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サットン管は、 1940年にブリストル大学信号学校グループのロバート・W・サットンが開発した最初の反射クライストロンに付けられた名前です。サットン管は、10cmマイクロ波レーダー装置の受信機用の局部発振器として開発されました。その形状と長いドリフトスペースのため、同調範囲全体でモードジャンプが発生しました。このため、1941年後半以降、多くの装置でウェスタンエレクトリック707A（開発者にちなんでマクナリー管とも呼ばれる）に置き換えられました。
反射クライストロンは、マイクロ波を生成するために使用される真空管の一種です。これは主に2つの目的で使用される低電力デバイスです。1つは、受信回路の局部発振器に調整可能な低電力周波数源を提供すること、もう1つは、わずかな変更を加えることで、別のマイクロ波源をオン/オフできるスイッチとして使用することです。2つ目の用途は、ソフトサットンチューブまたはルンバトロンスイッチと呼ばれることもあり、第二次世界大戦中に英国がマイクロ波レーダーを開発する際の重要なコンポーネントでした。これらを含むすべての設計のマイクロ波スイッチは、より一般的にはT/RチューブまたはT/Rセルとして知られています。
サットン管は、真空管設計の専門家で発明家の一人であるロバート・サットンにちなんで名付けられました。クライストロンの最初の設計は 1930 年代後半に米国で開発され、サットンは同調可能なバージョンの開発を依頼されました。彼は 1940 年代後半、海軍本部信号レーダー局で働いていたときに最初のモデルを開発しました。サットン管は、第二次世界大戦中から 1960 年代にかけて、さまざまな形で広く使用されました。その後、その役割は、1970 年代に利用可能になり始めたガン ダイオードなどの固体デバイスに引き継がれました。「ルンバトロン」は、多くのクライストロンの一部であった共鳴空洞設計を指し、電子のダンスのような動きから ルンバにちなんで名付けられました。
クライストロンの基本概念
クライストロンは、共鳴空洞に囲まれた開放空間で電子を徐々に加速し、その後減速させることでマイクロ波出力を生成するという基本概念を共有しています。最も理解しやすいクライストロンの設計には、2 つの空洞があります。
最初の空洞は信号源に接続され、希望する周波数で共振するように設計されており、内部を振動する電界で満たします。空洞の寸法は波長の関数で、ほとんどはさまざまなサイズのホッケーパックの形をした平らな円筒です。「パック」の中心には、中央に穴が開けられています。[1]
電子銃から発射された電子の流れが穴を通過し、変化する電界によって、通過時の急激に変化する電界の値に応じて電子が加速または減速します。キャビティの向こう側では、加速された電子が減速された電子に追いつき、電子が流れの中で密集します。これにより、流れは電子の密度で元の信号のパターンを再現します。このプロセスが完了する時間を確保するために、チューブのこの領域はかなり長くなければなりません。[2]
その後、電子は最初の空洞と似た2番目の空洞を通過します。通過すると、電子の束によって空洞内に変化する電界が誘導され、元の信号が再現されますが、電流ははるかに高くなります。この空洞のタップポイントから増幅されたマイクロ波出力が得られます。[2]
局部発振器
キャビティ マグネトロンの導入により、レーダー設計に革命が起こり、小型で簡単に構築できる装置から大量の電力を生成できるようになりました。ただし、使用できるようになるまでには、さらにいくつかの開発が必要でした。
これらの中には、送信信号と約 45 MHz 異なる適切な局部発振器があり、受信回路の中間周波数セクションに供給されていました。 [3]問題は、マグネトロンの周波数が温まったり冷めたりするとドリフトし、それに合わせて周波数を調整できる何らかの調整可能なマイクロ波源が必要になるほどだったことです。2 番目のマグネトロンは機能せず、同期してドリフトしません。[4]
受信回路はごくわずかな出力しか必要としないため、わずか 2 年前に初めて導入されたクライストロンが当然の選択でした。真空管設計の専門家としてよく知られていたサットンは、マグネトロンのドリフトと同じ範囲で調整できるバージョンを提供できるかどうか尋ねられました。[5] 1940 年に利用可能になった最初のモデルでは、多少の労力で調整が可能でした。動作はしましたが、運用システムには適していませんでした。サットンとトンプソンは問題に取り組み続け、1940 年 10 月に解決策を発表しました。 [3]トンプソンはサットンにちなんでこの解決策に名前を付け、サットンはこれをトンプソン管と呼びました。[6]前者が定着しました。
彼らの進歩は、1つの共振器と巧妙な物理的配置を使用して、2つの空洞と同じ効果を提供することでした。彼はこれを、バルクハウゼン・クルツ管と同様に、管の遠端に2番目の電極「反射器」または「リペラー」を配置することで実現しました。これにより、電子は向きを変えて銃に向かって流れ始めます。銃に対する反射器の電圧を変更することで、電子が2回目に空洞に到達したときの速度を、制限内で調整できます。周波数は電子の速度の関数であり、チューニング機能を提供します。[5]
この改造によりクライストロンが半分に折り畳まれ、ほとんどの「動作」は単一の空洞からの入力と出力が配置されている管の中央に集中しました。さらに、空洞の内部のみが管の内側にあり、外面は管を包む金属シェルの形をしていました。外側のシェルを交換することで周波数の大きな変更が可能になり、取り付けにも便利な場所になりました。[5]
残念ながら、このシステムには 2 つの高電圧電源が必要でした。1 つは銃の初期加速用、もう 1 つは銃と反射鏡の間です。また、動作方法により、システムの電力は一般に数ミリワットに制限されていました。[要出典]
ソフトサットンチューブ
レーダーにマイクロ波を使用する利点の1つは、アンテナのサイズが信号の波長に基づいており、波長が短いほどアンテナがはるかに小さくなることです。これは航空機搭載レーダーシステムにとって非常に重要でした。ドイツの航空機はより長い波長を使用していたため、抵抗により航空機の速度が25〜50 km/h低下する巨大なアンテナが必要でした。[7]マイクロ波に必要なアンテナはわずか数センチの長さで、航空機の機首に簡単に収まりました。
この利点は、1つのアンテナを送信機と受信機の両方として機能させるスイッチングシステムがないことで相殺されました。これは必ずしも大きな問題ではありません。Chain Homeシステムは、Mk. IVなどの初期の航空機搭載レーダーと同様に、2組のアンテナで間に合わせました。1940年にバーナード・ラヴェルは、共通のパラボラ皿の前に2組のダイポールを配置し、その間に金属箔のディスクを配置するというマイクロ波レーダーの解決策を考案しました。しかし、これはあまりうまくいかず、検出器として使用された結晶ダイオードは、信号がディスクを通過したり周囲に漏れたりすると頻繁に焼損しました。[8] 2つのスパークギャップチューブを使用する解決策も使用されましたが、理想的ではありませんでした。[9]
クラレンドン研究所のアーサー・H・クックはより良い解決策を提案し、電気通信研究施設のHWB・スキナー、 AG・ウォード、AT・スターが開発に着手した。[9]彼らはサットン管を取り、電子銃と反射鏡を取り外して空洞だけを残した。この空洞には最初はヘリウムか水素の希薄ガスが充填されていたが、[10]最終的には微量の水蒸気とアルゴンに落ち着いた。[11]
送信信号が入力に見られると、ガスは急速にイオン化する（ヒーターコイルまたはラジウムの助けを借りて）。[12]プラズマ内の自由電子はほぼ完全なインピーダンス源となり、信号が出力に流れるのをブロックします。送信が停止するとすぐに、ガスは脱イオン化し、インピーダンスは急速に消えました。[10]ターゲットからの反射によって生じた微小なエコーは数マイクロ秒後に到達しますが、イオン化を引き起こすには小さすぎ、信号が出力に到達することを可能にしました。[3]
実用的なソフトサットン管は1941年3月に到着し、CV43として生産が開始された。[3]これは、航空機用マイクロ波レーダーとして初めて量産されたAI Mk. VIIレーダーの一部として最初に使用された。 [10]このシステムはそれ以降広く使用され、 H2SレーダーやASV Mark IIIレーダーなど、ほぼすべての航空機用マイクロ波レーダーに搭載された。[10]
戦後の諜報活動により、ドイツ軍は軟質サットン管の目的に困惑していたことが明らかになった。いくつかの例がドイツ軍の手に渡り、特にロッテルダム・ゲレットは1943年2月にほぼ完全な形で捕獲されたH2Sだった。戦後のドイツ軍レーダー技術者へのインタビューでは、彼らは動力のない管の目的を理解できなかったことが明らかになった。[9]
ソフト サットン チューブは、「T/R スイッチ」 (またはこのテーマのさまざまなバリエーション) として知られる回路で使用されました。他のスパーク チューブもこの目的に使用されており、「ブランチデュプレクサ」として知られる設計で使用されていました。これは、波長の約 1/4 の 2 つの短い導波管で構成され、信号が到着すると両方ともオンになります。レイアウトの幾何学的形状のため、2 つのパスで信号が反射されます。[13]サットン チューブは、「シャント分岐回路」と呼ばれるより単純な設計で使用されました。これは T 字型で、送信機とアンテナは T の水平部分の両端に配置され、受信機は垂直部分の端に配置されます。サットン チューブを導波管に沿って受信機までの適切な位置に配置することで、ブランチ デュプレクサと同じ効果を実現できます。[14] [15]
参考文献
引用
- ^ カリオタキス 1998、3ページ。
- ^ ab カリオタキス、1998 年、1-2 ページ。
- ^ abcd ワトソン2009、146ページ。
- ^ 「マグネトロンの動作理論」、3ページ。
- ^ abc Lovell 1991、61ページ。
- ^ Reg Batt、「レーダー軍：電波戦争の勝利」、Hale、1991年、61ページ。
- ^ Jean-Denis GG Lepage、「ドイツ空軍の航空機、1935-1945」、McFarland、2009年、61ページ。
- ^ ラヴェル1991、62ページ。
- ^ abc ホジキン1994、192ページ。
- ^ abcd Lovell 1991、63ページ。
- ^ ワトソン2009、165ページ。
- ^ ロバート・ブデリ、「世界を変えた発明」、タッチストーン、1998年、118ページ。
- ^ クリスチャン・ウォルフ、「ブランチ・デュプレクサ」
- ^ CG Montgomery、「マイクロ波デュプレクサ」、MIT
- ^ AL Samuel、JW Clark、WW Mumford、「ガス放電送受信スイッチ」、Bell System Technical Journal、1946 年、54 ページ。
文献
さらに読む
- 「ルンバトロン導波スイッチ」電気技術者協会誌 - パート IIIA: 無線位置特定、第 93 巻第 4 号 (1946 年)、700 ～ 702 ページ
- AL Samuel、JW Clark、WW Mumford、「ガス放電送受信スイッチ」、Bell System Technical Journal、1946 年、48 ～ 101 ページ。
外部リンク
- [1] NR89-10E/501 サットン管
- NR89 サットン管、局部発振器
- CV43、サットンスイッチ