(57)【要約】【課題】磁束密度分布の更なる均質化及び調整を簡単にかつ効率よく行うことができ、高出力用のものではパルス内周波数の安定度が極めて高くなるようにする。【解決手段】陰極体４、複数の空胴共振器を持つ陽極体３、中心軸であるＺ軸と同軸に磁束を形成するためのマグネット７ａ，７ｂ、陽極体３の内部空間２の開口部に配置され、マグネット７ａ，７ｂの径よりも小さな径の円板状第１磁性体６ａ，６ｂを有するマグネトロン１０において、第１磁極体６ａ，６ｂからＺ軸中心側かつ該第１磁性体６ａ，６ｂの径方向外側の位置で、Ｚ軸と同軸に、第１磁性体６ａ，６ｂとは別体で環状の第２磁性体１４ａ，１４ｂを配置し、この第２磁性体１４ａ，１４ｂのＺ軸方向の厚みを第１磁性体６ａ，６ｂの厚みよりも厚くする。また、この第２磁性体１４ａ，１４ｂは、封止部材５ａ，５ｂ等に形成された突出部で脱落が防止される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極体と、
この陰極体を内部空間に配置し、複数の空胴共振器を持つ陽極体と、
上記陰極体の中心軸であるＺ軸と同軸に磁束を形成するための磁極体と、
上記陽極体の内部空間の開口側に配置され、上記磁性体の径よりも小さな径とされた円板状の第１磁性体と、を有するマグネトロンにおいて、
上記磁極体から上記陰極体Ｚ軸中心側かつ上記第１磁性体の径方向外側の位置で、Ｚ軸と同軸に配置され、上記第１磁性体とは別体となる環状の磁性体であって、そのＺ軸方向の厚みを上記第１磁性体の厚みよりも厚くした第２磁性体を配置したことを特徴とするマグネトロン。
【請求項２】
請求項１に記載のマグネトロンにおいて、上記磁極体から上記陰極体Ｚ軸中心側かつ上記第２磁性体の径方向外側の位置で、Ｚ軸と同軸に配置され、上記第２磁性体とは別体となる環状の磁性体であって、そのＺ軸方向の厚みを上記第２磁性体の厚みよりも厚くした第３磁性体を配置したことを特徴とするマグネトロン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマグネトロン、特に高出力パルス用マグネトロンにおいて、その作用空間における磁束密度分布を制御し、パルス内の周波数安定度を高くするための構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１１には、従来の高出力パルスマグネトロンの構成が示されており、このマグネトロン１は、例えば複数の空胴共振器が形成された内部空間２を有する円筒状の陽極体３、内部空間２の中央部に配置された陰極体４、内部空間２の左右開口部を塞ぎ、円筒状陽極体３の両端開口部を封止する円板（円盤）状封止部材（金属）５ａ，５ｂ、この円板状封止部材５ａ，５ｂの外側面中央部に設けられた円板状の磁性体６ａ，６ｂ、上記内部空間２を両側から挟むようにして配置されたマグネット（磁極）７ａ，７ｂからなる。
【０００３】
このようなマグネトロン１では、陰極体４の電子放出面４Ｅの部分の作用空間５０の磁束密度分布が発振状態に強い影響を与えることから、この作用空間５０の磁束密度分布は全領域でＺ軸方向（陰極体４の軸方向）に平行で均質（Ｚ軸対称）であることが理想となる。
【０００４】
ところで、従来のマグネトロン１では、マグネット７ａ，７ｂの間で磁束が広がり、Ｚ軸方向及び動径方向（陽極体３及び陰極体４の径方向）における磁束密度分布の均質性が低下するという問題がある。また、入力部／出力部の位置、或いは排気管の位置等の仕様に代表される空間的制限等の諸事情から、一対となるマグネット７ａ，７ｂの形状が互いに異なっている場合も磁束密度分布の均質性が低下し、更にはマグネトロンの発振開始後、温度上昇等に伴いマグネット７ａ，７ｂの特性や固定位置が変わり、磁束密度分布の均質性が低下することもある。このように作用空間５０の磁束密度分布の均質性が低下すると、不要モード発振（モーディング）やノイズの発生、出力電力の低下といった不都合が生じる。
【０００５】
そこで、従来では、マグネット７ａ，７ｂの形状を工夫したり、図１１のマグネトロン１でも、円板状部材５ａ，５ｂに、集束体としての磁性体６ａ，６ｂを配置することが行われる。この磁性体６ａ，６ｂは、その直径がマグネット７ａ，７ｂの直径よりも小さくなっており、マグネット７ａ，７ｂ間の外側の磁力線がＺ軸中心へ向かうように調整することで、磁束の広がりを改善している。
【０００６】
また、このような磁束密度分布の改善に関する従来技術として、下記の特許文献１乃至５が存在する。まず、特許文献１は、磁極間の磁束の広がりを磁極形状の工夫で改善した例であり、磁極としてのポールピースに突起を設けることで、作用空間の特に陽極ベイン内端面位置におけるＺ軸方向磁界強度分布を改善し、低い周波数成分のノイズを抑制するものである。
【０００７】
特許文献２は、磁極片であるポールピースを凹面等の形状に工夫することで、磁束の広がりを改善した例であり、カソード面近傍における軸方向磁界強度に対比してアノードベイン近傍における軸方向磁界強度が等しいか又は強くなるように構成して、動径方向の磁束密度分布を改善し、モーディング現象を起こさない陽極電流の上限値を向上させる等、動作安定度を向上させるものである。
【０００８】
特許文献３は、一方のマグネットの表面に、ベイン方向に突出するリング状の突出部を備えた磁路修正磁極片を配置すると共に、他方のマグネットの表面に、ベイン方向へ突出して陰極の支持体の貫通するリング状の突出部（磁路修正磁極片の突出部とは径の異なる）を備えた磁極片を配置した例であり、作用空間の動径方向の磁束密度分布を均一にして、不良発振が起こらないようにするものである。
【０００９】
特許文献４は、マグネットの温度上昇に対応した例であり、ベイン側に突出する突起部を有する磁極片を装着したマグネトロンで、上記磁極片を磁気飽和させることにより、マグネットの温度上昇に起因する作用空間の磁束密度の変動を抑えて、安定した出力が得られるようにするものである。
最後に、特許文献５は、磁性材料からなる集束板の外周部に切り起し部を設け、この切り起し部に環状磁石の外周部を嵌合し、集束板と環状磁石の径方向の位置ずれを防止し、性能を改善するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭６３−９１９３２号公報
【特許文献２】特開昭５３−３８９６６号公報
【特許文献３】特開昭５１−５６１７２号公報
【特許文献４】特開昭５１−５８８５９号公報
【特許文献５】特開２００２−１６３９９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、図１１の従来のマグネトロン１では、磁性体６ａ，６ｂを配置しても、磁束の広がりの改善が十分ではなく、作用空間５０における磁束密度分布の均質性の更なる向上が要請されている。
【００１２】
図１２には、図１１のマグネトロン１における電子放出面４Ｅ上のＺ軸方向の磁束密度分布が示されており、図示のように、磁束密度はＺ軸の中心点０が低く、両端点Ａが高くなり、中心部と両端部の磁束密度差が大きくなっている。
【００１３】
また、上記特許文献１乃至５では、ポールピースや磁性片に突起や突出部を設けることで、磁束密度分布を均一にすることが行われているが、このような構成では、磁束密度の均質化に限界があると共に、微調整も行い難い。しかも、一般に、マグネトロンでは内部空間が狭く、磁性体を配する際には空間的な制約が生じるという事情もある。
【００１４】
更に、高出力パルスのマグネトロン１では、パルス発振の立ち上がりが不安定となるという問題がある。即ち、高出力マグネトロンは、陽極電圧が数十ｋＶ、尖頭電力がＭＷ級で、Ｘ線発生装置等における線形加速器のマイクロ波源を主な用途としており、このような用途の高出力マグネトロンは、高い出力電力に加えて、パルス内での高い周波数安定度が要求される。特に、パルス発振の立ち上がり時に、極短時間で生じる不要発振（モーディング）が僅かな頻度でも存在すると、アーキングが発生するという不都合があり、アーキングに至らない場合でも、例えばＸ線強度のジッターとしてＸ線発生装置の特性に悪影響を与える。
【００１５】
図１３には、図１１のマグネトロン１における陽極電圧と陽極電流のパルス波形が示されており、図示のように、陽極電圧パルス波形１０１では、パルス立ち上がりの不要発振（π−１モード発振）部Ｋａが生じ、陽極電流パルス波形２０１では、ジッターが生じている。
【００１６】
また、高出力パルスのマグネトロン１は、大きい陽極電流で動作させるために陰極体４から大きい電子放出量が必要であり、この電子放出量は電子放出面４Ｅの面積を大きくすることで達成されるが、この電子放出面４Ｅの面積を増やすために、陰極体４ではその直径よりもむしろ高さを高く［作用空間軸（Ｚ軸）方向の陰極体４の長さを長く］することが行われる。この陰極体４の高さを高くすると、作用空間Ｚ軸方向の磁束密度の分布範囲がより広くなるので、陰極体４の電子放出面４Ｅ上の磁束密度差がＺ軸方向で大きくなり、パルスの立ち上がり時には、陰極体４の中央部（Ｚ軸０点）と両端部（Ｚ軸Ａ点）で電子の集群状態が異なり、発振立ち上がりが不安定になる。
【００１７】
特に、発振立ち上がり時に不要モード発振（モーディング）の発生頻度が増えると、パルス内周波数安定度を悪化させ、例えば高出力パルスマグネトロン１を線形加速器のマイクロ波源として使用する場合、線形加速器からの反射電力が増え、この線形加速器に十分なマイクロ波電力を供給できないばかりか、マグネトロン自体も反射電力の影響で発振周波数に変化が生じ、更には動作不安定に陥るという不都合がある。
【００１８】
以上のように、特に線形加速器用として用いられる高出力パルスマグネトロンでは、高出力と高い周波数安定度が同時に要求されるが、高出力化を図るために陰極体４の高さが設計上高くなる分、パルス内周波数安定度が低下することになり、この周波数安定度の低下を抑制する必要がある。しかし、高出力パルスマグネトロンは、空間的制約もあり、要求を満足する高いパルス内周波数安定度が得られ難いという問題があった。
【００１９】
更に、線形加速器用の高出力マグネトロンでは、マグネットがセパレートタイプの場合が多く、マグネット（磁極）形状の変更やマグネットに取り付ける磁極片における磁力調整は殆ど困難である。
【００２０】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁束密度分布の更なる均質化及び調整を簡単にかつ効率よく行うことができ、高出力用のものではパルス内周波数の安定度が極めて高くなるマグネトロンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を達成するために、本願請求項１に係るマグネトロンは、陰極体と、この陰極体を内部空間に配置し、複数の空胴共振器を持つ陽極体と、上記陰極体の中心軸であるＺ軸と同軸に磁束を形成するための磁極体（例えばマグネット）と、上記陽極体の内部空間の開口側に配置され、上記磁性体の径よりも小さな径とされた円板状の第１磁性体と、を有するマグネトロンにおいて、上記磁極体から上記陰極体Ｚ軸中心側かつ上記第１磁性体の径方向外側の位置で、Ｚ軸と同軸に配置され、上記第１磁性体とは別体となる環状の磁性体であって、そのＺ軸方向の厚みを上記第１磁性体の厚みよりも厚くした第２磁性体を配置したことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載のマグネトロンにおいて、上記磁極体から上記陰極体Ｚ軸中心側かつ上記第２磁性体の径方向外側の位置で、Ｚ軸と同軸に配置され、上記第２磁性体とは別体となる環状の磁性体であって、そのＺ軸方向の厚みを上記第２磁性体の厚みよりも厚くした第３磁性体を配置したことを特徴とする。
【００２２】
本発明の構成によれば、第１磁性体の外周方向の例えば陽極体の外周壁の環状溝、或いは第１磁性体を保持する封止部材に、環状の第２磁性体が配置され、またこの第２磁性体の外側に第３磁性体が配置されることにより、磁極体によって生じる磁力のうち、陽極体の外周方向へ広がる磁力が内側へシフトするように調整することができ、陰極体の電子放出面（Ｚ軸）上の中央部と両端部の磁束密度差を小さくすることが可能になる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、磁束密度分布の更なる均質化ができると共に、第２磁性体は第１磁性体とは別体、第３磁性体は第１磁性体及び第２磁性体とは別体となり、陽極体の外壁の溝等に必要に応じて配置できるので、磁束密度分布の調整を簡単にかつ効率よく行うことが可能になる。
【００２４】
また、本発明の高出力用マグネトロンでは、パルス内周波数の安定度が極めて高くなるという効果がある。即ち、陰極体の電子放出面において、その中央部と両端部の磁束密度差が小さくなるので、発振パルスの立ち上がり時では、陰極体の中央部と両端部の電子の不都合な集群状態の差が解消され、不要モード発振（モーデイング）の発生頻度を小さくすることができ、この不要モード発振の発生頻度が改善されることで、パルス内周波数安定度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施例に係るマグネトロン（高出力パルスマグネトロン）の構成を示す一部断面図である。
【図２】第１実施例の第２磁性体の作用を示す説明図である。
【図３】第１実施例のマグネトロンで得られる電子放出面上（Ｚ軸方向）の磁束密度分布を示すグラフ図である。
【図４】第１実施例のマグネトロンで得られるパルス波形を示すグラフ図である。
【図５】第２実施例に係るマグネトロンの構成を示す一部断面図である。
【図６】第３実施例に係るマグネトロンの構成を示す一部断面図である。
【図７】図６の第２磁性体の取付け部分（封止部材取付け部分）の拡大図である。
【図８】第４実施例に係るマグネトロンの構成を示す一部断面図である。
【図９】図８の第２磁性体の取付け部分を示す拡大図である。
【図１０】実施例の第２磁性体の他の構成を示す図である。
【図１１】従来のマグネトロンの構成を示す一部断面図である。
【図１２】従来のマグネトロンで得られる電子放出面上（Ｚ軸方向）の磁束密度分布を示すグラフ図である。
【図１３】従来のマグネトロンで得られるパルス波形を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１には、本発明の第１実施例であるマグネトロンの構成が示されており、第１実施例は、Ｘ線発生装置における線形加速器用高出力パルスマグネトロンとして構成されたものである。図１のマグネトロン１０は、例えばホールアンドスロット型であり、内部空間２に複数の空胴共振器が形成された円筒状の陽極体３を備え、この陽極体３の内部空間２の中心に（同軸で）陰極体４が配置されており、この陽極体３の内部空間２の左右開口部が円板状封止部材（金属）５ａ，５ｂで封止される。この封止部材５ａ，５ｂは、その外周部が溶接等で陽極体３の開口端に密閉、固定される。
【００２７】
また、この封止部材５ａ，５ｂの外側面中央部に、陰極体４や陽極体３（内部空間２）の中心軸（縦軸）であるＺ軸と同軸位置に円板状の（鉄材等の強磁性金属からなる）第１磁性体６ａ，６ｂが設けられ、陽極体３の内部空間２を両側から挟むようにしてマグネット（磁極体）７ａ（例えばＮ），７ｂ（例えばＳ）が配置される。
【００２８】
そして、上記陽極体３の外周壁の左右端に、それぞれの環状溝１２が形成され、この環状溝１２に、第１磁性体６ａ，６ｂのＺ軸（中心軸）と同軸に環状の（鉄材等の強磁性金属からなる）第２磁性体１４ａ，１４ｂが設けられる。この第２磁性体１４ａ，１４ｂは、上記マグネット７ａ，７ｂからＺ軸中心側で第１磁性体６ａ，６ｂの径方向外側の位置に配置されるが、上記封止部材５ａ，５ｂの第１磁性体６ａ，６ｂの外側に取付け溝等を介して配置することも可能である。
【００２９】
また、この環状の第２磁性体１４ａ，１４ｂは、そのＺ軸方向の厚み（高さ）を第１磁性体６ａ，６ｂの厚みよりも厚くしている。この第２磁性体１４ａ，１４ｂの厚みは、マグネット７ａ，７ｂの磁束密度及び磁極間距離によって調整する必要があるが、例えばマグネット７ａ，７ｂの磁極間距離を約７５ｍｍ、第１磁性体６ａ，６ｂの厚み（肉厚）を約０．７ｍｍとした場合、第２磁性体１４ａ，１４ｂの厚みを９ｍｍ程度に設定することが好ましい。
【００３０】
第１実施例は以上の構成からなり、この第１実施例によれば、第２磁性体１４ａ，１４ｂによって、作用空間５０での磁束密度の均質化を図ることができる。
即ち、図２には、マグネット７ａ，７ｂ間の空間の外側の磁力線が示されているが、第２磁性体１４ａ，１４ｂがない場合に外側を通っていた磁力線Ｂ１が、第２磁性体１４ａ，１４ｂによって、磁力線Ｂ２のように内側へシフトすることになる。この結果、内部空間２、そして作用空間５０での磁束密度が均質化する。
【００３１】
図３には、第１実施例で得られた電子放出面上のＺ軸方向の磁束密度分布が示されており、この図３と従来の図１２とを比較すると、電子放出面４Ｅ上の中心部（Ｚ軸：０点）と両端部（Ｚ軸：Ａ点）の磁束密度差が小さくなり、均質化された結果となった。例えば、従来（図１２）では、Ｚ軸０点とＡ点での磁束密度差が約９０ガウスあったのに対し、第１実施例（図３）では、約５０ガウスに小さくなった。
【００３２】
また、第１実施例によれば、発振の立ち上がり特性が安定するので、発振立ち上がりでの不要発振が生じなくなる。
図４には、マグネトロン１０における陽極電圧と陽極電流のパルス波形が示されており、従来の図１３と比較すると、第１実施例では、陽極電圧パルス波形１０２に示されるように、パルス立ち上がりの不要発振（π−１モード発振）部（Ｋａ）がなくなり、また陽極電流パルス波形２０２に示されるように、ジッターの存在がなくなり、良好なパルス波形が得られた。
【００３３】
図５には、第２実施例の構成が示されており、この第２実施例は、更に環状の第３磁性体を配置したものである。
図５において、陽極体３の外周壁の左右のそれぞれには、Ｚ軸に同軸で異なる径となり、かつ深さの異なる２つの環状の溝１２ａ，１２ｂが形成され、内側の溝１２ａに第２磁性体１４ａ，１４、外側の溝１２ｂに環状の第３磁性体１４ｃ，１４ｄが嵌合配置される。そして、外側に配置された径の大きい第３磁性体１４ｃ，１４ｄの厚み（Ｚ軸方向の長さ）を第２磁性体１４ａ，１４ｂの厚みよりも厚くする。なお、これら径の異なる環状の磁性体は、３つ以上（第４磁性体，第５磁性体…）配置することも可能であり、この場合の環状磁性体は外側に配置されたもの程、その厚みが厚くなるようにする。
【００３４】
このような第２実施例の構成によれば、第２磁性体１４ａ,１４ｂに、更に第３磁性体１４ｃ,１４ｄを加えることで、磁束密度の均質化、そしてこの均質化の調整を更に図ることができる。即ち、本発明では、第２磁性体１４ａ，１４ｂ及び第３磁性体１４ｃ，１４ｄが第１磁性体６ａ，６ｂとは別個となるので、これら第２及び第３磁性体１４ａ〜１４ｄの厚みやその数、そして配置位置を適宜選択することで、磁束密度均質化の調整が容易かつ効率的になるという効果がある。
【００３５】
図６及び図７には、第３実施例の構成が示されており、この第３実施例は、封止部材で第２磁性体の脱落を防止したものである。
図７の拡大図に示されるように、第３実施例では、金属円板状の封止部材５ａの外周端の外表面側に、陽極体３の環状溝１２の開口部（入口）へ張り出す環状の突出部（オーバーハング）１６が形成される。この突出部１６は、封止部材５ａの円周方向全体に設けてもよいし、円周方向の一部の数ヶ所に設けてもよい。
【００３６】
このような第３実施例によれば、陽極体３の取付け部（段差部）に対し、封止部材５ａ,５ｂがアーク溶接等で封着されることになるが、このときには、封止部材５ａ,５ｂの突出部１６が溝１２の環状開口部の一部（内周側）を塞ぐようにして、第２磁性体１４ａ，１４ｂが固定状態となり、これにより、第２磁性体１４ａ，１４ｂの脱落が防止される。即ち、環状の第２磁性体１４ａ，１４ｂは、常にマグネット７ａ，７ｂから引力を受け、溝１２から引き出される力を受けるので、抜け落ち易くなる。第３実施例では、このようなマグネット７ａ，７ｂから受ける引力による脱落を防止することができ、信頼性の高いマグネトロンが得られる。
【００３７】
図８及び図９には、第４実施例の構成が示されており、この第４実施例は、陽極体側の突出部で第２磁性体の脱落を防止したものである。
図９の拡大図に示されるように、第４実施例では、陽極体３の環状溝１２の外周側の縁からその開口部へ張り出す環状の突出部（オーバーハング）１７が形成されており、この突出部１７は、外周側の縁をカシメ或いは変形させたり、別部材を溶接したりすることで形成され、この突出部１７は環状溝１２の縁全体に設けてもよいし、円周方向の一部の数ヶ所に設けてもよい。また、この突出部１７は、環状溝１２の内周側の縁からその開口部へ張り出すように形成してもよい。
【００３８】
このような第４実施例によれば、環状溝１２に設けられた突出部１７が環状溝１２の開口部の一部（外周側）を塞ぐようにして、第２磁性体１４ａ，１４ｂが固定状態となり、これにより、第２磁性体１４ａ，１４ｂの脱落が防止される。即ち、マグネット７ａ，７ｂから受けた引力により徐々に抜け落ちることが防止される。なお、この第４実施例は、図５の第３磁性体１４ｃ，１４ｄを設ける場合にも適用することができる。
【００３９】
図１０には、上記の各実施例で用いられる第２及び第３磁性体１４ａ〜１４ｄの他の例が示されており、図示されるように、環状の第２及び第３磁性体１４ａ〜１４ｄでは、少なくとも１箇所に切断部１８が形成される。この切断部１８の幅は、１０ｍｍ以下とすることが好ましく、１０ｍｍ以下であれば、環状の第２及び第３磁性体１４ａ〜１４ｄの実質的な効果に差異がない。
【００４０】
このような第２及び第３磁性体１４ａ〜１４ｄの切断部１８によれば、第３実施例、第４実施のように、突出部１６，１７を先に形成した場合でも、切断部１８を開きながら環状溝１２内へ第２及び第３磁性体１４ａ〜１４ｄを容易に配置することができる。また、薄板を曲げ加工することで、金型等を用いずに作成できるので、厚板を放電加工や金型で抜く場合と比較すると、コスト面でも有利となる。
【００４１】
なお、上記各実施例では、第１磁性体６ａ，６ｂ、第２及び第３磁性体１４ａ〜１４ｄとして強磁性金属の鉄を用いたが、この鉄の代わりに、その他の様々な合金及び化合物を利用してもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１，１０…マグネトロン、  ２…内部空間、
３…陽極体、              ４…陰極体、
５ａ，５ｂ…封止部材、    ６ａ，６ｂ…第１磁性体、
７ａ，７ｂ…マグネット（磁極体）、  １２…溝、
１４ａ，１４ｂ…第２磁性体、  １４ｃ，１４ｄ…第３磁性体、
１６，１７…突出部、      １８…切断部、
５０…作用空間。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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