マグネトロン

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マグネトロン断面
マグネトロン外形

マグネトロン英語: magnetron)は発振用真空管の一種で、電波の一種である強力なノンコヒーレントマイクロ波を発生する。レーダー電子レンジに使われている。

構造と動作[編集]

マグネトロンは他の熱電子管と同様、ヒーターにより加熱される陰極(カソード)と、加熱されない陽極(アノード)からなる。陰極は管球の空胴の中央に配置され、陽極はこの陰極を囲むように配置されるとともに、陰極に対して正の高電圧が印加されている。陰極をヒーターで加熱すると熱電子が放出され、陽極と陰極間の電界により陽極方向へ加速される。このとき、管球の軸方向に永久磁石などで強力な磁場が形成されており、電子はフレミングの法則に従い進行方向と直角な方向に力を受けて曲げられる。この作用により、電子は陰極と陽極の間にある作用空間と呼ばれる場所でサイクロイド曲線を描いて振動しながら周回運動を始める。陽極には規則的に形成された複数の空洞(キャビティ、cavity)があり、空洞の開口部をサイクロイド振動している電子が通過すると、空洞の共振周波数で空洞と電子が共振を起こし、マイクロ波を発生させる。こうして空洞に発生したマイクロ波を、結合回路を介して出力回路へ効率よく伝播させることで、マグネトロンの外へと導き出し、各種の利用が可能になる。この結合回路には電磁結合(ループ)型と静電結合(スリット)型などがあり、出力回路には同軸型や導波管型がある。

応用[編集]

マグネトロンが発生するマイクロ波は放送、通信、レーダー、電子レンジなどに応用されている。

マイクロ波とは電波の範疇で高周波帯側を示す概念なので、低周波より多くの周波数帯域を通信のために使うことが可能であり、その結果、情報量もより多く伝送できる。

また、発生するマイクロ波は強力で直進性もあるので、その反射波の戻ってくるまでの時間とその方向を測定することで、離れた地点の物体の位置や距離の探知を行うことが可能であり、この装置をレーダー(電波探信儀、radar)という。

電子レンジに使用される周波数は他の応用と電波障害を起こさないように、国際規格で、2.450GHz帯(ISMバンド)に統一されているが、南北アメリカに限り915MHzも同様に利用が認められている。電子レンジによる加熱の原理は、極性分子である誘電体にマイクロ波をあてることにより高周波電界の周期に従い分子の回転(分子間振動)を励起し熱が発生することを利用したものである(マイクロ波加熱参照)。電子レンジの周波数が2.450GHzに統一されている理由はノイズをこの周波数に局限させ、他の周波数帯に悪影響を及ぼさないためであり、水自体の誘電損失による吸収のピークは1桁高い周波数(温度により変化するが、20 - 80GHz前後)になる。2.45GHzは吸収のピークからは大きく外れているが、水のマイクロ波吸収ピーク自体が非常に幅広いため、このぐらい振動数がずれても十分な吸収があり加熱が行える。アメリカにおける電子レンジがより低波数の915MHzを用いているのに十分な加熱が行えるのも同じ理由である(ただし若干効率は落ちる)。

歴史[編集]

分割陽極型マグネトロンの構造:
1.カソード、2.アノード、3.永久磁石

原型となるものは1920年GE社の Albert Hull により発明された(1916年は静電制御型発振管の特許を回避するために磁力制御型の開発を開始した年)。これは陽極と陰極がそれぞれ1個の同軸構造であり、低周波しか発振できず、マイクロ波を発振できなかった。1925年当時15kw出力20kHzの発振しか実現していない。Albert Hull 自身が通信用途よりも電源コンバータを用途に考えていた。

1927年東北帝国大学岡部金治郎により「分割陽極型マグネトロン」が開発され国内で発表された。これによりマイクロ波の発振が可能になった。1928年にはアメリカの学会で八木アンテナと共に英文論文も発表された。

その後なぜか「陽極分割型マグネトロン」は1934年2月28日にRCAのErnest G. Linderによって米国特許が出願され取得された。1935年にドイツの Hans Hollmann が「多分割共鳴空洞マグネトロン」として改良発明し、1940年にはイギリスの John Randall と Harry Boot が水冷式の大出力マグネトロンを開発した。そして奇妙なことに日本軍がそれらを再発見することになる。

1940年代に第二次世界大戦で使うマイクロ波レーダーの共同開発のためイギリスからアメリカ合衆国に上記の技術がもたらされて、連合国側の勝利に貢献することになる。

日本はマイクロ波マグネトロンと八木アンテナという要素技術を他国に先駆けて発明していたのに、軍や産業界の無理解により太平洋戦争の開戦までにマグネトロン パルスレーダを実用化していなかった。ドイツを中心とした海外情報を元に旧式の3極管発振と非八木アンテナの低性能なレーダだけを実用化していた。当時の技術開発は外国で完成済みの兵器体系を国産化してコピーすることであり、自力で演繹的に開発できなかった。戦時中に改めてドイツから技術導入した射撃制御レーダーのウルツブルグはコヒーレントレーダーだったので単純にマグネトロンを使えず、完成したのは1945年7月だった。日本軍は、1942年1月にアメリカ領フィリピン、2月にイギリス領シンガポールを陥落したときに接収したパルスレーダーをコピーしているが、これも、ほとんど間に合わなかったとされる。当初から国産のマグネトロンを使用したレーダは海軍の二号二型電波探信儀だけでホーンアンテナを利用していた。この試作が1941年で、完成したのが1943年である。このレーダは戦後、民生用の船舶レーダに流用された。

1946年にマグネトロンが発するマイクロ波が食品の温度を上昇させる効果がパーシー・スペンサーによって発見され、これが電子レンジの端緒となった。

現在[いつ?]でもレーダー・電子レンジの高周波源として利用されている。現在[いつ?]ではデジタル信号処理の発達により、マグネトロン発振後にリアルタイムに単純なコヒーレント処理が可能となっている。

関連項目[編集]