真空管[マグネトロン]物語                               
                                                                (第3版;平成24年7月7日)

1. マグネトロン(磁電管)

  昭和29年、静岡大学工学部での2年間での一般教養講義を終えて、いよいよセミナール講座の選択になりました。機械工学科、化学工学科、電気工学科とその年に新設された電子工学科のなかから希望の学科を選ぶことになった。 新設の電子工学は、マグネトロンの研究室と電子顕微鏡の研究室の2つが新設され、第1期生の人数は、20人と制限されていました。マグネトロン研究室は、岡部隆博教授で、マグネトロンを製作するのに必要な各種サイズのガラス管材料、ステムを製作する線材、ガラス加工の酸素ボンベ、真空排気台や、エージング装置などなど多くの機材は、岡部隆博教授の私財が当てられたと記憶しています。

 ゼミナーるのテーマは、”6mm マグネトロンの試作、発振実験によるマイクロ波確認
を選びました。勿論、ガラス細工、ステム作成、排気作業など全ての作業は、初体験でしたが、これらの作業は、岡部隆博教授と研究室の助手のかたから手ほどきを受けて、実験を進めました。

 試作したマグネトロンを動作させるための大型電磁石の直流電源としては、旧陸軍のトラック用の大型蓄電池を徹夜して初充電作業をしたのも楽しい思いでとなっています。卒業までに”サンライズ型の共振器”の内蔵する何本のマグネトロン真空管を試作したのか今となっては定かでないのですが、大変な材料費や光熱費を使用しました。試作したマグネトロン真空管の排気作業には、いろいろと試行錯誤をして、何とか試作マグネトロン真空管のタングステン・フィラメントが点灯したときには、思わず”やったー”と声を上げたものです。卒業論文は、試作マグネトロン真空管により6mmのマイクロ波を発振させて完了しました。 これが私のマグネトロン真空管との出会いです。
                                                             
 現在運用されている船舶用のレーダーなどの送信機は、ほとんどがマグネトロン(磁電管)と呼ばれる特殊な真空管を使用して、発生するマイクロ波により運用されています。 もっと身近な例は、”チーンする”と馴染みの日本語となった家庭用の電子レンジの高周波電源にこのマグネトロン真空管が使用されています。

 構造と動作原理

 以下は、”TOSHIBA ELECTRON TUBE HAND BOOK  1”ーSpecial Tubeよりの抜粋です。
 
 磁界に垂直に張られた電線に電流を流すと、電線にはフレミングの左手の法則にしたがった力が作用しますが、マグネトロンこの様な磁界の作用を利用し、電子の運動を制御して、強力なマイクロ波を発生させるように設計された電子管です。

  マグネトロン(磁電管)は、その名のように磁気の効果を利用した真空管です。マグネトロンは、右の図に示す如く、中心部に於かれた陰極とその周辺に多くの空洞(マイクロ波共振回路)を有した円形の陽極からなる2極管です。陰極の軸方向に強力な磁界を加えて動作をさせます。ヒター電圧を加えて陰極の温度を上昇させると陰極から熱電子が放出されます。この電子は、陽極電圧の電界による吸引力と磁界の作用による偏向力を受けて、図に示すようなサイクロイドを描きながら陽極に達します。

 このとき陽極空洞全面を通過する電子の荷電により、空洞に共振した高周波振動が誘起されこの振動電圧がさらに電子へ作用して電子の速度に変化を生じさせ、陰極と陽極との空間内の電子の分布に疎密を生ずる。このい疎密が空洞への誘導を更に強め、墜には電子密度の大きい部分が恰も自転車のスポークの如き形となって、陰極の周りを一定の速度で回転し、強力な高周波振動が持続されます。マグネトロンの発振周波数は空洞の構造と寸法等によって決定され、特に波長30cm以下のマイクロ波を容易に得ることが出来ます。

 このようにマグネトロンの発信周波数は管内の内部にある陽極空洞の形状寸法等により決定されますから、出来上がったマグネトロンの多くは、周波数を任意に変えることは出来ませんが、5J26のように特別の工夫をして発信周波数が変えられる様になってるものもある。

 マグネトロンの動作中、陽極からでた電子の一部は陽極に達せず、磁界の作用によって再び陰極に舞い戻るものがあります。この時の電子は、高周波電界によって高速にされていますから、衝突によって陰極の表面温度を高めます。これを電子の逆衝撃現象と呼んでいます。この逆衝突によって陰極温度を高めるエネルギーの量は、マグネトロンの構造よって違いますが、陽極直流入力の5〜10%にも及びます。従って、陽極入力の大小に応じて、動作中にヒーター電圧を下げ、適当な陰極温度に調整しなければなりません。

 このようにして発生したマイクロ波振動は、陽極空洞に結合した回路を通してマグネトロンの外に導き出されます。この結合回路には、電磁結合(ループ型)と静電結合(スリット型)等があります。出力回路には、周波数と出力に応じて、さらに便利さを考えて同軸型、あるひは導波管型があります。同軸型としては、5J26,2M40、導波管型としては、2J42,2J55 5M36A、6410A等があります。マグネトロンに不可欠な磁界は、普通強い永久磁石を管球の一部として組み込んであり、パッケージ型と呼ばれています。外部より磁界を与えるものはマグネトロンによって磁極片の形状、寸法、間隔、磁界の強さが決まってきます。

特徴および用途

 マグネトロンは、極めて高能率で他のマイクロ波用真空管に比較して小型で有るにも拘わらず、大きな高周波出力を容易に取り出せる特徴を持っていますので、、従来は主としてパルス発振によるレーダーの送信管として発達してきましたが、最近はパルス用の他に連続発振のマグネトロンが製作され、マイクロ波調理器(電子レンジ)や高周波医療機器に使用されるようになってきました。


品名 製造メーカー ヒター
電圧(V)x電流(A)
寸法
全長(mm)X径(mmφ)
周波数
(MHz)
出力電力
(kW)
用途
4J50A LITTON 13.8x3.4 150x190 9375±30 250 火砲制御用レーダー
7521 MICROWAVE ASSOCIATE ?x? 140x52.5 8,900〜9,400 0.7 ナイキI ミサエル誘導装置
6177A Raytheon 6.3Vx0.6A 80x41.5 4,200〜4,300 CW、変調用
2M217H SANYO ?x? 80x80x120 2540 700〜850 電子レンジ
2M78A Matsushita ?x? 140x120x145 電子レンジ
2M189B-M2C Panasonic ?x? 90x125x130 電子レンジ
2M189 Matsushita ?x? 105x125x125 電子レンジ


    LITTON TYPE-4J50
        マグネトロン
          1943


 LITTON INDUSTRIES TYPE−4J50Aは、固定周波数が9375 MHz、パルス出力電力が250kWのマグネトロンです。

 TYPE−4J50Aは、重量が4.5kgで強制空冷でCV2284と相当品です。

 JA1SAV 飯田俊明氏の寄贈品ですが、氏のお話によると戦後海上自衛艦として初めて配属された”はるかぜ”に装備された機関砲にFIRE CONTROL用のレーダー装置に使用されたマグネトロンと言うことです。

 フィラメント電圧x電流;13.8Vx3.4A
 全長x最大径;150mmx190mmφ
 (47%) 
 MICROWAVE ASSOCIATES
      JAN7521
        マグネトロン
          1943


 MICROWAVE ASSOCIATE JAN752は、内部空洞共振器を外部の調整シャフト(写真下部)により調整して、周波数を可変できるマグネトロンです。

 同型のJAN6229によると外部調整用シャフトにより周波数範囲が8.9〜9.4 MHzまで調整可能とのことです。 また、陽極をアース・ポテンシャルにして、マイナスのパルス「電圧を陰極に印可することにより、0.25μsecのパルス出力を700Wが得られます。マグネトロンの平均電力は、0.35Wです。ナイキ I ミサエル誘導装置に使用されていました。

 従って、写真に示すJAN7521も同じ様な目的のマグネトロンと推定されます。しかし、詳細なデターは目下調査中です。

 山肩昭夫氏のご厚意による寄贈品です。

 
 フィラメント電圧x電流;?Vx?A
 全長x最大径;140mmx52.5mmφ
 (85%) 
         RAYTHEON
       6177A(RK6177)
         マグネトロン

 
 Raytheon 6177A(RK6177)は、円筒形状の
内部空洞型マグネトロンで、出力は、BNC接栓付の
同軸で、本体の側部に端子板が付いた特殊な形状の
マグネトロンです。
 周波数は、4,200〜4,300MHzで出力はCWの1Wです。
 Raytheon 6177A(RK6177)は、クラッシック
コンポーネント(株)の桜技社長の寄贈品です。

 
 フィラメント電圧x電流;6.3Vx0.6A
 全長x最大径;80mmx41.55mmφ
 (60%) 
              SANYO 
         2M217H
         マグネトロン


 SANYO 2M217Hは、家庭用電子レンジに使用されたマグネトロンです。

 定格は、次の通りです。
Voltage ;4.1KV

Standard Type; K-Configuration
            30mm Antenna
            35mm Hole Cntr
Output;700〜850W            




 フィラメント電圧x電流;?Vx?A
 全長x最大径;80mmx80mmx120mm

 (47%) 
  Matsushita Electric Industrial
        2M78A
        マグネトロン


 Matsushita Electric Industrial 2M78Aは、家庭用電子レンジに使用されたマグネトロンです。

 定格は、調査中です。村田信夫氏のご厚意による寄贈品です。

      

 フィラメント電圧x電流;?Vx?A
 全長x最大径;140mmx120mmx145mm

 (59%) 
        Panasonic
        2M189B-M2C              マグネトロン


 Panasonic 2M189B-M2Cは、家庭用電子レンジに使用されたマグネトロンです。

 定格は、調査中です。村田信夫氏のご厚意による寄贈品です。

 フィラメント電圧x電流;?Vx?A
 全長x最大径;90mmx125mmx130mm

 (60%) 
Matsushita Electric Industrial
        2M189
        マグネトロン


 Matsushita Electric Industrial 2M189は、家庭用電子レンジに使用されたマグネトロンです。

 定格は、調査中です。村田信夫氏のご厚意による寄贈品です。

 フィラメント電圧x電流;?Vx?A
 全長x最大径;105mmx125mmx125mm

 (64%) 

 1.1 MICROWAVE ASSOCIATES JAN7521 マグネトロン
   
 マグネトロンの発信周波数は、管内の内部にある陽極空洞の形状寸法等により決定されますから、出来上がったマグネトロンの多くは、周波数を任意に変えることは出来ませんが、5J26のように特別の工夫をして発信周波数が変えられる様になってるものもある。

 MICROWAVE ASSOCIATE JAN7521は、垂直方向に取り付けられている周波数調整用シャフトにより周波数の微調整ができる。   

                 


  左写真の下部の周波数調整用シャフトと上部のBNC型接栓はヒター電圧用の端子です。この端子にマイナス・ポテンシャルのパルス電圧を印可して、陽極をアース電位にして動作させます。 中央の写真は、円形導波管出力グランジを示します。右の写真は、マグネトロン内部の空洞型共振器から円形導波管への変換用のマッチング回路を示します。


 
                                                                                           以上