(57)【要約】【課題】９１５ＭＨｚ帯のマグネトロンを、これよりも小型の２４５０ＭＨｚ帯のマグネトロンと略同一外形寸法で略同一出力とすることができ、電源のコストが低く、同軸導波管接続構造の信頼性を高くして高出力用途に適用すること。【解決手段】  熱電子放出源である陰極フィラメント５１を含む陰極部７８と、陽極円筒部５３の内側に複数の陽極ベイン５２を一定間隔離して円環状に配列し、陽極ベイン５２同士の間の空洞による空洞共振器を有する陽極部７９と、空洞共振器に蓄えられるマイクロ波を外部へ送出する出力部６９と、陰極部７８、陽極部７９及び出力部６９の一部を内封する真空管本体の軸方向上下端に磁石を配設した磁気回路部７０とを備える。空洞共振器の数を１０個、陰極部７８の外径と陽極ベイン５２先端の内径との比を０．３６〜０．５９、陽極円筒部５３の外径を８０〜１００ｍｍとし、真空管本体の発振周波数を８００乃至１０００ＭＨｚとする。【選択図】  図１
2014067615.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電子放出源を含む陰極部と、
陽極円筒部の内側に複数の陽極ベインを一定間隔離して円環状に配列した構造であり、当該陽極ベイン同士の間に形成される空洞による空洞共振器を有する陽極部と、
前記空洞共振器に蓄えられるマイクロ波を外部へ送出する出力部と、
前記陰極部、前記陽極部及び前記出力部の一部を内封する真空管本体の軸方向上下端に磁石を配設した磁気回路部と
を備え、
前記空洞共振器の数が１０個、前記陰極部の外径と前記陽極ベイン先端の内径との比が０．３６〜０．５９、前記陽極円筒部の外径が８０〜１００ｍｍであり、前記真空管本体の発振周波数が８００乃至１０００ＭＨｚである
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であって、
前記磁石は、永久磁石である
ことを特徴とするマグネトロン。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のマグネトロンであって、
前記陰極部は、直流の４ｋＶ〜８ｋＶの負の高電圧の印加状態において前記陽極部へ電子を放出し、この電子放出に応じて当該陽極部が高周波電界を形成して前記マイクロ波を出力する
ことを特徴とするマグネトロン。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載のマグネトロンであって、
前記出力部は、前記マイクロ波を外部へ送出するアンテナ先端部に、前記マイクロ波が伝搬する同軸導波管の内導体を気密状に嵌合し、当該同軸導波管を伝搬するマイクロ波を前記アンテナ先端部から外部へ送出する
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、マイクロ波を発生する電子管であるマグネトロンに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、マグネトロンは、その中心部に配置される真空管部と、真空管部の外周の冷却部と、真空管部と同軸に配設される一対の環状磁石と、環状磁石を磁気的に継ぐヨークと、フィルタ回路部とを備えて構成されている。
【０００３】
この種の従来のマグネトロンとして特許文献１に記載された、本明細書では図９に示すものがある。図９は従来のマグネトロンの構造例を説明する断面図である。同図において、１は熱電子放出源となるフィラメント、２は複数枚の陽極ベイン、３は陽極円筒（陽極シリンダー）、４，４ａは円環状の永久磁石、５，５ａは磁極、６，６ａはヨーク、７はアンテナリード、８はアンテナ、９は排気管、１０はアンテナカバー、１１は絶縁体、１２は排気管サポート、１３は作用空間、１４，１５は内側及び外側ストラップ、１６，１７は棒状の上下封止金属、１８は金属ガスケット、１９は出力部である。この出力部１９は前記アンテナリード７、アンテナ８、排気管９及びアンテナカバー１０を含んでいる。２０は磁気回路部であり、磁気発生源としての前記永久磁石４，４ａと磁極５，５ａ更にはヨーク６，６ａを含んでいる。
【０００４】
２１は上側エンドシールド、２２は下側エンドシールド、２３，２４は陰極リードであって、２３はセンターリード、２４はサイドリードである。２５は入力側セラミック、２６は陰極端子、２７は外部導出リード、２８は陰極部であり、この陰極部２８は熱電子放出源となる陰極フィラメント１、上側及び下側エンドシールド２１，２２、更には陰極リード２３，２４等を含んでいる。２９は陽極部であり、この陽極部２９は複数枚の陽極ベイン２、陽極部円筒３及び内側及び外側ストラップ１４，１５等を含んでいる。３１はチョークコイル、３２は貫通コンデンサ、３３はフィルターケース、３４は冷却フィンである。３５は陽極円筒３の外周に設置された冷却フィンである。
【０００５】
図９において、螺旋状の陰極フィラメント１の周りには、複数枚の陽極ベイン２が陽極円筒３とろう付け等で固着されるか、若しくは陽極円筒３と共に押し出し成形により一体成型されている。陽極円筒３の上下には軟鉄などの強磁性体からなる磁極５，５ａ及び円筒状の永久磁石４，４ａが配置されている。永久磁石４，４ａから発生した磁束は、磁極５，５ａを通って陰極フィラメント１と陽極ベイン２との間に形成される作用空間１３に入り、軸芯方向に必要な直流磁界を与える。
【０００６】
ヨーク６，６ａは永久磁石４，４ａの磁束が通る磁気回路を構成するものであり、この磁気回路はヨーク６，６ａ、永久磁石４，４ａ、及び磁極５，５ａにより構成される。負の高電圧となっている陰極フィラメント１から放出された電子は、電界及び磁界の作用を受けて円運動しながら各陽極ベイン２に高周波電界を形成する。
【０００７】
この形成された高周波電界はアンテナリード７を通してアンテナ８に至り、アンテナカバー１０から外部機器に出力される。陰極フィラメント１は電子放出特性及び加工性等を考慮して、一般には酸化トリウム（ＴｈＯ２）を約１％含むタングステン線が用いられ、上側エンドシールド２１と下側エンドシールド２２及び陰極リード２３，２４で支持されている。
【０００８】
陰極リード２３，２４は、耐熱性、加工性の観点から、一般的にはモリブデン（Ｍｏ）が採用され、入力側セラミック２５の上面に銀ろう等でろう付けされた端子板２６でチョークコイル３１に接続する外部導出リード２７，２７に接続されている。また、マグネトロンの下部にはチョークコイル３１と貫通コンデンサ３２を支持するフィルターケース３３とこのフィルターケース３３を閉じる蓋体３４とからなるフィルタ構体が取り付けられている。
【０００９】
外部導出リード２７，２７に接続されたチョークコイル３１は貫通コンデンサ３２とでＬ−Ｃフィルタを構成し、陰極リード２３，２４から伝播されてくる低周波成分を抑制する。なお、高周波成分はフィルターケース３３とその蓋体３４でシールドされる。そして、陽極円筒３の外周に設置された冷却フィン３５はマグネトロンの作動に伴う熱を拡散させる。
【００１０】
このような構成の従来のマグネトロンにおいては、発振周波数として９１５ＭＨｚと、ＩＳＭ(Industry Science Medical)バンドである２．４５ＧＨｚ（又は２４５０ＭＨｚ）の２種類のものが実用化されている。市場においては、２４５０ＭＨｚ又は９１５ＭＨｚ帯を発振周波数とするマグネトロンが主流であり、特に前者の２４５０ＭＨｚのものが多用されている。２４５０ＭＨｚのマグネトロンは、加工室及び被加熱物の大きさ、導波管サイズ等を小型化できる特徴を有することから、業務用、家庭用等の電子レンジの様な加熱装置はもとより、半導体製造装置として、薄膜のドライエッチング用装置、マイクロ波プラズマＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)装置にも使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−１２４１９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、２４５０ＭＨｚのマグネトロンを例えば加熱装置に用いた場合、大きな加熱物、厚物加熱物、解凍物等の被加熱物では加熱むらが発生しやすい。即ち、被加熱物の外表面から中心部まで、短時間での均一加熱が難しい。また、半導体製造装置の例えば薄膜のドライエッチング用装置、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置等に用いた場合では、加工室へ供給される出力の変動が生じ易く、フィードバック回路を備えた精密な制御を行っても均一な加工が困難で、半導体ウエハへ大きなダメージを与える恐れがあった。
【００１３】
一方、近年では９００ＭＨｚ帯マイクロ波の需要が増えている。例えば、９１５ＭＨｚのマグネトロンは、大型の電磁石タイプのマグネトロンで、数十ｋＷ以上の大出力の工業用加熱装置等に用いられている。９１５ＭＨｚのマグネトロンを前述した加熱装置に実装することも考えられる。しかし、９１５ＭＨｚのマグネトロンはそれ自体が大型で、加熱装置に実装する為には当該加熱装置自体も大型化せざるを得ず、実用上使用するには困難である。
【００１４】
また、マイクロ波の周波数が低いほど、伝送する方形導波管は大型となるため、２４５０ＭＨｚ用に比べ、９１５ＭＨｚ用の方形導波管は大型となる。更に前述した半導体製造装置では、発信源として半導体を用いることも検討されているが、出力が数十Ｗ／個と低く、所望の高出力対応が困難であることと、デバイスを駆動させる為の電源コストが高く、これらが解決すべき問題となっている。
【００１５】
マイクロ波の伝送経路を小型化する方法として、同軸導波管結合方式があるが、一般的な９１５ＭＨｚマグネトロンの出力部の構造はアンテナがセラミックで覆われており、同軸導波管への取り付けができず、方形導波管への取り付けが必須であった。特許文献１に示す（本明細書では図１０に示す）ように、管内を真空引きするための排気管３０１にアンテナ３０９ｆを通し、一緒に圧接し、その圧接部を保護するカバー３０２を設け、この保護カバー３０２に同軸導波管の内導体３０９ａを結合させる方法等が記載されている。しかし、保護カバー３０２の嵌合部及び圧接部は同軸導波管接続構造としては機械的にも、熱的にも信頼性が低く、同軸導波管部分の付替えには十分な注意が必要であり、高出力用途への採用は難しいとされている。
【００１６】
このように、９１５ＭＨｚ帯のマグネトロンは大型の電磁石タイプしか製品化されていないということもあり、永久磁石タイプが一般化している２４５０ＭＨｚ帯のマグネトロンに比べて重量化、大型化してしまう。また、マイクロ波を伝送する方形導波管の寸法が２４５０ＭＨｚの寸法より大型化してしまう。更に、電磁石励磁用電源が必要になり、電源が複雑化してコスト高となり、同軸導波管接続構造の信頼性が低く、高出力用途への適用が難しいという問題があった。
【００１７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、９１５ＭＨｚ帯のマグネトロンを、これよりも小型の２４５０ＭＨｚ帯のマグネトロンと略同一外形寸法で略同一出力とすることができ、電源のコストが低く、同軸導波管接続構造の信頼性を高くして高出力用途に適用することができるマグネトロンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するために、本発明は、熱電子放出源を含む陰極部と、陽極円筒部の内側に複数の陽極ベインを一定間隔離して円環状に配列した構造であり、当該陽極ベイン同士の間に形成される空洞による空洞共振器を有する陽極部と、空洞共振器に蓄えられるマイクロ波を外部へ送出する出力部と、陰極部、陽極部及び出力部の一部を内封する真空管本体の軸方向上下端に磁石を配設した磁気回路部とを備え、空洞共振器の数が１０個、陰極部の外径と陽極ベイン先端の内径との比が０．３６〜０．５９、陽極円筒部の外径が８０〜１００ｍｍであり、真空管本体の発振周波数を８００乃至１０００ＭＨｚとした。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、９１５ＭＨｚ帯のマグネトロンを、これよりも小型の２４５０ＭＨｚ帯のマグネトロンと略同一外形寸法で略同一出力とすることができ、電源のコストが低く、同軸導波管接続構造の信頼性を高くして高出力用途に適用することが可能なマグネトロンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る永久磁石型９００ＭＨｚ帯のマグネトロンの構成を示す断面図である。
【図２】本実施形態のマグネトロンにおける陽極部及び陰極部を含む部分の要部平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】本実施形態のマグネトロンにおける１枚の陽極ベインの構成例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図である。
【図５】本実施形態のマグネトロンの発振スペクトラムの一例を示す図である。
【図６】マグネトロンの発振周波数（横軸）とマグネトロンの重量比（縦軸）との関係を示す図である。
【図７】本実施形態のマグネトロンの出力部に３９Ｄ規格の同軸導波管を接続した際の構造を示す要部断面図である。
【図８】本実施形態のマグネトロンの出力部に７７Ｄ規格の同軸導波管を接続した際の構造を示す要部断面図である。
【図９】従来のマグネトロンの構造例を説明する要部断面図である。
【図１０】従来のマグネトロンの同軸導波管結合部の構造例を説明する要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
＜実施形態の構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る永久磁石型９００ＭＨｚ帯のマグネトロン１００の構成を示す断面図である。
マグネトロン１００において、５１は熱電子放出源となる陰極フィラメント（直熱形螺旋状陰極）、５２は複数枚の陽極ベイン（単に、ベインともいう）、５３は陽極円筒部（陽極シリンダ）である。これらの陽極円筒部５３、陽極ベイン５２及び陰極フィラメント５１の寸法及び配置等は、後述する特定の関係を保っている。
【００２２】
５４，５４ａは円環状の永久磁石、５５，５５ａは磁極、５６，５６ａはヨークである。５７はアンテナリード、５８は円筒状のアンテナブロック、６１は絶縁体、６３は作用空間、６４はストラップ、６６，６７は棒状の上下封止金属、６８，６８ａは上下陽極板、６９は出力部である。この出力部６９は、アンテナリード５７及びアンテナブロック５８を含んで構成されている。また、アンテナリード５７とアンテナブロック５８とは、銀ろう付け又はアーク溶接等の方法によって接合されている。
【００２３】
７０は磁気回路部であり、この磁気回路部７０は、磁気発生源である永久磁石５４，５４ａ及び磁極５５，５５ａ並びにヨーク５６，５６ａを含んで構成されている。７１は上側エンドシールド（出力側エンドシールドともいう）、７２は下側エンドシールド（入力側エンドシールドともいう）、７３は陰極リードのセンターリード、７４は陰極リードのサイドリードである。
７５は入力側セラミック、７８は陰極部である。この陰極部７８は熱電子放出源となる陰極フィラメント５１及び上側及び下側エンドシールド７１，７２並びに陰極リード７３，７４等を含んで構成されている。７９は陽極部であり、この陽極部７９は複数枚の陽極ベイン５２及び陽極円筒部５３と、ろう付け等で固着されるか、又は陽極円筒部５３と共に押し出し成形により一体形成されている。７６は端子板、８０は排気管である。
【００２４】
このような構成要素を有するマグネトロン１００において、ヨーク５６，５６ａは、磁気回路部７０を構成するが、永久磁石５４，５４ａ、磁極５５，５５ａ、アンテナリード５７、陰極部７８及び陽極部７９を収容する筐体でもあり、マイクロ波の出力側に配置され、図示せぬ外部機構との結合部材としても用いられる。その筐体は、一方のヨーク５６が下面が開口した箱形を成し、他方のヨーク５６ａがその開口を塞ぐ蓋状を成して構成されている。また、ヨーク５６とヨーク５６ａ同士が、ネジ２０５でネジ止めされており、更にヨーク５６が冷却機構７７にネジ２０５ａでネジ止めされている。
【００２５】
陽極円筒部５３の上下には軟鉄等の強磁性体から成る磁極５５，５５ａ及び円筒状の永久磁石５４，５４ａが配置されている。永久磁石５４，５４ａから発生した磁束は、磁極５５，５５ａを通って陰極フィラメント５１と陽極ベイン５２との間に形成される作用空間６３に入り、マグネトロン１００の上下方向である軸芯方向に必要な直流磁界を与える。
【００２６】
この直流磁界により次のような作用を及ぼす。即ち、マグネトロン１００の本体軸芯が水平面に対して垂直に設置されている状態において、陰極フィラメント５１から陽極ベイン５２に向かって水平方向に飛ぶ電子に対して垂直方向（軸芯方向）に磁束が付与されると、電子にローレンツ力が加わる。このローレンツ力により電子が水平方向に螺旋状に旋回しながら飛ぶことになり、陽極ベイン５２に高周波電界が形成される。
【００２７】
陰極フィラメント５１は、直流の４ｋＶ〜８ｋＶの負の高電圧の印加状態において電子を放出し、この電子は、上記のように電界及び磁界の作用を受けて螺旋運動しながら各陽極ベイン５２に高周波電界を形成する。この形成された高周波電界は、アンテナリード５７を通してアンテナブロック５８から図示せぬ外部機器へ出力される。但し、上記で、直流の４ｋＶ〜８ｋＶの負の高電圧としたのは、負の高電圧が８ｋＶ未満の場合は永久磁石５４，５４ａの磁力が不足するため、現実的ではない。負の高電圧が４ｋＶを超える場合は、十分な出力が得られにくく、実用的ではないという理由がある。
【００２８】
また、陰極フィラメント５１は、電子放出特性及び加工性等を考慮して、一般的には酸化トリウム（ＴｈＯ２）を約１％含むタングステン線が用いられ、上側エンドシールド７１と下側エンドシールド７２及び陰極リード７３，７４で支持されている。陰極リード７３，７４は耐熱性、加工性の観点から、一般的にはモリブデン（Ｍｏ）が採用され、入力側セラミック７５の上面に銀ろう等でろう付けされた端子板７６を介してチョークコイル８１に接続されている。
【００２９】
マグネトロン１００の下部には、チョークコイル８１及び貫通コンデンサ８２を支持するフィルターケース８３と、このフィルターケース８３を閉じる蓋体８４とから成るフィルタ構造体８５が取り付けられている。端子板７６に接続されたチョークコイル８１は、貫通コンデンサ８２とでＬ−Ｃフィルタを構成し、陰極リード７３，７４から伝播されてくる低周波成分を抑制する。但し、高周波成分はフィルターケース８３とその蓋体８４でシールドされる。また、陽極円筒部５３の外周に設置された冷却機構７７は、冷水が通る冷却水通路７７ａが内部に周回されて配設されており、その通過する冷水でマグネトロン１００の作動に伴う熱を拡散させる。
【００３０】
また、排気管８０は、陰極部７８、陽極等７９及び出力部６９の一部等が封入されるマグネトロン真空管本体の内部の気体を抜くためのものである。気体を抜いて真空状態となった後、排気管８０の先端が封印されるようになっている。
図２は図１に示す陰極部７８及び陽極部７９を含む部分の要部平面図、図３は図２のＡ−Ａ断面図、図４は本実施形態のマグネトロン１００における１枚の陽極ベイン５２の構成例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図である。
【００３１】
図２に示すように陽極円筒部５３の内周側に、平面形状が長方形状の１０枚の陽極ベイン５２の末端が、均等に配置固定されている。更に、その固定位置から各陽極ベイン５２の先端が陰極フィラメント５１の中心に向かって逆放射状に突出して円形状に配列され、この円形状配列の各先端と陰極フィラメント５１との間に作用空間６３が形成されている。
【００３２】
更に、各陽極ベイン５２の先端側には、図４（ｂ）に示すように、深さＨ３のストラップ収納溝５２ａが形成され、ストラップ収納溝５２ａの上下方向の対向位置には深さＨ２の切込み５２ｂが形成されている。これらストラップ収納溝５２ａ及び切込み５２ｂは、図３に示すように、各陽極ベイン５２に１つ置きに、即ち交互に形成されており、これらストラップ収納溝５２ａ及び切込み５２ｂに円環状のストラップ６４が嵌合されて組み込まれている。
【００３３】
但し、ストラップ６４は、ストラップ収納溝５２ａに対しては隙間なく嵌合され、切込み５２ｂに対しては両側と底面側とに隙間（ギャップ）ができるように嵌合される。即ち、ストラップ収納溝５２ａと切込み５２ｂとの幅及び深さＨ３，Ｈ２がそのような寸法に形成されている。そのストラップ６４と切込み５２ｂとのギャップは、後述のように静電容量Ｃの大きさと相関関係を有する。
【００３４】
図２に示す構造は多分割構造陽極構造と呼称され、１０枚の陽極ベイン５２で分割された空洞共振器となっている。個々の空洞共振器が構成する静電容量Ｃ及びインダクタンスＬにより、共振周波数、つまりマグネトロン１００の発振周波数が決まる。
【００３５】
インダクタンスＬは、陽極円筒部５３の内周側と円環状のストラップ６４の外周側との間に位置する各陽極ベイン５２間の三角形状の空洞の大きさで決まる。空洞が大きくなる程にインダクタンスＬが大きくなる。つまり、陽極円筒部５３の内径が大きくなる程に、三角形状の空洞が大きくなるのでインダクタンスＬが大きくなる。
【００３６】
静電容量Ｃは、各陽極ベイン５２におけるストラップ６４の内周側に付き出した先端部同士の間のギャップで決まる。ギャップが小さいほどに静電容量Ｃが大きくなる。また、その先端部の互いに対向する部分の面積が大きいほどに、静電容量Ｃが大きくなる。つまり、図４（ｂ）に示す陽極ベイン５２の先端部の高さＨ１が高くなる程に先端部面積が大きくなって、静電容量Ｃも大きくなる。
更に、静電容量Ｃは、図３に示すように、ストラップ６４と、切込み５２ｂの両側及び底面側との間のギャップの大きさでも変化する。このギャップが小さいほどに静電容量Ｃが大きくなる。
【００３７】
陽極円筒部５３の円周中心部に配置された陰極フィラメント５１の上端は出力側エンドシールド７１に固着され、下端は入力側エンドシールド７２に固着されている。出力側エンドシールド７１は棒状の陰極リード７３に支持され、入力側エンドシールド７２は棒状の陰極リード７４に支持されている。
【００３８】
ここで、１０枚の陽極ベイン５２を有したマグネトロン１００の各部寸法は、発振周波数が８００乃至１０００ＭＨｚを得るため、例えば下記のように定められている。
Ｆ（フィラメント外径）＝９．２ｍｍ（図３参照）
Ｇ（陽極ベイン先端内径）＝２０ｍｍ（図３参照）
Ｄ１（陽極円筒部内径）＝８５ｍｍ（図３参照）
Ｄ２（陽極円筒部外径）＝９５ｍｍ（図３参照）
Ｆ／Ｇ〔（陰極フィラメント外径）／（陽極ベイン先端内径）〕＝０．４６（図３参照）
Ｌ１（陽極ベイン全長）＝３２．５ｍｍ｛図４（ｂ）参照｝
Ｌ２（陽極ベイン先端部テーパ部長さ）＝４．６ｍｍ｛図４（ａ）参照｝
Ｈ１（陽極ベイン高さ）＝２４ｍｍ｛図４（ｂ）参照｝
Ｈ２（ストラップ収納溝通過部高さ）＝６．８ｍｍ｛図４（ｂ）参照｝
Ｈ３（ストラップ収納溝ろう付け部高さ）＝５．８ｍｍ｛図４（ｂ）参照｝
Ｔ１（陽極ベイン厚さ）＝８．０ｍｍ｛図４（ａ）参照｝
Ｔ２（陽極ベイン先端部厚さ）＝５．０ｍｍ｛図４（ａ）参照｝
Ｒ１（ストラップ収納溝壁面曲率）＝１４．９ｍｍ｛図４（ａ）参照｝
Ｒ２（ストラップ収納溝壁面曲率）＝２０．５ｍｍ｛図４（ａ）参照｝
Ｒ３（ストラップ収納溝壁面曲率）＝１５．９ｍｍ｛図４（ｃ）参照｝
Ｒ４（ストラップ収納溝壁面曲率）＝１９．８ｍｍ｛図４（ｃ）参照｝
ストラップ外径：３９．３ｍｍ（図３参照）
ストラップ内径：３１．７ｍｍ（図３参照）
【００３９】
上記各寸法の陽極構造のマグネトロン１００の発振周波数スペクトラムを図５に示す。図５に示す発振周波数スペクトラムから明らかなように、この陽極構造であれば発振周波数はピークが９１４ＭＨｚであり、本発明の発振周波数の８００乃至１０００ＭＨｚの条件を満たしている。また、このときのマイクロ波出力は６ｋＷである。
【００４０】
図６はマグネトロン１００の発振周波数（横軸）とマグネトロン１００の重量比（縦軸）との関係を示す図である。この図６では、発振周波数２４５０ＭＨｚのマグネトロンの重量を重量比１００％とし、２４５０ＭＨｚ以下の各発振周波数と、マグネトロンの重量比との関係を曲線ＭＬで表してある。
【００４１】
従来のマグネトロン、例えば陽極ベインの枚数が１４枚、発振周波数が２４５０ＭＨｚ、マイクロ波出力が６ｋＷ（６ｋＷクラス）の場合のマグネトロンの質量は２．７ｋｇ程度である。この従来のマグネトロンの質量と発振周波数との相対位置を図６に点ａで示す。これを基準に発振周波数が９１５ＭＨｚのマグネトロンを実現させようとすると、陽極ベインの長さを７倍以上にする必要があり、その重量は図６の点ｂに位置する。
【００４２】
マグネトロンのような多空胴（上述した図２の各陽極ベイン５２での分割空洞）を有する陽極構造の発振周波数ｆは、１つの空胴で構成されるインダクタンスＬと静電容量Ｃに応じて次式（１）のように決まる。
ｆ＝１／２π√（ＬＣ）  …（１）
この式（１）から、安定した発振周波数ｆを得るためには、空洞をある程度大きくする必要があることが分かる。このため、従来では陽極構造の大型化は避けられない。
【００４３】
一般的には、陽極ベインの厚さを薄くしてインダクタンスＬを補正し、陽極ベインが薄くなったことによる熱的余裕度の補正を、陽極ベインの枚数を増やすことで対応している。例えば１４枚の陽極ベインのマグネトロンでは、ベイン枚数が多いので、ベイン間の３角形状の空洞が小さくなる。これを大きくするために陽極円筒部５３の径を大きくする必要がある。つまり、１４枚の陽極ベインのマグネトロンでは、１２枚の陽極ベインのマグネトロンよりも陽極構造が大きくなってしまう。
【００４４】
一方、１２枚の陽極ベインで静電容量Ｃを大きくしようとしても、ベイン先端部間のサイズは０．５ｍｍ以下が限界であるため、構造的限界がある。このため、結果的には９１５ＭＨｚで発振するマグネトロンを実現させても、図６の点ｂのように、点ａと比較して約３倍の大きさになってしまう。
但し、陽極ベイン５２の先端部間隔は、極力狭くした方が静電容量Ｃが大きくなって、陽極ベイン５２の先端部間の高周波電界を相対的に強くすることができ、負荷安定度は改善されることになる。
【００４５】
本実施形態のように、従来よりもベイン枚数が少なく、即ち、陽極ベイン５２を１０枚とすれば、静電容量Ｃを変えずに、ベイン間空洞が大きくなってインダクタンスＬが大きくなるので、その分、陽極円筒部５３の径を小さくすることができる。また、インダクタンスＬが大きくなると、発振周波数は下がって低周波となる。つまり、陽極ベイン５２を１０枚とすれば、小形の低周波（発振周波数８００〜１０００ＭＨｚ）のマグネトロン１００を実現することができる。
マグネトロン１００として満足される実用的な各部寸法範囲は次の通りである。上記各寸法は１例であるが、種々の検討をした結果、８００乃至１０００ＭＨｚの発振周波数のマグネトロン１００として満足される実用的な各部寸法範囲は次の通りである。
【００４６】
Ｆ（フィラメント外径）＝８．０〜１０．０ｍｍ（図３参照）
Ｇ（陽極ベイン先端内径）＝１７〜２２ｍｍ（図３参照）
Ｄ１（陽極円筒内径）＝７０〜９０ｍｍ（図３参照）
Ｄ２（陽極円筒部外径）＝８０〜１００ｍｍ（図３参照）
Ｆ／Ｇ〔（陰極フィラメント外径）／（陽極ベイン先端内径）〕＝０．３６〜０．５９（図３参照）
Ｌ１（陽極ベイン全長）＝３０〜３５ｍｍ｛図４（ｂ）参照｝
Ｈ１（陽極ベイン高さ）＝２３〜２５ｍｍ｛図４（ｂ）参照｝
Ｔ１（陽極ベイン厚さ）＝７．５〜８．５ｍｍ｛図４（ａ）参照｝
Ｆ／Ｇの値が０．３６未満であると、発振効率が悪くなり実用的ではなくなる。０．５９を超える値では、磁束密度が不足し、陽極電圧が上がりにくくなるため、現実的ではなくなる。（Ｄ２−Ｄ１）／２の結果の値が陽極円筒部５３の厚さとなり、この厚さが５ｍｍ未満では陽極円筒部５３が歪み易くなり、品質が悪くなる。５ｍｍを超えても発振可能ではあるが、陽極円筒部５３の冷却効率が悪くなるだけでなく、陽極円筒部５３の価格が高くなったり、重量が重くなったりする等の問題が生じる。そこで、Ｄ１＝７０〜９０ｍｍ、Ｄ２＝８０〜１００ｍｍとした。ここで、少なくともＤ２＝８０〜１００ｍｍとするのがよい。
【００４７】
一方、安定的な発振動作を維持すると共に、陽極円筒部５３の径小化を図るための図３に示す陽極円筒内径Ｄ１と陽極ベイン先端内径Ｇとの比（Ｄ１／Ｇ）は、実験の結果、約４．２倍が適切である。また、陽極円筒部外径Ｄ２は陽極円筒の機械的強度、放熱効率等を考慮して８０〜１００ｍｍに決定される。
【００４８】
また、マグネトロン１００は上述したように多空胴共振構造である。このため、従来のようにベイン枚数が１４枚のように多くなると、１つの空洞が小さくなる程に、空洞の形成誤差が空洞形状全体に反映される割合が大きくなってしまう。このため、個々の空洞共振器の形状バラツキが大きくなるので、発振周波数が不安定となる。
【００４９】
一方、本実施形態のマグネトロン１００のようにベイン枚数が１０枚の場合、１つの空洞が大きいので、空洞の形成誤差が空洞形状全体に反映される割合が小さい。このため、個々の空洞共振器の形状バラツキが小さいので、発振周波数が安定する。言い換えれば、静電容量Ｃが一定でインダクタンスＬが大きいので、個々の空洞共振器のバラツキが少なくなり、このため、発振周波数が安定する。
従って、１０枚の陽極ベイン５２を用いた空胴数の少ないマグネトロン１００の方が、従来のマグネトロンよりも発振周波数特性に優れている。なお、ベイン枚数がより少ない８枚の場合、空洞はより大きくなるが、入出力効率が悪くなり使用に耐えなくなってしまう。
【００５０】
＜３９Ｄ同軸導波管使用構造＞
図７はマグネトロン１００の出力部６９に３９Ｄ規格の同軸導波管を接続した際の構造を示す要部断面図である。
外径Ｄｉ１の円筒状ブロックである３９Ｄ内導体９１は、直接アンテナブロック５８に接触しており、内径Ｄｏ１の円筒状ブロックである３９Ｄ外導体９３はヨーク５６（図１参照）に固定されている。３９Ｄ内導体９１は３９Ｄインナ９２に導通しており、３９Ｄ外導体９３は３９Ｄフランジ９４にボルト２０１とナット２０２によって固定されている。
【００５１】
また、３９Ｄ内導体９１と３９Ｄ外導体９３は、フッ素樹脂スペーサ９５によって同軸を維持するように固定されている。３９Ｄフランジ９４の内壁面に３９Ｄ外導体９３が、３９Ｄインナ９２の外壁面に３９Ｄ内導体９１が取り付けられる構造となっている。破線枠９８で囲む部分は、アンテナブロック５８とセラミック円筒部６０とが密着した気密封止機構である。
【００５２】
＜７７Ｄ同軸導波管使用構造＞
図８は出力部６９に７７Ｄ規格の同軸導波管を接続した際の構造を示す要部断面図である。
外径Ｄｉ２の円筒状ブロックである７７Ｄ内導体１０３は、スリットが設けられ、ばね性を有した結合部１０１を介してアンテナブロック５８に結合されている。また、７７Ｄ外導体固定板１０６によって、ヨーク５６に、内径Ｄｏ２の円筒状ブロックである７７Ｄ外導体１０４が固定されている。７７Ｄ内導体１０３は７７Ｄ内導体１０２に導通しており、７７Ｄ外導体１０４は７７Ｄ外導体１０５にねじ止め２０３されている。
【００５３】
また、７７Ｄ内導体１０４と７７Ｄ外導体１０５は、フッ素樹脂スペーサ１０７によって固定されている。７７Ｄ外導体１０５の外壁面に７７Ｄフランジが、７７Ｄ内導体１０２の内壁面に７７Ｄインナが取り付けられる構造となっている。
但し、上記の実施形態においては、磁石を永久磁石５４，５４ａとしたが、電磁石であってもよい。
【００５４】
＜実施形態の効果＞
以上説明したように、本実施形態のマグネトロン１００は、熱電子放出源である陰極フィラメント５１を含む陰極部７８と、陽極円筒部５３の内側に複数の陽極ベイン５２を一定間隔離して円環状に配列した構造であり、陽極ベイン５２同士の間に形成される空洞による空洞共振器を有する陽極部７９と、空洞共振器に蓄えられるマイクロ波を外部へ送出する出力部６９と、陰極部７８、陽極部７９及び出力部６９の一部を内封する真空管本体の軸方向上下端に磁石を配設した磁気回路部７０とを備える。そして、空洞共振器の数を１０個、陰極部７８の外径と陽極ベイン５２先端の内径との比を０．３６〜０．５９、陽極円筒部５３の外径を８０〜１００ｍｍとした。更に、真空管本体の発振周波数が８００乃至１０００ＭＨｚとなる。
【００５５】
この構成によれば、陽極ベイン５２の枚数を、従来の１２枚よりも少ない１０枚とした。このようにベイン枚数を１０枚とすれば、静電容量Ｃを変えずに、ベイン間の空洞共振器が大となりインダクタンスＬが大となるので、その分、陽極円筒部５３の径を小さくすることができる。従って、陽極部７９の円形状の径を小さくすることができるので、マグネトロン全体を小型化することができる。
【００５６】
また、ベイン枚数が１０枚の場合、１つの空洞が大きいので、空洞の形成誤差が空洞形状全体に反映される割合が小さい。このため、個々の空洞共振器の形状バラツキが小さいので、発振周波数が安定する。言い換えれば、静電容量Ｃが一定でインダクタンスＬが大きいので、個々の空洞共振器のバラツキが少なくなり、このため、発振周波数が安定する。更に、インダクタンスＬが大になると、発振周波数は下がって低周波となる。つまり、陽極ベイン５２を１０枚とすれば、小形の低周波（発振周波数８００〜１０００ＭＨｚ）のマグネトロン１００を実現することができる。
従って、９００ＭＨｚ帯のマグネトロンを、従来の２４５０ＭＨｚ帯のマグネトロンと略同一外径寸法及び略同一出力で提供することができる。
【００５７】
また、上記の磁石を、永久磁石５４，５４ａとした。
この構成によれば、電磁石を用いないので電磁石励磁用の電源も不要となり、その分、電源のコストが下がる。また、電磁石を用いた場合、陰極部７８、陽極部７９、電磁石用の３つの電源が必要であり、各給電対象の作用動作を考えながら各電源を制御して作動させる必要があった。しかし、電磁石が無くなると、陰極部７８と陽極部７９の２つの電源のみとなるので、電源の作動制御がその分簡単になるという効果がある。
【００５８】
また、陰極部７８は、直流の４ｋＶ〜８ｋＶの負の高電圧の印加状態において陽極部７９へ電子を放出し、この電子放出に応じて当該陽極部７９が高周波電界を形成してマイクロ波を出力するようにした。
この構成によれば、従来のように発信源に半導体デバイスを用いる場合よりも高出力化が容易であり、半導体デバイスを駆動させる高コストの電源よりも、低コストとすることができるといった効果がある。
【００５９】
また、出力部６９は、マイクロ波を外部へ出力するアンテナ先端部としてのアンテナブロック５８に、マイクロ波が伝搬する同軸導波管（３９Ｄ同軸導波管又は７７Ｄ同軸導波管）の内導体９１，１０３を気密状に嵌合し、当該同軸導波管を伝搬するマイクロ波をアンテナ先端部から外部へ送出するようにした。
この出力部６９の構成によれば、従来の圧接構造に比べると、嵌合等による組み合わせ構造なので、機械的に信頼性が高くなる。このため、同軸導波管（３９Ｄ同軸導波管又は７７Ｄ同軸導波管）の内導体９１，１０３（図７，８参照）との結合も容易となり、同軸導波管の取り換えにおいても、破損等の問題が発生するリスクが少なくなる。
【００６０】
また、嵌合構造なので結合部１０１（図８参照）の熱伝導率、電気伝導率を上げることが可能であり、その分の損失も低減させることができる。
更に、機械的、熱的に信頼性が向上するので、高出力マグネトロン等のように、アンテナブロック５８を含むアンテナ部が高温になる仕様には有利である。
【００６１】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００６２】
５１  陰極フィラメント
５２  陽極ベイン
５２ａ  ストラップ収納溝
５２ｂ  切込み
５３  陽極円筒部
５４，５４ａ  永久磁石
５５，５５ａ  磁極
５６，５６ａ  ヨーク
５７  アンテナリード
５８  アンテナブロック
６０  セラミック円筒部
６１  出力側セラミック
６３  作用空間
６４  ストラップ
６６，６７  上下封止金属
６８，６８ａ  上下陽極板
６９  出力部
７０  磁気回路部
７１  上側エンドシールド
７２  下側エンドシールド
７３  陰極リード（センターリード）
７４  陰極リード（サイドリード）
７５  入力側セラミック
７６  端子板
７７  冷却機構
７７ａ  冷却水通路
７８  陰極部
７９  陽極部
８０  排気管
８１  チョークコイル
８２  貫通コンデンサ
８３  フィルターケース
８４  蓋体
８５  フィルタ構造体
９１  ３９Ｄ内導体
９３  ３９Ｄ外導体
９８  気密封止機構
１００  マグネトロン
１０３  ７７Ｄ内導体
１０４  ７７Ｄ外導体
【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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