銅等を材料として外形がほぼ円柱状のコレクタ電極１１０が配置されている。

コレクタ電極１１０の外形は、円柱形状である。

図１のＡ−Ａ’断面を参照すると、コレクタ電極１０４と銅パイプ１０３は、図で黒く塗られた、ろう付部１１１でろう付される。コレクタ電極の外周の内、ろう付部１１１の範囲はコレクタ電極１０４の軸に対する中心角が約９０度の範囲である。この中心角は９０度である必要は無く、１８０度より小さくてもよい。但し、ろう付部１１１の中心角が９０度以下になると、強度的な問題が生じる可能性があるので、通常、中心角は９０度から１８０度の範囲でろう付される。

コレクタ電極１０４の軸を中心として、ろう付部１１１と対向する外周（以下、ろう付対向部）は、マイクロ波管が非動作時でコレクタ電極１０４の温度が常温である時は銅パイプ１０３と接触しない。そして、マイクロ波管が動作してコレクタ電極１０４の温度が高温になって膨張すると、ろう付対向部は銅パイプ１０３の内周と接触する寸法に設計されている。

更に、銅パイプ１０３と絶縁セラミック１０２の接触部、及び絶縁セラミック１０２と真空外囲器１０１の接触部は、ろう付けにより接合されている。
［動作の説明］
次に本実施形態の動作について図１を参照して説明する。

マイクロ波管の動作中は、電子ビームがコレクタ電極１０４に衝突することで、コレクタ電極１０４に熱が発生する。本実施形態のコレクタ電極１０４等はろう付部１１１で外側の銅パイプ１０３とろう付けされているので、コレクタ電極１０４で発生した熱は、ろう付部１１１から銅パイプ１０３に伝導する。

また、ろう付対向部は、マイクロ波管が動作していない時には銅パイプ１０３と接触していない。しかし、マイクロ波管が動作して、コレクタ電極１０４が動作中の熱によって膨張すると、ろう付対向部と銅パイプ１０３の内周が接触する。そして、コレクタ電極１０４の熱は、ろう付部１１１だけでなく、ろう付対向部からも銅パイプ１０３に伝導する。

尚、コレクタ電極１０４は、マイクロ波管の通常の動作時におけるコレクタ電極１０４の熱膨張程度で、銅パイプ１０３および絶縁セラミック１０２に対する大きな応力を発生するほどには設計しない。即ち、通常動作時にコレクタ電極１０４が熱膨張しても、コレクタ電極１０４のろう付対向部が銅パイプ１０３の内周と接触する程度に設計する。この様にすることで、マイクロ波管の通常動作時には、銅パイプ１０３を介して絶縁セラミック１０２へ与える応力を適切に抑制して、絶縁セラミック１０２の耐久性を維持する。

以上説明した様に、本実施形態のマイクロ波管のコレクタ１００はコレクタ電極１１０等の過剰な熱膨張を抑制することにより、絶縁セラミック１０２の破損を回避するので、図２に示す関連技術のマイクロ波管のコレクタより信頼性が高い。

また、本実施形態のコレクタ１００は、特許文献１に示される様な波型金属薄板を使用していないため、特許文献１のコレクタと内部空間が同等の形状でも、小さい外形で高い信頼性を実現可能である。

この様に、本実施形態のマイクロ波管のコレクタ１００は、小形で信頼性の高いマイクロ波管のコレクタを実現する。
［第２の実施形態］
次に第２の実施形態について図２を参照して説明する。
［構成の説明］
図２に第２の実施形態の構成を示す。

第２の実施形態のコレクタ２００は、図１に示した第１の実施形態のコレクタ１００のコレクタ電極１０４がコレクタ電極２１０に変更されている。コレクタ２００の他の構成要素は、第１の実施形態のコレクタ１００と同一である。

コレクタ電極２１０は、その金属体の一部にスリット（slit；空隙）２１２を有する。また、コレクタ電極２１０は、第１の実施形態のコレクタ電極１１０のろう付部１１１と同様に、ろう付部２１１で銅パイプ１０３と、ろう付されている。

スリット２１２は、コレクタ電極２１０の外円周に沿ったろう付部２１１の中央（以下、ろう付中央）を通る円柱の直径上で、ろう付中央から前記直径の略４分の３の位置に前記直径に垂直に設けられている。更に、スリット２１２は、コレクタ電極２１０の一部を残すように設けられている。

尚、スリット２１２は、必ずしもろう付部２１１の中央（以下、ろう付中央）を通る円柱の直径上で、ろう付中央から前記直径の略４分の３の位置に前記直径に垂直に設けられる必要はない。スリット２１２は、コレクタ電極の円周上で、ろう付部２１１以外の任意の位置を開口としてコレクタ電極の一部を残して設けられても良い。

尚、コレクタ電極２１０の軸を中心として、ろう付部２１１と対向する外周（前述、ろう付対向部）は、マイクロ波管が非動作時でコレクタ電極２１０の温度が常温である時は銅パイプ１０３と接触しない。そして、マイクロ波管が動作してコレクタ電極２１０の温度が高温になって膨張すると、ろう付対向部は銅パイプ１０３の内周と接触する寸法に設計されていることは、第１の実施形態のコレクタ電極１０４と同様である。
［動作の説明］
次に、本実施形態の動作について図２を参照して説明する。

マイクロ波管のコレクタを製造する際のろう付け時には、コレクタ２００全体の温度が動作時よりも高い摂氏８００度に及び、コレクタ電極２１０はマイクロ波管の動作中の熱膨張よりさらに大きく膨張する。すると銅パイプ１０３を押し広げる力が働き、ひいては絶縁セラミック１０２の破損につながる恐れがある。しかし、コレクタ電極２１０はスリット２１２を有しているので、コレクタ電極２１０の過剰な熱膨張が生じてもスリット２１２が変形して熱膨張による応力を効果的に吸収するため、絶縁セラミック１０２の破損を防ぐ。

以上説明した様に、本実施形態のコレクタ２００は、第１の実施形態のコレクタ１００と同様に、マイクロ波管の動作時における絶縁セラミックの破損防止の効果を有する。更に、本実施形態のコレクタ２００は、コレクタを製造する際のろう付時の高温による絶縁セラミックの破損防止の効果を有するので、第１の実施形態のコレクタ１００と比べて製造時の信頼性が向上する。
［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態について図３乃至図８を参照して説明する。
［構成の説明］
第３の実施形態のコレクタ３００は、図２に示した第２の実施形態のコレクタ２００のコレクタ電極２１０がコレクタ電極３１１０、３１２０、３１３０、および３１４０（以下、コレクタ電極３１１０等）に変更されている。コレクタ３００の他の構成要素は、第１の実施形態のコレクタ１００、および第２の実施形態のコレクタ２００と同一である。

コレクタ電極３１１０等は、第２の実施形態のコレクタ電極２１０をコレクタ電極の円柱軸方向に沿って４つの円柱状に分割した形状をしている。

そして、コレクタ電極３１１０等の、ろう付部３１１１、３１２１、３１３１および３１４１（以下、ろう付部３１１１等）は、コレクタ電極３１１０等の配置の順番に、コレクタ電極の軸の中心に対して９０度ずつずらして配置されている。また、図３では作図上、コレクタ電極３１１０等はそれぞれ軸方向に接している様に描かれているが、実際にはろう材でつながらないように銅パイプ１０３の中心軸方向に間隔をあけて配置されている。
［動作の説明］
更に、コレクタ電極３１１０等のそれぞれの、ろう付部３１１１等の位置は、コレクタ電極３１１０等の配置の順に、銅パイプ１０３の円周方向に沿って９０度おきの位置に、０度、９０度、１８０度、２７０度の様に順番にずらして配置している。ろう付部３１１１等をこの様にすることで、熱の伝導箇所が銅パイプ１０３の内径の局所に偏らず、内径円周に沿って分散して熱が伝導する。そのため、熱膨張による銅パイプ１０３を押し広げる力は分散され、絶縁セラミック１０２の破損を防ぐ。

尚、コレクタ電極３１１０等の配置の順に対して、銅パイプ１０３の円周方向に沿ってろう付部３１１１等の位置をずらす順は、例えば０度、１８０度、９０度、２７０度の様に、９０度おきの位置の任意の順にずらしてもよい。

また、ろう付部３１１１等の位置は、３６０度をコレクタ電極の数で等分せずに、隣接したコレクタ電極のろう付部が同じ位置にならないように配置することでも良い。例えば、４つのコレクタ電極であっても、例えば、０度、１８０度、０度、１８０度の様な順にろう付部を配置しても良い。

更に、本実施形態のコレクタ電極は４つに分割されていたが、２つ以上に分割されて、隣接したコレクタ電極のろう付部が同じ位置にならないように配置されても良い。

以上の様にすることで、本実施形態のコレクタ３００は、第１の実施形態のコレクタ１００、および第２の実施形態のコレクタ２００と比べて、コレクタ電極から銅パイプへの熱の伝導を局所に集中せずに内径全体に分散することができる。そのため、本実施形態のコレクタ３００は、第１の実施形態のコレクタ１００、および第２の実施形態のコレクタ２００と比べて、絶縁セラミック１０２の破損をより効果的に防止できる。
［第４の実施形態］
次に、第４の実施形態について、図１０を参照して説明する。

本実施形態のマイクロ波管のコレクタ１０００は、電子ビームを放射する電子銃部と電子ビームとの相互作用により高周波増幅を行う高周波回路部と電子ビームを捕捉するコレクタ１０００からなるマイクロ波管に用いられる。コレクタ１０００は、円筒状の導電性材料で形成される真空外囲器１００１と、前記真空外囲器に内接する円筒状の絶縁セラミック１００２と、前記絶縁セラミックに内接する円筒状の導電性パイプ１００３と、コレクタ電極１０１０とを備える。コレクタ電極１０１０は、外形が略円柱で前記略円柱の外周の半分より小さい範囲の溶着部１０１１で前記導電性パイプ１００３と溶着される。そして、前記溶着部１０１１以外の前記外周が、前記マイクロ波管が非動作時には前記導電性パイプ１００３と接触せず、前記マイクロ波管が動作時には前記溶着部１０１１以外の前記外周の少なくとも一部が前記導電性パイプ１００３と接触する。

以上の様にすることで、本実施形態のマイクロ波管のコレクタ１０００は、小形で信頼性の高いマイクロ波管のコレクタを実現することが出来る。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上記実施形態に限定されるものではなく、次のように拡張または変形できる。

第１乃至第３の実施形態における、ろう付けは、溶接などの他の溶着手段であっても良い。

第１および第２の実施形態のコレクタ電極の外形は円柱形状であったが、コレクタ電極の外形を、軸に垂直断面の外周形状が、２箇所の大径部と２箇所の小径部からなる形状とすることも出来る。図８は、第２の実施形態に示したスリット付きのコレクタ電極の変形例のＡ−Ａ’断面図である。コレクタ電極８１０の外周の大径部の片側がろう付部８１１であり、銅パイプ１０３とろう付けされる。スリット８１２は、コレクタ電極８１０の外円周に沿ったろう付部８１１の中央（以下、ろう付中央）を通る円柱の直径上で、ろう付中央から前記直径の略４分の３の位置に前記直径に垂直に設けられている。更に、スリット８１２は、コレクタ電極８１０の一部を残すように設けられている。この様にすると、コレクタ電極８００１が熱膨張した時に、ろう付対向部（前述）が銅パイプ１０３と接触する箇所が限定されることで、より確実に接触可能となる。

また、第１および第２のコレクタ電極の別の形状として、次の形状としても良い。即ち、コレクタ電極の外形は、ほぼ円柱形状であり、円柱状の軸に対する垂直断面の外形を楕円とする。そして、楕円の長径は銅パイプ１０３より小さく、楕円の長径と楕円の外形の片側の交点を含む楕円周囲の半分より小さい範囲をろう付部とする。そして、マイクロ波管が動作時にコレクタ電極が高温となって膨張すると、コレクタ電極のろう付部と反対側の楕円周囲部分が銅パイプ１０３の内周に接触するように設計しても良い。

１００ コレクタ
１０１ 真空外囲器
１０２ 絶縁セラミック
１０３ 銅パイプ
１０４ コレクタ電極
１１０ コレクタ電極
１１１ ろう付部
２００ コレクタ
２１０ コレクタ電極
２１１ ろう付部
２１２ スリット
３００ コレクタ
７００ コレクタ
８１０ コレクタ電極
８１１ ろう付部
８１２ スリット
９００ コレクタ
９０１ 真空外囲器
９０２ 絶縁セラミック
９０３ 銅パイプ
９０４ コレクタ電極
１０００ コレクタ
１００１ 真空外囲器
１００２ 絶縁セラミック
１００３ 導電性パイプ
１０１０ コレクタ電極
１０１１ 溶着部
３１１０ コレクタ電極
３１１１ ろう付部
３１２０ コレクタ電極
３１２１ ろう付部
３１３０ コレクタ電極
３１３１ ろう付部
８００１ コレクタ電極

Claims (10)

1. 電子ビームを放射する電子銃部と電子ビームとの相互作用により高周波増幅を行う高周波回路部と電子ビームを捕捉するコレクタからなるマイクロ波管に用いられるコレクタは、
   円筒状の導電性材料で形成される真空外囲器と、
   前記真空外囲器に内接する円筒状の絶縁セラミックと、
   前記絶縁セラミックに内接する円筒状の導電性パイプと、
   外形が略円柱で、前記電子ビームが入射する側に向かって径が広がる開口を備え、前記略円柱の外周の半分より小さい範囲の溶着部で前記導電性パイプと溶着され、前記溶着部以外の前記外周が、前記マイクロ波管が非動作時には前記導電性パイプと接触せず、前記マイクロ波管が動作時には前記溶着部以外の前記外周の少なくとも一部が前記導電性パイプと接触する導電性のコレクタ電極とを備えることを特徴とするマイクロ波管のコレクタ。
2. 前記外周は真円であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波管のコレクタ。
3. 前記外周は楕円であり、前記溶着部は前記楕円の長径と前記外周の交点の１つを含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波管のコレクタ。
4. 前記外周は前記略円柱の軸に垂直な断面の中心に対して相対する２つの大径部と前記略円柱の軸に垂直な断面の中心に対して相対する２つの小径部からなり、前記溶着部は前記大径部の１つの外周であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波管のコレクタ。
5. 前記溶着部以外の前記外周の一部を開口とし前記コレクタ電極の一部を残して前記略円柱の軸に対して略平行に貫通するスリットを有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のマイクロ波管のコレクタ。
6. 前記スリットは、前記溶着部の前記略円柱の前記外周に沿った中央と前記略円柱の軸に垂直な断面の中心を通る直線上で、前記直線に垂直であることを特徴とする請求項５に記載のマイクロ波管のコレクタ。
7. 前記スリットは、前記溶着部の前記外周に沿った中央から前記直線上で前記直線と前記外周の交点同士の距離の略４分の３の位置に配置されることを特徴とする請求項６に記載のマイクロ波管のコレクタ。
8. 前記コレクタ電極は前記略円柱の軸に沿った複数のコレクタ電極からなり、前記複数のコレクタ電極の前記溶着部は、前記軸を中心とする中心角の位置が隣接する前記コレクタ電極どうしで異なることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のマイクロ波管のコレクタ。
9. 前記複数のコレクタ電極の前記溶着部は、前記軸を中心とする中心角の位置が前記外周に沿って３６０度を前記複数のコレクタ電極の数で割った角度ずつずれた位置に配置されることを特徴とする請求項８に記載のマイクロ波管のコレクタ。
10. 電子ビームを放射する電子銃部と電子ビームとの相互作用により高周波増幅を行う高周波回路部と電子ビームを捕捉するコレクタからなるマイクロ波管は、
    円筒状の導電性材料で形成される真空外囲器と、
    前記真空外囲器に内接する円筒状の絶縁セラミックと、
    前記絶縁セラミックに内接する円筒状の導電性パイプと、
    外形が略円柱で、前記電子ビームが入射する側に向かって径が広がる開口を備え、前記略円柱の外周の半分より小さい範囲の溶着部で前記導電性パイプと溶着され、前記溶着部以外の前記外周が、前記マイクロ波管が非動作時には前記導電性パイプと接触せず、前記マイクロ波管が動作時には前記溶着部以外の前記外周の少なくとも一部が前記導電性パイプと接触する導電性のコレクタ電極とを有するコレクタを備えることを特徴とするマイクロ波管。
    

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