真空管[クライストロン]物語  
                                                               (第26版;平成25年8月21日)

1.クライストロンの元祖とも言うべき同軸線型速度変調発振管

 我が国で検討された反射型クライストロン以外の速度変調発管には、次のものがあります。

 (1)同軸線型速度変調発振管
 (2)ラダトロン
 (3)浮動ドリフト型クライストロン



 1.1 同軸線型速度変調発振管Coaxial-line velocity modulated oscillator valve)


 友人のJA1CG 高橋春男氏のご厚意により寄贈されたもので ”V238/K 同軸線型速度変調発振管”があります。同軸線型速度変調発振管は、ドイツのHeil夫妻の考案したものをイギリスのスタンダード・テレホン・アンド・ケーブル(STC)社のマンチェスター並びにエジンバラ間の通信回線用装置の局部発振管として実用化されたものです。
 我が国では、STC社 V233A /1Kの国産化を1953年頃日本電気が行い、4000MHz帯で数百mWの出力が得られ、大阪ー福岡間のマイクロ回線の局部発信回路の発振管として実用化されました。

 その構造は、反射型クライストロンと異なり、ビームは直進してコレクターに入り、その間に二つの間隙を通過し、この二つの間隙が一つの空洞共振器に結合されて、反結合が行われ発振します。特徴としては、形が小さく動作電圧が比較的に低く、低電圧の割に出力が大きいことです。

 しかし、集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tロンの性能向上により間もなく姿を消した真空管です。

 左の写真は、その貴重なサンプルの”V238/K同軸発振管です。(寸法;80mm、40mmφ) 真空管上部の金メッキを施して鍔は、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。また、構造と原理図は、「真空管の歴史」より抜粋し記載をしました。



この同軸線型速度変調発振管に関し調べてみました。

 海外では、考案者の名前を冠して”Heil Tube”または”Coaxial-line velocity modulated oscillator valve”と呼称されています。クライストロンの先駆として1935年にA. Arsenyewa-Heil および O. Heilの夫婦のチームによりRF発振管として考案されました。真空管内部の電子ビームが焦点電極とドリフト管の間の干渉領域の両端に印加されたRF電圧により速度変調を起こし、次いで密度変調に変化します。この過程は、クライストロン原理と同じです。右の図を参照してください。


 この同軸発振管の動作例を下の表に示す。








  
 

品名 CV番号 ベース ヒーター電圧 (V) 周波数範囲 (MHz) 最小出力電力 (W) 共振電圧範囲 (V) カソード電流 (mA) 同調範囲 (MHz)
V190C/1M - B8G 6.3 800-1000 2.0 180-270 80 ±2.0
V230A/1K 234 B7G 6.3 1700-3700 0.3 100-300 50-65 ±1.0
V230C/1D 230  ー ー  ー  ー  ー  ー  ー 
V233A/1K 2190 B7G 6.3 2700-4200 0.3 190-380 50-65 ±1.0
V235A/1K 2221 B7G 6.3 2700-4000 0.5 190-350 50-65 ±1.0
V237C/1K B7G 6.3 3560-3820 0.35 225-285 45 ±4.0
V237C/2K B7G ー  3560-3790 0.25 225-285 45 11
V238A/1K 5292 B7G 6.3 3550-4250 0.9 250-400 50 -






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。

品 名 用 途 ヒター電圧電流 周波数 出 力 外国製相当品 備 考
5976 発振・変調 6.3x0.4 6750 100 5976
5976(LD) 発振・変調 6.3x0.4 6750 100 5976
2K25 発振・変調 6.3x0.44 9370 1200 2K25
2K26 発振・変調 6.3x0.44 6660 100
2K26(LD) 発振・変調 6.3x0.44 6660 100 2K26
2K54A 発振 6.3Vx0.45A 4200MHz 600mW
2K54C 発振 6.3x0.45 3800 600
2K54DA 発振・変調 6.3x0.45 4300 55
5V553 発振・変調 6.3x0.44 4900 170
6V23 発振・変調 6.3x0.76 6275 500
6V25AR 発振 6.3x0.45 6300 110
6V26AMR 発振・変調 6.3x0.45 6300 120
6V26AR 発振・変調 6.3x0.45 6300 120
6V26BR 発振 6.3x0.45 6150 110
6V26BMR 発振・変調 6.3x0.45

6150

110
6V200 発振 6.3x0.76 6275 1200
6V201 発振・変調 6.3x0.76 6075 1200 VA-220F
6V202 発振・変調 6.3x0.76 6275 1200 VA-220E
6V203 発振・変調 6.3x0.76 6600 1200 VA-220G
6V204 発振・変調 6.3x0.76 6725 1200 VA-220D
6V205 発振・変調 6.3x0.76 7000 1200 VA-220C
6V206 発振・変調 6.3x0.76 7275 1200 VA-220B
6V207 発振・変調 6.3x0.76 7587 1100 VA-220A
6V208 発振・変調 6.3x0.76 7925 1100 VA-220E
6V211 発振・変調 6.3x0.44 6135 35 VA-221F
6V212 発振・変調 6.3x0.44 6435 35 VA-221E
6V221 発振・変調 6.3x0.76 6075 1200 VA-222F
6V222 発振・変調 6.3x0.76 6275 1200 VA-222E
6V241 発振・変調 6.3x0.75 6200 1300 VAー244A
6V25 発振・変調 6.3x0.76 6075 1200
6V252 発振・変調 6.3x0.76 6275 1200
6V271 発振・変調 6.3x0.75 6200 1300
7V205 発振・変調 6.3x0.76 7000 1200
7V213 発振・変調 6.3x0.44 6600 40 VA-221G
7V214 発振・変調 6.3x0.44 6855 40 VA-221D
7V215 発振・変調 6.3x0.44 7105 40 VA-221C
7V216 発振・変調 6.3x0.44 7405 40 VA-221B
7V223 発振・変調 6.3x0.76 6500 1200 VA-222G
7V224 発振・変調 6.3x0.76 6725 1200 VA-222D
7V225 発振・変調 6.3x0.76 7000 1200 VA-222C
7V226 発振・変調 6.3x0.75 7275 1200 VA-222B
7V242 発振・変調 6.3x0.75 6900 1300 VA-244B
7V243 発振・変調 6.3x0.75 7450 1300 VA-244C
7V244 発振・変調 6.3x0.75 7450 1300
7V254 発振・変調 6.3x0.75 6725 1200
7V255 発振・変調 6.3x0.75 7000 1100
7V27 発振・変調 6.3x0.75 6800 1300
7V27 発振・変調 6.3x0.75 7450 1300
8V69 発振・変調 6.3x0.4 7600 50 2K25
8V69(LD) 発振・変調 6.3x0.4 7600 400
8V77 発振・変調 6.3x0.44 7925 1200
8V217 発振・変調 6.3x0.44 7700 35 VA-221A
8V227 発振・変調 6.3x0.76 7537 1100 VA-222A
8V228 発振・変調 6.3x0.76 7925 1100 VA-222Z
8V257 発振・変調 6.3x0.76 7587 1300
8V274 発振・変調 6.3x0.75 8050 1300
9V54 発振・変調 6.3x0.45 9600 40 VA-203B/6975
10V54 発振・変調 6.3x0.45 9000 400 -
10V13 発振・変調 6.3x0.45 10000 300
11V13 発振 6.3x0.45 10000 380 X-13
11V71 発振・変調 6.3x0.45 10625 75 VA-218
11V53 発振・変調 6.3x0.5 10600 550
11V53A 発振・変調 6.3x1.1 11200 70 V-53B
11V54 発振・変調 6.3x1.1 11200 280 V-53B
11V54ア 発振・変調 6.3x0.45 11200 70
11V54B 発振・変調 6.3x0.45 11200 280
11V64 発振・変調 6.3x0.45 11200 450
11V651 発振・変調 6.3x0.5 11200 300
11V652 発振・変調 6.3x0.6 10950 550
13V92 発振・変調 6.3x0.45 12200 300 VA-92C
13V64 発振・変調 6.3x0.5 13500 300
15V64 発振・変調 6.3x0.5 13000 250
15V66 発振・変調 6.3x0.6 14900 450
24V20 発振・変調 6.3x1.6 24000 50
35V20 発振・変調 6.3x1.2 36000 25
LD-670 発振・変調 6.3x0.6 11450 1800 VA-237B
LD-561 発振・変調 6.3x1.2 11200 170
LD-588 発振・変調 6.3x0.44 7300 80
LD-656 発振・変調 6.3x0.45 12200 360
LD-788 発振・変調 6.3x1.2 10600 1200
LDー857 発振・変調 6.3x0.75 7250 1200
VA-203H 発振・変調 6.3x0.45 9400 50 VA-203H

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。

品 名 用 途 ヒター電圧電流 周波数 出 力 外国製相当品 備 考
4V27 発振・変調 6.3Vx0.67A 4300MHz 120mW
5721 発振 6.3x0.58 7500 120 5721



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 6V2ARMNEC 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。

品 名 用 途 ヒター電圧電流 周波数 出 力 備 考
2K25 発振、変調 6.3Vx0.44A 7600MHz 50mW Toshiba
2K25 発振、変調 6.3x0.44 7600 50 JRC
2K25 発振、変調 6.3x0.44 6230 50 Hitachi
2K26 発振、変調 6.3x0.44 6660 100 Toshiba
2K26 発振、変調 6.3x0.44 6660 100 JRC
4V24 発振、変調 6.3x0.7 4000 JRC
6BM6 発振 6.3x0.65 2200 70 JRC
726C 発振、変調 6.3x0.44 2830 Toshiba
7V40 発振、変調 6.3x0.04 7450 Toshiba
7V40 発振、変調 6.3x0.04 7450 TEN
M542 発振、変調 6.3x0.675 JRC

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。

品 名 用 途 ヒター電圧電流 周波数 出 力 備  考
2K22 発振、変調 6.3Vx0.44A 4775MHz 115mW RAYTHEON
2K25 発振、変調 6.3x0.44 7600 50 RAYTHEON
2K25 発振、変調 6.3x0.44 7600 50 WESTERN ELECTRIC
2K25 発振、変調 6.3x0.44 7600 50 WESTERN ELECTRIC
2K26 発振、変調 6.3x0.44 6660 100 RCA
2K28 発振、変調 6.3x0.65 3458-3492 140 RAYTHEON
2K45 発振、変調 6.3x0.762 9660 32 RAYTHEON
2K48 発振、変調 6.3x0.48 4200〜 10750 20 RAYTHEON*1
2K54 発振、変調 6.3x0.45 3700-4200 200 WESTERN ELECTRIC
417A 発振、変調 6.3x1.3 2650 ー 3330 250 WESTINGHOUSE
707B 発振、変調 6.3x0.65 2500ー3750 140 WESTERN ELECTRIC
904 発振、変調 6458 SYLVANIA
5837 発振、変調 6.3x0.675 1600ー3000 12000 RAYTHEON
5981/5650 発振、変調 RAYTHEON
6116 発振、変調 6.3x0.465 8550ー9660 20 BENDIX(Black)
6116 発振、変調 6.3x0.465 8550ー9660 20 BENDIXBlue)
6584 発振、変調 6.3x0.45 5100ー5900 100 BENDIX
6BL6 発振、変調 6.3x0.75 1600ー6500 100 RAYTHEON
AYJ-15 発振、変調 SYLVBANIA
CV-238 発振、変調 4.0x1.5 2930-3130 EMI
CV-2346 発振、変調 ? ? ? EMI
RK-5976 発振、変調 6.3x0.44 6750 100 RAYTHEON
MXK-26 発振、変調 METCOM
MKK-24 発振、変調 METCOM
K203 発振、変調 6.3x0.67 9320ー9500 30 EEV
6975 VARIAN
VA-220B 発振、変調 6.3x0.75 7275 1200 VARIAN*2
A160011A 発振、変調 RAYTHEON*3
A169934 発振、変調 POLAEAD

                         *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
.「われら電子を加速せり」、エドワード・ギンツトン著、大沢壽一訳、岩波書店、1999年6月2日発行
2.「電子管の歴史 エレクトロニクスの生い立ち」、日本電子機械工業会 電子管史研究会 編、オーム社、昭和62年11月25日第1版第1刷発行
3.
私たちの マイクロ波通信 50年(黎明編)」、株式会社 桑原情報研究所、デジプロ、平成16年3月30日発行」ち


                                                                         以上