(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形状の基体金属の表面に凹凸部を設け、該凹凸部の凹部に熱電子放出物質を固着したマグネトロン用陰極であって、
前記凹凸部の凸部を傾斜させたことを特徴とするマグネトロン用陰極。
【請求項２】
前記凸部を、前記基体金属の法線に対して電子の移動方向に２５度〜６３度傾斜させたことを特徴とする請求項１に記載のマグネトロン用陰極。
【請求項３】
前記凹凸部の凹部の底面面積を開口面積と比べて少なくとも１０％広くしたことを特徴とする請求項１又は２に記載のマグネトロン用陰極。
【請求項４】
前記基体金属は冷間引き抜き材または冷間押し出し材からなり、前記凹凸部の凹部は前記基体金属の軸方向に平行な方向に延在した複数本の凹溝からなる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】
前記凹凸部の凹部が、前記基体金属の軸方向に平行な方向に形成した複数本の凹溝、軸方向に交差する方向に形成した複数本の凹溝、軸方向に斜め方向にネジ形状に形成した１本の凹溝、又は離散的に形成した複数個の凹穴でなり、その隣接する一部の凹部相互間又は凸部相互間を部分的に連続させた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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プレジャーボートや漁船等に搭載されるパルスレーダー装置のマイクロ波発振用に使用されるマグネトロン用陰極に係り、特にその陰極に充填した熱電子放出物質の消耗、脱落、熱電子放出能力低下等を抑制する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マグネトロンのうち、特にレーダーに使用されるものは、パルス的に動作させるものが殆どであり、一般的に陰極から放出される電子流には非常に大きな電流密度が求められる。そのため、陰極表面は電子またはイオンによる逆衝撃（イオン或いは一旦放出された電子が再度戻ってきて衝突すること）を受け、酸化物等の熱電子放出物質がスパッタされて消耗減少し、これが度重なるとマグネトロンが適正な作動をしなくなる。特に熱電子放出物質の粒度の不均一性等により電流密度が一様に得られない場合は、熱電子放出物質の局所的な減少を招き、マグネトロンのライフサイクルを短くしてしまう。
【０００３】
そこで、基体金属の表面に良導性の多孔質体や金属メッシュを被着し、その部分に熱電子放出物質を充填することにより、導電性を良好にして電流密度の均一性を図り、さらにその多孔質体の空孔率やメッシュの編み目の細かさを調節することによって熱電子放出物質の減少の程度を制御するものがあった。
【０００４】
また、空孔や編み目による場合よりもさらに電子放出物質の露出を均一化し、電子放出物質を均一に減少させるための工夫がなされているものもあった。
【０００５】
図１２はこの種の工夫が施された従来のマグネトロンの電極部分の構造を示す図である。１は陰極、２は陽極である。陰極１において、１１Ｘは表面の周方向に凹溝１３１が所定ピッチで複数本形成された円筒状のＮｉ等からなる基体金属（ベースメタル）、１２はその凹溝１３１に充填されたアルカリ土類金属の酸化物等からなる熱電子放出物質、１３は基体金属１１Ｘの内側に固着される陰極支持体（スリーブ）、１４は陰極支持体１３の内部に設けられたヒータである。
【０００６】
図１３は別の従来例の基体金属１１Ｙを示す図で、その基体金属１１Ｙの表面の軸方向に平行な方向に凹溝１３２を所定ピッチで複数本形成し、そこに熱電子放出物質１２を充填したものである。
【０００７】
図１４はさらなる別の従来例の基体金属１１Ｚを示す図で、その基体金属１１Ｚの表面にウエットエッチングにより凹穴１３３を離散的に複数個形成したものである。この凹穴１３３は底面の面積が開口部のそれより広くなっている。
【０００８】
以上の図１２〜図１４の例では、基体金属１１Ｘ、１１Ｙ、１１Ｚの凹溝１３１，１３２や凹穴１３３に充填した熱電子放出物質１２は、ヒータ１４により８００℃近くに加熱されることで、その外部へ露出した表面より熱電子を放出する。図１２において陰極１が負、陽極２が正となるよう直流高圧を印加し、紙面の上下方向に磁界を印加しておけば、熱電子放出物質１２から放出された電子は基体金属１１Ｘと陽極２の間の空間を周方向に高速移動（スピン）することで、マイクロ波が発生する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の図１２〜図１４に示した基体金属１１Ｘ、１１Ｙ、１１Ｚを使用する従来構造の陰極では、熱電子放出物質１２の外部露出面積の定量化は行われるものの、電子またはイオンによる逆衝撃を受ける程度には何ら改善されておらず、その消耗減少の程度は変わらない。図１４の基体金属１１Ｚの構造では、凹穴１３３の底面面積が開口面積よりも数％程度（通常５％程度）大きくなるものの、ウェットエッチングによって副次的に得られた形状であり、陰極の寿命は図１２、図１３に示したものと殆ど変わらない。
【００１０】
本発明は、上記問題点を解消し、電子またはイオンによる逆衝撃に強く、かつ、長寿命のマグネトロン用陰極を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための第１の発明は、円筒形状の基体金属の表面に凹凸部を設け、該凹凸部の凹部に熱電子放出物質を固着したマグネトロン用陰極であって、前記凹凸部の凸部を傾斜させて構成した。
【００１２】
第２の発明は、第１の発明において、前記凸部を、前記基体金属の法線に対して電子の移動方向に２５度〜６３度傾斜させて構成した。
【００１３】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記凹凸部の凹部の底面面積を開口面積と比べて少なくとも１０％広くして構成した。
【００１４】
第４の発明は、第１乃至第３の発明において、前記基体金属は冷間引き抜き材または冷間押し出し材からなり、前記凹凸部の凹部は前記基体金属の軸方向に平行な方向に延在した複数本の凹溝からなるよう構成した。
【００１５】
第５の発明は、第１乃至第４の発明において、前記凹凸部の凹部が、前記基体金属の軸方向に平行な方向に形成した複数本の凹溝、軸方向に交差する方向に形成した複数本の凹溝、軸方向に斜め方向にネジ形状に形成した１本の凹溝、又は離散的に形成した複数個の凹穴でなり、その隣接する一部の凹部相互間又は凸部相互間を部分的に連続させて構成した。
【００１６】
【発明実施の形態】
［第１の実施形態］
図１は本発明の第１の実施形態の基体金属１１Ａを示す斜視図、図２は断面図、図３は熱電子放出物質を充填した断面の一部拡大図である。ここに示す基体金属１１Ａの材質は、一般的に、高純度の金属ニッケルや金属ニッケルに微量のマグネシウムが含まれたものを使用する。この基体金属１１Ａは、その表面に軸方向に沿って凹溝１１１（深さは例えば0.1〜0.3mm）を所定ピッチ（例えば0.2〜0.5mm）で複数本形成し、その凹溝１１１内に熱電子放出物質１２を充填したものである。この熱電子放出物質１２としては、例えば、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）の混合塩が用いられる。なお、この基体金属１１Ａは、図１２に示した従来の基体金属１１Ｘと同様に、陰極支持体１３に固着され、ヒータ１４によって加熱される。
【００１７】
本実施形態の基体金属１１Ａの凹溝１１１の底面１１１ａの面積は、開口１１１ｂの面積に比べて１０％以上（1.1倍以上）広くしてある。また、この凹溝１１１を形成することによってできた凸条１１２は、図３に拡大して示すように、基体金属１１Ａの法線（破線で示す）に対して角度θ（略２５〜６３度程度）だけ傾けられている。なお、この角度θを表す実線は、凸条１１２の上面の中央と下部の中央とを結ぶ線である。
【００１８】
凸条１１２を傾ける方向としては、電子またはイオンの運動方向を考慮して、熱電子放出物質１２が熱電子の逆衝撃の運動方向に対してその凸条１１２の陰になるような方向にする。
【００１９】
基体金属１１Ａの表面に凹溝１１１を設ける方法として、初期材料としての円筒金属に対して旋盤加工や放電加工を行うことにより形成する方法が挙げられるが、厚さ0.2mm程度のニッケル金属板を、プレス加工により図２の断面形状に打ち抜いたものを必要枚数重ねることにより、図１のような構造に製作することもできる。さらに容易に得るためには、引き抜きや押し出しにより図２の断面形状を持つ連続的な管材を形成し、適度な長さに切断してもよい。この引き抜きや押し出の手法は、冷間加工による方が加工精度を得易く、特に小さなマグネトロン用の場合、基体金属１１Ａの表面に細かい凹溝１１１を形成する場合に好適である。
【００２０】
上記のようにして、第１図の構造の基体金属１１Ａを製作した後に、凹溝１１１に熱電子放出物質１２を充填することにより、酸化物陰極ができ上がる。熱電子放出物質１２を充填とする方法としては、スプレーによる塗布、浸漬法、滴下による塗布等が考えられるが、いずれの方法でもかまわない。
【００２１】
以上のようにして構成した酸化物陰極は、ヒータ１４を通電して加熱し、基体金属１１Ａを通して熱電子放出物質１２を８００度程度まで加熱すると、その表面より熱電子が放出されるようになる。
【００２２】
マグネトロンでは、その発振機構から、基体金属の凹溝の開口等から露出した熱電子放出物質の表面は、必ず熱電子やイオンの逆衝撃を受ける。このため、従来よりマグネトロンは２極管等に比べて、熱電子放出物質の消耗が激しく、短寿命であった。
【００２３】
これに対して、本実施形態では、凹溝１１１の底面面積を開口面積に比べて１０％以上広くしている、つまり開口部を底部よりも意図的に狭くしていることに加えて、凸条１１２を円筒の法線方向に対して角度θだけ傾けていることにより、熱電子放出物質１２の大部分が凹溝１１１の内壁によって閉じられるように覆われるため、その熱電子放出物質１２が電子やイオンの逆衝撃から効果的に保護される。これにより、熱電子放出物質１２の蒸発消耗量を従来と比較して、少なくすることができるので、より長寿命化を図ることができる。
【００２４】
ところで、通常、熱電子放出物質は、前記したように、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａの３種類の炭酸塩を混合することにより製作されており、それらの混合比により、その熱電子放出量（エミッション）が変化する。このようなＢａ、Ｓｒ、Ｃａの混合塩の熱電子放出物質を使用している場合は、使用するに従い（動作時間に従って）、Ｂａが消耗して行き、これらの３塩の比率が変化するために、徐々に熱電子放出量が減少してくる。その減少率は、マグネトロンの場合、２０００時間の動作で１割以上である。
【００２５】
よって、これを補うためには、この熱電子放出量の減少に従って、熱電子放出物質の表面積が増加するように構成すれば良いことになる。本実施形態は、これを見込んで、熱電子放出物質１２の底部の表面積が開放部よりも１０％以上となるように構成している。
【００２６】
これにより、マグネトロンの動作（使用）に従って熱電子放出量が減少傾向を示しても、熱電子放出物質１２の表面積がそれに伴い増加するために、常に、一定値に近い熱電子量を得ることができる。
【００２７】
さらに、別の効果として、凸条１１２が角度θだけ傾いていることから、逆衝撃から熱電子放出物質１２を部分的に保護できるため、その逆衝撃により発生する二次電子の方向が制限されるため、高調波、特に２倍波の放射レベルを従来と比較して大幅に抑制できる。
【００２８】
その様子を図４に示す。この図から判るように、凸条１１２の角度θが略２５度〜６３度で２倍波レベルが−５６ｄＢＣ〜−６５ｄＢＣとなっており、一般の２倍波レベル−４０ｄＢＣ〜−４５ｄＢＣと比較して優れた特性を示している。特に−６０ｄＢＣ近くまで２倍波を抑制できれば、マグネトロンを使用するレーダから放射される２倍波の電波によって生じる他の通信への妨害（影響）を大幅に改善することができる。なお、凸条１１２の角度が６３度程度を越えると、熱電子放出物質１２が必要以上に遮蔽されるため、マグネトロン等の出力を得るのに必要な電子放出能力が得られなくなる恐れがある。
【００２９】
さらに、別の効果として、熱電子放射物質１２の脱落を効果的に防止できる効果がある。従来では、熱電子放出物質１２を凹溝や凹穴に充填して動作させたとき、陰極に加わる振動等によって熱電子放出物質が部分的に脱落する事故が発生することがあったが、本実施形態では凹溝１１１が奥広でありしかも凸条１１２が傾斜しているので、熱電子放出物質１２の脱落事故を効果的に防止できる。
【００３０】
［第２の実施形態］
図５は本発明の第２の実施形態の基体金属１１Ｂの部分断面図である。ここでは、図１と同様に基体金属１１Ｂの表面の軸方向に沿って凹溝１１３を形成しているが、この凹溝１１３の断面形状をくさび形状にし、断面全体形状を鋸歯状にしている。本実施形態でも、その凹溝１１３の形成によってできる凸条１１４をやはり基体金属１１Ｂの法線に対して電子の移動方向に角度θ（略２５〜６３度程度）で傾斜させているので、前記した基体金属１１Ａにおける場合と同様な作用効果がある。
【００３１】
［第３の実施形態］
図６は第３の実施形態の基体金属１１Ｃの平面図、図７はその断面図である。ここでは、基体金属１１Ｃの表面の周方向に複数の凹溝１１５を所定ピッチで形成しているが、この凹溝１１５もその断面形状を図７に示すようにくさび形状とし、その凹溝１１５の形成によってできる凸条１１６を、基体金属１１Ｃの軸方向に傾けている。この傾ける方向は軸方向の一方又は他方であり任意である。
【００３２】
ここでは、凹溝１１５が周方向に形成されるので、前記した第１，第２の実施形態のように電子の移動方向に傾斜させることはできないが、その凹溝１１５の奥部分が開口部分からずれているので、そこに充填される熱電子放出物質１２が電子の逆衝撃から部分的に保護され、その消耗を抑えることができる他、前記第１の実施形態で説明したのと同様の作用効果がある。
【００３３】
この基体金属１１Ｃの製造方法としては、旋盤加工を利用する場合は、初期材料としての円筒金属に対してバイトを一定角度傾けて切削すればよい。
【００３４】
図８は本実施形態の変形例の基体金属１１Ｄの平面図、図９は断面図であり、１本の凹溝１１７をその基体金属１１Ｄの表面に斜めに連続して、つまりネジ形状に形成したものである。この場合もその凹溝１１７の断面形状を図７に示したた形状と同様に形成されている。１１８は１本の螺旋状の凸条である。
【００３５】
［第４の実施形態］
図１０は第４の実施形態の基体金属１１Ｅの平面図である。これは、図６に示した基体金属１１Ｃの一部の隣接する２本の凹溝１１５の間を、別の凹溝１１９で接続して連続させたものである。
【００３６】
基体金属の表面に周方向に凹溝１１５を形成したときは、その凹溝１１５の長さや本数によっては共振が発生することがあり、その共振周波数がマグネトロンの発振周波数に近い場合には、マグネトロンの動作に影響を与え、不安定動作やスプリアス輻射の原因となる。
【００３７】
そこで、上記のように凹溝１１９により凹溝１１５を連続させてやると、その共振周波数をマグネトロンの発振周波数から大きく離れた周波数に移動させることができ、マグネトロンの不安定動作や不要輻射を防止できる。
【００３８】
図１１は本実施形態の変形例を示す基体金属１１Ｆを示す図である。これは、隣接する凹溝１１５の一部に凸部１２０を設けたもの、つまり隣接する３本の凸条１１６を凸部１２０で接続して連続させたものである。このようにしても、共振周波数をずらすことができる。
【００３９】
また、上記した凹溝１１５の連続用の凹溝１１９や凸条１１６の連続用の凸部１２０は図１の基体金属１１Ａの凹溝１１１や凸条１１２、図５の基体金属１１Ｂの凹溝１１３や凸条１１４、図８の基体金属１１Ｄの凹溝１１７や凸条１１８等にも同様に形成できるし、これらの凹溝１１９や凸部１２０を設ける箇所の数は任意である。
【００４０】
［その他の実施形態］
なお、以上説明した実施形態の基体金属は、熱電子放射物質を充填させる凹部を凹溝としたので、それによって形成される凸部は凸条であったが、その凹部は図１４に示したように離散的に設けることもできる。この場合は、その凹部を奥広にしたり凸部を傾斜させることは通常の加工では困難であるが、前記したように厚さ0.2mm程度のニッケル金属板をプレス加工して複数種類の薄板を形成し、これを重ね合わせることで実現可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上から本発明によれば、熱電子放出物質を電子やイオンの逆衝撃や振動から効果的に保護することができ、その熱電子放出物質の消耗や脱落を抑制することができると共に放射高調波を少なくできる。また熱電子放出物質の減少に比例してその表面積が増加するために、常に一定の熱電子放出量を確保できる長寿命の陰極が得られる。さらに共振周波数をマグネトロンの発振周波数から効果的にずらすことも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態の基体金属の斜視図である。
【図２】  図１の基体金属の断面図である。
【図３】  図１の基体金属の部分拡大断面図である。
【図４】  角度θに対する２倍波の放射レベルの特性図である。
【図５】  第２の実施形態の基体金属の部分拡大断面図である。
【図６】  第３の実施形態の基体金属の平面図である。
【図７】  図６の基体金属の断面図である。
【図８】  第３の実施形態の変形例の基体金属の平面図である。
【図９】  図８の基体金属の断面図である。
【図１０】  第４の実施形態の基体金属の平面図である。
【図１１】  第４の実施形態の変形例の基体金属の平面図である。
【図１２】  従来のマグネトロンの電極部分の断面図である。
【図１３】  従来の別の基体金属の斜視図である。
【図１４】  従来の更なる別の基体金属の部分断面図である。
【符号の説明】
１：陰極
１１Ａ〜１１Ｆ、１１Ｘ〜１１Ｚ：基体金属
１１１，１１３，１１５，１１７、１１９、１３１〜１３３：凹溝
１１２，１１４，１１６，１１８、１２０：凸条
１２：熱電子放出物質
１３：陰極支持体
１４：ヒータ
２：陽極
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0004286406.tif 000013
【図１３】
0004286406.tif 000014
【図１４】
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