Kuka keksi tutkan?

By Cornell Drentea, KW7CD

———-

Aina kun ajattelemme radiotoimintaa, ajattelemme tavallisesti yhtä miestä: Guglielmo Marconi.

Radar sen sijaan syntyi monen miehen työn tuloksena.

Vuonna 1793 italialainen tiedemiesLazzaro Spallanzani, Padovan yliopiston professori, tutki sokeiden lepakoiden kykyä suunnistaa ultraäänen avulla. Hän havaitsi, että lepakot lensivät hyvin pimeässä ilman näön apua. Sitten hän suunnitteli ainutlaatuisen kokeen osoittaakseen lepakon korvien käytön ja päätteli, että lepakko eksyisi ilman kuuloaan. Hän päätteli, että lepakot tuottivat jatkuvia äänipulsseja, ja esitti, että näiden pulssien nopeus kasvoi, kun lepakko lähestyi kohteita. Tämä todistettiin vasta vuonna 1939, kun Harvardin yliopiston professori Don Griffin vahvisti ilmiön käyttämällä uusia äänentallennustekniikoita ja välineitä, joita ei ollut aiemmin saatavilla. Vaikka nämä tutkimukset eivät johtaneet välittömiin johtopäätöksiin, käsitteiden avulla luotiin ensimmäiset tutkat.

Jo vuonna 1864 brittiläinen fyysikko James Clerk Maxwell kehitti yhtälöt, jotka hallitsivat sähkömagneettisten aaltojen käyttäytymistä ja heijastuslakeja. Vuonna 1886 saksalainen fyysikkoHeinrich Hertz teki kokeita kipinälähettimillä ja tuotti vaimennettuja RF-aaltoja, joiden aallonpituus oli 66 cm. Sen jälkeen hän havaitsi, että sähkömagneettiset aallot voivat kulkea joidenkin materiaalien läpi, kun taas toiset materiaalit heijastavat niitä. Niinpä vastikään löydetyt sähkömagneettiset aallot nimettiin hänen nimensä mukaan Hertzin aalloiksi.

Varhainen panos

Vasta vuonna 1903 saksalainen insinööriChristian Hulsmeyer ehdotti ja kehitti laivojen ”esteilmaisimen”. Hänen kokeilunsa onnistuivat kilometrin etäisyydellä, mutta eivät johtaneet käytännölliseen tutkaan. Törmäyksenestojärjestelmänä tutkaa pidettiin toivottavana välineenä erityisesti sen jälkeen, kun radioviestintä oli menestyksekkäästi käytetty Titanicin onnettomuudessa vuonna 1912.

Tutkasta tuli käytännöllinen useiden 1800-luvun vaihteessa ja 1900-luvun alussa lähes sattumalta tapahtuneiden keksintöjen ansiosta. Ensinnäkin vaimentamattomien tai jatkuvien radioaaltojen jatkuva tuottaminen tuli mahdolliseksi, kun Lee De Forest (sen keksijä) keksi vuonna 1906 termioniventtiilin tai Audionin, kuten sitä kutsuttiin. Se oli jatkoa aiemmalle Flemingin vuonna 1904 tekemälle venttiilin keksinnölle ja Edisonin vuonna 1883 tekemälle efektin keksinnölle.

Audion mahdollisti radiovastaanottimien tekniikan jatkokehityksen Edwin H. Armstrongin vuonna 1918 tekemän superheterodynaradiovastaanottimen keksinnön myötä, joka on edelleen käytössä. Viimeinen merkittävä keksintö, joka lopulta mahdollisti tutkan käytön, oli oskilloskoopin varhainen käyttöönotto vuonna 1920, joka puolestaan mahdollisti ensimmäistä kertaa tapahtumien välisten aikavälien ja siten etäisyyksien näyttämisen katodisädeputkella, mikä oli toinen Audionin seuraus. Tästä lähtien oli vain ajan kysymys, milloin tutkasta tulisi merkittävä osa elämäämme.

Vuoden 1920 jälkeen tutkan kehitys oli välitöntä. Marconi pohdiskeli vakavasti mahdollisuutta määrittää etäisyys radiolla vuonna 1916. Hän pani merkille lyhytaaltoisten morsekoodin radioviestintäsignaalien heijastumisen ja mahdollisuuden käyttää näitä signaaleja paitsi viestintään myös kohteiden etäisyyden määrittämiseen kaikujen avulla. Kesäkuussa 1922 New Yorkissa Amerikan sähkö- ja radioinsinöörien instituutissa pidetyssä American Institute of Electrical and Radio Engineers -konferenssissa hän tunnusti tutkan toteutumisen avauspuheenvuorossaan. Sen jälkeen hän ennusti uudentyyppisiä meriradiolaitteita, jotka heijastaisivat radioaaltoja ja havaitsisivat niiden heijastukset metallisista esineistä siten, että ne ”paljastaisivat välittömästi” muiden alusten läsnäolon ja suunnan pimeässä tai sumussa. Lisätyötä vuonna 1922 tekivät Taylor ja Young NRL:ssä, jotka havaitsivat puisia aluksia käyttämällä jatkuvan aallon radiotekniikkaa 5 metrin aallonpituudella. Vuonna 1924 brittiläinen fyysikko Sir Edward Victor Appleton käytti radiokaikuja ionosfäärin korkeuden määrittämiseen, ja vuonna 1925 Yhdysvalloissa Breit ja Tuve käyttivät ensimmäistä kertaa pulssitutkatekniikkaa samaan tarkoitukseen.

Lisätyötä tehtiin Neuvostoliitossa vuonna 1934. Sen tuloksena syntyi karkea varhaisvaroitustutkajärjestelmä, jota käytettiin toisen maailmansodan aikana saksalaisia lentokoneita vastaan Leningradin ja Moskovan kaupunkien suojelemiseksi. Samaan aikaan, vuonna 1934, Yhdysvalloissa myönnettiin patentti Taylorille, Youngille ja Hylandille NRL:ssä järjestelmästä, jolla havaittiin kohteita radioteitse, ja lisää kiinnostusta tutkan kehittämiseen osoittivat Yhdysvalloissa laivaston tutkimuslaboratorio, Yhdysvaltain armeijan viestijoukot, RCA ja AT&T Bell Laboratories. Lisätutkakehitystä tapahtui Saksassa 1930-luvulla Rudolf uhnholdin ja elektroniikkayhtiö Telefunkenin toimesta, jotka alkoivat kokeilla laivojen radiohavainnointia.

MMarconin alkutyö merenkulun suunnanmääritystekniikoiden parissa auttoi tasoittamaan tietä ensimmäisen käytännöllisen tutkan kehittämiselle Isossa-Britanniassa. Tämä työ on liitetty brittiläiseen fyysikkoon Sir Robert Watson-Wattiin, joka helmikuussa 1935 esitteli ensimmäisen HF-tutkajärjestelmän, joka toimi 6 MHz:n taajuudella ja havaitsi lentokoneet 8 mailin etäisyydeltä. Syyskuussa 1935 brittitutkijat demonstroivat pulssitutkan 12 MHz:n taajuudella. Tämä havaitsi lentokoneet yli 40 mailin etäisyydeltä, ja maaliskuussa 1936 Iso-Britannia demonstroi lentokoneiden havaitsemista 25 MHz:n taajuudella 90 mailin etäisyydeltä. Samaan aikaan Yhdysvalloissa NRL kokeili ensimmäisiä tutkakaikuja puolen mikrosekunnin pulsseilla käyttäen vielä korkeampaa taajuutta, 28,3 MHz, 2,5 mailin etäisyydellä. Pian tämän jälkeen kantama laajennettiin 25 mailiin.

”Chain-Home”

Vasta vuonna 1939 Isossa-Britanniassa harkittiin vakavasti tutkan käyttöä varhaisvaroituspuolustuksessa. Monimutkainen järjestelmä rakennettiin nopeasti ensimmäistä kertaa käytännön työkaluksi. Sir Watson-Wattin aiemmat kokeilut ilmapuolustuksen alalla vuonna 1935 tuottivat tulosta, ja tuloksena oli Englannin ensimmäinen käytännöllinen HF-varoitustutkajärjestelmä. Tätä kutsuttiin nimellä ”Chain-Home.”

Järjestelmä koostui monista pulssitutka-asemista, jotka oli rakennettu 350 jalan korkuisiin torneihin paljolti ”ketjun” tapaan Brittein saarten ympärille suojaamaan Englantia saksalaisten ilmahyökkäyksiltä. ”Chain-Home”-järjestelmä linjasi koko Englannin etelä- ja itärannikon.

Vaikka tämä järjestelmä palveli tarkoitustaan, HF-asennukset olivat melko suuria aallonpituuden kannalta, ja RF-tehoa rajoitti silloinen varhainen putkiteknologia, mikä johti rajalliseen suorituskykyyn.

Heti kävi ilmi, että monimutkaisuudestaan huolimatta ”Chain-Home”-järjestelmän suorituskyky oli rajallinen. Tarvittiin jotain parempaa, jolla voitettaisiin tekniikan puutteet. Jotta voitiin nähdä suuremmalla resoluutiolla ja kauemmas, tarvittiin korkeampia taajuuksia (lyhyempiä aallonpituuksia) ja suurempitehoisia lähetystekniikoita.

Magnetroni

Vuosi oli 1939. Nähdessään ”Chain-Home”-järjestelmän puutteet Britannian hallitus pyysi kahta tiedemiestä, professori John Randallia ja professori Henry Bootia Birminghamin yliopiston fysiikan laitokselta keksimään tehokkaan mikroaaltolähteen korvaamaan vanhan putkitekniikan. Vain kuusi kuukautta myöhemmin nämä kaksi tiedemiestä keksivät helmikuussa 1940 resonanssikaviteettimagnetronin.

Tämä magnetroni tuotti 10 kilowatin RF-tehon 10 senttimetrin aallonpituudella, noin tuhat kertaa tehokkaamman kuin mikään muu putkimikroaaltolähde tuolloin.

Magnetroni oli kuitenkin oikukas laite valmistaa, ja Iso-Britannia huomasi nopeasti Saksan ilmahyökkäysten jo kuristaman teollisuutensa kyvyttömyyden valmistaa magnetroneja tarvittavissa määrin uusien ja parempien tutkajärjestelmien tuottamiseksi. Oli selvää, että magnetronin monipuolisuus voisi tarjota lentokoneille ennennäkemättömän kyvyn nähdä saksalaisten sukellusveneiden periskooppeja merellä ja tankkeja maalla. Magnetroni voisi todella mullistaa tutkatekniikan.

Britannialla oli edessään epätoivoisimmat hetkensä. Pommeja putoili öisin Liverpoolin ja Lontoon ylle, ja natsien hyökkäys oli välitön. Rajallisten resurssiensa ollessa täysin sidottuna Britannian pääministeri Winston Churchill teki nopeasti päätöksen lähettää magnetronikeksintö Yhdysvaltoihin, jossa oli helposti saatavilla valtavat teolliset voimavarat sen valmistamiseksi.

Kaukana saksalaisten pommituksista ja purjehtien Liverpoolista ensimmäinen magnetroni ylitti salaa Atlantin syyskuussa 1940 kanadalaisella linjavarustamolla Duchess of Richmondin kyydissä. Tämä oli erittäin salainen tehtävä, jonka suoritti Sir Henry Tizard, Imperial College of Science and Technologyn rehtori ja Britannian hallituksen tärkeimmän ilmapuolustusta käsittelevän tiedekomitean puheenjohtaja. Tämä historiallinen tapahtuma tunnetaan nimellä Tizardin operaatio.

Britannialainen magnetroni saapuu Raytheonille

Duchess of Richmond saapui hiljaa Newfound Landin Cape Raceen ja Halifaxin satamaan aamulla 6. syyskuuta 1940. Sieltä arvokas lasti lähti rautateitse Washingtoniin. Seuraavien päivien aikana Tizard tapasi Yhdysvaltain hallituksen virkamiehiä, muun muassa laivastoministeri Franklin Knoxia ja FDR:ää.

Viimein Tizard tapasi teknisen yhdysvaltalaisen virkaveljensä, tri. Vannevar Bushin, joka oli tiedemies MIT:ssä ja myös American Appliance Companyn, joka tunnetaan myös nimellä Raytheon (nimi, joka tarkoittaa Jumalan valoa), joka on suuri vakiintunut elektroniikkavalmistaja Yhdysvalloissa, toinen perustaja.

Tässä vaiheessa Raytheon astuu magnetroniteollisuuden liiketoimintaan. Tizardin ja Raytheonin pääinsinöörin Percy L. Spencerin välille järjestettiin nopeasti tapaaminen. Spencer oli loistava itseoppinut insinööri ja innokas radioamatööri, jolla oli käytännöllinen käsitys siitä, mitä voidaan saavuttaa. Hän kuunteli tarkkaan brittien kuvaamia valmistusongelmia ja pyysi saada ottaa magnetronin kotiinsa viikonlopuksi leikkimään sillä hamekopissaan. Lupa myönnettiin, ja Spencer keksi radikaaleja muutoksia ja suorituskyvyn parannuksia, joiden ansiosta magnetroni oli ensimmäistä kertaa valmistettavissa. Raytheon sai välittömästi sopimuksen pienestä määrästä magnetroneja, ja toisen maailmansodan loppuun mennessä Raytheon valmisti yli 80 prosenttia kaikista Yhdysvaltojen magnetroneista.

Percy Spencerin ansiosta magnetroni löysi tiensä myös mikroaaltouuniin. Vuonna 1945 Spencer löysi paidantaskustaan sulavan suklaapatukan seisoessaan magnetronilla toimivan tutkan edessä. Hän tajusi heti tämän löydön arvon. Keksijä Spencer, joka sai elämänsä aikana yli 120 patenttia, näki magnetronin käytännöllisen sovelluksen keittiössä ja piti heti pussia maissinsiemeniä magnetronikäyttöisen tutkalähettimen vieressä ja sai popcornia. Raytheon kehitti ja toi markkinoille ensimmäisen magnetronia käyttävän mikroaaltouunin vuonna 1954. Se tunnettiin nimellä 1161 Radar Range. Se oli viisimetrinen ja painoi 750 kiloa. Aluksi sitä käytettiin vain luksusravintoloissa ja valtamerilaivoilla, mutta vuonna 1967 Raytheonin Amana-divisioona valmisti ensimmäisen kotitalouskeittiön mikroaaltouunin. Nykyään magnetroni on jokaisessa keittiössä. Useimmat magnetronit valmistetaan nykyään Japanissa tai Kiinassa.

Alkaen sen perustamisesta vuonna 1922 American Appliance Company -nimisenä yrityksenä vuonna 1925 Raytheonina (Light of Gods), tasasuuntaajaputken (nimeltään Raytheon) keksimisestä, jonka ansiosta radiovastaanottimet toimivat vaihtovirralla ilman paristoa, ensimmäisestä ohjuksesta, avaruustietokoneista, jotka tekivät historialliset kuunmatkat mahdollisiksi, nykyiseen läsnäoloon radio- ja tutka-alan jokaisella osa-alueella Raytheon on ollut kiistaton maailmanlaajuinen johtava yritys radiotaajuustekniikassa.