(57)【要約】【課題】  パルスマグネトロンで特に問題となるパルス立上り時や立下り時における定格動作点より低い動作による発振を防止し、特に基本波発振周波数より低い周波数である側波帯で発生するスプリアスを抑制したパルスマグネトロンを提供する。【解決手段】  円筒状のアノードシェル１１の内周壁に、複数個のベーン１２が放射状に設けられることによりアノード１が形成され、その中心部にカソード２が設けられ、ベーン１２の先端部とカソード２の表面とが対向する作用空間４にカソード２の表面とほぼ平行な磁界を印加し得るように、アノードシェル１１の軸方向両端部に、１組のポールピース３が設けられている。このカソード２の表面に軸方向に沿った溝が形成され、その溝がカソード周囲に配置されるアノードを構成するベーン１２の先端部と対向する部分に合せて形成されており、その溝内に熱電子放出物質２２が塗り込まれている。【選択図】        図１
2008004384.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状のアノードシェルの内周壁に、複数個のベーンが放射状に設けられることにより形成されるアノードと、前記複数個のベーンの先端部と対向するように、前記アノードの中心部で軸方向に沿って設けられるカソードと、該カソードの表面と前記ベーンの先端部とが対向する作用空間に、前記カソードの表面とほぼ平行な磁界を印加し得るように設けられる１組のポールピースとを有し、パルスで動作するパルスマグネトロンにおいて、
前記カソードの表面で、前記複数個のベーンの各ベーンの先端部と対向する部分に合せて軸方向に沿った溝が形成され、該溝内に熱電子放出物質が塗り込まれていることを特徴とするパルスマグネトロン。
【請求項２】
前記ベーンの先端部で、前記軸方向の両端部の角部に面取り加工が施されていることを特徴とする請求項１記載のパルスマグネトロン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス動作によりマイクロ波を発振するパルスマグネトロンに関する。さらに詳しくは、スプリアスの発振を効果的に抑制することができる構造のパルスマグネトロンに関する。
【背景技術】
【０００２】
マグネトロンは、たとえば図６に示されるように、円筒状のアノードシェル１１の内周に複数個のベーン１２が放射状に設けられ、隣接する２個のベーンとアノードシェル１１との間の空間に空胴が形成され、ストラップ１４がπモード発振を安定させるため、１枚おきのベーン１２を連結することによりアノード１が形成されている。そして、アノード１の中心にカソード２が配置され、アノード１の内周端（ベーン１２先端部）とカソード２の表面との間の作用空間４にカソード２の表面とほぼ平行な磁界を印加できるようにアノードシェル１１の軸方向両端部に一対のポールピース３が設けられ、カソード２から放出された電子が作用空間４で直交電磁界の作用により、回転運動をしてエネルギーを空胴に与え、発振する構造になっている。そして、レーダなどに用いられるマグネトロンでは、陽極電圧をパルスで印加することにより動作させられる。
【０００３】
近年、マイクロ波を放射する装置に対して、スプリアス放射の規制が厳しくなる傾向にある。その傾向の中にあって、パルスマグネトロンの基本波発振周波数近傍の周波数でのスプリアスも問題になりつつある。レーダに使用されるマグネトロンは、パルスで動作するため、その発振出力のスペクトラムは、図７に示されるように、主ローブの他に側帯にローブを有する波形となる。このスペクトラム特性は、パルスマグネトロンを動作するパルス幅で決まり、発振出力波形を基にフーリエ解析したスペクトラムより狭くなることはない。逆に通常は、様々な要因で前述した理論上のスペクトラムより広がる場合が多い。また、基本波発振周波数を中心として、線対称の波形を示さず、図７に示されるように、側帯のローブに突出する分布（Ｐ’）をもったりする場合があり、スプリアスの原因になっている。
【０００４】
以上のような、スペクトラムの崩れや側帯のローブが突出する原因の一つに、パルスマグネトロンの立上り時の定格動作点以外の発振がある。従来のパルスマグネトロンを発振させるとき、陽極電圧を徐々に上げると、パルスマグネトロンを動作させる定格電流値の約５〜１０％程度の低い電流値において、既に発振が行われる。このときの出力レベルは、定格出力の−４０〜−６０ｄＢｃ程度のレベルであり、周波数は、定格時の基本波発振周波数より低い側で発振が行われる。このような動作特性を有する従来のマグネトロンをパルス動作で使用すると、基本波周波数の低い側で、毎回のパルスの立上りの度に、この電流領域を通過するため、毎回定格出力の−４０〜−６０ｄＢｃ程度の発振が図７のＱ’で示すように行われることになる。したがって、スペクトラムを観測したとき、基本波周波数の低い側の側帯に−４０〜−６０ｄＢｃ程度の突起を有する分布を示すことになる。
【０００５】
このようなスプリアス放射が発生すると、レーダセットから不要電波が放射されて問題になるため、レーダセット内にフィルタを装着する必要が生じる。しかしながら、レーダセットは、船舶の高い位置に取り付けられることが多く、軽量で小型な設計が要求されると共に、フィルタの加工精度は、基本波以外の減衰量を確保しつつ、基本波を減衰させずに通過させる必要があるため、非常に精度の高い寸法加工が必要となり、コストが高くなるという問題がある。従って、パルスマグネトロンをパルスで駆動する場合において、パルスの立上りの基本波が基本波周波数で発振する直前の発振を抑えることが肝要となる。そして、このような作用空間における電界分布および磁界分布の不均一化に伴う定格動作
点以外の発振を抑制するため、たとえばカソード表面とベーン先端との距離を軸方向で変えるなどの対策が施されている（たとえば特許文献１参照）。
【０００６】
一方、マグネトロンは、前述の磁界の作用により、カソードから放出された電子は螺旋運動をしてカソードに戻りカソードを逆衝撃（バックボンバード）するものがあり、熱電子放出物質の消耗も激しくなるため、熱電子放出物質がカソード表面の全面に露出しないように、カソードの表面にメッシュを設けてそのメッシュの網目内に電子放出物質を埋め込んだり、カソードの基体金属に格子状の凹凸部やストライプ状の溝を形成して、その窪み内に電子放出物質を埋め込んだりする構造が採用され、たとえば図８にカソードの基体金属２１が示されるように、カソードの基体金属２１の軸方向に沿って溝２５が形成されたものも知られている（たとえば特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−１６４９８９号公報
【特許文献２】特開２０００−２９９０６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述のように、作用空間における電界分布および磁界分布の不均一化がマグネトロンの構造上発生するために、立上りの僅かな電子の挙動が非常に低いレベルでのスプリアス発生を起す原因になっており、そのような定格動作点以外の発振を抑制する対策は行われている。
【０００８】
しかし、本発明者が、さらに鋭意検討を重ねた結果、カソード表面の熱電子放出物質の塗布構造によっても、定格動作点以外の発振が起こり、同様のスプリアスが発生し得ることを見出した。この電子放出物質の塗布構造に起因する定格動作点以外の発振は、従来のカソード表面の全面に電子放出物質を設ける構造でも、図８に示されるような溝内に電子放出物質が埋め込まれるカソードでも、同様に起こることを見出した。前述のように、このような定格動作点以外の発振が起こると、発振スペクトラムの崩れや側帯のローブが突出する現象が現れ、規制の厳しいスプリアス放射が行われるため、スプリアスの発生しないパルスマグネトロンが要望される。
【０００９】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、パルスマグネトロンで特に問題となるパルス立上り時や立下り時における定格動作点より低い動作による発振を防止し、特に基本波発振周波数より低い周波数である側波帯で発生するスプリアスを抑制したパルス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】
【００１０】
本発明によるパルスマグネトロンは、円筒状のアノードシェルの内周壁に、複数個のベーンが放射状に設けられることにより形成されるアノードと、前記複数個のベーンの先端部と対向するように、前記アノードの中心部で軸方向に沿って設けられるカソードと、該カソードの表面と前記ベーンの先端部とが対向する作用空間に、前記カソードの表面とほぼ平行な磁界を印加し得るように設けられる１組のポールピースとを有し、パルスで動作するパルスマグネトロンにおいて、前記カソードの表面で、前記複数個のベーンの各ベーンの先端部と対向する部分に合せて軸方向に沿った溝が形成され、該溝内に熱電子放出物質が塗り込まれていることを特徴とする。
【００１１】
ここにベーンとは、アノードシェルと共に空胴を形成する部分を意味し、アノードシェルの内周壁に板状の翼片をロウ付けなどにより固着するものの他、スロットタイプやライジングサン型のように、一体のアノードにスロットなどを設けることにより空胴を形成する場合などにおけるアノード内周部に突出する部分などを含む意味である。
【００１２】
前記ベーンの先端部で、前記軸方向の両端部の角部に面取り加工が施されていることにより、さらに磁界の強い部分での電界の不均一の影響を抑制することができ、さらにスプリアスを制御することができる。なお、面取り加工とは、角部を曲線状にカットするR加
工や直線状にカットするC加工などを含む加工を意味する。
【発明の効果】
【００１３】
この構造にすることにより、電界が最も強い各ベーン１２の先端と対向するカソード２表面に熱電子放出物質が配置され、パルス電圧が印加されると、カソード２表面の熱電子放出物質から大量の電子放出が起こり、定格での発振に短時間で達することになる。そのため、従来のような、カソード２表面の一部で定格電流値より低い電流値において、基本波より低い周波数で発振するという、定格動作点以外の発振が起こらず、スプリアスの発生を抑制することができる。
【００１４】
また、磁束密度の大きいベーン１２先端部の両端部で、各ベーンの先端と対向するカソード２の表面との距離を離すように面取り加工を施すことによって、電界の高い部分を無くし、均一な電界を与えることとなり、同様にスプリアスの発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
つぎに、図面を参照しながら本発明のパルスマグネトロンについて説明をする。本発明によるパルスマグネトロンは、図１および図２にその一実施形態の縦断面および横断面の説明図が示されるような構造になっている。すなわち、円筒状のアノードシェル１１の内周壁に、複数個のベーン１２が放射状に設けられることによりアノード１が形成されている。そのアノード１の中心部にカソード２が設けられ、ベーン１２の先端部とカソード２の表面とが対向する作用空間４にカソード２の表面とほぼ平行な磁界を印加し得るように、アノードシェル１１の軸方向両端部に、１組のポールピース３が設けられている。本発明では、カソード２の表面に軸方向に沿った溝が形成され、その溝がカソード周囲に配置されるアノードを構成するベーン１２の先端部と対向する部分に合せて形成されており、その溝内に熱電子放出物質２２が塗り込まれていることに特徴がある。
【００１６】
アノード１は、図１および図２に示されるように、無酸素銅などからなるアノードシェル１１の内周壁に、無酸素銅などの板材からなる複数個のベーン（陽極片）１２の一端部が固着され、その他端部は、アノードシェル１１の中心に向かって延び、そのベーン１２間に、発振させる所望の周波数で共振する空胴１３が形成されている。そして、１個おきのベーン１２をストラップ１４により連結して、それぞれπラジアン位相を異ならせることにより、πモード発振をしやすい構造に形成されている。なお、このアノード１は、ベーン１２がアノードシェル１１に固着される構造でなくても、一体のアノードにスロットなどを形成することにより空胴を形成する構造でもよい。
【００１７】
ベーン１２の先端部で囲まれるアノードシェル１１の中心部には、同心状にカソード２が挿入され、ベーン１２の先端部とカソード２の表面との間に作用空間４が形成され、カソード２から放射される電子が運動する空間になっている。この作用空間４にカソード２の表面とほぼ平行な磁界を印加することができるように、アノードシェル１１の軸方向の両端部からは、鉄などの強磁性材料からなる１組のポールピース３が挿入され、アノードシェル１１に固定され、図示しない永久磁石または電磁石により磁界を作用空間４に印加できるようになっており、アノード・カソード間に印加される陽極電圧と共に、作用空間４に印加される直交電磁界の作用により、カソード２からの電子がカソード２の廻りを回転運動してエネルギーを空胴１３に与えることにより発振する構造になっている。レーダ装置に使用されるマグネトロンでは、陽極電圧をパルスで印加することにより、パルス動作させられる。
【００１８】
カソード２は、図１および図２に示されるように、たとえばニッケルをベースとする円筒状の基体金属（ベースとなる金属）２１の表面に、軸方向に沿って溝（凹溝）が形成され、その溝内に熱電子放出物質２２が埋め込まれている。この溝は、図２から明らかなように、各ベーン１２の先端部と対向する部分に合せて溝が形成されている。そのため、ベーン１２のそれぞれの先端部と対向する部分のカソード２の表面には、そのベーン１２の先端部のほぼ全面積に対向する部分に熱電子放出物質２２が存在し、その横側には基体金属２１が存在していることに特徴がある。熱電子放出物質２２は、従来のものと同じであるが、最も一般的は、バリウム、ストロンチウムおよびカルシウムなどの炭酸塩が溝内に充填され、真空下で熱分解して酸化物とすることによりオキサイドが形成されている。この溝の深さおよび幅は、熱電子放出物質の必要量に合せて、また、電界が印加された際に電子放出物質２２に適度な抵抗値をもって電流が流れるように設定されている。
【００１９】
つぎに、カソード２がこのような構造に形成されていることにより、スプリアスを抑制することができる理由について説明をする。パルス陽極電圧が印加され、電圧が徐々に立ち上がるとき、アノード１とカソード２との距離はベーン１２先端部とそのベーン１２に対向する部分のカソード２の表面とが一番近い。そのため、電界が最も強いベーン１２の先端と対向するカソード２全面から一斉に電子の放出が起こり、一度に発振が開始されることになる。すなわち、電子放出部の対アノード間の電圧が一定となり、これにより、従来立上り時の電子放出が不均一であるために発生していた基本波発振周波数より低い周波数での微小なレベルの発振が抑制される。
【００２０】
これは、従来のカソード２表面全面の電子放出物質２２が塗布されている場合に、電界の強いベーン１２の先端部と対向するカソード２表面全面の一部の電子放出物質から定格電流値よりも低い電流値において発振が開始したり、軸方向に沿って溝が形成され、その溝内の電子放出物質が埋め込まれている場合でも、その位置がベーンの位置と無関係でランダムに設けられることによって、ベーン１２の先端部に対向するカソード２の表面の一部の電子放出物質から定格電流値より低い電流値において発振が開始したりする場合と大きく異なる。つまり、本発明のように、カソード２上の電子放出物質（オキサイド）塗布面とアノード１のベーン１２の先端部とが対向しており、ベーン１２の対向部以外のところが基体金属２２であれば、電子放出面の電界が一律となり、また、放出された電子の速度が安定するため、集群してスポークを形成しやすくなる。その結果、陽極電圧パルスの立上りに際して、ある電圧値に達すると、一度に安定して発振が開始され、周波数の低い不要発振が抑制される。
【００２１】
図１に示される構成のときのパルスマグネトロンの発振特性を調べた結果を、図５に示す。従来構造のスペクトラムを示した図７と比較すると明らかなように、本発明によれば、主ローブから見て周波数の低い側のローブＱに突起部がなく、低い周波数でのスプリアスが抑制されていることが明確に現れている。なお、図５から明らかなように、周波数の高い側の側帯のローブＰの突出部も抑制されていることが分る。これは、短時間に定格での発振が行われるため、他のモードによる発振がないことによる。
【００２２】
図３〜４は、さらにスプリアスを除去するのに適した例を示すベーン１２の先端部とカソード２の対向部分を拡大して示す図である。すなわち、ベーン１２の先端部でカソードと対向する部分の軸方向両端部のベーン１２の角部１２ａが面取りされた構造である。図３は、円弧状のＲで面取りされたもので、Ｒの大きさとしては、ベーン１２の高さをｈとして、ｈ／１０以下にすることが好ましい。これは、ベーン１２の高さとベーン１２の高さ方向の作用空間４での磁束密度変化を勘案すると、ｈ／１０以下であれば、充分に電界の影響を避けることができるからである。ベーンの角部１２ａでは電界が高くなりやすいが、このような形状にすることにより、作用空間４での電界のとくに高い点がなくなり、
パルス陽極電圧が上昇したときに、不用意にエミッションが発生せず、電子放出部の対アノード１間の電圧が一定となり、パルスの印加電圧が特定の電圧に達したときに、電子の放出が一斉に起こり、一度に発振が開始されることになる。その結果、図１および図２に示される構造のマグネトロンのスプリアス抑制の効果をさらに向上させることができる。
【００２３】
図４に示す構造は、ベーン１２の角部１２ａの除去を、図３のＲ面ではなく、直線状のＣ面に面取りしたものである。このような構造でも、ベーンの角部１２ａが除去されることにより、図３に示される構造と同様の効果が得られる。この場合も、カットする長さｃは、ｈ／１０以下であることが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明は、漁船、航空機、気象用などのレーダの送信管として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明によるマグネトロンの一実施形態を示す縦断面の説明図である。
【図２】図１に示すマグネトロンの横断面の説明図である。
【図３】本発明によるマグネトロンの他の実施形態を示すベーンとカソードとの対向部を示す部分拡大説明図である。
【図４】図３の変形例を示す図３と同様の図である。
【図５】図１に示される構造のマグネトロンの発振スペクトラムを示す図である。
【図６】従来のマグネトロンの一例を示す縦断面説明図である。
【図７】図５に示される構造のマグネトロンの発振スペクトラムを示す図である。
【図８】従来のマグネトロンの他の例のカソードの構造を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２６】
１    アノード
２    カソード
３    ポールピース
４    作用空間
11    アノードシェル
12    ベーン
13    空胴
14    ストラップ
21    基体金属
22    電子放出物質
【図１】
2008004384.tif 000003
【図２】
2008004384.tif 000004
【図３】
2008004384.tif 000005
【図４】
2008004384.tif 000006
【図５】
2008004384.tif 000007
【図６】
2008004384.tif 000008
【図７】
2008004384.tif 000009
【図８】
2008004384.tif 000010