מאת: ד”ר משה עינת, אוניברסיטת אריאל. התקני מצב מוצק לעומת שפופרות אלקטרונים
מאז פיתוח הטרנזיסטור בהדרגה הוחלפו שפופרות האלקטרונים ברוב תחומי האלקטרוניקה והיום הטרנזיסטור הוא אבן הבניין של המערכות האלקטרוניות השונות. אולם, יש תחומי פעולה שבהם עדיין הטרנזיסטור לא נותן מענה וההתקנים שמאפשרים מערכות בתחומים אלו הן עדיין השפופרות. תחומים אלו הם פעולה בהספק גבוה, בתדר גבוה, ובמיוחד השילוב שלהם. באיור 1 ניתן לראות באופן סכמתי את חלוקת אזורי הפעולה בין התקני מצב מוצק ושפופרות.
אחת השפופרות שיחסית רק לאחרונה נמצא לה תחליף היא שפופרת הקרן הקתודית (שק”ק) אשר שימשה בצגים ובטלוויזיות מהדור שעתה מסתלק מהעולם ומוחלף בצגים שטוחים למיניהם. לעומתה, קיימת שפופרת שכמעט ועברה יציאה מהעולם אבל לבסוף חוותה מהפך, עברה מהעולם הצבאי כמקור למכ”מ לעולם האזרחי לשימושי חימום, והיום נמצאת כמעט בכל מטבח. מדובר כמובן בשפופרת המגנטרון הוותיקה אשר מהווה את הלב של כל תנור מיקרוגל. באמצעות שפופרת פשוטה למדיי, בעלות של דולרים ספורים, ניתן לקבל הספק מסדר גודל של 1kW ~ ויותר בתדר מיקרוגל. לכך עדיין אין תחליף.
שפופות מיקרוגל
המגנטרון מהווה מקור לא קוהרנטי ולכן בשימושים צבאיים שונים הדורשים קוהרנטיות, פינה את מקומו לשפופרות קוהרנטיות כגון שפופרת-גל-נע (TWT) אשר מהווה את השפופרת הנפוצה ביותר בתחום. שפופרת זו מתהדרת ברוחב סרט גדול ובהספק טיפוסי של מאות וואט. שפופרת נפוצה נוספת היא הקלייסטרון אשר מוגבל ברוחב הסרט לעומת ה-TWT, אולם מסוגל להפיק הספקים גבוהים יותר, מסדר גודל של MW! עיקרון הפעולה של שפופרות אלו ודומיהן מבוסס על מבנה תומך גל מסוים, אשר מגדיר את תדר הפעולה האפשרי. ב-TWT נעשה שימוש במבנה מאט גל הדרוש להתאמת מהירות ההתפשטות של הגל והאלקטרונים, ובקלייסטרון קיים מבנה התומך בגל עומד. מכאן ניתן להבין את מגבלת התדר של שפופרות אלו. המבנה מגדיר את אורך הגל בו תפעל השפופרת. אם נדרש להעלות התדר, כלומר להקטין את אורך הגל, יש צורך להקטין את מידות המבנה בהתאם. ככל שמקטינים ומעדנים את המבנה משימת העברת האלקטרונים במבנה הופכת רגישה וקשה יותר. הזרם המרבי הניתן להעברה מבלי לפגוע במבנה מוגבל ולכן הספק המבוא וכמובן הספק המוצא יורדים. כך מגיעים למגבלת התדר וההספק של השפופרות הללו. כפי שניתן לראות באיור 1, עד 10GHz ניתן לקבל הספק גבוה מהקלייסטרון. אולם בעלייה מעבר לכך יש נפילה בהספק האפשרי, ובתחום הגמ”מ ניתן לקבל הספק מוגבל בלבד. דרך נוספת להבין את מגבלת השפופרות המבוססות על מבנה קשורה בפרופורציה בין אורך הגל ומידות האלומה. המבנה משפיע באופן מהותי על הגל אשר נמצא בקרבתו במונחי אורך גל. רחוק מהמבנה ההשפעה יורדת. לכן אלומת האלקטרונים צריכה לעבור באותו תחום בו הגל מושפע מהמבנה. בתדר נמוך תחום זה רחב ומאפשר העברת הספק ניכר מבלי לפגוע במבנה. אולם שוב, בהעלאת התדר והקטנת אורך הגל, האלומה חייבת להתקרב למבנה יותר ויותר. רק שם תתאפשר האינטראקציה בין הגלים לאלקטרונים. אם תחום זה קטן (ולא הומוגני), אלומת האלקטרונים אשר ניתן להעביר הופכת דַלת הספק וכך מתקבל גבול התחום היעיל של השפופרת.
הג’יירוטרון
כדי לקבל הספק גבוה בגלים מילימטריים יש לשנות קונספט שכן העברת אלומה אנרגטית כל כך קרוב למבנה היא לא מעשית. פתרון לבעיה זו נמצא בשפופרת הג’יירוטרון. העבודות הראשונות בתחום נעשו במספר מדינות באופן בלתי תלוי, אולם התורמים העיקריים לפיתוח שפופרת הג’יירוטרון הם
A. V. Gaponov, ו -M. I. Petelin, שניהם מהמכון לפיסיקה יישומית ברוסיה בעיר Nizhny Novgorod. בעשורים האחרונים שפופרת זו פותחה והודגמה בתחום הגלים המילימטרים בהספקי עתק בפולסים ובגל רציף. אחד השימושים המדעיים בשפופרת זו הוא לצורך חימום הפלזמה בהתקני טוקמק (tokamak) המשמשים להיתוך תרמו-גרעיני. ג’יירוטרון לשימוש זה מפיק מגה וואט בגל רציף בתדר בתחום 100-200GHz כך שמדובר בהתקן עתיר הספק. יעילות ההמרה של האנרגיה לגלים מילימטריים פחותה מ-50%. ג’יירוטרון עם הספק צנוע יותר מהווה מקור לשימושים אחרים כגון מכ”מ גלים מילימטריים וצורכי חימום תעשייתיים. באופן הדרגתי שפופרת זו חודרת הן לתחום הצבאי והן לתחום האזרחי. מנגד, צרכים קיימים ומתפתחים בתחום הגלים המילימטריים דורשים מקורות בתחום כאשר מעטפת הביצועים מוגבלת על ידיי הספק המקור. שימושים בתחום הם מכ”מ לצרכים צבאיים או אזרחיים, כאשר אורך הגל הקצר מאפשר רזולוציה משופרת, התמצאות בסביבת שדות תעופה, ועוד. כמו כן הדמיה בגלים מילימטריים הוא נושא בפיתוח ניכר בתקופה זו. גם צורכי תעשייה כגון חימום וטיפול בחומרים יכולים להיות משודרגים באמצעות מקור גלים מילימטריים רב עוצמה. הודגם והוכח כי ניתן לקבל חימום עם אחידות גבוהה וסלקטיביות מרחבית באמצעות ג’יירוטרון וכן לבצע סינטור קרמיקות וטיפול בחומרים מיוחדים. לרשימה זו ניתן להוסיף נושא של ייבוש וריתוך אשר מקבלים תכונות משופרות כאשר מבוצעים באמצעות גלים מילימטריים. רעיון מרחיק לכת אף יותר הוא העברת אנרגיה, שכן אורך הגל הקצר מאפשר מיקוד של האלומה המשודרת באמצעות אנטנות מעשיות מבחינת גודל. בהינתן מקור רב עוצמה ניתן להעביר אלומה ממוקדת נושאת אנרגיה רבה למקלט ייעודי ולהעביר אנרגיה למרחוק בצורה אלחוטית.
שפופרת הג’יירוטרון מורכבת מארבעה חלקים עיקריים (איור 2): תותח אלקטרונים, המפיק אלומה טבעתית (magnetron injection gun), מהוד, בו עוברים האלקטרונים ומתבצעת האינטראקציה, סליל, המשרה שדה מגנטי בהתקן, מוביל את האלקטרונים ומאפשר את האינטראקציה, וקולקטור אשר אוסף את האלקטרונים לאחר האינטראקציה ומוציא את הקרינה המופקת דרך חלון החוצה. אורך מהוד הג’יירוטרון עצמו הוא מספר סנטימטרים, קטן למדיי. אולם הקולקטור והסליל גדולים הרבה יותר, במיוחד בהתקנים עם הספק ממוצע גבוה. אורכו של ג’יירוטרון להספק של מספר קילו-וואט הוא מסדר גודל של חצי מטר.
מנגנון האינטראקציה של הג’יירוטרון מבוסס על אלומת אלקטרונים טבעתית אשר מתקדמת לאורך שדה מגנטי חזק המוביל את האלקטרונים במסלול ספיראלי. יחד עם ההתקדמות, האלקטרון מסתובב ברדיוס המכונה רדיוס לארמור. סיבוב זה מכיל מרכיב תנועה של האלקטרונים בניצב לכיוון ההתקדמות. רכיב זה מבצע אינטראקציה עם גל המתקיים בתוך מהוד. מבנה המהוד פשוט וחלק, עם מפתח רחב, כאשר השדה נמצא בחלל המהוד ולא מרוכז צמוד לקירות. מִפתח המהוד יכול להיות רחב למדיי, וכך ניתן להעביר הספק רב באלומה, תוך שהיא מבצעת אינטראקציה עם השדה בחלל המהוד.
תדר הפעולה של הג’יירוטרון הוא בקירוב תדר הסיבוב של האלקטרונים (או הרמוניה שלו) אשר ניתן במשוואה הבאה:
e – מטען האלקטרון
m – מסת האלקטרון
– המקדם היחסותי
n – מספר ההרמוניה
B – השדה המגנטי
גורם קריטי בקביעת התדר הוא השדה המגנטי B שיוצר הסליל, וניתן לקבוע בקירוב כי תדר הפעולה יהיה:
לצורך יצירת השדה המגנטי נעשה שימוש בסליל על מוליך או בסליל ממוליך רגיל. כאשר דרוש גל רציף יש יתרון לסליל על מוליך. כאשר דרושים פולסים שימוש בסליל ממוליך רגיל מפשט את המערכת, אולם עלול להגביל את קצב הפולסים.
בדומה לשפופרות אחרות, אינטראקציית הג’יירוטרון מבוססת על קיבוץ האלקטרונים לאורך ההתקן (bunching). אולם קיים הבדל משמעותי באופן הקיבוץ. בעוד שבשפופרות אחרות הקיבוץ נעשה לאורך ציר ההתקדמות, כלומר מתקבל איפנון בצפיפות זרם האלומה, בג’יירוטרון הקיבוץ הוא בפאזת הסיבוב ולא קיבוץ מרחבי ממש. ניתן לראות זאת באיור 3. בתחילת השפופרת האלקטרונים מפולגים באופן אחיד מבחינת פאזת הסיבוב שלהם. עם ההתקדמות בהתקן מתרחשת הזזה של פאזת האלקטרונים, חלקם מואצים וחלקם מואטים מבחינת הפאזה, עד שמתקבל מצב שבו רוב האלקטרונים נמצאים באותה פאזה ביחס לגל בסביבתם. כאשר האלקטרונים מגיעים לקיבוץ בפאזה נוצר מצב שכל אלקטרון ‘רואה’ את הגל באותה פאזה ביחס לסיבוב העצמי שלו ולכן כולם תורמים לגל יחד. כך מתקבלת העברת אנרגיה קינטית של כלל האלקטרונים לגל, אשר מתחזק והולך.
האלמנט האחרון בשפופרת הוא כאמור הקולקטור. שם נאספים האלקטרונים לאחר האינטראקציה ורוב ההספק במערכת מתפתח בקולקטור. עבור התקנים הפועלים באופן רציף הקולקטור הוא אתגר הנדסי המצריך תכנון מכני ותרמי מדוקדק. נוסף על כך, בקולקטור מתבצעת ההפרדה בין האלקטרונים והקרינה המופקת. בעוד שאת האלקטרונים יש לאסוף, את הקרינה יש להוציא החוצה דרך חלון לעבר העומס באשר הוא. באיור 2 מתואר קולקטור בו הקרינה משודרת באופן צירי, כלומר הקולקטור הוא גם מוליך גל. הקרינה המופקת מהג’יירוטרון יוצאת במוד המתאים למוד של מוליך הגלים הנמצא במהוד. ישנה גישה אחרת אשר בה מטים את הקרינה הצידה באמצעות מערכת מראות לתחום הגמ”מ, והקרינה יוצאת דרך חלון צידי. כך משוחרר הקולקטור מהצורך להיות גם מוליך גל וניתן לבנות אותו משיקולי איסוף האלקטרונים בלבד.
איזה קרינה ניתן לקבל?
כאמור, הג’יירוטרון הוא המקור האטרקטיבי ביותר לקבל קרינת גלים מילימטריים בהספק גבוה. לאור העובדה שמדובר בהתקן מבוסס מהוד, רוחב הסרט האפשרי הוא צר יחסית, כחצי אחוז. קיימים התקנים המאפשרים רוחב סרט גדול יותר, מספר אחוזים, עם יעילות נמוכה יותר. התחום האטרקטיבי לשפופרת זו הוא בתחום 30-300GHz, כאשר לאחרונה הודגמו התקנים הפועלים ב-1THz עד 1.3THz. ישנן מספר מעבדות בעולם בהן מתבצע מחקר בנושא ג’יירוטרון כאשר המובילות שבהן נמצאות ברוסיה, ובארה”ב. בהישען על מעבדות המחקר הללו הוקמו חברות אשר מוכרות שפופרות מסוג ג’יירוטרון. אולם עדיין קשה לקנות מהם שפופרות משתי סיבות: מחיר ואישורי ייצוא. מדינות נוספות בהם יש פעילות מחקרית משמעותית בתחום הם גרמניה, יפן וקוריאה, כאשר מתפתחת פעילות במדינות נוספות כמו הודו ואחרות. גם בישראל קיימת פעילות בתחום. באוניברסיטת ת”א בוצעו מספר מחקרים כאשר הפעילות התמקדה במחקר והדגמה של תופעות שונות בהתקנים בתחום המיקרוגל. בשנים האחרונות התחילה פעילות אינטנסיבית באוניברסיטת אריאל המכוונת לבניית התקן ג’יירוטרון לתחום הגלים המילימטריים בהספק של עשרות קילו-וואט. בנוסף לרכישת הידע הקיים בעולם בתחום, מפותח תותח אלקטרונים חדש המבוסס על קתודה קרה (לא תרמיונית) העשוייה מחומר פרואלקטרי. בניסוי האחרון התקבלה קרינה בתדר 95GHz ובהספק של 5kW בפולסים של כחצי מיקרושנייה. ההתקן פעל במקבצי פולסים בקצב של כ-0.7MHz. בנוסף להתקן זה שנמצא עדיין בפיתוח, מפותח ג’יירוטרון תרמיוני לאותו תדר אשר יפעל בגל רציף, וכן ג’יירוטרון נוסף לתדר 27GHz. הניסיון המצטבר מאפשר לבנות שפופרות בתחום התדרים 20-150GHz להספק של עשרות קילו-וואט בודדים לשימושים שונים.
הכותב הוא חבר סגל בפקולטה להנדסה באוניברסיטת אריאל והוא ראש המעבדה לפיתוח שפופרות.
