JPS6231776B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は直交電磁界形電子管に関する。

電子の運動方向に対して垂直又はほゞ垂直な方
向に磁界を与えて高周波発振や電力増幅作用を得
る直交電磁界形電子管は、周知のようにマグネト
ロン、マグネトロン形進行波管、その他類似の電
子管として実用になつている。これをとりつけた
電子機器たとえば電子レンジなどは今日広く普及
しているが、これにともなつて雑音漏洩の規制が
強化されている。この雑音規制に関して国際的に
は国際無線障害特別委員会（CISPRと称す）の
規格が各国で実施もしくは実施検討中である。し
たがつてこの種の電子管にあつては当然のことな
がらこの電子管自体から発する雑音の低減、不要
電波の放射、漏洩の一層の低減対策が要望されて
いる。

マグネトロンを例にとつて従来の構造および雑
音発生状況を次に説明する。例えば2.45GHz帯の
電子レンジ用マグネトロンの構造は第１図に示す
ようになつている。図中の符号２１はマグネトロ
ン発振部本体、２２はラジエータ、２３，２３は
フエライトマグネツト、２４は継鉄、２５はコイ
ル状に巻かれた直熱形カソード、２６はアノード
ベイン、２７はアノードシリンダー、２８はスト
ラツプリング、２９は出力部、２９ａはアンテナ
フイーダ、３０，３０は一対のポールピース、３
１はカソード入力部絶縁シリンダー、３２，３３
はカソード支持体、３４，３５はカソード端子、
３６はチヨークコイル、３７は貫通形コンデンサ
ー、３７ａはカソード入力端子、３８はシールド
ボツクスをあらわしている。こうしてアノードベ
イン２６とカソード２５との間には数1000（）
の電圧が印加され、その電子作用空間３９にカソ
ード軸すなわち管軸と平行な方向の磁束がマグネ
ツトにより与えられ発振動作する。発振マイクロ
波の大部分はアンテナフイーダを通じて出力部か
ら外部負荷に供給される。出力部から出るマイク
ロ波電力の中には少なからず基本波以外の雑音が
混在するが、一方、カソード端子およびこれに接
続され入力導線の一部をなすチヨークコイルおよ
びコンデンサからなるフイルタ回路を通して不要
な高周波雑音が漏洩する。この雑音成分は数10Hz
から数ＧHzに分布する。もちろんフイルタ回路に
より電源トランスや商用電力線路へむかつて漏洩
する雑音勢力を減衰させているが、この漏洩抑制
効果を完全にするにはかなり高級なフイルタ回路
を用いなければならない。

ところで、第１図に示すような構造のマグネト
ロンを第２図に示す測定回路により入力線路方向
に漏洩する雑音成分を測定したところ第３図に示
すように1000MHz付近までの周波数成分の雑音が
ほゞ連続的に分布するスペクトラムが検知され
る。ただしこの場合は第１図のフイルタ回路すな
わちチヨークコイルとコンデンサを使用しない場
合の測定結果である。なお第２図において符号２
０は第１図に示すような被測定マグネトロン、４
０は導波管、４１はダミーロード、４２はカソー
ド電源、４３は高圧電源、４４はカソード入力線
路、４５はフエライトクランプのような測定プロ
ーブ、４６はスペクトラムアナライザーをあらわ
している。

さてこのように連続的に分布するマグネトロン
の雑音の原因の一つとして次のような推定をする
ことができる。すなわち第４図はマグネトロンの
同軸配置されたアノードとカソードとを模式的に
示したものであるが、同図においてカソードをマ
イナス、アノードをプラスとしてカソード、アノ
ード間に数1000（Ｖ）の高電圧を加え、カソード
から熱電子が放出されるようにすると、作用空間
３９においてはカソード近傍の空間電荷により図
に点線曲線ａで示すように下に凹んだ電位分布と
なる。一方矢印Ｂで示すようにこの作用空間には
1000〜2000ガウスの直流磁界がカソード軸方向に
加わつているため、カソードを出た電子は、電界
と磁界との作用によりカソードのまわりを周回す
る。とくに直交電磁界のため、電子の走行距離が
長いため電子は残留ガスに衝突する確率が大き
く、他の直進形管等にくらべて著しく多くのプラ
スイオン（）を発生する。発生したプラスイオ
ンは曲線ａで示した電位分布の谷（図に符号ｍで
示す）に流れ込み、しだいに空間電荷界中の電子
とプラスイオンとの中和が進行し、その結果この
谷付近の電位が上昇し符号ｍで示すようにカソー
ド２５と同等もしくはそれよりわずかに高い電位
まで高められる。その状態で作用空間中の電位分
布は実線曲線ｂの如くなる。次の段階として再び
空間電荷により電位の谷ｍが形成される。このよ
うな一連の過程が周期的にくり返される。その結
果カソード、アノード間の電流すなわち陽極電流
に複雑な脈動現象が生じ、これが雑音として外部
回路に漏洩するものと推定できる。したがつてこ
のようにして生ずる雑音は例えば1000MHz以下と
いう比較的周波数の低い成分を形づくつているも
のと考えられる。そしてこのような雑音成分は主
として入力線路にのつて漏洩するいわゆるライン
ノイズとしてあらわれる。またこのような雑音は
種々の電波障害をひき起してしまう。

以上の雑音発生原因の推論から、このような雑
音成分の低減のためには、電子作用空間、とくに
カソード近傍に生ずる電位分布の谷を実質的に解
消すること、あるいはこの電位分布の谷の付近に
漂遊するプラスイオンを遅滞なく取除くことによ
りこの電位分布の谷付近の不安定な変動をなくす
るように構成すればよいと考えられる。

本発明は以上のような雑音の発生を抑制するこ
とを目的とするものである。すなわち、直交電磁
界形電子管においては避けられない管内残留ガス
のイオン化の顕著性に対して、とくにそのプラス
イオンを補集するためのドレイン電極をカソード
近傍に設け、この電極をカソードと同電位、また
はカソードに対して負の電位とし、カソード近傍
の作用空間の電位変動を抑制して雑音の発生を抑
制しうるようにしたものである。

以下マグネトロンを例にその実施例を図面を参
照して説明する。なお同一部分は同一符号であら
わす。

第５図および第６図に示す実施例は、マグネト
ロン発振部本体のみを図示しており、ラジエー
タ、磁気回路、シールドボツクス、フイルタ回路
等は第１図と同様に組み立てる。そこでカソード
構体を詳述すれば、管軸上に配置された棒状のカ
ソード支持体３２の一端にエンドハツト５１ａお
よびセラミツク絶縁体５２、導電体ブロツク５３
が順次固着されており、このカソード支持体の他
端はカソード端子３５および排気管５４に接合さ
れている。スリーブ状のカソード支持体３３はそ
の一端がセラミツクスペーサ５５で絶縁して同軸
配置され、段付きの円筒部品５６に接合されてお
り、他端はもう１つのカソード端子３４に接合さ
れている。そして円筒部品５６と導電体ブロツク
５３との間にコイル状に巻かれたトリウムタング
ステン直熱カソード２５が接合されている。これ
によつてカソード２５はカソード端子３４，３５
に供給される加熱電力で通電加熱されうるように
なつている。

さて、スリーブ状カソード支持体３３の外側に
は、さらに絶縁してドレイン電極のスリーブ状支
持体５７が同軸状に配設され、絶縁シリンダー３
１の上端に気密接合されたドレイン電極端子５８
に結合されている。このドレイン電極支持体５７
の下端には導電体スリーブ５９およびエンドハツ
ト５１ｂが接続されており、このスリーブ５９に
コイル状に巻かれたドレイン電極６０の一端が接
合固着されている。ドレイン電極６０はカソード
２５と同一ピツチ、同一螺旋径で巻かれており、
他端がセラミツク絶縁体５２の外周に例えば鑞接
や機械的な嵌め込みにより機械的に保持されてい
て、この部分では電気的に終端となつて浮いてい
る。このドレイン電極６０は、Ｗ，Mo，Ta，Ti
のような難溶性金属のうちから選ばれた単体又は
合金で、一次、二次電子放射性のよくない表面状
態に形成されたものであり、そして図のようにカ
ソードの近傍で且つカソードからアノードへ向か
う電子の流れを妨げないような位置に置かれる。
一例として2.45GHz帯で約800（Ｗ）の出力のマ
グネトロンで、カソードおよびドレイン電極のコ
イル線径が直径で各々0.58mm，0.5mmピツチ間隔
は両者同一で2.0mm、螺旋直径が5.0mm、アノード
ベイン先端の内径が10mmである。したがつてカソ
ードの螺旋とドレイン電極の螺旋とは同一面上に
１mm間隔で交互に配列される。なお図中の符号３
１ａ，３１ｂはセラミツク絶縁筒をあらわしてい
る。またアノードベイン２６とアノードシリンダ
ーとは複数個の空胴共振器を構成しており、全体
としてアノードを形成している。

以上の構造を有する本発明の実施例のマグネト
ロン２０は、第７図に示す電源回路に接続されて
動作させられる。図において符号６１は一次側が
商用電源に接続され２次側に高圧巻線６１ａおよ
びカソード加熱用巻線６１ｂが巻かれているリー
ケージトランス、６２は0.5μＦ程度の紙コンデ
ンサ、６３は高圧整流用ダイオード、６４はカソ
ードとドレイン電極との間に電位を与えるための
電源をあらわしている。

次に動作を説明すれば、カソードは加熱されて
熱電子を放出する。このカソードとアノードベイ
ンとの間には数1000（Ｖ）の高電圧が印加され、
また電子作用空間には1500ガウス程度の管軸に平
行な磁束の直流磁界が与えられており、発振動作
する。空胴共振器に発生するマイクロ波エネルギ
ーはアンテナフイーダを通じて出力部から外部負
荷に伝送される。さてカソードを加熱すると放出
電子により第４図に示した如くカソード近傍に電
位の谷が形成される（ドレイン電極がない場合）
が、ドレイン電極をカソードに対して例えば−
200V程度の負の電位にすると、電位の谷にむか
つて集まるプラスイオンはドレイン電極がこれよ
りもさらに負の電位となつているためにこのドレ
イン電極にただちに捕えられる。すなわちプラス
イオンはカソード近傍にとどまることなくドレイ
ン電極に流入し、カソード近傍の不安定な電子―
イオン中和現象が起らない。その結果、とくに
1000MHzのオーダー以下の雑音の発生が確実に抑
制される。

本発明者らは、事実、第５図および第６図に示
す構造のマグネトロンを第２図に示したと同様の
測定回路により雑音レベルを測定した結果、前述
の推論が正しいことを裏づけるデータを得た。こ
れを第８図に示す。第８図には０〜100MHzの範
囲の雑音周波数成分の最大値のあらわれ方を、カ
ソードに対するドレイン電極の電圧を変えた場合
の結果としてグラフにあらわしてある。この実測
値によると、ドレイン電極の電位を、０（Ｖ）つ
まりカソードと同電位にした場合にくらべて、約
−150（Ｖ）以下にすると雑音の最大値が30dB程
度低減できる結果を得た。また市販の電子レンジ
にマグネトロンを装着して動作させた場合の入力
線路側へ出る雑音レベルを測定した結果は第９図
の通りとなつた。すなわちこれは100MHz以下の
スペクトラムのピーク値をむすんだ曲線であらわ
したデータであるが、第１図に示す従来構造のマ
グネトロンの場合の曲線７１に対して、本発明実
施例のマグネトロンでドレイン電極を−150Vと
した場合は曲線７２の通りほゞ全周波数成分範囲
で約20dB近く低減していることがわかる。この
ように本発明の作用効果の顕著さはきわめて明ら
かである。このため、マグネトロンおよび電子レ
ンジに現在多く装備されている高価なラインフイ
ルターを省略できる可能性をもつている。

また本発明においては、ドレイン電極の電位を
カソードに対して負電位、たとえば−200V程度
にしても、カソード、アノード間電流すなわち陽
極電流はほとんど減少しない。上記実施例のよう
にコイル状のカソードとドレイン電極の螺旋径を
同じにして同一面上に並べた場合は、ドレイン電
極を負にするとむしろ陽極電流はわずかに増加す
ることがわかつた。

この点で本発明は、公知のいわゆる出力コント
ロールのためのグリツド付きマグネトロンの如き
電子管とは本質的に異なる。すなわちカソードの
近傍に制御グリツドを設けたマグネトロンの例
は、例えば欧文図書「交叉電磁界マイクロ波装
置」（E.OKRESS編、「CROSSED―FIELD
MICROWAVE DEVICES」Vol.，1961）のと
くに85頁の第２図とその説明にある出力電力制御
のためのグリツドを有するものや、和文図書「極
超短波磁電管の研究」（朝永、小谷編、1952、み
すず書房）の293頁以下に開示される格子付マグ
ネトロンなどの記述がある。前者は出力電力の可
変を目的にしているもので、後者は３極管で雑音
を測定したものでこれには格子電圧を変えても雑
音の発生に本質的に差はないことが述べられてい
る。つまり出力電力を制御するグリツドの場合は
カソードから出る電子流を制御するためにいわば
アノードベインに対してカソードを実質的にかこ
うように配置され、しかもカソードから幅に離し
て置かれているものである。したがつてこれは本
発明の場合のようにカソードの極く近傍に流動し
てくるプラスイオンを捕集し排出するためのドレ
イン電極として役割を果しているものと本質的に
異なつている。

第１０図に示す実施例は、電子放射カソード２
５としてカソード軸すなわち管軸ｃに平行な方向
に偏平な螺線断面形状のものを使用してある。ま
たドレイン電極６０はカソード２５よりもわずか
にアノード２６方向に突き出しており、カソード
の各螺旋間に位置している。この実施例の場合、
ドレイン電極の電位はカソードに対して同電位が
わずかに負の電位にする。例えば−150（Ｖ）に
した場合でも陽極電流の減少が約10％以下にとど
まる程度にする。これによつてこのドレイン電極
の電位はカソードと同電位にしてもプラスイオン
の捕集作用を得ることができ、雑音の低減効果を
得ることができる。なおドレイン電極をカソード
と同電位にする場合は、高い抵抗を介して両者を
電気的に接続する方が望ましい。

第１１図に示す実施例は、コイル状カソード２
５の内側に、螺旋に対応する形状とピツチの螺旋
状凹部８１をもつシリンダー状ドレイン電極６０
を離隔近接して配置したものである。なお凹部８
１を形成しないで単なる導電体シリンダーをコイ
ル状カソードの内側近傍に配置し、これに負電位
を与えるようにしてもよい。

さらにまた、以上の各実施例においては、カソ
ードとドレイン電極とを別々につくり互いに絶縁
して組み立てた構造であるが、これに限らず例え
ばコイル状カソードとコイル状ドレイン電極とを
交互に、または複数螺旋おきに巻いてそれらを管
内で電気的に接続し同電位にしてもよい。また単
一のコイル状の例えばタイグステンワイヤの１螺
旋おきに電子放射物層を表面に被着させて、残り
を電子が放射しにくい表面状態のまゝにしてもよ
く、この場合も実質的に同電位のカソードとドレ
インすなわち非電子放射面との交互配列と同じ動
作が得られる。さらに単一の例えばタングステン
ワイヤを用い、その表面の一部分に電子放射物を
被着し残り表面を非放射状態にし、これをコイル
状に巻いて電子放射面と実質的にドレイン電極と
なる非電子放射面とがともにアノードの方に対面
するように形成してもよい。そしてこの場合も非
電子放射面を少しアノードの方に突出させて構成
すればさらに効果がある。これらは製作がきわめ
て容易となり、またプラスイオンの補集も確実
で、雑音発生が抑制される。

次にドレイン電極に負の電位を与える場合にお
ける実用的な電源回路について説明する。

第１２図に示すようにリーケージトランス６１
の高圧２次巻線６１ａに中間タツプＰ１を設け、
このタツプにコンデンサ６２、ダイオード６３か
らなる倍電圧整流回路を接続し、さらに同じトラ
ンス６１にドレイン電極の端子５８に接続する巻
線６１ｃを巻いて構成する。これによつてカソー
ドに対してアノードが正の高電圧となる半サイク
ルにおいてドレイン電極には負の脈流電圧が印加
される。その結果比較的簡単な電源回路構成とな
る。また第１３図に示すようにダイオード８２を
接続してもよく、さらに第１４図のようにコンデ
ンサ８３およびダイオード８４による倍電圧整流
回路によりドレイン電極に電位を与えるようにし
てもよい。さらにまた第１５図に示すようにカソ
ードとドレイン電極との間に抵抗Ｒを接続し、こ
のドレイン電極とアノードとの間に高電圧を印加
し、抵抗Ｒを流れるアノード電流による自己バイ
アスがドレイン電極に与えられるようにしてもよ
い。また第１６図に示すようにトランス６１にド
レイン電極電源のための２次巻線６１ｄを設け、
全波整流回路８５を介してドレイン電極端子５８
にカソードに対して負の電位を与えるようにして
もよい。また第１７図に示すように全波倍電圧整
流回路による高電圧と、巻線６１ｃおよびダイオ
ード８２とコンデンサ８６とからなるドレイン電
極電圧用整流回路とを組合せてもよい。

第１８図に示すものは、マグネトロンのシール
ドボツクス３８の内部に小形トランンス８６およ
び２次側のドレイン電極用倍電圧整流回路８７の
部品をボツクスに対して絶縁して配設したもので
ある。そしてトランスの１次側はカソード入力線
路に接続してある。カソードに約3V程度の電圧
が印加される場合、トランス８６の２次側は数10
〜100（Ｖ）程度の電圧が得られればよい。この
実施例によればドレイン電極用電源をマグネトロ
ン自体に内蔵させてあるので、リーケージトラン
ス６１などの電源装置を何ら変更する必要がな
い。そしてドレイン電極に流れる電流は極めて微
小であるので、十分小形の電源回路にすることが
できるので実用性が高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は直交電磁界形電子管の例としてマグネ
トロンの一般的な構造を示す縦断面図、第２図は
雑音測定回路を示す概略図、第３図はマグネトロ
ンから発生する入力線路雑音特性図、第４図はそ
の原因を説明する模式図、第５図は本発明の一実
施例を示す要部縦断面図、第６図はその要部拡大
図、第７図は動作回路図、第８図および第９図は
各々その雑音特性図、第１０図および第１１図は
各々本発明の他の実施例を示す要部縦断面図、第
１２図乃至第１８図は各々動作回路の例を示す結
線図である。 ２５…カソード、２６…アノード（ベイン）、
３９…電子作用空間、６０…ドレイン電極、６４
…ドレイン電極電源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 難溶性金属を基体として螺旋状に巻かれた直
   熱形カソードと、このカソードのまわりに同軸状
   に配置された空胴共振器内蔵アノードと、これら
   カソードおよびアノード間の電子作用空間に、前
   記カソード軸に略平行な磁束を与える磁石とを具
   備してなる直交電磁界形電子管において、 上記カソードの螺旋間に該螺旋と接触すること
   なくドレン電極が位置され、該ドレイン電極に前
   記カソード電位に対し同じかもしくは負の電位を
   与え得るように構成されてなることを特徴とする
   直交電磁界形電子管。 ２ ドレイン電極は、螺旋状に巻かれたカソード
   と同一ピツチで螺旋状に巻かれた難溶性金属から
   なる特許請求の範囲第１項記載の直交電磁界形電
   子管。 ３ ドレイン電極は、その外周端がカソード外周
   端よりもアノード方向に突出して設けられてなる
   特許請求の範囲第１項記載の直交電磁界形電子
   管。 ４ ドレイン電極は、Ｗ，Mo，Ta，Tiの中から
   選ばれた単体もしくは合金からなる特許請求の範
   囲第１項記載の直交電磁界形電子管。