Katot. Anot bloğu Etkileşim hacmi. Resim 2: Magnetronun kesiti

Transkript

1 Anot bloğu Etkileşim hacmi Isıtma kabloları Katot Magnetron Magnetron yüksek frekanslı salınımlar üreten ve genellikle radarlarda gerekli yüksek darbe gücünü elde etmekte kullanılan bir vakum tüptür. Bu süreç, anot ile katot arasındaki bir hacimde elektronların hız modülasyonu ile gerçekleşir. Bu nedenle magnetronlar Hız Modülasyon Tüpleri (Velocitymodulated Tubes) sınıfında yer alır. Magnetron, kendiliğinden uyartımlı gibi osilatördür, doğrusal ışınım yapan yürüyen dalga tüpleri (Traveling Wave Tubes) ya da klistron gibi çalışır. Magnetronun, yapısının basit olmasına karşılık sadece bir sabit frekansta çalışması gibi sakıncası bulunmaktadır. Bu frekans 600 MHz ila 30 GHz arasında seçilebilir. Magnetronda, radar cihazına yüksek gönderim gücünü üretme sırasında birbirine dik (haç şeklinde) bir elektrik ve kuvvetli bir manyetik alan meydana gelir. Bu nedenle eski yayınlarda magnetron Çapraz Alan Üreteci veya Çapraz Alan Osilatörü olarakta adlandırılmaktadır. Magnetronun yapısı Magnetron aslında bir diyottur, çünkü kumanda için herhangi bir ızgara kullanmaz. Anodu kütlesel bir bakır bloktan meydana gelmiştir. Anot bloğunun orta deliğinde iki ucunda ısıtıcı flaman iletkenleri ile beslenen bir silindirik katot yer alır. Dolaylı olarak ısıtılan bu oksit katodun salım (emission) yeteneği çok yüksektir. Anodun genellikle toprağa bağlanmış olması nedeniyle katot gerilimi çok yüksek bir negatif değerdedir. Aynı zamanda ısıtıcının da bu negatif gerilimde olması anlamına gelir. Bu bir doğrudan ısıtmadır, yani ısıtıcı besleme hatları katoda doğrudan bağlıdır. Bu besleme iletkenleri katodu ve ısıtıcıyı sağlamca tutacak kadar büyük olmalıdır. Katoda paralel yönde sabit mıknatısın meydana getirdiği bir kuvvetli manyetik alan bulunur. Resim 1: P-37 Bar Lock Rus radarının MI 29G (МИ 29Г) tipi magnetronu İçeriği: 1. Magnetronun yapısı 2. Magnetronun çalışma şekli Elektron akımının elde edilmesi ve hızlandırılması Elektronların hız modülasyonu Elektron akımının yoğunluk modülasyonu Frenleyen değişken elektrik alanına enerjinin aktarılması 3. Geçiş süreci 4. Magnetron çalışma modları 5. Magnetrondan enerjinin sağılması 6. Magnetronda frekans ayarının yapılması Çınlayıcı Çınlayıcı Resim 2: Magnetronun kesiti 1

2 Anot bloğu çevresinde sayısı 8 ila 20 arasında değişen kovuk çınlayıcı (cavity resonator) olarak adlandırılan frekansı tayin eden kovuklar bulunur. Bir çınlayıcı salınıma geçince, ardından komşu çınlayıcı 180 faz gecikmesi ile salınıma başlar. Çınlayıcıdan- çınlayıcıya meydana gelen bu gecikme ile anot bloğu bir kapalı bir gecikme hattı gibi çalışır. Bu gecikme hattı nedeniyle, bazı yayınlarda bu yapı Çok-kovuklu Yürüyen Dalga Magnetronu ( Multicavity Travelling Wave Magnetron ) olarakta adlandırılmaktadır. Anot bloğu içindeki bu çınlayıcılar dar bir yarık ile katodun bulunduğu yere açılırlar. Anodun etkili alanı, böylelikle sayısı çınlayıcılara karşılık gelen farklı bölümlere ayrılır. Anot ile katot arasındaki bu hacim, etkileşim bölgesi olarak adlandırılır. Bu çalışma alanı içinde bulunan elektrostatik ve manyetik alanlar elektronun hareket yörüngesini tayin ederler. Resim. 4 de bulunan dairenin her bir çeyreğinde farklı biçimde çınlayıcılar gösterilmiştir. a. Yarık tipi b. Daire sektörü tipi c. Doğan güneş tipi d. Delik tipi Resim 3: Anot bloğundaki bir kovuk, bir paralel çınlayıcı salınım devresi gibi çalışır: Karşılıklı iki anot duvarı arasındaki yarık kondansatör, oluğun çevresindeki yol ise endüktanstır (tek turlu bir bobin gibi). Klasik yapı delikli olan tiptir. Bu yapıda bakır anot bloğu delinir ve deliğin iç yüzeyi freze ile işlenerek pürüzsüz hale getirilir. Seri üretilen ilk magnetronlar böyle delik tipi idi. Her iki delik tipinde iç yüzeyler keza frezeyle işlenir. Göreceli olarak yumuşak olan bakır malzemenin frezelenmesi çok karmaşık bir işlemdir, çünkü freze ağzı geride kalanı malzemeyi bükmeden çok az bir talaş Resim 4: Magnetronlarda kullanılan alabilir. Bu frezeleme süresini kısaltmak için dairesel kovuklu tip magnetrona dönülmüştür. Bu yöntemde bakır malzeme önceden hazırlanmış derinliği az yuvalara çakılır. Üretim sırasında bu kovukların çınlama frekansları test edilir, gerekirse kovuk kenarlarını frezeleyerek hatalar giderilir. Günümüzde genellikle daha ucuz olan bu tür magnetronlar üretilmektedir. Magnetronun çalışma şekli Tüm hız modülasyon tüplerinde olduğu gibi, bir magnetronda, yüksek frekanslı salınımların elde edilmesinde geçen elektronik olaylar yine dört evrede toplanabilir: 1. Evre: Elektron akımının elde edilmesi ve hızlandırılması; 2. Evre: Bir değişken elektrik alanı vasıtasıyla elektronların hızının kumandası; 3. Evre: Elektron akımının yoğunluk modülasyonu; 4. Evre: Frenleyen değişken elektrik alanına enerjinin aktarılması. 2

3 1. Evre: Elektron akımının elde edilmesi ve hızlandırılması Negatif gerilimde tutulan katodun ısıtılması sonucunda açığa çıkan elektronlar merkezden anoda doğru düzgün bir yörüngede hareket ederler. Elektronlar kuvvetli elektrik alanının etkisiyle ivmelenir ve dolayısıyla enerjiyi soğururlar. Resim. 5 de herhangi bir manyetik alanın etkisinde bulunmayan tek bir elektronun koyu mavi renkle çizilmiş, katottan anoda düz bir hattaki ilerlemesi gösterilmektedir. Anot ile katot arasındaki bölgeye (burada elektrik ve manyetik alanların birbirine dik yöndedir) eksenel yönde bir manyetik alan uygulanması durumunda elektronlar bir çember etrafında dönerken bir başka çember çizerek (epicycloidal) sapmaya uğrarlar. Manyetik alanın akısı ne kadar yüksekse, bu sapma da o kadar fazla olur. Anoda teğet geçen kırmızı renkli elektronların yörüngesindeki akı yoğunluğu kritik akı yoğunluğu olarak adlandırılır. Pratikte çok daha yüksek bir akı yoğunluğu seçilerek (turuncu renkli) elektronların anoda ulaşması önlenir. Bu durumda artık bir anot akımı oluşmaz. Eğer anot akımı akamazsa, o zaman gücün boşalmasına rağmen elektronlar çınlayıcılarda salınıma geçmek ve sürdürmek için yeterli enerjiye sahip olamayacaktır. Anot gerilimi önemli miktarda artırılarak elektronların anoda doğru ivmelenmesini başlatacak yeterli enerjiyi alması sağlanır. Anot gerilimi arttıkça daha fazla enerjiye kavuşan elektronların hızı da o kadar artar. Artık manyetik alanın gücü elektronları kritik yörüngesinin dışında başka bir yörüngeye saptırmaya yetmeyecektir. Bu durumda bir anot akımı ölçülebilir. Elektronların yaklaşık teorik yörüngesi mor renkli olan yörüngedir. Megavat mertebesindeki bir darbe gücüne rağmen bu anot akımı sadece birkaç mili amper civarındadır. Bu nedenle ancak ibreli tip ampermetreler ile bu anot akımının ortalama değeri ölçülebilir. Tepe değeri çok daha yüksektir. Bununla beraber pratikte bu tür bir yörünge eğer anotta herhangi bir çınlayıcı yoksa (ya da Resim. 5 de görüldüğü gibi ağızları kapanarak kısa devre edilmişse) meydana gelir. 2. Evre: Bir değişken elektrik alanı vasıtasıyla elektronların hızının kumandası Kovuk çınlayıcılarının yarığından geçen elektronlar salınıma başlarlar. İlk salınıma geçen çınlayıcı bitişik çınlayıcıyı da uyartarak salınıma geçmesini sağlar, ancak bu salınım 180 gecikmeyle gerçekleşir. Bu çınlayıcı da ardından bitişik çınlayıcıyı harekete geçirir ve süreç böyle devam eder. Bu çınlayıcı dizisi bir gecikme hattı meydana getirir. Geciktirme hatları boyunca bir dönen manyetik alan oluşur. Manyetik alan, çınlayıcıların iç bölümlerinde etkili olduğundan, sadece çınlayıcı yarığında yoğunlaşan elektrik alanı etkileşim hacminde etkin olur ve elektronların hareketlerini etkiler. Resim 6. da sadece dönen dalganın yüksek frekanslı elektrik alanı ve anot bölümlerindeki yük dağılımı belli bir zaman noktasına kadar dikkate alınır. Yeşil renkli oklar elektron hareketleri sonucu meydana gelen anot blokları içerisindeki yüksek frekanslı salınımları sembolize etmektedir. İlaveten, çınlayıcı yarıklarındaki yüksek frekanslı alanlar ve anot bölümlerindeki yükler sürekli var olan elektrostatik alanı da etkiler. Resim 5: Farklı manyetik akı değerlerine sahip manyetik alan ve elektrostatik alanların etkisi altındaki bir elektronun hareket yolu. Resim 6: Yüksek frekanslı elektrik alanının elektronların yörüngesine etkisi 3

4 Sonuçta; dönen dalgalar, anot bölümlerinin gerilimini, anot DC gerilim değerinden bir miktar daha büyük (pozitif) ya da bir miktar daha küçük (negatif) bir değere değiştirir. Bu yük farkları bir an için + ve - olarak işaretlenirler. Katottan, o anki pozitif yüklü anot bölümlerine doğru yol alan elektronlar aynı zamanda hızlanırlar. Bu nedenle manyetik sağa sapma daha kuvvetlenir ve elektronların teğetsel hızları daha da artar. Diğer yandan, anodun o an için negatif yüklü bölümlerine yol alan elektronlar ise yavaşlarlar. Bunlar sağa öyle çok sapma yapmazlar ve bunun sonucu olarak daha düşük teğetsel hızlarda hareket ederler. 3. Evre: Elektron akımının yoğunluk modülasyonu Resim.5 de belirtilen yörüngede sadece bir elektron değil, katottan yayılan çok sayıda çok sayıda elektron her yönde hareket eder. Başlangıçtaki dağılım oldukça düzgündür. Elektrik alanının çınlayıcılar üzerindeki etkisiyle elektronların hız modülasyonu başlar. Değişik elektron gruplarının farklı hızlara sahip olmaları nedeniyle, elektronlar dönüşleri sırasında çalışma zamanı etkileri ortaya çıkar. Daha hızlı elektronlar daha yavaş elektronları yakalar ve elektronların kümelenmeleri sonucu jant telli bisiklet tekerinin dönmesi sırasında meydana gelen bir görüntüye benzer bir çark görüntüsü ortaya çıkar. Bu görüntüye İngilizce de Space-Charge-Wheel denilmektedir. Hem dalgalar (ve dolayısıyla çınlayıcılarda ki alan dağılımı) hem de çark sürekli döndüğünden bu durum statik değildir; elektron hatlarının teğetsel hızlarının ve dalgaların dönme hızlarının birbiriyle bağdaştırılması gerekir. Elektronların bu hız kumandası, radar operatörünün anot akımını çalışma talimatına uygun olarak belirlenen değere ayarlaması sırasında olur. 4. Evre: Frenleyen değişken elektrik alanına enerjinin aktarılması Resim 7: Bir 12-kovuklu magnetronda dönen uzay bisiklet tekerleği ile elektron akımının yoğunluk modülasyonu Bu çarkın bir kolunda, anot DC geriliminin dönen yüksek frekanslı alana binişmesi sonucu bir miktar negatif yüklenmiş bir anot bölümünün tam üzerinde iken elektronlar frenler ve enerjilerini bu yüksek frekanslı alana bırakırlar. Katottan yola çıkan çarktaki elektronlar her bir (daha negatif) anot bölümlerine yol alırken birkaç kez frenlenirler. Her bir frenleme sırasında ve en sonunda anoda varışında elektronlar enerjilerini yüksek frekanslı salınıma bırakırlar. Elektronların bu çok sayıda frenlemesi enerjinin en uygun şekilde kullanılması sağlar ve verimlilik % 80 gibi değere ulaşır. 4

5 Örnek Geçiş süreci Anoda gerilim uygulanmasını takiben herhangi bir yüksek frekanslı alan meydana gelmez. Bir elektron, anot geriliminin statik elektrik alanının etkisi altında hareket eder ve manyetik alanının etkisi altında Resim.5 de kırmızı renkle gösterilen yörüngede yol alır. Elektronlar yük taşıyıcılardır: Bu geçiş sırasında çınlayıcılar arasındaki açıklığa bir miktar enerjiyi bırakırlar. Kovuk çınlayıcı ilk önce özgün frekansı ile çok yavaş salınmaya başlar. Bu yüksek frekanslı alan ile elektron demeti arasında (önce bir düşük güçle) derhal bir karşılıklı etkileşim başlar. Elektronlar bu değişken alanda ilaveten etkilenirler ve şimdi yüksek frekanslı alan ile hız modülasyonlu elektronlar arasında 1. ila 4. evrelerde bahsedilen süreç çalışmaya başlar. Çok kısa bir sürede salınımın en yüksek genliğine ulaşılır. Bild 8: Einschwingvorgang: Erzeugung einer gedämpften Schwingung durch ein einzelnes Elektron Geçiş sürecini şöyle sırlayabiliriz: Anodun katoda göre daha yüksek bir pozitif gerilime sahip olmasına rağmen (ki bu serbest elektron sayısında bir kayıp olarak ortaya çıkar) metalde halâ yeterli sayıda serbest elektron bulunmaz. Aralarında bir net açıklık olan anot ve katot, sükûnet durumunda negatif yükleri nedeniyle birbirlerini iterler. Açıklığın yanından bir yeni elektron geçtiğinde ve açıklık civarında sükûnet halindeki elektronları iter. Bu, anottaki deliğin etrafındaki bütün elektronları etkiler. Elektronların geçişinden sonra bile sükûnet durumuna dönüş bir zaman alır. Anottaki deliğin etrafında artık tınlaşım frekansında bir sönümlenen salınım meydana gelir. Keza bu sırada geçmekte olan elektron yavaşlar: O elektron artık enerjisini kovuk çınlayıcıya bırakmıştır. Bu geçiş süreci içindeki salınımların faz açısı için bir tahmin yapmak mümkün değildir. Her bir süreç rasgele bir açıyla gerçekleşir. Magnetronla üretilen gönderim darbeleri bu nedenle birbirleriyle uyumlu değildir. Bununla beraber bir magnetronu bir uyumlu osilatörün faz açısı vasıtasıyla salınıma zorlamak da mümkündür. Magnetron çalışma modları Çalışma frekansı her şeyden önce çınlayıcıların boyutlarına ve anot ile katot arasında ki etkileşim hacminin büyüklüğüne bağlıdır. Bununla beraber çınlayıcılar, kendi aralarında da etkileşim hacmi üzerinden bağlaşırlar (coupled) ve tüm sistem için birden daha fazla sayıda tınlama (resonance) frekansı meydana gelir. Resim. 9 da 12-çınlayıcılı bir magnetronun mümkün olabilen dört adet salınım biçiminden (modundan) üç adedi gösterilmektedir. Magnetron diğer modlardan (¾π, ½π, ¼π) birinde çalışırken bu modlardaki güç ve buna bağlı olarak verimlilik ve frekansta azalır. Mod π Mod ½π Mod ¾π Resim 9: Magnetronun salınım modları (Burada bir çember üzerinde dizili anot bölümleri bir noktada koparılarak düz bir hatta gösterilmiştir.) 5

6 En kararlı çalışma modu π-modudur, bu modda iki adet yapısal önlem almak mümkündür: 1. Anot bölümleri arasında kısa devre halkası: Hem tek ve hem de çift sayılı bölümler kendi aralarında bir kısa devre halkası ile bağlanırlar. Böylece π- modunda her bir kısa devre halkasına bağlı bütün anot bölümleri aynı gerilime sahip olurlar. Diğer modlar bu kısa devre halkalarında akan dengeleme akımlarıyla bastırılırlar. 2. Farklı özgün frekanslara sahip çınlayıcıların kullanımı, örneğin Doğan Güneş tipi. Kısa devre halkası Doğan Güneş tipi farklı uzunlukta kovuklara sahiptir. Verilen örnekte, her bir ikinci çınlayıcının çınlama frekansı π- modunda istenen çalışma frekansının 3. harmoniğinde, temel frekansın üç katıdır. Normal olarak bu çınlama frekansı çalışma frekansının tek sayılı (odd number) bir katı olması nedeniyle π-modunun yan eşiklerini destekler. Eğer, örneğin magnetron ½π modunda çalışıyorsa o zaman salınım olayının akım akışı birbiriyle sıkıca bağlaşan iki çınlayıcıyı kapsar. Bu durumda bir çınlayıcı 2. harmonikte, diğeri ise 6. harmonikte çalışır. Artık daha küçük bu çınlayıcı bir çift katlı frekansta çalışmaktadır. Daha önce olduğu gibi, sabit bağlaşım sonucu 180 bir faz kayması meydana gelir ve komşu çınlayıcılarıyla bir itme çekme (push-pull) modunda çalışmaya başlar. Bu salınım π- moduna dönene kadar, hatalı mod için zaten daha uygun olmayan verimsizlik sürmeye devam edecek ve bunun sonucu olarak çalışma koşulları daha da kötüleşecektir. π-modundan başka herhangi bir modda bir salınım üretilecekse çınlayıcıların sayısının bu moda uyumlu olması gerekir. Örneğin ¾π-modu için çınlayıcıların sayısı 6 ya bölünebilmelidir, böylece bu modda dönen dalgalar ortaya çıkacaktır. Burada mümkün olabilecek mod sayısı çınlayıcıların sayısına bağlıdır. Magnetrondan enerjinin sağılması Resim 10: Kısa devre halkalarının görüldüğü bir magnetronun kesiti Yüksek frekanslı enerji magnetrondan bir halka vasıtasıyla sağılır. Bu halka 10 GHz altında ki frekanslarda bir eşeksenel (coaxial) kablonun ortasında ki iletken bükülerek ve ardından kablonun dış iletkeni anoda lehimlenerek gerçekleştirilir. Bu şekilde oluşturulan halka (Resim 11) herhangi bir kovuğun içine yerleştirilir. Daha yüksek frekanslarda ise (Resim 12) bu halka çınlayıcının dışına doğru alındığında daha verimli olmaktadır. Resim.13 de bir bölümden yüksek frekanslı enerjinin yine doğrudan sağılması görülmektedir. Buradaki bölüm aslında bir tınlaşım devresinin aktif ucudur ya da iki salınım devresin tam ortasındadır. İletken, benzeri şekilde, çınlayıcılar arasında meydana gelen manyetik alanı algılar. Yine Resim. 14 de görüldüğü gibi, kısa devre halkalarına bağlantı yapıldığı bir yöntem daha vardır. Enerjiyi bir eşeksenel kablo ile sağma yöntemi çok uygundur. Anoda, bir vakum tüp olması nedeniyle geçiş noktasında bir hava kaçağı olmaması gerekir. Eşeksenel bir kablo geçiş yuvasında bu sızdırmazlık kolayca sağlanabilir. Bu eşeksenel kablolar doğrudan dalga kılavuzunu besleyebilir. Eğer küçük boyutlu dalga kılavuzu kullanılıyorsa yüksek frekanslarda yarıktan doğrudan enerji sağılması mümkündür ve bu yöntem çok yaygın kullanılır (Resim. 15). Dalga kılavuzu bağlantısı bir kuvars cam penceresi vasıtasıyla yapılmalı ve sızdırmazlık sağlanmalıdır. 6

7 Resim 11: Doğrudan çınlayıcı odasından sağma (sağlam bağlantı) Resim 12: Çınlayıcı odasının üstünden sağma (daha gevşek bir bağlantı) Resim 13: Çınlayıcı duvarından sağma Resim 14: Kısa devre halkasından sağma Resim 15: Kovuktan sağma Magnetronda frekans ayarının yapılması Ayarlanabilir magnetronlar da bir yapıcı (constructive) frekans bandı içinde, frekansın hassas olarak ayarlanabilmesi mümkündür. Çınlayıcılarda yapılan mekanik değişikler hem kapasitansı hem de endüktansını değiştirir ve bunun bir sonucu olarak tınlaşım frekansı da değişir. Kısa devre çubuklarının arasındaki açıklık değiştirilerek bir ayar yapmak mümkündür, örneğin bu kısa devre çabukları arasına bir halka yerleştirilebilir. Bu tür ayarlama yöntemi kurabiye-kalıbı ayarlama (cookie-cutter tuning) olarak adlandırılır, ancak çok seyrek kullanılır. Daha ziyade kullanılan yöntemde, bütün kovuklu çınlayıcılara endüktif ayar çubukları yerleştirilir, bunlar gövdeye monte edilir ve dışardan ayar yapılabilir. Bu yöntem dikenli-taç ayarlama (crown-of-thorns tuning) olarak adlandırılmaktadır. Bu yöntemde 1,5 : 1 mertebesine kadar bir ayarlama yapmak mümkündür. Tüm ayarlama yöntemlerinde ana sorun mekanik hareketin tüpün vakum hacmi içine aktarılmasıdır. Ayar çerçevesi Anot bloğu Endüktif etkili ilave ayar elemanları Resim 16: Endüktif ayar ( Dikenli taç-ayarı ) ASR-910 radarının istenen değişik frekanslarda çalışabilmesi için karşılıklı gürültülerin önlenmesi gerekir. Bunun sağlanabilmesi için kullanılan magnetronun ayarlanabilir tip olması gerekir. ASR- 910 radarının M5114B tip magnetronu ayarlanabilir magnetrona bir örnektir. Resim 17 de TH3123 tipi magnetronun endüktif ayarlama elemanı görülmektedir. Çınlayıcıların birinden ısıtma hattı geçmektedir. Bir başka kovukta ise sağma halkası bulunmaktadır. Bu iki kovukta ayar yapmanın zorluğu ortadadır. Bu iki çınlayıcı diğer çınlayıcılara göre daha geniş bantlı olmalıdır. Sonuçta magnetronun verimi azalır ve frekans ancak çok dar bir bantta değiştirilebilir. 7

8 Tesadüfen, Resim.17 de kovukları bir frezede açılmış bir magnetron görülmektedir. Anodun dairesel dış duvarındaki bükülmüş bölümünde sağma halkası yer almaktadır. Böyle bir yapıda frezeyle bakır gibi çok yumuşak bir malzemeyi bükmeden işlemek çok zordur. Sağmadevresi sıtıcı besleme devresi Resim 17: Endüktif ayar elemanlı bir magnetronun (kovuk- tipi) çınlayıcısı Resim 18: ASR-910 radarının M5114B tipi magnetronu Resim 19: PAR-80. radarına takılı VMX 109 tipi magnetron. Bu magnetron çalışması için gerekli daimi mıknatısları da ihtiva eder. 8