J. Plasma Fusion Res. Vol.86, No.10 (2010)５
６７‐５７５解説

大電力電子管

−古くて新しい電磁波源−

林 健 一，加 藤 昭 夫，大久保 良 久，樋 口 敏 春１）
東芝電子管デバイス株式会社，１）元"東芝（原稿受付：２
０
０
８年３月２
０日）

真空中の電子の運動を利用して電波を発振・増幅する電子管は，大容量で高速の電子ビームを取り扱えることから，大電力と高周波が必要な分野で発展を続けている．実用化されている主な電子管である送信管，マグネ
トロン，進行波管，ジャイロトロンの基本構成と主な用途を述べる．特にマイクロ波管については，電子がマイクロ波によって集群しマイクロ波の減速位相に落ち込む様子を，それぞれの管について示す．また，使用されている材料，製造プロセスの概要，ならびに電子管の信頼性と寿命に密接に関係するカソード技術について紹介する．
Keywords:
electron tube, grid tube, microwave tube, TWT, BWO, magnetron, klystron, gyrotron, impregnated cathode１．はじめに振管のマグネトロンなどが実用化されている．電子ビーム

電子管は，「大電力と高周波」で特徴づけられる限られとマイクロ波の結合様式や電子の運動形態に違いはあるもた分野で今も進化を続けている．核融合もその分野のひとのの，「一様な密度とエネルギーをもつ電子ビームが，マつで，プラズマの生成，加熱／電流駆動には，色々な種類

イクロ波電磁界によって集群（バンチング）され，集群さの電子管が使用され，また，実験装置の発展とともに，電れた電子群がマイクロ波電界の減速位相に入ることによっ

子管自体の開発も進められている．イオンサイクロトロンて，その運動エネルギーあるいは位置エネルギーがマイク

周波数帯用の極管，低域混成加熱用のクライストロン，電ロ波に変換される」という基本原理は，どれを取っても同子サイクロトロン共鳴加熱用のジャイロトロン，プラズマじである．

生成用のマグネトロンなどである．これらの電子管の多く

電子管の基本は「真空中の電子ビームの利用」，管内はは，放送，通信，レーダー，誘導加熱や誘電加熱などの産超高真空に維持され，高電圧大容量の電子ビームを発生さ業分野で生まれ，核融合，加速器，宇宙などの巨大科学領せる．これらの性能は，酸洗い，メッキなどの化学処理，真域のニーズにより高性能化され，一部は，医療などの新し空あるいは水素雰囲気中での熱処理とろう付け，排気ベーい分野で応用されつつある．

キング，電子銃の耐電圧処理，エイジングと呼んでいる管

極管はラジオ放送とともに発展してきた．小形の受信管

内ガスの枯化作業など，電子管特有の古くから確立されたは半導体に淘汰されたが，大電力用の送信管は，用途の中製造プロセスとともに，超高真空や高電圧技術などの最先

心を工業加熱にかえ，今も使われている．このことから，

端の要素技術に支えられている．電子放出源の熱カソード

大型の極管を送信管と呼んでいる．カソードからプレート

もその一つで，本解説の最後で，電子管の高信頼性と長寿（陽極）に向かう電子流を，途中に設けたグリット（格子電命化に不可欠な含浸形カソードについて解説する．

極）に印加される高周波電圧によって変調する最も古典的100な増幅管である．動作周波数は，カソードとグリッド間をPulsed klystrons

走行する電子が，変調電圧の時間的変化を顕著に感じない

10

Gyrotrons
Output Power [MW]周波数領域の 250 MHz 以下が一般的である．
これ以上の周波数では，高周波（マイクロ波）の時間的
空間的変化を積極的に利用するマイクロ波管の領域となる．図１は，東芝電子管デバイス"で製品化されているク1

0.1

CW klystrons
0.01

ライストロンとジャイロトロンの出力と動作周波数であ0.001

る．クライストロンは，大電力，高利得，高効率を特長とする増幅管，ジャイロトロンは動作周波数が 100 GHz 以上

0.00010.1の領域でも大電力が得られる発振管である．この他にも，
図１

高利得で広帯域の進行波管と後進波管，高効率で安価な発Classic and Novel Electromagnetic Source “The High Power Electron Tube”
HAYASHI Kenichi, KATO Akio, OKUBO Yoshihisa and HIGUCHI Toshiharu

５６７

1

10
Frequency [GHz]

100

1000

クライストロンとジャイロトロンの出力と動作周波数．
corresponding author’s e-mail: kenichi1.hayashi@toshiba.co.jp!2010 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.86, No.10 October 2010

２．送信管

る．遮蔽グリッドには一定の正電圧を加える．図３は四極

送信管は１９１９年に国内初の試作に成功してから無線通管の構造図である．送信管の各電極について次に説明す

信・放送などの送信機に多く使われてきたが，半導体デバ

る．

イスの開発により新設の送信機にはほとんど採用されるこ

１．陰極とがなくなってきた．しかし大きな出力が必要な工業用の陰極には直熱型と傍熱型があるが，送信管の陰極に高周波発生装置，特に動作周波数が高い誘電加熱装置ではは直熱型のタングステンフィラメントが用いられる

数十 MHz で数 kW から百 kW 以上の出力が必要であり，まことが多い．タングステンフィラメントは所要の放た負荷変動が大きいことから送信管に替わる適切な半導体

射電流を得るためには，動作温度を高くする必要がデバイスは今のところはなく，送信管が多く使用されていあり（約 2,200℃）加熱電力が大きくなるので，送信る．誘電加熱の応用としては，浮き輪やプール，靴などの管の陰極はタングステンに 1〜2％ の酸化トリアをビニール用品の溶着，食品の加熱，木材・繊維の乾燥など，混入したトリウムタングステンワイヤーを使ってい誘導加熱では，金属の焼入れや焼鈍，高周波ろう付け，電るものがほとんどである．トリウムタングステンの縫管の溶接などがあり，送信管の用途は広い．また，核融表面をある程度炭化処理することで，還元されてで合プラズマ発生装置のイオンサイクロトロン共鳴加熱，半てきたトリウム原子がタングステンの表面を覆うこ

導体のプラズマエッチング装置，炭酸ガスレーザーの励起とにより，タング ス テ ン よ り 低 い 温 度（約 1,700用高周波源としても使われている．図２は誘導加熱装置で℃）で１０倍程度の放射電流が得られる．

使用されている高周波出力 240 kW 三極管 9T38A の写真で

２．グリッドある．

グリッドはフィラメントの近傍に配置されるので，送信管は電子を密度変調することによって高周波を増幅

フィラメントの輻射熱とグリッドの損失により高温する機能を持った極管で，陽極高周波電圧の一部を入力側（約 1,000℃）になる．グリッドの材料は高融点金属に 帰 還 さ せ る こ と に よ り 自 励 発 振 も で き る．三 極 管のタングステンやモリブデンを使用するが，グリッ（Triode）は陰極（Cathode）と陽極（Anode）の間に格子ドの温度が上昇したり，グリッドに電子が衝突する状または網状の制御グリッド電極（Control Grid）を配置とグリッドから不用な二次電子が放出されてしまし，この制御グリッドの電位を変化させることにより，電う．これは送信管の動作を不安定にし，ダイナトロ

子流すなわち陽極電流を制御する．四極管（Tetrode）は，

ン発振などの異常発振につながる可能性があるた

三極管の制御グリッドと陽極の間に遮蔽グリッド（Screen

め，グリッドからの電子放出を低減する目的で，グGrid）と呼ばれる第二のグリッド電極を挿入し，これにリッド表面に特殊な処理を施している．

よって制御グリッドを陽極から静電的に遮蔽して，三極管３．陽極（プレート）よりも高い周波数で安定に動作できるようにしたものであ

陽極の材質は電子管用無酸素銅で，陽極損失による発生する熱を冷却するタイプにより空冷管，水冷管，蒸発冷却管がある．空冷管で最大のものは陽極
損失が 30 kW までで，それ以上は水冷または蒸発冷却になる．

㻭㼚㼛㼐㼑䠄㻼㼘㼍㼠㼑㻕㻿㼏㼞㼑㼑㼚㻌㻳㼞㼕㼐㻯㼛㼚㼠㼞㼛㼘㻌㻳㼞㼕㼐㻯㼍㼠㼔㼛㼐㼑㻔㻲㼕㼘㼍㼙㼑㼚㼠㻕

図２

図３

高周波出力 240 kW 三極管 9T38A．

５６８

四極管の構造図．

CommentaryClassic and Novel Electromagnetic Source "The High Power Electron Tube"

K. Hayashi et al.

送信管はマグネトロンやクライストロンと違い外部共振

すように，その電界は指数関数的に大きくなる．図５（a）に回路により高周波を発生する．装置の設計にあたっては，その過程を示す．遅波回路の入口では，（１）のように軸方寄生振動の防止策を実施し，異常発振のない状態で使うこ向のマイクロ波電界の位相にわたって黒丸で示す電子が一とが最も重要である．またフィラメントの温度が高く，各様に分布しているが，進行するにしたがってマイクロ波電電極の電流損失による熱の発生量も多いので，冷却には十界によって加減速される．図５（２）に示す ##!#"!の場合，分注意を払う必要がある．

マイクロ電界による加減速を受けてa点やc点に集まる（集群するあるいはバンチングする）が，加減速位相にある電３．進行波管，後進波管とマグネトロン

子の数は同じなので電子ビームとマイクロ波のエネルギー

進行波管（TWT, Traveling Wave Tube）は，効率はあまの正味のやりとりは零である．図５（３）のように ##"#"!

り高くないが動作帯域が広いことが特徴で，衛星通信やでは，集群した電子はマイクロ波の減速位相に入るため，レーダーに使用されている．数 GHz から 30 GHz までの周電子ビームからマイクロ波に受渡されるエネルギーの方が波数で，数 10 W から数 kW 程度の出力をもつものが一般的多くなり，マイクロ波は増幅される．

である．これに対して，マグネトロンは，電子レンジ用に

図４（b）の進行波形マグネトロンは，マイクロ波の入口

量産されていることは周知で，高効率，安価，小型なこと側に配置されたカソードに対して，正電圧が加えた遅波回から，連続動作管は，工業用マイクロ波加熱装置や半導体路（アノード）と零または負電圧が印加 さ れ た ソ ー ル

製造プロセス用のプラズマ発生装置に使用されている．工（Sole）と呼ばれる板電極から構成され，紙面と垂直方向に

業周波数2.45 GHzで10 kW程度までの出力をもつものがよ

静磁場 !が加えられている．これらの静電磁界によっく使われている．パルス動作管は，レーダーや放射線治療て，カソードを出た電子はサイクロイド運動を行うが，電器に使用されている．最近では，治療器用として X バンド

子ビームは全体として平均速度 ##!"!
! の速度（旋回中で MW 級の出力のものが開発されている．

心の移動速度）で軸方向に進行する．この過程で遅波回路

進行波管は増幅管，マグネトロンは発振管で，形も直線上のマイクロ波と相互作用を行うが，この場合，##!#"!

形と同軸形と異なるが，電子ビームとマイクロ波の作用形の時に電子ビームの位置エネルギー変化分がマイクロ波の態（電子ビームとマイクロ波とのエネルギー交換の仕方）

エネルギーに変換される．

は，同じ種類に分類される．図４（a）と（b）は，通常の進行

通常の TWT では軸方向のマイクロ波電界成分と電子波管（O 形進行波管，Ordinary type TWT）と進行波形マビームとの相互作用を利用しているが，M 形進行波管でグネトロン（M 形進行波管，Magnetron-type TWT）の概は，横方向のマイクロ波電界成分も重要な役割を果たして念図である．両者とも，管軸（z 方向）に進行するマイクロいる．図５（b）にその様子を示す．##!#"!では，相対的に波と電子ビームが徐々に結合し，電子ビームからマイクロはマイクロ波は電子ビームに対して止まっている．図には

波へのエネルギー変換が行われる．これには，マイクロ波

マイクロ波電界中の色々な位置にある電子の旋回中心の動の位相速度 #"!を電子ビームの進行速度 ##と同程度まで遅き方を示している．b では進行方向に d では逆方向に，まくすることが必要で，らせん回路（へリックス）や分布結

た，a ではカソード方向に c ではアノード方向に移動する．

合空胴などの遅波回路（SWC: Slow Wave Circuit）が用い

結局，下図のように，電子ビームは，a 点近傍でカソード方

られる．

向に圧縮され細くなり，集群点 c 近傍ではアノード方向に

通常の進行波管図４（a）では，電子ビームの上流側で入膨張し太くなる．したがって，ビーム全体としては低い位力されたマイクロ波は遅波回路を進行するにしたがって

置エネルギーのアノード側に引っ張られてその位置エネル

徐々に電子ビームの運動エネルギーを得て，図４（c）に示

ギーの減少分をマイクロ波電界に与えることになる．この過程において，電子の速度はほとんど変化しないので電子

RF output

RF output

RF inputVz
CathodeVph

Collector

EB
Cathode(a) O-type TWT

Cathodeイクロ波管との大きく異なる点で，高い変換効率が得られCollector

RF output

RF output

SWC VphVz=E/B

い．これが，他のマイクロ波管とマグネトロンタイプのマる理由である．

(d) O-type BWO

RF input

EB

ビームとマイクロ波電界との運動エネルギーの授受はな

SWC

SWC

EB

Terminator

Terminator

E

SWC

EB

Sole

B

CathodeSole

B(1) Entrance of SWCac(3) Vz > Vph(f) Axial RF profile(a) O-type TWT

図４

a

b

c

d

Electronzz(c) Axial RF profileb(2) Vz = Vph

f(z)

f(z)

Microwave electric field

Deceleration phase(e) M-type BWO(b) M-type TWT

Acceleration phase

Microwave

SWC

進行波管と後進波管の概念図．EB：電子ビーム，SWC：遅
波回路．

図５

５６９

Electron beam(b) M-type TWT

電子の集群とエネルギー交換の仕方．

aJournal of Plasma and Fusion Research Vol.86, No.10 October 2010４．
２ クライストロンの原理および開発の動向

実用化されている一般的なマグネトロンは，ソール電極
がカソードに置き換えられた円筒状カソードの外側に同軸

クライストロンは下記の動作により高周波増幅を行う［２］．

状に共振回路を兼ねたアノードが配置されている．動作① 直進する電子に最上流に配置した入力空胴に発生する電場で速度変調を行う．

モードは B 型振動と呼ばれているが，本質的には上述した
進行波増幅作用をしている．ただ，進行波タイプで遅波回② 速度変調された電子の速度の違いが電子の走行によ路に相当する共振回路は入口側と出口側がはじめから接続

り密度変調となり，集群（バンチング）され直流の電されているのと，電子ビームが作用空間をひと回りしてま子流が高周波成分を持つ．入力と出力空胴の間にはた入力側にもどることにより帰還がかかり発振管として働

複数の空胴を設け，電子の高周波成分により誘起さく．

れる電圧でさらに速度変調することにより，バンチ
ングがさらに進む．

遅波回路を伝わる波には，位相速度と群速度が反対の向きに伝播する後進波と呼ばれる波が存在する．この波の位③ 最下流の出力空胴で，バンチングされた電子ビーム

相速度と電子ビームの直進速度を対応させたものが後進波のもつ高周波電流成分により誘起される電圧で電子管（BWO, Backward Wave Oscillator）で，進行波管と同を減速し，減速された分のエネルギーをマイクロ波様，図４（d）と（e）に示すように O 形後進波管（Ordinary

として外部に取り出す．

type BWO）と M 形後進波管（Magnetron-type BWO）がクライストロンは原理上，２空胴で増幅可能であるが，存在する．出力は電子ビームの上流側となることから，電動作効率やゲインを改善するため複数の空胴を有する多空子ビームへ自然と帰還がかかるため通常は発振管として働

胴クライストロンの構成をとる．出力空胴で電子ビームがく．図４（f）に示すように，遅波回路でのマイクロ波電界

集群するように中間空胴を配置することで高ゲインで高効は，出力端で最大となるコサイン分布となる．共振構造を率動作が可能となる．多空胴クライストロンでの電子の集持たないので，動作帯域の広い発振器として用いられてい群の様子を図６に示す．中間空胴では電子ビームが有するる．後進波管はフランスにおいて開発が熱心に行われ，カ

高周波成分により電圧が発生し，この電圧により電子ビー

ルシノトロン（Carcinotron）と呼ばれている．カルシノはムが速度変調され電子の走行とともに電子ビームの高周波

ギリシャ語でザリガニのことで，その後進する性質を表し

成分が増大し出力空胴で最大となるように配置されてい

ている．

る．
クライストロンは図７に示すように，電子ビームを発生

４．クライストロンする電子銃部，前述した電子ビームと電磁場の相互作用を

４．
１ クライストロンの特徴

行う相互作用部，用済みの電子ビームを熱として吸収する

送信管の高周波動作では，陰極とグリッド間の電位で電コレクタ部，高周波を伝送し真空気密を行う出力回路・出流を制御するため，制御電極での電極間容量やリード線イ

力窓部からなり，集束磁場を発生させる集束電磁石が相互ンダクタンスが大きくなり，陰極とグリッドの走行時間が作用部の周囲に配置される．また，必要に応じ各部位が冷長いという問題がある．これらを改善したのがクライストロンである．クライストロンは１９３９年にバリアン兄弟によInput
cavityධຊ✵⬗Intermetiate
cavities୰㛫✵⬗

Outputcavityฟຊ✵⬗

り発明された電子管で，電子の変調に空胴共振器を用いており，以下の特徴を持つ．
① UHF 帯から SHF 帯で，数百 kW を超える大電力高周波の発生が可能である．
② 増幅管であるため，コヒーレントな電磁波を発生させることができる．
③ 空胴共振器を用いているためゲインは比較的高いが㧗࿘Ἴ㟁ὶRF current

周波数帯域は狭い．
④ 動作効率が TWTやジャイロトロンと比較すると高い．
用途としてはレーダー，放送機，加速器，マイクロ波加熱装置などの高周波源に使用される．かつては UHF テレ
ビ放送などに数多く用いられたが，近年の放送装置では固体化が進んでおり，産業用途としてはレーダや治療用加速器，電子線滅菌装置，研究用としては大型加速器用途，核融合プラズマ加熱用途が主となっている．これらの要求により，高周波数化・大電力化・高効率化への開発が進めら㟁Ꮚࣅ࣮࣒࢚ࢿࣝࢠ࣮
Beam energy

れ てい る．プ ラ ズ マ 実 験 装 置 用 と し て は，最 近，韓 国
KSTAR 向けに，周波数 5 GHz で出力空胴に進行波型３セル空胴を採用したクライストロンが開発されている
［１］．
図６

５７０

クライストロンの電子ビームの密度変調．

CommentaryClassic and Novel Electromagnetic Source "The High Power Electron Tube"

K. Hayashi et al.

ロンは原理的に電流密度が低く高速な電子ビームの場合にCollector䝁䝺䜽䝍

動作効率が高くなるため，マルチビームクライストロンでWindows
ฟຊ❆は複数の電子ビームを用い，単ビームあたりの電流密度を下げ，複数台並列運転するのと等価とし，あまり動作電圧を 高 く す る こ と な く 高 効 率 動 作 を 可 能 と し て い る．
SPring-8/XFEL 計画は，従来の S バンドの２倍の周波数である C バンド加速器を用いた世界初の大型加速器であOutputcavityฟຊ✵⬗り，出力 50 MW のクライストロンが開発されている［８］．
４．
３ クライストロンの設計およびプロセス技術
高出力・大電力を得るためには，高い電界で放電がな

Interaction
section┦஫స⏝㒊く，大電力の電子ビームや高周波損失による熱の発生に対して，クライストロンが良好な真空度に保たれなければならない．そのため，クライストロンの製造は以下の手順で

Input
cavityධຊ✵⬗

行われ，材料の選定や部品の処理に大電力での動作に対し配慮されている．
① 部品の洗浄・メッキ等の処理② 部品やサブアセンブリでの真空脱ガス処理③ ロウ接や溶接による組み立て④ ベーキングによる脱ガス処理

Electron gun
㟁Ꮚ㖠⑤ 電子銃耐電圧やコレクタ・出力窓のコンデショニン
グ処理⑥ 特性確認試験

図７

クライストロンは銅，ステンレス，鉄などの金属およびクライストロンの構造．

セラミックを主とした部品を用い，高温でのロウ接による却される．

組み立てや高温でのベーキングを行う．このため，大型のク ラ イ ス ト ロ ン は，高 出 力 化（パ ル ス）
，大 電 力 化

製品では熱膨張率の違いに対する配慮が必要である．ま（CW），高周波化，高効率化への開発が進められている．

た，電子銃のカソード付近は温度が 1000℃ 以上となるため

これらの課題としては①高い耐電圧性を有する電子銃，②

高温での動作に対する配慮，脱ガス処理や高電界がかかる

高出力の電界に耐えられる出力回路，③大電力での高周波部品の表面処理が重要である．出力窓や空胴共振器にはマ損失に耐えられる出力回路，④高効率で不安定現象のない

ルチパクタ放電を抑制する目的で，２次電子抑制のための相互作用部があり，各部の技術改良がなされている．

TiN コーティング処理を行う場合がある［９］．

主な用途での開発動向として，治療器用と X 線自由電子

５．ジャイロトロン

レーザー（XFEL, X-ray Free Electron Laser）用のクライス
トロンについて紹介する．治療器は加速器により加速されジャイロトロンは，電子サイクロトロン共鳴 メーザ

た電子により発生する X 線や電子線を腫瘍に照射し治療を（ECM, Electron Cyclotron Maser）の原理を利用するマイ行う．近年は高周波化による装置の小型化などの利点よクロ波発振管である．従来形のマイクロ波管と同様，ジャり，従来の S バンドから，C バンドや X バンドの治療装置

イロクライストロン，ジャイロ TWT，ジャイロ BWO などが開発されている．C バンドのクライストロンでは集束磁も開発されてきたが，共鳴条件に含まれるドップラー拡が場の発生を電磁石でなく進行波管で用いられる周期永久磁りの影響を受けない単空胴構造が実用化された．これを発石（PPM）集束型としており，使用電力を低減し総合効率

明した Gapanov のグループがジャイロトロンと名づけたを向上させたものが開発されている［３］．

［１０］．空胴はオーバサイズの円形導波管を用いた単純な形

XFEL 計画は加速器で数〜十数GeVまで加速した電子を状のため，ミリ波領域でも大電力動作が可能である．専ら，

アンジュレータに通し X 線を発生させる計画である．米国

電子サイクロトロン共鳴加熱用として開発されてきたがSLAC は既存の２マイル加速器を利用した LCLS 計画で［１１］，高調波発振によりさらに周波数の高いサブミリ波領

２００９年４月に世界初の X 線レーザー光を発生させており域の発振も得られており，物性研究，イメージング，新機［４］，日本では SPring-8 に C バンド加速器による FEL 装置

能性材料創成などへの応用研究が盛んになっている［１２］．

を建設中である［５］．また，ドイツ DESY を中心にしてヨー

図８は，大型管に採用されている電位降下形コレクタを

ロッパでは，L バンド超伝導加速器による EURO-XFEL

搭載したモード変換器内蔵ジャイロトロンの構成である．

の建設が進められている［６］．さらには中国，韓国，スイス

MIG（Magnetron Injection Gun）と 呼 ば れ る 電 子 銃 部，などの国々でも同様な計画が検討されている．

ビームトンネル，空胴共振器，モード変換器，コレクタ，おEURO-XFEL 向けには，L バンドの 10 MW 出力のマルチ

よび出力窓から構成される．発振に必要な外部磁場は，超ビームクライストロンが開発されている［７］．クライスト

伝導マグネット（SCM）によって発生し，電子銃部から空
５７１

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.86, No.10 October 2010

胴にかけて緩やかに増大し空胴で最大となる分布をもつ．

ド変換効率は 97％ 以上まで向上している［１５］．

MIG から出射した中空の旋回電子ビームは，ビームトンネ

空胴は，図９（b）に示すように，円形の直線導波管の両

ル内を管軸方向の外部磁場にガイドされて次第に旋回方向

端に円形の直線アップテーパ導波管を接続した単純な形状の速度を大きくしながら走行し空胴に入射する．空胴でで，左端が空胴入口，右端が出口である．直線導波管のは，電子の旋回周波数より少し高い周波数をもつ円形 TE

カットオフ周波数に近い共振周波数をもつ円形 TE モード

モードのマイクロ波と相互作用を行い，電子の旋回エネルのマイクロ波が励振される．入口側テーパで反射，出口側

ギーの一部がマイクロ波電力に変換される．エネルギー変

テーパでは分布的に一部が反射されながら出口に向かって換を終えた電子ビームはコレクタに捕集され残りの運動エ

進行する．共振状態のマイクロ波電界の軸方向のプロファ

ネルギーは熱に変わる．一方，空胴で発振したマイクロ波

イルは，直線部にまたがったコサインあるいはガウシアン

はテーパ導波管，コレクタを通って出力窓から取り出され分布に近い形状となる．この中を，軸方向の静磁界にガイる．

ドされて円環状の電子ビームが通過するが，個々の電子空胴の下流のモード変換器によって，マイクロ波と電子は，磁力線の周りを磁場強度!!に相当するサイクロトロン

ビームは分離され，マイクロ波は管軸に並行に配置された

角速度 #"!"!!!
"##で旋回運動をしながら進行する．ここ

出力窓から外部へ出力される［１３］．従来形のジャイロトロ

で，"は電子のローレンツ因子，"は電荷素量，##は電子

ンでは，コレクタがマイクロ波の伝送路を兼ねるためむやの静止質量である．

みに大きくすることができなかったが，これによりコレク

ジャイロトロンは，旋回運動する電子の位相が速度空間タの形状的制限はなくなり，大容量化と CPD（Collector

で集群することによって，旋回エネルギーをマイクロ波にPotential Depression）が 可 能 と な っ た．モ ー ド 変 換 器

与えることによって発振する．図９（a）は，その様子を表し

は，放射器と複数のミラーで構成されており，空胴の発振ている．（１）の空胴入口では，横方向速度空間内で，電子はモードである円形 TE モードをガウシアンビームモードに

直流旋回速度に相当する円周上に一様に分布し，角速度変換する．初期のモード変換器内蔵管では，ヴラソフ形放#"で反時計回りに回っている．角周波数 #のマイクロ波電射器を使用したモード変換器を搭載したが，放射器の矩形界は図の %軸方向に加えられているとする．実際には，空開口面で発生するサイドロープによる回折損をなくすこと

胴中のマイクロ波の横方向構造は円形 TE モードの電磁界ができないため，モード変換効率は８０％に止まっていたである．これを旋回中心を原点とした局在座標に展開する［１４］．ミラー伝送系において回折損の小さくするには，放と，図において $方向成分も存在するが，この成分は電子射器出口でガウス分布をもつマイクロ波ビームを放射するに位相の変化を与えるだけでエネルギーの授受には寄与しことが必要で，最近では，放射器の内面形状を数値的に最ない．
１．#"!#では，電子はマイクロ波と同期し常に同じ電適化する計算機コードの開発によってモード変換器のモー界を感じている．したがって，図の右半面に存在すCollectoryElectron㻌 beam

(1)

WindowelectronE

Microwavex
gyrating beam

CPS

Outlet(2)

DC break

Inlet

Mode
converter
BPS

Cavity

(3)

SCM
Beam
tunnelAxial RF field

MIG

(a)
図８

電位降下形コレクタ搭載モード変換器内蔵ジャイロトロン．

図９

５７２

(b)

ジャイロトロンの動作原理：（a）
電子の速度空間内の位相集群，（b）
単空胴形状．

CommentaryClassic and Novel Electromagnetic Source "The High Power Electron Tube"

K. Hayashi et al.

る電子は，マイクロ波により減速され相対論的質量が軽くなるため，旋回速度が増す．一方，加速位相にある左半面の電子は，マイクロ波電界からエネル
ギーを得，旋回速度が減少する．その結果，電子は数周期後には位相９０度の y 軸上に集群されていくが，加減速位相にある電子数は等しいため，マイク
ロ波との正味のエネルギーの授受はない．
２．!が !!よりも幾分大きい場合は，加減速を受けたす
べての電子の旋回位相がマイクロ波電界の位相に対して遅れる．電子は位相差 !!!!で時計回りに回る
ため，図９（a）（２）に示すように電子は右半面の減速位相で集群する．さらに，減速位相の電子は，減速電界により!!が大きくなるため，時計回りの回転が抑制され減速位相に留まろうする．逆に，加速位相にある電子は!!が小さくなるため，時計回りの回転が助長され加速位相から追い出される．
３．このようにして，電子は減速位相に入り込み，エネ
ルギーを失い旋回速度半径も小さくなる．最終的に
図９（a）（３）の空胴出口付近では，ほとんどの電子が減速位相でそのエネルギーを失い，その分マイクロ

図１
０ 過去１世紀に亘る熱電子放出源の限界電流密度の歴史：G.
Gaertner, P. Geitner and H. Lydtin, Appl. Surf. Sci. 111, 11(1997).

波のエネルギーが大きくなる．
ジャイロトロンにおいて高い動作効率を得るには電子の旋回速度を大きくする必要があるが，カソードのエミッションベルト上の温度均一性，表面粗さ，電界の一様性，

その後１９８０年頃より Space TWT 用高信頼性・長寿命カ

ビーム自身の空間電荷効果などによる速度のばらつきのた

ソードの開発［１９］をきっかけとして研究開発の熱は一気にめ，周波数が高くなるほど，あるいは大電力になるほど，盛り上がった．丁度この頃は表面分析技術の急速な進歩が旋回速度を大きくすることが難しくなる．これを補うためあり，これも大きな引き金となった．この技術開発の影響に，大型管では，空胴で相互作用を終えたスペントビームを受け１９９０年代よりは応用技術の段階へと進んでいった．

の運動エネルギーを回収して総合効率を上げることを目的

クライストロン，ジャイロトロン，TWT，マグネトロンにとして，CPD（Collector Potential Depression）が採用され代表されるマイクロ波管には一部を除き含浸形カソードがている［１６］．図８において，DC ブレークによってボディ使用されている．また量産品種であるCRT用含浸形カソー（空胴，モード変換器）とコレクタ間は絶縁されている．発ドは１
９９０年代より実用化段階に移りハイエンド CRT に使振に必要なビーム電圧はカソード−ボディ間に接続された

用された．

高インピーダンスの加速電源 BPS によって印加され，電子

６．
２ 含浸形カソードの構造および動作メカニズム

ビームへの電力はカソード−コレクタ間の主電源 CPS に

含浸形カソードには多くの種類があるが，大電力電子管

よって供給される．BPS と CPS の出力電圧差が回収電圧とには M 型カソードとスカンデートカソードの２種類のカなり，回収電圧が大きいほど総合効率も改善される．CPD

ソードが主に使用されている．図１１に含浸形カソードの破は，動作効率の低い進行波管では不可欠な技術として多段断面の SEM 写真を示した．平均粒径が３から 5 μm のタンコレクタが実用化されている．ジャイロトロンで単段 CPD

グステン粉末を，空孔率が 17〜20％ になるように高温で焼がうまく動作する理由は，エネルギー交換に寄与しない進結し，その孔部に電子放射物質を含浸したものである．M

行方向の電子ビームのエネルギーを回収するからである．

型カソードの場合は，BaO，CaO，Al2O3 よりなる電子放射物質が含浸され，カソード表面には Os（‐Ru），Ir などの金６．カソード属薄膜が形成されている．スカンデートカソードの場合

６．
１ カソード開発の歴史

は，上記電子放射物質にスカンジウム酸化物が添加されて

図１０は過去１世紀に亘る熱電子放出源の限界電流密度のいる．金属薄膜の形成およびスカンジウム酸化物の添加の発展の歴史を示すものであり，研究開発努力によって３桁

目的は仕事関数を低下させるためである．

半に及ぶ限界電流密度の増大が可能となった［１７］．図に示

含浸形カソードの構成物質である W および Ir の仕事関すように熱カソードには W カソード，Th-W カソード，オ

数はそれぞれ 4.5 eV，5.4 eV，また Ba の仕事関数は 2.5 eV

キサイドカソード，含浸形カソードなどがあるが，大電力である．これに対し M 型カソードの仕事関数は 1.9 eV と構電子管には含浸形カソードが主に用いられている．含浸形

成材料のどちらよりも低い仕事関数を達成している．含浸

カソー ド の 発 展 の歴 史 は L カ ソ ー ド の 改 良 と し て１９５２形カソードの動作メカニズムは単原子（分子）吸着層型カ

年，Levi によって発明されたカソードに端を発する［１８］．

ソードとして説明できる．即ち，空孔部を通ってきた Ba
５７３

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.86, No.10 October 2010

Cathode Surface

W Matrix

Emitter

図１２ 東芝製含浸形カソード．
図１
１ 含浸形カソード破断面の SEM 写真．

れを実現するための電子管特有の材料，製造プロセス，含はカソード表面を拡散し，電荷交換により電気二重層を形

浸カソードについて紹介したが，古くから培ってきたノウ

成し，表面近傍に強い電場を形成する．電気二重層の形成

ハウが多く，一部歯切れの悪い表現になったことに対してによる仕事関数の低下はは容赦いただきたい．
マイクロ波管の動作原理の説明には，放射の種類（チェ"$"+'(%&#"*,#*+)"+&!!
$!"
""
#

レンコフ放射，遷移放射，制動放射）で分類したものや電によって説明できる．ここで，"は substrate 表面に形成さ子ビーム中に存在する空間電荷波あるいはサイクロトロン

れる Ba-O の表面濃度，#は電気二重層の電気双極子モーメ

波と回路波とのモード結合を %-!ダイアグラムで議論したントであり，#および "を大きくすることによって，カエレガントなものがあるが，ここでは，物理的イメージの

ソ ー ド の 仕 事 関 数 "$"+'(%&を 低 下 す る こ と が で き る．

わかりやすいマイクロ波中の電子の運動，即ち，マイクロCortenraad の測定および計算によると，Ir コート型 M カ

波による電子の集群が減速位相に入り込む様子を図を用い

ソ ー ド の 場 合，"#2.86×1014（個/cm2），##6 D（debye），て説明した．

"*,#*+)"+&#5.4 eV として，"$"+'(%&#1.89 eV を得ている［２０］．

最近，環境分野での電子管の応用が進んでいる．しかし，

６．
３ カソード応用

電子管自体，環境に優しい製品かと言われると，化学処理

カソードの種類は使用される電子管の動作条件（CW あに使われる薬品類，材料としてのレアメタルの使用，熱をるいはパルス，電流密度，動作温度，電圧）や，期待寿命消費するだけの大型コレクタなど，マイナス面がかなりあによって選択される．一般的にスカンデートカソードは電ることは事実である．電子管の開発・製造に関わるものと子放射能力は高いが，イオン衝撃に弱い傾向にあるためパして，環境負荷の少ない製造プロセスの構築や小型化で高ルス動作のみで使用されることが多い．M 型カソードは効率の電子管の開発を進めていきたい．

CW とパルス動作共に使用されている．スカンデートカ

参考文献

ソ ー ド は，寿 命 等 の 信 頼 性 を 重 視 し 実 用 的 に，最 大
2

10 A/cm （パルス）で設計されている．M 型カソードの場［１］林 健一：プラズマ・核融合学会誌 86, 104 (2010).
［２］柴田幸 男：電 子 管・超 高 周 波 デ バ イ ス（コ ロ ナ 社，
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［４］https://slacportal.slac.stanford.edu/sites/lcls̲public/
Pages/Default.aspx［５］http://www.riken.jp/XFEL/［６］http://www.xfel.eu/overview/in̲brief/［７］ A. Yano et al., "DESIGN AND TESTING OF THE HORIZONTAL VERSION OF THE MULTI BEAM KLYSTRON FOR
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Genoa, Italy, 544, (2008).
［８］大久保良久 他：信学技報 99, 7 (1999).
［９］斎藤芳男 他：真空 30, 406 (1987).
［１０］V.A. Flyagin, A.V. Gaponov, M.I. Petelin and V.K. Yulpatov, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., MTT-25, 514(1977).
［１１］K. Sakamoto et al., Nat. Phys. 3, 411 (2007).
［１２］斎藤輝雄 他：プラズマ・核融合学会誌 84, 853 (2008).
［１３］林 健一 他：プラズマ・核融合学会誌 70, 659 (1994).

合は，最大 10 A/cm2（パルス），3 A/cm2（CW）で設計されている．スカンデートカソードの場合は電子放射能力が高いため，動作温度は M 型カソードより低めに設定されている．
図１２は東芝で製造されている含浸形カソードである．直径 1 mm オーダから 100 mm 程度のカソードが製造されている．実際のカソード設計では電子放射特性のみではなく低消費電力，低熱膨張構造，低磁場ヒータ設計などが重要であり工夫がなされている．またジャイロトロン用カソー
ドでは不要電子ビームを抑制するためにエミッションベル
トとその両側の電極部分を熱絶縁することが重要であり，構造的な工夫がなされている．

７．おわりに電子管の動作時には，その温度は，陰極周りで 1000℃ 以
上，送信管では 2000℃ 近くに達する．このような高温動作においても，管内真空度10−6 Pa以下に維持されている．こ５７４

CommentaryClassic and Novel Electromagnetic Source "The High Power Electron Tube"［１４］S.N. Vlasov, L.I. Zagryadskaya and M.I. Petelin, RadioEng. Electron. Phys. 21, 14 (1975).
［１５］R. Minami et al., Int. J. Infrared and mm Waves 27, 13(2006).
［１６］K. Sakamoto et al., Phys. Rev. Lett. 73, 3532(1994).
［１７］G. Gaertner, P. Geittner and H. Lydtin, Appl. Surf. Sci. 111,
11 (1997).

執筆者紹介

樋 口 敏 春１９
６
４年，現㈱東芝入社，２００
２年定年退職．
その間一貫してカソード技術開発業務を担
当．以後，東芝関連会社および派遣社員とし て，東 芝 カ ソ ー ド 技 術 開 発 業 務 に 従事．２
０１
０年３月退社．現在筑波大学でカソードの基礎的な研究を続行中（非常勤研究員，博士（工学））．

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とう

あき

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加 藤 昭 夫１
９
８
７年，東芝電子デバイスエンジニアリング㈱に入社，㈱東芝 電子管技術部に駐在し，５年間レーダ用クライストロンを設計，その後送信管の開発業務を１５年間行った．現在は東芝電子管デバイス㈱の一員として送信管を中心とした電力管の営業技術を担当している．

ぼ

よし

ひさ

１
９
８
７年，現㈱東芝入社，２００
３年東芝電子管デバイス㈱に移籍．その間一貫して大電力
電子管，主として加速器用のクライストロ
ンの開発業務を担当し現在に至る．

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か

く

はやし

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林

健 一

いち

１
９
７
９年，東芝総合研究所に入社以来，プラズマ加熱装置の開発に従事．１
９
９
８年から現
東芝電子管デバイス㈱電力管技術部．イオ
ン源の開発で当時のプラズマ研究所に半年，ジャイロトロンの開発で JAEA に３年お世話になりました．単身赴任歴１
２年．

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おお大 久 保 良 久!!!!!!!!!!!!!

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とし##!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

ぐち!!!!!!!!!!!!! !!!!!!!!!!!!!

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ひ［１８］R. Levi, US Patent 2, 700, 000.
［１９］A.M. Shuroff et al., Appl. Surf. Sci. 8, 36 (1981).
［２０］Cortenraad, “Surface analysis of thermionic dispenser cathodes,” Dr. Thesis of Technische Universiteit Eindhoven,
2000. - Proefschrift. ISBN 90-386-1689-9.NUGI812 http://alexandria.tue.nl/extra2/200013819.pdf.

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K. Hayashi et al.

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