เครื่องกำเนิดคลื่นย้อนกลับ ( BWO ) หรือที่เรียกว่าคาร์ซิโนตรอนหรือหลอดคลื่นย้อนกลับเป็นหลอดสุญญากาศที่ใช้สร้างคลื่นไมโครเวฟได้ถึง ช่วง เทราเฮิร์ตซ์จัดอยู่ใน กลุ่ม หลอดคลื่นเดินทางและเป็นเครื่องกำเนิดคลื่นที่มีช่วงการปรับความถี่ทางอิเล็กทรอนิกส์กว้าง

ปืนอิเล็กตรอนสร้างลำแสงอิเล็กตรอนที่ทำปฏิกิริยากับโครงสร้างคลื่นช้า มันช่วยรักษาการสั่นโดยการแพร่กระจายคลื่นเดินทางย้อนกลับไปตามลำแสงพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ที่เกิดขึ้นจะมี อัตราเร็วกลุ่มในทิศทางตรงกันข้ามกับทิศทางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน พลังงานที่ได้จะถูกส่งออกไปใกล้กับปืนอิเล็กตรอน

เครื่องกำเนิดคลื่นไมโครเวฟแบบคาร์ซิโนตรอนมีสองประเภทหลัก คือประเภท M ( M-BWO ) ซึ่งมีกำลังสูงสุด และประเภท O ( O-BWO ) กำลัง ส่งออก ของประเภท O โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 1 มิลลิวัตต์ที่ 1000 กิกะ  เฮิร์ตซ์ ถึง 50 มิลลิ วัตต์ ที่ 200 กิกะ เฮิร์ต ซ์ คาร์ซิโนตรอนถูกใช้เป็นแหล่งกำเนิดคลื่นไมโครเวฟที่มีกำลังสูงและเสถียร เนื่องจากคุณภาพของหน้าคลื่นที่ผลิตได้ดี (ดูด้านล่าง) จึงถูกนำไปใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสงในการถ่ายภาพเทราเฮิร์ตซ์

เครื่องกำเนิดคลื่นย้อนกลับได้รับการสาธิตในปี พ.ศ. 2494 โดยBernard Epsztein ^{[ 1 ]}เป็นแบบ M และRudolf Kompfnerเป็นแบบ O BWO แบบ M เป็นการขยายปฏิสัมพันธ์ของแมกเนตรอน แบบไม่เกิดเรโซแนนซ์ที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า ทั้งสองแบบสามารถปรับความถี่ได้ในช่วงกว้างโดยการเปลี่ยนแรงดัน เร่ง สามารถกวาดผ่านย่านความถี่ได้เร็วพอที่จะปรากฏว่าแผ่รังสีครอบคลุมทั้งย่านความถี่พร้อมกัน ทำให้เหมาะสำหรับการรบกวนเรดาร์ อย่างมีประสิทธิภาพ โดยปรับความถี่ให้ตรงกับความถี่เรดาร์ได้อย่างรวดเร็ว คาร์ซิโนตรอนทำให้เครื่องรบกวนเรดาร์บนเครื่องบินมีประสิทธิภาพสูง อย่างไรก็ตามเรดาร์ที่ปรับความถี่ได้สามารถเปลี่ยนความถี่ได้เร็วพอที่จะบังคับให้เครื่องรบกวนใช้การรบกวนแบบกระจายทำให้กำลังส่งออกลดลงในย่านความถี่กว้างและลดประสิทธิภาพลงอย่างมาก

คาร์ซิโนตรอนถูกนำไปใช้ในการวิจัย การใช้งานในภาคพลเรือนและภาคการทหาร ตัวอย่างเช่น ระบบตรวจจับทางอากาศ แบบพาสซีฟ KopacและRamona ของเชโกสโลวาเกียใช้คาร์ซิโนตรอนในระบบรับสัญญาณของระบบเหล่านั้น

หลอดคลื่นเดินทางทั้งหมดทำงานในลักษณะทั่วไปเหมือนกัน และแตกต่างกันหลักๆ ในรายละเอียดของการสร้าง แนวคิดนี้ขึ้นอยู่กับกระแสอิเล็กตรอน ที่คงที่ จากปืนอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ไปตามศูนย์กลางของหลอด (ดูแผนภาพแนวคิด ด้านข้าง ) ล้อมรอบลำแสงอิเล็กตรอนด้วย สัญญาณแหล่งกำเนิด ความถี่วิทยุ บางชนิด ในกรณีของไคลสตรอน แบบดั้งเดิม นี่คือโพรงเรโซแนนซ์ที่ป้อนด้วยสัญญาณภายนอก ในขณะที่อุปกรณ์ที่ทันสมัยกว่าจะมีโพรงเหล่านี้หลายชุดหรือลวดโลหะเกลียวที่ป้อนด้วยสัญญาณเดียวกัน^{[ 2 ]}

ขณะที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปตามท่อ พวกมันจะทำปฏิกิริยากับสัญญาณ RF อิเล็กตรอนจะถูกดึงดูดไปยังบริเวณที่มีไบแอสบวกสูงสุดและถูกผลักออกจากบริเวณที่มีไบแอสลบ ซึ่งทำให้เกิดการรวมกลุ่มของอิเล็กตรอนเมื่อถูกผลักหรือดึงดูดไปตามความยาวของท่อ กระบวนการนี้เรียกว่าการปรับความเร็วกระบวนการนี้ทำให้ลำแสงอิเล็กตรอนมีโครงสร้างโดยทั่วไปเหมือนกับสัญญาณดั้งเดิม ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในลำแสงตรงกับแอมพลิจูดสัมพัทธ์ของสัญญาณ RF ในระบบเหนี่ยวนำ กระแสอิเล็กตรอนเป็นฟังก์ชันของรายละเอียดของปืน และโดยทั่วไปจะมีกำลังมากกว่าสัญญาณ RF ขาเข้าหลายเท่า ผลลัพธ์คือสัญญาณในลำแสงอิเล็กตรอนที่เป็นเวอร์ชันที่ขยายแล้วของสัญญาณ RF ดั้งเดิม^{[ 2 ]}

ขณะที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ พวกมันจะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็กในตัวนำที่อยู่ใกล้เคียง ซึ่งทำให้สามารถแยกสัญญาณที่ขยายแล้วออกมาได้ ในระบบเช่นแมกเนตรอนหรือไคลสตรอน กระบวนการนี้ทำได้โดยใช้โพรงเรโซแนนซ์อีกอันหนึ่ง ในการออกแบบแบบเกลียว กระบวนการนี้เกิดขึ้นตลอดความยาวของท่อทั้งหมด เสริมสัญญาณดั้งเดิมในตัวนำแบบเกลียว "ปัญหา" ของการออกแบบแบบดั้งเดิมคือมีแบนด์วิดท์ค่อนข้างแคบ การออกแบบที่ใช้เรโซเนเตอร์จะทำงานกับสัญญาณภายใน 10% หรือ 20% ของการออกแบบ เนื่องจากสิ่งนี้ถูกสร้างขึ้นทางกายภาพในการออกแบบเรโซเนเตอร์ ในขณะที่การออกแบบแบบเกลียวมีแบนด์วิดท์ ที่กว้างกว่ามาก อาจถึง 100% ทั้งสองด้านของจุดสูงสุดของการออกแบบ^{[ 3 ]}

BWO ถูกสร้างขึ้นในลักษณะที่คล้ายกับ TWT แบบเกลียว อย่างไรก็ตาม แทนที่สัญญาณ RF จะแพร่กระจายไปในทิศทางเดียวกัน (หรือคล้ายกัน) กับลำแสงอิเล็กตรอน สัญญาณดั้งเดิมจะเดินทางในมุมฉากกับลำแสง โดยปกติแล้วจะทำโดยการเจาะรูผ่านท่อนำคลื่นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าและยิงลำแสงผ่านรูนั้น จากนั้นท่อนำคลื่นจะเลี้ยวเป็นมุมฉากสองครั้ง ทำให้เกิดรูปทรงตัว C และตัดกับลำแสงอีกครั้ง รูปแบบพื้นฐานนี้จะถูกทำซ้ำไปตามความยาวของท่อ ดังนั้นท่อนำคลื่นจึงผ่านลำแสงหลายครั้ง ทำให้เกิดรูปทรงตัว S หลายชุด^{[ 2 ]}

สัญญาณ RF ดั้งเดิมเข้ามาจากปลายสุดของ TWT ซึ่งเป็นจุดที่พลังงานจะถูกสกัดออกมา ผลของสัญญาณต่อลำแสงที่ผ่านทำให้เกิดผลการปรับความเร็วแบบเดียวกัน แต่เนื่องจากทิศทางของสัญญาณ RF และลักษณะเฉพาะของท่อนำคลื่น การปรับความเร็วนี้จึงเดินทางย้อนกลับไปตามลำแสงแทนที่จะไปข้างหน้า การแพร่กระจายนี้ ซึ่งเป็นคลื่นช้าจะไปถึงรูถัดไปในท่อนำคลื่นแบบพับเช่นเดียวกับเฟสเดียวกันของสัญญาณ RF ซึ่งทำให้เกิดการขยายสัญญาณเช่นเดียวกับ TWT แบบดั้งเดิม^{[ 2 ]}

ใน TWT แบบดั้งเดิม ความเร็วในการแพร่กระจายของสัญญาณในระบบเหนี่ยวนำจะต้องคล้ายกับความเร็วของอิเล็กตรอนในลำแสง ซึ่งจำเป็นเพื่อให้เฟสของสัญญาณตรงกับอิเล็กตรอนที่รวมกลุ่มกันขณะที่ผ่านตัวเหนี่ยวนำ สิ่งนี้ทำให้เกิดข้อจำกัดในการเลือกความยาวคลื่นที่อุปกรณ์สามารถขยายได้ โดยขึ้นอยู่กับโครงสร้างทางกายภาพของสายไฟหรือห้องเรโซแนนซ์^{[ 2 ]}

ในกรณีของ BWO นั้น อิเล็กตรอนจะผ่านสัญญาณในมุมฉาก และความเร็วในการแพร่กระจายของอิเล็กตรอนจะไม่ขึ้นอยู่กับความเร็วของสัญญาณอินพุต ท่อนำคลื่นแบบคดเคี้ยวที่ซับซ้อนจะจำกัดแบนด์วิดท์ของสัญญาณอินพุตอย่างเข้มงวด ทำให้เกิดคลื่นนิ่งขึ้นภายในท่อนำคลื่น แต่ความเร็วของอิเล็กตรอนจะถูกจำกัดโดยแรงดันไฟฟ้าที่อนุญาตให้ใช้กับปืนอิเล็กตรอนเท่านั้น ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงได้ง่ายและรวดเร็ว ดังนั้น BWO จึงรับความถี่อินพุตเพียงความถี่เดียวและสร้างความถี่เอาต์พุตได้หลากหลาย^{[ 2 ]}

เดิมทีอุปกรณ์นี้ได้รับชื่อว่า "คาร์ซิโนตรอน" ตามชื่อภาษากรีกของกุ้งน้ำจืดซึ่งว่ายน้ำถอยหลัง^{[ 4 ]}เพียงแค่เปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าที่จ่าย อุปกรณ์นี้ก็สามารถสร้างความถี่ที่ต้องการได้ทั่วแถบความถี่ที่กว้างกว่าเครื่องขยายสัญญาณไมโครเวฟที่มีอยู่เดิมมาก - แมกเนตรอนแบบโพรงทำงานที่ความถี่เดียวซึ่งกำหนดโดยมิติทางกายภาพของตัวเรโซเนเตอร์ และในขณะที่ไคลสตรอนขยายสัญญาณภายนอก แต่ก็ทำได้อย่างมีประสิทธิภาพเฉพาะในช่วงความถี่แคบๆ เท่านั้น^{[ 2 ]}

ก่อนหน้านี้ การรบกวนเรดาร์เป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและใช้เวลานาน ผู้ปฏิบัติงานต้องคอยฟังความถี่ที่อาจถูกใช้ ตั้งค่าเครื่องขยายสัญญาณเครื่องใดเครื่องหนึ่งจากหลายเครื่องที่ความถี่นั้น แล้วจึงเริ่มออกอากาศ เมื่อสถานีเรดาร์รู้ว่าเกิดอะไรขึ้น พวกเขาก็จะเปลี่ยนความถี่และกระบวนการก็จะเริ่มต้นใหม่อีกครั้ง ในทางตรงกันข้าม คาร์ซิโนตรอนสามารถกวาดความถี่ที่เป็นไปได้ทั้งหมดได้อย่างรวดเร็วจนดูเหมือนเป็นสัญญาณคงที่ในทุกความถี่พร้อมกัน การออกแบบทั่วไปสามารถสร้างพลังงานได้หลายร้อยหรือหลายพันวัตต์ ดังนั้นที่ความถี่ใดความถี่หนึ่ง อาจมีพลังงานเพียงไม่กี่วัตต์ที่สถานีเรดาร์ได้รับ อย่างไรก็ตาม ในระยะไกล ปริมาณพลังงานจากการออกอากาศเรดาร์ดั้งเดิมที่ไปถึงเครื่องบินนั้นมีเพียงไม่กี่วัตต์เท่านั้น ดังนั้นคาร์ซิโนตรอนจึงสามารถเอาชนะพวกมันได้^{[ 2 ]}

ระบบนี้มีประสิทธิภาพมากจนพบว่าคาร์ซิโนตรอนที่ทำงานบนเครื่องบินจะเริ่มมีประสิทธิภาพแม้กระทั่งก่อนที่มันจะขึ้นเหนือขอบฟ้าเรดาร์เมื่อมันกวาดผ่านความถี่ต่างๆ มันจะออกอากาศบนความถี่การทำงานของเรดาร์ในเวลาที่แทบจะสุ่ม ทำให้จอแสดงผลเต็มไปด้วยจุดสุ่มทุกครั้งที่เสาอากาศชี้ไปใกล้ๆ อาจจะประมาณ 3 องศาในแต่ละด้านของเป้าหมาย มีจุดมากจนจอแสดงผลเต็มไปด้วยสัญญาณรบกวนสีขาวในบริเวณนั้น เมื่อเข้าใกล้สถานี สัญญาณก็จะเริ่มปรากฏในไซด์โลบ ของเสาอากาศด้วย ทำให้เกิดพื้นที่เพิ่มเติมที่ถูกบดบังด้วยสัญญาณรบกวน ในระยะใกล้ ประมาณ100 ไมล์ (160 กม.) จอแสดงผลเรดาร์ทั้งหมดจะเต็มไปด้วยสัญญาณรบกวน ทำให้ใช้งานไม่ได้^{[ 2 ]} 

แนวคิดนี้มีประสิทธิภาพมากในฐานะเครื่องรบกวนสัญญาณจนทำให้เกิดความกังวลอย่างจริงจังว่าเรดาร์ภาคพื้นดินจะล้าสมัย เรดาร์บนเครื่องบินมีข้อได้เปรียบตรงที่สามารถเข้าใกล้เครื่องบินที่บรรทุกเครื่องรบกวนสัญญาณได้ และในที่สุด กำลังส่งมหาศาลจากเครื่องส่งสัญญาณจะ "ทำลาย" การรบกวนสัญญาณนั้นได้ อย่างไรก็ตาม เครื่องบินสกัดกั้นในยุคนั้นอาศัยการกำหนดทิศทางภาคพื้นดินเพื่อเข้าสู่ระยะทำการ โดยใช้เรดาร์ภาคพื้นดิน ซึ่งถือเป็นภัยคุกคามอย่างมากต่อปฏิบัติการป้องกันภัยทางอากาศ^{[ 5 ]}

สำหรับเรดาร์ภาคพื้นดิน ภัยคุกคามดังกล่าวได้รับการแก้ไขในที่สุดด้วยสองวิธี วิธีแรกคือการอัพเกรดเรดาร์ให้ทำงานบนความถี่ต่างๆ มากมายและสลับไปมาระหว่างความถี่เหล่านั้นแบบสุ่มจากพัลส์หนึ่งไปยังอีกพัลส์หนึ่ง ซึ่งเป็นแนวคิดที่เรียกว่าความคล่องตัวทางความถี่ ความถี่บางส่วนเหล่านี้ไม่เคยถูกใช้ในช่วงเวลาสงบสุข และเป็นความลับอย่างยิ่ง โดยหวังว่าผู้ก่อกวนจะไม่รู้ความถี่เหล่านี้ในยามสงคราม คาร์ซิโนตรอนยังคงสามารถกวาดผ่านย่านความถี่ทั้งหมดได้ แต่ในกรณีนั้นมันจะออกอากาศบนความถี่เดียวกับเรดาร์เฉพาะในช่วงเวลาสุ่มเท่านั้น ซึ่งจะลดประสิทธิภาพลง วิธีแก้ปัญหาอีกวิธีหนึ่งคือการเพิ่มตัวรับสัญญาณแบบพาสซีฟที่ใช้การหาตำแหน่งแบบสามเหลี่ยมบนการออกอากาศของคาร์ซิโนตรอน ทำให้สถานีภาคพื้นดินสามารถสร้างข้อมูลการติดตามที่แม่นยำเกี่ยวกับตำแหน่งของผู้ก่อกวนและทำให้สามารถโจมตีสถานีเหล่านั้นได้^{[ 5 ]}

โครงสร้างคลื่นช้าที่จำเป็นต้องใช้จะต้องรองรับ สนามไฟฟ้า ความถี่วิทยุ (RF) ที่มีส่วนประกอบตามแนวยาว โครงสร้างเหล่านี้เป็นแบบคาบในทิศทางของลำแสงและทำหน้าที่เหมือนตัวกรองไมโครเวฟที่มีแถบผ่านและแถบหยุด เนื่องจากความเป็นคาบของรูปทรงเรขาคณิต สนามจึงเหมือนกันในแต่ละเซลล์ ยกเว้นค่าคงที่ของการเลื่อนเฟส Φ การเลื่อนเฟสนี้ ซึ่งเป็นจำนวนจริงล้วนในแถบผ่านของโครงสร้างที่ไม่มีการสูญเสีย จะแปรผันตามความถี่ ตามทฤษฎีบทของฟลอเกต์ (ดูทฤษฎีบทของฟลอเกต์ ) สนามไฟฟ้า RF E(z,t) สามารถอธิบายได้ที่ความถี่เชิงมุม ω โดยผลรวมของ "ฮาร์มอนิกเชิงพื้นที่หรือฮาร์มอนิกอวกาศ" E

${\displaystyle E(z,t)=\sum _{n=-\infty }^{+\infty }{E_{n}}e^{j({\omega }t-{k_{n}}z)}}$

โดยที่เลขคลื่นหรือค่าคงที่การแพร่กระจาย k ของแต่ละฮาร์มอนิกจะแสดงได้ดังนี้

k = (Φ + 2nπ) / p (-π < Φ < +π)

โดยที่ z คือทิศทางการแพร่กระจาย, p คือระยะห่างของวงจร และ n คือจำนวนเต็ม

ตัวอย่างสองตัวอย่างของลักษณะวงจรคลื่นช้าแสดงไว้ในแผนภาพ ω-k หรือ แผนภาพ บริลลูอิน :

• ในรูป (a) ฮาร์มอนิกเชิงพื้นที่พื้นฐาน n=0 คือฮาร์มอนิกเชิงพื้นที่ไปข้างหน้า ( ความเร็วเฟส v =ω/k มีเครื่องหมายเดียวกับความเร็วกลุ่ม v =dω/dk ) เงื่อนไขการซิงโครไนซ์สำหรับการปฏิสัมพันธ์ย้อนกลับอยู่ที่จุด B ซึ่งเป็นจุดตัดของเส้นที่มีความชัน v - ความเร็วของลำแสง - กับฮาร์มอนิกเชิงพื้นที่ย้อนกลับตัวแรก (n = -1)
• ในรูป (b) ค่าพื้นฐาน (n=0) อยู่กลับด้าน

โครงสร้างแบบเป็นคาบสามารถรองรับฮาร์โมนิกเชิงพื้นที่ทั้งแบบไปข้างหน้าและย้อนกลับ ซึ่งไม่ใช่โหมดของสนาม และไม่สามารถดำรงอยู่ได้อย่างอิสระ แม้ว่าลำแสงจะสามารถเชื่อมต่อกับฮาร์โมนิกเชิงพื้นที่เพียงโหมดเดียวได้ก็ตาม

เนื่องจากขนาดของฮาร์มอนิกเชิงพื้นที่ลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อค่า n มีขนาดใหญ่ ปฏิสัมพันธ์จึงจะมีนัยสำคัญเฉพาะกับความถี่พื้นฐานหรือฮาร์มอนิกเชิงพื้นที่แรกเท่านั้น

คาร์ซิโนตรอนชนิด Mหรือออสซิลเลเตอร์คลื่นย้อนกลับชนิด Mใช้สนามไฟฟ้าสถิต E และสนามแม่เหล็ก B ที่ตั้งฉากกัน คล้ายกับแมกเนตรอนเพื่อโฟกัสลำแสงอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ตั้งฉากกับ E และ B ไปตามวงจรคลื่นช้า ด้วยความเร็ว E/B ปฏิกิริยาที่รุนแรงเกิดขึ้นเมื่อความเร็วเฟสของฮาร์มอนิกเชิงพื้นที่หนึ่งของคลื่นเท่ากับความเร็วของอิเล็กตรอน ทั้งส่วนประกอบ E และ E ของสนาม RF มีส่วนร่วมในปฏิกิริยา (E ที่ชะลอตัวของคลื่นช้า จะสูญเสียพลังงานศักย์ที่พวกมันมีในสนามไฟฟ้าสถิต E และไปถึงวงจร ขั้วไฟฟ้าเดี่ยวมีประจุลบมากกว่าแคโทด เพื่อหลีกเลี่ยงการสะสมอิเล็กตรอนที่ได้รับพลังงานในขณะที่ทำปฏิกิริยากับฮาร์มอนิกเชิงพื้นที่ของคลื่นช้า

เครื่องกำเนิดคลื่นย้อนกลับแบบ O-typeหรือ O-type carcinotron ใช้ลำอิเล็กตรอนที่ถูกโฟกัสในแนวยาวโดยสนามแม่เหล็ก และวงจรคลื่นช้าที่ทำปฏิกิริยากับลำอิเล็กตรอนนั้น โดยมีตัวเก็บรวบรวมลำอิเล็กตรอนอยู่ที่ปลายหลอด

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับออสซิลเลเตอร์คลื่นย้อนกลับ

• พิพิธภัณฑ์วาล์วเสมือนจริง Thomson CSF CV6124 (Wayback Machine)