誘導出力管

誘導出力管（IOT）またはクライストロードは、クライストロンに似た線形ビーム真空管の一種で、高周波無線波の電力増幅器として使用されます。1980年代に、無線送信機の高出力RF増幅器に対する効率要件の高まりに対応するために進化しました。^[1] IOTの主な商用利用はUHFテレビ送信機で、^[2] IOTは効率が高く（35％から40％）、サイズが小さいため、クライストロンに取って代わりました。IOTは粒子加速器でも使用されます。IOTは、最大約30kWの連続出力と7MWのパルス出力を生成でき、最大約1ギガヘルツの周波数で20～23dBの電力ゲインが得られます。^[2]

誘導出力管 (IOT) は、1938 年にAndrew V. Haeffによって発明されました。IOTの特許は後に Andrew V. Haeff に発行され、Radio Corporation of America (RCA) に譲渡されました。1939 年のニューヨーク万国博覧会では、エンパイア ステート ビルから博覧会会場への最初のテレビ画像の送信に IOT が使用されました。RCA は、タイプ番号 825 で、短期間、小型の IOT を商業的に販売しました。しかし、すぐに新しい開発によって時代遅れとなり、この技術は多かれ少なかれ何年もの間、眠ったままでした。

誘導出力管は、デジタルテレビや高精細デジタルテレビの送信に特に適した特性（広帯域直線性）を備えていることが発見されてから、ここ 20 年以内に再び登場しました。

アナログからデジタルのテレビ放送への移行前に行われた調査で、雷、高電圧交流電力伝送、交流整流器、蛍光灯に使用される安定器からの電磁干渉が、低帯域 VHF チャンネル (北米では、チャンネル 2、3、4、5、6) に大きな影響を与え、デジタル テレビでの使用が困難または不可能になることが判明しました。これらの低番号のチャンネルは、多くの場合、特定の都市で最初のテレビ放送局であり、UHF に移転する以外に選択肢のない大規模で重要な事業でした。そうすることで、現代のデジタル テレビは主に UHF メディアになり、IOT はこれらの送信機の電力出力セクションに最適な出力管になりました。

21 世紀の現代の IOT の出力は、1940 ～ 1941 年に RCA が製造した最初の IOT よりも桁違いに高いですが、動作の基本原理は基本的に同じままです。1970 年代以降の IOT は、電磁モデリング コンピュータ ソフトウェアを使用して設計されており、電気力学的性能が大幅に向上しています。

IOT は、直線ビーム真空管です。昔のテレビに使われていたブラウン管と同様に、電子は加熱された陰極またはカソードによって生成され、一端の電子銃と呼ばれる構造で高い正電圧によって加速され、管内を移動するビームを形成します。管のもう一方の端では、ビームは CRT のように光る蛍光体画像を生成するのではなく、共鳴空洞を通過してエネルギーを抽出し、次に正極に当たって吸収されます。

IOT はクライストロンと三極管の中間のようなものであり、そのためEimacではKlystrode という商標名が付けられています。IOT にはクライストロンのような電子銃がありますが、その前に三極管のように制御グリッドがあり、その間隔は約 0.1 mm と非常に狭いです。グリッドの高周波 RF 電圧により、電子は束になって通過します。円筒形の陽極の高電圧DCにより、変調された電子ビームがクライストロンのような小さなドリフト チューブを通って加速されます。このドリフト チューブは電磁​​放射の逆流を防ぎます。束になった電子ビームは中空の陽極を通過して、クライストロンの出力キャビティに似た共振キャビティに入り、コレクタ電極に当たります。クライストロンと同様に、各束は電界によって減速されるタイミングでキャビティに入り、ビームの運動エネルギーを RF フィールドの位置エネルギーに変換して信号を増幅します。キャビティ内の振動する電磁エネルギーは、同軸伝送線路によって抽出されます。軸方向の磁場はビームの空間電荷拡散を防ぐ。コレクタ電極はアノード（コレクターの電位を下げる）よりも低い電位にあり、ビームからエネルギーの一部を回収して効率を高める。^{[1] [2]}

クライストロンとの 2 つの違いにより、コストが低く効率が高い。まず、クライストロンは速度変調を使用してバンチングを作成するため、ビーム電流は一定です。電子をバンチングするには、数フィートの長さのドリフトチューブが必要です。対照的に、IOT は通常の三極管のように電流変調を使用します。バンチングのほとんどはグリッドによって行われるため、チューブをはるかに短くすることができ、構築と取り付けのコストが低く、かさばりません。次に、クライストロンは RF サイクル全体にわたってビーム電流が流れるため、非効率的なクラスA アンプとしてしか動作できませんが、IOT のグリッドにより、より多様な動作モードが可能になります。グリッドにバイアスをかけることができるため、サイクルの一部でビーム電流を遮断して、より効率的なクラス Bまたは AB モードで動作させることができます。 ^{[1] [2]}

IOT で達成可能な最高周波数は、グリッドとカソードの間隔によって制限されます。電子は、RF 電界が方向を反転する前に、カソードから加速されてグリッドを通過する必要があります。周波数の上限は約1300 MHzです。IOTのゲインは 20～23 dB で、クライストロンの 35～40 dB よりも高くなります。20 dB では、駆動電力 (出力電力の 1%) の要件が経済的なソリッド ステート UHF アンプの能力内であるため、通常、ゲインが低いことは問題になりません。^[1]

最新バージョンの IOT は、マルチステージ デプレスド コレクター (MSDC) を使用することで、さらに高い効率 (60% ～ 70%) を実現しています。あるメーカーのバージョンは定効率増幅器 (CEA) と呼ばれ、別のメーカーは自社のバージョンを ESCIOT (省エネ コレクター IOT) として販売しています。MSDCCIOT の初期の設計上の難しさは、冷却剤と絶縁媒体を組み合わせた循環型高誘電変圧器油を使用することで克服されました。これにより、近接したコレクター ステージ間のアーク放電と浸食を防ぎ、チューブの寿命にわたって信頼性の高いメンテナンスの少ないコレクター冷却を実現しました。以前の MSDC バージョンは、空冷 (電力制限) または脱イオン水を使用する必要がありましたが、これは濾過して定期的に交換する必要があり、凍結や腐食に対する保護はありませんでした。

カソードからの熱放射によりグリッドが加熱されます。その結果、仕事関数の低いカソード材料が蒸発し、グリッド上で凝縮します。グリッド上に堆積した材料によってカソードとグリッド間の隙間が狭まるため、最終的にはカソードとグリッド間のショートが発生します。さらに、グリッド上の放射性カソード材料により、負のグリッド電流 (グリッドからカソードへの逆方向の電子の流れ) が発生します。この逆電流が大きくなりすぎると、グリッド電源が過負荷になり、グリッド (バイアス) 電圧が変化し、その結果、管の動作点が変わります。今日の IOT には、比較的低い動作温度で動作するコーティングされたカソードが装備されており、蒸発速度が遅いため、この影響は最小限に抑えられます。

外部チューニングキャビティを持つほとんどのリニアビームチューブと同様に、IOTはアーク放電に対して脆弱であり、出力キャビティに配置されたアーク検出器で保護する必要があります。この検出器は、水素サイラトロンまたは高電圧電源のトリガースパークギャップに基づくクローバー回路をトリガーします。 ^[1] クローバー回路の目的は、制御されていないキャビティ、コレクター、またはカソードアーク中にこのエネルギーがチューブアセンブリを損傷する前に、高電圧ビーム電源に蓄積された大量の電荷を瞬時に放出することです。^[1]

• 自由電子レーザー

• http://www.bext.com/iot-an-old-dream-now-come-true/
• http://www.ebu.ch/departments/technical/trev/trev_273-heppinstall.pdf ^{[永久リンク切れ‍ ]}
• http://www.davidsarnoff.org/kil-chapter03.html
• http://www.allaboutcircuits.com/vol_3/chpt_13/11.html
• http://www.harris.com/view_pressrelease.asp?act=lookup&pr_id=2037
• http://epaper.kek.jp/p95/ARTICLES/TAQ/TAQ02.PDF