(57)【要約】【課題】カソードディスクと支持筒をろう材を用いて、ろう付けする時に支持筒の上端部に生じる変形、クッラクを防止した含浸型陰極構体を得る。【解決手段】電子放射物質が含浸され表面を熱電子放出面１１ａとするカソードディスク１１と、カソードディスクの裏面１５側に配置されカソードディスクを加熱するヒータ２０と、ヒータを収容し、カソードディスクを前記裏面１５または側面で支持する支持筒１３，１４とを具備する含浸型陰極構体において、支持筒１３，１４は内周に張り出しカソードディスクの裏面の一部に突き合わされる突き合わせ面を有してろう付けにより裏面と接合される支持筒フランジ１３ａ，１４ａを有し、カソードディスクは支持筒フランジの突き合わせ面に対応する裏面に環状に形成され前記突き合わせ面内に収まるように支持筒フランジ幅よりも幅狭にされた窪み２１，２２を有する。【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表面を熱電子放出面とするカソードディスクと、前記カソードディスクの裏面側に配置され前記カソードディスクを加熱するヒータと、前記ヒータを収容し、前記カソードディスクを前記裏面または側面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、
前記支持筒は内周に張り出し前記カソードディスクの前記裏面の一部に突き合わされる突き合わせ面を有してろう付けにより前記裏面と接合される支持筒フランジを有し、
前記カソードディスクは前記支持筒フランジの突き合わせ面に対応する前記裏面に環状に形成され前記突き合わせ面内に収まるように前記支持筒フランジ幅よりも幅狭にされた窪みを有し、前記窪みがろう材のろう溜まりとなる含浸型陰極構体。
【請求項２】
前記カソードディスクの裏面は同心円の階段状部を形成し、前記支持筒は少なくとも二重筒で形成され前記階段状部の周壁に嵌めこまれている少なくとも二重筒で形成され二重筒間に前記ヒータが収容され前記支持筒間に埋め込まれた絶縁物内に埋設されている請求項１記載の含浸型陰極構体。
【請求項３】
前記窪みは半径方向断面がＵ字状またはＶ字状である請求項１または２記載の含浸型陰極構体。
【請求項４】
前記ろう材は前記カソードディスクの裏面を覆っている請求項１ないし３のいずれかに記載の含浸型陰極構体。
【請求項５】
前記窪みが支持筒の端面に対応するカソードディスクの裏面に形成されている請求項１記載の含浸型陰極構体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、含浸型陰極構体、特に高信頼性を要求される人工衛星搭載用の進行波管やクライストロンなどのマイクロ波電子管、あるいは陰極線管のような電子管に使用して好適な含浸型陰極構体に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、人工衛星搭載用の進行波管には高電流密度が要求され、それに適する陰極として、長寿命であること、低消費電力で動作すること、人工衛星打ち上げ時の衝撃に対し強いこと、陰極の動作温度がなるべく低いことが要請されている。
【０００３】
近年、クライストロン等のマイクロ波電子管は高出力化の傾向にあり、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り、今後もますます大出力化が要請される。このためカソードの高電流密度化が求められている。
【０００４】
このような要請にこたえ得る陰極として含浸型陰極があげられ、他の陰極例えば酸化物陰極に比べて高電流密度での動作が可能で、寿命は衛星搭載用で１０万時間と推定される（特許文献１参照）。
【０００５】
この含浸型陰極構体の一例を図８に示す。陰極は空孔率１５〜２０％のポーラスタングステンを基体とするカソードディスク１００を有し、その空孔部には電子放射物質が含浸される。このカソードディスク１００の裏面１０１には、ヒータ１０２の収納部を形成するモリブデンの外側支持筒１０３と内側支持筒１０４がモリブデン−ルテニウム合金のろう材によりろう付けされている。この外側支持筒１０３と内側支持筒１０４をカソードディスク１００に接合するときに、同時にカソードディスク１００の電子放射面１０１から電子放射物質が含浸される際の電子放射物質によるカソードディスク１００の裏面、およびヒータ収納部への染み出を防止する目的で、モリブデン−ルテニウム合金ろう材による目潰し層１０６の形成をカソードディスク１００に施している。
【０００６】
このヒータ１０２の収納部内には、アルミナなどの埋め込み材１０７が充填されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１-２５６８８３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、上記のような従来の含浸型陰極構体においては、モリブデン−ルテニウム合金ろう材を用いて外側支持筒１０３と内側支持筒１０４とカソードディスク１００の接合と、これと同時に行なうカソードディスクの裏面１０１およびヒータ収納部のある裏面１０１に電子放射物質が染み出すことを防止するモリブデン−ルテニウム合金層を形成する工程で、モリブデンでできている外側支持筒１０３と内側支持筒１０４の接合上端部に、変形や、クッラクが発生する欠点がある。
【０００９】
この原因は次の様に考えられる。即ち、電子放射面１０５を下にしてタングステンのカソードディスク１００を置き、カソードディスク１００に設けられた外側支持筒１０３と内側支持筒１０４との接合部に、外側支持筒１０３と内側支持筒１０４を配置する。次に、カソードディスクの裏面１０１に、モリブデン−ルテニウムの混合粉末と有機バインダで混練したろう材を筆などで塗布し、外側支持筒１０３と内側支持筒１０４とカソードディスク１００の接合部まわりにも充分な量のろう材を塗布し、乾燥する。
【００１０】
その後に、ろう材を溶融しカソードディスク１００の裏面１０１にモリブデン−ルテニウム合金層を形成し、同時にカソードディスク１００と外側支持筒１０３と内側支持筒１０４をろう材で固定する。加熱はろう材がカソードディスクの裏面１０１内に過剰に染み込ませないために、ろう材の溶融温度に達して数秒以内に設定されている。ろう材が溶融温度付近に到達すると、カソードディスク１００よりも外側支持筒１０３と内側支持筒１０４の熱膨張係数が大きいため、カソードディスク１００と外側支持筒１０３と内側支持筒１０４の接合部に径方向の隙間が発生する。この径方向の隙間に溶融したろう材が入り込み、加熱時間が数秒と短いので溶融後直ぐにこの隙間のろう材は固化される。この結果、外側支持筒１０３と内側支持筒１０４の上端接合部は膨らんだまま冷却されるために歪が残り、変形、クラックが発生する。カソードディスク１００と外側支持筒１０３と内側支持筒１０４の接合のための突き合わせ部分に流れ込むろう材の量は場所によってばらつきが大きく、一様ではない。
【００１１】
ろう付け後の外観検査で、確認できるような変形や、クラックは不良品として取り除くことが出来るが、支持筒内部に生じた微細なクラックは、顕微鏡を用いた検査でも判別は不可能である。このような不良品は陰極構体製造プロセスで問題になることがなく製品となる。しかしながら、管球に組み込まれてからの動作中に微細クラックが徐々に進行し、支持筒の割れ、傾き、電極間寸法の変化等を引き起こし、管球の動作特性に致命的な影響を及ぼす。
【００１２】
この発明は、上記事情に鑑みなされたもので、モリブデン−ルテニウム合金ろう材などを用いた、支持筒とカソードディスクの接合とともに行なうカソードディスクの裏面およびヒータ収納部裏面に、電子放射物質が染み出すことを防止する合金層を形成する時に、支持筒の上端部に生じる変形、クッラクを防止した含浸型陰極構体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】
【００１３】
本発明は、電子放射物質が含浸され表面を熱電子放出面とするカソードディスクと、前記カソードディスクの裏面側に配置され前記カソードディスクを加熱するヒータと、前記ヒータを収容し、前記カソードディスクを前記裏面または側面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、前記支持筒は内周に張り出し前記カソードディスクの前記裏面の一部に突き合わされる突き合わせ面を有してろう付けにより前記裏面と接合される支持筒フランジを有し、前記カソードディスクは前記支持筒フランジの突き合わせ面に対応する前記裏面に環状に形成され前記突き合わせ面内に収まるように前記支持筒フランジ幅よりも幅狭にされた窪みを有し、前記窪みがろう材のろう溜まりとなる含浸型陰極構体にある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、カソードディスクと支持筒の接合部のカソードディスク側に窪みを設けているので、ろう付け時にろう材が溶融して、カソードディスクと支持筒の隙間に流れ込む前に、カソードディスク側に設けた窪みに入り込み、カソードディスクと支持筒の隙間で余分に固化するのを防止できる。この結果、支持筒の上端部の変形や、クラックの発生を防止することができ、管球の動作特性が安定した信頼性の高い含浸型陰極構体が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態である含浸型陰極構体の構成を示す略断面図。
【図２】図１の一部を拡大した略図。
【図３】本発明の一実施形態である含浸型陰極構体の製造方法を説明する略図。
【図４】本発明の実施形態と比較例の効果を表す比較図。
【図５】本発明の他の実施形態を示す略断面図。
【図６】本発明の他の実施形態を示す略断面図。
【図７】本発明の一実施形態を適用するクライストロンの略図。
【図８】従来例を示す略断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面により説明する。
【００１７】
図１ないし図３は本発明の含浸型陰極構体を多空洞クライストロンの電子銃に適用した一実施形態である。図７に多空洞型クライストロンの概略を示す。
【００１８】
図示のように、多空胴クライストロンは電子銃５０が発生した電子ビームの作用によって高周波信号を増幅する電子管で、高周波入力信号が入力する入力空胴５２および増幅した高周波出力信号を取り出す出力空胴５４、入力空胴と出力空胴間に位置する中間空胴５３などから構成されている。図において電子銃５０は電子ビームeを発生する含浸型陰極構体１０および電子ビームｅを加速する陽極５１などから構成されている。電子銃５０の前方たとえば電子ビームｅの進行方向に、入力空胴５２および複数の中間空胴５３、出力空胴５４、電子ビームｅを捕捉するコレクタ５５が順に配置されている。上記の構成において、電子銃５０が発生した電子ビームｅは、入力空胴５２に入力する高周波入力信号で速度変調され、その後密度変調される。このような電子ビームｅの作用で、増幅した高周波出力信号が出力空胴５４で取り出され、出力導波管５６を通して外部に出力される。
【００１９】
図１および図２に含浸型陰極構体１０を示す。陰極構体は空孔率１５〜２０％のポーラスタングステンからなる円板状のカソードディスク１１を有しその表面が所定の曲率を持つ凹曲面の電子放射面１１ａを備えている。
【００２０】
凹曲にするのはカソードディスク１１から放出された電子ビームｅが散乱することなく陰極の前方中央部に絞られ加速されるためである。この電子放射面が変形すると電子管の正常動作ができず不具合を生ずるため、熱履歴の繰り返しによる変形を防いでいる。
【００２１】
このカソードディスク１１の空孔部には、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）からなる電子放射物質が含浸される。ここで、ポーラスタングステンは電子放射面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十分に含浸されない。このため、本実施形態では、ポーラスタングステン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とによって、加工面に目潰れのないカソードディスク１１を得ている。
【００２２】
カソードディスクの裏面１５は、直径の異なる同心円の複数段の段付円板形状をなしており、各段１６，１７(図２)の円周立下り部１６ａ，１７ａにカソードディスクを支持する外側支持筒１３と内側支持筒１４の二重筒をそれらの端面で嵌合している。
【００２３】
すなわちカソードディスク１１には、ヒータ２０の収納部を形成するモリブデンからなる外側支持筒１３と内側支持筒１４がろう付けによって接合される。この接合にはモリブデン−ルテニウム合金のろう材が用いられる。
【００２４】
支持筒１３,１４は円筒であり各筒の内壁に環状に支持筒フランジ１３ａ，１４ａが突設されている。各支持筒はカソードディスクの嵌合すべき段の円周に合わせた内径を有しており、フランジはカソードディスクの段の立下り部の高さと同一の長さだけ支持筒の嵌合側の端面から離隔して形成されている。
【００２５】
すなわち外側支持筒フランジ１３ａは、カソードディスク裏面１５の外側段１６に嵌合される外側支持筒１３の上端面１３ｂから外側段１６の立下り部１６ａの高さだけ距離を置いて設けられる。同様に内側支持筒フランジ１４ａは、カソードディスク裏面１５の内側段１７に嵌合される内側支持筒１４の上端面１４ｂから内側段１７の立下り部１７ａの高さだけ距離を置いて設けられる。このフランジ１３ａ，１４ａの上面は支持筒をカソードディスクの裏面１５に当接させたときに、ディスク段部の立下り部１６ａ，１７ａに隣接する接合面１６ｂ，１７ｂに当接し突き合わされる。この面１６ｂ，１７ｂすなわちカソードディスク側の突き合わせ面に半径方向断面がＵ字溝状の円周窪み２１，２２がフランジ幅よりも狭く突き合わせ面内に収まるように形成されている。
【００２６】
さらにカソードディスク１１は内側支持筒１４の端面との接合面１７ｃに円周状にＵ字状の窪み２３が設けられている。
【００２７】
この外側支持筒１３と内側支持筒１４のカソードディスク１１への接合は、カソードディスク１１の電子放射面１１ａから電子放射物質が含浸される際に電子放射物質が裏面１５に染み出すことを防止する目的でモリブデン−ルテニウム合金のろう材（目潰し層）３０をカソードディスク１１に施すのと同時に行うことができる。
【００２８】
図３に示すように、ろう材の塗布方法は、電子放射面１１ａを下にしてカソードディスク１１を置き、カソードディスク１１に設けられた外側支持筒１３と内側支持筒１４との接合部の段部１６，１７に、外側支持筒１３と内側支持筒１４を配置する。次に、カソードディスク１１の裏面１５に、モリブデン−ルテニウムの混合粉末と有機バインダで混練したろう材３０aを塗布し、外側支持筒１３と内側支持筒１４とカソードディスク１１の突き合わせ部まわりにも充分な量のろう材３０ｂ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約２０００℃に加熱して、ろう材（１９４０℃）を溶融しカソードディスク１１の裏面１５に目潰し層３０を形成し、同時にカソードディスク１１と外側支持筒１３と内側支持筒１４をろう材で固定する。２０００℃を維持する加熱時間は例えば６秒である。
【００２９】
Ｕ字状の円周の窪み２１，２２および２３は、カソードディスクとの突き合わせ面でろう付け接合される外側支持筒１３、内側支持筒１４間のろう材の余分な浸み出しを阻止する。
【００３０】
外側支持筒１３の接合部について説明する。加熱により溶融したろう材がカソードディスク１１の面１６ｂとフランジ１３ａとの突き合わせ面に侵入するが、侵入したろう材のうち余剰なろう材は突き合わせ面間の間隙に対して十分に深い窪み２１内に流入し阻止される。このため、加熱時に両部品の熱膨張差により開いた段部立下り部１６ａの隙間に達するろう材は少なくなり、この膨張差で生じた隙間の幅で固化することがない。したがって冷却後にこの立下り部１６ａにおいて外側支持筒１３にかかるストレスが減少し、筒の割れやひびの発生が防止できる。窪みの深さや開口幅は陰極構体の条件に応じて適宜最適に設計可能である。
【００３１】
内側支持筒１４についても、窪み２２，２３によって、溶融したろう材の立下り部１７ａへの流入量を調節することができ、外側支持筒におけると同様の効果を得ることができる。
【００３２】
外側支持筒１３と内側支持筒１４はヒータ２０を囲って収容する。ヒータ２０には例えば直径１ｍｍ程度のタングステン線やモリブデン線をコイル状にしたものが用いられている。このヒータ２０の一方の端部は内側支持筒１４に固定したリング状の部品（図示せず）を介して溶接されている、これによりヒータ２０と含浸型陰極とを同電位にしている。
【００３３】
外側支持筒１３と内側支持筒１４とカソードディスク１１とを接合した後、ヒータ２０が収納された外側支持筒１３と内側支持筒１４の中に、ヒータ２０の熱がカソードディスク１１に効率良く伝わるように埋め込み材２５を充填する。埋め込み材２５には、例えば、結着剤を溶解した溶剤にアルミナからなる絶縁物の粉体を加えて撹拌し、ぺ一スト状にしたものが用いられる。埋め込み材２５の充填後、乾燥により有機溶剤を飛散させ、続いて真空あるいは水素中で１８００〜１８５０℃に加熱して埋め込み材２５を焼結させる。また、アルミナ等の埋め込み材２５でヒータ２０を埋め込むことにより、ヒータ２０の熱を効率良く外側支持筒１３と内側支持筒１４に伝達させることができる。これにより、ヒータ２０の動作温度が下げられ、ヒータに起因する不具合を防いでいる。この後、熱効率を高めるために複数枚の板を組み合わせて一体に形成した反射板２６が内側支持筒１４の下端部にアーク溶接で接合される。
【００３４】
また、ヒータ２０のもう一つの端部は、埋め込み材２５との境界付近での折損防止および反射板との絶縁のためアルミナ管（図示せず）を通して埋め込み材２５の外へ取り出しても良い。
【００３５】
外側支持筒１３端面には外周フランジ部１３ｃが設けられており、このフランジ部１３ｃと電子銃との接合用のフランジ２８に設けられた接合部２８ａに、モリブデン−レニウム合金の薄板からなる支持円筒２９の上下各端部がモリブデン−ルテニウム合金よりも低溶融点のモリブデン−ルテニウム−ニッケル合金のろう材でろう付けされる。
【００３６】
最後に、カソードディスク１１の電子放射面１１ａ上に、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（Ａｌ２  Ｏ３  ）からなる電子放射物質を載せ、水素中で１６００〜１７００℃に加熱して溶融し、カソードディスク１１の空孔部に電子放射物質を含浸させ、さらに電子放射面１１ａにイリジウム薄膜層（図示せず）が形成されて含浸型陰極構体が完成する。
【００３７】
本発明の効果を確認するために、本発明の実施形態と、窪みを設けない他は実施形態と同構造の比較例との比較を行なった。図４はカソードディスクと支持筒のろう付け後の外側支持筒の外径寸法を測定したものである。実験に使用したカソードディスクの外径は７５ｍｍ、長さは３０ｍｍである。外側支持筒の厚みは１．９ｍｍ、内側支持筒の厚みは１．７ｍｍ、外周、内周フランジの突出幅は１．０ｍｍ、窪みの幅は０．６ｍｍ、深さ１．０ｍｍで、フランジとの突き合わせ面内に収まる位置に設けてある。
【００３８】
外側支持筒の外径寸法は、外側に配置した支持筒の上端部の最大値を測定しそれぞれの差数（ろう付け後−ろう付け前）を求めた。
【００３９】
図４の結果が示す通り、比較例に比べ、支持筒の上端部で変化量が約１／３に低減している。カソードディスクと支持筒の接合部にろう材を溜め込む窪みを設けたことで、ろう付け時に熱膨張差で発生するカソードディスクと支持筒の隙間に、ろう材が入り込むのを防止した効果である。
【００４０】
比較例は、支持筒の上端部が膨らんだ形に変形しており、ろう付け時に、カソードディスクと支持筒の上端部の接合部に生じた隙間にろう材が溶融して入り込み、数秒保持後にただちに溶融温度以下にろう材の温度が低下し、そのまま固化されるため、支持筒の上端部が膨らんでいる。
【００４１】
次に、ろう付け後のクッラクを調査した。クラックの確認は５０倍の顕微鏡を用いて行なった。支持筒の上端部を外側と内側から観察したが、比較例は約３０％に明らかにクラックと判定できるものが発生した。特に、支持筒の変形量が大きいほどクラックが多く発生する傾向が見られた。これに対し、本実施形態ではクラックと明らかに判定できるものは発生しなかった。ろう付け後の変形を大幅に低減したことで、支持筒上端部の応力が緩和されてクッラクの発生が抑制されたものと考えられる。
【００４２】
本発明ではカソードディスクに設けた窪みの形状をＵ字状で説明したが、この形状に限定されるものではなく、Ｖ字状等のろう材を溜めることの出来る形状であれば良い。更に窪みの大きさもカソードディスクおよびの支持筒の形状、大きさ、厚さ等により適宜選択することができる。
【００４３】
図５および図６に他の実施形態を示す。上述した実施形態と同じ符号は同様の部分を示している。本実施形態は、カソードディスクの外側支持筒１３の内周側に環状フランジ１３ａを突出させ、このフランジ１３ａとのカソードディスク１１の突き合わせ接合面に円周状に窪み２１を穿設している。前記実施形態と同様にこの接合面にろう材を流し込んだときに窪みがろう材に対して緩衝し、余分なろう材が立下り部に入り込むのを防止する。内側支持筒１４は小径であるために、加熱時の熱膨張による間隙の発生が小さいので、窪みを省略している。
【００４４】
また図６の実施形態は、接合部の窪み２１を、支持筒１３が１つの含浸型陰極構体にも適用したものである。この窪みにより上記した実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４５】
さらに本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば支持筒を三重筒にして二重のヒータ収容部を形成した陰極構体にも同様に適用することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１０：含浸型陰極構体、１１：カソードディスク、１１ａ：電子放射面、２０：ヒータ、１３：外側支持筒、１３ａ：外側支持筒フランジ、１４：内側支持筒、１４ａ：内側支持筒フランジ、１５：カソードディスクの裏面、１６，１７：段、１６ａ，１７ａ：立下り部、１６ｂ，１７ｂ：接合面、２０：ヒータ、２１，２２，２３：窪み、２５：埋め込み材、２６：反射板、３０：ろう材（目潰し層）、３０ａ，３０ｂ：ろう材、５０：電子銃
【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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