真空管[電位計用真空管物語]              
                                                                           (第1版;平成29年1月11日)

  非常に微弱な電流を測定する場合、あるいは同じことですが、電流を消費しないである2点間の電位差を測定しようとする場合には、初段の真空管の入力に高抵抗を使用する必要があります。例えば、1011Ωオーダーの高抵抗が接続します。このようにすると、この抵抗と並列に入ることになる真空管の抵抗の値、すなわち真空管の入力抵抗値更に高く無ければ意味のないことになるが、それには特殊な真空管を使用するか、あるいは通常の真空管を採用しようとすると特に真空管を選定して特殊な使用をしなければならない。この目的のために製造された特別な真空管を電位計用真空管(エレクトロメーター・チューブ)と呼称しています。また、マツダ(東京芝浦電気株式会社)の”マツダ真空管 ハンドブック(第2巻)、1955年版”では、”微少電流測定用真空管”の呼称を使用している。

 電位計用真空管では、入力グリッド電極に高抵抗を接続して被測定電流を流すので、この抵抗に流れる真空管自体のグリッド電流は極力少なくすることができる。もしもこのグリッド電流が完全に一定であれば、多少のグリッド電流が許容される理屈ですが、実際はそのようには動作しないので、グリッド電流は無視できる程度に減少させるようにしている。電位計真空管としては、1930年にMetchlfお飛びThompsonがグリッド電流の原因を研究して製造したFP-54(G.E.)が最初の真空管ですが、一般的には真空管では、グリッドの電位をカソードに対して充分にマイナス電位として電子を寄せ付けないようにしても次に挙げるような諸種の原因によってグリッド電流が流れる。

 マツダ 微少電流測定用真空管 UX-54は、特殊構造による空間電荷グリッド4極管で1014A程度までの微少電流を測定するため特に設計されたものです。ガラス管壁には。海軍の錨マークおよびN0.2060の印字があるり、戦時中に製造された真空管です。UX-54の後にUX-54A(Ef 2.0V If 0.2A) およびUX-54B (Ef 2.0V IF 0.05A)が改良開発されている。UX-54Aは,UX-54 (Ef 2.5V, If 0.1A)のフィラメント規格違いで,フィラメント以外の特性は全て同じです。UX-54Bは、旧型のUX-54Aに比較して入力インピーダンスを更に高くして測定の精度を上げたものです。UX-54は、UXベースの円筒ガラス管でトップ遮蔽グリッドの特殊構造の真空管です。ステム・リード線からの微少直流電流のリークを防止するため、特殊2重ガラスのビーズにより空間電荷グリットが第1グリッドで制御グリッドと第2グリッドとなっている。 
マツダ UX-45は、世古名知夫氏より、Toshiba UX-45B は山肩昭夫氏よりそれぞれご厚意による寄贈品です。

る。

 WANTED  
MATSUDA UX-54  MATSUDA UX-54A  TOSHIBA UX54B 


下記の一覧表は、文献、江副博彦著:「.質量分析計用電子管回路 Ⅲ」、質量分析、講座、No.3、Oct. 1954、pp41~45の44頁、第1表を引用しました。

製造会社  名称  Ef(V)  If(mA)  Ep(V) Eg(V) Ip(μA) Ig(μA) Eg(V) Ig(A) μ  gm(μ℧) 
G.E.  FP-54  2.5 90  6.0 4.0 60 140 -4.0

10-5

 0.9 20
東芝  UX-54*  2.5  100  6.0  4.0  40  200  -4.0 10-5   1.0  25
東芝  UX-54A   2.0  200  6.0  4.0  40  270  -4.0 10-5   1.0  25
東芝  UX-54B**  2.0  50  6.0  4.0  40  270  -4.0 10-5   1.0  25
W.E.  D-96475  1.0  270  4.0  4.0  85  475  -3.0 10-5   1.0  40
Victreen  VX-41A   1.25  10  4.5 3.4  12  240  -3.0

3x10-5  

 1.0  15

                                   * 廃品種     ** 酸化物フィラメント(昭和30年当時)



(1) 真空管内外の絶縁物を伝わっる漏洩電流が流れる。
(2) 真空管内ガスが電子流によってイオン化されて、陽イオンがグリッドに飛び込む。
(3) フィラメントからの熱によりグリッドから熱電子放射が起こる。
(4) フィラメントからは陽イオンも多少放射されてグリッドに行く。
(5) フィラメントからの光により、グリッドおよび他の電源から光電子が放射される。
(6) プレートを叩く電子流が軟X線を出し、これが更にグリッドグリッドから光電子を放射させる。
(7) グリッド電流がプレートに対して充分にマイナス電位でないときには、ある初速度以上をもってプレートを出た電子はグリッドに到着する。

 以上の諸原因の内、(7)によるマイナスのグリッド電流は、フィラメントに対してグリッド電極を約 -2V よりもマイナスにすることによって避けられる。普通、電位計用真空管は、グイrッド・バイアス電圧が-3 ないし -4V で用いられる。そこで、実際にグリッド電流の問題となるのは、絶縁不良による漏洩と、陽イオンと言うことですが、以下主として陽イオンに対策について記述する。 グリッド電流を防ぐには、以上に述べた各項についてそれぞれ対策を講ずる必要がある。すなわち、

(1) 真空管の絶縁材料、特にグリッド指示物の材質と構造、並びにその取扱に注意する。
(2) 各電極間の電圧を低くしてイオンの生成を防止する。
(3) 空間電荷グリッド型にしてフィラメントから出る陽イオンを防止する。
(4) フィラメントをできる限り低温で動作させ、又外部からの光を遮断する。


電位計用真空管の規定状態に於ける制御グリッド電電流は、略10-15Aとなっているが、実際にこの値以上の真空管が多い。真空管を使用するに先立ち、真空管のグリッド電流を測定する必要があります。特に、普通の受信管を電位測定用真空管に使用できるかどうかはグリッド電流の値により判定されます。
い。



1.微少電流測定用空間電荷グリット4極管;東芝 UX-54B

 

   
 東芝 UX-54B 東芝 UX-54B電極保持部詳細 



 昭和9年12月の電信電話学会雑誌の141号に、特殊真空管としてUX-54が紹介されている。制御グリッドとカソード間の絶縁を極度に高くするためにできる限りの工夫を尽くしたもので使用状態のグリッド電流 10-15 アムペア以下に過ぎない。バルブは特殊な硬硝子を使用し使用電圧は最大8Vであるからグリッド電流の原因はカソードより放射される正イオンより外にない。これを防し、且つ電子流を増加する目的で空間電荷グリッドが挿入してある。

 東芝芝電子管ハンドブック、誠文堂新光社出版、昭和38年9月1日発行、第1版に、この微少電流測定用のUX-54Bの記載があり抜粋をします。UX-54Bは、特殊構造による空間電荷グリット4極管で、10
ー12 A程度までの微小直流電流を測定するために特に設計された真空管です。

 UXー54Bは、旧型UX-54Aに比して入力インピーダンスを更に高くして測定の確度を挙げたものです。 
真空管高抵抗管 1Q18~1Q21は、東芝独特の設計によるもので、構造はガラス外囲器の内部にタングステンを蒸着した螺旋状ガラスをおき、このガラス両端より導線をもって外部端子に接続されている。抵抗値は、外囲条件に対し非常に安定で、10ー14A 程度まで極微少電流測定用として、UX-54B と併用すると便利です。

 一般的に真空管の制御グリッドの絶縁不良の原因と対策は次の表の通りです。

真空管の制御グリッド全不良の原因 真空管の制御グリッド全不良の対策
①制御グリッドへの電子並にプラス・イオンの付着 ①陽極電圧に対して、制御グリッドのマイナス電圧を大きくして、放射電子が到着しないようにする。また、真空度を高めると同時に陽極電圧を残留ガスのイオン化以下の電圧にする。UX-54Bでは8V。更に空間電荷グリッドを設ける。
②制御グリッドからの電子または光子の2次放射 ②フィラメントの動作温度を低くして、形
状の小型化を計る。グリットのクリーニン
グが必要。
③制御グリッドから他の電極へのリーケージ ③比抵抗の大きな特殊カガラス(例えば
、テレクス・ガラス)の使用しトップ・グリッ
トを採用する。電極支持には、二重円
筒ガラス神農採用。

 上記右の写真でも解るごとく、制御グリッド、ステム横の二重円筒ガラスおよび電極上部の二重円筒ガラスにより保持されている。また、陽極、空間電荷グリッド並にフィラメントは、ステムとステムからのガラス・ビーズにより保持されている。さらに詳細は下の2枚の写真(左は真空管上部の拡大、右は真空管下部の拡大)を参考してください。

   
 東芝 UX-54Bの上部詳細 東芝 UX-54Bの下部詳細 




 
 東芝 UX-54Bの詳細仕様は次の通りです

1.カソード;直熱形


 フィラメント電流・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・50 mA
 フィラメント電圧・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 2 V
 全長・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・156 mm
 最大直径・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・40 mm

2.定格

 最大陽極電圧・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 8 V
 相互コンダクタンス・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 25μモー
 増幅率・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 1
 内部抵抗・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 40 kΩ

3.動作例

 陽極電圧・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 6 V
 空間電荷グリッド(G1)電圧・・・・・・・ ・・・・・・・・・・・ 4 V
 制御グリッド(G2)電圧・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ー4 V
 陽極電流・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 60 μA
 空間電荷グリッド(G1)電流・・・・・・・・・・・・・・・・・ 350 μA
 制御グリッド(G2)電流・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・約 10ー15A
 入力インピーダンス・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・4x1015 kΩ




 参考文献 (2)に記載の通り、この真空管は、米国で開発された”FP-54”という極めて微小な電流を測定するための真空管を、我が國で改良をした、言わば國産の真空管であって、UX-54Bと呼ばれ、プレート電圧が8ボルトて動作し、格子の漏れ電流が10のマイナス14乘アンペア(10フェムトアンペア)という非常に高性能なものである。このサンプルは、東京理科大学の物理学研究室が研究のために使用した大変に珍しい”お宝発見”として紹介している。


上記の通り、日本で製造されたUX-54、UX-54A およびUX-54BGeneral Electric FP54をベースしています。General Electric FP-54に関する”Rediomuseum”に記載の情報は下記の通りです。

Base UX-Base(4 Pins(2、thick、USA 1924) Top contact with cap、 
Was used by Technology / Measurement
Filament Vf 2.5 Volts / If 0.09 Ampere / Direct
Description

Space-charge grid electrometer tube. Sensitivities as high as 10 exp(-19) amperes can be achieved (about sixty electrons per minute).

Typical operation

  • 6 V anode voltage
  • 60 uA anode current
  • 4 V space grid voltage
  • -4 V control grid voltage
  • 10exp-15 A grid current
  • 0.9 amplification factor

Registered to General Electric as 5740 in July 1948. First listed in the GE Vacuum Tube Designation listing (1930) as an Electrometer Pliotron.

 
Information source  - - Manufacturers Literature   GE Vacuum Tube Designations 12/10/1930 Tube Lore (I)   


 
  G.E. FP-54

参考文献
1. 東京電気株式會社:「新型並びに特殊真空管」、電信電話学界雑誌、昭和9年12月 141号、pp878~881
2. 関根慶太郎(東京理科大学 近代科学資料管館 館長)、お宝発見 近代科学資料管保管庫から その2、「空間電荷四極管」、理大 科學ホーラム 2007(1)、p58
3 江副博彦著:「直流増幅器(1)」、計測、昭和30年1月、第5巻1号、科学研究所(pdf)
4. 江副博彦著:「直流増幅器(2)」、計測、昭和30年2月、第5巻2号、科学研究所(pdf)
5. 江副博彦著:「直流増幅器(3)」、計測、昭和30年3月、第5巻3号、科学研究所(pdf)
6. 江副博彦著:「直流増幅器(4)」、計測、昭和30年4月、第5巻4号、科学研究所(pdf)
7. 江副博彦著:「直流増幅器(5)」、計測、昭和30年5月、第5巻5号、科学研究所(pdf)
8. 東京芝浦電気株式会社:「マツダ真空管 ハンドブック(第2巻)、1955」、昭和30年9月15日、誠文堂新光社発行、pp218~219
9. General Electric FP-54:https://frank.pocnet.net/sheets/141/f/FP54.pdf
10. 仁木栄次著:「分析化学に必要な電子管と電気回路入門」、JAPAN ANALYST No.2(953)
11. 青木貞次著:「最近完成せる特殊真空管に就いて」、綜合、第8巻 第8号、pp18~22
12. FP-54 / 5674-GL – Twin Tetrode Electrometer Bridge Amplifier
  :http://www.ase-museoedelpro.org/Museo_Edelpro/Catalogo/tubes/records_nw/5674/5674GL.pdf

13. 宇都宮敏男著:「最近の直流増幅器」、計測と制御、昭和42年11月、第6巻 第11号、pp20~26
14: 深田栄一著:「静電気の測り方」、高分子、高分子実験法(18)、Vol.4、pp43~46
15: 江副博彦著:「.質量分析計用電子管回路 Ⅲ」、質量分析、講座、No.3、Oct. 1954、pp41~45



                                                                                           以上