Fra anden verdenskrigs radar til mikrobølgepopcorn: Cavity Magnetron var der

Af Allison Marsh

Postet 2018-10-31 20:00 GMT

Denne kompakte cavity magnetron gav de allierede en måde at producere højeffektive mikrobølger til radar

Foto: Ingenium
Foto: Ingenium

I sommeren 1940 havde Anden Verdenskrig raset i Vesteuropa i næsten et år. Under slaget om England bombede tyske fly London og industricentre og blokerede søhavne. USA forsøgte i mellemtiden stadig aktivt at holde sig ude af krigen.

På denne baggrund rejste fysikeren Edward “Taffy” Bowen sammen med en gruppe andre britiske videnskabsmænd og militære officerer til Washington, D.C. Bowen havde fået betroet en sort metalkasse, der indeholdt tekniske hemmeligheder i forbindelse med Englands R&D i krigstiden. Formålet med rejsen, der officielt blev kaldt den britiske tekniske og videnskabelige mission, var at dele disse hemmeligheder med USA og Canada i håb om, at de ville producere brugbare våben og andet udstyr til krigen.

Med i kistens indhold var der en mærkeligt udseende anordning: en skive med riller omkring kanten og tynde rør og ledninger, der strækker sig fra dens ender. Denne håndfladestørrelse gadget, kaldet en hulmagnetron, producerede kraftige mikrobølger, og den skulle vise sig at være langt den vigtigste genstand i kassen.

Dette sagt, havde kassen en uheldig start på sin rejse. På vej til togstationen i London blev den spændt fast på taget af en taxa i London. På Euston-stationen tog en portør den med sig, før Bowen kunne gøre indsigelse. Da Bowen gik om bord på et skib i Liverpool, blev han overalt ledsaget af en tavs herre med en militær holdning. Kassen blev i mellemtiden sikret, så dens hemmeligheder ville synke med skibet, hvis skibet blev angrebet.

Hvordan hulmagnetronen overhovedet kom til at befinde sig i kassen er en historie, der begyndte meget tidligere. Ordet “magnetron” – af “magnetic” og “electron” – kom ind i det engelske sprog i 1921, da Albert W. Hull offentliggjorde sin forskning om “The Effect of a Uniform Magnetic Field on the Motion of Electrons Between Coaxial Cylinders” (virkningen af et ensartet magnetfelt på elektronernes bevægelse mellem koaksiale cylindre). Hull, der var fysiker og elektroingeniør ved General Electric Research Laboratory i Schenectady, New York, forsøgte at omgå et patent på en triode, som Lee de Forest havde på trioden. Hulls magnetron med delt anode blev senere anvendt som forstærker i radiomodtagere og i oscillatorer. Talrige forskere begyndte at undersøge og eksperimentere med anordningen.

I henhold til John H. Bryant’s History of Microwave Technology blev der før 1940 på verdensplan offentliggjort over 200 artikler om split-anode magnetroner. Nogle beskrev, hvordan man kunne bruge Hulls opfindelse; andre foreslog måder at optimere det, der i bund og grund var et ringere design.

I september 1939 begyndte John Randall og Henry Boot, fysikere ved University of Birmingham i England, at udforske en ny retning inden for magnetrondesign under ledelse af Mark Oliphant. De byggede på det arbejde, som den hollandske ingeniør Klaas Posthumus havde udført, og som havde afklaret magnetronens teoretiske funktion. Og de havde et meget specifikt problem, som de skulle løse: Da tyske fly terroriserede England, kunne enhver forbedring af landets radarkapacitet være til hjælp.

Ud over at være fysikprofessor i Birmingham var Oliphant medlem af det klassificerede britiske radarprogram. I begyndelsen af krigen havde landet en kæde af radarstationer, der opererede med en bølgelængde på 10-13 meter, og man var ved at afprøve luftbåren radar med en bølgelængde på 1,5 meter. Oliphant argumenterede for radarer, der opererer i mikrobølgeområdet, med en bølgelængde på 10 cm eller mindre og med en spidseffekt på 1 kilowatt. Et sådant system ville forbedre radarbilledernes opløsning, muliggøre mindre og lettere udstyr, der kunne installeres i fly, og være mindre modtageligt over for interferens fra ekkoer fra jorden. En bedre magnetron var nøglen.

I løbet af to måneder havde Randall og Boot et grundlæggende design til deres kavitetsmagnetron. Det bestod af et cylindrisk stykke metal, som havde en katode, der løb gennem et centralt hul. Den omgivende anode havde en række symmetriske huller, eller hulrum, arrangeret i en cirkel omkring det centrale hul. Tværsnittet lignede kammeret i en Colt-revolver, som tilfældigvis har tjent som skabelon for nogle af Randall og Boots tidlige prototyper.

Når der blev tilført strøm til katoden, og et magnetfelt omgav apparatet, førte svingningen af den elektriske ladning omkring hulrummene til udstråling af elektromagnetiske bølger. Hvert hulrum skabte sin egen resonansfrekvens.

I februar 1940 havde de en prototype, der udviste en bølgelængde på 9,8 cm ved 400 watt. I april indgik de en kontrakt med General Electric Co. i Wembley, nær London, om at fremstille mere hårdføre eksemplarer, der kunne tåle mere grundige test. De fleste af prototyperne havde 6 hulrum, men den 12. prototype havde 8 hulrum. Det var denne sidste, E1189, serie nr. 12, skabt af E.C.S. Megaw hos General Electric, som Bowen tog med sig til Nordamerika.

Den britiske tekniske og videnskabelige mission blev ledet af Sir Henry Tizard, der var formand for Storbritanniens Aeronautical Research Committee og så de indlysende fordele, der ville komme af et overlegent radarsystem. Han vidste, at forskerne i Birmingham havde gjort betydelige fremskridt, men han forstod også, at Storbritannien ville få udfordringer med industriel produktion, mens de kæmpede i krigen.

Foto: Hulton Archive/Central Press/Getty Images
Videnskabsdiplomati: Sir Henry Tizard ledede den britiske tekniske og videnskabelige mission, som søgte USA’s og Canadas hjælp til den industrielle produktion af Englands krigstid R&D.

Regeringen i London var i mellemtiden i tvivl om, hvorvidt USA kunne holde på sine hemmeligheder. Tizard måtte først overtale Winston Churchill til at afsløre teknologien for amerikanerne, og derefter måtte han overbevise den amerikanske kongres om, at den skulle samarbejde med briterne. Flere uger før Bowen og resten af delegationen tog af sted, tog Tizard til Washington for at lægge grunden.

Missionen viste sig at være let at sælge til de amerikanske videnskabsmænd, som var forbløffet over hulmagnetronen. Det krævede lidt flere forhandlinger med de amerikanske og canadiske regeringer at fastsætte vilkårene for forskning, fremstilling og levering. Den amerikanske National Defense Research Committee indgik en kontrakt med Bell Telephone Laboratories om at kopiere 30 eksemplarer af apparatet.

Komiteen finansierede også oprettelsen af Radiation Laboratory, eller Rad Lab, på Massachusetts Institute of Technology, for at forsyne de allierede styrker med mikrobølgeradar. Laboratoriet producerede i sidste ende 150 forskellige radarsystemer, der varierede fra lette, kompakte enheder til fly til det enorme mikrobølgevarselssystem til tidlig varsling, der blev transporteret i fem lastbiler.

Billede: World History Archive/Alamy
Radar on Wheels: Det lastbilmonterede SCR-584 var et af de radarsystemer, der var baseret på den britiske cavity magnetron og udviklet af MIT Radiation Laboratory.

Tyskerne erfarede, at briterne brugte kavitetsmagnetronen til radar i februar 1943, da de undersøgte et nedskudt bombefly nær Rotterdam. En sprængladning, der skulle ødelægge radarsættet, inden det faldt i fjendens hænder, gik ikke af.

Efter krigen blev alle hemmeligheder lagt til side, og hulmagnetronen fandt mange fredelige kommercielle anvendelser. Den blev ikke blot standard for radaren i den civile luftfart, den blev også hjertet i enhver mikrobølgeovn. Takket være denne indsats i krigstiden kan vi alle nyde mikrobølgepopcorn.

En af udfordringerne ved at skrive om historien om en teknologi, der er udviklet til militære formål, er, at den indledende forskning ofte blev udført i hemmelighed. En sådan viden cirkulerer dårligt, især i krigstid. Det er derfor almindeligt, at de personer, der var involveret i opdagelsesprocessen, tror, at de har opfundet noget nyt, når det samme i virkeligheden allerede var blevet opfundet et andet sted. Dette problem forværres, når sejrherrerne skriver det første udkast til historien, og national stolthed sætter en tone for deres heroiske fortælling om opfindelsen.

Mens jeg undersøgte hulmagnetronens historie, stødte jeg på en ofte citeret passage om Tizard-missionens betydning, skrevet af James Phinney Baxter III, den officielle historiker for Office of Scientific Research and Development under Anden Verdenskrig. I sin Pulitzerprisvindende bog, Scientists Against Time (1946), skrev Baxter, at da missionen bragte hulmagnetronen til Amerika i 1940, “havde de den mest værdifulde last med sig, som nogensinde er bragt til vores kyster”. Bowen forstærkede senere fortællingen om den britiske opfindelse og den amerikanske udvikling af hulmagnetronen i sin bog fra 1987, Radar Days.

Der er ingen tvivl om, at Randall og Boot opfandt hulmagnetronen, men jeg opdagede også konkurrerende fortællinger og prioriteringskrav, som gør historien mere kompleks, nuanceret og interessant. Artikler af Paul Redhead og af Yves Blanchard, Gaspare Galati og Piet van Genderen viser, at der i 1920’erne og 30’erne var mange mennesker rundt om i verden, der eksperimenterede med forskellige designs for magnetronen og ikke blot optimerede Hulls split-anode-version. I 2010 blev der afholdt en hel konference om kavitetsmagnetronens oprindelse med indlæg om bidrag fra tjekkiske, hollandske, franske, tyske, tyske, russiske og ukrainske ingeniører og videnskabsmænd.

Og selv om Randall og Boot troede, at deres apparat var det første, var der altså flere andre, der uafhængigt af hinanden opfandt kavitetsmagnetronen. Hvis der var en første, er det sandsynligvis Arthur L. Samuel fra Bell Telephone Laboratories. Han indgav en amerikansk patentansøgning om en magnetron med fire kaviteter i 1934. Desværre var hans design ikke særlig praktisk.

N.F. Alekseev og D.D. Malairov udviklede en vellykket multikavitetsmagnetron i 1937, men dette arbejde blev ikke kendt uden for Sovjetunionen før 1940 . I Japan førte et fælles forskningsprogram for den japanske flåde og Japan Radio Company til en magnetron med otte hulrum i 1939. Men mangel på materialer hindrede fremstillingen af den.

Hvert af disse apparater er ældre end Boot og Randalls opfindelse, men hver af dem var også forbundet med et forbehold, der forhindrede dem i at blive accepteret. En af de grundlæggende erfaringer fra Tizard-missionen er, at når videnskabelig viden deles, kan udviklingen gå hurtigt fremad, når den deles. Denne video fra 2015 viser udpakningen af en hulmagnetron fremstillet af Sylvania, et af flere firmaer, der fremstillede apparaterne under Anden Verdenskrig:

Hulmagnetronen, der er afbilledet øverst, er netop den, som Bowen bragte med til Washington. Da Tizard-delegationen vendte tilbage til Storbritannien, efterlod de E1189 til embedsmænd fra National Research Council of Canada for at tjene som en skabelon for fremtidig forskning. Den forblev der indtil 1969, hvor den blev givet til Canada Science and Technology Museum i Ottawa.

Nogle museumsgæster vil måske se magnetronen som et eksempel på, hvordan teknologi kan blive viklet ind i diplomatiet. De, der er interesseret i magnetronernes videnskab, kan finde apparatets enkelhed lærerig. For mig viser den, hvordan en enkelt genstand ikke rigtig kan omfatte hele den komplekse historie om selv sin egen opfindelse. Historien er altid meget rigere og dybere struktureret, end den ser ud ved første øjekast.”

En forkortet version af denne artikel er bragt i det trykte novembernummer 2018 som “The Mighty Magnetron.”

Del af en fortsat serie, der ser på fotografier af historiske artefakter, der omfavner teknologiens grænseløse potentiale.

Om forfatteren

Allison Marsh er lektor i historie ved University of South Carolina og meddirektør for universitetets Ann Johnson Institute for Science, Technology & Society.

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.