第二次世界大戦のレーダーからマイクロ波ポップコーンまで、キャビティマグネトロンがあった

By Allison Marsh

Posted 2018-10-31 20:00 GMT

この小型キャビティマグネトロンによって連合国はレーダー用の高出力マイクロ波を生成する方法を得た

Photo.TIMES: Ingenium
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1940年夏までに、西ヨーロッパでは1年近く第二次世界大戦が激化していた。 バトル・オブ・ブリテン」では、ドイツ軍機がロンドンや工業地帯を爆撃し、海港を封鎖した。 ボーエンは、イギリスのR&Dに関する技術機密が入った黒い金属製の箱を託され、他のイギリスの科学者や軍人と一緒にワシントンD.C.に向かった。 6050>

箱の中身は、縁に溝があり、その端から細いパイプとワイヤーが伸びている円盤状の不思議なものでした。 これはキャビティ・マグネトロンと呼ばれ、高出力のマイクロ波を発生させる手のひらサイズの装置で、この箱の中で最も重要なアイテムであることがわかります。 ロンドンの駅に向かう途中、タクシーの屋根に括りつけられたのだ。 ユーストン駅では、ボーエンが反対する前にポーターが運び出した。 リバプールで船に乗るとき、ボーエンは軍人風の無口な紳士にずっと付きまとわれた。

そもそも空洞型マグネトロンがどのようにして箱の中に入っていたかは、もっと以前からの話である。 マグネトロンという言葉は、1921年にアルバート・W・ハルが「同軸円筒間の電子の運動に対する一様な磁場の効果」という研究を発表したときに、「磁気」と「電子」を語源として英語になったものである。 ハルは、ニューヨーク州シェネクタディのゼネラル・エレクトリック研究所の物理学者兼電気技師で、リー・デ・フォレストが持っていた三極管の特許を回避しようとしたのである。 ハルが開発した分割陽極マグネトロンは、やがてラジオ受信機や発振器の増幅器として使われるようになった。 6050>

John H. Bryant の history of microwave technology によると、1940 年以前に世界中で 200 以上の分割陽極マグネトロンに関する論文が発表された。 1939年9月、英国バーミンガム大学の物理学者John RandallとHenry Bootは、Mark Oliphantの指導の下、マグネトロン設計の新しい方向性を模索しはじめた。 彼らは、マグネトロンの理論的動作を明らかにしたオランダ人技師クラース・ポストフムスの研究を頼りにしていた。 そして、彼らは非常に具体的な問題を抱えていた。 バーミンガム大学の物理学教授であると同時に、オリファントはイギリスの機密レーダー計画のメンバーでもあったのだ。 開戦時、同国は10~13メートルの波長で作動するレーダー局を連綿と持ち、1.5メートルの波長で空中レーダーのテストを行っていた。 オリファント氏は、波長10cm以下、ピークパワー1kWのマイクロ波帯のレーダーが必要だと主張した。 この方式なら、レーダー画像の解像度が上がり、航空機に搭載できる小型・軽量化が可能で、地上の反響による干渉も受けにくい。 6050>

ランドルとブーツは、2ヵ月で空洞マグネトロンの基本設計を完了させた。 このマグネトロンは、円筒形の金属片の中央に穴を開け、そこに陰極を取り付けたものである。 陽極は、中央の穴を中心に左右対称に空洞が並んでいる。 その断面はコルト・リボルバーの薬室のようで、ランドールとブートの初期のプロトタイプのひな形となった。

陰極に電力を供給して磁場をかけると、キャビティの周囲で電荷が振動し、電磁波が放射される。

1940年2月には、400ワットで9.8cmの波長を示す試作機が完成した。 4月には、ロンドン近郊のウェンブリーにあるゼネラル・エレクトリック社と契約し、より徹底的な試験に耐える丈夫な試料を製造することになった。 試作機のほとんどは6個取りだったが、12個目の試作機は8個取りであった。 ボーエンが北米に持参したのは、ゼネラル・エレクトリック社のE.C.S.メゴーが製作したこの最後の1機、E1189(シリアルナンバー12)である

英国の技術・科学ミッションは、英国の航空研究委員会の議長であったヘンリー・ティザード卿が率いた。彼は優れたレーダーシステムから明らかにもたらされる利益を理解していた。 彼はバーミンガムの研究者が大きな進歩を遂げたことを知っていたが、イギリスが戦争と戦いながら工業生産に課題を抱えていることも理解していた

Photo: Hulton Archive/Central Press/Getty Images
科学外交。 ヘンリー・ティザード卿は英国技術科学使節団を率いて、戦時中のイギリスのR&Dの工業生産に米国とカナダの援助を求めました。

一方、ロンドン政府は、米国が機密を守れるかどうか疑問を持っていました。 ティザードはまず、ウィンストン・チャーチルに技術をアメリカ側に明かすよう説得し、さらにアメリカ議会にもイギリスに協力するよう説得しなければならなかった。 ボーエンをはじめとする代表団が出発する数週間前に、ティザードはワシントンへ向かい、根回しをした。 しかし、研究、製造、納入の条件を決めるために、アメリカ、カナダ両政府との交渉がもう少し必要だった。 6050>

この委員会は、連合軍にマイクロ波レーダーを供給するために、マサチューセッツ工科大学に放射線研究所(Rad Lab)を設立するための資金も提供している。 この研究所では、航空機用の軽量コンパクトなものから、5台のトラックで輸送する巨大なマイクロ波早期警戒システムまで、最終的に150種類のレーダー・システムを製造しました。 World History Archive/Alamy

Radar on Wheels: トラックに搭載されたSCR-584は、イギリスの空洞マグネトロンをベースにMIT放射線研究所が開発したレーダーシステムの1つです。

ドイツ軍は1943年2月、ロッテルダム付近で撃墜された爆撃機を調べた際に、イギリスが空洞マグネトロンをレーダーに使用していることを知りました。

戦後、すべての機密は脇へ追いやられ、空洞マグネトロンは多くの平和的商業利用を発見しました。 民間航空のレーダーとして標準化されただけでなく、電子レンジの心臓部としても使われるようになった。

軍事目的で開発された技術の歴史について書くときの難しさの1つは、最初の研究がしばしば秘密裏に行われたことである。 このような知識は、特に戦時中においては流通が悪くなります。 そのため、発見プロセスに携わった人々は、自分たちが新しいものを発明したと信じていても、実際には同じものがすでに別の場所で発明されていたということがよくあるのです。

空胴型マグネトロンの歴史を調べているうちに、第二次世界大戦中の科学研究開発局の公式歴史家、ジェームズ・フィニー・バクスター3世が書いたティザード計画の重要性についてよく引用される一節に出会いました。 バクスターは、ピューリッツァー賞を受賞した著書『Scientists Against Time』(1946年)の中で、1940年に空洞マグネトロンをアメリカに持ち込んだミッションについて、「彼らはこれまでに我が国にもたらされた最も価値のある貨物を運んできた」と書いている。 ボーエンは後に、1987年の著書『レーダー・デイズ』で、空洞マグネトロンのイギリスによる発明とアメリカによる開発という物語を補強した。 ポール・レッドヘッドの記事、イヴ・ブランチャード、ガスパレ・ガラティ、ピエト・ファン・ゲンデレンの記事は、1920年代から30年代にかけて、世界中の多くの人々が、単にハルの分割陽極版を最適化するだけではなく、マグネトロンの異なる設計を実験していたことを明らかにしています。 2010年には、空洞マグネトロンの起源をテーマにした会議が開かれ、チェコ、オランダ、フランス、ドイツ、ロシア、ウクライナの技術者や科学者の貢献についての論文が発表されました。 最初の人がいるとすれば、ベル電話研究所のアーサー・L・サミュエル(Arthur L. Samuel)でしょう。 彼は1934年に4空洞マグネトロンで米国特許を申請している。

N.F. Alekseev と D.D. Malairov は1937年に多空洞マグネトロンに成功しましたが、この研究がソ連の外に知られるようになったのは1940年でした。 日本では、海軍と日本無線との共同研究により、1939年に8空洞マグネトロンが完成した。

これらのデバイスは、いずれもブーツとランドールによる発明より前のものですが、それぞれがまた、それが受け入れられることを妨げる注意事項を伴っていました。 ティザードのミッションの基本的な教訓の1つは、科学的知識が共有されると、開発が迅速に進むということです。 この2015年の動画は、第二次世界大戦中にこの装置を製造していたいくつかの企業のうちの1つ、シルバニア社製の空洞マグネトロンの箱詰めを外しているところです:

上部に写っている空洞マグネトロンは、ボーエンがワシントンに持っていったものそのものです。 ティザード一行は帰国後、E1189をカナダ国立研究評議会の職員に預け、今後の研究の雛形とした。 このマグネトロンは、1969年にオタワのカナダ科学技術博物館に寄贈されるまで、そこに保管されていました。 マグネトロンの科学に興味がある人は、この装置の単純さが勉強になると思うかもしれません。 しかし、私にとっては、マグネトロンは、たった一つのものが、それ自身の発明の複雑な歴史をすべて包み込むことはできない、ということを示すものである。 歴史は常に、一見したところよりもずっと豊かで深い質感を持っています」

この記事の要約版は、「マイティ・マグネトロン」として2018年11月印刷版に掲載されています。

テクノロジーの無限の可能性を包含する歴史的遺物の写真を見る継続シリーズの一部です。

著者について

アリソン・マーシュはサウスカロライナ大学の歴史学の准教授であり、同大学のアン・ジョンソン科学技術研究所&社会の共同ディレクターを務めている

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