(57)【要約】【課題】  多孔質構造の陰極基体へのろう材層の形成において、ろう材の浸み込みを安定して抑制する。【解決手段】  電子放射物質が含浸され表面を電子放射面１１ａとする陰極基体１１と、前記陰極基体１１の裏面側に配置され前記陰極基体１１を加熱するヒータ１５と、前記ヒータ１５を収容し、前記陰極基体１１を端部で支持する支持筒１４とを具備する含浸型陰極構体１０において、前記陰極基体１１の裏面に金属網１２を介してろう材層（目潰し層１３）が形成されている。【選択図】  図１
2014216121.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子放射物質が含浸され表面を電子放射面とする陰極基体と、前記陰極基体の裏面側に配置され前記陰極基体を加熱するヒータと、前記ヒータを収容し、前記陰極基体を端部で支持する支持筒とを具備する含浸型陰極構体において、
前記陰極基体の裏面に金属網を介してろう材層が形成されていることを特徴とする含浸型陰極構体。
【請求項２】
前記ヒータは、絶縁材に埋め込まれていることを特徴とする請求項１に記載の含浸型陰極構体。
【請求項３】
前記陰極基体は多孔質タングステンからなり、前記ろう材層はモリブデン−ルテニウム合金からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の含浸型陰極構体。
【請求項４】
前記金属網は、タングステン、モリブデン、タングステン基合金あるいはモリブデン基合金からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の含浸型陰極構体。
【請求項５】
前記金属網は、線径が０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍの範囲になり、網目の数が３０メッシュ〜６０メッシュの範囲になるように形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の含浸型陰極構体。
【請求項６】
前記電子放射物質が酸化物である請求項１ないし５のいずれか一項に記載の含浸型陰極構体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、例えばクライストロンや進行波管などのマイクロ波電子管のような電子管などの電子銃に使用される、含浸型陰極構体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、クライストロンなどのマイクロ波電子管は高出力の傾向にあり、特に核融合や粒子加速器に使用されるマイクロ波電子管の出力はメガワット級に至っている。そして、今後もその大出力化が要請されている。
【０００３】
したがって、このようなマイクロ波電子管の電子銃に使用する陰極から取り出す電流値も必然的に増加するため、高電流密度が要請される。
さらに、長時間安定して使用するため、高信頼性および長寿命などが要請される。
【０００４】
このような要請にこたえ得る陰極として、従来から使用されている酸化物陰極に代わって、含浸型陰極がとり挙げられ電子銃に広く適用されるようになってきている。含浸型陰極では、その陰極基体がディスク状に成型された多孔質構造の例えばタングステン（Ｗ）などの高融点金属からなり、その空孔に電子放射物質が含浸されている。そして、陰極基体では、その一方の面（表面）が曲面状に凹陥した電子放射面になり、それに対向する他方の面（裏面）には、空孔の目を塞ぐように目潰し層がろう材により形成されている。また、このろう材により支持筒が陰極基体の裏面側にろう付けされている。ここで、陰極基体は、支持筒内に収容されたヒータにより加熱され、その表面から熱電子が放射される。この陰極基体、その支持筒、ヒータなどが含浸型陰極構体を構成する。
【０００５】
上記含浸型陰極構体では、電子銃として広く適用されるようになるに従い、更なる高性能化、安定化などが要求されるようになる。例えば、その高性能化を可能にするために、陰極基体の薄型化、大口径化などが強く求められる。そして、含浸型陰極構体の更なる信頼性の向上が要求されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２５６８８３号公報
【特許文献２】特開２０１１−１３４４４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般に、含浸型陰極構体の製造では、多孔質構造の陰極基体の裏面側から空孔の目を塞ぐように目潰し層をろう付けし、更に陰極基体の裏面側の支持筒接合部に支持筒をろう付けした後に、多孔質構造の陰極基体に電子放射物質を溶融含浸させる。ここで、電子放射物質は電子を放出し易い金属である第２族元素（アルカリ土類金属）、第３族元素を含む酸化物からなり、その含浸のための溶融温度は１７００℃程度になる。これに対し、上記ろう付けに用いられるろう材には、その溶融温度が１９００℃以上になる例えばモリブデン（Ｍｏ）−ルテニウム（Ｒｕ）のような高融点金の合金が用いられる。
【０００８】
このように電子放射物質の溶融温度より高温でろう付けされ形成される目潰し層は、上記陰極基体の表面の電子放射面から電子放射物質を溶融含浸させる際に、熱変形を生じさせることが全くない。そして、電子放射物質が陰極基体の裏面から染み出さないようにする。また、例えば上記陰極基体への支持筒のろう付け接合など、電子放射物質の溶融温度より高温で組み立てられる含浸型陰極構体では、その熱変形は生じない。このような含浸型陰極構体は、例えば１０００℃程度の高温に加熱され電子放射する電子銃として機能する。
【０００９】
ところが、上述した従来のろう付けによる目潰し層の形成において、ろう材が陰極基体の空孔を通して陰極基体内に浸み込み易く、また、その浸み込みが陰極基体内で不均一に起こり易い。そして、ろう材の浸み込んだ空孔には、その後の電子放射物質の溶融含浸が生じなくなることから、含浸された電子放射物質の陰極基体の面内での不均一性が生じる。このろう材の浸み込み、あるいは浸み込みの不均一性は、熱電子放射の陰極基体の面内不均一性などの電子放射特性劣化につながる。このような不具合は、例えば肉厚が２ｍｍ以下になる陰極基体の薄膜化において特に顕著に現れる。
【００１０】
上記目潰し層の形成において、ろう材の塗布量を少なくすることにより、上述した陰極基体内へのろう材の浸み込みを軽減することができる。しかし、目潰し層の厚さが低減すると、例えば陰極基体に電子放射物質を含浸させる際のように陰極基体が高温になる場合に、陰極基体の裏面からの電子放射物質の染み出し量が増加するようになる。そして、この染み出た電子放射物質はヒータなどと反応しヒータの信頼性の低下などを引き起こすようになる。
【００１１】
そこで、含浸型陰極構体の更なる高性能化、安定化、信頼性向上などの点から、目潰し層の形成において、上記ろう材の陰極基体への浸み込みを抑制できるようにすることが必要になっている。しかも、そのような目潰し層は、上述した電子放射物質の陰極基体からの染み出しを充分に防止できる必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
実施形態の含浸型陰極構体では、電子放射物質が含浸され表面を電子放射面とする陰極基体と、前記陰極基体の裏面側に配置され前記陰極基体を加熱するヒータと、前記ヒータを収容し、前記陰極基体を端部で支持する支持筒とを具備する含浸型陰極構体において、前記陰極基体の裏面に金属網を介してろう材層が形成されている構成になっている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態に係る含浸型陰極構体の略断面図である。
【図２】図１の領域Ｐを拡大した略図である。
【図３】実施形態における金属網の説明に供する一部平面図である。
【図４】実施例における第１の評価結果を示す表である。
【図５】実施例における第２の評価結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本実施形態にかかる含浸型陰極構体について図面を参照しながら詳細に説明する。図１に示すように、含浸型陰極構体１０では、ディスク状の陰極基体１１の表面が電子放射面１１ａになり、陰極基体の裏面１１ｂにろう付けされた金属網１２と共にろう材層である目潰し層１３が形成されている。そして、陰極基体１１には、その裏面の外周の支持筒接合部１１ｃに支持筒の一端部１４ａがろう付けされている。また、陰極基体１１と支持筒１４により形成される収容空間にヒータ１５が収納されている。この陰極基体１１、金属網１２、目潰し層１３、支持筒１４およびヒータ１５が含浸型陰極構体１０の主要部を構成する。
【００１５】
更に、図１に示す含浸型陰極構体１０では、上記収容空間に埋め込み材１６が充填され、これなどのヒータ１５および埋め込み材１６は反射板１７により収容空間に封止されている。ここで、反射板１７の外縁部が支持筒１４の他端部１４ｂの内縁に接合されている。
【００１６】
陰極基体１１は、例えば、空孔率１５〜２５％の多孔質Ｗからなりディスク状に成型されている。ここで、陰極基体１１の表面は、所定の曲率で曲面状に凹陥した電子放射面１１ａになる。陰極基体１１の空孔には、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（Ａｌ２Ｏ３）からなる金属酸化物の電子放射物質が含浸されている。ここで、多孔質タングステン（Ｗ）は電子放射面１１ａの切削加工時に目潰れを起しやすく、この目潰れによって電子放射物質が充分に含浸されない。そこで、本実施形態では、多孔質タングステン（Ｗ）の空孔に合成樹脂を含浸しておいてから電子放射面１１ａを加工した後、含浸してある合成樹脂を水素あるいは真空中での加熱処理により飛散させる。これにより、加工面に目潰れのない陰極基体１１を得ている。
【００１７】
金属網１２は、図１の領域Ｐを拡大した図２に示されるように、目潰し層１３により陰極基体の裏面１１ｂにろう付けされ接合して形成されている。ここで、支持筒接合部１１ｃの箇所には金属網１２の形成があってもなくてもよい。この金属網１２は、ろう付けにおいて、ろう材が陰極基体の裏面１１ｂに均一に溶着するように作用する。そして、その際のろう材層となる目潰し層１２の形成において、その膜厚の陰極基体の裏面１１ｂでの均一性が大きく向上する。また、陰極基体１１の空孔を通したろう材の浸み込みが制御され、ろう材の浸み込みが抑制され、更にその浸み込みの不均一性が安定して小さくなる。
【００１８】
金属網１２は、高融点金属あるいは高融点金属合金からなる。特に、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）などの金属あるいはタングステン（Ｗ）−レニウム（Ｒｅ）合金が好適である。
【００１９】
金属網１２は種々の形態にすることができる。図３に一例を示しているが、図３（ａ）のように横線２１と縦線２２が交互に織られて織金網になっている。あるいは、横線および縦線の金属線が互いに織られることがない不織金網になっていてもよい。あるいは、図３（ｂ）に示すように例えば金属箔が網目パターンに加工され、横線および縦線が一体になるように形成される。また、それらの網目は、図３（ａ）、（ｂ）に示されるような矩形形状になる。あるいは、図３（ｃ）に示されるような菱形形状になっていてもよい。その他に、網目は三角形、多角形、円形、楕円形などの形状を有してもよい。
【００２０】
目潰し層１３は、上述したように、陰極基体１１の表面の電子放射面１１ａ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の裏面１１ｂからヒータ１５側に染み出さないようにするためのものである。目潰し層１３は、金属網１２を陰極基体の裏面１１ｂにろう付けするろう材層であり、高融点金属合金のろう材からなる。そのろう材としてモリブデン−ルテニウム（Ｍｏ−Ｒｕ）合金を含むものが好適である。このような目潰し層１３は、陰極基体１１がヒータ１５により例えば１０００℃以上の高温に加熱される場合であっても、電子放射物質が陰極基体１１のヒータ１５側に染み出すのを防止できる。
【００２１】
支持筒１４は、陰極基体１１を支持することに加えて、その内部に形成された収容空間にヒータ１５および絶縁材である絶縁物からなる埋め込み材１６を収納する役割を果たす。支持筒１４は、例えばモリブデン（Ｍｏ）のような高融点金属からなり、円筒状に成型されている。
【００２２】
支持筒１４は、支持筒の一端部１４ａが陰極基体１１の支持筒接合部１１ｃにろう付けされ接合している。ここで、支持筒１４は、目潰し層１３と同じろう材によりろう付けされてもよい。
【００２３】
ヒータ１５は、後述する埋め込み材１６に埋め込まれて、陰極基体１１を加熱する役割を果たす。ヒータ１５は、線状に形成されたフィラメントであり、例えば、直径１．５ｍｍ程度のタングステン（Ｗ）線である。ヒータ１５の発熱部分１５ａは、コイル状に巻回されて、埋め込み材１６と共に収容空間に収納されている。なお、ヒータ１５巻回軸は、例えば、支持筒１４の周方向に延びている。
【００２４】
ヒータ１５における一対のヒータの端部１５ｂ、１５ｂは、後述する反射板１７の所定の箇所に設けられたアルミナ管１８を挿通して含浸型陰極構体１０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１８は、ヒータ１５と反射板１７とを絶縁するように設けられている。
【００２５】
埋め込み材１６は、ヒータ１５からの熱を陰極基体１１に伝えることに加えて、収容空間に収納されたヒータ１５を保持する役割を果たす。埋め込み材１６は、例えばアルミナの焼結体であって、ヒータの発熱部分１５ａが収納された収容空間に隙間なく充填されている。
【００２６】
反射板１７は、収容空間から外部への放熱を抑制し、輻射により陰極基体１１の加熱効率を高める役割を果たす。反射板１７は、例えばモリブデン（Ｍｏ）金属からなる円板であって、その外縁部が支持筒の他端部１４ｂにおける内縁部に接合し、収容空間の陰極基体１１から離れた開口を塞ぐように配置されている。
【００２７】
次に、本実施形態に係る含浸型陰極構体１０の製造方法について説明する。まず、電子放射面１１ａを下にして例えば外径７０ｍｍ程度の陰極基体１１を置き、その陰極基体の裏面１１ｂに金属網１２を配置する。ここで、金属網１２は支持筒接合部１１ｃに配置されてもされなくても構わない。また、陰極基体１１の裏面の縁端に支持筒１４を配置する。次に、陰極基体の裏面１１ｂに、Ｍｏ−Ｒｕの混合粉末と有機バインダで混練したろう材を塗布し、乾燥する。その後に、還元性すなわち水素雰囲気中で例えば３０秒程度のあいだ約２０００℃に加熱する。そして、ろう材を溶融し陰極基体の裏面１１ｂに接合する金属網１２を介して目潰し層１３を形成し、同時に陰極基体１１の支持筒接合部１１ｃに支持筒の一端部１４ａをろう材で接合する。
【００２８】
この金属網１２を介した目潰し層１３の形成において、溶融したろう材は、毛細管現象と同様な働きにより金属網１２の金属線に沿い流れ易く、陰極基体の裏面１１ｂの全面に拡がり易くなる。このため、目潰し層１３の陰極基体１１の面内均一性が向上する。また、溶融したろう材は、多孔質構造の陰極基体１１よりも非多孔質構造の金属網１２に濡れ易く、陰極基体１１内へのろう材の浸み込みおよびその不均一性が抑制される。
【００２９】
その後、上記陰極基体１１および支持筒１４で区画された収容空間の所定位置に、冶具によりヒータ１５を保持して、その収容空間に埋め込み材１６を充填する。この埋め込み材１６の充填には、例えば、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が用いられる。埋め込み材１６の充填後、乾燥により有機溶剤を飛散させ、続いて真空中あるいは水素雰囲気下、１７５０〜１８５０℃に加熱して埋め込み材１６を焼結させる。
【００３０】
埋め込み材１６の充填後、ヒータ１５が収納された収容空間を封止するように反射板１７を取り付ける。そこで、反射板１７の外縁部を支持筒の他端部１４ｂにおける内縁部にアーク溶接する。ここで、一対のヒータの端部１５ｂ、１５ｂはアルミナ管１８を通して外部に延出させる。
【００３１】
最後に、陰極基体１１の電子放射面１１ａ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、陰極基体１１の空孔部に電子放射物質を含浸させる。更に、電子放射面１１ａにイリジウム（Ｉｒ）薄膜層（図示せず）を形成して含浸型陰極構体１０が完成する。
【００３２】
本実施形態では、上述したような含浸型陰極構体において、簡便な手段により陰極基体の薄型化あるいは大口径化が容易になる。そして、含浸型陰極構体の更なる高性能化、安定化、信頼性向上が可能になる。
【実施例】
【００３３】
次に、実施例により金属網の具体的な効果について図４および図５を参照して説明する。
【００３４】
実施例では、空孔率が２０％で陰極基体用の多孔質タングステン（Ｗ）ディスクに種々の金属網を介したろう材層の形成の試験をした。ここで、その肉厚を１ｍｍ、その直径を２０ｍｍにした。そして、モリブデン−ルテニウム（Ｍｏ−Ｒｕ）の混合粉末と有機バインダで混練した一定のろう材を用い、２ｇのろう材を種々の金属網を介して多孔質Ｗディスクの片面に塗布し、２０００℃で３０秒の水素処理をした。このようにして、多孔質タングステン（Ｗ）ディスクにろう材層が形成された種々のテストピースを作製した。
【００３５】
そして、上記ろう付け後の金属網を有するろう材層の形成状態について調べた。その評価結果として、テストピースにおけるろう材の流れ性、テストピースにおける多孔質タングステン（Ｗ）ディスク内へのろう材の浸み込みについて、図４および図５にまとめている。なお、ろう材の流れ性の評価は、テストピース面内におけるろう材層の均一性、ろう材層の多孔質タングステン（Ｗ）ディスク面との密着性などからまとめられている。
【００３６】
図４の試験例１〜試験例５は、テストピースの作製において、図３（ａ）に示す正方形の網目形状の網目数を５０メッシュにしたモリブデン（Ｍｏ）製の金属網を用いている。そして、その線径が０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍの金属網を用い、ろう材層の形成における金属網の線径の効果について第１の評価をしている。図５の試験例６〜試験例１１は、テストピース作製において、線径を０．１ｍｍにしたタングステン（Ｗ）製の金属網を用いている。この金属網は、図３（ａ）に示す正方形の網目形状であり、その網目寸法を変えている。そして、網目数が３０メッシュ、４０メッシュ、５０メッシュ、６０メッシュ、８０メッシュ、１００メッシュとなる金属網を用い、ろう材層の形成における金属網の網目数の効果について第２の評価をしている。
（評価結果）
金属網は、その線径が大きすぎるとろう材層の形成状態を悪くする。図４に示されるように、線径が０．１５ｍｍ以下では多孔質タングステン（Ｗ）ディスク内へのろう材の浸み込みはほとんど無いが、線径が０．２ｍｍ以上ではその浸み込みが急増することが判る。また、ろう材の流れ性の評価では、線径が０．２ｍｍ以下では良好であるが、０．３ｍｍ以上に増加すると、ろう材層の密着性が悪くなる。このようなろう材層の形成における金属網の線径の効果は、図示しないがタングステン（Ｗ）製の金属網でも同様になる。このような試験例から、金属網の線径は少なくとも０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍの範囲にあればろう材層の形成によい効果を及ぼすことが判った。
【００３７】
また、金属網は、その網目数が大きすぎるとろう材層の形成状態を悪くする。図５に示されるように、網目数が６０メッシュ以下では多孔質タングステン（Ｗ）ディスク内へのろう材の浸み込みはほとんど無いが、網目数が８０メッシュ以上ではその浸み込みが急増する。これに対して、ろう材の流れ性の評価では、網目数が１００メッシュまでは良好であった。このようなろう材層の形成における金属網の網目数の効果は、図示しないがモリブデン（Ｍｏ）製の金属網でも同様になる。このような試験例から、金属網の網目数は少なくとも３０メッシュ〜６０メッシュの範囲にあればろう材層の形成によい効果を及ぼすことが判った。
【００３８】
上記実施例において、多孔質タングステン（Ｗ）製の陰極基体に目潰し層であるろう材層を形成する場合、金属網を適用することにより、陰極基体へのろう材の浸み込みが抑制できることが確認された。なお、図示しないが、金属網を適用しない従来方法によるろう材層の形成では、ろう材は多孔質タングステン（Ｗ）ディスクの１ｍｍの全厚さに浸み込んでいる。そして、金属網は、その線径が少なくとも０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍの範囲になり、その網目数が少なくとも３０メッシュ〜６０メッシュの範囲になると極めて好適にとなることが判った。
【００３９】
上記実施形態では、含浸型陰極構体においてヒータが絶縁材に埋め込まれないようになっていても構わない。
【００４０】
また、金属網では、金属線の断面が矩形形状、楕円形状などになっていてもよい。
【００４１】
また、金属網は、その材質として目潰し層のろう材との濡れ性がよい、例えばろう材と組成のみが異なる合金材料を選ぶと極めて好適である。但し、この場合には、その合金材料はその融点がろう材のそれより高くなる。
【００４２】
（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共に、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。
【符号の説明】
【００４３】
１０…含浸型陰極構体、１１…陰極基体、１１ａ…電子放射面、１１ｂ…陰極基体の裏面、１１ｃ…支持筒接合部、１２…金属網、１３…目潰し層、１４…支持筒、１４ａ…支持筒の一端部、１４ｂ…支持筒の他端部、１５…ヒータ、１５ａ…ヒータの発熱部分、１５ｂ…ヒータの端部、１６…埋め込み材、１７…反射板、１８…アルミナ管、２１…横線、２２…縦線
【図１】
2014216121.tif 000003
【図２】
2014216121.tif 000004
【図３】
2014216121.tif 000005
【図４】
2014216121.tif 000006
【図５】
2014216121.tif 000007