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クライストロンは、 1937年にアメリカの電気技師ラッセル・ヴァリアンとシグルド・ヴァリアンによって発明された特殊な直線ビーム真空管[ 1 ]で、UHFからマイクロ波帯域までの高周波無線信号の増幅器として使用されます。低出力クライストロンは地上マイクロ波中継通信リンクの発振器として使用され、高出力クライストロンはUHFテレビ送信機、衛星通信、レーダー送信機の出力管として、また現代の粒子加速器の駆動電力を生成するために使用されます。
クライストロンでは、電子ビームが管の長さに沿って配置された金属製の箱である共振空洞を通過する際に、電波と相互作用します。 [ 2 ]電子ビームはまず入力信号が印加される空洞を通過します。電子ビームのエネルギーによって信号が増幅され、増幅された信号は管の反対側の空洞から取り出されます。出力信号は入力空洞に結合して電子発振器を構成し、電波を発生させることができます。クライストロンの電力利得は最大で60 dB（信号電力が100万倍に増加）と高く、出力電力は数十メガワットに達することもありますが、帯域幅は狭く、通常は数パーセントですが、一部の装置では最大10パーセントになることもあります。[ 2 ]
反射クライストロンは、電子ビームを発振器として使用される高電位電極によって反射させ、その経路に沿って戻すという、現在では廃れたタイプの装置である。
クライストロンという名前は、波が岸に打ち寄せる動作を表すギリシャ語の動詞 κλύζω ( klyzo ) と、動作が行われる場所を意味する接尾辞 -τρον ("tron")に由来します。 [ 3 ]クライストロンという名前は、クライストロンが開発されていた当時、スタンフォード大学古典学部の教授であったヘルマン・フランケルによって提案されました。 [ 4 ]
クライストロンはマイクロ波帯域で初めて非常に強力な電波源でした。その発明以前は、バルクハウゼン・クルツ管とスプリットアノードマグネトロンしか電波源がなく、出力は非常に低いものでした。クライストロンはスタンフォード大学のラッセル・ヴァリアンとシグルド・ヴァリアンの兄弟によって発明されました。彼らの試作機は1937年8月30日に完成し、正常に実証されました。[ 5 ] 1939年に発表されると[ 3 ] 、クライストロンのニュースはレーダー機器を研究していた米国と英国の研究者の研究にすぐに影響を与えました。ヴァリアン兄弟はヴァリアン・アソシエイツを設立し、この技術を商業化しました（例えば、外部照射放射線療法用の光子を生成する小型線形加速器を製造するなど）。彼らの研究に先立ち、1935年にA.アルセニエワ＝ハイルとオスカー・ハイル（夫婦）が速度変調について記述していましたが、ヴァリアン兄弟はハイル夫妻の研究を知らなかったと思われます。 [ 6 ]
物理学者WW ハンセンの研究はクライストロンの開発に大きく貢献し、1939 年の論文でヴァリアン兄弟によって引用された。ターゲットに向かって電子を加速させる問題を扱った彼の共振器解析は、電子を減速させる（つまり、共振器内で運動エネルギーを RF エネルギーに変換する）ためにも同様に利用できた。第二次世界大戦中、ハンセンはロングアイランドのスペリー ジャイロスコープ社からボストンまで通勤し、週 2 日、MIT 放射線研究所で講義を行った。彼の共振器はヴァリアン兄弟によって「ルンバトロン」と呼ばれた。[ 1 ]ハンセンは 1949 年に酸化ベリリウム(BeO)への曝露が原因でベリリウム病で亡くなった。
第二次世界大戦中、枢軸国はレーダーシステムのマイクロ波発生に、主に（当時としては低出力で長波長の）クライストロン技術に依存していた一方、連合国は、はるかに強力だが周波数ドリフトのある空洞マグネトロン技術を用いて、より短波長のセンチメートル波マイクロ波を発生させていた。その後、シンクロトロンやレーダーシステムなど、超高出力用途向けのクライストロン管技術が開発された。
戦争直後、AT&T は、米国本土をカバーする新しいマイクロ波中継リンクのネットワークに 4 ワットのクライストロンを使用しました。 [ 7 ]このネットワークは長距離電話サービスを提供し、主要なテレビ ネットワークのテレビ信号も伝送しました。ウェスタン ユニオン テレグラフ社も当時、約 40 マイル間隔で中間中継局を使用してポイント ツー ポイントのマイクロ波通信リンクを構築し、送信機と受信機の両方に 2K25 反射クライストロンを使用しました。一部のアプリケーションでは、クライストロンはソリッドステート トランジスタに置き換えられています。[ 8 ]従来のクライストロンよりも 10% 効率の高い高効率クライストロンが開発されています。[ 9 ]
クライストロンは、直流電子ビームの運動エネルギーを無線周波数電力に変換することで、RF信号を増幅します。真空中では、電子銃または熱電子陰極から電子ビームが放出され、高電圧電極（通常は数十キロボルト）によって加速されます。
このビームは入力空洞共振器を通過します。入力空洞には共振周波数付近で高周波エネルギーが供給され、定在波が発生します。この定在波によって振動電圧が生じ、電子ビームに作用します。電界によって電子は「束ね」られ、電界が電子の運動方向と逆向きに通過する電子は減速し、電界が同じ方向に通過する電子は加速されます。これにより、それまで連続していた電子ビームが入力周波数で束ねられます。
信号の束ね合いを強化するために、クライストロンには追加の「束ねる」空洞が設けられる場合がある。
ビームはその後「ドリフト」チューブを通過し、そこで速い電子が遅い電子に追いついて「バンチ」を形成し、さらに「キャッチャー」空洞を通過します。
出力側の「キャッチャー」空洞では、各電子束は、電場が電子の運動に抵抗するタイミングで空洞に入り、電子は減速されます。これにより、電子の運動エネルギーが電場の位置エネルギーに変換され、振動の振幅が増加します。キャッチャー空洞で励起された振動は、同軸ケーブルまたは導波管を通して外部に出力されます。
エネルギーが減少した使用済み電子ビームは、収集電極によって捕捉される。
発振器を作るには、出力空洞を同軸ケーブルまたは導波管で入力空洞に結合する。正帰還によって、空洞の共振周波数で自発的な振動が発生する。
最もシンプルなクライストロン管は、2空洞型クライストロンです。この管には、「バンチャー」と「キャッチャー」という2つのマイクロ波空洞共振器があります。増幅器として使用する場合、増幅対象の微弱なマイクロ波信号は同軸ケーブルまたは導波管を通してバンチャー空洞に入力され、増幅された信号はキャッチャー空洞から取り出されます。
管の一端には、フィラメントによって加熱された熱陰極があり、電子を発生させます。発生した電子は、高い正電位を持つ陽極円筒に引き寄せられ、そこを通過します。陰極と陽極は電子銃として機能し、高速の電子流を生成します。外部の電磁石巻線は、ビーム軸に沿って縦方向の磁場を生成し、ビームの広がりを防ぎます。
ビームはまず、両側に取り付けられたグリッドを介して「バンチャー」空洞共振器を通過します。バンチャーグリッドには、同軸ケーブルまたは導波管によって印加される空洞共振周波数の入力信号によって励起される空洞内の定在波振動によって生じる、振動する交流電位がかかっています。グリッド間の電界の方向は、入力信号の1サイクルにつき2回変化します。入口グリッドが負で出口グリッドが正のときに入射する電子は、自身の運動方向と同じ方向の電界に遭遇し、電界によって加速されます。半サイクル後に極性が逆のときに入射する電子は、自身の運動方向と逆の電界に遭遇し、減速されます。
バンチャーグリッドの外側には、ドリフト空間と呼ばれる空間があります。この空間は、加速された電子が以前に減速された電子に追いつき、ビーム軸に沿って縦方向に「バンチ」を形成するのに十分な長さがあります。その長さは、共振周波数で最大のバンチングが得られるように選択され、数フィートにも及ぶことがあります。
電子は次に、「キャッチャー」と呼ばれる第2の空洞を、空洞の両側にある一対のグリッドを通して通過します。キャッチャーグリッドの機能は、電子ビームからエネルギーを吸収することです。通過する電子の束は、バンチャー空洞と同じ共振周波数を持つキャッチャー内に定常波を励起します。各電子の束は、出口グリッドが入口グリッドに対して負の電位を持つサイクルの時点でグリッド間を通過するため、グリッド間の空洞内の電場は電子の運動に抵抗します。したがって、電子は電場に対して仕事をし、減速され、運動エネルギーが電気ポテンシャルエネルギーに変換され、空洞内の振動電場の振幅が増加します。このように、キャッチャー空洞内の振動電場は、バンチャー空洞に印加された信号の増幅されたコピーとなります。増幅された信号は、同軸ケーブルまたは導波管を通してキャッチャー空洞から取り出されます。
捕集器を通過してエネルギーを失った低エネルギーの電子ビームは、「コレクター」電極、つまり小さな正電圧に保たれた第2の陽極によって吸収される。
クライストロン管を用いて電子発振器を作製するには、出力から入力へのフィードバック経路を設ける必要がある。具体的には、「キャッチャー」空洞と「バンチャー」空洞を同軸ケーブルまたは導波管で接続する。装置の電源を入れると、空洞内の電子ノイズが管によって増幅され、出力キャッチャーからバンチャー空洞にフィードバックされて再び増幅される。空洞のQ値が高いため、信号はすぐに空洞の共振周波数における正弦波となる。
現代のクライストロンのすべてにおいて、空洞の数は2つを超えています。最初の「バンチャー」と「キャッチャー」の間に追加の「バンチャー」空洞を追加することで、クライストロンのゲインを上げたり、帯域幅を広げたりすることができます。[ 10 ]
電子ビームがコレクタ電極に衝突した際に残る運動エネルギーは、無駄なエネルギーであり、熱として放出されるため、冷却システムによって除去する必要があります。最新のクライストロンの中には、電子を収集する前にビームからエネルギーを回収するデプレッションコレクタを備えているものがあり、効率を高めています。多段式デプレッションコレクタは、電子をエネルギービンごとに「選別」することで、エネルギー回収率をさらに向上させます。
反射型クライストロン（発明者の1人であるロバート・サットンにちなんでサットン管とも呼ばれる）は、単一空洞を持つ低出力クライストロン管で、発振器として機能した。1950年代から1960年代にかけて、一部のレーダー受信機の局部発振器やマイクロ波送信機の変調器として使用されたが、現在では半導体マイクロ波デバイスに取って代わられ、旧式となっている。
反射型クライストロンでは、電子ビームは単一の共振空洞を通過します。電子は電子銃によって管の一端から発射されます。共振空洞を通過した後、負に帯電した反射電極によって反射され、再び空洞を通過して収集されます。電子ビームは、最初に空洞を通過する際に速度変調されます。電子の束は、反射電極と空洞の間のドリフト空間で形成されます。電子ビームが共振空洞に再進入する際に束が最大になるように反射電極の電圧を調整する必要があります。これにより、電子ビームから空洞内の高周波発振に最大のエネルギーが伝達されます。反射電極の電圧は最適値からわずかに変化させることができ、その結果、出力電力は若干低下しますが、周波数も変化します。この効果は、受信機の自動周波数制御や送信機の周波数変調に有効に利用されます。送信に適用される変調レベルは十分に小さいため、出力電力はほぼ一定に保たれます。最適電圧から大きく外れた領域では、発振は全く発生しません。[ 12 ] 反射クライストロンが発振する反射器電圧の領域は複数存在することが多く、これらはモードと呼ばれます。反射クライストロンの電子チューニング範囲は、通常、半電力点間の周波数変化と呼ばれます。半電力点とは、発振モードにおいて出力電力がそのモードでの最大出力の半分となる点のことです。
現代の半導体技術は、ほとんどの用途において反射型クライストロンの代わりを効果的に果たしている。
ジャイロクライストロンは、サイクロトロン共鳴条件に依存する動作をするマイクロ波増幅器です。[ 13 ] クライストロンと同様に、その動作は電子ビームの変調に依存しますが、軸方向のバンチングの代わりに、変調力によってサイクロトロン周波数が変化し、その結果、運動の方位角成分が変化し、位相バンチが発生します。出力空洞では、正しい減速位相に到達した電子が空洞場にエネルギーを伝達し、増幅された信号を取り出すことができます。
ジャイロクライストロンは円筒形または同軸の空洞を持ち、横方向電界モードで動作します。相互作用は共振条件に依存するため、従来のクライストロンよりも大きな空洞寸法を使用できます。これにより、ジャイロクライストロンは、従来のクライストロンでは困難な非常に高い周波数で高出力を供給できます。[ 14 ]
クライストロンの中には、共振器の周波数を調整できるものがあります。個々の共振器の周波数を調整することで、技術者はアンプの動作周波数、ゲイン、出力電力、帯域幅を変更できます。同じ部品番号や型番のクライストロンであっても、完全に同一のものは存在しません。各ユニットには、メーカーが提供する特定の性能特性に関する校正値があります。この情報がなければ、クライストロンは適切に調整できず、性能が低下するか、全く機能しなくなる可能性があります。
クライストロンの調整は繊細な作業であり、適切に行わないと、発生する可能性のある非常に高い電圧によって機器が損傷したり、技術者が負傷したりする可能性があります。技術者は目盛りの限界を超えないように注意しなければならず、超えるとクライストロンが損傷する可能性があります。クライストロンの調整時に講じられるその他の予防措置には、非鉄金属工具の使用が含まれます。一部のクライストロンには永久磁石が使用されています。技術者が鉄製の工具（強磁性体）を使用し、電子ビームを含む強力な磁場に近づきすぎると、そのような工具は強力な磁力によって装置内に引き込まれ、指を挟んだり、技術者が負傷したり、装置が損傷したりする可能性があります。米国空軍のクライストロンの調整には、ベリリウム合金製の特殊な軽量非磁性（あるいは非常に弱い反磁性）工具が使用されています。
クライストロン装置を航空機で輸送する際には、強力な磁場が磁気航法装置に干渉する可能性があるため、常に予防措置が講じられます。特殊な外装ケースは、この磁場を「現場」で抑制し、装置を安全に輸送できるように設計されています。
クライストロンで使用される増幅技術は、自由電子レーザー（FEL）と呼ばれるレーザーの一種で光周波数でも実験的に応用されています。これらの装置は光クライストロンと呼ばれています。[ 15 ]マイクロ波共振器の代わりに、アンジュレーターと呼ばれる装置が使用されます。電子ビームはアンジュレーターを通過し、そこでレーザー光ビームによって電子が束ねられます。次にビームは2番目のアンジュレーターを通過し、そこで電子の束が振動して、より強力な2番目の光ビームが生成されます。[ 15 ]
フローティングドリフトチューブクライストロンは、電気的に絶縁された中央チューブを含む単一の円筒形チャンバーを備えています。電気的には、2つの空洞間でかなりのフィードバックがある2空洞発振器クライストロンと類似しています。ソース空洞から出た電子は、ドリフトチューブを通過する際に電界によって速度変調され、目的地チャンバーに束になって出現し、空洞内の発振に電力を供給します。このタイプの発振器クライストロンは、ベースとなった2空洞クライストロンに比べて、周波数変化に必要な同調要素が1つだけで済むという利点があります。ドリフトチューブは空洞壁から電気的に絶縁されており、DCバイアスは別々に印加されます。ドリフトチューブのDCバイアスを調整することで、チューブを通過する時間を変更でき、発振周波数をある程度電子的に同調させることができます。この方法での同調量は大きくなく、通常は送信時の周波数変調に使用されます。
クライストロンは、ガンダイオードなどの固体マイクロ波デバイスよりもはるかに高いマイクロ波出力を生成できます。現代のシステムでは、UHF（数百メガヘルツ）から数百ギガヘルツまで使用されています（CloudSat衛星の拡張相互作用クライストロンなど）。クライストロンは、レーダー、衛星、広帯域高出力通信（テレビ放送やEHF衛星端末で非常に一般的）、医療（放射線腫瘍学）、高エネルギー物理学（粒子加速器や実験用原子炉）で使用されています。たとえば、SLACでは、2856 MHzで50 MW（パルス）および50 kW（時間平均）の出力を持つクライストロンが日常的に使用されています。アレシボ惑星レーダーでは、 2380 MHzで合計1 MW（連続）の出力を提供する2つのクライストロンが使用されました。[ 16 ]
ジャイロクライストロンは、アクティブフェーズドアレイレーダーの進行波管信号増幅器として、レーダーにおいて限定的な軍事用途が見出されている。[ a ] [ 18 ]
Popular Scienceの「2007 年のベスト新製品」 [ 19 ] [ 20 ]では、現在廃業している Global Resource Corporation という会社が、クライストロンを使用して、日常の材料、自動車廃棄物、石炭、オイルシェール、オイルサンドに含まれる炭化水素を天然ガスとディーゼル燃料に。 [ 21 ]
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