Dit artikel heeft ook in het Radio Historisch Tijdschrift van de NVHR gestaan.
Met dank aan Gert-Jan Bartstra & Jan Wolthuis.

In RHT 104, maart 2003, hebben wij een verhaal geschreven over de Engelse AI ("Air Interception") vliegtuig boordradar in de Tweede Wereldoorlog, aan de hand van een op een beurs gevonden oude indicator unit type 73. Naar aanleiding van dat artikel hebben we vragen gekregen over die 73 unit en speciaal over de centimeter radar. Daarom willen we nog een keer ingaan op de Engelse AIS apparatuur ("Air Interception S-band", ruwweg 10 cm golflengte) en van de gelegenheid gebruik maken om een bijzondere radiobuis te belichten die daarin voorkomt: her reflex-klystron.

De Engelse AI radar voor nachtjagers verbeterde enorm toen men vanaf de zomer 1941 van meter­golven op centimetergolven overschakelde: de bundeling van de uitgezonden pulsen werd smal­ler en preciezer (als een onzichtbaar zoeklicht) en her teruggekaatste signaal kwam sterker en met grotere defmitie (en een geheel nieuwe presentatie, als gevolg van de "radial timebases"!) op her beeld­scherm. Bodemecho's waren niet zo storend meet, zelfs niet bij laagvliegen (de hinderlijke "ground clutter" werd een neutrale "ground return"). Zoals gezegd in her vorige artikel, was de eerste Engelse AIS radar de haastig en voor een groot deel met de hand in elkaar gezette Mark VII; de opvolgende Mark VIII was in feite de grootschalige en verbe­terde productieserie. Beide radars werkten op een golflengte van 9.1 cm (3300 MHz).

De 73 unit (figuur 1) maakte deel uit van de Mark VIII; behalve de beeldbuis (een VCR138A, met elektrostatische afbuiging) zijn de tijdbasis verster­kers er in opgenomen (tweemaal pentode VRGS) en de circuits voor her opwekken van de "marker" pulsen (zie verder; tweemaal VRGS en eenmaal diode VR92). De diverse hoogspanningen werden via kabels aan de unit toegevoerd (ondermeer de 2000 volt voor de KSB); een gloeispanningstrafo (in teer gegoten) is ingebouwd. De sockets voor de pluggen en kabels zitten links op her front van de indicator.

	Figuur 1. Indicator unit type 73 van de AI Mark VIII boordradar, gemaakt door Fkco.
	Figuur 2. Knoppen en sockets op de indicator 73. Zie tekst voor uitleg.

De radaroperator/navigator kon op her scherm van de 73 unit (diameter ongeveer 8 cm) cirkel­of boogvormige patronen waarnemen ("arcs") die hem vertelden waar zich in her luchtruim voor her eigen toestel andere vliegtuigen ophielden. In feite was de informatie die op dat toch vrij kleine scherm verscheen, complex. Behalve die (delen van) cirkels die vliegtuigen betekenden (C in figuur 2; zie ook figuur 5 in her vorige artikel), was er de rechte lijn van de bodemecho's (die de bewegingen van her eigen toestel volgde en dus prachtig als kunstmatige horizon kon fungeren; A in figuur 2); voorts een min of meet diffuse halo ("height ring", in feite ook een bodemreflectie; B in figuur 2) waaraan de hoogte van her eigen toestel kon worden afgemeten; en clan nog series heldere punten in ringvormige patronen ("marker rings") die met opzet op her scherm konden worden gezet om beret plaats en hoogte van doelen te kunnen inschatten. Ook konden nog centimeter radar bakens ("racons") op de grond worden waargenomen; belangrijk voor de beman­ning om in de donkere nacht her eigen vliegveld terug te kunnen vinden en een "blind approach" te kunnen uitvoeren. Om dat alles goed op her schermpje te krijgen, moest een aantal knoppen rechts op de 73 unit met gevoel worden bespeeld: naast de potmeters voor "brilliance" en "focus" (VR.10 en VR. 9 in figuur 2), waren dat de "range selection switch" (S.W 1 in figuur 2; een zeer complexe schakelaar met zo'n tien dekken, misschien wel her hart van de 73 unit, die in de volle lengte van her appa­raat is geTnstalleerd en waarmee bijvoorbeeld tot 2 of 8 mijl (ongeveer 3 en 12 km) zoekradius kon worden geschakeld en waarmee ook de "racon scan" kon worden ingezet), de "marker switch" (S.W2 in figuur 2) die her patroon van kunst­matige hoogteringen op her scherm zette en een "interrogator switch" (S.W3 in figuur 2) voor de IFF ("Identification Friend Foe"): zit er een vijan­delijk of eigen toestel voor de neus? Ook kon de gevoeligheid van her hele systeem worden bein­vloed met een "gain" potmeter (VR.8 in figuur 2) en waren er instelpots (V R.6 en 7 in figuur 2) voor de positie van de figuren op her scherm.

Vanaf januari 1942 verschenen steeds meet zwart geverfde Beaufighter en Mosquito nachtjagers op de Engelse vliegvelden met de rypische "thim­ble nose" of "radome", een teken dat ze met een centimeter radar waren uitgerust. Daartoe werd de neus van her toestel van dielektrisch mate­riaal gemaakt (perspex), dat de 9.1 cm straling ongehinderd doorliet en waarachtec de dipool­antenne en (aluminium) parabolische reflector schuil gingen (zie figuur 4 in her vorige artikel). Her radarsignaal van de Mark VIII werd uitge­zonden en opgevangen door eenzelfde miniatuur dipool (voor 3300 MHz) die vast was opgesteld en waarachter de holle reflector spiegel (diameter ongeveer 90 cm) zeer snelle (her cog kon ze niet volgen) spiraalvormige bewegingen maakte (de zogenaamde "spiral scan"). Deze merkwaardige (maar slimme) oplossing werd gekozen, omdat de Britten her nog niet klaarspeelden om een 9.1 cm signaal zonder verliezen van een snel zwenkende dipool naar de ingang van de zendontvang unit te krijgen. Dan maar andersom, een vaste dipool en een draaiende reflector: nu kon her signaal eenvoudig via een kort stuk (verliesarme) coax worden geleid. Her systeem had wel tot gevolg dat de reikwijdte van de radarpulsen alleen dan groot was, wanneer de reflector precies gericht en op de j uiste afstand achter de dipool stond, dus in rechte lijn voor her toestel uit (bij de Mark VIII theoretisch ongeveer 12 km, hoewel dat in de praktijk zelden werd gehaald). Zogauw de reflec­tor begon weg te spiralen reikte de "aerial lobe" minder ver (tot ongeveer 3 km). Van die rechte lijn vooruit (naar welke positie de parabool steeds even terugkeerde in zijn spiraalbewegingen) kon op die manier tot ongeveer 40° zijwaarts worden gekeken (de "search angle").

Van de indicator unit van de Mark VIII zijn drie uitvoeringen bekend, resultaat van drie min of meet parallel lopende productielijnen. De eerste uitvoering is her type 73; over dit model hebben we her tot nu toe steeds gehad (figuur 1). De Mark VIII boordradar met indicator 73 is met 1500 stuks in 1942 gebouwd in de fabrieken van E.K.Cole (Ekco in Malmesbury). De tweede uitvoering is her type 73-A (figuur 3). Deze is met 1000 stuks gebouwd door GEC (General Electric Company in Coventry); de produktie begon al eind 1941. De frontplaten van de typen 73 en 73­A zijn afwijkend en intern zijn ze totaal verschil­lend opgebouwd. Her chassis van her GEC-type is overzichtelijker en de componenten zijn beret toegankelijk. Anderzijds is her type 73 zwaarder en robuuster. De bedradingsschemas zijn gelijk. Dat geldt niet voor de derde uitvoering van de indica­tor unit: type 198. Her schema daarvan is anders omdat de set geschikt was (naast de AI functie) voor her weergeven van signalen van metergolf bakens. Dit lijkt een stap terug: men was toch met centimeters bezig? Maar de ervaringen die in 1941 waren opgedaan met de 1'h meter "responder" bakens voor navigatie doeleinden waren zo goed, dat men her systeem niet kwijt wilde, ook niet als de vliegtuigen met centimeter radar werden uitge­rust. Vandaar her "Lucero" concept: een meter­golf zendontvang inrichting aan boord van de nachtjager, waarvan de bediening en uitlezing via de centimeter radar ging. Schakeltechnisch slim bedacht, maar her gaf aanleiding tot veel storingen en gefrustreerde bemanningen: als de radar uitviel, was men ook nog eens een goed navigatie systeem kwijt. "Lucero" werd dan ook algauw weer verla­ten en de radar apparatuur werd gescheiden van de meter baken navigatie ("Rebecca"). Intussen waren al vrij veel indicator units type 198 gefabri­ceerd (voornamelijk door Ekco; de frontplaat is op de indicatieplaatjes na niet verschillend van type 73) en her was dan ook vooral deze 198 indicator die omstreeks 1949 veelvuldig en gloednieuw in krat in de Engelse dump opdook (noot 1).

	Figuur 3. Indicator unit type 73-A van de AI Mark VIII boordradar, gemaakt door GEC.
	Figuur 4. Front van de ontvanger unit type 184 van de AI Mark VIII boordradar. De socket links van de afstemknop is de output van het reflex-klystron.

De AI boordradar Mark VIII bestond uit een serie losse units (12 in feite) die door kabels met elkaar waren verbonden en die op verschillende plaatsen in de neus, cockpit en verder in de romp van her vliegtuig waren weggeborgen. Her begin van de keten was her antennesysteem (inclusief de aandrijving van de parabolische reflector: aanvan­kelijk hydraulisch, later elektrisch); de afsluiting van de keten was de indicator unit. Daartussen zaten bijvoorbeeld een "transmitter-receiver" unit, een "modulator" unit, een "power" unit, enzo­voort, maar ook een zogenaamde "receiving" unit, type 50 of her war latere type 184. Deze was in de cockpit voor de radaroperator/navigator, direkt onder de indicator unit geplaatst (noot 2). Deze ontvanger unit type 50/184 is interessant omdat er een klystron in zit, direkt achter de frontplaat (figuur 4).

Een klystron is een merkwaardige radiobuis, ontwikkeld in de USA in de jaren voor de Tweede Wereldoorlog, toen men in laboratoria overal ter wereld koortsachtig op zoek was naar methoden om krachtige en stabiele centimeter golven op te wekken. Twee broers, Varian van naam, constru­eerden her eerste klystron in 1939, voortbordu­rend op praktisch werk door Hansen (de trilholte of "cavity resonator" of "rhumbatron" als afge­stemde kring) en theoretische grondslagen door onder anderen Heil en Arsenjewa (1935). De term klystron is afgeleid van een oud-Grieks werk­  woord dat her geluid van brekende golven op een strand aanduidt en waarmee de werking van de buis (poetisch) inderdaad kan worden vergeleken. Het is hier niet de plaats om uitgebreid in te gaan op die werking, de theorie van her klystron: daar­voor zijn de UHF-SHF handboeken. We zeggen er (heel kort) dit over: in een oscillerend klystron gaat van de kathode ("electron gun" in figuur 5) een nauwe, gefocusseerde bundel elektronen op weg naar een anode of "collector". Die bundel passeert onderweg twee trilholten of resonators. In de eerste trilholte (de "buncher") vindt snel­heidsmodulatie van de electronenbundel plaats, die in de tweede trilholte (de "catcher") een hoog­frequente wisselspanning induceert. Deze laatste komt ook weer op de "buncher" te staan (via "concentric line" in figuur 5). De frequentie van dit oscilleren is vooral afhankelijk van de afme­tingen van de trilholten; overigens moeten vorm, grootte en afstand van beide precies op elkaar zijn afgestemd en moeten ook overal de juiste span­ningen worden toegevoerd, anders is een klystron niet aan de praat (aan her zingen?) te krijgen en kan er geen centimeter energie worden afgetapt (via "output" in figuur 5).

In Engeland, aan de universiteit van Birmingham en later ook in Cambridge, werden al eind 1939, begin 1940, Varian klystrons nagebouwd: echte monsterbuizen, zo'n halve meter hoog, werkend met 20 kilovolt, watergekoeld en constant vacuiim gezogen. Een daarvan werd voor verdere proefne­mingen ter beschikking gesteld aan her groepje excentriekelingen (in her "Telecommunications Research Establishment") dat zich bezighield met de ontwikkeling van centimeter radar in vlieg­tuigen. Voorjaar 1940 nog een verre droom: hoe moest men zo'n omvangrijk klystron, met alle benodigde loodzware trafo's, elco's en pompen aan her werk krijgen in een vliegtuig? Daar kwam bij dat her gevaarte meestal weigerde om de gevraagde centimeter energie te leveren: volgens een oogge­tuige oscilleerde her klystron maar tien minuten in iedere veertien dagen.

	Figuur 5. Schematische doorsnede van een klystron, een buis waarmee microgolf energie kan worden opgewekt met een vrij constante frequentie.
	Figuur 6. Een antiek Engels reflex-klystran, type CV35 (dit is de "naval" uitvoering van de CV37). De "fine tuning plunger" zit rechts (zie tekst).

De doorbraak kwam op twee fronten. In de eerste plaats wist men door her combineren van de twee trilholten tot een enkele rhumbatron her zogenaamde reflex-klystron te ontwerpen (in Engeland her werk van Sutton en Thompson, twee buizenspecialisten; daarom heten de eerste Engelse reflex-klystrons (NR 89 enz.) ook wel "Sutton valves" of "Thompson valves"). In de tweede plaats kon men door toepassing van een nieuwe methode om glas en metaal (koper) vacu­umdicht met ellcaar te versmelten (de zogenaamde "copper-disc seal" of "glass-metal seal" techniek) een deel van de trilholte buiten her glas laten en zo van buitenaf afstembaar maken. In her reflex­klystron wordt de elektronenbundel, na die ene trilholte te zijn gepasseerd, door een "repeller" of "reflector" (met negatief potentiaal) als her ware teruggestuurd: die ene trilholte is "buncher" en "catcher" tegelijk. Dit vereenvoudigt de opbouw van de buis aanmerkelijk en de afmetingen van her reflex-klystron konden clan ook worden terug­gebracht tot die van een normale radiobuis met voet en topaansluiting en een dikke koperen ring halverwege: her uitwendige deel van de trilholte of resonator (figuur G). Ook de spanningen waar­mee de eerste reflex- klystrons functioneerden, waren relatief laag (ongeveer 1500 volt resonator spanning en min 300 volt reflector spanning). De zegetocht van de nieuwe buis als oscillator in her menggedeelte van de superheterodyne centimeter boordradar ontvangers, kon beginnen.

Her eerste reflex-klystron dat aan her einde van 1940 in redelijke aantallen voor de RAF beschik­baar kwam, was bet type CV11, vrij spoedig gevolgd door de CV37. Beide typen zijn gebruikt in de centimeter boordradar AI Mark VII. Medio 1941 kwam her type CV67 uit de werkplaatsen en deze werd als oscillatorbuis ingezet in de AI Mark VIII. In de ontvanger unit 50 of 184 is de CV67 afstembaar vanaf de frontplaat. Het af en toe kunnen bijregelen van de oscillator was nodig, omdat de CV67 nogal temperatuurgevoelig bleek. Dat uitte zich vooral als de nachtjager steil dook of dom. Een knop op de voorplaat van de ontvanger unit met een draaibaar schaaltje erboven (figuur 4) beweegt een koperen buisje met schroefdraad erachter (de "plunger"), die in en nit (her uitwen­dige deel van) de trilholte kan worden gedraaid, waarmee de vorm van de totale trilholte zich wijzigt en dus de oscillator afstemming verandert (van 9.3 cm tot 8.9 cm). De letters en cijfers op knop en schaal zijn met lichtgevende (radium) verf bestreken, zodat ze in her schemerduister van de nachtjager cockpit zichtbaar zijn. Figuur 7 geeft een indruk van de opstelling van her reflex-klystron achter de frontplaat. De kap van de topaansluiting (waarop de negatieve reflector spanning staat) is linksboven goed zichtbaar. Her gebogen stukje zwarte coax onderaan voert her centimeter signaal naar een speciale verliesarme socket op de front­plaat, waarvandaan een kabel her signaal verder voert naar de "transmitter-receiver" unit, direkt achter de antenne in de neus van her vliegtuig. In deze TR unit zitten (ondermeer) her mengge­deelte (diode mixer) en de eerste middenfrequent trap. De tweede, derde en vierde middenfrequent versterker (afgestemd op 30 MHz, bandbreedte 3.5 MHz, 3 x pentode EF50) zitten echter weer in de ontvanger unit 50 of 184. Dus is er weer een kabel terug nodig; deze wirwar van kabels en pluggen is rypisch voor Engelse boordapparatuur nit de Tweede Wereldoorlog: let bijvoorbeeld op de vele "Pye plug" sockets op de voorplaat van de ontvanger unit (figuur 4).

Soms kan men de antieke Engelse reflex-klystrons, ware kunstwerken van glas en koper, nog wel vinden in de dump. Ze zijn aan de gang te krijgen ook, zodat ze een rol kunnen spelen in menig leer­zaam experiment (noot 3). Eigenlijk kan men stel­len dat her reflex-klystron, als bron van microgolf energie, altijd war in de schaduw heefr gestaan van zijn beroemde concurrent: her magnetron. Hoe dat zo komt is een ander verhaal.

NAWOORD EN NOTEN:

Wij willen speciaal de NVHR-leden Jan en Paul Bodifee bedanken voor hun hulp. Zij hebben veel Engelse radarapparatuur in hun collectie, waaron­der enkele AI Mark VIII units, die wij uitgebreid mochten bestuderen.
Noot 1:   Een scherpe (zwartwit) foto van een indicator unit 198 is te vinden in her boek "Confound en Destroy, 100 Group and The Bomber Support Campaign", door Martin Streetly, London 1978, pag. 174.
Noot 2:   Een foto van deze cockpit opstelling is in diverse publikaties afgebeeld; bijvoorbeeld in "Confound and Destroy" (zie noot 1) op pag. 173, maar ook in her bekende boek "The War in the Air", editor Gavin Lyall, Pimlico editie 1994, centrale fotopagina's.
Noot 3: Zie her artikel "Experimenten met een reflex-klystron" door P Rook in her tijd­schrift Electron, mei 1962, pag. 132 en 133.