2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ53

電子管技術の系統化調査

2

Development of electron tubes and tube technologies

岡本 正

Tadashi Okamoto■ 要旨
17世紀後半に始まった電子管の研究は19世紀末から20世紀初頭にかけて放電管からX線管、ブラウン管、二極管、三極管など、急速に多様化した。電子管は固体デバイスに先立って先導的役割を果たし、今世紀の電子技術に最も貢献したデバイスのひとつとなった。すでに受信管やブラウン管に対するニーズはほぼ他のデバイスに移っているが、引き続き、X線管やマイクロ波管などの電子管が重要な技術貢献を果たすと見られる。
電子管の中で、極管、マイクロ波管など、電波の発生、増幅に関わる電子管は、放送、通信、レーダのニーズに応えるとともに、近年はマイクロ波エネルギー応用の分野のニーズにも応えて大きく発展を遂げている。本報
告では、この分野のおよそ100年の盛衰の歴史をたどり、技術の系統的な発展経緯を調査する。
マグネトロンの高効率化、量産化技術、進行波管の高度化と世界に向けた市場展開、クライストロン、ジャイ
ロトロンの大電力化への開発過程で生み出された日本の発明や技術とその蓄積は特筆すべきものがある。マグネトロンでは分割陽極の発明があり、これによってマグネトロンの高効率化が現実のものとなって、今日の発展の道が開けた。進行波管では、周期磁界集束の発明により小型軽量化が可能となり、発展の礎が築かれた。大電力
クライストロンでは、1979年に将来の大型化を見通した投資が行われ、受電設備や超大型管を開発製造するための建物を含めた設備や装置の整備が進められ、大型管の真空度や出力窓に関する基盤的な技術向上がはかられた。
一連の技術はジャイロトロンの開発にも引き継がれた。ジャイロトロンでは、いち早く、モード変換器やミラー系を管内に取り入れ、コレクタ電位低下動作技術を採用して、大電力、高効率性能を一段と高めた。さらにダイ
ヤモンド出力窓の有効性を実証し、2006年には国際熱核融合実験炉ITER計画の目標性能を達成した。
今後に予定される超大型計画では、これらの大電力管とその技術が重要な働きを担うことは明らかである。すでに世界的に、高い電子管の技術的地位を築いているが、今後も引き続き、そのポテンシャルを維持し、発展と貢献の道を歩むと期待したい。電子管の開発と製造は寡占化されていて、国際協力の場で、技術の維持、強化、発展を進める段階になってきていると思われる。

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ54■ Abstract
Research and development on electron tubes diversified rapidly at the end of 19th and beginning of 20th centuries. Electron tubes were important components in electronics before the appearance and acceptance of solidstate devices. Electron tubes achieved their largest contribution to electronic technologies in the last century.
Though the market for receiving and Braun tubes has disappeared because other devices have replaced thesetubes, electron tubes such as X-ray tubes and high power microwave tubes are expected to continue being
important components into the future.
Gridded tubes and microwave tubes, related to the oscillation and amplification of electro-magnetic waves,
have responded to the needs of broadcasting, communications and radar systems. Further, in recent years, electron tubes have found applications in microwave energy.
There have been many important contributions made by Japanese researchers and engineers to the development of electron tubes. For example, the invention of the severed anode, which contributes to high operating
efficiency, the mass-production technology for the magnetron, the invention of PPM focusing technology, theworld-wide export of traveling-wave tubes for ground stations, and the excellent performance attained by highpower klystrons and gyrotrons, .
Japanese high-power klystrons, gyrotrons and their technologies already have been appreciated, which are
now gaining attention from other countries.
It is expected that Japan will make more important international contributions in the future.

■ Profile岡本 正■ Contents
Tadashi Okamoto

国立科学博物館産業技術史資料情報センター主任調査員

1.はじめに ..................................................................55
2.電子管事業の盛衰 ...................................................56
3.極管 ..........................................................................60

昭和35年3月

大阪大学工学部通信工学科卒業

昭和35年4月

東京芝浦電気株式会社入社
以降、マツダ研究所、中央研究所、
電子部品研究所、電子事業部に配属

4.マグネトロン...........................................................68
5.クライストロン.......................................................76
6.進行波管 ..................................................................84
7.ジャイロトロン.......................................................92

昭和49年4月

電子事業部 電子管技術部 技術主査

昭和52年3月

電子管技術部 電力管技術課長

昭和57年4月

電子管技術部長

9.むすび ...................................................................106

昭和58年4月

要素部品事業部 技術主幹

登録候補一覧............................................................111

昭和62年4月

電子事業本部 電子管担当副技師長

平成1年4月電子事業本部 電子管担当技師長

平成3年4月電子管事業部 技監

平成9年5月アイテル技術サービス技術顧問

平成13年12月

東京電子 顧問

平成16年12月

IDX 理事学会：プラズマ・核融合学会、日本加速器学会、IMPI

8.まとめと系統化.......................................................99

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1 はじめに真空管は電子装置の重要な部品として広く使用されてきた。

極管は検波、増幅、発振、周波数変換等の機能を果たす唯一のデバイスとして、技術的にも事業としても真空管は、広義では、X線管、ブラウン管、撮像管

大きく発展した。極管は、通信、放送分野のみでなく、等を含む真空封止された全電子管、狭義では、ラジオ、

レーダ、電子計算機、測定器等、エレクトロニクスの

テレビ、音響機器、通信機等に使用された受信管と一極めて広い範囲で使用された。1950年代中頃まで、ま部の空冷の小型送信管を指すようである。真空管は広さに極管の独壇場であった。

く使われた名前であるが、本系統化調査では、放電管

しかし、トランジスタが発明され、1953年頃から実を含むさらに広い範囲のデバイスの一般的名称として用に供されるようになって、状況は一変した。トラン電子管という名前を使用することにする。また、本報

ジスタはゲルマニウムからシリコンに進化した。固体

告では、二極管や、三極管をはじめグリッドを使用すデバイスの進展に伴って事業環境が大きく変化し、70る電子管をまとめて極管と呼ぶことにする。

年代後半には、受信管の生産が急減した。

広く行き渡った電子管としては、極管のほかに、テ放電管、撮像管、表示管、光電変換管の分野でも同レビや計算機出力表示用のブラウン管と電子レンジ用

様に固体装置化が進んだ。送信管、マイクロ波管も低のマグネトロンがある。極管やブラウン管は良く知ら

電力、中電力のものは固体装置に市場を奪われた。事れているが、マグネトロンは、電磁波を発生し高電圧業として最も大きく成長したブラウン管も、液晶やプを扱う関係から、電子レンジの中の、隔離された見え

ラズマ表示デバイスが急速に伸びたため、2005年には、ないところに組み込まれていて、一般にはあまり知ら

国内生産を終息した。

れていないと思われる。

しかしながら、電子管ならではの領域があり、現在電子管の研究は、17世紀後半から進められた低圧ガ

でも、特定の分野での使用が続いていて、新しい開発

ス中の放電研究に端を発したと言えよう。19世紀末かも進められている。引き続き、特定の分野で重要な働ら20世紀初頭にかけて進められた一連の研究の中で、きを維持していくものと考えられる。

①X線が発見され、②電波の存在が実験的に確認され本系統化調査では、このような電子管のうち、特にて無線通信事業が始まり、③熱電子放射が観測され、電波に関わる電子管に焦点を当て、発展、盛衰、事業④電子の性質や概念が把握され、さらに、⑤光電効果の推移を調査し、産業技術史上の位置付けを行うととにかかわるいくつかの現象も観測された。

もに、あわせて、今後の動向を見定めることにする。

これに対応して、X線管、極管、放電管、ブラウン

2章では、電子管事業の盛衰を概観する。

管、表示管、光電変換管などが誕生し、それぞれが大電子管には大別して、電磁波の発生や増幅にかかわきく成長した。続いて、より高い周波数帯のニーズにるものと、撮像管や映像管のようにイメージを扱うも応えて、マグネトロン、クライストロン、進行波管等のがある。また前者は光やX線領域で動作するものと、のいわゆるマイクロ波管が開発され、レーザ管が登場

直流を含む電波の領域で動作するものに分けられる。

した。また1974年にはジャイロトロンが発表されて、3、4、5、6、7章では、極管、マグネトロン、クラ

ミリ波領域で従来、不可能とされた高出力を発生でき

イストロン、進行波管、ジャイロトロンを取り上げ、るようになった。

それぞれの開発推移をたどる。

X線管は、医療、非破壊検査、分析等のニーズに支8章で、調査のまとめと系統化を試みる。

えられて発展した。また、X線の透過像を可視像に変調査にあたって、大学、博物館、ユーザ、メーカの換し増強するイメージ増倍管が開発され、医療や非破いくつかを訪問し、電子管関連の資料の提供を受けた。

壊検査の分野で発展した。

また、展示物、年史、社史、刊行物、インターネット

極管は初期の真空度が余り良くないものから、高真情報等を利用した。特に1980年代中頃までの歴史につ空のいわゆるハードチューブへ進化し、通信、放送の

いては、日本電子機械工業会電子管史研究会が編纂し分野で、次第に高い周波数帯の要求に応えながら、一た「電子管の歴史」に負うところが大きかった。

方では受信管としてより小型化し、他方では送信管としてより大きい出力領域で活躍した。

電子管技術の系統化調査

55

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2 電子管事業の盛衰
本章では電子管の主なものについて、開発概況、発展経緯、事業の盛衰を概観する。電波の発生、増幅に関わる電子管は3.7章でさらに詳細に取り上げる。

に負うところが少なくなかった。
戦後復興、景気回復、神武景気、岩戸景気、皇太子
ご成婚、東京オリンピックなどを経て、エレクトロニ
クスの全盛期を迎えた。特にラジオ、テレビ用の電子

2.1 電子管の発展の概要（1）、（2）管は、量産技術を確立し、急速に需要を伸ばした。
戦後、マイクロ波管の開発はGHQ（General

わが国における極管の開発は、欧米諸国の技術を追Headquarters、連合国最高司令官総司令部）によりう形で1910年頃に通信用三極管の研究から始まった。

禁止されたが、まず通信用のマグネトロンの開発が解

東京電気（現東芝）、続いて日本無線電信電話 （現日

禁され、1950（昭和25）年にはレーダ開発が解禁され本無線）が極管の生産を開始し、1920（大正9）年頃た。これを契機に、米国マグネトロンの国産化が始まには数社が生産に加わった。

った。クライストロンの研究が再開され、進行波管の関東大震災の被害を受けて、メーカは上記の2社になったが、その後、日本電気、川西機械（現富士通）、日立などが生産に復帰、あるいは参入した。
1925（大正14）年に、東京をはじめ、大阪、名古屋
で、相次いでラジオ放送が始まった。この需要に応えて、1930年代半ばにかけ、四極管、五極管など、送信管の大電力化と受信管の多様化が進んだ。

マグネトロンはレーダ、続いて、マイクロ波加熱、
特に電子レンジ用のニーズに支えられて大きく発展した。電子レンジ用マグネトロンは性能的にも生産数量でも世界を凌ぐ実績を達成した。
進行波管はマイクロ波中継のニーズを受けて発展し、衛星通信、衛星放送分野でさらに大きく成長した。

長波帯から始まった極管の応用は、中波の時代を経クライストロンはUHF-TV、続いてレーダ、通信分て、次第に、短波、極超短波帯へ展開された。しかし

野で活躍し、また核融合や加速器のニーズ受けて、大ながら、極管は高い周波数帯での大電力の要求に、十電力化、巨大化の道をたどった。

分に応えることはできなかった。

マイクロ波管は周波数が高くなると急速に出力が低1921（大正10）年に米国で発明されたマグネトロン

下し、特にミリ波大電力の要求に応えられなかったが、は性能的に必ずしも満足なものではなかった。19271970年代に入ってジャイロトロンが登場し、特に核融（昭和2）年に当時、東北大の岡部金治郎がマグネトロ

合のニーズに応え得る大電力の達成に十分な見通しがンの陽極を分割し、性能を大きく向上させた。マグネ

得られるようになった。

トロンはレーダの要求に応えて20kW程度のものが製

ブラウン管は1953（昭和28）年の白黒テレビ本放送、作されるようになった。1940（昭和15）年には東京工1960（昭和35）年のカラーテレビ本放送を経て大きく大の西巻正郎が均圧環を考案し、朝永振一郎らがマグ発展し、大型化、広角化、高輝度化、高精細化、高解ネトロンの理論解析を集中的に進めた。出力100kWの像度化に向け、性能的に大きく成長し、事業的にも巨マグネトロンが試作され、終戦直前に500kW管の開発大化した。用途もCPT（Color Picture Tube）からも実施された。

CDT（Color Display Tube）へと広がった。蛍光面はイメージ関連の電子管としては、浜松高等工業学校

ドット形状からストライプ形状に、電子銃もデルタ型（現静岡大）の高柳健次郎による1926（昭和元）年のからインライン型へ進展した。映像面の口径も40イン「イ」の字の送像、受像実験と、これに続く高真空多チを越えるものが登場した（図2.1）。トリニトロンが極型ブラウン管、さらにアイコノスコープの試作など開発され、マイクロフィルタ内蔵のディスプレイ管（3）の先駆的な研究が進められた。幻に終わった1940年のが考案された。

東京オリンピックに向けたNHK技術研究所によるテレビ研究の貢献も大きかった。やがてブラウン管の研
究は軍事研究に向けられ、終戦を迎えた。

56

研究も開始された。

ブラウン管関連では、ほかに、観測用ブラウン管、投射管の開発と実用化が進められた。
撮像管は戦前に開発されたアイコノスコープから戦争末期や戦後の混乱で電子管の開発はかなりの遅1951（昭和26）年に開発が開始されたイメージオルシ

れをとったが、ラジオ、続いてテレビの需要に支えら

コン、さらに小型化の道を歩んで、ビジコン、プラン

れ急速に力を回復した。復興と再開には、欧米の技術

ビコン、カルニコン、サチコン、ニュービコン、ニュ

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

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図2.1 43インチ型カラーブラウン管（写真：松下東芝映像ディスプレイ）ーコスビコン、トリニコンなどが誕生した。最近の開発では、光が極めて弱いところで力を発揮できる高感度HARP（High-Gain Avalanche Rushing amorphous
Photoconductor）撮像管がある（4）。この撮像管は1985

図2.4（昭和60）年に開発が始まり、現在も開発が継続されている。図2.2はHARP管の外観写真である。

スーパカミオカンデ（5）X線管は1915（大正4）年のガス入りX線管（図2.5）、
1920（大正9）年の高真空クーリッジ管に始まった。
1938（昭和13）年には回転陽極管が開発された。戦時中の空白を脱却し1950年代には完全に力を盛り返した。性能も向上し、診断用、歯科用、治療用、工業用、分析用などへ向けて多様化が進んだ。

図2.2

2/3インチ型HARP管（4）光電子増倍管の研究は戦前から始まっていたが、1950年代後半からわが国独自の開発が進められ、1970（昭和45）年頃にはマルチチャンネルプレートを組み込んだ製品が発表されている。特筆すべき開発品のひ
とつに、過去にカミオカンデで使用され、引き続き、
スーパカミオカンデで使用されている光電子増倍管がある（図2.3）。図2.4はこの光電子増倍管11,200本を実装したスーパカミオカンデの内部写真である（5）。
図2.5

ガス入りX線管（写真：東芝科学館）

回転陽極管は、金属製のベアリングを使用するものであったが、1989（平成元）年に、液体金属潤滑軸受けを利用するX線管の開発が始められた。図2.6にこのX線管の基本部を示す。回転によってヘリンボーンと呼ばれる溝に発生する液体金属の動圧の作用を受け、
図2.3 光電子増倍管
R3600-05（写真：浜松ホトニクス）

軸受けの金属が互いに接触することなく回転部が液体
金属中に浮かんだ状態となるユニークな軸受けである。
高真空中で機械的磨耗なしに使用できる特長を持っている（6）。すでに数100本を越す製品が市場に出ている。

電子管技術の系統化調査

57

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トランジスタラジオの発売を開始し、60年代に入るとテレビのトランジスタ化が急速に進んだ。この固体化の影響を受け、受信管の生産は1959（昭和34）年をピークに急速に減少した。1970（昭和45）年末には、各メーカが相次いで受信管の生産を打切った。なお、音響関係では、現在でも受信管や小型の送信管に対する根強いニーズがあって、もっぱら海外の製品がその需要を満たしているような状況もある（7）。
カラーブラウン管は、高精細化、広角化に向け、多くの努力が傾注され、性能が大幅に向上した。カラー
図2.6

液体金属潤滑X線管

テレビを始め、コンピュータの表示で不動の地位を築いた。しかしながら、フラット化、大画面化の点で液1948（昭和23）年にWH社が発表したX線イメージ

晶表示デバイス（LCD）や、電子管の一種であるプラ増倍管は、日本では1950（昭和25）年代中頃に東京芝

ズマ表示パネル（PDP）に対抗できず、図2.7に示す

浦、島津製作所、日立が研究を開始した。これはX線

ように、1995（平成7）年をピークに、生産が急速にのイメージを可視像に変換する機能を果たす電子管

減少した（8）。2000年代に入ると、日立、東芝、ソニー

で、X線管とともに、医療、工業、手荷物検査等に広が相次いで生産を中止し、2005（平成17）年には国内く利用された。画像面の径は6ないし16インチにわた生産が終息した。

っている。

放送用送信管の使用はなお続いているが、同様に固放電管も早くから開発を開始された電子管である。

体デバイス化が進み、今後、行われる放送機の更新に日本ではすでに1920（大正9）年頃に整流管として利際して、いっそうの固体化が進むものと予測される。

用され、水銀陰極、熱陰極、冷陰極の放電管として、
整流、定電圧、点灯、避雷、放射線検出・計数、表示など、広範囲に利用されてきた。現在は放電管が活躍する範囲は大幅に狭くなっているが、高電圧のスィッ
チング用としてサイラトロン、イグナイトロン等が重要な働きを担っている。
1963（昭和38）年に開発が始められたレーザ管も放電管の一種である。このほか、特殊な放電管では、原子炉の内の中性子を検出する中性子検出インコアモニ
タがある。これは管内で起きる中性子による核分裂を利用する極めて特殊な電子管である。

2.2 競合と事業の盛衰

図2.7

カラーブラウン管の生産推移（8）撮像管も、固体化により活躍の場を狭められた電子受信管は、ラジオやテレビの不可欠な部品として量管である。1970年代後半から1980年代にかけてCCD

産され、1959（昭和34）年には、年間で2億5000万本（Charge Coupled Device）が大きく成長したため、の生産を達成した。ブラウン管 は、テレビやコンピ

急速に市場を奪われた。

ュータの画像表示に使用され、最盛期には、年間の生産高が7,000億円に近い事業へと発展した。

でなく、電子管同士でも起きている。たとえば、カラ1947（昭和22）年に点接触型トランジスタ、1951

ーブラウン管がPDPに置き換わったほか、レーダの高（昭和26）年に接合型トランジスタが発明され、1953

度化に伴って、マグネトロンが進行波管やクライスト（昭和28）年頃から実用に供されるようになった。

ロンに置き換えられるなどの例がある。

1954（昭和29）年にシリコントランジスタ、1962（昭和37）年には電界効果トランジスタが出現した。
1955（昭和30）年には東洋通信工業（現ソニー）が58

競合の問題は他の原理で動作するデバイスの間だけ

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

電子レンジ用のマグネトロンに関しては、一時、固体化の検討が進められたが、今では、価格的に無理と判断され、固体化の可能性はなくなっている。しかし、

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メーカ間の激しい競争のために価格の低下が進み、生産数では今なお増加方向にあるが、生産自体はほぼ海外に移っている。海外生産も人件費の高い国では成り立たなくなって生産中止に追い込まれている。
電子管事業の盛衰は電子管自身の問題にとどまらない。たとえば、ブラウン管のガラスバルブのような関連部品事業に大きい影響を与えたほか、電池のように受信管と協同してトランジスタラジオに使用された製品の事業にも相当な影響を与えた。
今も開発が続いている電子管は、X線管やマイクロ波・ミリ波大電力管等である。これらの電子管は、X
線CT、衛星通信、衛星放送、超大型加速器、核融合等のニーズを受け、引き続き、開発が継続されている。
X線管は、線源として価格的に代わるものがない。
また、大電力マイクロ波管は、単管当りの出力が大きく、これが存続の路を開いている。
図2.8

一般に大電力大型システムに利用されるデバイスに

電子管生産高比の推移（8）求められる出力は、システムの設計や回路方式によって要求のレベルが異なるが、経済性や取り扱い上の見

参考文献

地から、通常、大きい方が望ましい。固体デバイスは（1）日本電子機械工業会電子管史研究会：電子管の歴史、数を増すことによってある程度出力を増やすことがでエレクトロニクスの生い立ち、オーム社（1987）

きるが、容積や重量が電子管よりかえって大きくなる（2）S. Okamura： History of Electron Tubes 、ほか、効率が下がってしまうという問題を持っている。

Ohmsha Tokyo Osaka Kyoto、 IOS Press

たとえば、衛星搭載管の固体化も進みつつあることは

Amsterdam・Oxford・Washington（1904）

否定できないが、次期放送衛星搭載用の進行波管に対（3）岡本：「真空管の移り変わり 電子管の変遷と最近し、今なお、開発が継続されている。
以上、述べたような競合と事業環境の変化を反映し、の動向、技術探索、電学誌、116巻 7号、P427430（1996）

経営的見地から、東芝、日立、日本電気などは、開発（4）谷岡：「超高感度HARP撮像管の研究開発とそのと製造の拠点を関係会社に移している。この動きは、応用」、平成18年度技研公開研究発表予稿集、p6-

わが国だけでなく欧米でも見られ、事業の整理統合、

15（2006）

社名の変更、事業の売却、事業場の統合等が行われている。

（5）高エネルギー物理学研究者会議編：「素粒子が解き明かす万物創成の謎」、加速器研究機構

JEITAの電子部品生産実績のデータ（8）からまとめた（6）小野、北出、阿武：「液体金属潤滑の滑り軸受を

各種電子管の生産高比を図2.8に示す。1999および採用したCTスキャナ用回転陽極X線管装置」、東2005年度の電子管の生産高は、それぞれ、4,730、

芝レビュー vol. 50 No.1 p.55-58、（1995）

3,038億円で、総額が大きく減少していること、プラ（7）諏訪：「真空管 若者をひきつける「やわらかい音」、

ズマ表示デバイスがブラウン管に代っていることなど

とれんどサーチ、朝日新聞 6月18日（2006）

が読み取れる。

（8）JEITA：「1999〜2005年における電子工業の動向」

電子管技術の系統化調査

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3 極管
極管は、多様化、小型化（受信管）、大電力化 （送信管）、高周波化に向けて発展する。

超える特許を取得しているが、この二極管をさらに発展させることを考えなかった。
1984年9月に米国電気学会（AIEE）の第1回講演会

3.1 電球からハードチューブへが開催され、その席で、エジソンが作った電極入り白熱電球が取り上げられ、電位の高い方から低い方へ電

白熱電球には断線とバルブ黒化の問題があった。エ流が流れる現象が説明されている。この現象は後にエジソン（T. A. Edison）はこの現象を詳しく調査した。

ジソン効果と呼ばれた。当時、陰極線管の研究が進め

彼は、（1）断線がフィラメントのプラス側の特定の位られ、マイナス側の電極から放射された陰極線が電界（1）置に限られていること 、（2）プラス側の近くでバルや磁界の作用で偏向できることがすでに知られてはいブが黒く着色し、しかもマイナス側から見たときフィ

たが、電子が発見される以前のことであった。

ラメントのプラス側の部分の影に当たるところの黒化（2）

フレミング（J. A. Fleming）がエジソン効果を検波がやや薄いことに気づいた 。そこで、図3.1に示すよに利用できることに気づき、1905（明治38）年に、二

うに、フィラメントのプラス側とマイナス側の中間に極管の特許を取得した（4）この間、エジソンの発明から白金の板状電極を挿入した。この電極を電球のプラス

実に22年の歳月が流れている。無線通信事業が開始さ側端子に接続すると電流が流れ、マイナス側に接続すれて以来、検波器としてコヒーラが使用され、いろいると電流が流れないことを観察した。この電球が電圧ろな改良も進められてきたが、フレミングの着想はそ計に使用できると考え、1883（明治16）年に特許を申の流れを大きく変える発明であった。この頃、検波器（3）請した 。特許に示された電圧計を図3.2に示す。このとして、フェッセンデン（R. A. Fessenden）の バレ

電球は構造的には二極管そのものであるが、その応用

ッタ（5）、（6）、ボーズ（J. C. Bose）の方鉛鉱を用いた鉱は、単に白金板をフィラメントのプラス側に接続して石検波器などの発明が行われていた。

電圧計として使用するだけにとどまった。彼は1,000を

図3.3にフレミングの二極管の検波回路を示す。図のcがアルミ製の円筒陽極で、この電極が炭素フィラ
メント（陰極）bから放出された熱電子を捕集する。
電流は陽極から陰極に向かってのみ流れるので、陽極に加えられた高周波が検波され、ガルバノメータlで検出される。特許の中ではこの二極管を2個使った全波の検波についても言及されている。

図3.1

エジソンの二極管 （3）図3.3

フレミングの二極管（4）1907（明治40）年にドフォレスト（L, de Forest）
が三極管を発明した（7）。特許は翌年に登録された。図3.4にドフォレストの三極管の構造とそれを用いた回
図3.2

60

エジソンの電圧計（3）

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March路を示す。

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ61

高周波信号が格子aとフィラメント（陰極）Fの間管を完成し、これをオーディオンバルブと呼んだ。続に加えられ、検波され増幅された電流が陽極bから陰いて1919（大正8）年には円筒型陽極のオーディオン、

極Fに向かって流れ、指示デバイスTで検出される。

翌年にはプライオトロンを製作した（12）。図3.5に1917年

彼は管内に封入した低圧ガスが重要な働きをしているに生産されたオーディオンの写真を示す。

と考えていたようである。なお、ここに示した三極管のほか、管外から電磁界を作用させて制御する二極管（8）や三極管（9）などの特許を取得している。彼は1906（明治39）年に外部制御の三極管にオーディオン（audion）という名をつけて発表したが、後に、一般に、三極管がオーディオンと呼ばれるようになった。

図3.5 球形オーディオンUN100（写真：電気通信大学歴史資料館）

3.2 多様化
三極管は、（1）制御格子と陰極の間に、空間電荷格
図3.4子とよばれる正電位の格子を入れ、陰極前面の負電荷

ドフォレストの三極管（7）をこの正電位の格子で中和して陽極電圧を下げた空間

オーディオンは真空度が低いいわゆるソフトバルブ

電荷格子四極管、（2）制御格子と陽極の間に正電位のであった。オーディオンはその後、水銀ガスを封入し格子を挿入して単に利得を高めることを意図した四極

たリーベン・ライス（Lieben-Reiss）管、さらにはサイ管、（3）制御格子と陽極管との間の静電容量を減らしラトロンのような放電管として発展する道と、真空度た遮蔽格子四極管へと発展する。遮蔽格子四極管に関を高めたハードバルブとして発展する道に分かれる。

して1919年に安藤博が特許を申請している（13）。

1915（大正4）年、ラングミュア（Irving Langmuir）

遮蔽格子四極管には、陽極に衝突した電子により発は、（1）リチャードソン（O. W. Richardson）の熱電生する2次電子が遮蔽格子に流れることにより、陽極子放出理論からガスは不要であること、（2）高真空の電流が減少する問題があった。特に2次電子の発生は電子管（ハードバルブ）で、陽極電圧の3/2乗に従う

電極の汚れにより大きく変化し、時間的にも不安定で陽極電流が得られることを米国無線学会（IRE）誌であった。対策として、1920年代後半から1930年始めに

（10）

報告した

。彼は二極管をケノトロン（kenotron）、

三極管をプライオトロン（pliotron）と名づけている。
この3/2乗則は、チャイルド・ラングミュア（Child
Langmuir）の法則として知られるものである。

かけ、オランダとアメリカで遮蔽格子と陽極との間に抑制格子を挿入した五極管が作られた。
続いて、四極管ではあるが、制御格子と陽極との間隔を広げ制御格子と遮蔽格子を目合わせしたビームパ

オーディオンは1910（明治43）年頃に日本に入ってワー管、周波数変換を行う六極管、七極管、八極管ないる。電気試験所で評価したところ、感度は鉱石検波どが考案された。このほか、複数の電子管をひとつに器より数倍高かったが、動作が不安定であった。このまとめた複合管が作られた。

（11）

ため、すぐには実用にならないと判断された 。
電気試験所の研究はいったん中断されたが、1916（大正5）年に再開された。メーカでは、同年、東京電1気（現東芝）、翌年には日本無線が電子管の研究を開始した。
東京電気は1917（大正6）年に、わが国最初の電子

ハードバルブは、このようにして、二極管の整流・検波から、次第に電極数を増して、増幅管さらには周波数変換管へ向かう系統をたどって発展した。
日本では、たとえば、東京電気が1923（大正12）年にソフトバルブUV-200、ハードバルブUV-201をサイ
モトロンの名称で発売し、翌年には、タングステンフ

電子管技術の系統化調査

61

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ62ィラメントをトリウムタングステンに変えて陰極温度

で、フィラメント電流を150mAに統一し、複数の受を下げたUV-199、UV-201Aを発売している。これら

信管を縦続接続することが考えられ、フィラメント電の受信管を図3.6に示す。

圧を12Vまたは24Vとした一連の受信管12Y-V1（高周波可変増幅用五極管）、12Y-R1高周波増幅、検波用五極管）、12Z-P1（電力増幅用五極管）、24Z-K2（倍電圧整流管）等が発売された（18）。
受信管の小型化については、RCAが1937（昭和12）年にGT管、1939（昭和14）年にミニアチュア（MT）
管、さらに1941（昭和16）年にサブミニチュア（SMT）
管を発売した。小型化の要求に応えて開発された一連の受信管の外観を図3.7に示す。
（14）

図3.6 初期の受信管
左から
UV-199、UV-200、UV-201、UV201A
1925（大正14）年にラジオ放送が開始された。
東京電気は1928（昭和3）年には酸化物皮膜フィラ
メントを用いた交流用の三極管UX112A、UX-226、翌年にUY-227を発売し、1930（昭和5）年に遮蔽格子四極管UY224、1932（昭和7）年に五極管UY-247、UY247B、その翌年には高周波増幅用五極管UZ-57、UZ58等を製作して多極化を推進した。ラジオの大衆化に応じて、1934（昭和9）年に小型化した達磨型の多くの製品UX-12A、UX-26B、UY-27A、UY-24B、UY-

図3.7

受信管の小型化（19）47B等、フィラメント電圧を2.5Vから6.3Vに変えた受1941（昭和16）年に太平洋戦争が始まり、軍用受信

信管Ut-6A7等を市場に送った。また、三極五極管Ut-管の開発が進められた。主なものに東京芝浦が発売し6F7、双二極三極管UZ-2A6、UZ-75、双二極五極管た金属缶でバルブを覆って機械的強度を向上し、合わ

Ut-2B7、周波数変換用七極管Ut-2A7等を発売した。

せて遮蔽効果を増したRH-2、RH-4等のHシリーズ、

ビームパワー管としてはUZ-6L6A を1938（昭和13）

金属缶を使用せず、代わりにステムにアカダックを塗（15）

年に発売している 。
1935（昭和10）年にGEが真空外囲器を金属に変えた全金属真空管を開発した。日本では東京電気が全金布して静電容量を減らして量産性を向上したGT管ソ
ラ、日本無線の万能五極管FM-2A05Aなどが戦時体制（20）。
化で開発されている（図3.8）

属真空管の開発を進め、1938（昭和13）年に一連の全金属真空管US-6C5（三極管）、US-6J7（高周波増幅用五極管）、US-6L7（混合管）、US-6V6（ビームパワー
管）等を完成し、海軍向けに納入した（16）。
通信管は直列に数多く縦続して使用された。このため特に信頼性、均一性、安定性が重要な要件であった。
この分野は、1925年にWEの中継器と真空管を輸入して納入し、その後、国産化を進めた日本電気がもっぱら推進した。すなわち、1931年から1933年にD型三極管（101-D等）、1933年から1934年にフィラメント電流にはさらにフィラメント電流を1/4に減らしたTB-600-

図3.8 太平洋戦争中の電子管
左から、RH-2、ソラ、FM-2A05A（写真：電気通信大学歴史資料館）

A等や、無装荷ケーブル搬送電話用の通信管HO-101-F

戦後は、品不足を背景に受信管の製造会社が乱立しを1/2としたF形三極管101-F等を国産化した。1935年（17）等の生産を手がけた 。

62

た。国民型受信機用、続いて1948（昭和23）年にはス

1937（昭和12）年の支那事変で物資の統制が求めらーパヘテロダイン方式受信機用の受信管UZ-6C6、れた。特に銅と鉄を使用するトランスを節約する目的

6WC5等や、トランスレス受信機用の受信管12WC5、

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ63

12Y-V1A等が製造された。また、GT管12G-C5、6V6（21）GT等が販売された 。
1950年代に入ると、MT管の生産が急速に伸びて、
この頃、減少に転じたST管、さらに増加傾向にあっ東京電気は、1929（昭和4）年に、四極送信管UX-860、
UV-861（図3.9）を開発し、翌年、日本無線電信と協同
で40kW短波無線機を完成し て、小山送信所に設置した。終段には水冷三極管SN-167を使用した（24）、（25）。

たGT管を凌いで、50年代半ばには、過半数を超えるようになった。ポータブル受信機用のMT管1T4、
1R5-SF等も生産された（21）。
1953（昭和28）年、テレビ本放送が始まった。6J6、6BQ7A等の双三極管、高周波五極管6CB6 、ビームパ
ワー管6BQ6-GTBなど多くの受信管が販売され、1955
年には、トランスレス用の300mA、600mAシリーズが発売された。1960年代から70年にかけ、受信管は黄金時代を享受した（21）。
らに多くの受信管の開発が進められた。日立製作所に

図3.9 四極送信管 V-861（写真：逓信総合博物館）

よるニュービスタ（MT管より小型、金属外囲器）、

ラジオの分野では、東京電気が1933（昭和8）年に東京芝浦のスタックトロン（全セラミック、超小型）

陽極入力200kWの三極水冷管UV-169を完成し、翌年、など、新しい製造技術を取り入れた小型受信管の開発

東京中央放送局150kW放送機に使用する陽極入力が進められたほか、陰極から陽極に流れる電子流をビ400kW（最大陽極損失200kW）の送信管UV-171を完成

ーム状に絞ったゲーテッドビーム管、1個のガラス管した（26）。図3.10にUV-169、UV-171の外観写真を示す。

UHFテレビ放送、カラーテレビ放送に関連してさ内に2個または3個の受信管を挿入したコンパクトロンなどが開発された（22）。

3.3 大電力化
極管の出力は要求されるシステムの回路設計や動作
周波数 2 に依存する。出力が大きいほど、より遠くへ電波を送ることができるので、一般に、より出力の大きい電子管が求められる傾向にある。ここでは、開発の歴史をたどりながら出力レベルを見ていくことにする。
極管の大電力化の取り組みは、無線通信、無線電話の発展に伴って、まず陽極材料をニッケルからモリブデンに変えたり、電極の引き出し方に工夫を加えたりす
る材料変更のレベルから始まった。当初、電子管の冷却は自然空冷であったが、油浸による冷却も試みられ、やがて、より効果的な冷却法として、強制空冷、水冷等が利用されるようになった 3。1923（大正12）年には水冷送信管の試作が逓信省電気試験所で進められた。
図3.10 150kW放送機用送信管（左：UV-169 右：UV-171）（26）長波から始まった無線通信は短波の時代を迎えた。
また、ラジオ放送の高出力化が進められた。
東京電気は1926（大正15）年、短波用送信管SN-204、右手に持っているのは超短波水冷管SN- 209Cである。

SN-208を製作した。また、同年、トリウムタングステ

東京電気の送信管は、水冷を行う陽極の片側が閉じ

ンフィラメントを使用した送信管UV-203A、UV-204Aた単端型であるが、日本電気は陽極円筒の両側にガラ等を試作した。1927（昭和2）年に東京電気はかねてスバルブを設け、一端から格子電極を、他端から陰極より開発を進めていた陽極入力30kWの水冷管UV-207

を挿入する両端型送信管を製作した（27）。一例を図3.11を完成した（23）。

に示す。

電子管技術の系統化調査

63

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ64られた。またこの年、トリウムタングステンを使用した7T54R（40MHz出力4kW）や100kW放送用9T62A（B）が開発された。東京芝浦、日本電気が8T21（出力100kW）を開発し、翌1951（昭和26）年、東京第一
放送、第二放送の50kW増力に供した。
図3.11 両端型送信管 TW-512A（写真：逓信総合博物館）

アイマックの送信管をもとに、高周波誘電加熱用の
5T21、5T30（図3.12）等や、STリンク、移動用送信

送信管はもっぱら三極管、四極管であったが、1935（昭和10）年頃から、航空機用、移動無線機器用に五機用の4F15R（周波数500MHz、出力150W）等が国産化された。

極管が使われるようになり、小出力から200W級に至る五極送信管UZ-47D、UY-510B、UV-1083等が開発さ（29）。
れた（28）、ラジオ用放送機の大電力化が進む中で、フィラメン
トの交流点火が行われるようになった。たとえば1937（昭和12）年には東京電気がUV-171Dを完成し、京城の50kW放送機に供した。また、1939（昭和14）年には日本電気がTW-558-Aを開発し、台湾民雄の100kW
放送機に供した（30）。
超短波帯の送信管では、1934（昭和9）年に東京電気がSN-610（無線電話実験用）、日本無線が1936（昭和11）年にU 330 T（テレビ放送実験用）を発表している。また、日本電気が1938（昭和13）年に出力17kWのLD-22-E電波兵器開発実験用）を開発している（31）。
1936（昭和11）年に日本無線が発表した三極管U

図3.12三極管 5T30
（写真：東芝電子管デバイス）

330T、1941（昭和16）年に東京芝浦が発表した#8227、

コバール、無酸素銅が使用され、また、アーク溶接

テレビジョン放送を目的とした超短波送信管では、（31）#8222等がある 。

の使用によって最終封止時の管内部品の酸化を防止で戦後にまず復興したのはラジオ放送関係である。以きるようになった。アメリカの技術を学んで、あるい下、「電子管の歴史」を参考に戦後の高出力管開発のは技術提携を通して電子管の設計・製造技術、装置の（32）

推移をたどることにする 。

設計技術が大きく向上した。

送信管不足、資材不足、戦後の混乱から、立ち直る

1950（昭和25）年に電波3法（電波監理委員会設置法、にはかなりの時間を要した。東京芝浦、日本電気、川電波法、放送法）が制定された。NHKは全国をラジ

西機械、日本無線、日立製作所の5社が製造に復帰しオでカバーする義務を負い、民間放送が認められた。

（33）

た。ユーザを含めた送信管技術委員会で命名法 、試翌年、名古屋、中部日本放送、大阪新日本放送等の験法案、試験規格などが標準化された。たとえば送信

10kW局がラジオ放送を開始した。続いて各地に多く管の名称の第一項の数字は陽極許容損失、第二項の英の民放が誕生し、8T92、8T92Rが標準品として10kW

字のTは三極管、Fは四極管を、第四項のRは強制空冷放送機に使用された。

を意味する。

64

1953（昭和28）年には、トリウムタングステン陰極、

1949（昭和24）年には、RCAの892が8T92、8T92R

白金クラッド・モリブデン格子を使用した9T71が国として国産化された。また、極超短波多重電話中継器、産化され、東京、札幌の50kW機に採用された。図

STリンク（Studio to transmitter link）、小型移動無3.13は9T71をセラミック化した改良管9T71Bである4 。

線用の2B29（200MHz/50W）、車載無線機用2E26

この頃、ジルコニウム、チタニウムゲッタが使用され（125MHz/20W）が、1950（昭和25）年には、FSるようになっている。

（Frequency Shift）、あるいはSSB（Single Side Band）

VHFテレビ放送用にNHKが100MHzで出力1kW以等の変調方式を採用した送信機用として7T56R（出力上の送信管の開発を求め、1950年に神戸工業、東京芝

4kW）、8T10（出力10kW）などの開発が各社で進め

浦、日本電気が試作品を提出した。神戸工業の7F20R

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ65

1kW機の終段、3-5kW機の前段用として、東京芝浦、神戸工業が7F31Rを開発した。
1960（昭和35）年、NHKと東京芝浦が8T54を共同開発し、東京テレビ局が50kWに増力された 5 。
1957（昭和32）年に、VHFカラー実験局が東京で開局された。1959（昭和34）年、日立が全セラミック
封止の4F16Rを発表、サテライト10W局に使用した。
日立は放電加工で電極を製作した。日立と東京芝浦が30W局用に5F60Rを、東京芝浦、日本電気、神戸工業
が、陽極にラジエータを鑞付けし冷却性能を向上した
出力250W の5F20RAを開発した。
1960（昭和35）年にカラーテレビ放送が本放送となり、NHK東京、大阪、日本テレビ、東京放送、朝日
テレビが50kW放送を開始した。
VHFテレビ用の送信管として、1966（昭和41）年、

図3.13 三極管9T71B（写真:東芝電子管デバイス）

東京芝浦により8F67R、翌年、NHKと日立により（出力800W）を用いて試験放送が実施され、同年11月

8F76Rが開発され、10kW放送機の要求が満たされた。

から毎週金曜日に定時放送が行われた。1951年には、1969（昭和44）年には、陽極損失を倍の30kWに上げ

日本電気の7T19Rを用い、映像出力3kW、音声出力

た蒸発冷却管8F68がNHK、東京芝浦、日本電気によ1.5kWに増力された。

り開発され、50kW局に供された（25kW放送機2台並

1952（昭和27）年、東京芝浦は5kWテレビ送信用に列運転、予備機1台の3台方式）。この送信管は、トリ

7T24Rを開発、NHK技研試作の放送機に供した。映ウムタングステンメッシュ陰極、モリブデンカップの像出力は3kW、音声出力は1.5kWであった。

放電加工格子、セラミック外囲器、蒸発冷却、冷却槽

1953（昭和28）年、東京テレビ局が本放送を開始した。1952（昭和27）年には大阪も6F50Rを用いた放送

自蔵など、当時の新技術をすべて採用した新鋭管である（図3.15）6 。

機を完成している。映像出力は5kW、音声出力は2.5kWであった。
1953（昭和28）年、東京テレビ局が輸入の放送機を使用して10kWに増力した。続いて翌年には、大阪、名古屋で8F66Rを用いた10kW放送機が使用された（図3.14）。その後、1、3、5kWテレビ局が各所で開局された。また、1959（昭和34）年に、東京、大阪で10kW教育テレビ局が開局した。
図3.15 四極管 ８F68
（写真：東芝電子管デバイス）
1957（昭和32）年に東京、翌年に大阪でFM実験局が開局された。出力は1kWであったが、1961年に10kWに増力された。送信管は6T34Rが使用された。
UHFテレビ関連では、1956（昭和31）年、実験局がNHK技研で開設された。当初、出力は80Wであったが、1958（昭和33）年に5kWに増力された。
1961年、難視聴地域解消を目的に郵政省指針が出され、96地区のUHFテレビサテライト局にチャンネル
図3.14 四極管 8F66R（写真：東芝電子管デバイス）

割当が行われた。送信管としては1959年に4F16R、1960年に5F60R、7F13R、1963年には8F63R等の強制電子管技術の系統化調査

65

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ66

空冷四極管が開発された。送信管は利得が低いので、9F45は熊本第2、北海道第1、第2、東京第1、東京第2なるべく高利得の電子管が求められた。これに応えた

放送でも使用された。この送信管は国内最大の出力性のが進行波管である。1965年頃から進行波管に置き換能を持つ四極管である。

えが始まり、送信管のニーズは急減した。なお、固体高周波加熱用の極管として、誘電加熱用の7T33R

化の波にも押され、進行波管もやがて固体装置に座を（1964年、日立）、8T42（1966年、日立）、7T86R

譲る道をたどった。

（1967年、東京芝浦）、7T70R（1969年、日本電気）、

中波ラジオ関係では、1962（昭和37）年、東京第2誘導加熱用の9T27（1962年、日立）、9T64（1963年、放送が300kWに増力され、9T38が使用された（図3.16）。

東京芝浦）、9T75（1965年、日本電気）等、多くの三極管が開発された。
パルス動作の極管としては、1957（昭和32）年に東京芝浦が7T59RP（南極オーロラ観測用）、1960（昭和35）年に日本無線が7T80R（ロラン用）を開発している。
RCAがUHF帯の増幅管として、カソード、第一、第二格子を各40個、環状に配置し中心部に陽極を配した構造の四極水冷管4616を開発した。これはスーパー
パワーチューブと呼ばれ（出力はパルスで2MW）、連続波のほか、パルス動作も可能で、レーダ用として使用された。東京芝浦は1970（昭和45）年頃にレーダ用として国産化し、1985年頃には加速器用としても製作した（M4178/4616）。

図3.16 三極管 9T38
（写真：東芝電子管デバイス）

3.4 マイクロ波領域に向けた挑戦

B級陽極変調、150kW2台並列運転方式であった。送信管はNHK、東京芝浦、日本電気が共同開発した。

周波数が高くなると電極間の静電容量、リード線の1968（昭和43）年、NHK大阪第2放送の 300kW増インダクタンス、電子の飛行時間等が問題になって所

力 に際し、9T38を蒸発冷却とした9T40が開発された。

期の動作が行えなくなる。このため、もっぱら電極を1970（昭和45）年にNHK秋田に500kW放送機が増小さくする方向をとる。いきおい出力は低下する。

設された。この放送機は250kW放送機を2台並列運転

欧米で、第二次大戦中（1943年頃）にマイクロ波帯する方式で、それぞれ被変調管、変調管2本、計4本使で動作する板極管が開発された。日本では1952（昭和

用することとなり、陽極損失150kWの蒸発冷却管

27）年に板極管2C40、2C43等が実用化された。たと9F45がNHK、東京芝浦、日本電気で共同開発された

えば、前者は発振で3,000MHz、増幅で1,500MHz程度（図3.17）。

まで使用できた。ちなみに、陰極-格子間隔は0.1mm、
格子-陽極間隔は0.3mmである。海外では、4,000MHz程度のものが実用化された（34）。出力は0.5−1Wである。
1934（昭和9）年にRCAがエーコン管を開発した（35）。
電極寸法を小さくして電極間静電容量を減らすとともに電極の引出しを径方向にした超短波用受信管である。
形状がどんぐりに似ているためこの名称で発売された。
日本では1936（昭和11）年に東京電気が試作した。
1918（大正7）年、バルクハウゼンがBK振動を発見、600MHzのマイクロ波を得た。日本では1935（昭和10）年に日本無線が65cm/8WのBK管US80Bを作った。
1935（昭和10）年頃、大阪大の岡部が、磁場で電子を
図3.17 四極管 ９F45
（写真：東芝電子管デバイス）66

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

拘束する大阪管を考案した。1939（昭和14）年には外部回路に空胴共振器を用いた空胴大阪管も開発された。

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ67

1941（昭和16）年、RCAがIOT（誘導出力管）を提（27）電子管の歴史、p112-113（1987）

案した。500MHz/10Wの性能であった。なお、BK管、（28）電子管の歴史、p120（1987）

大阪管、IOTについては8章でさらに詳しく説明する。

（29）東京電気50年史、p445、（1940）

このほか1944（昭和19）年に日本電気が極超短波三（30）電子管の歴史、p114、（1987）

極管TC1507を開発し、670MHz/2Wの性能を得ている。

（31）電子管の歴史、p117-118、（1987）（32）電子管の歴史、p122-147、（1987）

参考文献（33）電子管の歴史、p123、（1987）（1）村井：真空管の歴史、日本機械学会誌、第」84巻、（34）電子管の歴史、p95、（1987）

第752号、p32（1981）（35）電子管の歴史、p76、（1987）（2）電子管の歴史、p6、オーム社、（1987）（3）T. A. Edison：Electrical indicator, USP No.
307031,（ 1883）（4）J. A. Fleming: Instrument for converting alternating electric currents into continuous currents, USP No. 803684,（1905）（5）R. A. Fessenden: Current actuated wave responsive device, USP No. 706744,（ 1902）（6）R. A. Fessenden: Receiver for electromagnetic
wave. USP No. 727331,（1903）（7）L. de Forest: Space telegraphy, USP No. 879532,（1908）（8）L. de Forest: Wireless Telegraphy, USP No.
841386,（1907）

1 東京電気は1939年に芝浦製作所と合併して東京芝浦電気となった。東京芝浦電気は1984年に東芝と改称した。本報告では、当時の名称に従って、東京電気、
東京芝浦、東芝と記載する。
2 一般に周波数が高くなると電子管の構造寸法が小さ
くなり、出力が低下する。したがって、出力レベルを評価するには常に周波数を念頭に入れる必要がある。大電力の極管が関係する電波の主な応用では、
誘導加熱が超長波、ラジオ放送が中波、無線が長波と短波、誘電加熱が短波と超短波、VHFテレビが超短波、UHFテレビが極超短波の周波数帯を利用している。超長波から極超短波に向けて名前が変わるにつれ1桁ずつ周波数が高くなる。以下、ほぼ年度を（9）L. de Forest: Device for amplifying feeble elec-

追って各種大電力管の説明を行うので、周波数ある

trical currents, USP No. 841387,（1908）

いは出力について、一貫した流れにはならないが、（10）I. Langmuir: The pure electron discharge, Proc.
IRE, 3, p.261,（1915）

ご容赦いただきたい。
3 一般に冷却能力は自然空冷、強制空冷、水冷、蒸発（11）電子管の歴史、p13、p66、（1987）

冷却の順で高くなる。したがって高出力管ほどより（12）東京電気50年史、p424、東京芝浦電気（1940）

冷却性の高い方式を採用する。冷却には、他に伝導（13）安藤：特許80948、（1919）

冷却がある。この冷却法は、熱を伝える相手の温度（14）東京電気50年史、p425、（1940）に関係するため、上記の冷却法に対し順位はつけら（15）東京電気50年史、p424-435、（1940）（16）電子管の歴史、p77（1987）

れない。
4 ガラス外囲器の場合、排気温度を上げると、ガラス（17）電子管の歴史、p78-79、（1987）

が吸い込まれる問題があったが、セラミック化によ（18）東京電気50年史、p436-437、（1940）

り、解消され、より高い温度で排気できる利点が得（19）S. Okamura： History of Electron Tubes 、られた。

p86、Ohmsha Tokyo Osaka Kyoto、IOS Press
Amsterdam・Oxford・Washington（1904）（20）電子管の歴史、p84-85（1987）

5 50kW放送機の映像および音声の送信管構成：
映2B94-2B94-6F50R-7F31R-8F66R-8T54

音

2B94-2B94-5F35R-7F31R-8T54（21）電子管の歴史、p87-90（1987）

6 四極管は利得が高いため、何段もの三極管を用いて（22）電子管の歴史、p90-93、（1987）

次第に所定の出力まで高めていく多段構成の必要が（23）東京電気50年史、p438、（1940）

ない。たとえば、四極管の採用によって、出力レベ（24）東京電気50年史、p439-440、447-448、（1940）

ルにもよるが、固体装置の出力を1本の送信管で増（25）電子管の歴史、p110-112（1987）

幅し出力する放送機が可能になる。

（26）東京電気50年史、p440-442、（1940）

電子管技術の系統化調査

67

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4 マグネトロン
マグネトロンはレーダ用のマイクロ波パルス電子管

図4.2に岡部が発明した2分割型マグネトロンの写真として、また、マイクロ波のエネルギー自体を利用すを示す。陽極がスリットで2分割されている様子が伺る連続波（CW：Continuous Wave）のマイクロ波電える。図4.3はマグネトロンの実験に使用された電磁子管として大きく発展した。

石である。

4.1 分割型マグネトロンの発明
1921年、GEのハル（A. W. Hull）がマグネトロンを発明した。岡部金治郎（当時東北大助教授）は、1927（昭和2）年に、陽極を2分割したマグネトロンで強い発振が得られることを見出した。さらに4分割にすると同じ電圧、磁界、陽極径で発振周波数がほぼ倍になることを認めた。このほか、東工大の西巻正郎の均圧環の発明（1）や、朝永振一郎らほかのマグネトロンの理

図4.22分割型マグネトロン（写真：東北大）

図4.3

電磁石（写真 東北大）

論解析などがあり、わが国は、早くから、マグネトロンの発展に大きく貢献した。
ハルのマグネトロンは、図4.1に示すように、円筒状の陽極と、中心軸上のフィラメント（陰極）で構成される二極管において、軸の方向（紙面の方向）に磁界をかけた構成の電子管である。

図4.4に示すような円筒共振器の共振を考える。共振すると、電界が円周方向成分のみとなるような位置が円周に沿って周期的に発生する。電界の向きは円周
図4.1

マグネトロンの基本構造

方向を基準にして、隣同士互いに逆向きである。円筒
共振器壁のこの部分にスロットを切って円筒共振器を陰極から飛び出した熱電子は電界と磁界の作用を受複数に分割する。各スロットに小さい共振器を配列

けて軸に垂直な面内で円弧状の軌道を描く。電界と磁し、円筒共振器の中心部に陰極を配置すると、複数分界に対し適切な値を与えると、破線で示したように電子割のマグネトロンになる。ここで、円筒共振器は陽極の軌道がちょうど陽極に接するようになる。この条件に相当する（補足説明を付録に記載したので、参照さをほぼ満足する電界と磁界を与え、陽極と陰極との間にれたい）。

共振器を接続すると、マイクロ波の発振が得られる。
たとえば、直流電界と共振器によるマイクロ波電界が加算される場合は、1点鎖線で示したように電子が陽極に到達する。逆に相殺するときは実線のように陽極前面を通過して陰極に戻り電流は流れない。すなわ
ち、マイクロ波の電界に同期して電流が流れたり流れなかったりする。このようなメカニズムで共振器にマイクロ波の振動が発生する。

68

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

図4.4

2分割、4分割マグネトロンの電界

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図4.5に8分割マグネトロンの例を示す。マイクロ波

電子は運動エネルギーを失いながら、次第に陽極に電界の向きは、円周に沿って正、負、8回、変化する。

近づく。電位の高い方へ動くと位置のエネルギーが低分割部には共振器が接続される。

下し、その低下分が運動エネルギーに変わる。この結果、運動エネルギーがほぼ一定に保たれ、位置エネル
ギーが減少する。この減少分がマイクロ波のエネルギーに変換されたことになっている。位置のエネルギーに比較して運動エネルギーはそれほど大きくないので、マグネトロンの効率は他のマイクロ波管に比較してかなり高いものになる。
一方、加速された電子は陰極に衝突し、これを加熱する。このため、マグネトロンによっては、発振開始
直後にフィラメントの電力を下げることを要求されるものがある。
1934（昭和9）年から1939年にかけ、陽極と共振器

図4.58分割陽極マグネトロンと電子の軌道（2）の多様化が急速に進んだ。すなわち、橘型、梅鉢型、りんどう型、百合型、椿型、コスモス型、菊型、鈴蘭型

各スリットのマイクロ波電界は、その周期に合わせ等のような名の、さまざまな形の陽極が工夫された（3）。

て隣同士で正負が逆転するので、たとえば正方向に向図4.7に橘型陽極を用いたマグネトロンの一例を示す。

かう電界はマイクロ波の振動に同期して順に隣へ移動する。すなわち、マイクロ波電界があたかも円周に沿って回転しているような状態になる。
一方、電子は、磁界に比例する周波数の回転運動と、回転の中心が円周に沿って電界と磁界の比に相当する
速さで周回する運動とが重なったトロコイド状の軌道を描く。マイクロ波の回転速度と電子の周回速度を同期させると、マイクロ波電界の作用によって減速される電子は常に減速される。減速されると、その減少分に相当してマイクロ波のエネルギーが増大する。電子は図4.5に示すような軌道を描いて陰極の周りを周回しながら次第にアノードに近づく。全体として、電子は図4.6に示すような形の空間電荷分布となって陰極の周りを周回する。
図4.78分割橘型陽極マグネトロンM2（写真 日本無線）

図4.8は1939（昭和14）年に完成されたわが国最初の水冷式マグネトロンM3である。発振周波数は3,000MHz、出力は500Wである。

図4.6

マグネトロンの中の空間電荷（2）

図4.8 水冷マグネトロン M3（写真 日本無線）

電子管技術の系統化調査

69

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図4.9は1941（昭和16）年にM3をパルス用に改良したレーダ用のマグネトロンM312である。周波数
3,035MHz、出力6.6kWの性能を持ち、図4.10に示す受
信機局部発振用のM60とともに海軍で使用された。

図4.9

レーダ送信用マグネトロン M312
（写真 日本無線）

図4.11

通信用マグネトロンM112（写真 日本無線）

続いて、1951（昭和26）年には、4,000MHz、100WのM750、1953（昭和28）年には、6.000MHz、100W
図4.10

受信機局発用マグネトロンM60（写真 日本無線）のM402が開発された（図4.12）。前者ではジルコニウ
ムゲッタが使用された。M402 は全金属製で副空胴共

このほか、出力20kW（波長15cm）、続いて100kW

振器を陽極に結合して共振周波数を変えられるように（波長20cm）のCWマグネトロンが試作され、さらに工夫されていた。陰極は傍熱型の酸化物陰極であった。

500kWCW管の試作も進められたが、完成には至らず

このマグネトロンは国鉄、電力会社の多重電話回線に終戦を迎えた。

使用され、年間、数100本が生産された。

日本無線以外では、東京芝浦の波長20cm、出力300W、12分割管MV14、波長15cm、せん頭出力数kWの空冷マグネトロンMP15、川西機械の数百MHz帯で出力5Wから1.2kWに至るZ-300B-Z-305シリーズ、日本
電気の波長27cm、出力120Wおよび波長65cm、出力250Wのマグネトロン等が開発されている（4）。

4.2 開発の再開と船舶用マグネトロン
戦後の混乱とCHQの禁止命令により、レーダ用マ
グネトロンの開発と製造が中断されていたが、1946（昭和21）年に日本無線が多重無線通信用のマグネトロンの開発を開始した。

図4.12

通信用マグネトロン M402
（写真 日本無線）

レーダ用のマグネトロンに関しては、1950（昭和25）
年にまず船舶用レーダの輸入が認められ、翌年、レー

図4.11は1948年に日本無線によって開発された周波

ダおよびその部品の開発と生産が認められた。日本無数2,600MHz、せん頭出力100Wの橘型陽極のマグネト

線は、直ちに、永久磁石外付け型のM302、M305を生ロンM112である。陰極にトリウムタングステンが使産し、国産のレーダに供した。

用された。局発用として小型のマグネトロンMY112

この頃、日本無線が開発したマグネトロンの陽極は、も 開 発 さ れ た 。 変 調 方 式 は PTM（ Pulse Time図4.13に示すような大小の空胴を交互に並べた8分割

Modulation）、PPM（Pulse Phase Modulation）でああるいは10分割の橘型であった。

った。マグネトロンを通信回線に使用したのは世界で初めての試みである。

米国レーセオン社は、ベーンストラップ型と呼ばれる図4.14に示すような複数個（図では12枚）の板（ベーン）と2本の均圧環（ストラップ）を組み合わせた70

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構造のマグネトロンを開発した。図では分かりにくいあった。

が、一方のストラップはひとつおきにベーンに接続さ1978年に、東京芝浦が同軸型マグネトロン

れ、他方のストラップはひとつ隣にずれた位置にある

E3517/5M80 を開発、翌年には新日本無線が同軸型のベーンに同様にひとつ置きに接続されている。橘型にM1341/5M80、M1373を開発し、気象用は同軸型が主比べ構造が単純で、量産に適する構造（シリンダーと流となった。このマグネトロンは図4.15に示すように、

ベーンとストラップを鑞付けで一体化する）であった

通常のマグネトロンの陽極の外側に、これと一つ置きため、日本無線、東京芝浦、沖電気がまず、特許契約に結合スリットを持つもうひとつの共振空胴を同軸的を結び、日本電気も後に特許契約した。

に設けたものである。共振のQが高いため、周波数安定度が高いという特長を持っている。5M80 の陰極には含浸型陰極（インプレカソード）が使用された。

図4.13

橘型（5）

図4.14 ベーンストラップ型（6）レーダ用マグネトロンの主流であったレーセオンの
2J42、2J55は、ベーンストラップ型陽極を採用していたほか、2つの磁極（ポールピース）の間に陽極をは
さみ、さらにこの磁極を真空外囲器の一部として、管外の磁石と一体に磁気回路を構成するいわゆるパッケ
ージ型であった。各社ともこのパッケージ型の特許も
購入した。
図4.15

レーダ用マグネトロンの動作周波数は3,000MHz帯

同軸マグネトロンの構造（6）（Sバンド）、5,000MHz帯（Cバンド）、9,000MHz帯（Xバンド）で、せん頭出力は3kWないし60kW程度で4.4 防衛用マグネトロンある。最も広く使用されたのはXバンドの2J42（7kW）、
戦時中、すでに防衛用レーダが実用されたが、戦後、2J55（50kW）シリーズである。
マグネトロンはいずれも固定周波数で動作するもの

GHQから禁止された関係で、当初、米軍から貸与まあったが、60年代中頃に周波数割り当ての混雑から帯

たは譲渡されたものが防衛用に使用された。解禁とと域幅を狭くする動きが出てきた。この動きに対応し、もにレーダの国産化が始まったが、マグネトロンは、1966（昭和41）年に東京芝浦がXバンドとCバンドで、

まず、輸入品が使用され、やがて国産化が進められた。

周波数を変えることができるアジャストロンシリーズ

1963（昭和38）年頃、東京芝浦が6410A（レーセオ

9M42（9.375MHz/7kW）、9M56（9,410MHz/50kW）、

ンのQK338）を、日本電気が6406A（レーセオンのM4508B（5,300MHz/350kW）等を開発した。

QK428A）を国産化した。日本電気はLバンド（1,000MHz帯）のQKH470Aを生産した。

4.3 気象レーダ用マグネトロン

防衛用のマグネトロンに対して同軸マグネトロンも開発された。すなわち、日本電気、新日本無線、東京

Xバンドが空気中の水分で比較的減衰が大きいこと

芝浦がCバンド、Xバンド、Kuバンド（15GHz帯）のから、SバンドとCバンドで比較的、出力の大きいわ

国産化または独自設計による同軸マグネトロンを開発

が国独自の気象レーダ用マグネトロンが開発された。

した。

各地気象台用レーダの周波数が5,300MHzに決まり、新日本無線は1970（昭和45）年に、ECCM

東京芝浦と日本無線が各種のマグネトロンを開発し2用として、発振（Enemy Counter-Counter-Measure）

た。出力は200-350kW程度である。1964年に設置され周波数を周期的に変化させることができるわが国独自た富士山頂レーダには、新日本無線 が開発したマグの回転同調マグネトロンM193（Lバンド）、M1229

ネトロンM159Aが使用された。せん頭出力は 2MWで（Cバンド）を開発した。

1

電子管技術の系統化調査

71

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大電力レーダ用マグネトロンにはもっぱら馬蹄形磁石が使用された。一例を図4.16に示す。

図4.17 水冷マグネトロン２M21（写真：東芝電子管デバイス）
図4.16

馬蹄形永久磁石を用いた大電力マグネトロン（写真：東芝電子管デバイス）

1965（昭和40）年、日本無線が永久磁石を採用したパッケージ型の2M67を開発した。

4.5 その他のマグネトロン

1967（昭和42）年、東京芝浦、新日本無線、日本電気などがアルニコの棒磁石を使用した強制空冷パッケ

沖電気、新日本無線、日本電気等が近距離レーダ用ージ型マグネトロン2M52を開発した（図4.18）。さらに準ミリ波、ミリ波帯のパルスマグネトロンの開発をに翌年、東京芝浦はアルニコ磁石を放熱体内に収めた

進めた。このほか、ミサイル搭載用（日本無線）、線

コンパクトな2M53を開発した（図4.19）。このマグネ形加速器用（東京芝浦電気、新日本無線）のパルスマ

トロンは米リットン社の電子レンジに採用された。

グネトロンの開発が進められた。

4.6 電子レンジ用マグネトロン
電子レンジ用のCWマグネトロンは、当初、電磁石を使用する比較的大型の水冷管であったが、やがて、
アルニコ磁石を使用するパッケージ型となり、さらにフェライト製の円板状の磁石を採用する方向に進んだ。冷却も空冷に、さらに縦吹きから横吹きへと進化

図4.18

強制空冷パッケージ型マグネトロン２M52（写真 ホクト電子）

した。小型化、標準化、量産性向上、低価格化に向けた多くの努力が払われた。生産技術も大きく進展した。
1958（昭和33）年に東芝が潜水艦の食品加熱器用マ
グネトロン2M20を開発した。この加熱器を電子レンジと名付けた。
1962（昭和37）年に東京芝浦の電子レンジが信越線
特急、東海道線で採用され、1964（昭和39）年には東
海道新幹線でも採用された。図4.17に使用された水冷マグネトロン2M21を示す。
1963（昭和38）年には新日本無線が小型水冷マグネレーセオンの特許が切れたのを機に1965（昭和40）

トロン2M65を、1964（昭和39）年には空冷のマグネ

年に松下電子、1968（昭和43）年に神戸工業と日立製

トロン2M66を開発した。2M66は12分割ベーンストラ

作所が加熱用マグネトロンの生産に参入した。電子レ

ップ陽極とトリウムタングステン陰極を採用し、出力ンジの国内生産は1969（昭和44）年に38万台に達した。

は800Wで、比較的低い電圧で効率よく動作する電磁1969（昭和44）年、松下電子が磁石をフェライトに石外付けのマグネトロンであった。

72

図4.19 電子レンジ用マグネトロン2M53（写真東芝電子管デバイス）

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変えて2M88を開発、1971（昭和46）年には日立製作

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所が全セラミック金属封じマグネトロン2M71を開発した。出力アンテナ部の真空容器はそれまでは各社ともガラスドームであったが、この部分がセラミックに変わった。
（図4.20）。

図4.23 915MHz 30kW
連続波マグネトロン1M70（写真 東芝電子管デバイス）
電子レンジの普及に伴って、テレビやラジオの電波障害が問題となった。まず、ヒータのリード線側から出る低周波雑音をチョークの使用により対策した。ア
図4.20 全セラミック金属封止マグネトロン２M71（写真 日立協和エンジニアリング）

ンテナ側から出る5次高調波は衛星放送の周波数帯に1973（昭和48）年、東京芝浦は磁石の改善を行ってに同軸チョークを付加した2M240を開発してその対策

フェライト内磁型横吹き空冷のマグネトロン2M57を入るので、その対策も急がれた。東京芝浦はアンテナに成功した（7）。各社ともこの方式を採用した。

開発した。この方式が以降、標準的なものになった。

マグネトロンの価格競争が激しくなり、1980年代前

製造技術上の改善では、日立のホビング技術による後には米国メーカが撤退した。その後、韓国メーカが陽極の一体化成形が挙げられる。日立はこの技術によ参入し、さらに競争が激化した。東芝、日立製作所はり、1975（昭和50）年に大河内記念技術賞を得ている。

事業を関係会社に移管した。さらに海外展開も積極的

図4.21はホビングの工程にしたがって、左から右に順に推進した。たとえば、1992（平成4）年に東芝からに配列した陽極部品の写真である。

事業移管を受けた東芝ホクトは2000年（平成12）にタイへ製造拠点を移した。同年、東芝ホクトは、効率を改善した2M282、翌年にはノイズ特性を改善した
2M253-Zを開発した。

4.7 工業用マグネトロン
大量の食品加熱、ゴムの加硫、殺菌・防薇などの工図4.21 陽極のホビング加工（写真 日立協和エンジニアリング）

業応用に使用する目的で、1960年代後半から70年代半
ばにかけ、2,450MHzで出力3-5kW、915MHzで30kW

小型化の一環で、1983（昭和58）年に東京芝浦は、のCWマグネトロンを東京芝浦（2,450MHz：

陽極をこれまでのマグネトロンで標準的に採用されて

2 M 6 0 A / 4 . 5 k W 、 9 1 5 M H z ： 1 M 7 0 ）、 新 日 本 無 線

きた12分割を10分割に変え、陰極も小型化した（2,450MHz：2M12/4.5kW、2M13/5kW、2M172Aの生産を開始した（図4.22）。

M1446/10kW、915MHz：1M99/M199）、日本電気（915MHz：LD945）が開発した。
新日本無線は915MHzで、1975（昭和50）、1980（昭和55）、1985（昭和60）年にそれぞれ、85、100、500kWのCWマグネトロンM1287、M1359、M1372を開発した。M1372は、同軸型陽極を採用し、陽極、陰極を大きくして、冷却性能を高めたほか、陰極電流密度を低下させている（図4.24）。

図4.22

電子レンジ用小型マグネトロン2M172A（写真 東芝電子管デバイス）

電子管技術の系統化調査

73

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図4.24 500KW連続波
マグネトロンM1372（8）図4.26 プラチノトロン 1AM70（写真 東芝電子管デバイス）

日立製作所は、1970年代後半頃から産業用の2,450MHz、CWマグネトロンの製造を開始した。同社

4.9 技術の動向

は、1994（平成6）年に日立ディスプレイデバイシズ
へ事業を移管したが、その後も、1999（平成11）年にマグネトロンの陽極は多分割後、さまざまな形態のH3881/6kW、2001（平成13）年にH0909/7kW、2005

ものが研究されたが、戦後、量産性に優れたベーンス

年にH0915/10kW等、工業用連続波CWマグネトロン

トラップ陽極に集約された。磁石については、電磁石3の開発を継続している 。

から永久磁石に移り、磁石や磁気回路の小型化がはかられた。電子レンジ用のマグネトロンでは当初の高価なアルニコからフェライトへ変えられ、低価格の要求に応えた。ベーンの枚数も当初の20枚から、1968（昭和43）年頃に12枚に減り、さらに、2M172Aで10分割となって、これが標準の設計となった。
パルスマグネトロンは通信、レーダをはじめ医療用の加速器に使用されたが、要求の高度化に伴って、次第に他の電子管（クライストロン、進行波管）や固体デバイスに市場を奪われ、現在は、もっぱら船舶レー

図4.25 10kW工業用マグネトロンH0915（写真 日立協和エンジニアリング）

ダに使用されているような状況である。
連続波のマグネトロンは、効率と製品価格の点で他のマイクロ波管と比較して、最も優位な位置にあり、4.8 その他のM型管固体化にも抵抗できる力を維持している。特に電子レンジ用では、将来とも、ニーズは増加すると見られる

マグネトロンは直流電圧、直流磁界、マイクロ波の伝達方向（あるいは電子極の周回方向）が互いに直交に追い込まれている。

している。このような形態の電子管を総称してM型管最後に、「電子管の歴史」に示されている電子レンと呼んでいる。M型管にはマグネトロンのほかに、ジ用マグネトロンの価格、生産数の経緯を図4.27に示CFAと呼ばれるプラチノトロン、M型進行波管、デマす（9）。マグネトロンの単価は1981年ですでに1,000円程

トロン等の増幅管と発振管であるカルシノトロン等が度に下がっており、現在もこの傾向が続いている。国ある。日本では余り商品化されなかったが、一部、防内生産は成り立たず、ほとんど海外生産となっている。

衛用に国産化が進められた。図4.26はその一例で、紙現在、国内で生産されているマグネトロンは、船舶レ面の方向に強い磁場が加えられ、マイクロ波は放射状

ーダ用、加速器用のパルスマグネトロン、工業用のに突き出た2つの線路の一方から加えられ、他方からCWマグネトロン程度である。

出力するようになっている。出力はパルスで1MW、利得は10dB、動作周波数は1,300±50MHzである。

74

が、売価の点から、国内生産では対応できないところ

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図4.27

電子レンジマグネトロンの生産数と単価の推移（9）参考文献（1）道家：「東京工業大学でのマイクロ波、ミリ波電子管の研究」、東京工業大学百年記念館収蔵品紹介-その14、No.846、p41、（1989）

1 マグネトロンの生産を目的に、1961年に日本無線がレーセオンとの合弁で設立した会社。
2 レーダによる探査を妨害する目的で妨害電波が発射される。この手段あるいは行為をECM（Enemy（2）G. B. Collins： Microwave Magnetrons 、p26、Counter Measure）と呼ぶ。そのECMに対抗するの

p28、McGraw-Hill Book Co. Inc.（1948）

が、ECCMである。妨害電波と異なる周波数を使っ（3）電子管の歴史、p159、（1987）（4）電子管の歴史、p165-166、（1987）（5）電子管の歴史、p170、（1987）て探査の目的を達成しようとした。
3 日立ディスプレイデバイシズは2007年に日立協和エンジニアリングへマグネトロン事業を移管した。

（6）電気電子工学大百科事典、電子管第5編、p382、（1984）（7）斉藤、見野、田代：「電子レンジ用マグネトロン」、
出願61-088051、特許第2128827（1997）（8）電子管の歴史、p187、（1987）（9）電子管の歴史、p184、（1987）

電子管技術の系統化調査

75

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5 クライストロン
5.1 概要5.2 反射型クライストロン

クライストロンは1939（昭和14）年 W. C. Hahnお図5.2に反射型クライストロンの概念図を示す。電よびG. F. Metcalfと、R. H. VarianおよびS. F. Varian

子銃で形成された電子ビームが空胴を通過する際にマとによってそれぞれ、独立に発明された。大別して反イクロ波と相互作用して速度変調を受ける。適当な距射型と直進型の2種があり、前者は出力数mWから数離を進んだときリペラにより反射され、さらに集群しW程度の連続波出力の発振管で、主として通信装置のながら再び空胴に戻ってくる。戻るまでの走行距離を

局発、測定器用のマイクロ波源に応用された。後者は、適切に定めて、集群した電子が再度、空胴を通過する

出力が大きいものでは、連続波で1MW、パルスでときに減速を受けるようにする。減速により電子の運100MWに達する増幅管で、主として、UHF-TV放送、

動エネルギーが減少し、代わりにマイクロ波がこのエ

見通し外短波通信、マイクロ波衛星通信・衛星放送、

ネルギーを貰って増大する。このマイクロ波は電子ビ

レーダ等の信号を伝送するための媒体としての応用のームの速度変調を助長する。このプロセスでうまい具

ほか、マイクロ波加熱、核融合のためのプラズマ加熱、合に正帰還がかかり、発振条件が満たされ発振に至る。

加速器のマイクロ波源などの、マイクロ波のエネルギ

空胴に発生したマイクロ波は出力として外部に取り出ーを直接、利用する分野で使用されている。

される。

クライストロンは速度変調管とも呼ばれる。進行方
向に対し均一に分布する電子ビームが共振空胴を通過するときに速度変調を受けることからこの名がついている。電子が空胴の狭い間隙を通過するとき、空胴に印加された微小なマイクロ波の作用を受け、その位相に応じて加速あるいは減速される。加速された電子はより早く進み、減速された電子はより遅く進む。結果
として、先へ進むにつれ、電流の密度に次第に濃淡が発生する。たとえば、図5.1に示すように、a点で速度変調を受けるが、この位置ではまだ密度変調は生じて

図5.2いない。b点に近づくにつれ、集群が進んで密度変調の度合いが大きくなる。

反射型クライストロンの概念図

わが国では1941（昭和16）年にNHK技研 福永健男
らが初めて反射型クライストロンの発振に成功した（1）。
試験に使用された反射型クライストロンを図5.3に
示す。

図5.3

NHK技研で開発したわが国最初の反射型クライストロン（1）ほかに、海軍技研、住友通信（現日本電気）が開発を始めている。
図5.1

76

速度変調から密度変調に至る
電子ビームの集群の様子

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

戦後、GHQの開禁後、日本無線（現新日本無線）、
東京芝浦、神戸工業（現富士通）、日本電気等が開発

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ77に加わった。図5.4に示すような板封止空胴外付け反射型クライストロンが試作され、1949年に箱根双子山-電気通信省通研神代分室間で実施のマイクロ波多
重通信実験に供された。この成功を受け4,000MHzの回線網の建設が進められた。

図5.6

導波管結合反射型クライストロン6V200（写真：NECマイクロ波管）

沖電気は150GHzにいたるミリ波反射型クライスト
ロンの開発を進めた（図5.7）。特に測定用の出力管と
図5.4

板封止空胴外付け反射型クライストロン7803（写真 東芝電子管デバイス）して重宝された。

1950（昭和25）年から52年にかけ、マイクロ波多重
通信あるいはレーダ用の局部発振管として空胴内蔵全金属反射型クライストロン2K25（図5.5）、2K26等の国産化が進められた。
図5.7

ミリ波反射型クライストロン（2）5.3 直進型クライストロン
5 - 3 - 1 構造と原理
直進型クライストロンの構造の一例を図5.8に示す。

図5.5

空胴内蔵全金属反射型クライストロン2K25（写真：日本無線）

1955（昭和30）年には短距離マイクロ波回線の変調出力管として、導波管結合型のクライストロンが開発された（図5.6）。
その後、1960年代中頃にかけ、4,000MHzから
15GHzにわたる多くのマイクロ波通信回線の建設が進められ、反射型クライストロンの最盛期を迎えた。しかしこの隆盛は長くは続かず、ガンダイオード、インパットダイオードなどの固体装置の進展に伴って、反射型クライストロンは急速に固体デバイスに置き換えられる道をたどった。
図5.8

直進型クライストロンの構造

電子管技術の系統化調査

77

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ78

電子銃、複数個の共振空胴およびコレクタが直線状に力空胴6を通過する。このとき、電子ビームが大きく並んでいる。図5.9に電子銃、図5.10にコレクタ部の電減速され、電子が大部分の運動エネルギーを失う。こ子軌道を示す。比較的大きい面積を持つ球面状のカソのエネルギーの減少分がマイクロ波のエネルギーになードから放射された熱電子をウェーネルト電極、陽極る。マイクロ波はきわめて強くなって外部へ出力され等で絞りながら加速し、高い運動エネルギーを持つ細る。出力と入力の電力の比を増幅率と呼ぶ。最近のクい電子ビームを形成する。電子は負の電荷を持つためライストロンの増幅率は50dBすなわち10万倍程度、互いに反発して広がる。これを防ぐため、軸方向に強エネルギーの変換効率は60−70％程度である。

い磁界をかけて集束し、細いビーム形状を保ったまま相互作用を終えた後の電子ビームをスペント・ビー

で空胴部を通過させる。空胴部を出た後は、磁界の作ム（spent beam）と呼んでいる。このスペント・ビ

用がなくなるので、電子ビームは広がる。これをコレームはコレクタ壁に衝突する際に電子の運動エネルギ

クタで捕集する。

ーが熱になって消費される。これを減らすために、コレ ク タ 電 位 低 下 （ CPD： Collector Potential
Depression）動作という手法が採られる。つまり、コレクタの電位を空胴部の電位（通常、アース電位）より低くして減速して電子を捕集する。
減速で稼いだエネルギーは電源に返される（付録参図5.9

電子銃部の電子軌道照）。すなわち、空胴部に入射される際の電子の運動
エネルギーからこの回収分を差し引いたものが正味の直流入力となり、この値で、マイクロ波出力を割った
値が実際のエネルギー変換効率になる。
スペント・ビームには速度分散があるので、コレクタ電位を低くしすぎると、遅い電子が空胴側に戻ってしまうこととなる。そこで、電子を速度ごとに分類し、

図5.10

コレクタ部の電子軌道

電子銃から出た電子ビームは、空胴部でマイクロ波

早い電子は十分減速し、遅い電子はあまり減速しないで捕集する。通常、3−5段の多段型電位低下コレクタが採用される。

と相互作用し、電子が持つ運動エネルギーがマイクロクライストロンの場合、（1）CPDを行わなくても、

波のエネルギーに変換される。相互作用を終えた電子

効率がかなり高く、（2）スペント・ビームの速度分散

ビームはコレクタで捕集される。

がかなり大きいことから、一時は採用を検討されたが、図5.11に六空胴クライストロンについて求めた電子

現状、殆どのクライストロンではCPDを採用していなとマイクロ波の相互作用の様子を示す。図の左端（1い。次章以降で説明する進行波管、ジャイロトロンでで示した位置）に入力空胴がある。

はCPDが効率向上のための重要な手法となっている。
これらの電子管では、コレクタ入射エネルギーの60−
80％がCPDにより回収される。
5 - 3 - 2 UHF-TV用クライストロン
直進型クライストロンの研究も、反射型クライスト
ロンとほぼ同時期にNHK技研によって始められた。
試作管の写真を図5.12に示す。

図5.11

空胴部の電子の軌道

入力空胴に外部から弱いマイクロ波を印加する。このマイクロ波により、電子ビームは速度変調を受け、
2、3、4、5で示される中間空胴を順に通過する。この過程で速度変調がさらに進み次第に集群して強い密度変調になる。十分に密度変調を受けた電子ビームが出78

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

図5.12

NHK技研で開発したわが国最初の直進型クライストロン（1）2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ79

直進型クライストロンの本格的な研究が始まったのは1950年代中頃以降のことである。

全半導体送信装置が完成したのを機に、以降、放送機の更新に伴って、次第に固体化装置に置き換えられる

1956（昭和31）年にNHKが700MHz、1.5kWの外部方向を余儀なくされた。

空胴型三空胴クライストロンを開発した。1959（昭和34）年にはNHKと東京芝浦が10kW外部空胴型四空胴

5 - 3 - 3 見通し外通信用大電力クライストロン

クライストロンを開発し、UHF-TV放送実験に使用し1961−62年に日本電気によって、バリアン（Varian）

た。1961（昭和36）年に東京芝浦が20kWの外部空胴の、周波数1,700-2,400MHz、出力1kWおよび10kWの型1AV10、1963（昭和38）年に50kW のM4620、1965

四空胴クライストロンが国産化され、米軍基地間の通（ 昭 和 40） 年 に は 日 本 電 気 が 30kWの 内 部 空 胴 型

信に使用された。

1

LD698を開発するなど、相次いで開発が進められた 。

1967（昭和42）年、国際電信電話が、日本と韓国間1968（昭和43）年にNHK徳島放送局が開局、東京の国際通信に、周波数2,000MHz、出力1kWのクライ芝浦の1AV40が使用された。このクライストロンの空

ストロンを並列運転する2kW送信機を製作した。

胴は出力が20kWで空胴外付け（外部空胴型）であっ

その後、日本電気は、1,400から2,700MHzに至る周

たが、引き続き、空胴自蔵型（東京芝浦、10kW、波数帯で、出力300W-12kWの四空胴および五空胴ク

1AV95、30kW、1AV48）、内部空胴型（日本電気、

ライストロンを開発し、高効率化およびPCM方式化

75kW、1AV80、1AV97）などの開発が進められた。

への要求に応えた。

これら各種クライストロンの外観写真を図5.13に示す。コレクタの冷却についても、全強制空冷、蒸発冷

しかしながら、衛星通信の発展によって、このニーズも次第に減少方向をたどった。

却などの方法が採用された。
5-3-4

衛星通信・衛星放送地球局用クライストロン（5）、（6）

1963（昭和38）年、NASAのリレー衛星を用いて
KDDによる日米間のテレビ実験が行われた。日本からの送信に1,700MHz、10kWの四空胴クライストロン
LD624が使用された。また、翌年、1.700GHz、20kWのクライストロンLD659を用い、日本のテレビ番組を米国に放映した。
NHKと東京芝浦は、1964（昭和39）年に6,000MHz
帯3kW四空胴クライストロン6AV50/M4627Aを共同開発し、日欧間のテレビ中継に供した。また、同年、東京芝浦は10kWクライストロンM7863を開発した。
日本電気は1970（昭和45）年に5チャンネルに対応
外部空胴型
1AV10
図5.13

内部空胴型
1AV97

するプリセットチューナを組み込んだLD4011を開発

空胴自蔵型
1AV95

し、1972（昭和47）年には可搬型地球局用として永久

UHF−TV放送用クライストロン（4）磁石集束、空冷、1および2kWクライストロンLD4069、LD4132を開発した。

クライストロンの効率を高める目的で、クライスト

6,000MHz帯の開発に続き、日本電気は、1977（昭ロンの動作をコンピュータプログラムを使用して解析

和52）年、放送衛星地球局用として14GHz、2kWの五

（3）

、クラ

空胴高効率クライストロンLD4198を、通信衛星地球

イストロンの効率は60-70％程度に高まった。いっそ

局用として30GHz帯で車載用に150W、固定局用にうの効率向上を目指してCPD採用のクライストロンの500W（図5.14）を電電公社と共同で開発した （5）。

開発も実施された。

30GHz管は永久磁石使用の空冷管で、周波数変更もパするシミュレーション技術の開発が進められ

1986（昭和61）年、日本電気はUHF-TV放送の全周波数帯（470-860MHz）で動作可能な蒸発冷却型30kW

ルスモータを用いて遠隔で実施できるように工夫された。

大電力クライストロンを開発した。
クライストロンの性能は一連の開発により大幅に高まり、広く採用されたが、1985（昭和60）年、30kW

電子管技術の系統化調査

79

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ80

それぞれ、名古屋大学プラズマ研究所および日本原子力研究所のプラズマ加熱実験に供された。また
35.5GHz、4kW管（日本電気、LD4321）を32本、並列運転し合成出力として60kWを得る実験装置がプラズ
マ研究所に納入された。
1980（昭和55）年には28GHz、5kWのクライストロン
LD4398、45GHz、1kWクライストロンLD4399が京都大学ヘリオトロン核融合研究センターに納入された。
図5.14

地球局用30GHz/500Wクライストロン28AV81（写真NTT情報流通基盤総合研究所）

1980（昭和55）年、日本原子力研究所JT-60のLHRH
用に、2GHz、長パルス1MWクライストロン（東京芝

日本電気の地球局用クライストロンは世界に活躍の浦、E3778、日本電気、LD4444）の開発を進め、それ場を広げた。1988（昭和63）年にはNd-Fe-B系磁石採ぞれ1983、84年に目標の出力性能を達成した。パルス用の14GHz 3kWの小型軽量地球局用クライストロン

幅は10秒であった（7）、（8）。図5.15はM3778の外観写真で、を開発した。また、衛星放送のアップリンクが17GHz

左下の制御器により、あらかじめ設定された周波数にへ移行したことに対応して1995（平成7）年に出力遠隔制御で設定できるようになっている。

1.5kWのクライストロンを開発し、翌年、さらに、高速チューナ付き2.4kWクライストロンを開発した。
5 - 3 - 5 レーダ用クライストロン
1961（昭和36）年、Lバンド2MWパルスクライスト
ロンL-3035を防衛庁向けに神戸工業が国産化した。同
じ頃、日本電気は近距離航法装置用のLバンド12kW
三空胴パルスクライストロンSAL-89Aを国産化した。
1979（昭和54）年には航空路監視レーダ（ARSR：
Air Route Surveillance Rader）用のLバンド5MWク
ライストロンとして、日本電気がVA-963A、東京芝浦が1AV65を製品化した。
1998（平成10）年、東芝は、気象レーダ用として、
5,250−5,350MHz、250kW、4μsのクライストロン
E3734Aを開発した。
マイクロ波をエネルギー源とする用途のクライストロン

東芝電子管デバイス（TETD）2 は2004（平成16）年

この分野の応用には、マイクロ波加熱、核融合のたに8.2GHz、25kW、1秒のクライストロンE3794を東京

めのプラズマ加熱、加速器のマイクロ波源などがある。

大学に納入、翌年、韓国KSTAR向けに5GHz、

5-3-6

マイクロ波加熱用クライストロン：2,45GHzで、1992

CW500kWクライストロンE3762を開発した。

（平成4）年に30kW、1993年に100kWの高効率クライス

加速器用クライストロン：パルス動作と連続波動作のトロンが日本電気により開発された。これらのクライ

2種類がある。以下、特に混乱を生じないと思われる

ストロンの効率は70％以上である。また、東芝も同様ので、これらをまとめて報告する。

のクライストロンを開発している（E3739、E3724）。

東京芝浦は、1959年に、線形加速器用としてSバン

1984（昭和59）年、東芝は915MHz、200kWのクラド（2,856MHz）、2.5MW四空胴パルスクライストロン

イストロンを開発し、運輸省港湾技術研究所の砕岩実

M7849を、東京大学核物理学研究所（東大核研）と共験に供した。

同開発した。このクライストロンの改良型管M7849A

核融合関連のクライストロン：1977（昭和52）年頃、80

図5.15 核融合用クライストロンE3778（写真：東芝電子デバイス）

は名古屋工業試験所で使用された。

800MHz、200kW管（日本電気、LD4262）を2本並列

1960年代後半にかけ、東京芝浦がSバンド6MWの運転した400kW装置が、また、650-750MHz、50kW

M4628を、三菱電機が5MWのPV3105,25MWのPV-（東京芝浦、E3756）を4本並列運転した200kW装置が、2014を開発した。東京芝浦は1977年にM4628の出力を国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ81

9MWに上げている。

に、（1）セラミック内の電界をできるだけ低く、しか1980年に、東京芝浦は、通産省電子技術総合研究所

も対称的なものとなるように窓部の構造を改善する、との共同研究でSバンド21MWの高効率パルスクライ（2）真空側のセラミック表面で発生するマルチパクタ

ストロンE3776を開発し、同研究所の500MeV線形加速を抑える、（3）できるだけ発熱が少なく応力に強い高（9）器に供した 。このクライストロンでは、出力窓の負純度セラミックを使用するなどの方策が検討され採用担を減らすため出力を2分して取り出された（図5.16）。

された。開発が遅れ、スケジュール上、極めてタイト

1981（昭和56）年から、スタンフォード線形加速器

なものとなったが、一連の対策が功を奏し、開発に成センター、高エネルギー物理学研究所、東京芝浦、三菱電機が、協同して150MWのクライストロン開発を
（10）

功した。
東芝は1997年にKEKの指導を受け、5,712MHz、50MW、パルス幅2.5μsのE3746を完成した（14）。

進めた 。
1980（昭和55）年、文部省高エネルギー研究所
3

1999年には324MHz、3MWのクライストロン（KEK：高エネ研）のフォトンファクトリ 向けに、東E3740Aを開発しJ-PARKに納入した（15）。このクライス

京芝浦は500MHzで連続波出力200kWのクライストロ

トロンは世界最大のクライストロンで全長は6m近い（11）ンを開発した。

大型管である。 図5.18に外観を示す。

KEKの指導を受け、東芝は1985年に500MHz、
CW1.2MWのクライストロンE3786を完成、トリスタ
4（12）、（13）ンリング に供した（図5.17）

そのほか、2000年以降に東芝が開発を進めたクライ
ストロンを表5.1に示す。

。このクライスト

この表でPPMと記した集束磁石は日本の発明で、

ロンはE3732として、Spring-8やBファクトリでも使用

クライストロンでの採用例は少ないが（16）、（17）、進行波された。

管では、広く一般に採用された技術である。

図5.18

加速器用超大型クライストロンE3740A

表 5.1

図5.16 パルスクライス
図5.17
トロンE3776
連続波クライストロンE3786（写真：東芝電子デバイス） （写真：東芝電子デバイス）
200kW管から1MWへの出力向上に関しては、特に真空度の向上と出力窓の改善に大きいハードルがあった。開発途上では、管内放電が多発した。そこで、真東芝の加速器用クライストロン

開発年

管名

周波数
MHz

出力 パルス幅
μs
MW

要求元

集束
磁石

2000

E3757

11,424

50

1.5

KEK

PPM

2000

E3758

5,712

50

2.5

KEK

PPM

2000

E3761

11,424

50

1.5

SLAC

PPM

2001

E3768

11,424

75

1.5

KEK

PPM

2001

E3766

972

3

620

J-PARK

2002

E3773

5,712

5

4

理研

2004

E3736

1300

10

1,500

DESY

PPM

PPM：Periodic Permanent Magnet

表5.1のDESY（Deutsches Electronen-

空封止、真空処理、真空排気、コンディションニング

Synchrotron in der Helmholtz-Gemeinschaft）向けクについて、根本に立ち返った考察と対応が求められた。

ライストロンは、6本の電子ビームを使用するわが国

窓については、セラミック内に発生するマイクロ波損で初めての多ビームクライストロンである（18）。外観と失が熱歪を生じ、このために出力が上がると窓が破損

電子銃の写真を図5.19に示す。

するという障害に遭遇した。この問題を克服するため

電子管技術の系統化調査

81

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ82

参考文献（1）（社）電子通信情報学会歴史的マイクロ波技術資料保存委員会：日本における歴史的マイクロ波技
術資料保存目録、（1998）（2）日本電子機械工業会電子管研究会：電子管の歴史、
p206、オーム社（1987）（3）島田：電子ビームと空胴の結合の解析とクライス
トロンの大信号シミュレーションへの応用、信学
論文誌56-B、5 、p176（1973）（4）電子管の歴史、p190-191（1987）（5）大類、佐藤、井出：「衛星通信地球局用マイクロ波管」、p57-62、NEC技報。Vol.36 No.12（1983）
図5.19 マルチビームクライストロンE3736（写真：東芝電子デバイス）
電子銃部の拡大写真に6個のカソードが並んでいるのが認められる。このカソードから射出された6本のMicrowave Tubes for Space and Ground
Applications 、Second Ka Band Utilization Conf.、
Sept. 24-26（1996）

電子ビームが空胴部に入射され、そこでマイクロ波と（7）岡本、細井、三宅、大野、永島、今井、上原、藤

相互作用する。1本の電子ビームを用いるクライスト

井：「核融合高周波加熱用2GHz 1MWクライスト

ロンと比較して、より低いビーム電圧で、より効率よロン」、信学技報 Vol.83 No.213（1983）T.

くマイクロ波の増幅を行うことができる特長を持って（8）Okamoto et al： Super Power Klystrons forいる。
DESYはこのようなクライストロンを現在、建設中

Fusion Plasma Heating 、IMPI 84（1984）（9）冨増、村、岡本：リニアック励振用高効率パルのX線自由レーザに使用する予定である。将来の素粒

スクライストロンE3776の開発、信学研資、子の研究では、この種の大電力高効率クライストロン

MW80-34（1980）

が多数、使用されると見込まれている。
最後に超大型クライストロンの製造技術について記す。

（10）米沢、岡崎、渡部：ライナック用150MWパルス
クライストロンについて、信学技報、Vol.85、No.23（1985）

東京芝浦は1979（昭和54）年、通産省補助金を取得（11）高田、大家、大野、岡本：「500MHz 200kW

し、産業用超大型クライストロンの製造設備を整備しCW大電力クライストロンE3774の開発」、電学、た。当時、砕岩、汚泥処理、核融合、大型加速器の分

信学技報 MW80-35、EMC80-45、電子通信学会

野で、超大電力クライストロンの開発が求められていp33-38（1980）

たが、従来設備ではその要求に応えることができなか（12）岡本、大家、川上：「加速器用 1.2MW 連続波大った。そこで、東芝は5,000kVAの専用受電設備、5m

電力クライストロン」、東芝レビュー、41巻 10に達する超大型管の排気を行うための2重真空排気炉、号、p889-892（1986）

製造のための専用の建屋、超大電力管を試験するための高圧安定化電源、発生したマイクロ波を吸収するた

82（6）T. Kageyama et. al： Review of NEC s Ka-Band（13）高 田 ：「 5 0 0 M H z ク ラ イ ス ト ロ ン 」、 加 速 器 、
Vol.1 No.2、p109-118（2004）

めの大型水負荷など、一連の製造、試験装置を整備し（14）大久保、米沢、松本、新竹：「50MW Cバンドパた。産業応用の話は実らなかったが、一連の投資は、ルスクライストロン」、信学技報、Vol.98 No.467

原研の核融合クライストロンやジャイロトロン、

ED98-179、p73-79（1998）

KEKのトリスタン計画用のクライストロンを始めと（15）手塚、三宅、坂本、千代、福田、川村、穴見：する超大電力管の開発に力を発揮した。このクラスの「大強度陽子加速器（J-PARC）用324MHzクラ

超大電力電子管を製造し、検査できる設備を有していイストロンの開発」、Poc. of the 28th Linear

るメーカは世界でも、米国とフランスに各1社がある

Accelerator Meeting in Japan、Tokai、p372-程度である。

374（2003）

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ83（16）松本、大家、徳本、陳、両角、水野、A. Larionov、けるタイプを外部空胴型、あらかじめ空胴を取り付

S. Kazakov、V. Teryaev、菅、浦方、三宅：

けて出荷するタイプを空胴自蔵型と呼んでいる。こ「PPM集束Xバンドパルスクライストロンの開れに対し、内部空胴型は、真空内に空胴を取り込ん発」、Poc. of the 26th Linear Accelerator Meeting

だタイプで、空胴壁自身が真空壁になっていて空胴in Japan、Tukuba、p 82-84（2001）

内は真空である。

（17）藤井、大久保、稲垣、新竹：「7MW Cバンド

2 東京芝浦は1984（昭和59）年に東芝と社名を変更、

PPMパルスクライストロンの開発」、信学技報、2003年に電子管部門を分社した。社名は東芝電子管

Vol.103 No.497 P65-70 ED2003-193（2003）

デバイスである。

（18）A.Yano et. al： The Toshiba E3736 Multi-Beam

3 フォトンファクトリは、高速で周回軌道を描く電子

Klystron 、Proc. Of Linac 2004, Luebeck、から放射される放射光を利用する施設である。

Germany、p706-708（2004）

KEKに続き、東北大、産総研等で放射光施設が建設された。

1 通常、図5.13の一番左側の写真に示すように、クラ4 トリスタンはクォークの発見を目標に建設された装イストロンは空胴なしの状態で排気される。空胴は置で、その後、自然界に反粒子が存在しない理由

セラミック円筒の外側に取り付けられる。空胴を付（CP不平衡）を研究するためのBファクトリに改造

けないで出荷し、放送機組込み直前に空胴を取り付された。

電子管技術の系統化調査

83

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ84

6 進行波管マイクロ波が増大する。マイクロ波の増大により集群

6.1 概要がさらに進む。したがって、デシベル（dB）の単位で表した増幅度は長さに比例して増大する。しかし、進行波管はTWT（Traveling Wave Tube）とも呼

やがて電子速度がマイクロ波の速度より遅くなって増ばれる。1941（昭和16）年頃に英R. Kompfnerが着想

幅条件を満たさなくなり、飽和して最大値に達したの（1）

し1944（昭和19）年に発表した 。1947（昭和22）年（2）に米 J. R. Pierce が理論をまとめ刊行した 。

ちは逆に減少する。
飽和を少しでも遅らせて、より高い増幅度あるいは進行波管におけるマイクロ波と電子の相互作用は、出力を得るため、終段近くでマイクロ波の速度を次第

伝送線に沿う分布結合であるので、クライストロンのに、あるいは段階的に低下させる手法がとられる。こような共振器を用いるものと違い、動作周波数帯域がの方法を位相速度テーパと呼んでいる。

はるかに広い特長を持つ。そのため、マイクロ波中継、増幅を終えた電子ビームは、スペント・ビームと呼地上放送、レーダ、衛星通信、衛星放送、あるいはマ

ばれ、コレクタで捕集される。そのエネルギーはコレ

イクロ波を利用する測定器等の増幅管として広く利用

クタで熱になる。少しでもこの量を減らすため、前章されてきた。また、比較的高い周波数の信号を増幅すで説明したCPD技術を利用する。通常、3-5段の多段る能力を持っていることから、ミリ波帯の増幅管とし型CPDコレクタが採用される。

ても開発が進められた。
進行波管は、図6.1に示すように、電子銃、遅波回路、コレクタで構成され、電子銃から射出された電子が遅波回路内をマイクロ波とほぼ同じ速度で進みながら相互作用するようになっている。

位相速度テ―パとCPD技術を併用して、最近では効率が50％程度を超える進行波管が作られるようになっている。
代表的な遅波回路は、らせん型と、空胴結合型である。それぞれ、図6.2、図6.3に示す。後者は、マイク

一般に、自由空間ではマイクロ波は光と同じ速さでロ波が結合スロットによって順に隣の空胴に伝えられ伝播する。一方、電子は光の速さより遅い。そこで、ていくようになっていて、機械的、熱的に強く、特にマイクロ波の速度を遅らせ、電子速度がわずかにマイ大電力の進行波管に用いられる。

クロ波の速度より大きくなるようにしてある。遅波回路という名前が付けられているのはこの理由による。

図6.1

図6.2

らせん型遅波回路

図6.3

空胴結合型遅波回路

進行波管の構造

速度がほぼ等しいので、個々の電子はマイクロ波の特定の位相の電界の作用を受けることになる。加速位相の電子は加速され、減速位相の電子は減速され、そ84の結果、先へ進むにつれて次第に集群して密度変調さビームを細く絞ったまま、遅波回路部を通すためにれる。電子の速度をわずかに速くしておくと、全体と磁界が使用される。ビーム集束には、当初、電磁石がして電子は減速され運動エネルギーを失って、その分、使用されたが、やがて永久磁石が採用され、さらに周国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ85

期永久磁石（PPM：Periodic Permanent Magnet）を用いる方向に進んだ。

6.2 マイクロ波中継回線用進行波管

PPM集束は、電電公社（現NTT）の電気通信研究

1947（昭和22）年に東京芝浦がTV中継用進行波管所で行われた極めて重要な発明で、現在、この技術はの研究に着手した。また、1950（昭和25）年に電電公

世界的に広く採用されているうえ、大電力直進型クラ社通研が4GHz、出力150mW、利得17dBの増幅に成功

イストロンでも採用される方向にある。

し、続いて翌年に1W、18dBの進行波管を試作した（ECL-1085、ECL-1086）。
東京芝浦がNHK技研との共同研究を経て1952（昭和27）年にNHKのTV中継用4GHz管を開発し、翌年初めから、東京-名古屋-大阪間の中継に供した。これはNTTの中継回線の完成まで使用された（4W10、4W11等）。
日本電気が電電公社通研と4GHz管4W85、4W86を開発、1954（昭和29）年に電電公社の商用中継器（東図6.4

京-名古屋-大阪間の多重電話回線、TV中継回線）に使

周期永久磁石の発明（3）用した。
進行波管やクライストロンでは、ビーム集束のため1951（昭和26）年、電電公社 関壮夫がPPMを発明に、比較的長い距離に渡って強い磁界を発生させる必し、1954（昭和29）年に米J. T. MendelがPPMの理論

要があるが、PPMでは、磁界が周期的に変化するたを発表した（1）。1955（昭和30）年には、早くも4GHz

め、磁位を低く抑えることができる。PPM技術によの PPM管4W75Aが実用化された（図6.6）。大きくてり磁石の重量、寸法が極めて小さくなったほか、漏れ重いソレノイド型の電磁石を使用しなくなったため、磁界も小さくなり、経済性でも優れた効果を生んでい大幅な軽量化がはかられた。

る。図6.4に、特許に示された磁石構造を示す（3）。遅波
回路と電子ビームは図の中心部の、軸方向磁界が周期的に変化する部分に置かれる（図6.5参照）。図には小型の馬蹄形磁石が示されているが、近年は磁石材料が良くなったので、中心に穴の開いた円板状の磁石になっている。
参考までに、最近のらせん型進行波管の一例を図6.5に示す。磁石は円板状磁石を用いたPPMで、コレ
クタはCPDである。
図6.6 NTT商用中継器用PPM進行波管（写真：NTT情報流通基盤総合研究所）

図6.5

PPM CPD 進行波管の構造（6）電子管技術の系統化調査

85

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ86

東京芝浦は、7Wシリーズ、8Wシリーズ（電磁石集
束8W22A、PPM集束8W23、出力2W、国鉄回線に使用）を開発、また、建設省の中継回線用にPPM集束、5W管（3W20）を開発した。
このほか、6GHz帯から15GHz帯に至る多くの中継用進行波管の開発が進められた。しかしながら、1960

図6.10 11GHz帯全金属セラミック進行波管
LD4389A （写真：NECマイクロ波管）

年代半ば頃から、まず進行波管以外のデバイスの固体化が始まり、やがて進行波管自身も、衛星関連等を除き、低周波、低電力の領域から次第に固体装置に置き換えられる道をたどることになる。

ミリ波進行波管の開発
電電公社通研は1950年代前半にミリ波進行波管の開発に着手し、1960年代始めにかけ、その成果をもとに

日本電気は電電公社とともに1960年代始めから長寿メーカを指導した。日本電気、東京芝浦、沖電気が、命化対策を進め1970年代半ばに全金属セラミック化、

らせん型、2重はしご型、交差指型50GHz帯ミリ波進

1980年代に入って小型軽量化、高効率化、高信頼化、行波管の開発に参加した（4）。ミリ波進行波管のビーム

大容量化等、一連の努力を展開した。1980（昭和55）

集束には、当初、電磁石が使用され、のちに馬蹄形の

年には電電公社で使用する日本電気の進行波管は約永久磁石に置き換えられた（図6.11）。1972（昭和47）

15,000本に達した。

年には、茨城通研−水戸間でミリ波導波管伝送試験が日本電気は1960年代から盛んに輸出を進め、北米、行われた。引き続き、70GHz帯の進行波管の開発も実

中南米、アジア、大洋州、中近東、ソ連など、ほぼ全施された。一連の総合的な研究によりミリ波技術が大世界に販路を伸ばし、1980年代半ば以降も中継用進行

きく進展したが、ミリ波通信は実用に至らなかった。

波管の新しい開発を継続した。
一部の進行波管の外観写真を図6.7−6.10に示す。図6.8−6.10はいずれもPPM管で、図6.10は全金属セラミック進行波管である。

図6.7

4GHz帯中継機用進行波管 ４W72A（写真：NECマイクロ波管）

図6.11

50GHz帯2重はしご型進行波管（4）6.3 低雑音進行波管
1955（昭和30）年頃から、東京大学、電電公社通研、
日本電気、東京芝浦などで、通信、レーダ用に低雑音進行波管が開発されたが、固体デバイスの進展によって販路を伸ばせず、1960年代で殆どの開発と生産は終
了した。
図6.8

7GHz帯進行波管 M4813（7W411）（写真：東芝電子管デバイス）

6.4 レーダ用進行波管
この分野は、主にマグネトロンやクライストロンが使用され、進行波管は輸入品かその国産化管に限られていた。しかし、進行波管は帯域が広く雑音が少ない
特長を持っており、日本電気はその特長を生かした表

図6.9 6GHz帯 進行波管 6W50
（写真：NECマイクロ波管）

86

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

6.1のような一連の進行波管を開発した。図6.12、図6.13に一部の外観写真を示す。

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ87

いずれもグリッドにパルス電圧をかけてビームを制御する方式の進行波管である。表の（*）は新日本無6.6 UHF-TV用進行波管線の開発品である。
東京芝浦は1962（昭和37）年にUHF-TV放送用全金
表6.1

レーダ用進行波管

開発年 周波数
［GHz］

出力
［kW］

1983

S

125/150

1983

X

50

特

属セラミックPPM集束らせん型進行波管の開発に着徴手し、翌年、M4803 の開発に成功、1964年には1W50として（図6.14）、民放5社のサテライト局向けに納入された計18台の放送装置に供した。

1984

S

3

（*）

日本電気が1964（昭和39）年に電磁石集束のLD-655、

1984

C

60

（*）

翌年にはPPM集束のLD-711を開発し、1W20として量

1985

X

50

空胴結合型

産に入った。

1985

S

150

空胴結合型

1987

X

8

リングループ

1989

X

3

リングループ1989−−

らせん、ミサイル搭載

1992

8.5-16

1.5

らせん、広帯域

1995

6.5-18400W

らせん、広帯域

1W50、1W20、神戸工業が開発した1W70は30W/100W局で使用され、多いときは年当り300−400
本が製造された。それまで使用されてきた送信管は進行波管に置き換えられた。

図6.14

UHF-TV用進行波管
1W50/M4803（写真：東芝電子管デバイス）
10Wサテライト局にも、1964−65年に開発された日立製作所、神戸工業、松下電子、日本電気、東京芝浦の進行波管が使用された。1W65.（飽和出力50W、利得28dB）、1W67、1W10等である。10Wサテライト局
はおよそ400局になった。
1969（昭和44）年、300W/500W/1kW局用に東京芝
図6.12 Sバンド150kW グリッドパルス
空胴結合型進行波管（写真：NECマイクロ波管）

浦と日本電気が強制空冷型の1W80を開発した。周波数は650MHz、飽和出力は2kW、ビーム集束は電磁石である。また、翌年には日立製作所も蒸発冷却管、強制空冷管の開発を行っている。
UHFテレビ用の進行波管は急速に発展したが、1966（昭和41）頃から次第に進行波管以外のところか
ら固体化が進み、やがて進行波管自体も固体化される

図6.13 Xバンド3kWグリッドパルス
リングループ型進行波管（写真：NECマイクロ波管）

ようになった。

6.7 衛星搭載用進行波管
6.5 加速器用進行波管
この用途の進行波管では、高信頼性、小型、軽量、
東京芝浦は、1959（昭和34）年、東京大学原子核研

高効率、高利得はもちろんであり、ロケットで打ち上究所、名古屋工業技術試験所向けに2856MHz、2MW

げられ宇宙空間で使用されることから、耐震性、対環

クライストロンのための原発振（M7851A、2W、外境性等を満たすことが重要な要件である。

部帰還）、中間増幅（M7850、パルス出力400W、パル

1973（昭和48）年、電電公社通研と日本電気が通信ス幅10μs）用進行波管を、続いて60年代中頃には出衛星搭載管の開発を開始し、1975年に4GHzで6W、力1kWの進行波管3W80Aを開発した。

18GHzで5Wの進行波管を開発し、1977（昭和52）年

電子管技術の系統化調査

87

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ88に、通信衛星「さくら」に米国製の進行波管と混載で1977年打ち上げの放送衛星（BS：Broadcasting

打ち上げた。続いて、通研と日本電気は20GHzで5W

Satellite）「ゆり」には米国ヒューズ社の100W空胴結の進行波管ECL-1481を完成した。この進行波管は、合型進行波管が、1984（昭和59）年打ち上げのBS-2a

4GHz 6.3Wの進行波管 ECL-1480とともにCS-2a、2bに「ゆり2号」には、仏国トムソンCSF社のらせん型進行搭載され、1983年に打ち上げられた。電子銃には酸化波管が搭載された。後者の進行波管で使用されたコレ

物陰極、遅波回路にらせんが採用された。また、小型

クタ電極の材料はパイロリティック・グラファイトで軽量化をはかるため、PPM磁石に強力なサマリウムあった 2 。

コバルトが使用された。冷却は伝導冷却で、進行波管BS-2aを打ち上げた後、特に厳しい宇宙環境に関すで発生した熱を衛星に伝え、さらに宇宙空間に放熱する問題がクローズアップされ、その環境を模擬した地る仕組みであった。

上試験が行われた。BS-2bの打ち上げはスクリーニン

CS-3に対し、20GHz 20Wの進行波管を電電公社、グを通過した進行波管のみを用いて実施された。BS-

NASDA（宇宙開発事業団）、日本電気が進めた。こ2bを用いて1986年12月から試験放送、1989年6月からの進行波管（図6.15）は、らせんとこれを支持する3

本放送が始まっている。BS-3では、国産の進行波管が本のベリリア棒を金属管内にわずかな歪を与えて挿入

打ち上げられた。経験を踏まえた厳しい信頼性確認試

1し、挿入後、この歪を開放する方法が採用された 。

験とスクリーニングが実施された。
将来の放送衛星搭載用進行波管の開発をNHK技術
研究所と日本電気が進めている。この衛星では複数個の進行波管の出力がフェーズドアレイアンテナから放射される（6）。図6.17に進行波管の概観写真を示す。内部の構造は図6.5を参照されたい。

図6.15 20GHz
衛星搭載用進行波管（写真：NTT情報流通基盤総合研究所）
衛星放送用として、1977年からNHK指導の下に日

図6.17 21GHz10Wらせん型進行波管（写真：NECマイクロ波管）

本電気、東京芝浦が100W管を開発した。出力は後に200Wへ引き上げられた。この進行波管では4段のCPD

6.8 地球局用進行波管と位相速度テーパが採用された。
衛星放送用進行波管の出力は通信用と比較して格段に大きく、したがって、コレクタで発生する熱を直接、1962（昭和32）年、東京芝浦、日本電気が通信衛星
地球局用の進行波管の開発に着手した。

宇宙空間へ放熱する必要があった。そこで、コレクタ

1967（昭和42）年、東京芝浦が6GHz 3kW M7864、を衛星の外に突き出し、太陽からの熱を反射し、コレ日本電気が2kW LD-844を開発、後者がKDD山口局とクタ内で発生した熱を宇宙に向けて放射するための表

高萩局で採用された。

面処理が行われた（図6.16）。

翌年、出力10kW のM7880（東京芝浦、マレーシアに輸出 図6.18）、8kWの LD-793（日本電気、KDD高萩で使用、オーストラリア、台湾、韓国などに輸出）が開発された。1972（昭和47）年には日本電気が出力12kWのLD-4052を開発した。

図6.16

88

放送衛星搭載用150W進行波管LD-4546（5）

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ89

空胴結合型進行波管のPPM化が進められるようになった。電電公社は（昭和53）年1978年頃から、PPM
設計の検討を始め、1980年に、東京芝浦と共同で30GHz帯、400Wの全空冷進行波管E3832を開発した（8）。
（図6.20）

図6.18 地球局用進行波管 M7880（写真：東芝電子管デバイス）
小型地球局用として、日本電気は1972年に3KW管

図6.20

PPM集束30GHz帯400W進行波管 E3832（写真：東芝電子デバイス）

LD-4070、翌年に300W管LD-4025（らせん型）、1978（昭和53）年にLD4281、1978年に720W管 LD-4225、東芝は1983（昭和58）年に空胴結合型遅波回路、

1.2kW管LD4228、1982年に500W管 6W81、1983（昭PPM、CPDを組み合わせた30GHz 300W進行波管

和58）年に150W 管LD4440を開発した。

E3840を開発し、建設省、消防庁の非常対策用に納入

1980、1983年打上げのインテルサットⅤ、Ⅴ-Aでアした。

ップリンクにKu帯が加えられた。この周波数帯の進放送衛星地球局用として、14GHz帯で1975（昭和50）行波管として日本電気は、出力250WのLD4441をはじ

年に東芝が2kW（図6.21）、日本電気が3kW管を開発

め、130Wから3kWに至る多くの進行波管を製品化し

した。

た。

図6.19

30GHz帯通信衛星地球局用進行波管
M7894、M7895A、M7895B（7）電電公社の国内衛星通信計画に応えて世界に先駆け

図6.21 14GHz帯放送衛星地球局用
進行波管 E3825（右は電磁石装着時）（9）30GHz帯の進行波管の開発が進められた。東京芝浦は1985（昭和60）年、次期放送衛星地球局用として、

1969（昭和44）年に300W M7894、1971（昭和46）年

NEC、NHKが22GHz 45Wらせん型進行波管を共同開に600W M7895を（図6.19）、日本電気が1970（昭和45）

発した。

年に400W LD4012を開発した。

その後、日本電気が展開した地球局用進行波管をま電子管技術の系統化調査

89

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ90

とめて表6.2に示す。図6.22、図6.23、図6.24は一部進
行波管の外観写真である。
表6.2

地球局用進行波管

開発年

周波数
［GHz］

出力
［W］

特

1985

6

400

CPD、
らせん

1986

6

3,000

らせん

1986

14

600

らせん

1988

30

100

らせん、パルス、伝導冷却

1990

30

100

らせん

1993

6

700

らせん

1993

14

300

らせん

1995

14

750

らせん、伝導冷却

1995

14

60/40

小型 T W T

1996

17

400

らせん、次世代衛星放送

1996

14

130

らせん、小型TW T

1996

30

150

らせん、効率40％ 伝導冷却

進行波管はマイクロ波中継用に始まり、特にUHF

1996

14

350

らせん、2段CPD 伝導冷却

テレビと衛星関連で大きく成長した。大別して、比較

1996

14

600

らせん、2段CPD 伝導冷却的小電力の領域ではらせん型、電力の大きいところで

2000

6

2,250

らせん

は空胴結合型が採用されたが、らせんの支持や冷却の

2001

30

250

らせん、伝導冷却技術が進んで、らせん型進行波管が許容できる電力は徴

図6.24 14GHz帯600Wらせん型進行波管（写真：NECマイクロ波管）

6.9 まとめ

次第に大きくなった。
電子ビームを集束するための磁石が電電公社電気通信研究所の発明によってPPM化され大幅に軽量化された。進行波管は帯域が広い特長もあって、特に衛星通信関連で、引き続き重要な地位を維持していくと期待される。現在でも、将来を睨んで新しい開発が進められている。磁石材料もアルニコ、フェライト、さらにはサマリウムコバルト磁石等が加勢し、いっそうの小型軽量化が可能となっている。
進行波管の開発史の中で、日本では、特に東京芝浦
図6.22 6GHz 2.25kW らせん型進行波管（写真：NECマイクロ波管）と日本電気が激しく競争してきたが、東芝がマイクロ波大電力のクライストロンやジャイロトロンに特化したこともあって、現在、国内では日本電気1社に寡占化されている。世界的にも欧米にそれぞれ1−2社が残っているに過ぎない状況である。

図6.23 30GHz帯250W らせん型進行波管（写真：NECマイクロ波管）

90

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ91

参考文献（1）小山：「進行波管」、通研叢書2、日本電信電話公社電気通信研究所編、丸善（1964）（2）J. R. Pierce：Traveling Wave Tubes、D. Van
Nostrand Company, Inc.（1950）（3）関壮夫、近藤厚実、小山次郎：特許出願広告 昭28-3371

1 この方法はディストーション・スクィーズ（distortion squeeze）法と呼ばれる。金属管の外側に3方向から圧力を加えてわずかに変形させ、その状態でらせん等の内蔵物を挿入し、挿入後に圧力を開放する
方法で、らせんを強固に固定するとともに、熱伝導のよいベリリアを介してらせんに発生する熱を伝導で除去する優れた効果を持っている。冷却性能を上（4）宇治、東、岡本：ⅩⅣ 進行波管、電気通信研究げる目的で、後には、この方法よりさらに冷却性能

所ミリメートル波シンポジウム、p125-136、日本が良い、らせん、支持棒、金属管をロウ付けする方

電信電話公社電気通信研究所（1968）

法が開発された。

（5）「NHKにおける宇宙中継に関する技術開発史」

2 この材料は軽く熱的に強いという特長があり、しか編集委員会：NHKにおける宇宙中継に関する技

も大型送信管のグリッドに使用された十分な実績が術開発史、兼六館出版㈱（1994）あったため採用されたものである。打ち上げ前の段（6）（財）テレコム先端技術支援センター21GHz帯を階で、微小な放電が起きるという問題が見つかり、用いた高度衛星放送システムの概念設計検討報告

詳細かつ慎重な追加の試験と確認が行われ、その後、

H1505、P4-56（2003）

BS-2aの打ち上げが実施された。

（7）T. Okamoto et. al： Millimeter-Wave High-Power
Traveling-Wave Tubes , Toshiba Review, May
1971（8）酒寄、平田、石堀、杉山、藤田、岡本：「PPM
集束300GHz帯400W全空冷進行波管」、昭和55年
度電子通信学会総合全国大会、310、p2-81（1980）（9）K. Sugimori et. al： High-Power Traveling-Wave
Tube, E3825, for Earth Station in Broadcasting
Satellite System , Toshiba Review, No.113, p26-28,
Jan-Feb 1978

電子管技術の系統化調査

91

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ92

7 ジャイロトロンて、らせん状の軌道を描きながら空胴に向かう。全体

7.1 概要としては、中空円筒状の電子ビームになっている。

オーストラリアの天体物理学者R. Q. Twissが1958（昭和33）年にサイクロトロン共鳴メーザ（CRM：
Cyclotron Resonance Maser）の原理を提唱した（1）。
この原理の検証実験が、米国のハーシュフィールド
（J. L. Hirshfield）ほかによって試みられたが、出力（〜kW）、効率（〜2％）ともかなり低くかった（2）。

図7.2

マグネトロン入射電子銃と電子の軌道

ソ連の研究者達がマグネトロン入射電子銃（MIG：

空胴部で、電子ビームと空胴内のミリ波が相互作用

Magnetron Injection Gun）を使ってCRMの性能を大する。ミリ波の電界は円周方向を向いている。なお、

幅に向上させ、ジャイロトロンとして発表し、一躍、ジャイロトロンが扱う電磁波は通常、ミリ波であるた（3）,（4）

世界の脚光を浴びた。

め、ここでは、あえてミリ波という言葉を用いた。電ジャイロトロンは、特にミリ波、サブミリ波領域で波、電磁波、高周波などと使い分ける方が、しっくり

大電力を発生できる特長を持っている。核融合のためする場合もあるが、以下、便宜上、ミリ波に統一してのプラズマ加熱、ミリ波加熱、ミリ波レーダなどの応記述することにする。

用で活用できると見られ、特に核融合関係者が強い関電子がミリ波の電界によって加速されると速度が増心を示した。日本の開発は、京大で1977（昭和52）年

して、相対論効果により重くなり、回転の角速度Ωが頃に始まった。

減少する。逆に減速されると軽くなってΩが増大する。

当初、電磁界分布が回転対称なモード（TE01、

この結果、軸方向に進むにつれて、もともと均一に分TE0,2、TE0,3）を利用するジャイロトロンが開発さ布していた電子は図7.3に示すように次第に集群するれた。続いて、核融合のプラズマ加熱のニーズに応えようになる。

1

るため、ウィスパリング・ギャラリー・モード 、さらには、体積モードと呼ばれる大電力ジャイロトロンの開発に移行し、近年、170GHzで、長パルスあるいは連続波のMW出力が得られるところまで進展した。
ジャイロトロンの基本構造を図7.1に示す。MIGから放射された電子は軸方向の強い磁界にまきついてらせん状の軌道を描きながら空胴部を通過してコレクタに達する。電子の回転の角周波数Ωは電荷eと質量m

図7.3電子の集群の様子の比で定義される比電荷η（= e/m）と磁束密度Bのミリ波の角周波数をωとすると、ωとΩが等しいと積（= ηB）で与えられる。たとえば、磁束密度が1T

きは、加速される電子と減速される電子は、加速も減のときΩはほぼ28 GHzになる。

速もされない電子を中心に集群する。ωがΩよりやや大きいときは電子が減速位相に集群し、全体として電子はエネルギーを失うことになる。この減少分がミリ
波のエネルギーになる。ミリ波のエネルギーが増すといっそう集群が進み、それに応じてエネルギーの変換
がさらに進行する。このようなメカニズムでジャイロ

図7.1

ジャイロトロンの基本構造

MIGの構造と電子軌道を図7.2に示す。個々の電子は傾きを持ったリング状のカソードから飛び出し、破線で示した電界と二点鎖線で示した磁界の作用を受け92

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

トロンが発振に至る。

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ93

10ms（TE0,3モード）、1992（平成4）年に48GHz/

7.2

回転対称モードジャイロトロンの開発

200kW/30ms（TE0,2モード）のジャイロトロンを開発した。

本節および7.3、7.4節で取り上げるジャイロトロン
は、いずれも円周方向に強さが変化しない均一な電界

7.3 産業応用を利用するものである。これらのジャイロトロンの電磁界分布は回転対称である。そのような電磁界のモーミリ波の応用のひとつに誘電体加熱がある。物質にドのうち、まずもっとも次数の低いTE0,1モードが利固有の共振による吸収がない場合、一般に周波数にほ用された。その後、出力増しの要求に応じ、次第に次ぼ比例して加熱効果が高まる傾向がある。そこでマイ数を高めて、TE0,2あるいはTE0,3モードが使用されクロ波では加熱しにくい材料、たとえば純度の高いセ2

るようになった 。
京都大学は1977（昭和52）年にジャイロトロンの開発を開始した。1979（昭和54）年に、日本電気にラミックスを加熱する応用が研究された。最近では、
粉末冶金の加熱焼成にもこのジャイロトロンが使用されている。

35GHzで600Wのジャイロトロンを試作させたが、組ミリ波加熱用に28GHzジャイロトロンを三菱電機が立式であったため、真空度が上がらず、不安定な発振開発し、電磁石型（GT-C0301E）と永久磁石型（GT-しか得られなかった。翌年、東京芝浦が京大の指導を

C0301）の2種を商品化した。後者では、永久磁石の受け、TE0,1モードの22GHzジャイロトロンE3952を磁界が温度の影響を受けて変化するため、補正の目的（5）。これは国内最初の封止切り管であった。

で、小さい電磁石を使用している。モードはTE0,2で出力は17kW、パルス幅は1msであった。このジャイある。高調波動作のため、磁界は0.5Tである。出力はロトロンは京大の実験に供され、後に出力は50kWま10kW、効率は30％である。図7.5にこれらのジャイロで上げられ、また高調波動作により、発振周波数もトロンを示す。2006（平成18）年3月までに13本を納41GHzに上げられた。図7.4に22GHzジャイロトロン

入している。

開発した

E3952を示す。

図7.4

22GHzジャイロトロンE3952（6）1981（昭和56）年に日本電気が京大トカマク実験装
置WT-Ⅱ用に35GHz/55kW/5msのジャイロトロンLD4427を開発した。続いて、東京芝浦はWT-Ⅲ用に
56GHz/200kWのE3956を開発し、さらに筑波大複合
ミラー実験装置ガンマー10向けに、28GHz/200kW/
100msの E3955と41GHz/200kWのE3962を開発した。
東京芝浦は、福井大の要求を受け70GHzのジャイロト
ロンの開発も実施した。
1987（昭和62）年、日本原子力研究所（（現日本原図7.5 28GHz ミリ波加熱用ジャイロトロン
左：電磁石型、右：永久磁石型（写真：三菱電機）

子力研究開発機構原子力研究所、以下単に原研と記載）
がジャイロトロンの開発に着手した。東京芝浦は、原研と共同でTE0,3モードの120GHz/170kW/ 10msジャイロトロンを開発した。
三菱電機は、1988（昭和63）年に120GHz/150kW/

電子管技術の系統化調査

93

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ94

7.4 テラヘルツへの挑戦とその応用

7.5 核融合応用

福井大学は1970年代末頃にジャイロトロンの開発を核融合のためのプラズマ加熱に使用されるジャイロ

始め、磁石の開発（20Tに至る強磁場超伝導磁石、ヘトロンは当初、図7.1に示すような構造で、回転対象

リウムフリー磁石等）と、テラヘルツに向けた一連ののモード（TE0,1〜TE0,3）を利用するものであった

ジャイロトロンの研究開発を並行して進めた。

が、さらに大出力の要求に応えるためにいくつかの基

すなわち、1987（昭和62）年には636GHz、1988

本的な構造変化の必要に迫られた。

（昭和63）年には847 GHzを得、2004（平成16）年にまず、空胴径を大きくして電磁界のモード次数を高は、ついに1THzで動作するジャイロトロンを完成しめた。この方策により、より径の大きい電子ビームをた（いずれも2次高調波動作）。図7.6にテラヘルツジ

使用できるようになり、出力も大きく増大した。

ャイロトロンを示す。2002（平成14）年には5次高長

まず、①ウィスパリング・ギャラリー・モード

波の動作を確認し、翌年にはCWで300GHz/ 1.8kW、（TEm,nモード、円周方向の次数mは大きく、径方向

また2006（平成18）年には395GHz/100Wのジャイロの次数nは通常1か2）ジャイロトロンが開発され、続トロンの開発に成功した（図7.7）。目下、20T（テスいて、②mもnもともに大きくした体積モードを採用

ラ）の超伝導磁石を用いて、1THz でCW 100 Wの光

するようになった。

源開発を目指して研究を推進中である。

コレクタは電子を捕集する役目と、発生したミリ波を伝送する2つの役目を持っていた。すなわち、図7.1に示すように、ミリ波と電子は空胴を通過した後、ほぼ同じ径のコレクタ部に入る。電子は、自らの電荷で反発して軌道を広げ、コレクタに捕集される。ミリ波
はそのまま伝送し、やはり径がほぼ同じ大きさの出力窓を透過し、真空外に取り出される。この構成では、コレクタが伝送路を兼ねているため、大電力化することができなかった 3 。
そこで、ミリ波を取り出した後、コレクタを自由に大きくして大電力のビームを捕集する方式へ移行した。
このような改良が行われたほか、CPD、出力窓の耐電力性能向上などの方策が次々に実施された。
以下、原研と東京芝浦（現東芝、後に分社し東芝電子管デバイス㈱になった）が協力して進めた一連の開発を紹介する。
1989（昭和64）年に、まず、ウィスパリング・ギャ
ラリー・モードTE12,2を用いたジャイロトロンを開発

図7.6 福井大 テラヘルツ
ジャイロトロン（写真：福井大）図7.7 福井大FUCWⅡ
395GHz/100W ジャイロ
トロン （写真:福井大）

した（7）。続いて、翌年、ミリ波を取り出した後、電子ビームを捕集する大型コレクタを用いた大電力ジャイ
ロトロンを開発した（8）。構造を図7.8に示す。出力

これらのジャイロトロンの応用は、電子スピン共鳴

548kW、効率30.4%が得られ、パルス幅は前者の1ms

計測、プラズマ散乱計測、セラミックの焼結、新医療から100msに広がった。また、窓の熱的な負担を軽減技術の開発、NMR、タンパク質分子の構造解析など、する目的で、出力は、管内に設けたモードコンバータ

多岐にわたっており、福井大学は応用開発も含めた総によりガウス分布に変換された。

合的な研究を展開している。

94

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ95

ITER（Intenational Thermonuclear Experimental
Reactor：国際熱核融合実験炉）の目標である170GHzに 対 し 、1 9 9 5（ 平 成 7 ）年 に 体 積 モ ー ド を 利 用 し た
TE22,6モードジャイロトロンを開発し、450kW/50msの性能を得た。続いて、モードをTE31,8に引き上げた（10）。
モード次数を高めるには、CADによる設計と製造の大幅な精度向上が求められた。
ジャイロトロンの開発と並行して出力窓の研究が進められた。当時、高純度アルミナの円板の周辺を水冷する窓が一般的なものであったが、170GHz管の開発
では、2枚のサファイア板を使用し、その間にフロリ
ナートを流して面冷却することを試みた。その他の材料についても検討され、一連の調査、研究の中でダイ
ヤモンド窓が浮上した。ダイヤモンドは熱伝導率が高く、機械的にも強固で、さらにミリ波の損失が少なく、
図7.8

ウィスパリング･ギャラリー・モード･
ジャイロトロン E3960（8）窓の材料として理想的と考えられた。
1998（平成10）年に世界に先駆けてダイヤモンド窓

1994（平成6）年には110GHzでCPDジャイロトロンを採用したTE31,8モードのジャイロトロンを開発しE3972を開発した（図7.9）。出力610kWにおいて効率はた。窓の径は96mm厚さは2.23mmで、周辺を水冷す

30%から50%に上がった。パルス幅は50msであったが、る方式が選ばれた。この窓の採用によって、やや出力を下げて実施した長パルスの試験で、520kW/6.2s、450kW/ 8s等の性能が得られた（11）、（12）。

500kW/3.5s、400kW/4s、350kW/5s等の性能が得られ2001（平成13）年にはCPDを採用した170GHzジャた。ジャイロトロンのモードはTE22,2であった。このイロトロンが開発された。1.1MWの動作が確認され、ジャイロトロンは、上記と同様、モード変換器により、効率は32%から57%に上がった（13）。このジャイロトロ

ガウシアンビームに変換し管外に出力する方式であっンの開発では、電子銃と空胴間で発生する寄生振動を（9）。当時、世界的に、ジャイロトロンのCPDは困難

吸収体に吸収させる試みが行われ、好結果が得られた。

との見方が強かったがそれを打ち破った快挙であった。

動作中に真空度が急に劣化する問題についても原因た追求が進められた。ガス放出の原因は、出力を送出す
る最終ミラーの方向調整に使用していたSUS部品の発熱によることが突き止められた。そこで、表面処理に
より表面抵抗を低下させ、この部分の昇温を押さえる対策が行われた（14）。
ジャイロトロンの動作を安定化する対策がさらに進められた。
（1）ジャイロトロンの出力は空胴を出た後、放射器、ミラー系と出力窓を経て管外に取り出されるが、放射器設計のわずかな不整で発生する不用波に着目して、放射器の改良が進められた。これにより不要
波を1/5に減らすことに成功し、管内部品の過熱、ガス放出の問題を大きく改善できた。
（2）電子銃のいっそうの改良によって、ごく一部の不要電子の衝突による2次電子や空胴部からの戻り電子を徹底して減らす努力が進められた。
また、（3）ビームクーリング 4 による電流の減少を
ヒータ電流の制御で補正し安定化する方策が進めら
図7.9

CPD 110GHzジャイロトロンE3972（ 写真：原研那珂研 ）れた。
図7.10に示すジャイロトロンを改良したE3993Bで、電子管技術の系統化調査

95

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ96

上記一連の対策（1）〜（3）を実施し、ついにITERの5

目標を超える600kW/1,000 sの動作確認に成功した 。
この成果は、2006（平成18）年7月に、日本原子力
研究開発機構から新聞発表された。

最後に、核融合実験用ジャイロトロンの開発の実例を紹介する。
TE31,8モードを使った168GHz/500kWジャイロトロ
ンE3980が核融合科学研究所の大型ヘリカル装置LHD
向けに開発された。1999（平成11）年までに合計6本が納入された。パルス幅は1s、出力窓の材料はSiNである。図7.12は実装状態を示す写真である（15）。上部のコイルは、これがないと電子ビームがコレクタ壁の一部に集中して衝突する問題に対処するため採用されたものである。このコイルにより、コレクタ内で磁界を時間的に変化させてビームを走査し、コレクタ壁の熱負荷を平均化し緩和させることができる。

図7.10

170GHzジャイロトロン E3993（16）図7.11に新聞発表の際に示された各国の開発進展状
況を示す。（）内は西暦年号である。このジャイロ

トロンは、その後の試験で、連続運転記録をさらに伸ばし、1時間を越えて安定に動作したことを原研が報告している。
図7.12

168GHzジャイロトロンE3980の実装写真（写真：核融合科学研究所）

2001（平成13）年には、1MW/3sのジャイロトロン
E3990が原研那珂研究所の核融合トカマクJT-60Uに納められた。モードはTE22,6である（16）。図7.13はジャイ
ロトロン室の写真である。4系統のジャイロトロンが並んでいるのが見られる。このジャイロトロンでもコ
レクタ内ビーム走査用のコイルが使用されている。
2005（平成17）年には、筑波大プラズマセンターのタンデムミラー装置Γ-10に500kW/100msのTE4,2モードジャイロトロンE3955SUが納められ、3系統が使用された。
図7.11 ジャイロトロンの開発状況（図：日本原子力研究開発機構）

96

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ97（10）K. Sakamoto et al： Development of 170GHz
Gyrotron for ITER , 20 th International Conf. on
Infrared and Millimeter Waves, Conf. Digest,
p269-270（1995）（11）K. Sakamoto et al： Development of High Power
Gyrotron with Diamond Window , 23 thInternational Conf. on Infrared and Millimeter
Waves, Conf. Digest, p363-364（1998）（12）K. Sakamoto et al： High Power 170GHz Gyrotron
with Synthetic Diamond Window , RSI, vol. 70,
図7.13

JT60UのECR実験用ジャイロトロン（15）No.1,p208-212（1999）（13）H. Shoyama et al： High-Efficiency Oscillation of
170GHz High-Power Gyrotron at TE31,8 Mode

参考文献

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Astronomy , Australian J. Phys. ,vol. 11, p564-579,（1958）（2）J. L. Hirshfield et al： Electron Cyclotron Maser ,Phys. Rev. Lett., vol. 12, No. 19, p 533-536,（1964）（2001）（14）A. Kasugai et al： Study of Millimeter Wave
High-Power Gyrotron for Long Pulse Operation ,Nuclear Instruments & Methods in Physics
Research, Sect. A,528, p110-114（2004）（3）N. I. Zaytsev et al, IMillimeter and Submillimeter（15）下妻：「百ギガヘルツ帯ミリ波の利用-電子サイ

waveband gyrotrons , Radiotechnika I Electronica,

クロトロン共鳴加熱装置技術-」、プラズマ核融vol. 19, No. 5, p 1056-1060,（1974）

合学会誌、Vol. 82 No.8、p. 506-516（2006）（4）V. A. Flyagin et al： The Gyrotron. IEEE Trans.

（16）K. Sakamoto et al： Development of 170 and, Microwave Theory Tech., MTT-25, p 514-521,

110GHz Gyrotron for Fusion Devices , Nucl.

（1977）

Fusion 43, p 729-737（2003）（5）岡本ほか：「22GHz帯ジャイロトロンの試作」、電子通信学会技術研究報告、ED80、113（1980）

1 Whispering Gallery Mode：マグネトロンの原理の（6）大野、岡本、山内、山口：「高周波加熱装置」、東

ところで、円周に沿って1−4周期分、電界が変化し、

芝レビュー、38巻9号（1983）

径方向には1回だけ、電界のピークが出るモードを（7）T. Sugawara et al： 500kW Whispering-Gallery-

説明した。WGMでは、径方向におよそ12−25周期

Mode Gyrotron , 14 th Int. Conf. on Infrared and

分、電界が変化し、径方向には1または2回程度（正Millimeter Waves, Conf. Digest, pp 336-337

負、それぞれ、1回とカウント）、電界のピークが発（1989）

生する。周期の数やピークの数を次数と読んでいる。

（8）Y. Mitsunaka et al： A High-power 120GHz

WGMは金属円筒面の近傍にのみ電界が存在する。

Whispering-Gallery-Mode Gyrotron with a Built-in

そのため、表面モードとも呼ばれる。電界分布の形

Quasi-Optical Mode Converter , 15 th International

状から、このような名が付けられたものである（付Conf. on Infrared and Millimeter Waves, Conf.

録参照）。

Digest, p318-320（1990）

2 電磁界のモードは、たとえばTEm,nのように表記さ（9）K. Sakai et al： Development of 110GHz CPDれる。ここでmは円周方向の周期の数、nは径方向のGyrotron , 19 th International Conf. on Infrared

山および谷の数を表す。0は強さが均一で変化しない

and Millimeter Waves, Conf. Digest, 63-64（1994）

ときに使用する。m＝0の電界は回転対称である。

電子管技術の系統化調査

97

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ98

98

3 コレクタ径を部分的に大きくすると、径が変化する

5 ITERではECH（Electron Cyclotron Resonance

部分で反射が起きて多重反射する結果、コレクタがHeating：電子サイクロトロン共鳴加熱）とNBI

一種の共振器になってしまう。このため、空胴、コ（Neutral Beam Injection：中性ビーム入射）の、2

レクタ、出力窓がすべてほぼ同じ径になっている。

種の装置を用い、核融合を目指したプラズマの加熱

4 ビームクーリング：電子を放出することにより、カが行われることになっている。ECHは他にプラズマ

ソード温度が低下する現象。電子放射により持ち去の維持、制御にも利用される。600kW/1,000sの達成られる運動エネルギーに対応する温度の低下がある。

によって、ECHに対するITER目標が達成された。

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ99

8 まとめと系統化
8.1 マイクロ波管の比較

8.2 その他のマイクロ波管

マグネトロン、クライストロン、進行波管、ジャイ

7章までに取り上げなかったいくつかのマイクロ波

ロトロンはそれぞれ固有の特徴を持っていて、たとえ電子管を紹介する。

ば、マグネトロンは高効率、クライストロンは高利得

BK管はドイツのバルクハウゼン（H. Barkhausen）

で大電力、進行波管は広帯域、ジャイロトロンはミリとクルツ（U. K. Kurz）の発明による電子管で、1920

波帯で高出力である。

年に発表されている。陰極と陽極の間に正電位の格子

マグネトロン、ジャイロトロンは発振管、クライス
トロンと進行波管は増幅管である。

を設け、陰極から飛び出した電子は格子を透過し、直流電界の作用を受けて減速されながら陰極と同電位の電子の運動に関しては、マグネトロンは直流磁界に陽極に向かう。共振回路が陽極と格子の間に接続され直角な平面内の回転および周回運動であり、ジャイロていて（図8.1参照）、高周波電界によって加速された

トロンはらせん状の軌道を描く。この2つの電子管で電子は陽極に衝突するが、減速された電子は直流電界

は、直流磁界が電子と高周波の相互作用に深い関わりの作用を受けて反射し、陰極に向かったのち、再び格を持っている。進行波管とクライストロンでは、直流子、さらに陽極に向かって戻ってくる。この往復のプ磁界は単に電子ビームを集束する役目のみを担っていロセスで、適切に同期を取っておくと、電子は集群し、て、相互作用には関わっていない。

高周波にエネルギーを与える。当時としては、最も高クライストロンでは、電子は入力空胴でマイクロ波

い600MHzの発振を得ている（1）。

と集中結合して速度変調を受け、これが次第に密度変BK管は東北大、東京工大等で研究された。たとえ調に成長するが、マグネトロン、進行波管、ジャイロ

ば、東工大の森田が試作したBK管は波長が68cmであ

トロンでは、最初から分布的に結合して密度変調がる。1935年に、大岡山と筑波山との間の通信実験に供徐々に進行する。

された（2）。

ジャイロトロンは、相対論効果により、らせん軌道

1935年に岡部により大阪管が発明された（3）。この電上で電子が回転半径と回転速度を変えて集群するユニ子管はBK管の、格子電流が大きいという欠点を改良

ークな電子管である。マグネトロン、クライストロン、したもので、陰極と反射電極（BK管の陽極）の間に進行波管は、直接的には相対論効果を利用しない。大正電位の2つの中空の陽極を置き、軸方向に磁界をか電力クライストロンでは電子速度が大きくそのため相けて陽極に電子が流れ込まないようにしてある。2つ対論効果を受けるものもあるが、動作に対しては相対の陽極間に発生する高周波電界で減速された電子は、論の直接の関与を受けない。

陰極と反射電極の間で振動しながら高周波にエネルギ

表8.1にこれらのマイクロ波管の比較を取りまとめーを与える。このプロセスで正帰還がかかり効率よくる。それぞれの動作メカニズムに関しては4-7章を参発振する。BK管の構造を図8.1、大阪管の構造を図8.2

照されたい。

に示す。
表8.1

種

別

主なマイクロ波管の比較

発表年

主な用途

電子に作用する高周波電界

直流電磁界の関わり

E変換の場

マグネトロン1921

レーダ、加熱中心の周りを周回する電界

電磁界がE変換に関与

A-C間

クライストロン1939

レーダ、加速空胴の間隙に発生する電界

磁界が集束に関与

共振空胴

進行波管

1944

通信、
レーダ

らせんを伝播する波の電界

磁界が集束に関与

らせん

ジャイロトロン

1974

加熱、ECH

空胴固有のモードの電界

磁界がE 変換に関与

共振空胴注）E変換＝電子の運動エネルギーから高周波へのエネルギーの変換
A-C間＝アノードとカソード間の円環状の空間
ECH=核融合のためのプラズマの電子サイクロトロン共鳴加熱

電子管技術の系統化調査

99

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ100に減速が進んで、電子の運動エネルギーが減少し、その分、マイクロ波のエネルギーが増大する。電子の殆どの回転エネルギーはマイクロ波のエネルギーに変換
される。

図8.1

BK管（4）

図8.2

大阪管（4）

誘導出力管（IOT：Induction Output Tube）は日本で研究されなかったが、極管とクライストロンの中間的な電子管で、クライストロードとも呼ばれたことがあり、マイクロ波管への橋渡しとして重要な電子管と考えられる。この電子管は1939年に発表され、当時、小出力ながら500MHzの増幅に成功している。
IOTは1990年代に入って、英、米で、UHF-TV放送
あるいはLバンド加速器用の高効率電子管として見直され、新しい開発も行われて、実用に供された（5）。
IOTでは、陰極前面に格子電極を設け、陰極-格子間

図 8.3

ペニオトロンの動作原理図（8）に印加した弱い高周波で最初から密度変調された電子

ペニオトロン動作は電界が極小値を持つような分布ビームを空胴に向けて放射する。空胴部では、高周波であれば、すべて適用が可能で、たとえば、ペニオトと相互作用し、電子ビームが減速されて、その運動エロンの高効率性能とジャイロトロンの高出力性能を合ネルギーが高周波エネルギーに変換される。結合を終わせたジャイロペニオトロンが開発されている（9）、（10）。

えたスペントビームはコレクタで捕集される。
これらの電子管がマイクロ波帯へ向けチャレンジす8.3 極管、マイクロ波管の系統化る段階で生まれたが、マイクロ波管がミリ波の発振や増幅にむけて飛躍する段階でも、ジャイロトロン以外

極管は、二極管、三極管に始まり、多様化、高周波に、さまざまな電子管が発表されている。たとえば、化、大電力化しながら、次第に発展した。しかし、極日本では殆ど研究されなかったユービトロン、ジャイ

管は、電子の移動時間、電極間の静電容量、リード線

ロコンや、大阪大学のラダートロン、東北大学のペニのインダクタンス等の問題があって高周波化が難し

オトロン、ジャイロペニオトロンがある。ユービトロ

く、板極管等の出現でようやくマイクロ波領域に入っンは自由電子レーザー（FEL：Free Electron Laser）

たが、構造寸法が小さく、高周波、大電力の要求に十として、引き続き発展している。現在、日、米、EUで分、応えることができなかった。

並行して建設中の超大型X線FEL施設計画がある（6）。

極管では、格子と陰極との間の電圧により、陰極か

ラダートロンは電子銃とコレクタの間に多くの間隙ら放射される電子の量が制御され、最初から密度変調を形成するはしご状の開口を持つ共振器を配したもの

された電流が陽極へ流れ、この電流が外部回路に流れで、1959年から1960年代半ばに、沖電気、三菱電機でて、外部回路で高周波出力を得るものである。適切な試作された。

帰還があると発振し、帰還がないときは増幅の役目を（7）

ペニオトロンは東北大で発明された 。この電子管

100

果たす。

は、電子の集群を用いず、極めて高い効率を得ること

マイクロ波管では、陰極から放射される電流そのもができる特長を持つ。この電子管では、らせん状の電のは均一で、たとえば、マグネトロンの場合は、マイ子ビームが、図8.3に示すように、電界が極小になる

クロ波を吸収して加速される不要な電子を陰極に戻し位置に入射される。電子は1回転する間に加速と減速

これによって陰極の温度が上がって、結果として、電を受け、加速されるとより電界が強い位置に軌道を移流が増化するようなこともあるが、ともかく、マイク

し、次の減速でより強く減速される。減速された電子

ロ波管では、基本的に、陰極から均一な密度の電子がはより電界の弱い位置に軌道を移し次の加速は弱くな放射される。この均一な電流がマイクロ波と相互作用る。このようにして加速と減速を繰り返しながら次第して密度変調を受け、この変調電流がマイクロ波と結国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ101

合して、発振、増幅を起こす。

8.4に示す。それぞれの電子管が系統的に発展したか

ハルが発明した当時のマグネトロンは、構成上、二極管の管軸方向に磁界を加えたものである。この磁界どうかは判然としないが、少なくとも要素技術を通して相互に繋がっていることは確かである。

と陽極、陰極間の電界を適切に決めると、わずかな相

大阪管はBK管のグリッド部分を高周波的に結合し互関係の差で、陽極に流れる電流が遮断されたり、接た2つの電極に置き換え、さらにビームの進行方向に続されたりする。この条件を満足する近傍でマグネト磁界をかけたものである。したがって、BK管の改良

ロンの発振が得られた。したがって、構造から見て、

管が大阪管であると言える。図8.4では、実線の矢印

マグネトロンが二極管から発展したと言えなくもないで両者を繋ないだ。BK管の研究を行った研究者たちが、動作原理の上では、かなり異なったものである。

が大阪管を発明しており、一連の研究活動として繋がクライストロンや進行波管等の他のマイクロ波管にっているようであるが、両者には15年の時間的な隔たついても、極管が直接、系統的につながってはいないりがある点から、矢印でつなぐことに多少の疑問が残と言ってよい。

るかもしれない。

マイクロ波管同士の間でも、表8.1に示したように、

次に要素技術と電子管の関連を述べる。

動作メカニズムが互いにかなり異なっていて、それぞ

電磁石から永久磁石、さらにPPMへと進んだ磁界

れ、別の系統をたどって発展したと言わざるを得ない。

関連の技術、カソード、CPD、真空技術、出力窓等に一方、要素技術の中には、それぞれに共通して利用関する要素技術は、個々のマイクロ波管に対し、あるされているものがある。

ものは他のマイクロ波管に共通して適用されている。

たとえば、密度変調された電子ビームと共振器に発この状況を、マグネトロン、クライストロン、進行波

生する電界とを結合させ、電子ビームの運動エネルギ

管、ジャイロトロンについて1枚の図にまとめたもの

ーをマイクロ波のエネルギーに変換する技術は、BKが図8.5である。ここでは、図が煩雑になるのを避け

管、大阪管、IOT、クライストロン等に共通している。

るため、要素技術のつながりは重要なインパクトを与これらの電子管を時間軸に沿って並べてみた結果を図えたもののみを示すにとどめた。

図8.4

要素技術による技術的なつながり

電子管技術の系統化調査

101

図8.5

電波に関わる電子管の系統化

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ102

102

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March図8.6 ジャイロトロンの系統化

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電子管技術の系統化調査

103

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ104

1920年代半ば頃までは、陰極としてもっぱらフィラ

次に極管やマイクロ波管自身の系統化について述べる。

メントが使用されていた。材料は、炭素やタングステ

極管では、多極管、複合管へ進展するとともに、ンであった。フィラメントの動作温度を下げるために

GT管、MT管、SMT管等の小型化に向けて進展した。

トリウムタングステン線が開発され、さらに酸化物陰

大電力化の要求に対しては、自然冷却、強制空冷、水極が発明された。つまり、線から面へ発展した。これ

冷、蒸発冷却、あるいは水蒸気と熱水を並流させるバらの陰極はまず極管に使用された。電子ビームを使用

ボトロン方式などの技術展開がはかられた。高周波化する電子管に関しては、初期には、酸化物陰極が使用のニーズに応えるため板極管が開発された。

され、小さいカソードでより大きい電流を得るニーズ

マグネトロンでは、まず、多分割化に向かい、多種に応え、電流密度をより高くすることが可能な含浸型の陽極が考案されたが、やがて、ベインアンドストラ

陰極が採用された。含浸型陰極の動作温度を下げるた

ップ型に集約する方向に進んだ。磁石に関しても、す

めに陰極表面にオスミウムやイリジウムの薄膜をコーでに述べたように、永久磁石化、小形軽量化に向けてトしたカソードが大電力クライストロンやジャイロト

進展したほか、電子レンジ用のマグネトロンでは、量ロンに使用されるようになった。

産に向け、陽極のホビング技術による生産技術が実用

磁石はマグネトロン、大阪管、クライストロン、進
行波管、ジャイロトロン等で不可欠な部品である。当クライストロンは、シミュレーション技術を駆使し初は電磁石が使用されたが、マグネトロンや進行波管た高効率化の検討が行われ、空胴配置が大きく変化しで永久磁石化が進んだ。ジャイロトロンのように極めた。また、大電力の要求に応え、特に超大型化した電て強い磁界を必要とする電子管ではもっぱら超伝導電子管が製作された。関連して、超大型管製作の技術も磁石を使用されたが、ジャイロトロンでも工業用のも大いに進展した。これは核融合用のジャイロトロンののは永久磁石化された。永久磁石も当初は馬蹄形磁石製造にも貢献した。

や棒磁石のような比較的大型の磁石が使用されたが、進行波管に関しては、遅波回路の耐電力性を上げる

やがてPPM磁石に進化した。PPM磁石は進行波管に努力が進められ、その中で、特に空胴結合型遅波回路

必要不可欠なものとなり、進行波管の小型、軽量化にが実用化され、特に大電力の進行波管で標準的に使用大いに貢献したが、近年ではクライストロンにも適用されるようになった。この回路に対しPPM技術も適されるようになっている。

用された。ミリ波に適する回路として、交差指型、二電子ビーム技術は大電力化の要求に応えるため、高重はしご型回路などが開発された。らせんについても、

電圧、大電流、高密度化の方向に進み、進行波管やクリングアンドバーのような変形が試みられ、らせん自ライストロンで、技術が大きく進展した。ジャイロト

身も、より熱を逃がすことが可能な支持方法が開発さロンではMIGが使用され、クライストロンでは、低電れたほか、ブレーズドヘリックスと呼ばれる、外囲器、圧化と高効率化の要求から、1本の電子管に6本の電子

支持棒、らせんを鑞付けして固定する方技術が開発さビームを使用するものが開発された。

れた。

出力窓の技術では、強いマイクロ波を透過させると、ジャイロトロンの系統的な発展状況を図8.6に示す。

発熱による応力破壊の問題が深刻となり、特に大電力

この電子管は、特にミリ波で大電力を発生できる特徴

クライストロンで、いくつかの技術向上が図られた。

から、核融合の応用を中心に推進されたが、開発の成

この段階では、窓の材料として、高純度アルミナを使

果を工業応用に用いることが意図され、高調波動作に用することが選ばれた。ジャイロトロンでは、さらによって永久磁石化されたものが製品化された。テラヘ

窓の性能向上が求められ、究極とも見られるダイヤモ

ルツへの応用では、特に強力な超伝導磁石の開発試作

ンドの使用に至っている。

が並行して進められ、ついに、電子管の悲願のひとつ

CPD技術は、かつて、クライストロンでも検討されたが、やや変換効率の低い進行波管では不可欠な技術となり、最近ではジャイロトロンでもこの技術が利用される方向となっている。

104

化された。

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.Marchとなっていたテラヘルツ波発生を実現した。

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ105

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研究所・高輝度光科学研究センター、X線自由電（1986）

子レーザー計画合同推進本部（2006）

電子管技術の系統化調査

105

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ106

9 むすび
特に電波に関わる電子管を取り上げ、その発展の経緯を調査した。これらの電子管のうち、あるものは共が、日本は、いまや国内生産では事業を継続できない
ような状況に追い込まれている。

通の要素技術を持ち、その技術の発展で自らも発展し、電子管の開発と製造は、国内はもちろん世界的にも技術を共有する他の電子管の発展を促し、また要素技

相当に寡占化されている。この動きはさらに進むもの

術をも発展させるといった相補・協調関係にあることと見られる。寡占化は国際協力、国際協調への道にもを説明した。それぞれの電子管の動作原理は相当に異繋がっていくと考える。極管、マグネトロンの生産は、なっていて、したがって系統的には並行して発展した

すでに世界のどこでも事業として成り立つというものと考えるのが妥当と思われる点についても言及した。

ではなく、地理的に限定されたものになっている

個々の電子管の発展の系統は、分化しながら発展しクライストロン、ジャイロトロンのニーズは大型プているが、発展系統は比較的単純で、発明が次の発明

ロジェクトに関係するものが殆どである。計画が大きに系統的に繋がりさらに次の発明を呼び、継続してくなるほど、計画自体の数は少なく、したがって電子次々に発展していくような複雑なものではない。した管のニーズはかなり特異なものとなってくる。たとえがって、系統化の図は、一例として、ジャイロトロン

ば、大量のクライストロンを必要とする大型リニアコ

のみにとどめた。

ライダに至っては、世界に1台あればよく、建設段階

これらの電子管の発展経緯の中で、日本の貢献にはでは限られた時間内に所要の数を準備する必要があ

多大なものがあることを強調したい。たとえば、分割

り、運用段階に入ると、寿命に関連して、必要数が激型マグネトロンの発明、マグネトロンの均圧環、減するという性質を持っている。計画を確実に進める

PPM技術が特に大きい発明例である。

必要があるので、電子管の開発も製造もスケジュール

今日のマグネトロンの高効率特性は陽極分割の発明に着実に従うものでなければならない。将来を見据えがなければありえないものである。これにより、マグた賢明な対応と国際協力が鍵といわざるを得ない。

ネトロンの出力と効率は格段に向上した。
均圧環の発明は戦時中に行われたこともあって、重物館、ユーザ、メーカの関係各位の絶大な支援を戴い

要な機密事項と判断され、特許の出願は戦後になってた。個人的な私信も利用させて戴いた。ご支援いただ

しまった。特許がどうなったのか、残念ながらフォロ

いた方々に心よりお礼申し上げる。ご支援、資料を提ーできなかったが、均圧環の技術は、ベインアンドス

供いただいた関係機関は以下のとおりである（アイウ

トラップという米国メーカの発明と、発振の安定性をエオ順）。

確保する上で基本部がまったく同一のものであると見大られる。これを発明した日本が特許料を払う流れになってしまった点は残念としか言いようがない。

学：上越教育大学、電気通信大学（歴史資料館）、
東京工業大学（百年記念館）、東北大学、博物館：NHK放送博物館、逓信総合博物館

PPM技術は、磁石を1/100ないし1/1,000に軽量、小ユーザ：NHK放送技術研究所、NTT情報流通基盤総型化することを可能とし、小型進行波管の実用化を大合研究所、核融合研究所、KDDI小山テクニ

いに促進した。地上はもちろん衛星搭載の応用に広がカルセンター、原子力研究機構那珂核融合研

り、まさに世界的かつ不可欠な技術として高く評価さ究所、高エネルギー加速器研究機構、高輝度れる。その貢献には計り知れないものがある。

光科学研究センター

このほか、大電力クライストロン、ジャイロトロン

メーカ：NECマイクロ波管、新日本無線、東芝、東芝の大電力性能はすでに世界のトップレベルであり、今科学館、東芝電子管デバイス、東芝ホクト電後、これらの技術と製品が加速器や核融合の分野で大子、日本無線、浜松ホトニクス、日立協和エいに貢献すると期待される。

ンジニアリング、三菱電機

電子レンジ用マグネトロンの量産も日本の特記すべ
き技術成果の一例である。このマグネトロンの貢献は改めて説明するまでもないが、今後とも電子レンジの利用が増加することは確かである。問題は値崩れが大きいことである。メーカは日本、韓国、中国等である

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系統化調査、所在調査を進めるにあたり、大学、博

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ107

付

録られる電界分布は、図2（a）に示すようなものである。

1. 共振器と分割型マグネトロン

図で、空胴に発生する電界を矢印で示した。矢印の長マイクロ波の性質と、伝送線路や共振器について説

さは電界の強さを表しており、円筒中心部の電界の強明し、合わせて、マグネトロンの補足説明を行う。なさは、たとえば、図2の（a）では最大となるが、（b）

お、以下のマグネトロンの構造や動作についてはあく

ではゼロになっている。電界の向きはマイクロ波の周まで説明用にまとめたものであって、実際のものと同波数に応じて正負が逆転する。電気力線は電界の向き

じというわけではない。

を示す曲線である。ちょうど、円筒のある部分（図（a）

マイクロ波は空間を直進し、金属の表面で反射する。

の1）がプラス、それに対向する部分（図2（a）の2）ちょうど光が空間を直進し、鏡で反射するのと似ていがマイナスになり、プラスからマイナスへ電界が発生る。この性質を利用してマイクロ波を送ったり、閉じしていると見ることもできる。ある適切な大きさの半込めたりする。マイクロ波を送るためには導波管と呼径の円に沿って見ていくと、円周方向の電界は0からプ

1

ばれる線路 、閉じ込めるためには空胴共振器と呼ばラスの最大値に達し、やがて0となり、さらにマイナスれる共振器を使用する。マイクロ波帯より低い周波数の最大値に達して、その後、再び0に戻るような変化をの領域では、共振器はコイルとコンデンサーで作られ呈している。これを1周期と呼ぶことにする。

るが、マイクロ波帯では、共振器は金属の壁で囲われた空間により形成される。マイクロ波になると、インダクタンスLや静電容量Cの効果が周波数に比例して大きくなるため、極めて小さいCやLが有効に働くよ
うになる2、そこで、等価的に金属壁がLになり、空間内の電界分布に従って、異なった位置にある金属壁同士の間にCが形成される。たとえば、図2（a）の共振器では、円筒の左端（1の位置）と右端（2の位置）の間に円周に沿って等価的にLが、水平の中心軸に沿ってCが形成される。共振器はこの等価的なLとCで与えられる周波数で共振する。

図2

空胴共振器内の電界分布の例

周波数をさらに上げていくと、たとえば図2（b）のような分布の共振が現れる。この共振では、円周方向に2周期分だけ強さが変化している。さらに周波数を上げていくと、途中、いくつかの共振が現れるが、やがて、円周に沿って、順に3周期、4周期分だけ変化する、より高次のモードの共振が得られる（図4参照）。
図3（a）、（b）に示すように、円周上で、円周方向の電界が極大値となる角度にあたる金属壁に軸方向の

図1

マイクロ波の伝送と閉じ込めスリットを切り、このスリットによって分割された陽極間に別の共振器R を接続する。

マイクロ波は、図1（a）に示すように金属表面で反射を繰り返しながら伝送される。金属で囲まれた空間
では、図1（b）に示すように、内部で何度も反射を繰り返す。ちょうど共振条件を満たすと、この空間内にマイクロ波のエネルギーが閉じ込められ、蓄積される。
空間内のある位置では強め合い、ある位置で打ち消しあって、周波数に固有の、マイクロ波電界の強弱の分布を形成する。この分布、あるいは共振の様態をモードと呼んでいる。強め合う位置の電界は、導波管から送り込まれる電界に比較して極めて強くなっている。
この共振器は空胴共振器と呼ばれる。
円筒状の共振器で、周波数が一番低い共振の際に得図3

2分割、4分割マグネトロン

電子管技術の系統化調査

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2_2電子管技術 10.9.22 18:48 ページ108

円筒と共振器Rの共振周波数を一致させると、円筒共振器と共振器Rとがスリットにより結合し、全体が、元の周波数とほぼ等しい周波数で共振する。電界分布
も、スロットを切る前と、ぼぼ、等しい。
図3（a）の円筒の中心にフィラメント状の陰極を置き紙面に直角な方向に磁界を加えると2分割マグネト
ロンになる。図3（b）の場合は4分割マグネトロンになる。後者では円筒の中心付近で電界がゼロになっている。このため、陰極の径を適切に大きくする。
図3（a）と（b）では、円筒の径が同じ場合は、（b）の共振周波数が（a）のおよそ1.7倍になる。周波数と大きさは互いに反比例する関係にあるので、同じ周波数で共振させたい場合は、（b）の大きさを（a）の大きさのほぼ1.7倍にする。

図5

4分割マグネトロンの構造と電界分布の一例

この考えを拡張して、6分割、8分割等のマグネトロ
ンを得ることができる。その構成と電界分布を図4に示す。

2. 発振に関する補足の説明
マグネトロンは発振管である。発振の種はノイズである。ノイズのうち、共振周波数に一致する周波数成分が極めて弱い共振電界を発生する。この弱い電界と電子が相互作用し、マイクロ波が電子の運動エネルギーを貰ってわずかに強まる。その電界により相互作用が強まって、さらに強い電界を発生する。このような正帰還を経て、急速にマイクロ波が増大し、マグネト
ロンに与えた直流電圧とマグネトロンに流れる電流で決まる、ある強さのマイクロ波発振まで成長する。マイクロ波は、たとえばマグネトロンに結合するアンテナによって外部に取り出される。これがマグネトロン

図4

6分割、8分割マグネトロンの電界分布

なお、同じ周波数で、より高次のモードを使用すると、それだけ、構造寸法を大きくできる。ジャイロトのマイクロ波出力である。
3. コレクタ電位低下（CPD）
例として、2段のCPDを取り上げ、説明する。

ロンではかなり高次のモードを利用する。これは、次カソードKから射出された電子はアノードAで加数を上げることによって、空胴をより大きくできるこ

速・整形され、ビーム状になって相互作用空間Bに入とによる。しかし、電子管として、設計や構造の精度射される。この空間Bでマイクロ波と相互作用し、一がより厳しくなるため、必ずしも、次数をどんどん上部の電子が加速され、大部分の電子が減速される。平

げることは許されない。

均的に電子は運動エネルギーを失い、失った分が高周以上の説明で、共振器Rについて言及しなかったが、波のエネルギーになる。相互作用を終えた電子ビーム

この共振器自身も、空胴共振器である。最後に、4分をスペントビームと呼ぶ。スペントビームはコレクタ

割マグネトロンの構造と電界分布の一例を図5に示す。

C1、C2に入る際に、E1、E2によって減速される。減速された電子のうち、C2の入り口で速度が負になる電子はコレクタC2に入ることができず、コレクタC1で捕集される。これがic1である。速度が正の電子はさらにコ
レクタC2に入ってそこで捕集される。これがic2である。
このようにして、コレクタ電流は速度によって分類され、捕集される。

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図6

CPD動作の説明図

なお、コレクタC1へ入射するときに電子速度が負になると、電子は相互作用空間Bに戻ってしまうため、に過ぎない。
このモードでは、円周方向に2列のそれぞれ24対のそうならない範囲でEC1を設定する。

電気力線の輪が発生する。ちょうど、山や谷の等高線

CPDにより、コレクタで熱に変わる電力は（Ec1×ic1＋のようなものである。簡単のためにそれぞれの輪を2Ec2×ic2）になる。

本の曲線で表示したが、山の高さや谷の深さをもっと

CPDを行わないときは、コレクタに入る電力はE b×

細かく表示するにはさらに多数の曲線を用いる。輪の（ic1＋ic2）である。2つの電力を比較すると、明らかに中心では電界はゼロになる。また空胴壁のところで、前者の方が小さい。

電界がすべて壁に垂直になっていて、図示したようにその差だけ、電源が与える電力が少なくなったのであ

あたかも壁のある点にプラスとマイナスの電荷が発生る。そこで、便宜上、CPDによって電力が回収された、し、プラスからマイナスへ電界が発生しているようなあるいは電源に電力を返したという言い方をする。

分布を呈している。
マイクロ波は波長が短いため、直流や、ラジオ、

4. 共振モード

VHFテレビの領域の周波数帯で理解されているような電界分布や共振モードについて、マグネトロンやジそれほど長くない金属表面上ではどこでも同じ電位にャイロトロンの章で、概略、説明した。また、そこでなるという法則とかなり異なった様相を呈している。

TEm,nのようなモードの表記法を紹介した。
ここでは、この命名法の理解の一助とするため、
Whispering Gallery Modeの一種であるTE12,2モードの電界分布の計算例（周波数22.36GHz、直径80mm）を紹介する。
まずTEとは、電界が電波の進行方向（図7では紙面に直角な方向）に対し直角であることを意味する
Transverse Electricの頭文字である。

Whispering Gallery Modeでは、空胴の中心部に電界が存在しない。このことから、このモードは表面モードとも呼ばれる。
隣り合った輪の電気力線同士では、電界の向きが同じ方向になる。この結果、この部分で電界は極大（または極小）になる。
全体として、円周の方向には12周期の変化が発生し、径方向には、たとえば図の一点鎖線上で見ると正の極

図7に一部、矢印を追記して電界の向きを示した。

大値（山）と負の極大値（谷）が合計2回（各1回）、

もちろん電界はマイクロ波の振動に応じて向きが逆転発生する。この12と2がそれぞれ、mとnで示されるのする。ここでは、ある瞬間の電界の向きを示しているである。

電子管技術の系統化調査

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図7 Whispering Gallery ModeTE12.2の電気力線（一部追記した矢印は電界の向きを示す）

1 マイクロ波を伝送する線路は導波管だけではない。
他に代表的なものとして同軸線がある。
2 周波数をfとすると、それぞれ、電圧電流あるいは電流電圧の比で与えられるリアクタンス（2πfL）あるいはサセプタンス（2πfC）が周波数に比例していることから、きわめて小さいLやCが分布定数的に有効に働いて、空胴共振器を構成する。

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登録資料候補一覧

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科学博冊子vol.8・奥付 10.9.22 18:36 ページ1

本報告は平成18年度科学研究費補助金特定領域研究『日本の技術革新―経験蓄積と知識基盤化―』
計画研究「産業技術史資料に基づいた日本の技術革新に関する研究」（17074009）の研究成果である。

国立科学博物館
技術の系統化調査報告 第8集
平成19（2007）
年3月30日■編集

独立行政法人

国立科学博物館

産業技術史資料情報センター（担当：コーディネイト・エディット 永田 宇征 田里 誠、エディット 久保田稔男）■発行

独立行政法人〒110-8718

国立科学博物館
東京都台東区上野公園 7-20

TEL：03-3822-0111■デザイン・印刷株式会社ジェイ・スパーク

正誤表（第８集２編 電子管技術の系統化調査）

年月日

箇所

誤

正

2007年3月30日

ｐ５６ 左段上から３行

増幅にかかわる電子管は３．７章でさらに増幅にかかわる電子管は３～７章でさらに

ｐ６４ 左段下から６行

Studio to transmitter link

Studio to Transmitter link

ｐ７０ 右段下から３行

ベーンストラップ型とベインアンドストラップ型とｐ８５ 右段上から１６行

電電公社 関壮夫が電電公社 関壮夫らが

ｐ１１１ 表中「６番」行

1915X線管X線管 1915