利用者:加藤勝憲/バルクハウゼン - クルツ管
バルクハウゼン-クルツ管は、リターディング-フィールド管、反射三極管、B-K発振器、バルクハウゼン発振器とも呼ばれ、ドイツの物理学者ハインリッヒ・ゲオルク・バルクハウゼンとカール・クルツによって1920年に発明された高周波真空管発振器である[1][2]。
特性
[編集]これは、無線スペクトルのうち300MHzを超える極超短波 (UHF) 帯域で無線電力を生成できる最初の発振器であり、また、電子のトランジットタイム効果[3]を利用した最初の発振器でもあった[1]。この発振器は研究所の高周波電波源として使用され、第2次世界大戦を通じていくつかのUHF帯無線送信機で使用された。その出力は低く、用途は限られていた。しかし、クライストロンなど、より成功した他のトランジットタイム真空管につながる研究に刺激を与えたことが、結果として低出力のバルクハウゼン-クルツ管を時代遅れにすることになった。
開発史
[編集]1906年にリー・ド・フォレストによって開発された三極真空管は、増幅が可能な最初のデバイスであり、1920年以降、ほとんどのラジオ送受信機に使用された。三極管を使用できる最高周波数は、内部部品の間隔によって制限されることが判明した。最小の間隔であっても、初期の三極管の動作周波数はメガヘルツ帯と低域であった。この限界を克服するために、速度変調と呼ばれる技術が理論化された。
1920年、ドイツのドレスデン工科大学のハインリッヒ・バルクハウゼンとカール・クルツ（Karl Kurz）は、速度変調理論を利用して「遅延磁場」三極管を開発した。その結果、真空管としては初めてUHF帯の周波数で動作することがわかった。出力は厳しく制限されたが、バルクハウゼン-クルツ真空管はUHFの研究用としてすぐに世界中で採用された。この装置は、遅延磁場発振器や正格子発振器とも呼ばれる。バルクハウゼン発振器のバージョンは、1931年に英仏海峡を1.7GHzのリンクで横断した最初の実験的マイクロ波中継システム[4]や、第2次世界大戦で使用された初期のレーダーシステムなどで、マイクロ波の最初の応用技術として利用された。
マイクロ波周波数の電波を発生させることに成功したバルクハウゼン-クルツ管に触発され、電力制限のない同様の管を開発する研究が行われ、「反射型発振器」として知られる他の管が発明された。この研究の最も有名な成果は、ラッセルとシグルド・バリアンによって1937年に発明されたクライストロン管であり、現在に至るまでマイクロ波の高出力源として広く使用されている。
第2次世界大戦前後には、クライストロン管やマグネトロン管による発振回路が、バルクハウゼン-クルツ管に取って代わった。
動作原理
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バルクハウゼン-クルツ管は、カソード（またはフィラメント）とアノード（またはプレート）の両方に対してグリッド（ワイヤーの薄い網目）を正電位にして動作する三極管であった。カソードから放出されたマイナス電子は、プラスのグリッドに向かって加速される。大半はグリッド線の間を通り、陽極板に向かって進むが、陽極の負電位に反発され、陽極板の表面にぶつかる前に向きが反転し、直前に通過した比較的高い電位のグリッドに向かって加速されて戻る。ここでも大半はグリッドワイヤーを通過するが、陰極の負電位に反発し、陰極表面に到達する直前で方向が反転する。電子はグリッドの中を行ったり来たりしながら振動を続け、1個ずつグリッド線に衝突する。
電子がグリッドを通過することで誘起されるグリッド電位の振動は、グリッドに接続されたタンク回路（通常、共振スタブと呼ばれる1/4波長の平行伝送線路の端を短絡したもの）の振動を励起する。その結果、タンク回路にかかる発振電圧がグリッドの電位を変化させ、電子が束になって電子雲となり、共振周波数でグリッド内を同位相で往復する。
電子雲の振動運動は続き、この電子雲が交流出力電流を構成する。電子の一部は通過のたびにグリッドに失われるが、電子の供給はカソードから放出される新しい電子によって絶えず補充される。従来の三極かん発振器と比べると、実際にアノード・プレートとグリッドに当たる電子の数は少ないため、プレートとグリッドの交流電流は小さく、B-K発振器の出力電力は低い。この限界を克服するため、後にクライストロンのような高出力デバイスが開発された。
発振周波数は電極の間隔と電位に依存し、電極電圧を変えることで限られた帯域幅の中で調整することができる。
脚注・参考文献
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- ^ a b Thumm, Manfred (2011年). “Heinrich Barkhausen: First transit-time microwave tube”. Historical German contributions to physics and applications of electromagnetic oscillations and waves. Electron Device Society, Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). March 30, 2013閲覧。
- ^ Petersen, J.K. (2002). Fiber Optics Illustrated Dictionary. CRC Press. pp. 103. ISBN 084931349X
- ^ “Transit Time Effect”. www.electronicsforu.com. Electronics For You | Free DIY and Electronics Projects | Tech News. 2023年11月17日閲覧。
- ^ Free, E. E. (August 1931). “Searchlight radio with the new 7 inch waves”. Radio News (New York: Radio Science Publications) 8 (2): 107–109 March 24, 2015閲覧。.
外部リンク
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ウィキメディア・コモンズには、加藤勝憲/バルクハウゼン - クルツ管に関するカテゴリがあります。- Potapenko, G. (1932-02-13). “Investigations in the field of ultra-short electromagnetic waves”. Phys Rev 39: 625–638. doi:10.1103/PhysRev.39.625.
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