希土類磁石（ネオジム(ネオジウム)磁石、サマコバ磁石）、フェライト磁石、アルニコ磁石、など磁石マグネット製品の特注製作・在庫販売

＜ＴＷＴの役割＞

電波（高周波信号）は地上から衛星、衛星から地上へ届くまでに大幅に（100億分の一ほど）減衰してしまいます。よって、電気信号を送信アンテナの手前で増幅し、大出力で届ける必要があります。

そのためにTWTは、マグネトロンやクライストロンなどで発生させたマイクロ波を数万～数十万倍の出力（数Ｗ～数百Ｗ）へ増幅する役割を担っていて、各種人工衛星や「はやぶさ2」などの惑星探査機の通信性能、さらには航空機、船舶などのレーダー性能を決定づけるキーデバイスになっています。

TWTが組み込まれたマイクロ波増幅装置（NECネットワーク・センサ）

＜TWTの特長＞

近年、半導体技術の進歩により「SSPA（Solid State Power Amplifier: 固体電力増幅器）」の採用が進んでいます。SSPAは小型・軽量で、低電圧駆動が可能という利点を持つ一方で、TWTにはSSPAにはない、衛星通信にとって不可欠な強みがあります。

1. 高出力・安定した高周波特性

衛星通信では、地球から何万キロも離れた宇宙空間の衛星へ、あるいは衛星から広範囲の地球上へ、信号を強力に伝送する必要があります。このため、数百ワット、場合によってはキロワット級の非常に高い出力が求められます。TWTは、SSPAよりもはるかに高い出力を、特にKuバンド（12～18GHz）やKaバンド（26.5～40GHz）といった高周波（マイクロ波）帯域で安定して得ることができます。この高出力なくして、現在の衛星通信は成り立ちません。

2. 優れた電力効率

人工衛星に搭載される機器にとって、電力は限られた貴重な資源です。TWTは、入力された電力から最大の出力を得るための電力効率に優れています。この高効率性は、衛星の運用期間を延ばし、搭載できる通信容量を最大化するために非常に重要な要素となります。

3. 高信頼性と実績による長寿命

TWTは長年にわたって開発・運用されてきた実績があり、その長寿命と高信頼性は数々のミッションで証明されています。ボイジャー探査機のように数十年にわたって宇宙空間で使用され続けている例もあり、一度打ち上げたら修理が困難な人工衛星において、その信頼性は揺るぎない評価を得ています。

＜TWTの構造と原理＞

TWTは、真空中に高エネルギーの電子を射出し、電子の運動エネルギーをRF（高周波）エネルギーに変換することにより電波を増幅します。電波は入力窓からヘリックス（らせん）に沿って進行し、その過程で電子との相互作用によって40-60 dB程度増幅され、出力されます。

では、TWTはどのようにして信号を増幅するのでしょうか？ その動作原理は、真空中で「電子ビーム」と「高周波信号」が巧みに相互作用する点にあります。

TWT（進行波管）の基本構造（断面図）

実際のTWT（進行波管）外観例（NEC）

＜電子ビームと高周波信号の共鳴＞

それでは、TWTが高周波信号（電波・RF）を増幅する原理を、基本構造図のヘリックスの部分を拡大した次図を使ってお話をします。

1．入力された高周波はヘリックスに沿って速度(Vc)で進行する。

2．電子はヘリックス中心部を進行する。但し、電子の速度は高周波信号より遅い（Vb）。

　（電子の速度Vb = 高周波信号の1/7程度）

3．高周波信号の進行経路をらせん状（ヘリックス）にすることにより、高周波信号の軸方向の進行速度(Vz)は減速する。

4．ここで高周波信号の電界が、電子と電子の進行速度が同期（Vz=Vb）することにより、高周波信号の電界が電子ビームに作用（共鳴）して、電子ビームの運動エネルギーが高周波信号のエネルギーに変換されて増幅され、最後に出力される。

ヘリックス（らせん）と高周波信号、電子ビームの関係（NEC）

＜TWTの中の永久磁石の役割＞

先の基本構造図の中に組み込まれた永久磁石の磁気回路は、電子銃から放出された電子ビームが、増幅部（ヘリックスなど）に衝突することなく出口（コレクタ）まで直進し続けるように「集束・ガイド」するための極めて重要な構成要素です。

1．磁気回路の役割：電子ビームの集束

TWT内では、高電圧で加速された電子ビームが真空管の中を通ります。電子は負の電荷を持つため、互いに反発し合って広がろうとします（空間電荷効果）。磁気回路は、この広がりを抑え、磁力線が交互に反転することで、電子ビームに回転力と中心方向への集束力（磁気拘束）を同時に与え、細い「ペンシルビーム」を維持します。

2．磁気回路の主な方式

主にPPM方式とソレノイド方式の2つの方式が使い分けられますが、主流はPPM方式です。

■PPM方式（Periodic Permanent Magnet：周期的永久磁石方式）

リング状の永久磁石とポールピース（ヨーク）を、極性が交互に入れ替わるように（NS-SN-NS-SN...）積み重ねた構造です。周期的に反転する軸方向磁界によって、電子ビームを脈動させながらガイドします。強力な磁力をもつ希土類磁石の採用により、装置全体の大幅な小型・軽量化が可能になり、現在の通信衛星用やレーダー用TWTの主流となっています。

次図はTWTにおける標準的な永久磁石を使用した部分磁気回路図です。基本構造図ではリング磁石を軸方向に並べただけのように描いていましたが、実は図のようにリング状の軟鉄のポールピース（ヨーク）を磁石の間に挟み、N-N、S-Sの反発磁界をポールピースに集中させて、ポールピース間に強力な磁界を作っています。なお、さらに強力な磁界を得たい場合や、外部に磁界を漏洩させたくない場合は、リング状や多角形の「ハルバッハ磁気回路」を作る場合があります。

TWT内永久磁石磁気回路の部分断面図

■ソレノイド方式（電磁石方式）

真空管の周囲にコイルを巻き、電流を流して一様な磁界を発生させます。

非常に安定した強力な磁界を得られますが、電源が必要で重いため、主に地上用の高出力大型TWTで使用されます。

3．使用される材料

PPM方式の磁気回路の性能を左右するのは、使用される磁石の性能です。

サマリウムコバルト（サマコバ・SmCo）磁石は、キューリー温度が高く、且つ磁束密度の温度係数が小さく、高温環境でも磁力が安定しているため、発熱の大きいTWTによく使われます。ネオジム磁石は非常に強力ですが熱に弱いため、発熱の小さいTWTや使用温度環境が良好な装置に限定されます。

TWTに使われるリング型サマリウムコバルト磁石例

4．まとめ

TWTの磁気回路は、電子を「散らさずに運ぶための磁気のトンネル」のような役割を果たしています。特に希土類磁石を採用したPPM方式の普及により、TWTは人工衛星や惑星探査機の通信システムに搭載できるほど小型化され、また、船舶や航空機のレーダーにも多数使用されるようになりました。