（第27版；令和2年12月14日）

1.クライストロンの元祖とも言うべき同軸発振管（速度変調管）

速度変調管（Velocity Modulation Tube）と言われている日本で広帯域伝送装置に使用されている同軸発振管（含むクライストロン）を調べました。

下の写真は、10数年前、友人のJA1CG　高橋春男氏のご厚意により寄贈頂いたもので、”NEC V238A/1K　同軸発振管”です。このV238A/1K（CV5292) 速度変調管は、ドイツのHeil夫妻の考案したものを英国のSTC社が開発･製造してマンチェスターとエジンバラ間のマイクロ波通信回線装置の局部発振管として実用化されたものです。Ｖ238A/１K 同軸発振管は、全長は;80mm､最大径は40mmφで､真空管上部の金メッキを施して銅製の鍔は、外径が40mm、内径が19mmで、外部空洞に接続する接触子（フィンガー）です。

NEC V238A/1K	NEC V238A/1K

以前から、各種真空管を数多く寄贈戴いてるJA6CBU 尾崎逸郎氏のご紹介により、令和2年12月に、JA3PWT 好本敏文氏よりNECの同軸発振管を2種類、、V239C/1KとV241C/1Kの寄贈を頂きました。下の写真がNECの同軸発振管のV239C/1KとV241C/1Kです。

NEC V239C/1K	NEC V241C/1K

下の写真は、手元にあるNEC 同軸発振管の3種類、V238A/1K、V239C/1KとV241C/1Kを寸法比較のために3種類の同軸発振管を並べて撮影した写真です。

写真左からV238A/1K、V239C/1K及びV241C/1Kです。

STC社により開発されたこのV238A/1K（CV5292)は、STC社発行の「STC MICROWACE TUBE」､MS/113､Ed.3カタログでは、次のように説明されている。

V238A/1K（CV5292）この速度変調発振管は、高出力（通常1W）が特徴で、3,560〜4,240 Mhzの範囲で優れた周波数安定性を維持している。実験室での動作では、下図に示すように、同軸出力ソケットが取り付けられた導波管式空洞 495-LVA-251で使用できる。広帯域システムに必要な高周波における安定性は、調整回路内で、注意深く調整された電源を備えた温度制御恒温槽内で真空管を動作することによって実現される。これらの条件下で、長期間における周波数範囲は3,550〜4,250 Mhzで、V238A/1Kは、世界の多くの地域で運用され、無線中継回線で広く使用されている。

導波管式空洞 495-LVA-251

STC MICROWACE TUBE”､MS/113､Ed.3カタログから下記事項を抜萃しました。

”STC MICROWACE TUBE”､MS/113､Ed.3カタログ表紙の一部で、 右の写真がSTC V249C/1K 速度変調管

Microwave Power Generator (マイクロ波出力源）
Velocity Modulated Oscillator （速度変調発振管）

1933年以来､シングル伝送同軸ライン発振管（Heil 真空管）の周波数許容範囲は0.9〜6 GHzをカバーしています。形状は､広帯域の機械的または電気的同調､導波管または同軸線への実装､またはこれらの機能の組合せです。動作原理は、速度変調発振管の断面構造を示す下図を参照すると理解できます。電子流は､カソードからスクリーンにより加速され､グリッドと磁石によりビームに収束されます。ビームは､共振器の2つの相互作用ギャップを通過し､アノードにより収集されます。共振器は、事実上､中空の中心導体の同軸線一部です。相互作用は､ビームと中心導体間の電界中で行われます。周波数は､構造が結合されているキャビティと共振器とカソードの間の電位により決まります。この電位差の変動により周波数変調が行われます。
STC マイクロは発振管は、長寿命用に設計されていますが、これらの速度変調発振管が使用されるマイクロ波リンクには極めて重要な条件です。まコマーシャル･コードの"/”の直前の文字 Ａは､主に広帯域機械的同調用に設計された速度変調発振管を示し､同様に文字Ｃは､電子的同調用に設計された速度変調発振管を示します。

速度変調発振管の組立の断面図

ＳＴＣ製　速度変調発振管一覧表

　　　　　　　　　　　　　 *導波管出力の場合、キャビティはタイプ439-LTA-32Aです。
　　　　　　　　　　　　コレクター電圧は、共振器電位以上の１０?２０ボルトに設定されるのが望ましい。
　　　　　　　　　　　　共振器は通常、接地されたキャビティに直接接続され、カソードは負の電位で動作します。
　　　　　　　　　　　　周波数変調が必要な場合、共振器はマイカ･ワッシャーによってキャビティから絶縁されます。


一方、我が国では、STC社　V233A/1Kの国産化を1953年頃日本電気が行い、4,000 MHz帯で数百mWの出力が得られ、STC製の大阪ー福岡間のマイクロ回線の局部発信回路の同軸発振管として実用化しました。この真空管を開発をしたSTC社では、Velocity Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Oscilator（速度変調発振管）と呼称しています。
　幸いなことに、日本電気株式会社の西尾秀彦氏が、昭和32年4月、電気通信学会雑誌､第40巻4号に、「4･8 広帯域伝送用主要真空管」の論文に、4・8・1マイクロ波管､(a) 板極管 （Disk Sealed Tube)、（ｂ）進行波管 （Travelling-wave Tube)､（ｃ）速度変調管（Velocity Modulation Tube、Klystron)で解説をしています。

（ｃ）速度変調管（Velocity Modulation Tube、Klystron)
ある速度に加速された電子ビームに高周波の電界を作用させ時刻に応じて加速、減速するいわゆる速度変調をさせる部分と､この速度変調をさせる部分と､この速度変調させた電子ビームを粗密波すなわち密度変調に変える集群部（Bunching space）と密度変調波から高周波勢力を取り出す出力部を備えたマイクロ波管が速度変調管で、速度変調部と出力部は空洞共振器の一部になっていてこの真空管の周波数を決めている。電子ビームが直進する直進形と､速度変調部を出た電子が負の電極､すなわち反射電極（Repeller）で追い返されて集群作用が起こる反射形とがある。前者は増幅､発振共に使えるが､後者は発振だけしかできなし、速度変調部は出力部を兼ねている。速度変調管は1つの品種で余り広い周波数にわたって使えないためマイクロ波中継装置の局部発信器､超多重端局の局部発信器､超多重端局のデビエータ等に使われていたが最近ではだんだん改良されたものが現れて送信用としても特に広帯域でない限り使えるようになってきた。

この論文の中では、速度変調管は、�@同軸発振管､　�A内部空洞（または外部空洞）反射形クライストロン､�B内部空洞（または外部空洞）大電力クライストロンに区分しており、勿論上記のV238A/1K、V239C/1K及びV241C/1Kは、�@の同軸発振管に統一されて説明している。

実は、「THE POST OFFICE ELECTRICAL ENGINEERS' JOURNAL」､JANUARY １９６１､Vol.53 Part4に下記の「STC　COAXIAL LINE OSCILLATOR」の広告が掲載されています。従って、日本電気株式会社の西尾秀彦氏が、昭和32年4月、電気通信学会雑誌､第40巻4号に、「4･8 広帯域伝送用主要真空管」の論文の中で「STC　COAXIAL LINE OSCILLATOR」を参照して､「NEC 同軸発振管」として統一して使用されている理由が判明した。

多くの真空管収集家の座右の銘とされている日本電子機械工業会 電子管史研究会 編の「電子管の歴史」､第5章　マイクロ波管､5.4　クライストロン､[3] その他のクライストロン､(a) 同軸発振管では、次の如く記述があります。

同軸発振管は、ドイツのハイル（Ｈｅｉｌ）の考案をイギリスのスタンダード･テレホン･アンド･ケーブル（ＳＴＣ）社で実用化したものである。我が国ではＳＴＣ社 V233A/1K の国産化を1953年ごろ日本電気で進め4,000MHｚ帯で数百 mWの出力を得て､大阪ｰ福岡間のマイクロ波回線の局部発振管としてとして実用化された。しかし､収束磁界やビーム電圧による電子同調などの問題と､一方､反射型クライストロンの性能向上により､次第にこれに位置を譲る形となった。（図5/89 同軸型速度変調管　V233A/1Kの構造及び動作説明は割愛しました。）　

しかし、日本電気株式会社の西尾秀彦氏が、昭和32年4月、電気通信学会雑誌､第40巻4号に、「4･8 広帯域伝送用主要真空管」の論文では、

NEC　V233A/１Kの使用実績

第 ４・8･9図　大阪ー福岡間マイクロは回線の測定器用に使われている同軸発振管 V233A/1K（日電製）との説明が書かれています。、

NEC　V238C/1KおよびV241C/1Kの使用実績

同様に､第4･8･8図 大阪ー福岡間 STC製 4,000MHzマイクロは回線装置の局部発信に同軸発振管　V239C/１KとV241C/1Kがそれぞれの周波数に応じて使われているとの説明が書かれています。



２．クライストロン

　1934年頃は、量子力学が非常に進歩して原子の動作が大部分理解できるまでにきてしまっていたので、学問の興味は原子核物理の方へと移りつつありました。それにつれて、加速した粒子を使って核反応を起こさせる事への興味が盛り上がってきました。スタンフォード大学の研究目標の一つに、電子を１００万電子ボルト（ｅＶとも書きますが、１個の電子が１ボルト の電位差で 加速される時に得られるエネルギー）程度のエネルギーまで加速するという事がありました。ビル･ハンセンは、高周波電圧を使用して電子を加速してみようと考えました。そのためには、共振回路の改良が必要となり、閉じた箱が共振器として旨く動作することを確認しましたが、これを「ルンバロン（RHMBATRON)」と呼んでいました。


　ビル･ハンセンと同じ研究室の友人にラッセル･バリアンは、弟のシーグートとともに新しい高周波用電子管の開発をしていました。卒業後、弟シーグートはパンアメリカン航空の操縦士をしていましたが、悪天候の時でも無事に操縦できる操縦支援装置の開発を兄のラッセルに推めていました。ラッセルは、どうしても新しい種類の高周波電子管が必要だと確信をしていました。従来の真空管を使用していたのでは、避けら電子走行時間の影響と共振回路につきものの大きな電力損失が悩みの種でした。

　ラッセルは、考案した速度変調と密度変調の繰り返し（電子の流れの速さは、そこを流れる時の電位傾度によって変えられます。一定の電子の流れの途中に高周波電界で加速と減速の電界傾度を与えると、加速された電子は前を行く電子に追いつき、減速された電子は、後から来る電子に追いつかれる）の考えを利用すると、今まで障害と考えられていた電子走行時間が、かえって有効な仕組みとして働くことが判りました。これと前述の低損失空洞共振器「ルンバトロン」とを組み合わせたクライストロンの試作に成功しました。1937年のことです。


　続く3年間の間に、何種類もの違ったクライストロンができあがり、マイクロ波検波器、スーパーヘテロダイン受信機、電力増幅器、等への応用の可能性を実証しました。1940年には、クライストロンは、実用的なレーダーにも使用できるようになりました。しかし当時は主としてレーダー受信機の局部発信器用でしたから、せいぜい数ミリワットの出力で充分でした。しかし当時英国のEMI研究所では、２０キロワットのパルス出力がだせるクライストロンが開発されていました。以上は、左の写真の本”われ電子を加速せり”を参考にしました。

　写真の”われら電子を加速せり”の翻訳者の大沢寿一氏は、1909年生まれで、日本電気(株）の研究所と工場部門で電子管や半導体の研究に携わり、エレクトロニクス産業の勃興を担い、のち日電バリアン社長を勤め、40年来の知己であるエドワード･ギンットン著”Time of Remember”を翻訳したものです。
　
　”Time of Remember”の著者のエドワード･ギンットンは、1915年生まれで、スタンフォード大学で戦後、当時世界最強力のマイクロ波電子管を完成し、数々の高エネルギー電子加速器を作り、その後バリアン社の会長を務めました。

３．直進型と反射型クライストロン

　クライストロンには、空洞共振器を単独で使う反射型クライストロンと複数個を直列につなぐ直進型クライストロンの二種類があります。反射型クライストロンは、一つの共振器を高周波電場の入力と出力として同時に用いる。そして、反射電極で電子を逆行させて共振によるマイクロ波を発生させます。直進型クライストロンは、複数の共振器の間で速度変調と密度変調を繰り返すことによってマイクロ波を発生させる。直進型は、大きな出力を取り出せるのが特徴です。クライストロンという名称は、浜辺で "波が砕ける" という意味のギリシア語 klyzo からつけられました。 通常のクライストロンでは、DC から高周波への変換効率は、どんなに頑張っても 60〜70%止りで、電子ビームの余剰運動エネルギーはコレクターで熱に変換されます。

　
　
●収集した国内外の反射型クライストロンの多くは、よく知られている左の写真に示す”2K25"の様に、内部空洞方式の反射型クライストロンです。（寸法；88mmｘ40mmφ）

　右の写真は、E.M.I.社の外部空洞方式の反射型クライストロン”ＣＶ２３８”です。クライストロンの中央部にドーナツ状に取り巻いている銀メッキの真鍮金属が外部空洞です。外部空洞の円周上場には、等間隔で、大形の８本の周波数微調整ネジが取り付けられている。（寸法；105mm､58mmφ）

　猶、CV238は、Sバンド、2930〜3130MHｚ用の外部空洞方式反射型クライストロンで、ヒーター電圧･電流は、4.0V･1.5Aです。

　動作例
　　最大共振損失・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・８　W
　　平均共振電圧・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・２５０　V
　　反射電圧・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・＋１００Vから０を通ってー１７５　V
　　主AFC範囲・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・２０　MHｚ

３．クライストロンの規格一覧表

　１９６８年制定のJIS7112によるクライストロン（磁電管、進行波管、切替放電管を含む）の型名の名称附与方法は次の通りです。

　 １ 項　　　２　項　　３　項　　 　４　項
　（数字） 　 （文字）　　 （数字）　　　（添え字）
　　４　　　　W　　　　　８５　　　　 　A　
　　 ｜　　　　｜　　　　　　｜　　　　　　└――　　　原型と置換し得る程度の小変更を表し、I, O を除くアルファベットの大文字を
　　 ｜　　　　｜　　　　　　｜　　　　　　　　　　　　　　使用する。
　 　｜　　　　｜　　　　　　｜　　　　　　　　　　　　　１，２項で表せない構造性能の区別を表し、１０より９９９迄の数字を使用する。
　 　｜　　　　｜　　　　　　└―――――――　　　但し、性能の近似した一連の真空管について３桁目の数字を追加することが出来る。
　 　｜　　　　｜
　 　｜　　　　└――――――――――――　　　種別表す。
　 　｜　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　M ･････　磁電管（マグネトロン）
　 　｜　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　V ･････　クライストロン
　　 ｜　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　W ・・・・・ 進行波管
　　 ｜　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　X ・・・・・ 切替放電管
　　 ｜　　
　 　└――――――――――――――――　　　公称使用周波数をｋMHｚの単位で表す。小数点以下は、四捨五入する。但し５００MHｚ
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　未満のものも １ を使用する。


４．クライストロンの規格一覧表

　下記の反射型クライストロン（内蔵空洞型）の一覧表は、日本電子機械工業会　電子管史研究会 編「電子管の資料編」の249ページの”NEC　電子部品　電子管規格一覧表　　マイクロ波管”から抜粋したものです。

下記の反射型クライストロン（外部空洞型）の一覧表は、日本電子機械工業会　電子管史研究会 編「電子管の資料編」の249ページの”NEC　電子部品　電子管規格一覧表　　マイクロ波管”から抜粋したものです。

５．NEC　ｸﾗｲｽﾄﾛﾝの写真を下記に示します。
　

NEC　2K25	NEC　２K26	NEC　２K54A	NEC　6V23
NEC　6V26AM	NEC　6V26AR	ＮＥＣ　６V26ARM *1	NEC　6V205
NEC　７V222	NEC　７V224
NEC　7V224	NEC　7V254	NEC　8V77	NEC　11V651
NEC　11V652	NEC　13V66	NEC　VA221F	NEC　４V27 *1

＊１　NEC　6V2ARM、NEC　４V27は、尾崎逸郎氏からの寄贈品です。　

　６．NEC　ｸﾗｲｽﾄﾛﾝ以外の国産　ｸﾗｲｽﾄﾛﾝ（Toshiba 、JRCほか）の写真を下記に示します。

Toshiba　2K25	Toshiba　2K26 *1	Toshiba　726C	Toshiba ７V40
TEN７V40	JRC　2K25	JRC　2K26	JRC　４V24
JRC　6BM6　*1	JRC　M542	Hitachi　2K25

＊１　Toshiba 2K26,JRC 6BM6は、尾崎逸郎氏よりの寄贈品です。

　


７．海外のｸﾗｲｽﾄﾛﾝの写真を下記に示します。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　*1.RAYTHEON　2K48は、クラッシックコンポーネント（株）　櫻澤社長のご厚意による寄贈品です。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　*2.VARIAN VA-220BVは、JA2FO 黒田 登氏のご厚意による寄贈品です
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　*3.RAYTHEON　A160011Aは、末廣吉安氏のご厚意による寄贈品です。

RAYTHEON　2K22	RAYTHEON　2K25	RAYTHEON　2K28	RAYTHEON　2K45
RAYTHEON　2K48	RAYTHEON　6BL6	RAYTHEON　5837	RAYTHEON QK381
BENDIX　6116	BENDIX　６１１６	ＢＥＮＤＩＸ　６５８４
SYLVANIA　904	VARIAN VA-220B	VARIAN　6975	WESTINGHOUSE 417A
W E　707B	OTK4　K-27	EMI　CV238	EMI　CV2346
WESTERN ELECTRIC 2K25	RCA　2K26	RAYTHEON　５９８１/5650	SYLVANIA　AYJ-15
RAYTHEON　RK5976	METCOM　MXK-26	METCOM　MKK-24	EEV　K302
WESTERN ELECTRIC　2K54	Unknown 5836	POLARAD A160034	RAYTHEON A160011A*1

　　　　　　　　　　　　　

８．クライストンの実装



　　
WESTERN　ELECTRIC　D-178416は、内部空洞反射型クライストロ
ンです。今回は、無線機に実装されていたケースとと共に入手できま
したが、どのような無線機かは、判定できません。

　また、このWESTERN　ELECTRIC D-178416　内部空洞反射型ク
ライストロンの電気的特性は不明です。

　左の写真で解るように、出力はオクタル･ベースのプルーブから取
り出される。また、弓形のバネ部分に取り付けられた4角ナットにより
発振周波数は内部空洞の容積を微調することにより行われる。


　右の写真は、D-178416内部空洞反射型クライストロン実装されて
いる様子を示す。周波数は、カップリングにより外部から発振周波数
の微調整できるように、つまみが付いている。

　






8.1　Ｔｏｓｈｉｂａ　2K25と特殊オクタル･ソケｯト







　写真で見るようにオクタル･ソケットは、通常のものとは異なり、ソケットの４ピンに同軸出力が出ています。装置から取り外した反射型クライストロン、Ｔｏｓｈｉｂａ２Ｋ２５とそのソケットを写真で示します。

参考文献
１．Standad Telephone & Cables　Limited、「STC　MICROWAVE TIBES]､MS/113,Ed.3
２．西尾秀彦､「広帯域伝送用主要電子管」､昭和32年4月､電気通信学会雑誌､第40巻4号､pp389〜397
３．Emilio Ciardiello、「Heil Tubes or Heil Oscillator｣､July 2020､http://www.ase-museoedelpro.org/Museo_Edelpro/Catalogo/Overview/Heil%20Tubes.pdf
４．大澤壽一訳､「われら電子を加速せり」、エドワード･ギンツトン著、岩波書店、1999年6月2日発行
５．日本電子機械工業会 電子管史研究会 編､「電子管の歴史　エレクトロニクスの生い立ち」、オーム社、昭和62年11月25日第1版第１刷発行
６．株式会社 桑原情報研究所、「私達のマイクロ波通信　50年（黎明期）」､デジプロ、平成16年3月30日発行

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　以上