أنبوب ساتون

كان أنبوب ساتون هو الاسم الذي أُطلق على أول كليسترون انعكاسي ، والذي طُوّر عام 1940 على يد روبرت دبليو ساتون من مجموعة مدرسة الإشارة بجامعة بريستول . طُوّر أنبوب ساتون كمذبذب محلي لجهاز استقبال أجهزة رادار الميكروويف بتردد 10 سم. ونظرًا لتصميمه الهندسي ومساحة الانجراف الطويلة، فقد عانى من قفزة في النمط عبر نطاق الضبط. لهذا السبب، بدءًا من أواخر عام 1941، استُبدل في العديد من الأجهزة بأنبوب ويسترن إلكتريك 707A (المعروف أيضًا باسم أنبوب ماكنالي، نسبةً إلى مطوّره).

الكليسترون الانعكاسي هو نوع من الصمامات المفرغة يُستخدم لتوليد الموجات الميكروية . وهو جهاز منخفض الطاقة يُستخدم أساسًا لغرضين: الأول هو توفير مصدر تردد منخفض الطاقة قابل للضبط للمذبذبات المحلية في دوائر الاستقبال، والثاني، مع تعديلات طفيفة، كمفتاح لتشغيل وإيقاف مصدر ميكروي آخر. وكان الاستخدام الثاني، المعروف أحيانًا باسم أنبوب ساتون الناعم أو مفتاح الرومباترون ، عنصرًا أساسيًا في تطوير بريطانيا لرادار الموجات الميكروية خلال الحرب العالمية الثانية . وتُعرف مفاتيح الموجات الميكروية بجميع تصاميمها، بما في ذلك هذه، بشكل عام باسم أنابيب الإرسال/الاستقبال أو خلايا الإرسال/الاستقبال .

سُمّي أنبوب ساتون نسبةً إلى أحد مخترعيه، روبرت ساتون، الخبير في تصميم الأنابيب المفرغة. طُوّرت التصاميم الأصلية للكليسترون في أواخر ثلاثينيات القرن العشرين في الولايات المتحدة، وطُلب من ساتون تطوير نسخة قابلة للضبط. طوّر النماذج الأولى في أواخر عام 1940 أثناء عمله في مؤسسة الإشارات والرادار التابعة للأميرالية . استُخدمت أنابيب ساتون على نطاق واسع بأشكال متنوعة خلال الحرب العالمية الثانية وحتى ستينيات القرن العشرين. ومنذ ذلك الحين، حلّت محلها أجهزة الحالة الصلبة مثل ثنائي غان ، الذي بدأ توفره في سبعينيات القرن العشرين. يُشير مصطلح "رومباترون" إلى تصميم التجويف الرنيني الذي كان جزءًا من العديد من الكليسترونات، وهو مُستوحى من رقصة الرومبا نظرًا لحركة الإلكترونات الشبيهة بالرقص.

تعتمد الكليسترونات على مبدأ أساسي واحد، وهو توليد موجات الميكروويف عن طريق تسريع الإلكترونات ثم إبطائها تدريجياً في حيز مفتوح محاط بتجويف رنيني. أبسط تصميمات الكليسترونات فهماً هي تلك التي تحتوي على تجويفين.

يتم توصيل التجويف الأول بإشارة مصدر، وهو مصمم للرنين عند التردد المطلوب، مما يملأ داخله بمجال كهربائي متذبذب. وتعتمد أبعاد التجويف على الطول الموجي، ومعظمها عبارة عن أسطوانات مسطحة على شكل قرص هوكي بأحجام مختلفة. ويتم حفر ثقب في المنتصف، في مركز "القرص". ^{[ 1 ]}

يمر تيار من الإلكترونات المنبعثة من مدفع إلكتروني عبر الفتحة، ويتسبب المجال المتغير في تسارعها أو تباطؤها تبعًا لقيمة المجال المتغير بسرعة لحظة مرورها. بعد خروجها من التجويف، تلحق الإلكترونات المتسارعة بالإلكترونات المتباطئة، مما يؤدي إلى تجمعها في التيار. ينتج عن ذلك إعادة تشكيل نمط الإشارة الأصلية في كثافة الإلكترونات. يجب أن يكون هذا الجزء من الأنبوب طويلًا نسبيًا لإتاحة الوقت الكافي لإتمام هذه العملية. ^{[ 2 ]}

ثم تمر الإلكترونات عبر تجويف ثانٍ، مماثل للتجويف الأول. وأثناء مرورها، تتسبب الحزم في توليد مجال كهربائي متغير داخل التجويف، مما يعيد إنتاج الإشارة الأصلية ولكن بتيار أعلى بكثير. وتوفر نقطة توصيل في هذا التجويف خرج الموجات الميكروية المُضخّم. ^{[ 2 ]}

أحدث إدخال المغنطرون التجويفي ثورة في تصميم الرادار، حيث مكّن من توليد كميات كبيرة من الطاقة من جهاز صغير الحجم وسهل التصنيع. ومع ذلك، فقد تطلب الأمر أيضاً العديد من التطويرات الإضافية قبل أن يصبح قابلاً للاستخدام.

كان من بين هذه المكونات مذبذب محلي مناسب بتردد  يختلف عن إشارة المرسل بحوالي 45 ميجاهرتز، والذي كان يغذي قسم التردد المتوسط ​​في دوائر الاستقبال. ^{[ 3 ]} تكمن المشكلة في أن تردد المغنطرون كان ينحرف مع ارتفاع درجة حرارته وانخفاضها، لدرجة استدعت استخدام مصدر ميكروويف قابل للضبط يمكن تعديل تردده ليتوافق مع تردد المغنطرون. لم يكن استخدام مغنطرون ثانٍ حلاً عملياً، إذ لم يكن انحراف تردد المغنطرونين متزامناً. ^{[ 4 ]}

بما أن دائرة الاستقبال لا تتطلب سوى طاقة خرج ضئيلة للغاية، فقد كان الكليسترون، الذي طُرح لأول مرة قبل عامين فقط، خيارًا طبيعيًا. طُلب من ساتون، الخبير المعروف في تصميم الصمامات الإلكترونية، تقديم نسخة قابلة للضبط ضمن نفس نطاق انحراف المغنطرون. ^{[ 5 ]} سمح نموذج أولي متوفر في عام 1940 بالضبط مع بعض الجهد. ورغم أنه كان يعمل، إلا أنه لم يكن مناسبًا لنظام تشغيل. واصل ساتون وتومسون العمل على حل المشكلة، وقدّما حلاً في أكتوبر 1940. ^{[ 3 ]} أطلق تومسون عليه اسم ساتون، بينما أشار إليه ساتون باسم "أنبوب تومسون". ^{[ 6 ]} وقد شاع استخدام الاسم الأول.

تمثلت ابتكاراتهم في استخدام رنان واحد وترتيب فيزيائي ذكي لتحقيق نفس تأثير تجويفين. وقد تم ذلك بوضع قطب كهربائي ثانٍ في الطرف البعيد للأنبوب، وهو "العاكس" أو "الدافع"، مما أدى إلى دوران الإلكترونات وبدء تدفقها عائدةً نحو المدفع، على غرار أنبوب باركهاوزن-كورتس . ومن خلال تغيير جهد العاكس بالنسبة للمدفع، أمكن ضبط سرعة الإلكترونات عند وصولها إلى التجويف للمرة الثانية، ضمن حدود معينة. وكان التردد دالةً لسرعة الإلكترونات، مما وفر وظيفة الضبط. ^{[ 5 ]}

أدى هذا التعديل فعليًا إلى طي الكليسترون إلى نصفين، حيث تركزت معظم العمليات في مركز الأنبوب عند مدخل ومخرج التجويف الواحد. علاوة على ذلك، كان الجزء الداخلي من التجويف فقط داخل الأنبوب، بينما كان السطح الخارجي على شكل غلاف معدني يحيط بالأنبوب. ويمكن إجراء تغييرات أكبر على التردد باستبدال الغلاف الخارجي، مما وفر أيضًا موقعًا مناسبًا للتركيب. ^{[ 5 ]}

لسوء الحظ، كان النظام يحتاج إلى مصدرين للطاقة عالية الجهد، أحدهما للتسارع الأولي في المدفع، والآخر بين المدفع والعاكس. وبسبب طريقة عمله، كان النظام محدودًا عمومًا بقدرة بالملي واط.

من مزايا استخدام الموجات الميكروية في الرادار أن حجم الهوائي يعتمد على طول موجة الإشارة، وبالتالي تتطلب الأطوال الموجية الأقصر هوائيات أصغر بكثير. كان هذا الأمر بالغ الأهمية لأنظمة الرادار المحمولة جواً. فالطائرات الألمانية، التي تستخدم أطوالاً موجية أطول، كانت تتطلب هوائيات ضخمة تُبطئ سرعتها بين 25 و50  كم/ساعة بسبب مقاومة الهواء. ^{[ 7 ]} أما الموجات الميكروية، فكانت تتطلب هوائيات لا يتجاوز طولها بضعة سنتيمترات، ويمكن تركيبها بسهولة داخل مقدمة الطائرة.

تم تعويض هذه الميزة بنقص نظام تحويل يسمح لهوائي واحد بالعمل كمرسل ومستقبل في آن واحد. لا تُعد هذه مشكلة كبيرة دائمًا؛ فقد اكتفى نظام "تشين هوم" بمجموعتين من الهوائيات، كما فعلت الرادارات المحمولة جوًا المبكرة مثل Mk. IV . في عام 1940، طور برنارد لوفيل حلاً لرادار الموجات الميكروية بوضع مجموعتين من ثنائيات الأقطاب أمام طبق مكافئ مشترك ، ووضع قرص من رقائق معدنية بينهما. مع ذلك، لم يكن هذا الحل ناجحًا تمامًا، وكثيرًا ما احترقت الثنائيات البلورية المستخدمة ككواشف نتيجة تسرب الإشارة عبر القرص أو حوله. ^{[ 8 ]} كما استُخدم حل آخر باستخدام أنبوبين من نوع "شرارة الفجوة" ، ولكنه لم يكن مثاليًا. ^{[ 9 ]}

اقترح آرثر إتش. كوك من مختبر كلارندون حلاً أفضل ، وتولى إتش دبليو بي سكينر، بالتعاون مع إيه جي وارد وإيه تي ستار في مؤسسة أبحاث الاتصالات، تطوير الإنتاج . ^{[ 9 ]} أخذوا أنبوب ساتون وفصلوا مدفع الإلكترونات والعاكس، تاركين التجويف فقط. ثم ملؤوه بغاز مخفف، كان في البداية هيليوم أو هيدروجين ، ^{[ 10 ]} ولكنه استقر في النهاية على كمية ضئيلة من بخار الماء والأرجون. ^{[ 11 ]}

عند استقبال إشارة الإرسال على المدخل، يتأين الغاز بسرعة (بمساعدة ملف تسخين أو الراديوم). ^{[ 12 ]} شكلت الإلكترونات الحرة في البلازما مصدر مقاومة شبه مثالي، مانعةً تدفق الإشارة إلى المخرج. بمجرد توقف الإرسال، يزول تأين الغاز وتختفي المقاومة بسرعة كبيرة. ^{[ 10 ]} كانت الأصداء الضئيلة الناتجة عن انعكاسات الهدف، والتي تصل بعد أجزاء من الثانية، صغيرة جدًا بحيث لا تُسبب التأين، مما سمح للإشارة بالوصول إلى المخرج. ^{[ 3 ]}

وصل أنبوب ساتون المرن القابل للاستخدام في مارس 1941، وبدأ إنتاجه تحت اسم CV43. ^{[ 3 ]} استُخدم لأول مرة كجزء من رادار AI Mk. VII ، وهو أول رادار ميكروويف إنتاجي للطائرات. ^{[ 10 ]} ومنذ ذلك الحين، انتشر استخدام النظام على نطاق واسع، حيث ظهر في جميع رادارات الميكروويف المحمولة جواً تقريباً، بما في ذلك رادار H2S ورادار ASV Mark III . ^{[ 10 ]}

كشفت معلومات استخباراتية بعد الحرب أن الألمان كانوا في حيرة من أمرهم بشأن الغرض من أنبوب ساتون المرن. وقد وقعت عدة نماذج منه في أيديهم، ولا سيما في جهاز روتردام ، وهو جهاز H2S تم الاستيلاء عليه في حالة شبه كاملة في فبراير 1943. وأظهرت مقابلات مع مهندسي الرادار الألمان بعد الحرب أنهم لم يتمكنوا من فهم الغرض من الأنبوب غير المزود بالطاقة. ^{[ 9 ]}

استُخدم أنبوب ساتون المرن في دائرة تُعرف باسم "مفتاح الإرسال/الاستقبال" (أو العديد من الصيغ المشابهة). كما استُخدمت أنابيب شرارة أخرى لهذا الغرض، في تصميم يُعرف باسم " المزدوج المتفرع ". يتكون هذا التصميم من جزأين قصيرين من دليل الموجة، يبلغ طول كل منهما حوالي ربع طول الموجة، ويتم تشغيلهما عند وصول الإشارة. وبسبب هندسة التصميم، ينتج عن المسارين انعكاس للإشارة. ^{[ 13 ]} استُخدمت أنابيب ساتون في تصميم أبسط يُعرف باسم "دائرة التفرع المتوازية"، وهي على شكل حرف T، حيث يقع جهاز الإرسال والهوائي عند طرفي الجزء الأفقي من حرف T، بينما يقع جهاز الاستقبال عند طرف الجزء الرأسي. ومن خلال وضع أنبوب ساتون في الموضع الصحيح على طول دليل الموجة المؤدي إلى جهاز الاستقبال، يمكن تحقيق نفس تأثير المزدوج المتفرع. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

• أنبوب ساتون NR89-10E/501
• أنبوب ساتون NR89 ، مذبذب محلي
• CV43 ، مفتاح ساتون