(57)【要約】本発明は、真空シールの提供および高出力マイクロ波管により出力された電磁エネルギーの伝送に使用されるマイクロ波ウィンドウに関する。当該ウィンドウは誘電ディスク（３０）を備えており、不使用時には、ディスクの周縁部に配置されたプレストレッシングリング（４０）によりディスク周囲に放射方向の圧縮応力がかかる。使用時には、ディスクは金属スカート（１０）の内部に蝋付けされ、プレストレッシングリング（４０）は、マイクロ波ウィンドウをマイクロ波管の出力口にしっかりと固定するのに使用されるホルダ（２０）の環状部となる。環状部の厚みは大きく、ディスク周囲のスカート（１０）に部分的に接触する。ディスクの材料にはアルミナを、金属スカートの材料には銅を、およびホルダの材料にはステンレス鋼を使用することができる。これにより熱応力に対するウィンドウの耐性が大きく向上し、高出力真空増幅管（ＴＷＴ）やクライストロンなどの出力ウィンドウに利用される。
2004521543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスクの周縁部を取り囲んで不使用時にディスクの周縁全体に中心に向かう放射状の圧縮応力を発生させるプレストレッシングリング（４０）を含むことを特徴とする、誘電性ディスク（３０）を備えたマイクロ波ウィンドウ。
【請求項２】
金属製スカート（１０）がディスク（３０）の周囲に蝋付けされ、プレストレッシングリング（４０）が誘電性ディスク周縁部の周りの金属製スカートを取り囲んでいることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ波ウィンドウ。
【請求項３】
プレストレッシングリング（４０）がマイクロ波管の出口にウィンドウを固定する働きをするホルダ（２０）の環状部分により形成され、当該環状部分が誘電性ディスクの全周囲に亘って金属製スカート（１０）の外側表面に接することを特徴とする、請求項２に記載のマイクロ波ウィンドウ。
【請求項４】
ホルダが金属製スカートよりもはるかに剛性が大きい材料からなることを特徴とする、請求項３に記載のマイクロ波ウィンドウ。
【請求項５】
スカートが銅から、ホルダがステンレス鋼から、および誘電性ディスクがアルミナからなることを特徴とする、請求項４に記載のマイクロ波ウィンドウ。
【請求項６】
金属製スカートが上部と下部においてホルダに蝋付けされることを特徴とする、請求項２ないし５のいずれか１項に記載のマイクロ波ウィンドウ。
【請求項７】
圧縮プレストレッシングリング（４０）の厚みが約３ｍｍであることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のマイクロ波ウィンドウ。
【請求項８】
リングの温度が上昇した際にリングとスカートの間で焼結が起こるのを防ぐために、好適にはグラファイトである潤滑物質がプレストレッシングリング（４０）と金属製スカート（１０）との間に挿入されることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれか１項に記載のマイクロ波ウィンドウ。
【請求項９】
圧縮応力が数１０バール以上であることを特徴とする、請求項８に記載のマイクロ波ウィンドウ。
【請求項１０】
ディスク周縁部とスカートとの間に蝋付け部（６０）と小さなギャップを置いて、誘電性ディスク（３０）を金属製スカート（１０）の内部に配置する段階と、ディスクの全周囲に亘ってスカートを囲むプレストレッシングリング（４０）を有するホルダ（２０）の内部に、リングとスカートの間に小さなギャップを残した状態で、ディスクとスカートを配置する段階と、リングより膨張係数の小さな材料からなる蝋付けフープ（５０）を、間に小さなギャップを置いてリングの周囲に配置する段階と、フープ、リング、スカートおよびディスクからなるアセンブリを、ディスクをスカート内部に蝋付けするのに十分な温度まで加熱する段階と、アセンブリを自然に冷却させ、冷却の結果リングによりスカートおよびディスクを圧縮するように放射状のプレストレッシングがかかる段階とからなる、マイクロ波ウィンドウ製造方法。
【請求項１１】
蝋付け作業の際には、アセンブリを蝋付け炉に入れる前に蝋付け剤のビード（６２，６４）を配置し、スカートの上部と下部をホルダに蝋付けすることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
プレストレッシングリング（４０）をスカートの周囲に配置する前に、好適にはグラファイトである潤滑物質をプレストレッシングリングと金属製スカートの間に挿入し、当該物質によってリングの温度上昇時にリングとスカートの間で焼結が起こるのを防ぐことを特徴とする、請求項１０または１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に電力増幅電子管の出口において、（高真空状態の）管の内部と（例えば大気圧下にある）外部との間でマイクロ波電磁エネルギーを伝送するのに使用されるマイクロ波真空ウィンドウに関する。
【０００２】
管は特に、ＴＷＴ（進行波管）またはクライストロンなどの増幅器とすることができる。また、（磁電管などの）発振器でもよい。一般に、管の内部で増幅されたエネルギーを、空気を含む導波管に送ることが所望される。マイクロ波ウィンドウにより、少なくとも所定の周波数帯の間で、電磁エネルギーは自由に導波管を流れることができ、同時に管内部の真空が維持される。
【背景技術】
【０００３】
従来型のウィンドウは、電磁エネルギーが通過できる絶縁誘電性のフラットディスクを備えている。このディスクは通常、誘電特性が良いだけでなく、熱伝導率が高く、高温および大きな温度勾配に対して良好な耐性を有するアルミナまたは別のセラミックからなる。これは、強い電場で動作する高出力管では、エネルギーの通過により誘電性にロスが生じ、よって実質的な加熱が減少するためである。この管は数１０キロワット程度の出力を供給することができる。通常、誘電性ディスクの大きさは、直径数１０センチメートル、厚さ１から数ミリである。
密閉性を実現するため、誘電性ディスクの周縁部を、それを取り囲む金属製（通常は銅）の円筒状スカートの内部表面に蝋付けする。
【０００４】
図１に示す従来型の実施形態では、円筒状スカート１０の外側を例えばステンレス鋼からなるホルダ２０が取り囲んでおり、当該ホルダは誘電性ディスク３０と当該スカート１０を電力増幅管と導波管の間に固定するための補助として機能している。誘電性ディスク３０はスカート内部に蝋付けされている。ホルダ２０は、ヒートシンクとしても、管と導波管との間の遷移としても使用できる。ホルダ２０はまた導波管の開始部分となる内側部分２２を有し、当該内側部分には導波管をホルダ２０に固定するのに使用される周縁部フランジ２４が設けられている。ホルダ２０の上方部分２６は円筒状で、円筒状スカート１０を取り囲んでいる。この上方部分は電力増幅管（図示せず）の出力ポートの周囲に溶接されるか、または蝋付けされる。スカートは下部および上部でホルダ２０の内部に蝋付けされている。
【０００５】
誘電性ディスクとスカートの間の蝋付けされた接合部、およびスカートとホルダの間の蝋付けされた接合部は、真空シールを維持するのに役立つ。
【０００６】
誘電性ディスクの消費電力が大きいために、動作中の熱応力は非常に大きくなり得る。通常電力消費が最大となる部分は中央部で、端に行くほど小さくなる。セラミック（特にアルミナ）の熱伝導特性により、端に向かって放射状に熱が取り除かれる。銅性のスカートおよびステンレス鋼のホルダはヒートシンクとして働く。このような放射状の熱除去が行われても、セラミックでは部位による温度差があるために熱応力は非常に大きい。ウィンドウの電力消費の分布が必ずしも完全な放射状でないことからも、熱応力が大きいことは明らかである。応力により、セラミック、銅、または真空シールのための蝋付け接合部に亀裂が生じる場合がある。熱応力により発生する可能性のある欠陥は、それが真空シールの損害に繋がるものであると、管について全く許容不可である。このため、管の使用中にウィンドウを通過する出力レベルを制限しなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、既存のウィンドウの利点を維持しながら、従来技術より高い出力能を有するマイクロ波ウィンドウを製造することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的は、ディスクの周縁部を取り囲んで不使用時にディスクの周縁全体に中心に向かう放射状の圧縮応力を発生させるプレストレッシングリングを含むことを特徴とする、誘電性ディスクを備えたマイクロ波ウィンドウを提供することにより達成される。使用にあたっては、（従来技術と同様に）ディスクの周囲に金属製のスカートを蝋付けし、プレストレッシングリングが誘電性ディスク周囲の金属製スカートを取り囲むようにすることが好ましい。
【０００９】
好適には、プレストレッシングリングは、マイクロ波管の出口にウィンドウを固定する働きをするホルダの環状部分により形成され、この環状部分が誘電性ディスクの全周囲に亘ってスカートの外側表面に局所的に接する。ホルダは金属製スカートよりもはるかに剛性が大きい材料からなる。
【００１０】
ホルダはステンレス鋼から、スカートは銅から、およびディスクはアルミナから作成することができる。圧縮力を有するプレストレッシングリングの厚みは約２から３ｍｍでよい。例えば、ホルダが厚さ約１ｍｍの金属から作成されている場合、プレストレッシングリングはその２倍の厚みとすることができる（全体で約３ｍｍの厚みとなる）。
【００１１】
従来技術と比較して誘電性ディスクの温度の上昇に変化はないが、引張強度が大きく向上している。
【００１２】
好適にはプレストレスは数１０バール以上の大きさである。不使用時、つまり管が冷えているときは、プレストレスがかかった状態である。使用時には、ウィンドウを伝わる電力が高い程ウィンドウが加熱する。プレストレッシングリングは膨張し、ウィンドウの温度勾配が大きいためにウィンドウに生じた内部熱応力を軽減する。しかし、不使用時にリングは放射方向の圧縮応力を生じさせるとはいえ、加熱時には膨張により許容できないほどの大きな応力がリングとウィンドウとの間の蝋付け接合部にかかることはない。
【００１３】
本発明はまた、マイクロ波ウィンドウの製造方法にも関する。当該方法は、ディスク周縁部とスカートとの間に蝋付け部と小さなギャップを置いて誘電性ディスクを金属製スカートの内部に配置する段階と、ディスクの全周囲に亘ってスカートを囲むプレストレッシングリングを有するホルダ内部に、リングとスカートの間に小さなギャップを残した状態で、ディスクとスカートのアセンブリを配置する段階と、リングより膨張係数の小さな材料からなる蝋付けフープを、間に小さなギャップを置いてリングの周囲に配置する段階と、フープ、リング、スカートおよびディスクからなるアセンブリをディスクをスカート内部に蝋付けするのに十分な温度まで加熱する段階と、アセンブリを自然に冷却させ、冷却の結果リングによりスカートおよびディスクを圧縮するように放射状のプレストレッシングがかかる段階とからなる。
その後蝋付けフープを取り外す。
【００１４】
実際の蝋付け作業では、スカートの下部と上部をホルダに蝋付けすることが好ましい。したがって、アセンブリを蝋付け炉に入れる前に蝋のビードを適当な箇所に置く。
【００１５】
潤滑物質（好適にはグラファイト）をプレストレッシングリングと金属製スカートの間に挿入し、ウィンドウを有するマイクロ波管のオーブン期の間などに、リングの温度が上昇した場合、リングとスカートの間の焼結を防ぐことが好ましい。このようなオーブン期は、管内部に高真空を維持しながら、管の様々な部位のガス抜きをすることを目的としている。圧力、摩擦および温度によりリング／スカートの間に焼結が起こると、リングとスカートとの結合が硬直し、後にシールが破れる危険がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の他の特徴および利点を、添付図を参照する後述の詳細な説明により明らかにする。
【実施例１】
【００１７】
図２を参照して本発明を説明する。本実施例は、図１のウィンドウへの改善、つまりホルダと誘電性ディスクとの間に金属製スカートを挿入した場合の効果を示すもので、限定的なものではない。本実施例において、ホルダは金属製スカートより強い金属からなり、ウィンドウアセンブリに強度を与えている。
【００１８】
図２は、図１と同様の要素を示している。本実施例において、本発明によるプレストレッシングリングは、スカート１０を取り囲むホルダ２０と一体に形成されている。このリングは参照番号４０で示す。単純化のために、ホルダの一部の厚みを増した形態で示した。リングはホルダと別個に形成されてもよい。
【００１９】
例えば、ホルダは、一般に金属性スカート１０を取り囲んでいる円筒状の中央部を有し、リングはこの円筒状部分の一部に形成されている。この円筒状部分の一部は誘電性ディスク３０の周縁部全体に位置し、より大きな厚みを有する。通常、直径約８から１０ｃｍ、厚さ１ｍｍの誘電性ディスクに対して、プレストレッシングリング４０は放射方向の厚みを約３ｍｍに、高さを数ｍｍにすることができる。例えば、スカート１０の周りのホルダを通常１ｍｍの厚みを有するステンレス鋼から作成し、部分的に厚みを加える（ディスク３０の周囲でさらに２ｍｍの厚みを加える）。
【００２０】
円筒状部分におけるホルダの内径は、プレストレッシングリング４０が位置する地点を除いて金属製スカートの外径より大きい。当該地点においては、リングの内径が金属製スカートの径と等しく、リングによりスカート１０と、スカートを介して誘電性ディスク３０の周縁部とに、常に圧縮応力がかかる。上記の数値例に従うと、ホルダ２０の円筒状部分の内径は約１ｍｍだけスカート１０の外径より大きい。
【００２１】
好適には、金属製のスカート１０は、中央部に誘電性ディスクが配置された状態で、その上部と下部においてホルダに溶着または蝋付けされる。
【００２２】
ホルダの上部２６は、電磁エネルギーの出力ポート周囲において、漏れを生じない状態で電力増幅管に溶着することができるような形状である。管とその出力ポートは図示しない。同様に、ホルダ２０の下部は、導波管（図示せず）など、管の出力電力を使用するための要素に（必ずしもシールされていなくてもよいが）固定されるような形状である。下部締結フランジ２４をこの目的のために設けてもよい。ホルダ２０の下方部分２２の内部は機械加工され、締結される導波管に対応する寸法を有する導波管を形成している。
【００２３】
プレストレッシングリング４０により、スカートと誘電性ディスクの周縁部とに強い圧縮力がかかるので、リングとスカートの間に潤滑物質の薄い層、好適にはグラファイトの薄い層を挿入し、温度上昇の際の焼結による結合部硬直を防ぐことが好ましい。焼結とは、温度と圧力が十分に高まったときに２つの物質間に起こる分子の相互浸透である。この場合、非常に大きな圧縮応力（典型的に１００バール）が存在するということは、過熱時に焼結が起こる危険が無視できないということを意味する。また、高出力での運転および製造（ウィンドウが搭載される管を数百度でベーキングする）において、加熱は避けることができない。
【実施例２】
【００２４】
本発明によるウィンドウを製造するために、まず金属性スカートに誘電性ディスクを蝋付けする作業を行ってその後スカートをホルダに搭載するのではなく、ディスクをスカートに搭載し、スカートをホルダに搭載してから、プレストレッシングリングの高さにおいてホルダ周囲にクランプ留めした蝋付けフープと共に、それらのアセンブリを蝋付け炉に入れる。
【００２５】
図３に上記の手順を示す。蝋付けフープは、冷却時の内径が、わずかな誤差をもって冷却時のホルダのプレストレッシングリング４０が配置された位置における外径と等しい円形リング５０である。フープ５０は、ホルダ（およびスカート）よりも膨張係数の小さな剛性の材料からなる。誘電性ディスクの膨張係数もホルダおよびスカートより小さい。
【００２６】
一般に、スカートは銅から、ホルダはステンレス鋼から、フープはモリブデン、タングステンまたはアルミナから作成される。モリブデンの膨張係数は、ステンレス鋼および銅の３分の１である。アルミナの膨張係数もホルダと比較して非常に小さい（約３分の１）。
【００２７】
周縁部に蝋付けビード６０を有するスカートに誘電性ディスクを配置する。ディスクとスカートの間には小さなギャップを残す。湿気を与えることにより、ディスク周囲でディスクとスカートの間の間隙に溶融した蝋付け剤が浸透する。ギャップは、冷却時の時点で、その後蝋付けの際に加熱すると非常に小さく（０．１ミリ程度）なっても、蝋付け剤がディスクとスカートの間の間隙に浸透することができるような大きさにする。加熱せずに、プレストレッシングリング４０の位置でホルダとスカートの間に小さなギャップを残した状態で、スカートをホルダ内に配置する。上述したように、リング４０の内側を事前に潤滑物質（基本的にグラファイト）で覆う。蝋付け剤のビード６２および６４をスカート１０の上部と下部に配置する。加熱せずに、金属性スカートを配置したホルダの周囲にモリブデンのフープ５０を滑らせて嵌める。加熱していないホルダの周囲に配置する前にフープを過熱してもよい。フープを配置する位置は、プレストレッシングリング４０の高さである。（基本的に冷却時に）フープをホルダに取り付けたとき、フープとホルダの間のギャップはわずかである。このギャップは蝋付け作業の間ゼロになる。
【００２８】
アセンブリを蝋付けに必要な温度に加熱する。蝋付け剤のビードが溶融する。ディスク、スカート、ホルダおよびフープは膨張する。しかし、フープ５０の膨張率はホルダ（およびスカート）と比較してずっと小さい。よって、プレストレッシングリング４０の膨張が部分的に抑制される。冷却すると、プレストレッシングリング４０とホルダ２０は収縮し、同様に誘電性ディスクの位置でスカート１０が収縮する（ステンレス鋼のリングはスカートよりはるかに剛性の高い物質からなっている）。プレストレッシングリング４０により、収縮率の小さい誘電性ディスク３０に圧縮力がかかる。この圧縮力は不変で、冷却時に存在しているだけでなく、運転中にも存在する。圧縮力がかかる方向は放射方向で、その大きさは部品間のギャップ、使用する材料、要素の直径およびプレストレッシングリングの厚みによって決まり、１００バール程度にすることができる。従って、圧縮プレストレスは大きくなる。フープ５０は冷却後取り外す。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
この不変のプレストレスが存在することにより、ウィンドウが（ベーキングまたは運転による）熱応力に曝されたときに発生する亀裂に対し、構造全体の抵抗力が向上する。
【００３０】
本発明による出力ポートは、特にＴＷＴまたはクライストロンのポートとして使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来技術によるウィンドウを示す。
【図２】本発明によるウィンドウを示す。
【図３】本発明によるウィンドウの製造に必要な蝋付け作業を示す。
【国際公開パンフレット】
2004521543.tif 000003
2004521543.tif 000004
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2004521543.tif 000012
2004521543.tif 000013
2004521543.tif 000014
2004521543.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成15年8月12日(2003.8.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスクの周縁部の周りに蝋付けされた金属性スカート（１０）と、ディスクの周縁部周囲の金属製スカートを取り囲んで不使用時にディスクの周縁全体に放射状に中心に向かう圧縮応力を発生させるプレストレッシングリング（４０）とを含むことを特徴とする、誘電性ディスク（３０）を備えたマイクロ波ウィンドウ。
【請求項２】
プレストレッシングリング（４０）がマイクロ波管の出口にウィンドウを固定する働きをするホルダ（２０）の環状部分により形成され、当該環状部分が誘電性ディスクの全周囲に亘って金属製スカート（１０）の外側表面に接することを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ波ウィンドウ。
【請求項３】
ホルダが金属製スカートよりもはるかに剛性が大きい材料からなることを特徴とする、請求項２に記載のマイクロ波ウィンドウ。
【請求項４】
スカートが銅から、ホルダがステンレス鋼から、および誘電性ディスクがアルミナからなることを特徴とする、請求項３に記載のマイクロ波ウィンドウ。
【請求項５】
金属製スカートが上部と下部においてホルダに蝋付けされることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のマイクロ波ウィンドウ。
【請求項６】
圧縮プレストレッシングリング（４０）の厚みが約３ｍｍであることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のマイクロ波ウィンドウ。
【請求項７】
リングの温度が上昇した際にリングとスカートの間で焼結が起こるのを防ぐために、好適にはグラファイトである潤滑物質がプレストレッシングリング（４０）と金属製スカート（１０）との間に挿入されることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のマイクロ波ウィンドウ。
【請求項８】
圧縮応力が数１０バール以上であることを特徴とする、請求項７に記載のマイクロ波ウィンドウ。
【請求項９】
ディスク周縁部とスカートとの間に蝋付け部（６０）と小さなギャップを置いて、誘電性ディスク（３０）を金属製スカート（１０）の内部に配置する段階と、ディスクの全周囲に亘ってスカートを囲むプレストレッシングリング（４０）を有するホルダ（２０）の内部に、リングとスカートの間に小さなギャップを残した状態で、ディスクとスカートを配置する段階と、リングより膨張係数の小さな材料からなる蝋付けフープ（５０）を、間に小さなギャップを置いてリングの周囲に配置する段階と、フープ、リング、スカートおよびディスクからなるアセンブリを、ディスクをスカート内部に蝋付けするのに十分な温度まで加熱する段階と、アセンブリを自然に冷却させ、冷却の結果リングによりスカートおよびディスクを圧縮するように放射状のプレストレッシングがかかる段階とからなる、マイクロ波ウィンドウ製造方法。
【請求項１０】
蝋付け作業の際には、アセンブリを蝋付け炉に入れる前に蝋付け剤のビード（６２，６４）を配置し、スカートの上部と下部をホルダに蝋付けすることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
プレストレッシングリング（４０）をスカートの周囲に配置する前に、好適にはグラファイトである潤滑物質をプレストレッシングリングと金属製スカートの間に挿入し、当該物質によってリングの温度上昇時にリングとスカートの間で焼結が起こるのを防ぐことを特徴とする、請求項９または１０に記載の方法。
【国際調査報告】
2004521543.tif 000016
2004521543.tif 000017
2004521543.tif 000018
2004521543.tif 000019
2004521543.tif 000020
2004521543.tif 000021