1943 do danes
vakuumska cev
industrijska
Nizozemska
steklo, kovina
1
Elektronka na potujoči val (TWT) je vakuumska cev, ki se uporablja za ojačenje radiofrekvenčnih (RF) signalov v mikrovalovnem območju. Če je elektronka TWT opremljena z reguliranim napajanjem in zaščitnimi vezji, se imenuje ojačevalnik na potujoče valove (TWTA). TWT spada v kategorijo cevi z linearnim žarkom, kot je klistron, v katerem se radijski val ojača z absorbiranjem moči iz žarka elektronov, ko ta potuje vzdolž cevi. Velika prednost TWT pred nekaterimi drugimi mikrovalovnimi elektronkami je njegova sposobnost ojačenja širokega razpona frekvenc, tj. velike pasovne širine. Delovne frekvence segajo od 300 MHz do 50 GHz. Ojačenje moči elektronke je reda velikosti od 40 do 70 decibelov, izhodna moč pa se giblje od nekaj vatov do megavatov. TWT predstavljajo več kot 50 % obsega prodaje vseh mikrovalovnih vakuumskih cevi in se široko uporabljajo kot močnostni ojačevalniki in oscilatorji v radarskih sistemih, komunikacijskih satelitih in oddajnikih vesoljskih plovil ter sistemih za elektronsko bojevanje.
TWT je podolgovata vakuumska cev s katodo, ki ogreta oddaja elektrone. Napetost med katodo in anodo pospeši elektrone proti oddaljenemu koncu cevi, zunanje magnetno polje okoli cevi pa usmeri elektrone v žarek. Na drugem koncu cevi elektroni zadenejo kolektor, ki jih vrne v vezje. Nosilna cev za vijačnico in zbiralnik elektronov sta pri novejših TWT za večje moči zaradi posebnih električnih, mehanskih in toplotnih lastnosti izdelana iz keramike iz berilijevega oksida. Okoli notranjosti cevi, tik zunaj poti žarka, je ovita vijačnica, običajno iz bakrene žice. RF signal, ki ga je treba ojačiti, se dovaja v vijačnico na točki blizu oddajnega konca cevi. Z nadzorom pospeševalne napetosti je hitrost elektronov, ki tečejo po cevi, nastavljena tako, da je podobna hitrosti RF signala, ki teče po vijačnici. Signal v žici povzroči, da se v središču vijačnice inducira magnetno polje, kjer tečejo elektroni. Odvisno od faze signala bodo elektroni bodisi pospešeni ali upočasnjeni, ko gredo mimo navitij. To povzroči združevanje elektronskega žarka, tehnično znano kot hitrostna modulacija. Nastali vzorec elektronske gostote v žarku je analogen izvirnemu RF signalu. Ker žarek med potovanjem prehaja mimo vijačnice in se ta signal spreminja, povzroči indukcijo v vijačnici in ojača prvotni signal. Do takrat, ko doseže drugi konec cevi, ima ta proces dovolj časa, da odloži precej energije nazaj v vijačnico. Drugi usmerjeni spojnik, nameščen blizu kolektorja, sprejema ojačeno različico vhodnega signala z oddaljenega konca RF vezja. Dušilniki, nameščeni vzdolž RF vezja, preprečujejo, da bi odbiti val potoval nazaj do katode.
Razstavljeni eksponat je samo vakuumski del elektronke. Zunaj mora biti še fokusirni magnet, ponavadi je to elektromagnet, pri novejših izvedbah je lahko permanentni, ki fokusira žarek, ki potuje po cevi. Elektronke na potujoči val se tudi danes redno uporabljajo na satelitih. Dosežejo lahko izkoristek do 70 %. Ustrezni polprevodniški elementi tako visokega izkoristka ne dosegajo in imajo krajšo življenjsko dobo. Sateliti (npr. Voyager) so imeli vakuumske elektronke in tranzistorske komponente. Tranzistorske so že zdavnaj odpovedale, vakuumske pa še delujejo. Moč te cevi 5 do 10 W, ima pa zelo veliko ojačenje, 50 dB.
Prvotno zasnovo in prototip elektronke na potujoči val (TWT) je izdelal Andrei "Andy" Haeff leta 1931, medtem ko je delal kot doktorski študent v Kelloggovem radiacijskem laboratoriju na Caltechu. Njegov izvirni patent "način nadzora visokofrekvenčnih tokov" je bil vložen leta 1933 in odobren leta 1936. Izum TWT se pogosto pripisuje Rudolfu Kompfnerju v letih 1942–1943. Poleg tega je Nils Lindenblad, zaposlen pri RCA (Radio Corporation of America) v ZDA, prav tako maja 1940 vložil patent za napravo, ki je bila izjemno podobna Kompfnerjevemu TWT. Obe napravi sta bili izboljšavi Haeffove izvirne zasnove, saj sta oba uporabila takrat na novo izumljeno natančno elektronsko pištolo kot vir elektronskega žarka in sta oba usmerila žarek v središče vijačnice namesto izven nje. Te konfiguracijske spremembe so povzročile veliko večjo ojačenje valov kot Haeffova zasnova, saj so slonele na fizikalnih načelih modulacije hitrosti in združevanja elektronov. Kompfner je svoj TWT razvil v radarskem laboratoriju britanske admiralitete med drugo svetovno vojno. Prva skica njegovega TWT je datirana 12. novembra 1942, svoj prvi TWT pa je zgradil v začetku leta 1943. TWT so kasneje izboljšali Kompfner, John R. Pierce in Lester M. Winslow pri Bell Labs. Do petdesetih let 20. stoletja, po nadaljnjem razvoju v Electron Tube Laboratory pri Hughes Aircraft Company v Culver Cityju v Kaliforniji, so TWT začeli tam proizvajati, do šestdesetih let prejšnjega stoletja pa so TWT proizvajala tudi podjetja, kot je English Electric Valve Company, ki mu je sledil Ferranti v leta 1970.
10. julija 1962 je bil izstreljen prvi komunikacijski satelit Telstar 1 z 2 W, 4 GHz TWT transponderjem, ki je bil zasnovan za RCA in se uporablja za prenos RF signalov do zemeljskih postaj. Syncom 2 je bil uspešno izstreljen v geosinhrono orbito 26. julija 1963 z dvema transponderjema TWT z močjo 2 W, 1850 MHz, ki jih je zasnoval Hughes – enim aktivnim in enim rezervnim.
Prvi močnejši vir radijskih valov v mikrovalovnem območju je bil klistron; pred izumom sta bila edina vira Barkhausen-Kurzova cev in magnetron z deljeno anodo, ki sta bila omejena na zelo nizko moč. Klistron sta izumila brata Russell in Sigurd Varian na univerzi Stanford. Njihov prototip je bil dokončan in uspešno demonstriran 30. avgusta 1937. Po objavi leta 1939 je novica o klistronu takoj vplivala na delo ameriških in britanskih raziskovalcev, ki so se ukvarjali z radarsko opremo. Brata Varian sta nato ustanovila Varian Associates za komercializacijo tehnologije (na primer za izdelavo majhnih linearnih pospeševalnikov za ustvarjanje fotonov za terapijo z zunanjim žarkom). Pred njunim delom sta leta 1935 opisala modulacijo hitrosti A. Arsenjewa-Heil in Oskar Heil (žena in mož), čeprav brata Varian verjetno nista vedela za Heilovo delo.
Delo fizika W. W. Hansena je bilo ključnega pomena pri razvoju klistrona in sta ga brata Varian navedla v svojem članku iz leta 1939. Njegovo resonatorsko analizo, ki se je ukvarjala s problemom pospeševanja elektronov proti tarči, bi lahko prav tako dobro uporabili za upočasnitev elektronov (tj. prenos njihove kinetične energije v RF energijo v resonatorju). Med drugo svetovno vojno je Hansen dva dni na teden predaval v laboratorijih za sevanje MIT in se v Boston vozil iz podjetja Sperry Gyroscope Company na Long Islandu. Njegov resonator sta brata Varian imenovala "rhumbatron". Hansen je leta 1949 umrl zaradi berilijeve bolezni zaradi izpostavljenosti berilijevemu oksidu (BeO). Med drugo svetovno vojno so se sile osi večinoma zanašale na (takrat z nizko močjo in dolgo valovno dolžino) klistronsko tehnologijo za ustvarjanje mikrovalov svojega radarskega sistema, medtem ko so zavezniki veliko krajši čas uporabljali veliko močnejšo, a frekvenčno nihajočo tehnologijo magnetrona z generacijo centimetrskih mikrovalov. Od takrat so bile razvite tehnologije klistronov za aplikacije z zelo veliko močjo, kot so sinhrotroni in radarski sistemi.
Takoj po vojni je AT&T uporabil 4-vatne klistrone v svojem popolnoma novem omrežju mikrovalovnih relejnih povezav, ki so pokrivale ameriško celino. Omrežje je zagotavljalo medkrajevne telefonske storitve in prenašalo tudi televizijske signale za glavna televizijska omrežja. Podjetje Western Union Telegraph je takrat zgradilo mikrovalovne komunikacijske povezave od točke do točke z uporabo vmesnih repetitorskih postaj v intervalih približno 40 milj, pri čemer je v oddajnikih in sprejemnikih uporabljalo refleksne klistrone 2K25.