(57)【要約】【課題】陰極部を加熱する必要がないマグネトロン用陰極及びその製造方法並びにその陰極を用いたマグネトロンを提供することを目的とする。【解決手段】陰極基板１０上に針状粒子としてＺｎＯウイスカー１１を固着させた電子放出源１２が上下のエンドハット１３で挟持されて陰極部１４が構成されている。この陰極部１４を中心として放射状でかつ中心軸と平行な複数のベイン６が固定されている。陽極円筒５の両端にはこの陽極円筒の中心軸に沿った方向に磁界を印加するための一対の磁極（図示せず）を有し、陽極円筒５とベイン６とで囲まれる空間に共振空胴が形成されている。複数のベイン６のうちいずれかには、共振空胴に発生したマイクロ波を外部へ出力する外部出力端子９が接続されている。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子放出源の表面の少なくとも一部に針状粒子が固着されたことを特徴とするマグネトロン用陰極。
【請求項２】
電子放出源が円筒状に形成されていることを特徴とする請求項１記載のマグネトロン用陰極。
【請求項３】
電子放出源が多角形筒状に形成されていることを特徴とする請求項１記載のマグネトロン用陰極。
【請求項４】
電子放出源の表面を部分的に二次電子利得の大きな酸化物膜が形成された陰極部を備えたことを特徴とする請求項１乃至３に記載のマグネトロン用陰極。
【請求項５】
針状粒子が、テトラポット形状のウイスカーであることを特徴とする請求項１乃至４に記載のマグネトロン用陰極。
【請求項６】
針状粒子の表面にカーボンナノチューブが突起状に固着されていることを特徴とする請求項１乃至５に記載のマグネトロン用陰極。
【請求項７】
針状粒子を溶液中に分散させる工程と、前記針状粒子が分散された前記溶液中で平板状の陰極基板表面に前記針状粒子を堆積させる工程と、前記陰極基板から前記溶液を分離し前記針状粒子を前記陰極基板に固着させる工程と、前記針状粒子が固着された前記陰極基板により所望の形状に形成する工程とを少なくとも備えるマグネトロン用陰極の製造方法。
【請求項８】
針状粒子を分散させる溶液が酢酸イソアミルとニトロセルロースとアセトンとの混合溶液であることを特徴とする請求項７に記載のマグネトロン用陰極の製造方法。
【請求項９】
陽極円筒と、前記陽極円筒の中心軸上に設置された陰極と、前記陽極円筒の内部に固定され前記陰極を中心として放射状に設置された前記中心軸と平行な複数の板状のベインと、前記陽極円筒の両端に設置され前記陽極円筒の中心軸に沿った方向に磁界を印加する一対の磁極を有し、前記陽極円筒と前記ベインとで囲まれる空間に共振空胴が形成され、前記共振空胴に発生したマイクロ波を外部に出力するマグネトロンであって、前記陰極として請求項１乃至６の何れかに記載のマグネトロン用陰極を備えたことを特徴とするマグネトロン。
【請求項１０】
陽極円筒と、前記陽極円筒の中心軸上に設置された陰極と、前記陽極円筒の内部に固定され前記陰極を中心として放射状に設置された前記中心軸と平行な複数の板状のベインと、前記陽極円筒の両端に設置され前記陽極円筒の中心軸に沿った方向に磁界を印加する一対の磁極を有し、前記陽極円筒と前記ベインとで囲まれる空間に共振空胴が形成され、前記共振空胴に発生したマイクロ波を外部に出力するマグネトロンであって、前記陰極が請求項７乃至８に記載のマグネトロン用陰極の製造方法により製造された陰極を備えたことを特徴とするマグネトロン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子レンジなどの高周波加熱装置やレーダなどのパルス発生装置に用いられるマグネトロンのマグネトロン用陰極及びその製造方法及びその陰極を用いたマグネトロンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在使われているマグネトロンは、電子源として熱陰極が用いられている。熱陰極は、熱電子放出により電子を供給するものである。熱電子放出は、これらの熱陰極を１５００〜２７００Ｋ程度に加熱することで、陰極金属内の伝導帯の自由電子が熱エネルギーを得て陰極金属表面のポテンシャル障壁を乗り越えて空間に放出される機構である。
【０００３】
次に、従来のマグネトロンについて図面を用いて説明する。図５は、従来の熱陰極型マグネトロンの一実施形態を示す部分断面図であり、図６は図５の要部拡大断面図である。図において、軸方向に外部磁石１による直流磁界Ｔがある。
【０００４】
例えば、トリウムタングステンフィラメントからなる陰極２が陽極３のほぼ中心に配設されている。この陰極２に十数Ａの電流を流し、１５００〜１８００℃に加熱する。陽極３と陰極２との間に数ｋＶの電圧を印加し、半径方向に直流電界を生じさせると熱電子４が陰極２から放出される。陽極３は、陽極円筒５の内面に中心軸へ向かって突設された複数のベイン６により空胴共振器（図示せず）が形成された分割陽極である。陰極２と陽極３との間の空間を作用空間７という。陰極２の軸方向上下両側にはエンドハット８と呼ぶ電極を配置する。エンドハット８を陰極２と同電位あるいは負電位にすることで、熱電子を作用空間７内に閉じ込めることが可能である。電子は作用空間７において、直流磁界Ｔにより曲げられ、サイクロトロン運動をする。陽極３は空胴共振器による振動回路を持ち、陽極３の分割間隙に生ずる高周波電界（図示せず）により電子流は速度変調を受ける。やがて電子流は疎な部分と密な部分になりベイン間の隣同士異なる極性と同期して回転電子極を形成し、陽極３の空胴共振器に誘導電流が流れ高周波電力が生じる。陽極３に発生した高周波電力は外部出力端子９から外部へと取り出される。
【０００５】
マグネトロンの場合、陰極から放出された電子は磁場によってサイクロトロン運動し陰極に再突入する。その際陰極表面の二次電子放出利得が大きいと二次電子が放出される。この従来例はトリウムタングステンフィラメント陰極であるが、酸化バリウム、酸化ストロンチウムなどの酸化物陰極は加熱時に二次電子放出利得が大変大きく、熱エミッション電流そのものは少なくとも二次電子放出によって大電流を放出することが可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のマグネトロンでは、上記したように熱陰極を用いているため、マグネトロンの発振時の熱損失以外に熱陰極自身からの発熱があり、通常、マグネトロン自体を冷却させる必要があった。
【０００７】
また、熱陰極は１５００〜１８００℃の高温になるため、陰極自身はもちろんのこと周辺の部品にも高価な高融点金属、例えばタングステンやモリブデン等を用いる必要があった。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解決することを目的としてなしたもので、これら問題点を解決したマグネトロンを提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、本発明のマグネトロン用陰極は、電子放出源の表面の少なくとも一部に針状粒子が固着されて構成されたものである。
【００１０】
この構成により、針状粒子の先端に電界集中が起こり、加熱することなく一次電子を放出させることが可能となる。
【００１１】
また、本発明のマグネトロン用陰極は、電子放出源が円筒状に形成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のマグネトロン用陰極は、電子放出源が多角形筒状に形成されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のマグネトロン用陰極は、電子放出源の表面を部分的に二次電子利得の大きな酸化物膜が形成された陰極部を備えたことを特徴とし、電子放出源から放出させる電子数をより増加させることができる。
【００１４】
また、本発明のマグネトロン用陰極は、針状粒子が、テトラポット形状のウイスカーであることを特徴とし、電子放出源の表面に対して垂直に尖鋭な先端部を形成することができる。
【００１５】
また、本発明のマグネトロン用陰極は、針状粒子の表面にカーボンナノチューブが突起状に固着されていることを特徴とし、針状粒子の表面にさらに微細な先端部を形成することができる。
【００１６】
また、本発明のマグネトロン用陰極の製造方法は、針状粒子を溶液中に分散させる工程と、前記針状粒子が分散された前記溶液中で平板状の陰極基板表面に前記針状粒子を堆積させる工程と、前記陰極基板から前記溶液を分離し前記針状粒子を前記陰極基板に固着させる工程と、前記針状粒子が固着された前記陰極基板により所望の形状に形成する工程とを少なくとも備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明のマグネトロン用陰極の製造方法は、針状粒子を分散させる溶液が酢酸イソアミルとニトロセルロースとアセトンとの混合溶液であることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明のマグネトロンは、陽極円筒と、前記陽極円筒の中心軸上に設置された陰極と、前記陽極円筒の内部に固定され前記陰極を中心として放射状に設置された前記中心軸と平行な複数の板状のベインと、前記陽極円筒の両端に設置され前記陽極円筒の中心軸に沿った方向に磁界を印加する一対の磁極を有し、前記陽極円筒と前記ベインとで囲まれる空間に共振空胴が形成され、前記共振空胴に発生したマイクロ波を外部に出力するマグネトロンであって、前記陰極として請求項１乃至６の何れかに記載のマグネトロン用陰極を備えたことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明のマグネトロンは、陽極円筒と、前記陽極円筒の中心軸上に設置された陰極と、前記陽極円筒の内部に固定され前記陰極を中心として放射状に設置された前記中心軸と平行な複数の板状のベインと、前記陽極円筒の両端に設置され前記陽極円筒の中心軸に沿った方向に磁界を印加する一対の磁極を有し、前記陽極円筒と前記ベインとで囲まれる空間に共振空胴が形成され、前記共振空胴に発生したマイクロ波を外部に出力するマグネトロンであって、前記陰極が請求項７乃至８に記載のマグネトロン用陰極の製造方法により製造された陰極を備えたことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のマグネトロン用陰極及びその製造方法及びその陰極を用いたマグネトロンの実施形態について図面を用いて説明する。なお、従来と同一の構成要素には同一符号を付し説明を省略する。
【００２１】
図１は本発明によるマグネトロンの要部構成を示した軸方向の断面図、図２はテトラポット形状のウイスカーが固着された陰極表面の拡大断面図、図３はテトラポット形状のウイスカーとその表面にカーボンナノチューブが固着された陰極表面の拡大断面図、図４は針状粒子を一次電子源に用い、酸化物膜を二次電子源に用いたマグネトロンの要部構成を示した軸方向断面図である。
【００２２】
図１において本発明のマグネトロンの一実施形態は、陰極基板１０上に針状粒子としてＺｎＯウイスカー１１を固着させた電子放出源１２が上下のエンドハット１３で挟持されて陰極部１４が構成されている。この陰極部１４は陽極円筒５の中心軸上に設置され、陽極円筒５の内部には陰極部１４を中心として放射状でかつ中心軸と平行な複数の板状のベイン６が固定されている。陽極円筒５の両端にはこの陽極円筒の中心軸に沿った方向に磁界を印加するための一対の磁極（図示せず）を有し、陽極円筒５とベイン６とで囲まれる空間に共振空胴が形成されている。複数のベイン６のうちいずれかには、共振空胴に発生したマイクロ波を外部へ出力する外部出力端子９が接続されて構成されている。
【００２３】
次に、本発明のマグネトロン用陰極の製造方法について説明する。
【００２４】
本発明者は、針状粒子にＺｎＯウイスカーを用いた。ＺｎＯウイスカーは５μｍ〜５０μｍの先端の尖った４本の足が伸びたテトラポット形状をしており、電子放出源の表面に対して常に１本の足が垂直に形成される。
【００２５】
電子放出源である陰極基板上にＺｎＯウイスカーを固着する方法として、湿式沈降法を用いた。以下にマグネトロン用陰極を製造する方法の実施形態について説明する。
【００２６】
まず、酢酸イソアミル８０％ｗｔとニトロセルロース１％ｗｔとアセトン２０％ｗｔとの混合溶液６０ｃｃ中にＺｎＯウイスカー粉末３０ｍｇを入れる。
【００２７】
次に、超音波洗浄機に上記の溶液が入ったビーカーを入れて超音波をあて、溶液中に均一にＺｎＯウイスカーを分散させる。
【００２８】
次に、この分散溶液中にＺｎＯウイスカーを堆積させるためのニッケルまたはモリブデンなどからなる平板状の陰極基板を沈める。所定時間経過すると、陰極基板上にＺｎＯウイスカーが堆積する。
【００２９】
次に、陰極基板を静かに引き上げ、１５０度のオーブンに３０分間入れて溶液成分を完全に揮発させる。
【００３０】
このようにしてＺｎＯウイスカーが固着された陰極基板の表面を電子顕微鏡で観察すると、図２に示されるように陰極基板の表面上にテトラポット形状のＺｎＯウイスカーの足が１本垂直に立った状態で固着されていた。
【００３１】
以上のようにして作製した陰極基板を所定の形状で配置し、マグネトロン用陰極を作製する。例えば、平板状の陰極基板１０を円筒状に加工して両端部をエンドハット１３で挟持することにより、円筒状のマグネトロン用陰極を形成することができる。また、上下のエンドハット１３の対向する面に多角形の凹部を設けておき、複数の平板状陰極基板をエンドハット１３の凹部に沿って挿入し挟持させることにより多角形筒状のマグネトロン用陰極を形成することができる。
【００３２】
以上、陰極基板の表面にＺｎＯウイスカーが固着されたマグネトロン用陰極の製造方法について説明したが、上記工程の初めに、カーボンナノチューブをアーク放電法にて作製する工程と、その工程により作製されたカーボンナノチューブを粉砕してアセトンに溶かし、その溶液を遠心分離器にかけて不純物（ポリナノヘドロン）を沈降させ、上澄みの純カーボンナノチューブを精製する工程とを加え、混合溶液にＺｎＯウイスカー粉末を入れる工程でＺｎＯウイスカーと共に精製された純カーボンナノチューブを入れることにより、図３に示されるように、陰極基板１０上に固着されるウイスカー１１の表面にさらにカーボンナノチューブ１５を突起状に固着することができる。
【００３３】
次に、上記のようにして作製したマグネトロン用陰極を用いたマグネトロンについて説明する。
【００３４】
マグネトロンの分割陽極は既存のマグネトロン（１０分割、内径８ｍｍ）のものとした。ＺｎＯウイスカー１１とカーボンナノチューブ１５が固着された陰極基板１０により構成された陰極部１４を持つマグネトロンの陽極と陰極間に電圧を６．０ｋＶ印加し、半径方向に電界を生じさせ、軸方向に直流磁界を０．３５Ｔ生じさせた。電界によって、陰極のＺｎＯウイスカー１１の表面に固着されたカーボンナノチューブ１５から最大１０ｍＡの電界放出電流が放出された。この電流により最大で２．４５ＧＨｚのマイクロ波４０Ｗの出力を確認した。
【００３５】
次に、第２の実施の形態として、陽極陰極間の電流をさらに増やすことを目的とし、図４に示されるようにマグネトロン用陰極にＺｎＯウイスカーとカーボンナノチューブを固着した陰極基板１０と、電子増倍の為の二次電子放出利得の大きい酸化物膜１６が形成された陰極基板１７とを組み合わせて配置した。
【００３６】
このように構成された陰極を用いたマグネトロンでは、針状粒子から電界放出される電子が一次電子として作用空間に放出された後、その電子が軸方向の直流磁界によってサイクロトロン運動し陰極に再突入し、その突入先が酸化物膜１６の場合、酸化物膜１６から二次電子が作用空間に放出される。二次電子がさらに酸化物膜１６に再突入する場合もあるので、陰極から作用空間へと放出される総電子量は雪崩的に増えることになり、より発振効率の高いマグネトロンを得ることができた。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
【００３８】
平板状の陰極基板を加工して陰極としたのでフィラメント断線が無く、衝撃に強いマグネトロンを得ることができた。
【００３９】
また、陰極から電子を放出させるために陰極を加熱する必要が無いので、ヒータ用の電源が省かれ、マグネトロン用電源が簡素化される。
【００４０】
フィラメントからなる陰極と比較し本発明の陰極は動作温度が低くなるので、陰極周辺の部品に高融点金属と比較して安い金属（Ｎｉ、Ｆｅ、ＳＵＳ３０４など）が用いられるようになる。
【００４１】
本発明の陰極から放出される電界放出電子は、エネルギーバンドが狭い為、熱擾乱が小さいのでマグネトロン動作時のノイズが少なくなるなど多くの効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるマグネトロンの要部構成を示した軸方向の断面図
【図２】本発明によるテトラポット形状のウイスカーが固着された陰極表面の拡大断面図
【図３】テトラポット形状のウイスカーとその表面にカーボンナノチューブが固着された陰極表面の拡大断面図
【図４】本発明の第２の実施の形態によるマグネトロンの要部構成を示した軸方向断面図
【図５】従来例の熱陰極型マグネトロンの構成を示した部分断面図
【図６】従来のマグネトロンの要部拡大断面図
【符号の説明】
１０、１７　陰極基板
１１　ＺｎＯウイスカー
１２　電子放出源
１３　エンドハット
１４　陰極部
１５　カーボンナノチューブ
１６　酸化物膜
【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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