From World War II Radar to Microwave Popcorn, the Cavity Magnetron Was There

By Allison Marsh

Posted 2018-10-31 20:00 GMT

Deze compacte holtemagnetron gaf de geallieerden een manier om krachtige microgolven te produceren voor radar

Photo: Ingenium
Foto: Ingenium

In de zomer van 1940 woedde de Tweede Wereldoorlog al bijna een jaar in West-Europa. Tijdens de Slag om Engeland bombardeerden Duitse vliegtuigen Londen en industriële centra en blokkeerden zeehavens. De Verenigde Staten probeerden ondertussen nog steeds actief buiten de oorlog te blijven.

Tegen deze achtergrond reisde de natuurkundige Edward “Taffy” Bowen met een groep andere Britse wetenschappers en militaire officieren naar Washington, D.C. Bowen was een zwarte metalen doos toevertrouwd die technische geheimen bevatte met betrekking tot de R&D van Engeland in oorlogstijd. Het doel van de reis, officieel de Britse Technische en Wetenschappelijke Missie genoemd, was om deze geheimen te delen met de Verenigde Staten en Canada, in de hoop dat zij werkbare wapens en andere apparatuur voor de oorlog zouden produceren.

Onder de inhoud van de doos bevond zich een merkwaardig uitziend apparaat: een schijf met groeven rond de rand en dunne buizen en draden die uit de uiteinden staken. Dit gadget, ter grootte van een handpalm, een zogenaamde holtemagnetron, produceerde microgolven met een hoog vermogen, en het zou verreweg het belangrijkste voorwerp in de doos blijken te zijn.

Dat gezegd hebbende, had de doos een ongelukkige start van zijn reis. Op weg naar het treinstation in Londen, werd het vastgebonden op het dak van een Londense taxi. Op station Euston nam een kruier hem mee voordat Bowen bezwaar kon maken. Toen Bowen in Liverpool aan boord van een schip ging, werd hij overal vergezeld door een zwijgzame heer met een militaire houding. De kist was ondertussen zo beveiligd dat zijn geheimen met het schip zouden zinken als de boot aangevallen zou worden.

Hoe de holte magnetron in de kist terecht kwam is een verhaal dat al veel eerder begon. Het woord “magnetron”-van “magnetisch” en “elektron”-kwam in het Engels in 1921, toen Albert W. Hull zijn onderzoek publiceerde over “The Effect of a Uniform Magnetic Field on the Motion of Electrons Between Coaxial Cylinders.” Hull, een natuurkundige en elektrotechnisch ingenieur aan het General Electric Research Laboratory in Schenectady, N.Y., probeerde een octrooi op de triode van Lee de Forest te omzeilen. De gesplitste-anode magnetron van Hull werd uiteindelijk gebruikt als versterker in radio-ontvangers en in oscillatoren. Talloze onderzoekers begonnen het apparaat te onderzoeken en ermee te experimenteren.

Volgens John H. Bryant’s history of microwave technology , werden er vóór 1940 wereldwijd meer dan 200 artikelen over split-anode magnetrons gepubliceerd. Sommige beschreven hoe Hull’s uitvinding moest worden gebruikt; andere suggereerden manieren om wat in wezen een inferieur ontwerp was te optimaliseren.

In september 1939 begonnen John Randall en Henry Boot, natuurkundigen aan de Universiteit van Birmingham, in Engeland, onder leiding van Mark Oliphant, een nieuwe richting in het magnetronontwerp te verkennen. Zij vertrouwden op het werk van de Nederlandse ingenieur Klaas Posthumus, die de theoretische werking van de magnetron had opgehelderd. En ze hadden een zeer specifiek probleem op te lossen: Met Duitse vliegtuigen die Engeland terroriseerden, kon elke verbetering van de radarcapaciteiten van het land helpen.

Naast hoogleraar natuurkunde in Birmingham, was Oliphant lid van het geheime Britse radarprogramma. Aan het begin van de oorlog had het land een keten van radarstations die werkten op een golflengte van 10 tot 13 meter en was men bezig met het testen van luchtradar met een golflengte van 1,5 meter. Oliphant pleitte voor een radar die werkte in het microgolfbereik, met een golflengte van 10 cm of minder en met een piekvermogen van 1 kilowatt. Een dergelijk systeem zou de resolutie van radarbeelden verbeteren, kleinere, lichtere apparatuur mogelijk maken die in vliegtuigen kan worden geïnstalleerd, en minder gevoelig zijn voor storingen door grondecho’s. Een betere magnetron was de sleutel.

Binnen twee maanden hadden Randall en Boot een basisontwerp voor hun holle magnetron. Het bestond uit een cilindrisch stuk metaal met een kathode die door een centraal gat liep. De omringende anode had een reeks symmetrische gaten, of holtes, die in een cirkel rond het centrale gat waren gerangschikt. De doorsnede leek op de kamer van een Colt revolver, die toevallig als model diende voor enkele van Randall en Boot’s vroege prototypes.

Wanneer stroom werd toegevoerd aan de kathode en een magnetisch veld het apparaat omringde, leidde de oscillatie van de elektrische lading rond de holten tot de straling van elektromagnetische golven. Elke holte creëerde zijn eigen resonantiefrequentie.

In februari 1940 beschikten zij over een prototype met een golflengte van 9,8 cm bij 400 watt. In april werd een contract gesloten met General Electric Co. in Wembley, bij Londen, om hardere exemplaren te produceren die grondiger tests konden doorstaan. De meeste prototypen hadden 6 holtes, maar het 12e prototype had er 8. Het was dit laatste exemplaar, E1189, serienummer 12, gemaakt door E.C.S. Megaw bij General Electric, dat Bowen meenam naar Noord-Amerika.

De Britse Technische en Wetenschappelijke Missie werd geleid door Sir Henry Tizard, die voorzitter was van het Britse Comité voor Luchtvaartkundig Onderzoek en de voor de hand liggende voordelen zag die een superieur radarsysteem zou opleveren. Hij wist dat de onderzoekers in Birmingham aanzienlijke vooruitgang hadden geboekt, maar hij begreep ook dat Groot-Brittannië uitdagingen zou hebben met de industriële productie terwijl het oorlog voerde.

Foto: Hulton Archive/Central Press/Getty Images
Wetenschapsdiplomatie: Sir Henry Tizard leidde de Britse Technische en Wetenschappelijke Missie, die de hulp van de Verenigde Staten en Canada zocht bij de industriële productie van Engelands R&D in oorlogstijd.

De regering in Londen betwijfelde intussen of de Verenigde Staten hun geheimen wel konden bewaren. Tizard moest eerst Winston Churchill overhalen om de technologie aan de Amerikanen te onthullen, en daarna moest hij het Amerikaanse Congres overtuigen om met de Britten samen te werken. Enkele weken voordat Bowen en de rest van de delegatie op weg gingen, ging Tizard naar Washington om de basis te leggen.

De missie bleek gemakkelijk te verkopen aan Amerikaanse wetenschappers, die verbaasd waren over de holtemagnetron. Het kostte wat meer onderhandelen met de Amerikaanse en Canadese regeringen om de voorwaarden voor onderzoek, fabricage en levering vast te stellen. Het U.S. National Defense Research Committee sloot een contract met Bell Telephone Laboratories om 30 exemplaren van het apparaat na te maken.

Het comité financierde ook de oprichting van het Radiation Laboratory, of Rad Lab, aan het Massachusetts Institute of Technology, om de geallieerde strijdkrachten te voorzien van microgolf radar. Het lab produceerde uiteindelijk 150 verschillende radarsystemen, die varieerden van lichtgewicht, compacte eenheden voor vliegtuigen tot het enorme microgolf waarschuwingssysteem dat in vijf vrachtwagens werd vervoerd.

Image: World History Archive/Alamy
Radar on Wheels: De op een vrachtwagen gemonteerde SCR-584 was een van de radarsystemen die gebaseerd was op de Britse holtemagnetron en ontwikkeld was door het MIT Radiation Laboratory.

De Duitsers ontdekten dat de Britten de holtemagnetron gebruikten voor radar in februari 1943, toen zij een neergestorte bommenwerper nabij Rotterdam onderzochten. Een explosieve lading bedoeld om de radarset te vernietigen voordat deze in vijandelijke handen viel, mislukte.

Na de oorlog werden alle geheimen opzij gezet, en de holtemagnetron vond vele vreedzame commerciële toepassingen. Niet alleen werd hij de standaard voor radar in de burgerluchtvaart, hij werd ook het hart van elke magnetron. Dankzij deze inspanningen in oorlogstijd kunnen we nu allemaal genieten van popcorn uit de magnetron.

Een van de uitdagingen bij het schrijven over de geschiedenis van een technologie die voor militaire doeleinden is ontwikkeld, is dat het aanvankelijke onderzoek vaak in het geheim werd gedaan. Dergelijke kennis circuleert slecht, vooral in oorlogstijd. Het komt dan ook vaak voor dat de mensen die bij het ontdekkingsproces betrokken waren, geloven dat zij iets nieuws hebben uitgevonden, terwijl hetzelfde ding in feite al elders was uitgevonden. Dit probleem wordt nog verergerd wanneer de overwinnaars de eerste versie van het verhaal schrijven, en nationale trots de toon zet voor hun heroïsche verhaal van de uitvinding.

Terwijl ik de geschiedenis van de holtemagnetron onderzocht, kwam ik een vaak geciteerde passage tegen over het belang van de Tizard-missie, geschreven door James Phinney Baxter III, de officiële historicus van het Office of Scientific Research and Development tijdens de Tweede Wereldoorlog. In zijn Pulitzer Prize-winnende boek, Scientists Against Time (1946), schreef Baxter dat toen de missie de holtemagnetron naar Amerika bracht in 1940, “zij de meest waardevolle lading vervoerden die ooit naar onze kusten is gebracht”. Bowen versterkte later het verhaal van de Britse uitvinding en Amerikaanse ontwikkeling van de spouwmagnetron in zijn boek uit 1987, Radar Days.

Er bestaat geen twijfel over dat Randall en Boot de spouwmagnetron hebben uitgevonden, maar ik ontdekte ook concurrerende verhalen en prioriteitsclaims die de geschiedenis complexer, genuanceerder, en interessanter maken. Artikelen van Paul Redhead en van Yves Blanchard, Gaspare Galati, en Piet van Genderen laten zien dat in de jaren ’20 en ’30, veel mensen over de hele wereld experimenteerden met verschillende ontwerpen voor de magnetron, niet alleen met het optimaliseren van Hull’s split-anode versie. In 2010 was er een hele conferentie gewijd aan het onderwerp van de oorsprong van de spouwmagnetron, met papers over de bijdragen van Tsjechische, Nederlandse, Franse, Duitse, Russische en Oekraïense ingenieurs en wetenschappers.

En dus hoewel Randall en Boot dachten dat hun apparaat de eerste was, vonden verschillende anderen onafhankelijk van elkaar de spouwmagnetron uit. Als er een eerste was, is het waarschijnlijk Arthur L. Samuel van Bell Telephone Laboratories. Hij diende in 1934 een patentaanvraag in voor een magnetron met vier caviteiten. Helaas was zijn ontwerp niet erg praktisch.

N.F. Alekseev en D.D. Malairov ontwikkelden een succesvolle multicavity magnetron in 1937, maar dit werk werd pas in 1940 buiten de Sovjet-Unie bekend. In Japan leidde een gezamenlijk onderzoeksprogramma van de Japanse marine en de Japan Radio Company in 1939 tot een magnetron met acht caviteiten. Maar gebrek aan materialen belemmerde de vervaardiging ervan.

Elk van deze apparaten dateert van vóór de uitvinding door Boot en Randall, maar elk kwam ook met een voorbehoud dat het van het verkrijgen van aanvaarding hield. Een van de fundamentele lessen van de Tizard missie is dat wanneer wetenschappelijke kennis wordt gedeeld, de ontwikkeling snel vooruit kan gaan. Deze video uit 2015 toont het uitpakken van een holtemagnetron gemaakt door Sylvania, een van de bedrijven die deze apparaten tijdens de Tweede Wereldoorlog produceerden:

De holtemagnetron die bovenaan is afgebeeld, is precies degene die Bowen naar Washington bracht. Toen de Tizard delegatie terugkeerde naar Groot-Brittannië, lieten ze de E1189 achter bij ambtenaren van de National Research Council of Canada om te dienen als sjabloon voor toekomstig onderzoek. Het bleef daar tot 1969, toen het werd geschonken aan het Canada Science and Technology Museum, in Ottawa.

Sommige museumbezoekers zullen de magnetron wellicht zien als een voorbeeld van hoe technologie in diplomatie verwikkeld kan raken. Degenen die geïnteresseerd zijn in de wetenschap van magnetrons kunnen de eenvoud van het apparaat leerzaam vinden. Voor mij toont het aan dat een enkel voorwerp niet de hele complexe geschiedenis kan omvatten van zelfs zijn eigen uitvinding. Geschiedenis is altijd veel rijker en dieper gestructureerd dan het op het eerste gezicht lijkt.

Een verkorte versie van dit artikel verschijnt in het gedrukte nummer van november 2018 als “The Mighty Magnetron.”

Deel van een doorlopende reeks waarin wordt gekeken naar foto’s van historische artefacten die het grenzeloze potentieel van technologie omarmen.

Over de auteur

Allison Marsh is universitair hoofddocent geschiedenis aan de Universiteit van South Carolina en mededirecteur van het Ann Johnson Institute for Science, Technology & Society.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.