Od radaru za druhé světové války k mikrovlnnému popcornu – byl tu dutinový magnetron

Od Allison Marshové

Vydáno 2018-10-31 20:00 SEČ

Tento kompaktní dutinový magnetron poskytl spojencům způsob, jak vyrábět vysoce výkonné mikrovlny pro radar

Foto: Ingenium
Foto: Ingenium

V létě 1940 už téměř rok zuřila v západní Evropě druhá světová válka. Během bitvy o Británii německá letadla bombardovala Londýn a průmyslová centra a blokovala námořní přístavy. Spojené státy se mezitím stále aktivně snažily zůstat mimo válku.

Na pozadí těchto událostí cestoval fyzik Edward „Taffy“ Bowen se skupinou dalších britských vědců a vojenských důstojníků do Washingtonu, D.C. Bowenovi byla svěřena černá kovová skříňka, která obsahovala technická tajemství související s anglickou válečnou R&D. Účelem cesty, oficiálně nazvané Britská technická a vědecká mise, bylo podělit se o tato tajemství se Spojenými státy a Kanadou v naději, že vyrobí funkční zbraně a další vybavení pro válku.

Mezi obsahem krabice bylo podivně vypadající zařízení: disk s drážkami po obvodu a tenkými trubkami a dráty vycházejícími z jeho konců . Toto zařízení velikosti dlaně, nazývané dutinový magnetron, produkovalo vysoce výkonné mikrovlny a ukázalo se, že je zdaleka nejdůležitějším předmětem v krabici.

Takto řečeno, krabice měla nešťastný začátek své cesty. Cestou na vlakové nádraží v Londýně byla přivázána na střechu londýnského taxíku. Na nádraží Euston ji nosič odnesl dřív, než mohl Bowen něco namítnout. Při nástupu na loď v Liverpoolu Bowena všude doprovázel mlčenlivý pán s vojenským vystupováním. Skříňka byla mezitím zajištěna tak, aby se její tajemství potopila s lodí, kdyby se loď ocitla pod útokem.

Jak se dutinový magnetron vůbec dostal do skříňky, je příběh, který začal mnohem dříve. Slovo „magnetron“ – ze slov „magnetický“ a „elektron“ – vstoupilo do anglického jazyka v roce 1921, kdy Albert W. Hull publikoval svůj výzkum „Vliv rovnoměrného magnetického pole na pohyb elektronů mezi koaxiálními válci“. Hull, fyzik a elektroinženýr ve výzkumné laboratoři General Electric ve Schenectady ve státě New York, se snažil obejít patent na triodu, který vlastnil Lee de Forest. Hullův magnetron s dělenou anodou se nakonec používal jako zesilovač v rozhlasových přijímačích a v oscilátorech. Řada výzkumníků začala toto zařízení zkoumat a experimentovat s ním.

Podle knihy Johna H. Bryanta History of Microwave Technology (Historie mikrovlnné technologie) bylo před rokem 1940 na celém světě publikováno více než 200 prací o magnetronech s dělenou anodou. Některé popisovaly, jak Hullův vynález použít, jiné navrhovaly způsoby, jak optimalizovat v podstatě horší konstrukci.

V září 1939 začali John Randall a Henry Boot, fyzikové na Birminghamské univerzitě v Anglii, pod vedením Marka Oliphanta zkoumat nový směr v konstrukci magnetronu. Opírali se přitom o práci nizozemského inženýra Klaase Posthuma, který objasnil teoretické fungování magnetronu. A museli vyřešit velmi specifický problém: Kromě toho, že Oliphant působil jako profesor fyziky v Birminghamu, byl také členem utajovaného britského radarového programu.

Německá letadla terorizovala Anglii. Na začátku války měla země řetězec radarových stanic, které pracovaly na vlnové délce 10 až 13 metrů, a testovala letecký radar s vlnovou délkou 1,5 metru. Oliphant prosazoval radar pracující v mikrovlnném rozsahu, s vlnovou délkou 10 cm nebo menší a se špičkovým výkonem 1 kilowatt. Takový systém by zlepšil rozlišení radarových snímků, umožnil by menší a lehčí zařízení, které by bylo možné instalovat do letadel, a byl by méně náchylný na rušení od pozemních ozvěn. Klíčem k úspěchu byl lepší magnetron.

Za dva měsíce měli Randall a Boot základní návrh svého dutinového magnetronu. Skládal se z válcovitého kusu kovu, který měl katodu procházející středovým otvorem. Okolní anoda měla řadu symetrických otvorů neboli dutin uspořádaných do kruhu kolem centrálního otvoru. Průřez vypadal jako komora revolveru Colt, který shodou okolností posloužil jako předloha pro některé Randallovy a Bootovy rané prototypy.

Pokud byla katoda napájena a zařízení obklopovalo magnetické pole, oscilace elektrického náboje kolem dutin vedla k vyzařování elektromagnetických vln. Každá dutina vytvářela vlastní rezonanční frekvenci.

V únoru 1940 měli prototyp vykazující vlnovou délku 9,8 cm při výkonu 400 wattů. V dubnu uzavřeli smlouvu s firmou General Electric Co. ve Wembley u Londýna na výrobu odolnějších vzorků, které by vydržely důkladnější zkoušky. Většina prototypů měla 6 dutin, ale 12. prototyp jich měl 8. Právě tento poslední, E1189, sériové číslo 12, vytvořený E. C. S. Megawem v General Electric, vzal Bowen s sebou do Severní Ameriky.

Britskou technickou a vědeckou misi vedl sir Henry Tizard, který byl předsedou britského výboru pro letecký výzkum a viděl zřejmé výhody, které by přinesl lepší radarový systém. Věděl, že výzkumníci v Birminghamu dosáhli významného pokroku, ale také chápal, že Británie bude mít během války problémy s průmyslovou výrobou.

Foto: Hulton Archive/Central Press/Getty Images
Vědecká diplomacie: Sir Henry Tizard vedl britskou technickou a vědeckou misi, která usilovala o pomoc Spojených států a Kanady při průmyslové výrobě anglického válečného výzkumu& a vývoje.

Vláda v Londýně mezitím pochybovala, že Spojené státy dokážou udržet svá tajemství. Tizard musel nejprve přesvědčit Winstona Churchilla, aby Američanům technologii odhalil, a poté musel přesvědčit americký Kongres, aby s Brity spolupracoval. Několik týdnů předtím, než se Bowen a zbytek delegace vydali na cestu, zamířil Tizard do Washingtonu, aby připravil půdu.

Mise se ukázala jako snadný obchod pro americké vědce, kteří byli ohromeni dutinovým magnetronem. Bylo třeba trochu více vyjednávání s americkou a kanadskou vládou, aby byly stanoveny podmínky výzkumu, výroby a dodávek. Americký Národní výbor pro obranný výzkum uzavřel smlouvu s Bellovými telefonními laboratořemi na replikaci 30 kopií zařízení.

Výbor také financoval vytvoření Radiační laboratoře neboli Rad Lab na Massachusettském technologickém institutu, která měla spojeneckým silám dodávat mikrovlnné radary. Laboratoř nakonec vyrobila 150 různých radarových systémů, které sahaly od lehkých kompaktních jednotek pro letadla až po obrovský mikrovlnný systém včasného varování přepravovaný v pěti nákladních automobilech.

Obrázek:
Radar na kolečkách: SCR-584 na nákladním automobilu byl jedním z radarových systémů, které byly založeny na britském dutinovém magnetronu a vyvinuty v radiační laboratoři MIT.

Němci se dozvěděli, že Britové používají dutinový magnetron pro radar v únoru 1943, když zkoumali sestřelený bombardér poblíž Rotterdamu. Výbušná nálož, která měla zničit radarovou soupravu dříve, než padne do rukou nepřítele, nevybuchla.

Po válce byla všechna tajemství odložena a dutinový magnetron našel mnoho mírových komerčních využití. Stal se nejen standardem pro radary v civilním letectví, ale také srdcem každé mikrovlnné trouby. Díky tomuto válečnému úsilí si dnes všichni můžeme pochutnávat na mikrovlnném popcornu.

Jedním z problémů při psaní o historii technologie vyvinuté pro vojenské účely je skutečnost, že počáteční výzkum často probíhal v utajení. Takové znalosti se špatně šíří, zejména v době války. Je proto běžné, že lidé zapojení do procesu objevování věří, že vynalezli něco nového, i když ve skutečnosti byla stejná věc již vynalezena jinde. Tento problém se ještě umocňuje, když první verzi příběhu píší vítězové a národní hrdost udává tón jejich hrdinskému příběhu o vynálezu.

Při pátrání po historii dutinového magnetronu jsem narazil na často citovanou pasáž o významu Tizardovy mise, kterou napsal James Phinney Baxter III, oficiální historik Úřadu pro vědecký výzkum a vývoj za druhé světové války. Ve své Pulitzerovou cenou oceněné knize Vědci proti času (1946) Baxter napsal, že když mise v roce 1940 přivezla do Ameriky dutinový magnetron, „vezla nejcennější náklad, jaký kdy byl přivezen k našim břehům“. Bowen později posílil vyprávění o britském vynálezu a americkém vývoji dutinového magnetronu ve své knize Radar Days z roku 1987.

Není pochyb o tom, že Randall a Boot dutinový magnetron vynalezli, ale objevil jsem také konkurenční vyprávění a nároky na prioritu, které činí historii složitější, nuancovanější a zajímavější. Články Paula Redheada a Yvese Blancharda, Gaspare Galatiho a Pieta van Genderena ukazují, že ve 20. a 30. letech 20. století mnoho lidí po celém světě experimentovalo s různými konstrukcemi magnetronu, nejen optimalizovalo Hullovu verzi s dělenou anodou. V roce 2010 byla tématu vzniku dutinového magnetronu věnována celá konference, na které zazněly příspěvky o příspěvcích českých, nizozemských, francouzských, německých, ruských a ukrajinských inženýrů a vědců.

A tak i když Randall a Boot považovali své zařízení za první, dutinový magnetron nezávisle na nich vynalezlo několik dalších. Pokud byl někdo první, pak to byl pravděpodobně Arthur L. Samuel z Bellových telefonních laboratoří. Ten podal v roce 1934 americkou patentovou přihlášku na čtyřdutinový magnetron. Bohužel jeho konstrukce nebyla příliš praktická.

N. F. Aleksejev a D. D. Malairov vyvinuli v roce 1937 úspěšný vícedutinový magnetron, ale tato práce nebyla známá mimo Sovětský svaz až do roku 1940 . V Japonsku vedl společný výzkumný program japonského námořnictva a Japonské radiokomunikační společnosti k vytvoření osmikavitního magnetronu v roce 1939. Jeho výrobě však bránil nedostatek materiálů.

Každé z těchto zařízení předcházelo vynálezu Boota a Randalla, ale každé z nich mělo také výhradu, která bránila jeho přijetí. Jedním ze základních poučení Tizardovy mise je, že když se vědecké poznatky sdílejí, může vývoj rychle postupovat kupředu. Toto video z roku 2015 ukazuje rozbalování dutinového magnetronu vyrobeného společností Sylvania, jednou z několika firem, které tato zařízení vyráběly během druhé světové války:

Dutinový magnetron na obrázku nahoře je právě ten, který Bowen přivezl do Washingtonu. Když se Tizardova delegace vrátila do Británie, zanechala model E1189 úředníkům kanadské Národní rady pro výzkum, aby posloužil jako vzor pro budoucí výzkum. Tam zůstal až do roku 1969, kdy byl předán Kanadskému muzeu vědy a techniky v Ottawě.

Někteří návštěvníci muzea mohou magnetron považovat za příklad toho, jak se technologie může zaplést s diplomacií. Pro ty, kteří se zajímají o vědu o magnetronech, může být jednoduchost zařízení poučná. Pro mě je to ukázka toho, jak jediný předmět ve skutečnosti nemůže obsáhnout celou složitou historii ani svého vlastního vynálezu. Historie je vždy mnohem bohatší a má hlubší strukturu, než se na první pohled zdá.

Zkrácená verze tohoto článku vyšla v tištěném čísle z listopadu 2018 pod názvem „Mocný magnetron“.

Část pokračujícího seriálu zabývajícího se fotografiemi historických artefaktů, které v sobě zahrnují neomezený potenciál technologie.

O autorovi

Allison Marshová je docentkou historie na Jihokarolínské univerzitě a spoluředitelkou univerzitního Institutu Ann Johnsonové pro vědu, techniku & společnost.

Jak se jmenuje?

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna.