专利名称：磁控管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁控管(magnetron)，特别是涉及一种在高输出脉冲磁控管中用 于控制该磁控管的作用空间中的磁通密度分布、提高脉冲内的频率稳定度的构造。
背景技术：
图11表示以往的高输出脉冲磁控管的结构，该磁控管1例如由阳极体3、阴极体 4、密封构件(金属)5a、5b、磁性体6a、6b、磁体(磁极)7a、7b构成，其中，该阳极体3为圆 筒状且具有形成有多个谐振腔的内部空间2，该阴极体4配置在内部空间2的中央部，该密 封构件(金属)5a、5b为圆板(圆盘)状，它们用于封闭内部空间2的左右开口部且封闭圆 筒状的阳极体3的两端开口部，该磁性体6a、6b为圆板状，其设在该圆板状密封构件5a、5b 的外侧面中央部，该磁体(磁极)7a、7b以从两侧夹持上述内部空间2的方式配置。在上述磁控管1中，由于阴极体4的电子发射面4E部分的作用空间50的磁通密度 分布对振荡状态的影响较大，因此该作用空间50的理想的磁通密度分布如下磁通密度在 整个区域上与Z轴方向(阴极体4的轴线方向)平行且均勻(相对于Z轴对称)地分布。另外，在以往的磁控管1中，磁通量会在磁体7a、7b间扩散，从而存在Z轴方向以 及径向(阳极体3以及阴极体4的径向)上的磁通密度分布的均勻性下降的这一问题。另 外，从输入部/输出部的位置、或排气管的位置等在使用方面具有代表性的空间上的限制 等各种情况考虑，在一对磁体7a、7b的形状互不相同的情况下，也会使磁通密度分布的均 勻性降低，而且在磁控管开始振荡后，随着出现温度上升等现象，磁体7a、7b的特性、固定 位置发生改变，从而也会使磁通密度分布的均勻性降低。这样，在作用空间50的磁通密度 分布的均勻性下降时，产生跳模振荡(moding)、噪声、输出功率下降这样的不便。因此，以往考虑改变磁体7a、7b的形状、或在图11的磁控管1中也在圆板状构件 5a、5b上配置作为集束体的磁性体6a、6b。该磁性体6a、6b的直径比磁体7a、7b的直径小， 通过将磁体7a、7b间的外侧的磁力线调整为朝向Z轴中心，能够改善磁通量的扩散。另外，作为上述用于改善磁通密度分布的以往技术，提出了下述专利文献1 5。 首先，专利文献1是通过改变磁极的形状来改善了磁极间的磁通量的扩散情况的例子，专 利文献1的技术方案通过在作为磁极的极片(pole piece)上设置突起，从而改善作用空 间中的特别是阳极叶片内端面位置处的Z轴方向磁场强度分布，且抑制产生低频成分的噪 声。专利文献2是通过将作为磁极片的极片加工成凹面等形状来改善了磁通量的 扩散情况的例子，专利文献2的技术方案通过使阳极叶片附近的轴向磁场强度等同于或 大于阴极面附近的轴向磁场强度，从而改善径向上的磁通密度分布、提高不会产生跳模 (moding)现象的阳极电流的上限值等等，提高了动作稳定度。专利文献3是在一方磁体表面上配置具有向叶片方向突出的环状突出部的磁路 矫正磁极片，并在另一方磁体的表面上配置具有向叶片方向突出而贯穿阴极支承体的环状 突出部(直径与磁路矫正磁极片的突出部的直径不同)的磁极片的例子，专利文献3的技术方案通过使作用空间中的径向上的磁通密度均勻分布，从而防止发生不良振荡。专利文献4是解决了磁体的温度上升这一问题的例子，专利文献4的技术方案通 过在安装有具有向叶片侧突出的突起部的磁极片的磁控管中使上述磁极片磁饱和，从而抑 制由磁体温度的上升导致发生的作用空间中的磁通密度的变动，从而能够获得稳定的输
出o最后，专利文献5是通过在由磁性材料构成的集束板的外周部设置切割竖起部、 且使环状磁铁的外周部与该切割竖起部嵌合、能够防止集束板与环状磁铁发生径向上的位 置偏移、改良了性能的例子。专利文献1 日本特开昭63-91932号公报专利文献2 日本特开昭53-38966号公报专利文献3 日本特开昭51-56172号公报专利文献4 日本特开昭51-58859号公报专利文献5 日本特开2002-163993号公报非专利文献1 :Milton S. Kiver著、末崎等翻译、“微波入门”、第1版第15次印刷、 株式会社近代科学社、昭和45年12月1日、p. 196 199另一方面，应用在粒子加速装置中的磁控管要求具有振荡频率的稳定性以及输出 功率的稳定性，但该要求特性受磁通密度的影响。对振荡频率的稳定性的详细要求是磁控管能在较宽范围的动作点(该各动作点 是通过改变磁通密度的强度、磁控管电流值的组合而产生的)上稳定振荡；在磁控管开始 振荡时没有或较少发生抖动(jitter)；在磁控管的脉冲振荡过程中磁控管的频率变动较 小；以及，即使磁控管的搭载位置发生了改变，磁控管的频率变动仍然很小。另外，对输出功率的稳定性的要求是即使磁控管的搭载位置发生了改变，磁控管 的输出变动仍然很小。但是，在图11的以往的磁控管1中，即使配置了磁性体6a、6b，也不能充分改善磁 通量的扩散情况，从而希望进一步提高作用空间50中的磁通密度分布的均勻性。图12表示图11的磁控管1中的电子发射面4E上的Z轴方向的磁通密度分布，如 图所示，磁通密度在z轴的中心点0处较低，在两端点A处较高，中心部与两端部的磁通密
度差较大。另外，在上述专利文献1 5中，虽然通过在极片、磁性片上设置突起、突出部而实 现了磁通密度分布的均勻化，但在上述结构中，磁通密度的均勻化存在极限，并且很难细微 地调整该磁通密度分布。而且，通常磁控管中的内部空间狭窄，在配置磁性体时也有空间上 的限制。此外，在高输出脉冲的磁控管1中，还存在不能稳定地建立脉冲振荡的这一问题。 即、高输出磁控管的阳极电压为数十kV、尖峰功率为MW等级、且主要用作X射线产生装置等 中的线性加速器的微波源，该种用途的高输出磁控管除了需要较高的输出功率，还需要具 有脉冲内的较高的频率稳定度。特别是，在建立脉冲振荡时，即使是偶尔有在极短时间内产 生的跳模(moding)，也会出现发火花(arcing)这一不良现象，即使不至于出现发火花，但 例如X射线强度的抖动也会对X射线产生装置的特性产生不良影响。图13表示图11的磁控管1中的阳极电压与阳极电流的脉冲波形，如图所示，在阳极电压脉冲波形101中，存在脉冲建立过程中的跳模(-1模式振荡)部Ka，在阳极电流脉 冲波形201中，存在抖动。另外，为了能利用较大的阳极电流使高输出脉冲的磁控管1进行动作，高输出脉 冲的磁控管1必须自阴极体4发射大量电子，通过增大电子发射面4E的面积能够达到该电 子发射量，但是为了增大电子发射面4E的面积，反而需要使阴极体4的高度值大于阴极体4 的直径(增加阴极体4在作用空间轴(Z轴)向上的长度)。在调高该阴极体4的高度时， 会使磁通密度在作用空间Z轴方向上的分布范围变得更广，因此，阴极体4的电子发射面4E 上的磁通密度差在Z轴方向上变大，从而在建立脉冲时，电子的聚集状态在阴极体4的中央 部(Z轴的0点)与两端部(Z轴的A点)处不同，不能稳定地建立振荡。特别是，若在建立振荡时跳模振荡(moding)的发生频率增加，则会降低脉冲内频 率的稳定度，从而例如在将高输出脉冲磁控管1用作线性加速器的微波源的情况下，来自 线性加速器的反射功率变大，不仅不能将充分的微波功率供给到该线性加速器中，而且磁 控管本身也因反射功率的影响而使振荡频率发生变化，还存在使动作更不稳定的这一不良 情况。如上所述，特别是在能用作线性加速器用的高输出脉冲磁控管中，虽然要求兼备 较高的输出和较高的频率稳定度，但是为了谋求高输出化而在设计上调高阴极体4的高度 会相应地使脉冲内频率稳定度下降，因此需要抑制该频率稳定度下降。但是，由于高输出脉 冲磁控管在空间上也有限制，所以存在很难获得满足要求的较高的脉冲内频率稳定度的这 一问题。此外，在线性加速器用的高输出磁控管中，磁体多为独立式结构，因此基本上很难 改变磁体(磁极)的形状、调整在磁体上安装的磁极片的磁力。
发明内容
本发明是鉴于上述问题点而做成的，其目的在于提供一种能够简单且高效地使磁 通密度分布更加均勻以及调整该磁通密度分布、并且在高输出用的用途中脉冲内频率的稳 定度极高的磁控管。为了达到上述目的，本发明的技术方案1的磁控管包括阴极体；阳极体，其其具 有多个谐振腔，且在该阳极体的内部空间的中心轴线上配置有该阴极体；磁铁，其用于沿与 上述阴极体的中心轴线即Z轴平行的方向产生磁场；第1磁性体，其为圆板状，配置在上述 阳极体的内部空间的开口侧，且该第1磁性体的直径小于上述磁铁的直径，其特征在于，该 磁控管配置有第2磁性体，该第2磁性体是与上述第1磁性体分别独立地构成的环状的磁 性体，该第2磁性体与Z轴同心地配置在位于比上述磁铁的前端部靠上述阴极体的Z轴方 向中心部侧的位置，且位于上述第1磁性体的径向外侧，该第2磁性体在Z轴方向上的厚度 大于上述第1磁性体在Z轴方向上的厚度。这里，磁铁除了永磁铁、电磁铁等磁铁之外还包括在极点(pole)部分设有极片 (磁极片)的磁铁。技术方案2的发明在技术方案1所述的磁控管的基础上，其特征在于，该磁控管还 配置有第3磁性体，该第3磁性体是与上述第2磁性体分别独立地构成的环状的磁性体，该 第3磁性体与Z轴同心地配置在位于比上述磁铁的前端部靠上述阴极体的Z轴方向中心部侧的位置，且位于上述第2磁性体的径向外侧，该第3磁性体在Z轴方向上的厚度大于上述 第2磁性体在Z轴方向上的厚度。采用本发明，由于在第1磁性体的外周方向的例如阳极体的外周壁的环状槽、或 用于保持第1磁性体的密封构件上配置有环状的第2磁性体，所以能够使由磁铁产生的磁 力密度中的向阳极体的外周方向扩散的磁力密度向内侧偏移，从而能够减小阴极体的电子 发射面(Z轴)上的中央部与两端部的磁通密度差。另外，通过在该第2磁性体的外侧配置 第3磁性体，能够使上述效果更加明显。采用本发明，能够使磁通密度分布更加均勻，并且由于与第1磁性体分别独立地 形成第2磁性体，与第1磁性体以及第2磁性体分别独立地形成第3磁性体，且能够依据需 要将该第2磁性体、第3磁性体配置在阳极体的外壁的槽等中，因此能够简单且高效地调整 磁通密度分布。另外，在本发明的高输出用磁控管中，还能获得脉冲内频率的稳定度极高的这一 效果。即、在阴极体的电子发射面上，由于减小了中央部与两端部的磁通密度差，因此在建 立振荡脉冲时，能够消除阴极体的中心部与两端部的电子的不良的聚集状态之差，从而能 够降低跳模振荡(moding)的发生频率，通过降低该跳模振荡的发生频率，能够提高脉冲内 频率的稳定度。
图1是表示本发明的第1实施例的磁控管(高输出脉冲磁控管)的结构例的局部 剖视图。图2是表示第1实施例的第2磁性体的作用的说明图。图3是表示利用第1实施例的磁控管获得的电子发射面上(Z轴方向)的磁通密 度分布的曲线图。图4是表示利用第1实施例的磁控管获得的脉冲波形的曲线图。图5是表示第2实施例的磁控管的结构的局部剖视图。图6是表示第3实施例的磁控管的结构的局部剖视图。图7是图6的第2磁性体的安装部分(密封构件的安装部分)的放大图。图8是表示第4实施例的磁控管的结构的局部剖视图。图9是表示图8的第2磁性体的安装部分的放大图。图10是表示实施例的第2磁性体的另一结构的图。图11是表示以往的磁控管的结构的局部剖视图。图12是表示利用以往的磁控管获得的电子发射面上(Z轴方向)的磁通密度分布 的曲线图。图13是表示利用以往的磁控管获得的脉冲波形的曲线图。
具体实施例方式图1表示作为本发明的第1实施例的磁控管的结构，第1实施例将本发明的磁控 管构成为X射线产生装置中的线性加速器用高输出脉冲磁控管。图1的磁控管10例如是 孔槽(hole andslot)式结构，具有在内部空间2中形成有多个谐振腔的圆筒状的阳极体3，
6在该阳极体3的内部空间2的中心(与该阳极体3同心地)配置有阴极体4，该阳极体3的 内部空间2的左右开口部被圆板状的密封构件(金属)5a、5b密封。利用焊接等方法将该 密封构件5a、5b的外周部封闭固定在阳极体3的开口部。另外，在该密封构件5a、5b的外侧面中央部上，在与阴极体4、阳极体3 (内部空间 2)的中心轴线(纵轴线)即Z轴同轴的位置上设有圆板状的(由铁材等强磁性金属构成 的)第1磁性体6a、6b，且从两侧夹着阳极体3的内部空间2地配置有磁体(磁铁)7a (例 如N极)、7b (例如S极)。并且，在上述阳极体3的外周壁的左右两端分别形成有环状槽12，在该环状槽12 中与第1磁性体6a、6b的Z轴(中心轴线)同心地设有环状的(由铁材等强磁性金属构成 的)第2磁性体14a、14b。该第2磁性体14a、14b配置在位于比上述磁体7a、7b的前端部 靠近阴极体的Z轴方向中心部侧的位置，且位于第1磁性体6a、6b的径向外侧。另外，也可 以借助安装槽等将该第2磁性体14a、14b配置在上述密封构件5a、5b上的第1磁性体6a、 6b的外侧。另外，该环状的第2磁性体14a、14b在Z轴方向上的厚度(高度)比第1磁性体 6a、6b的厚度厚。虽然需要根据磁体7a、7b的磁通密度以及磁极间(磁体7a、7b的前端间) 的距离调整该第2磁性体14a、14b的厚度，但例如在将磁体7a、7b的磁极间距离设为大约 75mm、将第1磁性体6a、6b的厚度(壁厚)设为大约0. 7mm的情况下，优选将第2磁性体 14a、14b的厚度设为9mm左右。第1实施例的磁控管由上述结构构成，采用该第1实施例，能够利用第2磁性体 14a、14b使作用空间50内的磁通密度均勻分布。g卩、图2表示在磁体7a、7b间的空间的外侧的磁力线，在没有第2磁性体14a、14b 的情况下，第2磁性体14a、14b使在外侧通过的磁力线Bi像磁力线B2那样地偏移到内侧。 结果，能够使内部空间2及作用空间50内的磁通密度均勻分布。即、由于磁通量是欲彼此分开地欲向外侧(径向)扩散的，因此Z轴方向的磁通密 度的分布如图12所示在靠近两侧磁极的地方较密、越靠近中心(点0)越稀疏。这里，通过 利用第2磁性体14a、14b如图2所示地抑制欲向外侧扩散的磁通量，从而与未设置第2磁 性体的磁控管相比，能够抑制磁通密度变稀疏，能够抑制包括作用空间在内的2个磁极间 的整个空间中的磁通量变稀疏。图3表示利用第1实施例获得的电子发射面上的Z轴方向的磁通密度分布，比较 该图3和以往的图12可知，电子发射面4E上的中心部(Z轴0点)与两端部(Z轴A点) 的磁通密度差变小，实现了均勻分布。例如在以往(图12)的磁控管中，Z轴0点与A点上 的磁通密度的差大约为90高斯，相对于此，在第1实施例(图3)中，Z轴0点与A点上的 磁通密度的差大约减小为50高斯。另外，采用第1实施例，由于振荡的建立特性稳定，因此能够消除振荡建立过程中 的跳模。图4是表示磁控管10中的阳极电压与阳极电流的脉冲波形，比较图4和以往的图 13可知，在第1实施例中，如阳极电压脉冲波形202所示，脉冲建立过程中的跳模(-1模 式振荡)部(Ka)消失，并且如阳极电流脉冲波形202所示，不存在抖动，所以能够获得良好 的脉冲波形。
图5表示第2实施例的结构，在该第2实施例的磁控管中还配置有环状的第3磁 性体。在图5中，在阳极体3的外周壁的左右分别形成有2个环状的槽12a、12b，该2个 环状的槽12a、12b与Z轴同轴，槽12a、12b的直径不同且深度不同，在内侧的槽12a中嵌合 配置有第2磁性体14a、14b，在外侧的槽12b中嵌合配置有环状的第3磁性体14c、14d。并 且，配置于外侧的直径较大的第3磁性体14c、14d的厚度(Z轴方向的长度)比第2磁性体 14a、14b的厚度大。另外，上述直径不同的环状磁性体也可以配置3个以上(第4磁性体、 第5磁性体…)，在该情况下，越是配置在外侧的环状磁性体厚度越厚。采用上述第2实施例的结构，通过在第2磁性体14a、14b的外侧加设第3磁性体 14c、14d，能够更可靠地使磁通密度均勻分布，并且能够更易于调整磁通密度的均勻程度。 即、在本发明中，由于与第1磁性体6a、6b分别独立地形成第2磁性体14a、14b以及第3磁 性体14c、14d，因此通过适当地选择上述第2以及第3磁性体14a 14d的厚度、数量、以及 配置位置，能够获得可以容易且高效地调整磁通密度的均勻程度的这一效果。图6以及图7表示第3实施例的结构，该第3实施例利用密封构件防止第2磁性 体发生脱落。如图7的放大图所示，在第3实施例中，在金属圆板状的密封构件5a的外周 端的外表面侧形成有向阳极体3的环状槽12的开口部(入口)伸出的环状的突出部 (overhang) 16。该突出部16可以在密封构件5a的整个圆周方向上设置，也可以在圆周方 向的局部设置几处。采用上述第3实施例，能够利用电弧焊接等方法将密封构件5a、5b封接在阳极体 3的安装部(台阶部)上，此时，使密封构件5a、5b的突出部16封闭槽12的环状开口部的 局部(内周侧)而使第2磁性体14a、14b成为固定状态，由此能够防止第2磁性体14a、14b 发生脱落。即、由于环状的第2磁性体14a、14b始终受到来自磁体7a、7b的引力而受到被 从槽12中拉出的力，因此容易脱落。在第3实施例中，能够防止第2磁性体14a、14b受到 来自上述自磁体7a、7b的引力而脱落，从而能够获得可靠性高的磁控管。图8以及图9表示第4实施例的结构，该第4实施例利用阳极体侧的突出部防止 第2磁性体发生脱落。如图9的放大图所示，在第4实施例中，形成有自阳极体3的环状槽12的外周侧 的缘向该槽12的开口部伸出的环状的突出部(overhang) 17，该突出部17是通过对环状槽 12的外周侧的缘进行铆接或变形处理、或焊接其他构件而形成的，该突出部17可以设在环 状槽12的整个缘上，也可以在圆周方向的局部设置几处。另外，该突出部17也可以自环状 槽12的内周侧的缘向该槽12的开口部伸出地形成。采用上述第4实施例，使设于环状槽12的突出部17密封环状槽12的开口部的一 部分(外周侧)而使第2磁性体14a、14b成为固定状态，由此防止第2磁性体14a、14b发 生脱落。即、能够防止第2磁性体14a、14b受到来自磁体7a、7b的引力的作用而逐渐脱落。 另外，该第4实施例也能应用在设有图5的第3磁性体14c、14d的情况中。图10表示上述各实施例所用的第2以及第3磁性体14a 14d的其他例，如图所 示，在环状的第2以及第3磁性体14a 14d中，至少形成有1处切断部18。优选该切断部 18的宽度为10mm以下，只要该切断部18的宽度为10mm以下，则环状的第2以及第3磁性体14a 14d的实质性效果没有差别。若采用上述第2以及第3磁性体14a 14d的切断部18，则即使在如第3实施例、 第4实施例那样预先形成了突出部16、17的情况下，也能一边撑开切断部18 —边容易地将 第2以及第3磁性体14a 14d配置在环状槽12内。另外，通过对薄板进行弯曲加工，不 用模具等就能制作该切断部18，因此相比利用放电加工、使用模具冲切厚板的情况，还有利 于节省成本。另外，在上述各实施例中，使用强磁性金属的铁为第1磁性体6a、6b、第2以及第3 磁性体14a 14d，但也可以使用其他各种合金以及化合物来代替使用该铁。
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权利要求
一种磁控管，其包括阴极体；阳极体，其具有多个谐振腔，且在该阳极体的内部空间的中心轴线上配置有该阴极体；磁铁，其用于沿与上述阴极体的中心轴线即Z轴平行的方向产生磁场；第1磁性体，其为圆板状，配置在上述阳极体的内部空间的开口侧，且该第1磁性体的直径小于上述磁铁的直径，其特征在于，该磁控管配置有第2磁性体，该第2磁性体是与上述第1磁性体分别独立地构成的环状的磁性体，该第2磁性体与Z轴同心地配置在位于比上述磁铁的前端部靠上述阴极体的Z轴方向中心部侧的位置，且位于上述第1磁性体的径向外侧，该第2磁性体在Z轴方向上的厚度大于上述第1磁性体在Z轴方向上的厚度。
2.根据权利要求1所述的磁控管，其特征在于，该磁控管还配置有第3磁性体，该第3磁性体是与上述第2磁性体分别独立地构成的 环状的磁性体，该第3磁性体与Z轴同心地配置在位于比上述磁铁的前端部靠上述阴极体 的Z轴方向中心部侧的位置，且位于上述第2磁性体的径向外侧，该第3磁性体在Z轴方向 上的厚度大于上述第2磁性体在Z轴方向上的厚度。
全文摘要
本发明提供一种能更加均匀、简单且高效地调整磁通密度分布、在高输出用途中脉冲内频率的稳定度极高的磁控管。磁控管(10)包括阴极体(4)；阳极体(3)，其具有多个谐振腔；磁体(7a、7b)，用于与中心轴线即Z轴同轴地形成磁通量；第1磁性体(6a、6b)，其为圆板状，配置在阳极体的内部空间(2)的开口部且直径比磁体小。该磁控管配置有环状的第2磁性体(14a、14b)，其与Z轴同轴地配置在位于比第1磁性体靠Z轴的中心部侧的位置，且位于第1磁性体的径向外侧，其与第1磁性体独立，其在Z轴方向上的厚度大于第1磁性体的厚度。利用形成于密封构件(5a、5b)等的突出部防止该第2磁性体脱落。
文档编号H01J25/50GK101882549SQ201010167359
公开日2010年11月10日 申请日期2010年5月6日 优先权日2009年5月8日
发明者宫本洋之, 梅田昭则 申请人:新日本无线株式会社