(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極の周囲に配置された陽極円筒にベーンを接合する陽極共振空胴と、前記陽極円筒の外側に設けられた外部同軸空胴とを有し、前記陽極共振空胴と前記外部同軸空胴の両端に入力側構造体および上部構造体が接合されており、前記陽極共振空胴と前記外部同軸空胴をスロットにより高周波的に結合させるとともに、前記外部同軸空胴に配置したチューニングピストンを、該チューニングピストンを支持するチューニングアームおよびチューニング軸を調整することで前記チューニングピストンの位置を移動させて共振周波数を調整する同軸型マグネトロンにおいて、
少なくとも前記上部構造体に冷却液を流す冷却用通路を形成するとともに、中空構造とした前記チューニング軸内に、一端を前記チューニングアームに直接接合する放熱部材を配置していることを特徴とする同軸型マグネトロン。
【請求項２】
請求項１記載の同軸型マグネトロンにおいて、
前記陰極と前記チューニングアームとの間の前記陽極共振空胴内に熱遮蔽板を備えたことを特徴とする同軸型マグネトロン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波を発振するマグネトロン、特に陽極共振空胴の外側に外部同軸空胴を有する同軸マグネトロンの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、マグネトロンは簡便な構造で効率良く大出力のマイクロ波を発振可能なことから、様々な装置に利用されている。例えば、マイクロ波の周波数を変更して探知を行うレーダ装置や、マイクロ波を線形加速器に投入して高エネルギーの電子線を得るライナック装置等は、その発振周波数を精密に同調させる必要がある。このため、発振周波数を簡便に可変でき、かつ動作が安定な同軸型マグネトロンが使用されてきた。
【０００３】
図５は、従来の同軸型マグネトロンの説明図である。図５に示すように、中心に配置された陰極１の周囲に、放射状に配置された陽極となるベーン２が陽極円筒３に接合されており、ベーン２と陽極円筒３により陽極共振空胴５０が形成される。この陽極円筒３と円筒状側面５との間に、陽極共振空胴５０と同軸となる外部同軸空胴６０が形成される。ここで、陽極共振空胴５０と外部同軸空胴６０とは、高周波的に結合している。具体的には、陽極円筒３上にスロット４をベーン２に対して１つおきに設けることで、πモードで発振した陽極共振空胴５０の高周波電磁場が、外部同軸空胴６０においてＴＥ011モードで共振する。陽極共振空胴５０と外部同軸空胴６０の上下には、入力部６に接続される入力側構造体７とチューニングボックス１０に接続される上部構造体８が配置されることで、陰極１の上下それぞれにポールピース９ａ、９ｂが配置されている。
【０００４】
またチューニングボックス１０に取り付けられているチューニング軸１１を上下に調整することでチューニングアーム１２を介して外部同軸空胴６０内に配置されているチューニングピストン１３の位置を上下に移動させ、外部同軸空胴６０の共振周波数を変化させてマグネトロンの発振周波数を調整可能としている。
【０００５】
このような構成において、ピーク出力が数ＭＷ級で、平均出力が数ｋＷ級となるような高出力のマイクロ波を発振させる際には、陽極で発生する熱を冷却する必要があるため、入力側構造体７に冷却用通路１１と上部構造体８に冷却用通路１４を設けて冷却液を流すことで冷却を行っていた。この種の同軸型マグネトロンは、特許文献１に記載されている。
【０００６】
この種の同軸型マグネトロンでは、入力側構造体７と上部構造体８からの冷却により、ベーン２の冷却特性が向上し、ピーク出力が数ＭＷとなるような高出力においても、パルス駆動のデューティ比０．００１程度までの動作が可能となっている。
【０００７】
一方、動作状態が高出力、高デューティ比になるほど、周波数ドリフトと呼ばれる現象が生じる。これは、ポールピース９ｂを介して、主に輻射によってチューニング軸１１とチューニングアーム１２の接合部周辺の温度が上昇することで、チューニング軸１１やチューニングアーム１２に熱膨張が生じ、チューニングピストン１３の位置が、図面下方向に移動することが原因で生じる現象である。
【０００８】
ここで、同軸型マグネトロンの発振周波数は、外部同軸空胴６０の共振周波数によって支配的に決まるので、上記チューニングピストン１３の図面下方向の移動は、マグネトロンの発振周波数を高くさせることになる。さらに、冷却通路１４を陽極円筒３近傍に設けるため、チューニングアーム１２を長く形成する必要があり、上記周波数ドリフトを増長させる要因となっていた。
【０００９】
そこで、上部構造体８に冷却用通路１４を形成せず、チューニング軸１１からチューニングアーム１２を介してチューニングピストン１３内まで、その内部に冷却用通路を形成し冷却液を流すことで周波数ドリフトを抑制することも可能であるが、この系は可動部であり、また細く長い冷却用通路を形成しなければならず、構造が非常に複雑になってしまう。
【００１０】
また、陽極の冷却が冷却通路１１のみとなるため、ピーク電力で数ＭＷ級の高出力発振では、デューティー比を低く、具体的には０．０００２〜０．０００８程度に抑える必要があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１４−１６５０３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の同軸型マグネトロンにおいて数ＭＷ級のピーク電力で発振させる場合、上部構造体８に冷却用通路１４を設けることで、デューティ比を０．００１程度まで高くすることができるが、周波数ドリフトの問題を解消できなかった。一方周波数ドリフトを抑制するため、チューニング軸１１からチューニングアーム１２を介してチューニングピストン１３の内部に冷却用通路を形成しようとすると、上部構造体８に冷却用通路１４を設けることができず、デューティー比を０．０００２〜０．０００８と低く抑えなければならないという問題があった。本発明は、これらの問題点を解消し、パルス駆動のデューティー比が高く、周波数ドリフトを抑制することができる同軸型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】
【００１３】
上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、陰極の周囲に配置された陽極円筒にベーンを接合する陽極共振空胴と、前記陽極円筒の外側に設けられた外部同軸空胴とを有し、前記陽極共振空胴と前記外部同軸空胴の両端に入力側構造体および上部構造体が接合されており、前記陽極共振空胴と前記外部同軸空胴をスロットにより高周波的に結合させるとともに、前記外部同軸空胴に配置したチューニングピストンを、該チューニングピストンを支持するチューニングアームおよびチューニング軸を調整することで前記チューニングピストンの位置を移動させて共振周波数を調整する同軸型マグネトロンにおいて、少なくとも前記上部構造体に冷却液を流す冷却用通路を形成するとともに、中空構造とした前記チューニング軸内に、一端を前記チューニングアームに直接接合する放熱部材を配置していることを特徴とする。
【００１４】
また本願請求項２に係る発明は、請求項１記載の同軸型マグネトロンにおいて、前記陰極と前記チューニングアームとの間の前記陽極共振空胴内に熱遮蔽板を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の同軸型マグネトロンは、上部構造体に設けた冷却用通路に冷却液を流すことにより、その近傍を冷却するとともに、陰極の近傍である同軸型マグネトロンの中心部分で発生した熱をチューニング軸内に設けた放熱部材を経由して外界に放熱する構造としており、チューニング軸やチューニングアームの熱応力変形を抑制、制御することが可能となる。その結果、数ＭＷ級の高出力動作においてもパルス駆動のデューティー比を高くし、かつ周波数ドリフトを効果的に抑制することが可能となる。
【００１６】
本発明の放熱部材は、チューニング軸の内部に、内接しないように間隙をとった同軸構造とし、チューニング軸よりも熱伝導の高い材料で構成することにより、簡便に製造、組立てを行うことができ、製造コストの上昇を招くこともないという利点がある。
【００１７】
また本発明は、陰極と上部構造体との間に熱遮蔽板を備える構造とすることで、チューニング軸近傍が受ける熱輻射を少なくすることで、放熱部材の放熱能力の飽和を防止することができ、確実に周波数ドリフト量を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施例の同軸型マグネトロンの説明図である。
【図２】本発明の周波数ドリフト抑制効果を説明する図である。
【図３】本発明の第２の実施例の同軸型マグネトロンの説明図である。
【図４】本発明の第３の実施例の同軸型マグネトロンの説明図である。
【図５】従来のこの種の同軸型マグネトロンの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の同軸型マグネトロンは、上部構造体に設けた冷却用通路に冷却液を流す構造とし、その近傍を冷却するとともに、陰極１の近傍である同軸型マグネトロンの中心部分で発生した熱を、チューニング軸１１内に設けた放熱部材１５を経由して放熱する構造としている。この放熱部材は、チューニングボックス１０内に緩衝部材１６によって固定配置されているため、放熱部材１５が熱膨張しても、チューニングアーム１２との熱接触を保つことで外部への放熱を行いつつ、チューニングアーム１２に熱応力を伝えない構造となっている。その結果、チューニング軸１１およびチューニングアーム１２の温度上昇が抑えられ、周波数ドリフトを抑制することが可能となる。
【００２０】
また、陰極１とチューニングアーム１２との間に熱遮蔽板１７を設けることで、陰極１から輻射された熱を遮蔽し、チューニング軸１１およびチューニングアーム１２の温度上昇を抑制する構造とすることも可能である。以下、本発明の実施例について詳細に説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１は、第１の実施例の同軸型マグネトロンの説明図である。図１に示すように、中心に配置された陰極１の周囲に、放射状に配置された陽極となるベーン２が陽極円筒３に接合されており、ベーン２と陽極円筒３により陽極共振空胴５０が形成される。陽極円筒３にはスロット４が設けられている。この陽極円筒３と円筒状側面５との間に、陽極共振空胴５０と同軸となる外部同軸空胴６０が形成される。この陽極共振空胴５０と外部同軸空胴６０の上下には、入力部６に接続される入力側構造体７と上部構造体８が配置されることで、陰極１の上下にポールピース９ａ、９ｂが配置されている。
【００２２】
またチューニングボックス１０に取り付けられているチューニング軸１１を調整することでチューニングアーム１２を介して外部同軸空胴６０内に配置されているチューニングピストン１３の位置を移動させ、外部同軸空胴６０の共振周波数を変化させ、マグネトロンの発振周波数を調整可能としている。チューニングボックス１０とチューニングアーム１２は金属ベローズにより接続されており、陽極共振空胴５０と外部同軸空胴６０とを真空に保つ構造となっている。
【００２３】
本実施例の同軸型マグネトロンは、図５に示す従来例と相違し、陽極円筒３は上部構造体８にロウ接により接着した構造として熱抵抗を最小化し、冷却用通路１４に流れる冷却液により陽極を効果的に冷却する構造となっている。このような構造とすることで、陽極の冷却効果が高まり、ピーク出力が数ＭＷ級となる様な高出力でも、パルス駆動のデューティ比が０．００１を越え、０．００２程度までの動作が可能となる。
【００２４】
一方チューニング軸１１は、中空構造として、その中空構造内部に放熱部材１５をチューニング軸の内部に内接しないように間隙をとった同軸構造となるように配置している。放熱部材１５は、チューニング軸１１よりも熱伝導の高い材料で構成する。図１に示すように、放熱部材１５は、一方の端部が、蛇腹状に加工した無酸素銅薄板等の緩衝部材によってチューニングボックス１０に配置されているため、熱伝導により内部の熱を外部に放出することができる。また放熱部材１５自体が放熱体して寄与する。放熱部材１５は、円形の棒状構造に限らない。表面に溝を形成して表面積を増し、放熱特性を上げることも可能である。ここで放熱部材１５は、無酸素銅棒、あるいはヒートパイプ等の高熱伝導材を用いることで、放熱効果を上げることができる。
【００２５】
このように構成した本実施例の同軸型マグネトロンは、チューニングアーム１２とチューニング軸１１の接合付近の温度上昇が抑えられることになる。その結果、チューニング軸１１の温度上昇が抑えられ、チューニング軸１１自体の熱膨張が抑制される。またチューニングピストン１３が、チューニング軸１１とチューニングアーム１２の接合付近よりも相対的に温度が高くなるので、チューニングアーム１２は、図面上方向に熱応力変位し、チューニング軸１１の熱膨張を相殺し、周波数ドリフトを低減することが可能となる。
【００２６】
図２は、従来の同軸型マグネトロンの発振周波数の周波数ドリフト量と本実施例の同軸型マグネトロンの発振周波数の周波数ドリフト量を比較した図である。本実施例では、周波数ドリフトが１／６程度に低減することがわかる。また、動作時間が１５分程度経過後には熱的に安定し、わずかな周波数ドリフト量が一定に維持され、本発明の効果が大きいことがわかる。
【実施例２】
【００２７】
次に第２の実施例について説明する。前述の通り、周波数ドリフトを低減するためには、チューニング軸１１とチューニングアーム１２の接合近傍の温度上昇を低減させることが効果的である。そこで図３に示すように、陰極１から熱がチューニングアーム１２に輻射伝搬する経路に、熱を遮断する熱遮蔽板１７を配置することも効果的である。熱遮蔽板１７は、例えば、ニッケル薄板や鉄薄膜、あるいはタンタル薄膜を用いることができる。
【実施例３】
【００２８】
第３の実施例は、放熱部材１５の変形例である。図４に示すように、放熱部材１５の先端の面積を拡げることで、放熱効果の増大を図ることが可能となる。同時に、チューニング軸１１とチューニングアーム１２の接合部が、比較的温度が高い中央部から離れることでチューニング軸１１自体の温度上昇が抑えられ、周波数ドリフト量の抑制効果を奏する構造となる。
【符号の説明】
【００２９】
１：陰極、２：ベーン、３：陽極円筒、４：スロット、５：円筒状側面、６：入力部、７：入力側構造体、８：上部構造体、９ａ、９ｂ：ポールピース、１０：チューニングボックス、１１：チューニング軸、１２：チューニングアーム、１３：チューニングピストン、１４冷却用通路、１５：放熱部材、１６：緩衝部材、１７：熱遮蔽板
【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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