(57)【要約】【課題】カソード電極１から放射された電子ビーム１０は、永久磁石６とポールピース７からなる周期磁界回路にて相互作用部における電子ビーム軌道が保持されているが、このとき周期磁界回路による磁界の発生が急峻なため、ビームを絞り込みすぎて電子同士の反発力が強くなり、ビーム軌道が安定せずに所望の電子ビーム軌道より波打ちの大きい、ビーム径も大きい電子ビームになってしまう問題があった。【解決手段】アノード電極とポールピースを一体化させたアノードポースピース電極３とし、このアノードポースピース電極の外周側を磁性体、内周側を非磁性体で形成することにより、電子銃側への界浸磁界を大きくして、電子ビームの集束をよりスムーズに行うようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード電極とアノード電極を有する電子銃部、この電子銃部から放射された電子ビームを集束させる複数のポールピースと複数の磁石からなる周期磁界回路、およびこの周期磁界回路で集束された電子ビームを捕捉するコレクタを有したマイクロ波管において、上記電子銃部と周期磁界回路の境界に位置するポールピースと上記アノード電極とを一体化したアノードポールピース電極とし、このアノードポールピース電極の材料は外周側を磁性体とし、内周側を非磁性体としたことを特徴とするマイクロ波管。
【請求項２】
アノードポールピース電極の内周側を軸方向に２分割した第１および第２の非磁性体とし、周期磁界回路側の第１の非磁性体とアノードポールピース電極外周側の磁性体をロウ付けにて接合すると共に、この接合した部材に電子銃側の第２の非磁性体をビーム溶接にて接合したことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波管。
【請求項３】
ロウ付け接合された外周側磁性体と第１の非磁性体は、第２の非磁性体３３との合わせ面が機械加工されてなる請求項２に記載のマイクロ波管。
【請求項４】
アノードポールピース電極の外周側の磁性体を鉄で構成し、内周側の非磁性体を銅または銅ニッケル合金で構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載のマイクロ波管。
【請求項５】
電子銃部と周期磁界回路の境界に位置するポールピースとアノード電極とを一体化したアノードポールピース電極の製造方法において、アノードポールピース電極の材料は外周側を磁性体とし、内周側を軸方向に２分割した第１および第２の非磁性体とし、周期磁界回路側の第１の非磁性体とアノードポールピース電極外周側の磁性体をロウ付けにて接合するステップと、このロウ付けした部材の電子銃側の第２の非磁性体との合わせ面を機械加工するステップと、この機械加工した前記ロウ付け部材と前記電子銃側の第２の非磁性体とをビーム溶接にて接合するステップとからなるアノードポールピース電極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、進行波管等のマイクロ波管、特に電子銃部より発射された電子ビームの集束を安定にしたマイクロ波管、およびマイクロ波管に使用されるアノードポールピース電極の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、クライストロンや進行波管（ＴＷＴ）に代表されるマイクロ波管は、電子銃のカソード電極より放射された電子ビームがアノード電極やグリッド電極等による電界で集束され、相互作用部において電子ビームを増幅または発振させ、出力窓よりマイクロ波を取り出す。また、相互作用を終えた電子ビームはコレクタ部にて回収される。このとき、電子ビームが発散せずに所望のビーム軌道で相互作用部を透過するように、電子銃部とコレクタ部の間には永久磁石または電磁石により磁気回路が形成されている。例えば永久磁石を使用した進行波管においては、カソード電極から放射された電子ビームが、グリッド電極およびアノード電極による電界で集束され、更にポールピースと永久磁石からなる周期磁界回路にて相互作用部における電子ビーム軌道が保持されている。
【０００３】
しかし、ポールピースと永久磁石からなる周期磁界回路による周期磁界の発生が急峻なため、電子ビームを絞り込みすぎて電子同士の反発力が強くなり、ビーム軌道が安定せずに電子ビームの波打ちが大きく、ビーム径も大きい電子ビームになってしまう問題がある。軌道が安定しない電子ビームは相互作用部において相互作用回路に衝突する確率が大きくなり、マイクロ波管の効率を下げてしまう。また相互作用回路の許容熱容量が小さい場合は相互作用回路にダメージを与え、マイクロ波管を故障させる原因になりかねない。
【０００４】
この問題を解決する手段として、従来は周期磁界回路における磁束密度を徐々に強くするように永久磁石の着磁量を調整する、或いは周期磁界回路に鉄片を付けて磁界回路の磁束密度を調整する、または特許文献１のように周期磁界回路の電子銃側に近い初段から数段のポールピースにおいて、ポールピースの内周側にガイドリングと呼ばれる非磁性体を設け、実効的なポールピース半径を大きくし、磁界回路の最初の方において中心軸上における磁束密度を小さくして、電子ビーム集束の安定化を図る方法も知られている。
【０００５】
以上のようにすることで、従来は周期磁界回路による周期磁界の発生が急峻になることを防ぎ、電子ビームの安定化を図っていた。
【特許文献１】特開平０６−５２０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の方法では、磁界が電子銃部に漏れるのを完全に遮断しており、電子ビームが磁気回路に侵入するまでは、電子ビームはグリッド電極、アノード電極による電界のみでコントロールされている。したがって、電子ビームのリップル（うねり）は多少残る問題があった。
この発明は、磁束密度の調整が不要で、しかも電子ビームのリップル（うねり）が少ない、安定した電子ビーム集束が得られるマイクロ波管、およびマイクロ波管に使用されるアノードポールピース電極の製造方法を得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明のマイクロ波管は、カソード電極とアノード電極を有する電子銃部と、この電子銃部から放射された電子ビームを集束させる複数のポールピースと複数の磁石からなる周期磁界回路と、この周期磁界回路で集束された電子ビームを捕捉するコレクタとを有したものにおいて、上記電子銃部と周期磁界回路の境界に位置するポールピースと上記アノード電極とを一体化したアノードポールピース電極とし、このアノードポールピース電極の材料は外周側を磁性体とし、内周側を非磁性体にしたものである。
【０００８】
更にこの発明は、電子銃部と周期磁界回路の境界に位置するポールピースとアノード電極とを一体化したアノードポールピース電極の製造方法において、アノードポールピース電極の材料は外周側を磁性体とし、内周側を軸方向に２分割した第１および第２の非磁性体とし、周期磁界回路側の第１の非磁性体とアノードポールピース電極外周側の磁性体をロウ付けにて接合し、このロウ付けした部材の電子銃側の第２の非磁性体との合わせ面を機械加工し、この機械加工した前記ロウ付け部材と前記電子銃側の第２の非磁性体とをビーム溶接にて接合するようにしたものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明のマイクロ波管は、アノードポールピース電極の材料を外周側は磁性体とし、内周側は非磁性体にして、電子銃部に界浸磁界をあえて漏らすことで、電子ビームの制御を電界および磁界にてコントロールするようにしたから、電子ビームのリップル（うねり）が少ない、安定した電子ビーム集束が得られ、また磁界回路の磁束密度の調整が不要となる。
またこの発明のアノードポールピース電極の製造方法は、外周側の磁性体と内周側の第１の非磁性体はロウ付けした後に機械加工され、その後に第２の非磁性体とビーム溶接して接合されているから、外周側の材料と内周側の材料は隙間を生じさせずに精度良く接合され、マイクロ波管に必要な超高真空が保たれる。これにより計算したとおりの、安定した電子ビーム集束が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１
以下、この発明の実施の形態１について図を参照して説明する。図１は、この発明の実施の形態１を示すマイクロ波管の断面構造図である。図２は図１におけるアノード電極とポールピースを共用するために一体化させたアノードポースピース電極の拡大断面図である。
図１のマイクロ波管において、電子銃部はカソード電極１とグリッド電極２とアノード電極から構成されている。但しアノード電極は、この発明では後述する周期磁界回路のポールピースの一部と共用するため、アノード電極とポールピースが一体化され、アノードポールピース電極３として構成されている。
【００１１】
アノードポールピース電極３と後述するコレクタ９との間には、電子ビーム１０の放射方向に沿ってスパイラル形状やリング形状からなる金属で構成された高周波回路の相互作用回路５が配置されている。この相互作用回路５はモリブデンやタングステンなどの金属で構成され、電子ビームのマイクロ波を増幅・伝送する。また、相互作用回路５はＢＮ（ボロンナイトライド）やＢｅＯ（ベリリウムオキサイド）からなる絶縁支持体４により保持されている。この絶縁支持体４の外周部には、軸方向に飽和状態まで着磁された複数の円筒状の永久磁石６と複数の円筒状のポールピース７とから構成された周期磁界回路が配置されている。永久磁石６はスペーサ８を介して絶縁支持体４に支持されている。電子銃部の反対側には周期磁界回路で集束された電子ビームを捕捉するコレクタ９が配置されている。
【００１２】
図２において、アノードポールピース電極３は、電子銃部と周期磁界回路の境界に位置するポールピース、すなわち周期磁界回路の複数のポールピースのうち、電子銃部に隣接するポールピースはアノード電極と一体化され、円筒状に構成されている。更に、このアノードポールピース電極３の材料は、外周側３１を鉄などの磁性体で構成され、内周側は軸方向に２分割されて、第１の非磁性体３２と第２の非磁性体３３にされ、銅、銅ニッケル合金などの非磁性体で構成されている。またこのアノードポールピース電極３はアースと同電位にされる。
【００１３】
次にアノードポールピース電極３の製造方法について説明する。マイクロ波管は、内部を超高真空に保つために、外気に対して隙間なく接合しなければならない。このため、まず周期磁界回路側、即ち相互作用回路５側にある第１の非磁性体３２は、外周側の磁性体３１とロウ付けにより一体化する。次に電子銃側にある第２の非磁性体３３は、電界によって電子ビームを集束させる役割を果たすため、上記ロウ付けした外周側磁性体３１と第１の非磁性体３２に対して精度良く接合させねばならない。もし第２の非磁性体３３とロウ付けした外周側磁性体３１及び第１の非磁性体３２との合わせ面である接合面にロウ材料によるロウ垂れなどがあると、第２の非磁性体３３は外周側磁性体３１及び第１の非磁性体３２に対して精度良く接合することができないため、計算とおりに電子ビームを集束できなくなってしまう。したがってロウ付けした外周側磁性体３１と第１の非磁性体３２の第２の非磁性体３３と合わせ面に、削りの機械加工を施すことで、第２の非磁性体３３とロウ付けした外周側磁性体３１及び第１の非磁性体３２との接合面の精度を出す。その後に第２の非磁性体３３とロウ付けした外周側磁性体３１及び第１の非磁性体３２をビーム溶接により接合する。
以上のように、真空封じと接合面の精度という２つの条件を満たしつつ、アノードポールピース電極３の一部を非磁性体とし、電子銃側への界浸磁界を従来より大きくして、電子ビーム軌道の安定化を実現する。
【００１４】
次に図１および図２に示すマイクロ波管の動作について説明する。グリッド電極２とアノードポールピース電極３に電圧を印加することにより、電子ビーム１０を引き出す為の電界が発生し、カソード電極１から電子ビーム１０が放射される。カソード電極１から放射された電子ビーム１０は、グリッド電極２とアノードポールピース電極３で形成される電界で集束されると共に、永久磁石６とポールピース７とから構成された周期磁界回路によって形成される周期磁界の磁気レンズ作用によって電子相互の発散が防止される。また電子ビーム１０は高周波回路の相互作用回路５により高周波電力が作用し、増幅または発振されて、マイクロ波を出力窓より取り出す。相互作用を終えた電子ビーム１０はコレクタ９に捕捉される。
【００１５】
ここで、グリッド電極２とアノードポールピース電極３に電圧を印加することにより、カソード電極１から放射された電子ビームは、上述したようにアノードポールピース電極３の一部が非磁性体であるため、電子ビームは周期磁界回路による磁界の影響とアノードポールピース電極３による電界２つの影響を受けることで、波打ちの少ない、所望のビーム径の電子ビームとして集束される。こうすることで、電子ビーム集束を現状よりスムーズに行うことができる。
【００１６】
図３は、アノードポールピース電極３の材料の違いによる磁場分布の変化を比較して示したもので、Ａはこの発明のようにアノードポールピース電極３の一部を非磁性体にした場合の周期磁界回路の磁束密度分布を、Ｂはアノードポールピース電極３が全て磁性体の場合の周期磁界回路の磁束密度分布を示す。図３において、横軸はマイクロ波管の軸方向距離Ｚ（ｍｍ）を、縦軸は磁束密度Ｂｚ（ｇａｕｓｓ）を示している。
図３から分かるように、アノードポールピース電極３が全て磁性体の場合は、周期磁界回路の影響が電子銃側まで及ぼさないように磁界を遮断する為、磁界回路による磁界の発生が急峻となる。このため電子ビームの収束も急峻となり、電子ビームの波打ちが大きくなる。一方、アノードポールピース電極３の一部を非磁性体にした場合は、電子銃側に周期磁界による磁束密度の影響が及ぼされるようになり、磁界の変動は緩やかとなる。これにより、電子ビームの収束しようとする力が徐々にかかるようになる為、電子ビーム軌道の径方向への変動を小さくすることができ、波打ちが小さくなる。
【００１７】
図４にはアノードポールピース電極３が全て磁性体の場合の電子ビーム軌道計算結果を示し、図５にはこの発明のようにアノードポールピース電極３の一部が非磁性体にされた場合の電子ビーム軌道計算結果を示す。これら図４および図５からも明らかなように、グリッド電極２とアノードポールピース電極３に電圧を印加することにより、カソード電極１から放射された電子ビーム１０は、この発明のようにアノードポールピース電極３の一部を非磁性体とした場合（図５）は電子ビーム１０の波打ちは小さく、電子ビーム１０の半径が小さいことが分かる。
図４と図５の両者に寸法的な差異はなく、異なる点はアノードポールピース電極３の材料のみである。アノードポールピース電極の一部が非磁性体であるモデルの方の電子ビームの波打ちが小さく、電子ビーム径も小さい。
【００１８】
ここで図３に示す磁束密度Ｂｚと図４、図５に示す電子ビーム半径Ｒの関係について、少し吟味する。電子ビーム１０は磁束密度Ｂｚによるローレンツ力により、螺旋運動を行う。このとき、１つの電子だけを考えたとき、電子の回転半径ｒは、
ｒ＝ｍｖ／ｅＢｚ  （式１）      となる。
但し、ｍは電子質量、ｖは電子の径方向速度、ｅは電子素量
したがって、電子の回転半径ｒは、磁束密度Ｂｚが大きいほど小さくなる。但し、電子が集まって形成される電子ビームにおいては、半径を小さくしすぎると電子同士の斥力によって反発が起こる。よって、磁束密度Ｂｚが大きすぎると電子ビーム半径が大きくなってしまう。
図４は、Ｚ＝１０〜１５ｍｍのところで、磁束密度Ｂｚを急激に大きくさせすぎたことにより、電子ビームが絞られすぎて、電子同士の斥力による反発が発生し、電子ビームにリップル（うねり）が生じている。これに対して図５は、Ｚ＝１０〜１５ｍｍにおける磁束密度Ｂｚを図４のそれよりも小さく抑えているため、リップル（うねり）も小さくなり、電子ビーム径を小さくできる。
【００１９】
また図６は、図４および図５に示す電子ビーム軌道の半径を拡大し対比して示したもので、横軸はマイクロ波管の軸方向距離Ｚ（ｍｍ）を、縦軸は電子ビーム半径Ｒ（ｍｍ）である。この図６において、Ｃはこの発明のようにアノードポールピース電極３の一部を非磁性体にした場合の電子ビーム軌道の半径を、Ｄはアノードポールピース電極３が全て磁性体の場合の電子ビーム軌道の半径を示す。
この図６からも明らかなように、アノードポールピース電極の一部が非磁性体であるモデルの方の電子ビームの波打ちが小さく、電子ビーム径も小さい。
したがってこの発明によれば、磁界回路の磁束密度の調整も不要で、しかも電子ビームのリップル（うねり）が少ない、安定した電子ビーム集束が得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】この発明の実施の形態１によるマイクロ波管の断面図。
【図２】この発明の実施の形態１に示すアノードポールピース電極の拡大断面図。
【図３】この発明の実施の形態１とアノードポールピース電極の全てを磁性体で構成した場合のマイクロ波管の周期磁界分布を比較して示す図。
【図４】アノードポールピース電極の全てを磁性体で構成した場合の電子ビーム軌道計算結果を示す図。
【図５】この発明の実施の形態１における電子ビーム軌道計算結果を示す図。
【図６】この発明の実施の形態１とアノードポールピース電極の全てを磁性体で構成した場合のマイクロ波管の電子ビーム軌道半径を比較して示す図。
【符号の説明】
【００２１】
１：カソード電極                            ２：グリッド電極
３：アノードポールピース電極                ４：絶縁支持体
５：相互作用回路                            ６：永久磁石
７：ポールピース                            ８：スペーサ
９：コレクタ                              １０：電子ビーム
３１：アノードポールピース電極の外周側
３２：アノードポールピース電極の内周側（第１の非磁性体）
３３：アノードポールピース電極の内周側（第２の非磁性体）
【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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