(57)【要約】【課題】含浸型陰極構体のヒータと支持体との接合強度をさらに高める【解決手段】含浸型陰極構体１は、陰極基体１０と支持外筒２４と支持内筒２６と突出部３０とヒータ４０とを備える。陰極基体１０は、電子放射物質が含浸された電子放出面１２を持つ。支持外筒２４は、陰極基体１０の電子放出面１２の裏面１４から延びている。支持内筒２６は、支持外筒２４と同軸に延びて支持外筒２４との間に環状の収納空間２２を形成する。突出部３０は、支持内筒２６から支持外筒２４に向かって突出し、支持内筒２６の軸方向に貫通する貫通孔が形成されている。ヒータ４０は、線状であり、収納空間２２に収納されていて、一方の端部が突出部３０の貫通孔３１を貫通して固定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子放射物質が含浸された電子放出面を持つ陰極基体と、
前記陰極基体の前記電子放出面の裏面から延びる支持外筒と、
前記裏面から前記支持外筒と同軸に延びて前記支持外筒との間に環状の収納空間を形成する支持内筒と、
前記支持外筒および前記支持内筒のいずれか一方から他方に向かって突出し前記支持外筒および前記支持内筒の軸方向に貫通する貫通孔が形成された固定部と、
前記収納空間に収納されて一方の端部が前記貫通孔を貫通して前記固定部に固定された線状のヒータと、
を具備することを特徴とする含浸型陰極構体。
【請求項２】
前記固定部は前記支持外筒および前記支持内筒のいずれか一方から前記収納空間に向かって突出した突出部であ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】
前記固定部は前記支持外筒の内側面および前記支持内筒の外側面のいずれかに固定されたリングであ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４】
前記リングは前記貫通孔が形成された部分で切欠きによって周方向に分離されていることを特徴とする請求項３に記載の含浸型陰極構体。
【請求項５】
前記固定部と前記ヒータの一方の端部とは白金により接合されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１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】
実施形態は、概して、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られる含浸型陰極構体に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、核融合や粒子加速器などに用いられるクライス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望まれている。そのため、このような高出力のマイクロ波電子管には、酸化物陰極に替えて含浸型陰極を用いた電子銃が使用されている。
【０００３】
クライストロンの電子銃に用いられる陰極構体である含浸型陰極構体は、陰極基体、支持体、ヒータ、埋め込み材などを有している。陰極基体は、多孔質のタングステン（Ｗ）からなり、ディスク状に成型されている。陰極基体には、曲面状に凹陥した電子放射面が形成されている。陰極基体の空孔には、電子放射物質が含浸されている。
【０００４】
支持体は、陰極基体を支持することに加えて、内部に形成された収納空間にヒータおよび埋め込み材を収納する役割を果たす。支持体は、モリブデン（Ｍｏ）からなる支持外筒および支持内筒を有している。支持内筒は、支持外筒との間に環状の収納空間が形成されるように支持外筒の筒内に支持外筒と同軸（同心状）に配置されている。
【０００５】
陰極基体は、ルテニウム−モリブデン（Ｒｕ−Ｍｏ）合金を用いて、支持外筒および支持内筒の一端にろう付けされている。ヒータは、埋め込み材を介して、陰極基体を加熱する役割を果たす。ヒータは、コイル状に巻回されたタングステン（Ｗ）線であり、収納空間に収納されている。ヒータの一端は、支持内筒の外壁に接合されていて、ヒータと陰極基体とは、同電位となっている。
【０００６】
埋め込み材は、ヒータからの熱を陰極基体に伝えることに加えて、収納空間に収納されたヒータを保持する役割を果たす。埋め込み材は、アルミナの焼結体であって、ヒータが収納された収納空間に隙間なく充填されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２５６８８３号公報
【特許文献２】特公平７−６６７４７号公報
【特許文献３】特開２０１１−１２９３８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
含浸型陰極構体において、支持体と埋め込み材とは、熱膨張率が異なる。このため、ヒータの加熱によって、支持体と埋め込み材との間に熱膨張差が生じて、ヒータの一端と支持内筒の外壁との接合部分には応力が加わる。
【０００９】
ヒータを十分な精度で収納空間内の所定の位置に配置することは困難であり、ヒータの一端と支持内筒の外壁との接触面積が小さくなってしまうと、接合強度を確保できない。十分な接合強度を確保できない場合、ヒータのオン・オフの繰返しにより、ヒータと支持内筒との接合が外れてしまうことがある。
【００１０】
ヒータと支持内筒との接合強度を確保するために、支持内筒の外壁に凹部を形成して、この凹部にヒータの一端を溶接する方法が提案されている。また、支持内筒の端面に突出部を形成して、この突出部にヒータの一端を溶接する方法が提案されている。
【００１１】
しかし、熱容量の大きい支持内筒の凹部もしくは支持内筒の端部突出部とヒータの一端との隙間が大きくなると溶接面積が小さくなり、接合部の強度が低下してしまうおそれがある。
【００１２】
そこで、実施形態は、含浸型陰極構体のヒータと支持体との接合強度をさらに高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述の目的を達成するため、実施形態による含浸型陰極構体は、電子放射物質が含浸された電子放出面を持つ陰極基体と、前記陰極基体の前記電子放出面の裏面から延びる支持外筒と、前記裏面から前記支持外筒と同軸に延びて前記支持外筒との間に環状の収納空間を形成する支持内筒と、前記支持外筒および前記支持内筒のいずれか一方から他方に向かって突出し前記支持外筒および前記支持内筒の軸方向に貫通する貫通孔が形成された固定部と、前記収納空間に収納されて一方の端部が前記貫通孔を貫通して前記固定部に固定された線状のヒータと、を具備することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態による含浸型陰極構体の一部を断面で示す側面図である。
【図２】第１実施形態による含浸型陰極構体のヒータと支持内筒との嵌合部付近を拡大した斜視図である。
【図３】第２実施形態による含浸型陰極構体の部分縦断面図である。
【図４】第２実施形態の含浸型陰極構体の突出部付近を拡大した斜視図である。
【図５】第２実施形態の変形例におけるリングの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、いくつかの実施形態による含浸型陰極構体を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１６】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態による含浸型陰極構体の一部を断面で示す側面図である。
【００１７】
本実施形態による含浸型陰極構体１は、クライストロンの電子銃に用いられる陰極構体である。含浸型陰極構体１は、陰極基体１０と支持体２０とヒータ４０と埋め込み材５０と反射板６０，６２と反射筒６６とを有している。陰極基体１０は、たとえば空孔率１５〜２０％の多孔質のタングステン（Ｗ）からなる。陰極基体１０は、たとえば直径が７０ｍｍのディスク状に成型されている。陰極基体１０には、所定の曲率で曲面状に凹陥した電子放射面１２が形成されている。陰極基体１０の空孔には、たとえば酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、および、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなる電子放射物質が含浸されている。
【００１８】
電子放射面１２は、加工時に陰極基体１０の空孔の目潰れが生じやすい。この目潰れにより電子放射物質が空孔に十分に含浸されないことがある。これを防ぐために、電子放射面１２の加工前に、陰極基体１０の空孔にプラスチックを含浸させて、電子放射面１２の加工後に、そのプラスチックを飛散させることが好ましい。たとえば陰極基体１０を水素雰囲気下または真空下で加熱することにより、陰極基体１０に含浸されているプラスチックは飛散する。このようにしてプラスチックを飛散させた後、陰極基体１０の空孔に電子放射物質を含浸させるとよい。
【００１９】
支持体２０は、支持外筒２４と支持内筒２６とを有している。支持外筒２４および支持内筒２６は、それぞれモリブデン（Ｍｏ）からなり、円筒状に成型されている。支持内筒２６は、支持外筒２４との間に環状の収納空間２２が形成されるように支持外筒２４の筒内に支持外筒２４と同軸（同心状）に配置されている。支持内筒２６は、たとえば直径２０ｍｍ、軸方向の長さ２０ｍｍ、肉厚２ｍｍに成型されている。支持体２０は、陰極基体１０を支持する。また、支持体２０の支持外筒２４と支持内筒２６との間に形成された収納空間２２には、ヒータ４０および埋め込み材５０が収納される。
【００２０】
陰極基体１０は、収納空間２２の一方の端部を塞ぐように配置されていて、支持外筒２４および支持内筒２６の同じ側の端部に接合されている。詳しくは、支持外筒２４および支持内筒２６の一方の端部と、陰極基体１０の裏面１４とは、たとえば、ルテニウム−モリブデン（Ｒｕ−Ｍｏ）合金を用いてろう付けされている。ここで、陰極基体１０の裏面１４とは、電子放射面１２の反対側の面のことである。
【００２１】
ヒータ４０は、線状に形成されたフィラメントであり、たとえば直径１．５ｍｍのタングステン（Ｗ）線である。ヒータ４０の中間部分（発熱部分）４２は、コイル状に巻回されて、支持外筒２４と支持内筒２６との間に形成された収納空間２２に収納されている。ヒータ４０の巻回軸は、たとえば支持体２０の周方向に延びている。
【００２２】
埋め込み材５０は、たとえばアルミナの焼結体であって、ヒータ４０の発熱部分である中間部４２が収納された収納空間２２に隙間なく充填されている。ヒータ４０は、埋め込み材５０を介して、陰極基体１０を加熱する役割を果たす。埋め込み材５０は、ヒータ４０からの熱を陰極基体１０に伝えることに加えて、収納空間２２に収納されたヒータ４０を保持する役割を果たす。
【００２３】
ヒータ４０の一方の端部４４は、支持内筒２６に電気的に接続されている。そのため、ヒータ４０、支持体２０、および、陰極基体１０は、同電位となっている。
【００２４】
ヒータ４０の他方の端部４６は、支持体２０の陰極基体１０から離れた端部に設けられたアルミナ管４８を挿通して含浸型陰極構体１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４８は、埋め込み材５０の表面付近でヒータ４０が折損することを防止するため、および、ヒータ４０と後述する第１反射板６０とを絶縁するために設けられている。
【００２５】
第１反射板６０は、モリブデン（Ｍｏ）からなる環板体であって、支持外筒２４と支持内筒２６との間に形成された収納空間２２の陰極基体１０から離れた開口を塞ぐように配置されている。第１反射板６０の外縁部は、支持外筒２４の端部にアーク溶接により接合されていて、第１反射板６０の内縁部は、アーク溶接により支持内筒２６の端部に接合されている。
【００２６】
第２反射板６２は、モリブデン（Ｍｏ）からなる円板であり、第１反射板６０より外側、すなわち陰極基体１０から遠い方に配置されて、筒状のスペーサ６４を介して、アーク溶接により第１反射板６０に接合されている。
【００２７】
反射筒６６は、レニウム−モリブデン（Ｒｅ−Ｍｏ）合金からなり、支持外筒２４を覆うように、支持外筒２４の外周に配置されている。反射筒６６の陰極基体１０に近い方の端部は、支持外筒２４にルテニウム−モリブデン−ニッケル（Ｒｕ−Ｍｏ−Ｎｉ）合金を用いてろう付けされている。反射筒６６の陰極基体１０から遠い方の端部には、環状のフランジ部材６８がＲｕ−Ｍｏ−Ｎｉ合金を用いてろう付けされて設けられている。含浸型陰極構体１は、このフランジ部材６８を介して、図示しない電子銃部に固定される。
【００２８】
第１反射板６０、第２反射板６２、および、反射筒６６は、ヒータ４０によって発生した熱の収納空間２２から外部への放熱を抑制し、輻射により陰極基体１０の加熱効率を高める。
【００２９】
図２は、本実施形態による含浸型陰極構体のヒータと支持内筒との嵌合部付近を拡大した斜視図である。
【００３０】
支持内筒２６の陰極基体１０から遠い方の端部には、支持内筒２６の側面から支持外筒２４に向かって突出した突出部３０が設けられている。突出部３０には、支持内筒２６の軸方向に貫通する丸孔３１が形成されている。突出部３０は、支持内筒２６と一体に形成されている。第１反射板６０の突出部３０に対応する位置には、切欠き６１が形成されている。突出部３０は、たとえば、突出方向の横断面が一辺２ｍｍの正方形に形成され、丸孔部はφ１．５ｍｍに形成されている。
【００３１】
また、電源装置に接続された端部４６とは反対側のヒータ４０の端部４４は、第１反射板６０の内縁部に形成された切欠き６１を挿通して、埋め込み材５０の外部に延びて、収納空間の外部で突出部３０の丸孔部３１に挿入し接合されている。本実施形態においては、ヒータ４０の端部４４と突出部３０とは、たとえば、アーク溶接により接合されている。
【００３２】
本実施形態に係る含浸型陰極構体１の製造方法について説明する。含浸型陰極構体１は、たとえば、以下のように製造される。
【００３３】
まず、支持体２０を電子放射物質が含浸されていない陰極基体１０の裏面に設置して、陰極基体１０と支持体２０との接合部分にＲｕ−Ｍｏ合金を塗布する。同時に、陰極基体１０の裏面１４にＲｕ−Ｍｏ合金を塗布する。塗布後、Ｒｕ−Ｍｏ合金を溶解させて、陰極基体１０と支持体２０とを接合し、陰極基体１０の裏面１４にＲｕ−Ｍｏ合金の膜を形成する。このＲｕ−Ｍｏ合金の膜は、陰極基体１０の電子放射面１２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ためのものである。
【００３４】
その後、冶具によりヒータ４０を支持外筒２４と支持内筒２６との間に形成された収納空間２２の所定位置に保持して、収納空間２２に埋め込み材５０を充填する。この埋め込み材５０の充填は、たとえば、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を収納空間２２に流し込み、その後、乾燥により有機溶剤を飛散させて、真空中あるいは水素雰囲気下、１８００〜１８５０℃で焼結させて行う。
【００３５】
埋め込み材５０の充填後、支持体２０に第１反射板６０を溶接して、第１反射板６０にスペーサ６４を介して第２反射板６２を溶接する。また、支持体２０に反射筒６６をろう付けする。さらに、ヒータ４０の端部４４を突出部３０の丸孔部３１に挿入して突出し部を溶接する。
【００３６】
最後に、陰極基体１０の電子放射面１２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℃で溶融させて陰極基体１０に含浸させて、含浸型陰極構体１が完成する。
【００３７】
本実施形態によれば、電源装置に接続された端部４６とは反対側のヒータ４０の端部４４は、埋め込み材５０の外部に延びて、収納空間２２の外部で支持内筒２６に形成された突出部３０に接合されている。そのため、この接合部分は、加熱時に支持内筒２６と埋め込み材５０との間に生じる熱膨張差による応力を受けにくく、ヒータ４０のオン・オフを繰り返しても、ヒータ４０と支持内筒２６との接合が外れにくい。したがって、ヒータ４０と支持体２０との接合強度を、さらに高めることができ、ヒータ４０に電流を安定して供給できる。
【００３８】
また、熱容量の大きい支持内筒の外壁にヒータの一端を接合した従来の含浸型陰極構体に対し、本実施形態においては、熱容量の小さい突出部３０にヒータ４０の端部４４を接合している。そのため、本実施形態においては、従来に比べて、溶接時の加熱量（溶接電流）および加熱時間を少なくすることができ、ヒータ４０の脆化を抑制することができる。
【００３９】
さらに、本実施形態によれば、ヒータ４０の端部４４は、収納空間２２の外部で支持内筒２６に形成された突出部３０の丸孔部３１に接合されている。そのため、ヒータ４０と支持体２０との接合作業が容易となり、さらに接触不良を少なくすることができる。
【００４０】
［第２実施形態］
本発明に係る含浸型陰極構体の第２の実施形態について、図３および図４を用いて説明する。
【００４１】
図３は、第２実施形態による含浸型陰極構体の部分縦断面図である。図４は、本実施形態の含浸型陰極構体の突出部付近を拡大した斜視図である。
【００４２】
本実施形態による含浸型陰極構体２は、ジャイロトロンの電子銃に用いられる陰極構体である。含浸型陰極構体２は、陰極基体１０と支持体２０とヒータ４０と埋め込み材５０と反射板６０と反射筒６６とを有している。
【００４３】
支持体２０は、支持外筒２４と支持内筒２６と閉塞板２８とを有している。支持内筒２６は、支持外筒２４との間に環状の収納空間２２が形成されるように支持外筒２４の筒内に支持外筒２４と同軸的（同心状）に配置されている。閉塞板２８は、支持体２０の一方の開口端、すなわち支持外筒２４および支持内筒２６の同じ側の端部を塞ぐように配置されている。支持外筒２４、支持内筒２６、および、閉塞板２８は、一体に成型されている。
【００４４】
陰極基体１０は、たとえば内径７０ｍｍで外径９０ｍｍのリング状に成型されている。陰極基体１０は、支持外筒２４の外周に形成されたフランジ部２５にろう付けされている。
【００４５】
支持体２０の支持外筒２４と支持内筒２６との間に形成された収納空間２２には、第１実施形態と同様に、ヒータ４０が収納されて、埋め込み材５０が充填されている。
【００４６】
支持内筒２６の端部には、支持内筒２６の側面にリング３２が取り付けられ、このリング３２は支持内筒２６の軸方向に貫通する丸孔部３１が形成されている。また、ヒータ４０の端部４４は、第１反射板６０の内縁部に形成された切り欠き６１を挿通して、埋め込み材５０の外部に延びて、収納空間２２の外部でリング３２の丸孔部３１に接合されている。
【００４７】
本実施形態においては、ヒータ４０の端部４４の先端面とリング３２の先端面とは、およそ同一平面を形成している。そして、ヒータ４０の端部４４の先端面、および、リング３２の丸孔部３１の先端面に、たとえば、長さ３ｍｍ、幅１ｍｍ、厚さ５０μｍの白金リボン３３を２０枚重ねて載置して、この白金リボン３３を溶解させて、ヒータ４０の端部４４とリング３２の丸孔部３１およびリング３２と支持内筒２６とを電気的に接続している。
【００４８】
本実施形態によっても、第１実施形態と同等の効果を得ることができる。
【００４９】
図５は、本実施形態の変形例におけるリングの斜視図である。
【００５０】
この変形例において、支持内筒２６に取り付けるリング３２は、丸孔部３１に切欠きが形成されたものである。この切欠きによってリング３２は、周方向に分離されている。丸孔部３１の内径をヒータ４０の端部４４よりも若干小さめに形成しておくと、リング３２のばね力によってヒータ４０の端部４４を支持することができる。
【００５１】
［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。これらの新規な実施形態は、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。
【００５２】
たとえば、クライストロン用の含浸型陰極構体１に係る第１実施形態では、ヒータ４０の端部４４と突出部３０の丸孔部３１とは、アーク溶接によって接合されているが、第２実施形態で説明したように、白金リボン３３を溶解させることによって接合されていてもよい。また、ジャイロトロン用の含浸型陰極構体２に係る第２実施形態では、ヒータ４０の端部４４とリング３２の丸孔部３１およびリング３２と支持内筒２６とは、白金リボン３３を溶解させることによって接合されているが、第１の実施形態で説明したように、アーク溶接によって接合されていてもよい。
【００５３】
第１実施形態における丸孔部３１を有する突出部３０は、支持内筒２６と一体に成型されている必要はなく、支持内筒２６の一端面に、たとえば、ろう付けにより接合されていてもよい。また、ヒータ４０の端部４４と突出部３０の丸孔部３１およびリング３２と支持内筒２６とは、たとえば、ろう付けにより接合されていても良い。
【００５４】
第１実施形態および第２実施形態で説明したヒータ４０の端部４４の接合は、支持内筒２６で行っているが、支持外筒２４で行っても同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００５５】
１…含浸型陰極構体、２…含浸型陰極構体、１０…陰極基体、１２…電子放射面、１４…裏面、２０…支持体、２２…収納空間、２４…支持外筒、２５…フランジ部、２６…支持内筒、２８…閉塞板、３０…突出部、３１…丸孔部、３２…リング、３３…白金リボン、４０…ヒータ、４２…発熱部分、４４…端部、４６…端部、４８…アルミナ管、５０…埋め込み材、６０…第１反射板、６１…切欠き、６２…第２反射板、６４…スペーサ、６６…反射筒、６８…フランジ部材
【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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