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マグネトロン (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。

レーダーや電子レンジに使われている。

◆構造と動作

マグネトロンは他の熱電子管と同様、ヒータにより加熱された陰極(カソード)と陽極(アノード)からなる。

カソードは管球の空胴の中央に配置され、ヒータにより加熱されることで熱電子が放出される。また、アノードに対して負の高電圧が印加されることにより、電子はアノードに向かって進行する。

一方、管球の軸方向に永久磁石などで強力な磁場がかけられており、進行中の電子はフレミングの法則にしたがい方向を曲げられ、カソードとアノード間の作用空間と呼ばれる空間を周回する。アノードは規則的に設けられたキャビティと呼ばれる共振空胴を形成しており、特にそのキャビティ先端部周辺を電子流が通過する際にキャビティの共振周波数で強力な高周波発振が発生する。

それをループやスリット等のアンテナにより管球の外に備えた導波管等に出力することで各種の利用が可能である。

◆応用

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。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が振動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水の分極分子と共振する周波数だからでもある。

◆歴史

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年東北帝国大学の岡部金治郎により「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 (レーダー)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スペンサによって発見され、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

・レイセオン

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