Radar Temelleri

Karsinotron

Ters- Dalga Osilatörü (Backward-Wave Oscillator, BWO) veya daha eski literatürde „Oppositron“ olarakta adlandırılan Karkinoks (Yunanca ters yönde yüzen dikenli ıstakoz anlamındaki καρκίνος kelimesinden gelen), geniş bir frekans bölgesinde elektronik ayarlanabilirlik üstünlüğüne sahip salınımlar üretmek için kullanılan bir elektron tüpüdür. Karsinotron (başlangıçta Carcinotron olarak adlandırılan, şimdiki Thales firmasının bir parçası olan Thomson-CSF şirketinin bir markası) Hız Modülasyonlu Tüpler kategorisindedir ve „Ters-Dalga Tüpleri” (Backward-Wave Tube, BWT) olarak adlandırılır.

„M“ veya „M-BWO“ tipi ve „O“ veya „O-BWO“ tipi olarak ayırt edilen iki tip Ters Dalga Tüpü vardır. „M“ tipi tüpler, magnetron benzeri Çapraz Alan Tüpleridir. O-tipi tanımındaki O, Fransızca l’onde kelimesinden gelir ve manyetik alanın elektron ışını geciktirme hattı ile aynı yönde olduğunu belirtir.

Bir M-tipi karsinotronun çalışması, 31 Mart 1951'de Bernard Epsztein tarafından tanıtıldı ve patenti alındı (Fransız Patent No. 1035379;[1] İngiliz Patent No. 699893; ABD Patent No. 2880355). O-tipi Ters Dalga Osilatörü 1951'de İngiltere'de yaşayan Avusturyalı bir bilim adamı Rudolf Kompfner tarafından icat edildi. 15 Mayıs 1952'de US 2985790[2] numarasıyla bir patent başvurusu yapıldı ve patenti 23 Mayıs 1961'de verildi.

YF-çıkışı

Yapay yük

Resim 2: Serpantin biçimli dalga kılavuzu gecikme hattına sahip „O“ tipi bir karsinotronun prensip şeması

YF-çıkışı

Yapay yük

Resim 2: Serpantin biçimli dalga kılavuzu gecikme hattına sahip „O“ tipi bir karsinotronun prensip şeması

„O“ Tipi Karsinotron

„O“ tipi karsinotron, Yürüyen Dalga Tüpündekine benzer bir yapıya sahiptir. Elektron ışını, etkileşimlerde yer almayan güçlü bir manyetik alan tarafından odaklanır. Gecikme hattı genellikle boyutları tüpün bant genişliğini belirleyen katlanmış bir dalga kılavuzudur. Daha düşük çıkış güçleri için çift telli sarmallar da kullanılabilir (bkz. Resim 1). Yürüyen Dalga Tüpünde olduğu gibi, çalışma modu, gecikme hattındaki yüksek frekanslı dalga ile elektron ışını arasındaki eşzamanlı etkileşime dayanır. Ancak bir Yürüyen Dalga Tüpünün gecikme hattındaki dalganın yönü elektron ışını ile birlikte hareket ederken, karsinotronda bu yön tersine çevrilir. Dalga ve elektron ışını birbirine zıt yönlerde hareket ettiğinde, elektron ışını, hızdaki indüklenen değişiklikleri çıkıştan girişe geri besleyerek bir geri besleme elemanı gibi hareket eder.

Yavaş-dalga yapısında elektronların hızı ile dalganın faz hızı arasında bir faz dağılımı (phase dispersion) varsa salınımlar oluşur. Yavaş-dalga yapısında yayılma hızı sabittir. Elektron demetindeki elektronların hızı, toplayıcı potansiyeli ile değiştirilebilir (pratik olarak: anot geriliminin değişmesi!). Böylece üretilen salınımların frekansı oldukça geniş bir bölgede değiştirilebilir.

Geciktirme hattına sahip anot

YF-çıkışı

Soğuk katot

Katot

Soğurucu

Toplayıcı

Kontrol
elektrotu

Resim 3: „M“ tipi karsinotronun prensip şeması

Geciktirme hattına sahip anot

YF-çıkışı

Soğuk katot

Katot

Soğurucu

Toplayıcı

Kontrol
elektrotu

Resim 3: „M“ tipi karsinotronun prensip şeması

„M“ tipi karsinotron

„M“ tipi Ters Dalga Osilatörü, bir elektron ışınının dairesel sapması için katotlar ve anot arasında bir E elektrik alanı ve magnetrona benzer şekilde ona dik bir B manyetik alanını kullanır. Elektronlar, E- ve B alanına V_e hızıyla dik hareket eder. Bir faz dağılımında, yani gecikme hattındaki dalga yapısındaki yüksek frekanslı dalganın V_φ faz hızı V_e elektron hızına yaklaşık olarak eşit olduğunda güçlü bir etkileşim meydana gelir. Elektronlar, elektronların demetlenmesine yol açan ek bir hız bileşeni kazanır. Yavaşlama hattında dalganın yavaşlayan bir elektrik alanında bulunan elektronlar, E statik elektrik alanından aldıkları enerjiyi kaybederler ve bu yüksek frekanslı enerjiyi ters-dalgaya verirler. Ters dalga V_rh hızına sahiptir ve elektron demetleri ile uzayda bir harmonik tınlaşım oluşturur, yani ters-dalganın elektrik alan şiddeti tam olarak elektron demetlerinin de en büyük olduğu noktalarda en büyük değerine ulaşır.

Gecikme hattında dalganın alanıyla etkileşim sırasında enerji kazanan elektronların soğuk katot tarafından emilmesini önlemek için soğuk katot ısıtılmış katottan daha negatif tutulur. Bu önlem ayrıca, ısıtılmış katottan ayrıldıktan kısa bir süre sonra elektron yörüngelerinin yarıçapının değişmesine neden olur. C toplayıcısı anot gerilim potansiyeline sahiptir ve ters-dalga osilatörünün devresini kapatır.

„M“ tipi karsinotronlar ayrıca bir gecikme hattının tınlaşım bölgesinde de çalışabilirler. Bu, belirli bir bant genişliği içinde elektriksel olarak ayarlanabilen frekans özelliğini koruyabilirken onlara daha iyi verimlilik sağlar. Yansıtıcı (reflector) olarak genellikle sadece bir çınlayıcı (resonator) dâhil etmek yeterlidir.

Elektriksel Özellikler

Bu tip tüplerle elde edilebilecek güçler 50 ile 1000 mW arasındadır. Üretilebilen frekanslar Terahertz bölgesine ulaşır ve yalnızca gecikme hattı ile sınırlanır. Ayarlanabilir bant genişliği tipik olarak merkez frekansın %10'undan fazla olabilir. Diğer osilatör tüpleriyle karşılaştırıldığında, yalnızca O-tipinde %20 ila %30 ve M-tipinde %40'a kadar çok düşük bir verimliliğe sahiptir, bu değer artan frekansla daha da azalır.

Karsinotronlar, 1960'ların başından 1970'lerin sonlarına kadar radar karıştırıcısı olarak kullanıldı. Bundan sonra, genellikle bulunduğu yerlerde donatısı yarıiletken devrelerle değiştirildiler. 1980'den itibaren, frekansı üst Terahertz aralığına kadar olan laboratuvar uygulamaları ilgi çekici hale geldi.