真空管[ライトハウス管]物語         
                                                                (第8版;平成23年5月8日)

1.真空管の高周波特性
 
通常の真空管は例えばミニチュア管でも精々数100MHzまで増幅できるのが限界とされています。その原因としては、@ 真空管の各電極間容量と各電極から外部端子までのリード線のインダクタンス A 電子の走行時間 です。 

 3極管の場合、各電極間には、Cpg(プレートとグリット間容量)、Cgc(グリットとカソード間容量)、Cpc(プレートとカソード間容量)があります。 また各電極のリード線には、Lp(プレートのリード線インダクタンス)、Lg(グリットのリード線インダクタンス)、Lc(カソードのリード線インダクタンス)があります。プレート電流が流れるとLcに電圧降下が生じ、この電圧がグリットに加えられるため、入力電圧を打ち消すような”負帰還”が生じます。更にプレート回路の一部がCpgを通して入力側に加わる”負帰還”が生じます。この”負帰還”は周波数の増加と共に増加し、ついには増幅が出来なくなります。

 真空管内部の電子の走行時間が、増幅しようとする交流信号の周期の近くなると、真空管の動作に慣性がないと考えられなくなり、走行時間による時間遅れのため真空管の増幅機能が低下していきます。この走行時間も電極間隔の短縮、電圧の増加により、ある程度は短くすることは出来ますが、究極的には、真空管の周波数の上限を制約することになります。

 以上のような問題を克服して、真空管の高周波化を進めるには、まず考えられることは、現状の真空管の電極寸法を全て 1/N (N>1)に短縮することです。プレート電流、Ipは、
Ip=(2.34 x 10ー8S x Vp3/2/D2 となる。 ここで、Vpはプレート電圧(V)、Sは電極面積(cm)、Dは電極間隔(cm)・・・東北大学基礎電子工学入門、”電子工学 基礎論”、和田正信著、近代科学社発行より抜粋)

これから、電極寸法を1/NにしてもVpが一定であれば、Ipは変わらないから、真空管3定数(μ、rp、gm)は変わらない。ただしプレート電流密度は
N2になるからプレートにおける熱損失は大きくなる。一方、電極容量は、1/Nになり、リード線インダクタンスも1/Nになり、周波数の上限もN倍に上がります。

 2.1/Nの小型化真空管

 1930年頃から超短波領域の実用化が進み、それに適した真空管が求められるようになりました。まず、RCAで開発され、1934年に最初の製品として955が発売された”エーコン管”があります。955は、電子走行時間および電極間容量を極限まで減らすため、記録破りの小型電極を用い、その上全ての接続用のピンを真空管の側面に設けたフランジ状のステムから最短距離で放射状に引き出した真空管で、600MHzぐらいまでの発振、増幅用の傍熱型3極管です。 (この項は、「クラッシック・ヴァルブ」、大塚久著、誠文堂新光社発行より抜粋) 詳細は、真空管[エーコン管]物語を参照下さい。(左の写真はRCA 955

  製造面で色々と難点のあったエーコン管の代わりにミニチュア管が使用されるようになりました。その中でも代表的な品種とされる真空管は、6AK5です。最初は、1943年頃米国 のウエスターン・エレクトリック社で実用化されたものです。この6AK5の特徴は、カソードの面積をできる限り小さくして入力容量(Cin)をできるだけ小さくした真空管です。 従って、そのグリット線には、0.0035 mm 径の細い線を200回/吋に捲き、且つカソードとグリット電極間隔は、極度に狭く約0.1 mmにおさえ  RCA 955  て、5mモー相互コンダクタンスが得られています。また、カソードからのリード線は2本を並列に出してあり、入力回路と出力回路が分離出来るようにしてあり、400MHzまでの増幅ができます。(右の写真はGE 6AK5)

 一方低雑音回路の研究が進む内に、3極管をグリット接地型で使用すれrば、グリットがカソード入力側とプレート出力側の遮蔽として働き安定で、しかも3極管の低雑音性も有効に利用できることが分かりました。そのため6J4のような特にグリット接地型に適した3極管が開発され、しかも電極間容量はCpgよりもCpcの小さいものが望まれました。
6J4は、500MHzまでのRF用グリット接地型3極管として使用されました。
 米国のテレビ放送の周波数が1000MHz帯を使用したため6AN4ミニチュア3極管でグリット接地型高周波増幅、混合、局部発振に使用できるものまで現れました。尚、500MHzまで数WのVHF出力が得られるミニチュア管として6J6があります。 長方形のカソードの量長辺面をそれぞれのカソードとし、両側に平面型3極管を形成させたものです。2ヶの3極管をプッシュプル動作をさせてEp=150V、900MHzで0.35Wの励振電力により3.5Wが得られました。(この項は、「電子管工学」、高村新太郎著、より抜粋

NEC 6J4 RCA 6J6 6AN4

 ニュービスタ(Nuvistor)は、1960年にRCAから発表されたテレビジョンなどのUHF受信機の高周波増幅、発振、混合用の超小型管で、同心円状の電極と真空金属容器とセラミック・ベースのみを用い、ガラスは一切使用されていないのが特徴です。我が国では、日立が1961年にニュービスタを発表しています。詳細は、真空管[ニュービスタ管]物語を参照下さい。(左の写真は日立 2BH5)

 従来のミニチュア管を更に小型化して高周波特性を改善したサブmT管が開発されました。サブmT管、6D-HH12(3D-HH12)は、TVチューナ高周波混合発振用双3極管として、6D-HH13(3D-HH13)は、TVチューナ高周波増幅用双3極管として、6D-HH13(3D-HH13)は、TVチューナ高周波増幅用双3極管としてそれぞれ使用されました。東芝は、1961年にこれら一連のサブミmT管をRCAのニュービスタ(日本は、主としてRCAと関係のあった日立製作所で生産された)に対抗してミクロビスタと呼称して宣伝をしました。
            
右の写真は、Toshiba 3d-hh12と6D-HH13

 以上のように、従来の真空管を単に小型化して高周波用に改良設計をした製品を見ますと製造面で既に限界に来ていて、何らかのブレークスルーする新しい手法が必要でした、


3.プレナー電極構造の真空管

 高周波増幅に適した電極構造として、第2次大戦中にドイツとアメリカで板封止(Disk Seal)の3極管が1942年頃に開発されました。1000MHz以上の所謂マイクロ波に使用できる真空管が現れました。  之を「板極管」と呼び、国内では戦争末期から開発にかかり戦後に実用化され、1952年には「板極管2C40、2C43を用いた2000MHz帯のマイクロ波通信回線が開通しました。
 2C40は、局部発振など低出力連続波用に適し、発振管として3000MHz程度が安定な限界周波数でしたが、増幅管としては1500MHz付近まででした。それは、グリットを通しての帰還のために案手に動作しないからでした。規格は、Vp=250V,Ip=20mA、、μ=35、gm=6mSでした。2C43は2C40と殆ど同じ構造ですが、プレートなどの寸法が大きくしてあって出力電力が大きい。 特にパルス発振に適し、パルス通信やレーダーなどに使用されていました。
 1950年にベル電話研究所のモルトンらは極めて微細な構造の「板極管
を作り、4000MHzの広帯域増幅器に実用をしました。最初1553と名付けられましたが、WE社で量産に移行してからは416Aに変わりました。陰極酸化物の厚さ、グリットーヒター間隔、グリット線太さ、グリット線間隔などよれまで知られていたものの内最も小さいとされていた2C40間に比較して桁違いに小さかった。(”電子管の歴史”より抜粋)

 しかし、PIRE(Proceedings of Insititute of Radio Engineers)、Volume 21,Number 12,December 1933年の記載の論文”VACUUM TUBEWS OF DIMENSIONS FOR USE AT EXTREMLY HIGH FREQUENCIES”、By B.J. THOMPSON and G.M. Rose.Jeが発表され、この論文が 通信工学邦文工学雑誌12号に、野口 勉訳で”超高周波用極小真空管”で掲載されています。その概要では・・・・・・本論文は60糎までの超短波をありきたりの回路で受信する目的で作った極めて小さな3極管および遮蔽グリット真空管の構造や動作について述べている。 これらの真空管は従来の真空管に比べれば寸法に於いて約十分の一に縮まっているが、相互コンダクタンスや増幅率の値に於いては決して之に劣らない。電極間静電容量は普通真空管に得られる値の数分の一に減っている。 試作した3極管を普通の反結合回路に使用して、プレート電圧 115ボルト、プレート電流 3mA、で30糎の波長の発生しえた。受信機は遮蔽グリット真空管を用いて作り波長100糎および75糎で同調高周波増幅を行い長い波長(100糎)の域で1段の利得4を得た。

 

 左の写真は、この論文が、既に1933年の時期に、例え実験室での実験とは言え、”プレナー型真空管”の着想を得ていたことが理解できます。

 左の写真中、左上の第一図では、汎用の”57真空管”と”試作真空管”との比較をしていますが、極めて小型である以外は、写真が不鮮明でよく理解できませんが、中央の第二図では、プレナーカ型”(平行板型)の電極配置がよく理解できます。勿論、カソード、グリットおよびプレートは、所謂平面構造の3極管です。

 第三図は、遮蔽グリットが加わった4極管構造です。当時は、まだ”Disc Sea(板極封止)l構造”ではなくて、954や955のエーコン管のリード線引き出しと同じ構造を採用したようで、その構造は、第四図に示されています。

 下記のような記述が見られます・・・・。

「”試作真空管”の写真を第一図に示す。比較の標準にじゅらいの大きさの57 真空管を用いてある。この小型真空管の最大寸法は何れも3/4吋(19mm)を出でず部品も従って小さい。両者とも電極構造は平行板型にで傍熱型陰極を有する。
 三極管では部分品の重さは非常に軽く導線だけで之を支持することができる。この結果として各電極と支持物間の容量を除去することを得た。プレートも過s-ども同じ形で二個の金属製小椀を背中合わせに配置してその間にグリットを挿入してある。カソードの椀の中には小さなヒーターを入れその外面には電子放出物質を塗ってある。グリットは支持環に取り付けた網で出来ている。電極間の距離は千分の何吋という程度に過ぎない。第二図は全體の構造をしめすものである。」

  ・・・・・遮蔽グリット四極管の記述に関しては割愛する・・・・。


 「以上の両者を封入するバルブは、どちらも形状の稍半球に近い二つの部分からなる。三極管の導線は全てこの封止部分から出すから普通に使うステムは不必要である。四極管では更にバルブの両端で別々に封じてプレートと遮蔽グリットの導線は総て中央の封止部から出る。四極管でかういう配置にすることは遮蔽の見地から利益がある。マウント(組立部品)は遮蔽グリットが封じの面より少し上に出て殆ど硝子まで達する様にバルブに入れる。第四図を見ると直ぐに分かるが図示する様に外部遮蔽を置けばプレートは有効に制御グリットから隔離される。遮蔽グリットの導線は相当短く外部遮蔽のそばに出し、其處で直ちに接地して遮蔽導線のイムピーダンスを極減する。るこれはヒターおよびグリットの導線に對しても同様である。」

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・電気的特性の記述に関しては、割愛する・・・・・・・・

 この論文の結論の部分で、次の様に締めくくっている。

 「最後に述べて置きたいことは上記の真空管は研究室で或る基本原理の説明に作ったもので寧ろ真空管を賣るために
設計したものでないことである。併し
以上の原理将来短波長用の特殊真空管の開発に益する所あらば幸いである」

と結んでいるが、筆者、B.J. THOMPSON and G.M. ROSE .Je 二人の1933年当時ににおける超高周波用極小真空管に関する慧眼は素晴らしいと思います。その後、高い周波数帯での導波管や空洞共振器の採用に及んで使用される真空管にも”Disc Seal”技術が開発され約10年後に所謂”板極管”、”ライトハウス管”がRCAによって開発されました。

4.真空管の”Disc Seal”技術

 ”Disc Seal”の技術が、いつ頃開発、実用されたのかを調べましたが現時点では文献、資料が見つかっていません。しかし、前述の”電子管の歴史”、第5章 マイクロ波管、 5.6 その他のマイクロ波管、 (3) 切替放電管(TR管やATR管など) (a) アメリカに於ける発展過程と進展 (1) TR管 には次のように記述されています。

 最初の頃は、TR管と言っても、単に放電間隙をガラス管内に封入しただけのもので、之を空洞共振器に挿入して使用してた。このものにはイグナイタ電極がないので、送信電力が来ても放電の開始が遅れ、僅かな時間ではあるが送信電力が受信機で漏れて、礦石検波器(検波ダイオード)を破壊してしまうことがある。このため、検波器には真空管しか使用できなかった。なお、この放電間隙は、Sバンドに使用された。
 そこで、放電が遅れることなく放電が開始されるように、イグナイタ電極入れることが考えられ、その最初のTR管が1942年に開発された”板封止型”(Disc Seal)の721Aである。 (右の写真は
Bomac Labolatories Inc.CBNQー724B /CV1793

5.ライトハウス・チューブ(燈台管、プラナー・チューブ、板極管)

 Planar構造でDisc Seal型真空管として、ライトハウス・チューブ燈台管、プラナー・チューブ、板極管)は、RCAが1942年頃開発しました。

 5.1 国内のライトハウス・チューブ(燈台管、プラナー・チューブ、板極管)
 下記の表は、「電子管の歴史」、資料編、第4章 送信管 第4.2節 規格表より抜粋しました。


                      各種ライトハウス・チューブ

                           各種スタックトロン
                左から     8506の高さ;22mm    7077の高さ;11mm   7266の高さ;8mm

型名 定    格 最大寸法 相当品 備考
カソード 最大陽極電圧(V) 最大許容陽極損失
(W)
増幅率 最大周波数
(Mc)
陽極出力
(W)
全長(mm) 最大直径
(mm)
電圧
(V)
電流
(A)
2B22 6.3 0.75 100 1200 47.5 32.7 2B22
2C39A 6.3 1000 100 95 3000 27 70 32.2 2C39A
2C39AP 6.3 1000 100 100 2500 70 32
2C39B 6.3 1000 100 36 2500 70 32
2C40 6.3 0.75 500 8.5 48 3370 0.7 65 33.3 2C40
2C43 6.3 0.9 3500 12 60 3370 1 68 33
2C46 6.3 0.75 1000 12 100 1300 68 33
3CX100A5 1000 100 95 3000 4 69 32 3CX100A5
2T72R 6.3 0.9 1500 40 75 1500 23 35.5 24 追加
2T72*1 6.3 0.9 1500 40 75 1500 23 34 13.5 伝導冷却
4T10R 6.3 1000 100 95 2500 88.7 32.2
4T83R 6.3 1.3 1000 100 30 2500 28 89.8 34.4
5861 6.3 0.4 350 10 95 3700 1 63 22.5
7077 6.3 0.24 250 90 7500 11 12 7077 追加
7266 6.3 0.215 7500 8 8.2 7266(2極管) 追加
7289 1000 100 100 2500 15 68.7 32.2 7289
7486  5.7〜6.9 0.01 250 1 92 450 0.3 10 12.2 追加
7815 0.98 2000 10 100 3000 68.5 30.3 7815
7815R 0.98 2000 10 90 3000 68.5 31.2
8506 6.3 0.4 300 110 22 18.8 追加

        註 *1 日立 2T72 伝導冷却方式の電力増幅3極管は、JA0DSH 越山修太氏のご厚意による寄贈品です。
             伝導冷却・・・・・・小電力のUHF,VHFテレビサテライト装置では、半導体との組合せによる小型簡易化を目的として、冷却扇を省略して筐体やヒートシンクへの熱伝導により放              熱する伝導冷却が用いられた。これは、陽極に熱伝導の良好な物体を接続し、熱伝導の良い電気絶縁物たとえばベリリヤ磁器などを介してヒートシンクや筐体に熱を伝え、輻              射と自然対流により熱を放散する方式である。この方式は冷却扇が不要になるばかりでなく、空洞共振器の構造に通風上の制約がなく、また通風によるホコリなどの汚れがない              ので空洞共振器の保守が容易であるという利点がある。しかしながら、陽極、電気絶縁物、ヒートシンクなど各部品の接触状態が悪いと熱抵抗が増加し伝熱効果を妨げるという             欠点がある。1964年テレビサテライト局用として2T72に伝導冷却方式が採用されたのをはじめ、4F64R、4F16R、4F84Rの強制空冷管も伝導冷却管化した。

 
HITACHI 2C39A(150%) HITACHI 2C43(140%) NEC 2C43(140%)
NEC 2B22(左:150%、右:100%)
TOSHIBA 2T27R(185%) HITACHI 2T72R(185%)
日立 2T72(200%) NEC LD-583*1(80%)
NEC 4T72R(145%) TOSHIBA 7077(左写真、300%)
TOSHIBA 7266(左写真、335%) TOSHIBA 8506(左写真、270%)

         註 1.NEC LD-583*1は、尾崎逸郎氏のご厚意による寄贈品です。



5.2 GE プラナー及びセラミック型(燈台管、プラナー・チューブ、板極管)
 GE Essential Characteristics” PRINCIPAL RATINGS,ELECTRICAL AND PHYSICAL CHARACTERISTICS、TUBE PRODUCTS DEPARTMENT、GENERAL ELECTRIC よりの抜粋です。

分類 型名 定    格 最大寸法 備考
カソード 最大陽極電圧(V) 最大許容陽極損失
(W)
増幅率 最大
周波数
(Mc)
陽極
出力
(W)
全長(mm) 最大直径
(mm)
電圧(V) 電流(A)
3極管
A級増幅
2C40A 6.3 0.75 500 45 35 3000 - 65 33 UHF増幅
6299 6.3 0.6 200 110 3000 - 26 13 低雑音UHF増幅
6771 6.3 0.57 300 6.25 90 4000 - 66 21 UHF増幅
7077 6.3 0.24 250 1 90 7500 - 11 12 低雑音UHF増幅
7296 6.3 0.4 330 5.5 90 500 - 23 13 VHF増幅
7462 6.3 0.24 250 1 94 500 - 12 8 低雑音VHF増幅
7644 6.3 0.3 200 2 110 3000 - 26 13 低雑音VHF増幅
7768 6.3 0.4 330 5.5 225 3000 - 24 19 低雑音RF増幅
7784 6.3 0.34 250 5 110 3000 - 26 13 低雑音VHF増幅
8083 6.3 0.24 250 1.1 94 500 - ? ? 低雑音VHF増幅
3極管
B,C級動作
2C39A 6.3 1.03 1000 100 2500 27 68 31.5 UHF電力増幅、発振、逓倍
2C39WA 6.3 1.03 1000 100 2500 27 68 31.5 UHF電力増幅、発振、逓倍
2C39B 6.3 1.03 1000 100 - 2500 40 UHF電力増幅、発振、逓倍
2C39WA 6.3 1.03 1000 100 - 2500 40 UHF電力増幅、発振、逓倍
2C40A 6.3 0.75 500 45 35 3370 1750 65 33 UHF電力増幅、発振
2C43 6.3 0.9 500 12 3000 65 65 32.5 UHF電力増幅、発振
3CX100A5 6.0 1.0 1000 100 95 3000 4 69 32 UHF電力増幅、発振、逓倍
6442 6.3 0.9 350 8.0 - 5000 2.8 65 20 UHF電力増幅、発振、逓倍
6771 6.3 0.75 250 0.5 - 6000 - UHF電力増幅、発振、逓倍
6897 6.3 1.05 1000 100 - 2500 40 UHF電力増幅、発振、逓倍
7289 6.3 1.0 1000 100 - 3000 40 UHF電力増幅、発振、逓倍
7296 6.3 0.4 330 5.5 90 3000 - UHF電力増幅、発振、逓倍
7391 6.3 0.385 200 2.0 62 6000 - UHF電力増幅、発振、逓倍
7486 6.3 0.24 250 1.0 94 500 - UHF電力増幅、発振、逓倍
7720 6.3 0.24 250 1.0 90 500 - UHF電力増幅、発振、逓倍
7913 6.3 0.4 330 5.5 100 3000 - UHF電力増幅、発振、逓倍
8082 1.6 3.2 650 25 - 500 65 UHF電力増幅、発振、逓倍
GE12661 6.3 0.24 350 4 40 3000 6 電力発振
GE14501 6.3 0.24 250 2.0 90 7500 2.3 UHF電力増幅、発振
GE16411 6.3 0.15 250 1.0 225 7500 20 UHF電力増幅、発振
GE16841 5.7 0.27 250 1.5 75 7500 0.45 CW増幅、発振
3極管
パルス動作
2C40A 6.3 0.75 500 45 35 3000 1750 65 33 パルス発振、増幅
2C42 6.3 0.9 500 12 - 3370 - UHF発振
2C43 6.3 0.9 500 12 3370 1750 65 32.5 パルス発振、増幅
2C46 6.3 0.75 500 13 3370 0.02 65 32.5 パルス発振、増幅
6442 6.3 0.9 350 8.0 - 5000 2.8 パルス発振、増幅
6771 6.3 0.75 300 6.25 90 5000 - パルス発振、増幅
7815 6.3 1.0 3500 10 - 3000 2000 78 30 パルス発振、増幅
7815R 6.3 1.0 5000 10 - 3000 2000 78 30 パルス発振、増幅
7910 6.3 0.275 1200 1.5 - 7500 100 パルス発振、増幅
7911 6.3 0.55 3000 6.5 6000 2200 23.5 19 パルス発振、増幅
3極管
パルス動作
(続き)
GE13971 6.3 0.55 1500 6.5 58 6000 900 パルス発振、増幅
GE14811 6.3 0.36 1300 6.5 60 6000 190 パルス発振
GE15371 6.3 0.5 2000 10 85 6000 700 パルス発振、増幅
GE16231 6.3 0.4 1250 6.5 225 3000 20 パルス発振
GE17701 6.3 1.25 2500 30 - 3000 3.5 25 19 パルス発振、増幅
GE18651 6.3 0.55 1500 6.5 - 3000 800 26.5 19 パルス発振、増幅
GE51025 ? ? ? ? ? 6000 ? パルス発振、増幅
GE51074 ? ? ? ? ? 1300 ? パルス発振
2極管 2B22 6.3 0.75 - - - 1500 - 電力検波器、モニター
6D3D * 6.3 0.7 1500 電力検波器、モニター
7266 6.3 0.215 - - - 7500 - 装置検波器
7841 6.3 0.215 - - - 7500 - 信号検波器
4極管 GL6251 5.5 19.0 7000 25000 20 220 25000 高電圧版
GL6283 6.3 3.6 2000 300 10 1250 154 軍用通信システム
GL6848 7.0 13.5 4500 2000 - 800 1200 電力増幅、発振
GL6942 5.7 24 4000 1500 - 1000 1000 UHF増幅、発振
GL7399 6.3 5.6 10000 500 - 1500 52000 パルス増幅、発振
GL7985 6.7 13.5 7000 3500 - 800 1100 電力増幅、発振
GL8500 6.3 3.8 2000 500 14 1500 110 電力増幅、発振
GL8513 7.0 13.5 9000 4000 - 800 1500 電力増幅
GL8866 6.3 3.8 3500 150 - 1500 1000 電力増幅、発振
GL51038 6.3 5.6 10000 500 - 1500 24000 パルス増幅、発振
GL51038R 6.3 5.6 10000 500 - 1500 24000 パルス増幅
GL51064 5.7 24 8000 2750 - 1250 4000 パルス増幅
GL51065 6.3 3.8 5000 600 - 1500 1100 VHF-UHF軍用通信
GL51070 - 3.8 - - - 900 200 GL51065のCW版

          *6D3Dは、ロシヤ OTK製のライトハウス管でモニター検波用のUHF2極管です。全長は、47mm、最大径が32.7mmφです。

           

GENERAL ELECTRIC 2C40A
GENERAL ELECTRIC 6299 GENERAL ELECTRIC 6771
MACHLETT 2C39A(150%) EIMAC 2C39A(150%)
GENERAL ELECTRIC 2C42 GENERAL ELECTRIC 2C43 GENERAL ELECTRIC 2C46
GENERAL ELECTRIC 2B22 OTK 6D3D UNKNOWN 6442
Eimac 2C39WA*1(100%) MACHLETT 7289
RCA 6884*1(左写真120%)
EIMAC 7815 EIMAC 7815AL
GENERAL ELECTRIC 7911 GENERAL ELECTRIC GE17701
GENERAL ELECTRIC GE18651 KM CV273

         註 1.RCA 6884*1およびEimac 2C39WA*1は、尾崎逸郎氏のご厚意による寄贈品です。


                                                                                以上