Microwave Tubes

During the 1930s, the Bell Telephone Laboratories began investigating the use of shortwave electromagnetic radiation for long-distance communications. The high bandwidths that could be achieved, as well as the potential for line-of-sight transmissions over many miles, was promising. The U.S. Army and Navy were also interested in shortwave electromagnetic waves as navigational aids and for aircraft detection systems. But progress was hampered by the lack of electron tubes able to function at the necessary frequencies of a gigahertz or more.

Then in 1937, working at Stanford University with his brother Sigurd, Russell Varian invented the klystron; the first successful microwave tube, it could oscillate and amplify signals at frequencies as high as 3 GHz, corresponding to a wavelength of 10 centimetres. Klystrons modulate a stream of electrons traveling along the tube axis into bunches that generate microwave radiation at an output resonator gap. Like all microwave tubes, their high-frequency operation does not depend on small device dimensions.

A bit later Henry Boot and John Randall invented the cavity magnetron at Birmingham University. These British physicists employed a resonant cavity structure in a magnetron for the first time. It was a huge success, generating kilowatts of microwave power at 10 cm - far more than klystrons could then achieve. Soon after U.S. physicists and engineers learned about this surprising electron device in 1940, the MIT Radiation Laboratory was established to develop comprehensive radar systems with the cavity magnetron as the core element. Small klystrons served as local oscillators in these systems, which eventually operated above 10 GHz by the end of World War II. Radar proved crucial to the Allied victory.

Originally trained as an architect, Austrian emigrant Rudolf Kompfner invented another kind of microwave tube, the traveling-wave tube, at Birmingham in 1943. After he learned about this invention during the War, Bell Labs engineer John Pierce developed a working theory of its operation, based on the interaction between an electron beam and slower electromagnetic waves traveling within the tube. His theory contributed to the tube's stability and the realization of its broadband capabilities. Pierce developed other new features that vastly improved these tubes - such as a convergent electron gun now named after him. Kompfner came to Bell Labs in the early 1950s and worked with Pierce to adapt traveling-wave tubes for satellite communications, which began in the 1960s with the Echo and Telstar satellites. Traveling-wave tubes are the only electron devices able to supply the proper combination of high output power and bandwidth needed for satellite communications.

Today, modern traveling-wave tubes are still used extensively in microwave and satellite communications systems because of their high efficiency, long lifetimes and excellent reliability. And modern klystrons can produce astonishing levels of peak and average power - more than 100 MW peak and 1 MW average. They power particle accelerators used for physics research and cancer therapy, and are employed in high-resolution radar systems. Magnetrons are also widely-used today because they are efficient, low-cost sources of microwave power. Every commercial microwave oven contains a magnetron.

СВЧ У 1930-ті, Bell Telephone Laboratories розпочала розслідування використання короткохвильового електромагнітного випромінювання для далекого зв'язку. Високою пропускною здатністю, які можуть бути досягнуті, а також потенціал для прямої видимості передач на багато кілометрів, був багатообіцяючим. В американській армії і флоту були також зацікавлені в короткохвильовому електромагнітні хвилі, як навігаційних засобів і систем виявлення літаків. Але прогрес був утруднений у зв'язку з відсутністю електронних ламп в змозі функціонувати в потрібному частот гігагерца і більше. Потім, в 1937 році, працював у Стенфордському університеті разом із братом Сігурда, Рассел Varian винайшов клістрона, перший успішний трубки мікрохвильова піч, вона може коливатися і посилення сигналів на частотах до 3 ГГц, що відповідає довжині хвилі 10 сантиметрів. Клістрони модулюють потік електронів, що рухаються вздовж осі трубки в згустки, які генерують НВЧ-випромінювання на виході резонатора пробіл. Як і всі СВЧ, їх висока частота операції не залежить від невеликих розмірів пристрою. Трохи пізніше Генрі завантаження і Джон Рендалл винайшов магнетрон в університеті Бірмінгема. Ці британські фізики використовували резонансні структури порожнини в магнетроні в перший раз. Це був величезний успіх, генерації кіловата потужності НВЧ на 10 см - набагато більше, ніж клістрони могли б досягти. Незабаром після американських фізиків і інженерів дізнався про цю дивовижну пристрої електрона в 1940 році, лабораторія Массачусетського технологічного інституту радіаційної була створена для розробки комплексних систем РЛС з магнетрон в якості основного елемента. Малий клістрони служив гетеродинів в цих системах, які в кінцевому підсумку працює вище 10 ГГц до кінця Другої світової війни. Радар зіграли вирішальну роль у перемозі союзників. Спочатку вчився на архітектора, австрійський емігрант Рудольф Kompfner винайшли ще один вид мікрохвильової трубки, лампи біжучої хвилі, в Бірмінгемі в 1943 році. Після того як він дізнався про цей винахід під час війни, Bell Labs інженер Джон Пірс розробив робочу теорію своєї роботи, засновані на взаємодії електронного пучка і повільних електромагнітних хвиль, що поширюються всередині трубки. Його теорія сприяла стабільності трубки і реалізації своїх можливостей широкосмугового доступу. Пірс розробив інших нових функцій, які значно поліпшили ці труби - такі, як конвергентний електронної гармати тепер носить його ім'я. Kompfner приїхав в Bell Labs на початку 1950-х років і працював з Пірсом адаптуватися лампах біжучої хвилі для супутникового зв'язку, яка почалася в 1960-х роках з Echo і Telstar супутника. Лампи біжучої хвилі є єдиним електронних пристроїв, здатних поставити правильне поєднання високої потужності і пропускної спроможності, необхідної для супутникового зв'язку. Сьогодні сучасні лампи біжучої хвилі, як і раніше широко використовуються в мікрохвильовій печі і системи супутникового зв'язку через їх високою ефективністю, тривалим терміном служби і високою надійністю. А сучасні клістрони може виробляти дивовижні рівні пікової та середньої потужності - понад 100 МВт пікової та середньою потужністю 1 МВт. Вони потужність прискорювачів частинок для фізичних досліджень і лікування раку, а також зайнятих у високому дозволі радіолокаційних систем. Магнетрони також широко використовувані сьогодні, тому що вони є ефективним, недорогих джерел НВЧ потужності. Кожен комерційний мікрохвильова піч містить магнетрон.