TWT English Electric Valve, Type N1002. Matr. N° 1633 RB.
Non rintracciabile negli inventari.
Il suo uso didattico probabilmente consisteva nel mostrarlo durante la spiegazione.
TWT è l`acronimo di Travelling Wave Tube che a volte viene tradotto con tubo a onda viaggiante o ad onda progressiva.
Dimensioni: lunghezza 58 cm; diametro massimo 5 cm; diametro del tubo 1,2 cm.
Per ora non disponiamo delle sue caratteristiche.
I tubi a onda progressiva erano usati come amplificatore di potenza a microonde per il loro guadagno elevato (30-60 dB), rapporto segnale rumore basso, ampia larghezza di banda e linearità.
La loro storia, come quella di altri dispositivi a microonde, risale alla seconda guerra mondiale ed è frutto delle ricerche sulle tecniche radar; infatti sono stati inventati nel Laboratorio di Nuffield a Birmingham (dove fu inventato anche il magnetron) come alternativa al klystron. Infatti nel klystron vi era un rumore dovuto all`interazione fra il fascio di elettroni e il campo elettrico stazionario nei risonatori.
Il TWT nacque come idea di realizzare un campo elettrico viaggiante (invece che stazionario) che scambia energia con un fascio di elettroni che si muove circa alla stessa velocità. Il primo tubo, nel 1941, lavorava ad una lunghezza d`onda di 9,1 cm (3,3 GHz).
Il TWT non ha bisogno di cavità risonanti che devono avere delle dimensioni ben definite per lavorare ad una certa frequenza, quindi, nel caso in cui ci sia il bisogno di modificare la frequenza di lavoro, nei klystron ci si troverebbe costretti a modificare le dimensioni fisiche di queste cavità risonanti con dispositivi meccanici che renderebbero la loro costruzione molto più complessa. Dunque la differenza fondamentale tra un TWT e un klystron è la capacità del TWT di lavorare su una gamma di frequenze molto più ampia di quella del klystron.
Quindi, anche se il principio di funzionamento e le caratteristiche del TWT sono molto simili a quelle del klystron, si tende ad usare il TWT in dispositivi dove si ha la necessità di variare spesso e velocemente la frequenza di trasmissione, ad esempio nei radar militari dove si ha la necessità di variare velocemente la frequenza di trasmissione per evitare disturbi intenzionali che renderebbero vulnerabili i radar.
Fino al 1980 erano i più usati nei sistemi di comunicazione (anche satellitari) e nei radar.
Per il suo funzionamento il tubo richiede un sistema di bobine (o un magnete permanente) esterno per la messa a fuoco e un sistema di alimentazione.
Per una stringata spiegazione si fa riferimento alla figura. Ciò che lo caratterizza rispetto ad altri tubi è la sua lunghezza.
Un cannone elettronico fornisce il fascio di elettroni che escono dal catodo accelerati verso l`anodo posto ad un forte potenziale rispetto al catodo stesso. In alcuni tubi è presente una griglia, a potenziale negativo rispetto al catodo, per regolare la corrente anodica.
Anche l`elica, caratteristica peculiare di questo tubo, è ad alto potenziale positivo rispetto al catodo, ma la corrente dell`elica è piccola perché il fascio di elettroni è ben focalizzato lungo il suo asse.
Un solenoide avvolto intorno al tubo focalizza gli elettroni in un fascio inviato all`interno di un filo avvolto a spirale fino a colpire un collettore all`altra estremità.
Il segnale radio da amplificare è introdotto all`ingresso, in prossimità del tubo catodico, nella spirale a elica nella quale viaggia anche la corrente prodotta per induzione dal fascio di elettroni.
Il campo elettrico prodotto dalla corrente indotta nella spirale interagisce con gli elettroni causandone una modulazione, alla frequenza del segnale d`ingresso.
Il risultato è che il campo modula la velocità degli elettroni e quindi la loro densità, questa modulazione influenza a sua volta il campo nel senso che il passaggio di “onde elettroniche longitudinali” (analoghe ad onde sonore riguardo alla densità) induce nell`elica correnti e. m. variabili con conseguente amplificazione del campo RF. Questo fenomeno avviene per tutta la lunghezza dell`elica e il campo elettrico viaggiante verso l`estremo destro dell`elica (nel disegno) avrà un`energia maggiore che a sinistra.
A questo punto l`energia sarà prelevata induttivamente e immessa in una guida d`onda di uscita.
In questo modo si è avuta una amplificazione: l`energia degli elettroni proveniente dall`alimentatore ha provocato la loro accelerazione, poi la loro energia cinetica si è trasferita al campo elettrico viaggiante.
Il segnale amplificato da tale meccanismo di mutuo accoppiamento viene raccolto al termine della spirale.
Per evitare che l`oscillazione interna alla spirale ritorni verso l`ingresso, è presente un attenuatore in uscita che di fatto limita il valore del guadagno tipicamente di 40 dB, mentre la potenza in uscita è limitata dallo spessore del filo della spirale che limita la corrente sopportabile.
Ora approfondiamo un pochino quanto già detto.
Il meccanismo fondamentale si basa dunque sull`interazione tra il fascio di elettroni e il segnale RF: la velocità v del fascio è data dalla radice quadrata di 2 eV/m; dove e è la carica dell`elettrone, V è la tensione anodica acceleratrice e m è la massa dell`elettrone (in regime non relativistico); tenendo presente che con una V di 5.000 V si ha una v di circa 42.000.000 m/s, mentre il segnale RF viaggia alla velocità della luce nel conduttore di cui è fatta l`elica, per far interagire gli elettroni con il campo RF viaggiante bisogna rallentarlo alla velocità degli elettroni. A questo provvede appunto l`elica (chiamata perciò linea di ritardo) che trasforma la velocità del segnale lungo di essa in una velocità di avanzamento lungo l`asse pari a
c’ = (p / 2 π r) · c)
dove c è la velocità della luce nel mezzo, p è il passo dell`elica e r è il suo raggio.
La corrente del fascio elettronico adesso può essere modulata dal segnale rallentato RF e dunque ci sono alcuni gruppi di elettroni che vengono accelerati ed altri rallentati (modulazione di velocità che comporta una modulazione della loro densità).
Questi gruppi di elettroni possono trasferire a loro volta la loro energia ai campi a radiofrequenza che viaggiano nell`elica e in questo consiste l`amplificazione del segnale: usare l`energia che gli elettroni ricevono dalla tensione anodica, modularla con il segnale RF di ingresso rallentato, mutando la loro velocità e trasferirla di nuovo al segnale RF che sta viaggiando nell`elica.
Questa interazione con relativa amplificazione avviene per tutta la lunghezza dell`elica.
La banda larga di amplificazione deriva dal fatto che nel dispositivo non ci sono risonatori che ne fissano la frequenza.
Togliendo l`attenuatore di uscita si può utilizzare l`onda riflessa e trasformare il TWT in un oscillatore (ma questo uso richiede cambiamenti costruttivi del TWT), anche se da tempo per questi scopi si usano i diodi Gunn o altri dispositivi a semiconduttore.
Nel funzionamento come amplificatore è bene infatti, come si è detto in precedenza, attenuare l`onda riflessa curando gli adattamenti di uscita in RF, poiché la potenza riflessa potrebbe bruciare l`elica.
I TWT a spirale hanno potenze massime fino a 2,5 KW. Per potenze superiori si ricorre ai TWT a cavità nei quali la spirale è sostituita da una serie di cavità disposte intorno all`asse del raggio elettronico, che formano una specie di guida d`onda a spirale.
Nei TWT a cavità la potenza massima ottenibile è nell`ordine di 15 KW. Le frequenze operative del TWT vanno da 300 MHz a 50 GHz. Dopo la scomparsa del cinescopio nei display dei TV e dei PC, il TWT, insieme a dispositivi similari come il klystron dei grossi trasmettitori per radiodiffusione e il magnetron dei forni a microonde, è rimasto l`unico tubo a vuoto ancora impiegato in apparati civili e militari, come ad esempio nei radar se è munito di griglia per ottenere segnali a impulsi.
Scrivendo “TWT” su Cerca si trova un altro TWT.
Per ragioni di complessità e di mancanza di caratteristiche specifiche dell`oggetto non riteniamo opportuno aggiungere altro.
La prima foto su sfondo rosso è di Daniele Maiani. Foto di Claudio Profumieri, elaborazioni, ricerche e testo a cura di Fabio Panfili.
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