月例卓話

マイクロ波化学を楽しもう！第七章――マイクロ波発振器について――
岸原充

佳 ・松＊

村竹子

＊＊

これまでマイクロ波が化学物質に及ぼす様々なHull がマグネトロン動作の研究に使った二極真現象について述べてきましたが，この章では，マ空管を示しています ．中心軸の陰極（カソード）

イクロ波発振の基本について，広く使われて来てとその周りに円筒状の陽極（アノード）がありまいるマグネトロン発振器と，最近開発が進む半導す．陰極を加熱することで電子が放出され，電圧体発振器について述べてみます．マグネトロンはの高い陽極へと引き寄せられることで整流作用が電子レンジに代表されるようなマイクロ波加熱機発現されますが，この時軸に平行な方向へ磁場が器の電源として既に広く使われています．一方，印加されていると，電子は磁場からローレンツ磁半導体発振器は，当初は通信技術への応用が中心気力を受けてサイクロイド状の軌跡を描く運動をでしたが，近年ではマイクロ波加熱機器の電源と始めます．

2）しての利用も研究されています．

図 2 は，軸方向（紙面垂直方向）に磁場を掛けた時の二極真空管内の電子の運動と，それに働く1．マグネトロンとは力を示しています．外周の陽極（アノード）からマグネトロンとは，円筒形の陽極の中心軸に陰中央の陰極（カソード）に向けて存在する電場極を置き，軸方向に強い磁界を加えてマイクロ波によって，電子 はを発振させる二極真空管のことです．電子レン

けます．また磁場の中を速度ジ・レーダーなどに使用されています．磁電管と子はの力を受け，進行方向が曲も言われます．

がっていくことになり，図中点線で描かれたサイm= ‑×e=の力を外向きに受で運動する電マグネトロンの原型は，1921 年頃アメリカのクロイド状の軌跡を描くことになります．その際，Hull に よ っ て 発 明 さ れ ま した ． 図 1（a） は，電場や磁場の強さ，円筒の径サイズによっては，1）

電子がアノードに到達せずに戻る場合や，アノードに達して導電電流となる場合が考えられます．

（a）

（b）

（c）

図 1．初期のマグネトロン（a）Hull の二極真空管，（b）岡部の 4 セグメン
3）
トアノード（陽極）タイプと（c）その写真

図 2．ローレンツ力による電子の運動

岡山県立大学准教授＊（有）ミネルバライトラボ＊＊

第 334 回京都化学者クラブ例会（平成 30 年 4 月 7 日）講演
Transactions of The Research Institute ofOceanochemistry Vol. 36 No. 2, Nov., 2023

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その境目の状態をカットオフ（臨界）と呼び，電力を得るものですが，この変換は柱状カソード子の振動を引き起こし，結果として高周波信号が（陰極）とアノードブロック（陽極）の間の相互発生します．実際のマグネトロンでは，電子が外作用空間で行われます．なお，図には描かれてい向きに運動する時の半径と戻る時の半径に差異がませんが，通電中に均一な磁場が円筒の軸方向にあり，これが電子に濃淡を生じさせて風車が回転保持されています．アノード（陽極）には円筒状するような運動になります．の空洞共振器が軸対称に配置され，細いギャップ

もっとも，初期の二極真空管では，マイクロ波を介して相互作用空間に面しています．図 3（b）

帯ななどの高い周波数を得るには至らないものででは，共振器間の結合を補強するために導体のスした．ただ，電子的な振動を発生させること自体トラップが追加されています．マイクロ波出力は，は難しくはなく，図 1（b）（c）のようにアノー9 つある共振器の中から一つの共振器につながれドを分割すると高い周波数での発振が可能になりた結合ループを通じて取り出すことができます．

ます ．実際，マグネトロン研究で知られる岡部

この結合ループは，金属ワイヤで作った結合ルー

金治郎が兎に角高電圧を与えれば発振すると記プを介して取り出すことができます．共振器にスし ，1927 年に日本で強力なマイクロ波を発生さロットを設けて取り出すこともできます．共振器

せる分割陽極型マグネトロンを開発しました．更を設けることで，共振周波数付近の電子の振動がに欧米で改良が進められ，軍用レーダー・電子レマイクロ波として効率よく選択的に出力されるこンジなどとして実用化されました．なお，文献とになります．

3）4）3）では，図 1（c）のマグネトロンについて，各2．マグネトロンの応用：電子レンジセグメントに接続したリード線とアノードが共振回路を形成しているようだと述べられています．

マグネトロンは，測距レーダーや気象レーダーそして，より高い周波数，より高い出力を得る装置，身近なものとしては電子レンジのマイクロために，空洞共振回路を埋め込んだ多セグメン波源として応用されています．図 4 は，市販の電ト・アノード型へ発展していきました．図 3（a）

子レンジ（Haier 製）のカバーを外した写真になは，Aleksereﬀ と Malearoﬀ による内部に空洞共振ります．中央上部にマグネトロンが設置されてい器を配置したマグネトロンの構造を示していまます．

す ．大きなアノードに円筒空洞が 4 つ設けられ電子レンジは食品などに含まれる水分がマイクているのが分かります．このようなマグネトロン

ロ波で振動されることにより生じる誘電加熱（マの典型的な断面構造を図 3（b）に示しています．

イクロ波加熱）を利用していますが，この効果をマグネトロンは直流からマイクロ波帯の交流出化学反応の促進に用いることで，本シリーズでも2,5）取り上げてきたような材料合成の迅速化や効率化

フィルタ
ヒューズ

庫内
出⼒切替

（a）

スイッチ
(タイマ)

（b）

図 3．内部に共振器を持つマグネトロン（a）Aleksereﬀ らのマグネトロン（b）典型的なマグネトロンの断面

マグネトロンファン

⾼圧トランス
⾼圧コンデンサ

図 4．電子レンジの内部とマグネトロン

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技術者の助言の下，マイクロ波が漏洩しないように十分な遮へいを考えて設計しました．ちなみに，機外への漏れはマイクロ波チェッカーで簡単に調べることができます．また，市販されている，専用のマイクロ波合成装置も基本的には類似の構造で，マイクロ波の照射量を調節しながら，温度調節を自動的に行えるような仕様になっています．

図 5．電子レンジ庫内のマイクロ波分布の様子

3．半導体発振器，半導体増幅器の利用が期待できます．
図 5 は，有限要素法シミュレータ Femtet を用

近年では，マグネトロンに代わって，マイクロいて描いた電子レンジ庫内のマイクロ波分布の様波トランジスタを用いるマイクロ波合成装置に関子を示しています．幅 30 cm 高さ 15 cm 奥行 20心が持たれています．一般的に，図 7 に示すよう

cm の庫内において，右上の側方からマイクロ波な構成を取ります．この方法は，マイクロ波発振が入る構造としています．一般的な電子レンジで器で生成された微弱なマイクロ波信号をトランジはこのような配置が多いようです．マグネトロン

スタで増幅して高出力を得ますが，周波数や出力から発生した 2.45 GHz のマイクロ波は，導波管の制御を行い易いことが特徴です．マイクロ波発を通って開口部分から庫内へ照射され，シミュ振器としては，Gunn ダイオードなどがよく用いレーション結果からは，図のような電気力線（電られていましたが，昨今は既に無線 LAN 子機や場分布）を描くことができます．図では描き切れ

携帯電話などに広く使われる出力周波数が入力電ていませんが，黄緑色が電気力線の集まるところ

圧に比例する電子発振器回路電圧制御発振器（電場の強いところ）を表します．庫内で，不均（VCO）が非常に安価なマイクロ波源として注目一ながらも全体に分布していることが読み取れまされています．これはバラクタダイオードと呼ばす．このモデルには皿のみを置いていますが，料れる電圧によって静電容量 C の変化する素子を理用に用いられる電子レンジでは，回転するガラ用いて LC 発振などの発振周波数を変化させるもス円盤の上に，食材入れた容器を置いて，マイクのです．

ロ波が均一に照査されるようになっています．こ増 幅 器 と し て は，GaAs や LDMOS，GaN

れで，電子レンジでチン！が完成します．

HEMT などを部材とするマイクロ波用トランジ

マイクロ波を使った化学合成が試みられた初期スタが用いられます．このマイクロ波トランジスに筆者（松村）は図 6 に示すように電子レンジのタは，以前に比べて安価になってきていますが，上部に穴をあけ，還流管を取り付けた加熱・反応まだ高価であることが難点です．なお，増幅器でさせる装置を試作しました．当時の，電子レンジ増幅した後にはアイソレータ（一方向にのみマイクロ波を通し，逆流を防ぐ）などの部品を置き，増幅器を保護する仕組みが備わります．必要に応

図 6．電子レンジを用いたマイクロ波合成装置

図 7．半導体方式のマイクロ波源6）

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じて，電力分配器やチューナー（インピーダンス非常に有用な発振器となり，マイクロ波化学も飛整合器）などの部品も用いられます．

躍的に発展することになるでしょう．

3．ダ イ レ ク ト・ デ ジ タ ル・ シ ン セ サ イ ザ

参考文献

（DDS）

1）A.W. Hull, “The eﬀect of a uniform magnetic

上述の電圧制御発振器（VCO）など（マグネfield on the motion of electrons between

トロンも）は，いわゆるアナログ方式の電子回路

coaxial cylinders,” Phys. Rev. 18, 31, Julyに分類されます．今日では，コンピュータの動作

1921.

クロックが数 GHz になって久しいですが，デジ

2）G.B. Collins, Microwave Magnetrons,

タル信号処理の行える周波数も GHz オーダーのMcGraw-Hill Book Company, 1948.

高い回路が可能になってきました．発展途上では

3）H. Yagi, “Beam transmission of ultra short

ありますが，数 GHz 程度までであれば，ダイレwaves,” Proceedings of the IRE, 16, 715,

クト・デジタル・シンセサイザ（DDS）によって，June 1928.

正弦波その他の高周波波形を数値的に直接合成し4）岡部金治郎， マグネトロン等に依る超短波て出力することができるようになっています ．

長電波の発生に就て ，電気学会雑誌，pp.

これは，デジタル音楽プレーヤーがデジタルデー

860‒864, Aug. 1927.

7）

タからアナログの音声信号を DA 変換により再

5）N.T. Aleksereff and D.E. Malearoff, Jour.

生するように，正弦波などの数値データから直接Tech. Phys. USSR, 10, 1297, 1940. English

時間波形を合成して出力するという方式です．正translation in“Generation of high-power

弦波一周期分の振幅を sin 関数より求めてデータ

oscillations with a magnetron in the

化しておけば，図 8 で示されるように微小時間

centimeter band”, Proc. I.R.E., 32, 136 (1944).

Δ 毎に正弦波の振幅を出力していくことで，離6）電子レンジを用いる化学実験（II）新居敏男，散的な正弦波波形が生成されることになります．

松 村 竹 子， 岡 俊 博， 化 学 と 教 育，278‒279,

これにより周波数を 1 Hz 単位で制御すること

1993.

や，振幅や位相を直接指定することも可能となり，

7）https://www.analog.com/jp/products/
ad9164.html

真空管

内部を高度に真空にし，電極を封入した中空の管流．陰極から陽極に流れる電子を制御することによって増幅・検波・整流などはばひろくもちいたが，現在は，トランジスター・IC などの半導体にその座を譲り，一般用にはほとんど使われない．マイク
ロ波管，X 線管など，特殊用途のものが残っている．

図 8．DDS による正弦波生成の原理

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