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

By Allison Marsh

Posted 2018-10-31 20:00 GMT

Ten kompaktowy magnetron wnękowy dał aliantom sposób na produkcję mikrofal o dużej mocy dla radarów

Photo: Ingenium
Foto: Ingenium

Do lata 1940 roku II wojna światowa szalała w Europie Zachodniej od prawie roku. Podczas Bitwy o Anglię, niemieckie samoloty bombardowały Londyn i centra przemysłowe oraz blokowały porty morskie. Tymczasem Stany Zjednoczone nadal aktywnie starały się nie brać udziału w wojnie.

W tym kontekście fizyk Edward „Taffy” Bowen wraz z grupą innych brytyjskich naukowców i oficerów wojskowych udał się do Waszyngtonu. Bowenowi powierzono czarną metalową skrzynkę, która zawierała tajemnice techniczne związane z angielskim wojennym R&D. Celem podróży, oficjalnie nazwanej Brytyjską Misją Techniczną i Naukową, było podzielenie się tymi sekretami ze Stanami Zjednoczonymi i Kanadą, w nadziei, że wyprodukują one nadającą się do użytku broń i inne wyposażenie na czas wojny.

Wśród zawartości skrzynki znajdowało się ciekawie wyglądające urządzenie: dysk z rowkami wokół obręczy i cienkimi rurkami i drutami wystającymi z jego końców. Ten gadżet wielkości dłoni, zwany magnetronem wnękowym, wytwarzał mikrofale o dużej mocy i okazał się być zdecydowanie najważniejszym przedmiotem w pudełku.

Tak więc pudełko miało nieszczęśliwy początek swojej podróży. W drodze na dworzec kolejowy w Londynie, została przywiązana do dachu londyńskiej taksówki. Na stacji Euston portier zabrał ją, zanim Bowen zdążył się sprzeciwić. Na pokładzie statku w Liverpoolu Bowenowi wszędzie towarzyszył milczący dżentelmen o wojskowym wyglądzie. W międzyczasie pudełko zostało zabezpieczone tak, by jego tajemnice zatonęły wraz ze statkiem, gdyby ten został zaatakowany.

To, w jaki sposób magnetron wnękowy znalazł się w pudełku, to historia, która zaczęła się dużo wcześniej. Słowo „magnetron” – od słów „magnetyczny” i „elektron” – weszło do języka angielskiego w 1921 roku, kiedy Albert W. Hull opublikował swoje badania na temat „Wpływu jednorodnego pola magnetycznego na ruch elektronów pomiędzy współosiowymi cylindrami”. Hull, fizyk i inżynier elektryk z General Electric Research Laboratory w Schenectady, N.Y., próbował obejść patent na triodę należący do Lee de Forest. Magnetron z dzieloną anodą Hulla został ostatecznie użyty jako wzmacniacz w odbiornikach radiowych i w oscylatorach. Liczni badacze zaczęli badać i eksperymentować z tym urządzeniem.

Według historii technologii mikrofalowej Johna H. Bryanta, przed rokiem 1940 na całym świecie opublikowano ponad 200 prac na temat magnetronów z dzieloną anodą. Niektóre z nich opisywały jak wykorzystać wynalazek Hulla; inne sugerowały sposoby optymalizacji tego, co było zasadniczo gorszą konstrukcją.

We wrześniu 1939 roku, John Randall i Henry Boot, fizycy z Uniwersytetu Birmingham w Anglii, zaczęli badać nowy kierunek w projektowaniu magnetronów, pod kierunkiem Marka Oliphanta. Oparli się na pracy holenderskiego inżyniera Klaasa Posthumusa, który wyjaśnił teoretyczne działanie magnetronu. Mieli do rozwiązania bardzo konkretny problem: Z niemieckimi samolotami terroryzującymi Anglię, każda poprawa zdolności radarowych kraju mogłaby pomóc.

Oprócz bycia profesorem fizyki w Birmingham, Oliphant był członkiem tajnego brytyjskiego programu radarowego. Na początku wojny kraj ten posiadał łańcuch stacji radarowych, które działały na fali o długości od 10 do 13 metrów i testował radar lotniczy o długości fali 1,5 metra. Oliphant opowiadał się za radarami działającymi w zakresie mikrofalowym, o długości fali 10 cm lub mniejszej i mocy szczytowej 1 kilowata. Taki system poprawiłby rozdzielczość obrazów radarowych, pozwoliłby na zastosowanie mniejszych, lżejszych urządzeń, które mogłyby być instalowane w samolotach, i byłby mniej podatny na zakłócenia powodowane przez echa naziemne. Lepszy magnetron był kluczem.

W ciągu dwóch miesięcy, Randall i Boot mieli podstawowy projekt swojego magnetronu wnękowego. Składał się on z cylindrycznego kawałka metalu, który miał katodę biegnącą przez centralny otwór. Otaczająca anoda posiadała serię symetrycznych otworów, lub wnęk, ułożonych w okrąg wokół centralnego otworu. Przekrój poprzeczny przypominał komorę rewolweru Colta, który tak się składa, że posłużył jako wzór dla niektórych wczesnych prototypów Randalla i Boota.

Gdy do katody doprowadzono prąd, a urządzenie otoczono polem magnetycznym, oscylacja ładunku elektrycznego wokół wnęk doprowadziła do wypromieniowania fal elektromagnetycznych. Każda wnęka tworzyła swoją własną częstotliwość rezonansową.

Do lutego 1940 roku mieli prototyp wykazujący długość fali 9,8 cm przy 400 watach. W kwietniu podpisano umowę z General Electric Co. w Wembley, niedaleko Londynu, na produkcję bardziej wytrzymałych egzemplarzy, które mogły wytrzymać dokładniejsze testy. Większość prototypów miała 6 wnęk, ale dwunasty prototyp miał ich 8. To właśnie ten ostatni prototyp, E1189, nr seryjny 12, stworzony przez E.C.S. Megaw z General Electric, Bowen zabrał ze sobą do Ameryki Północnej.

Brytyjskiej Misji Naukowo-Technicznej przewodził Sir Henry Tizard, który był przewodniczącym brytyjskiego Komitetu Badań Aeronautycznych i dostrzegał oczywiste korzyści płynące z lepszego systemu radarowego. Wiedział, że naukowcy z Birmingham poczynili znaczne postępy, ale rozumiał też, że Wielka Brytania będzie miała problemy z produkcją przemysłową podczas wojny.

Foto: Hulton Archive/Central Press/Getty Images
Dyplomacja naukowa: Sir Henry Tizard kierował Brytyjską Misją Techniczną i Naukową, która szukała pomocy Stanów Zjednoczonych i Kanady w przemysłowej produkcji wojennej Anglii R&D.

W międzyczasie rząd w Londynie miał wątpliwości, czy Stany Zjednoczone są w stanie utrzymać swoje tajemnice. Tizard musiał najpierw przekonać Winstona Churchilla do ujawnienia technologii Amerykanom, a następnie musiał przekonać Kongres USA do współpracy z Brytyjczykami. Kilka tygodni przed wyruszeniem Bowena i reszty delegacji, Tizard udał się do Waszyngtonu, aby położyć fundamenty.

Misja okazała się łatwa do sprzedania dla amerykańskich naukowców, którzy byli zdumieni magnetronem wnękowym. Potrzeba było nieco więcej negocjacji z rządami USA i Kanady, aby ustalić warunki badań, produkcji i dostawy. Komitet Badań nad Obroną Narodową USA zlecił firmie Bell Telephone Laboratories wykonanie 30 kopii urządzenia.

Komitet sfinansował również utworzenie Laboratorium Promieniowania, czyli Rad Lab, w Massachusetts Institute of Technology, które miało zaopatrywać siły sprzymierzone w radary mikrofalowe. Laboratorium ostatecznie wyprodukowało 150 różnych systemów radarowych, od lekkich, kompaktowych jednostek dla samolotów po ogromny mikrofalowy system wczesnego ostrzegania przewożony w pięciu ciężarówkach.

Image: World History Archive/Alamy
Radar na kółkach: Zamontowany na ciężarówce SCR-584 był jednym z systemów radarowych, który bazował na brytyjskim magnetronie wnękowym i został opracowany przez Laboratorium Promieniowania MIT.

Niemcy dowiedzieli się, że Brytyjczycy używali magnetronu wnękowego do radaru w lutym 1943 roku, kiedy badali zestrzelony bombowiec w pobliżu Rotterdamu. Ładunek wybuchowy mający zniszczyć zestaw radarowy, zanim wpadnie w ręce wroga, nie zdążył wybuchnąć.

Po wojnie wszystkie tajemnice zostały odłożone na bok, a magnetron wnękowy znalazł wiele pokojowych zastosowań komercyjnych. Nie tylko stał się standardem dla radarów w lotnictwie cywilnym, ale także stał się sercem każdej kuchenki mikrofalowej. Dzięki tym wojennym wysiłkom wszyscy możemy cieszyć się popcornem z mikrofalówki.

Jednym z wyzwań związanych z pisaniem o historii technologii opracowanej do celów wojskowych jest to, że początkowe badania były często prowadzone w tajemnicy. Taka wiedza krąży słabo, zwłaszcza w czasie wojny. Dlatego często zdarza się, że ludzie zaangażowani w proces odkrycia wierzą, że wynaleźli coś nowego, podczas gdy w rzeczywistości to samo zostało już wynalezione gdzie indziej. Problem ten potęguje się, gdy zwycięzcy piszą pierwszy szkic historii, a duma narodowa nadaje ton ich heroicznej opowieści o wynalazku.

Przyglądając się historii magnetronu wnękowego, natknąłem się na często cytowany fragment o znaczeniu misji Tizarda, napisany przez Jamesa Phinneya Baxtera III, oficjalnego historyka Biura Badań Naukowych i Rozwoju podczas II wojny światowej. W swojej nagrodzonej Pulitzerem książce „Scientists Against Time” (1946) Baxter napisał, że kiedy w 1940 r. misja przywiozła do Ameryki magnetron wnękowy, „wiozła najcenniejszy ładunek, jaki kiedykolwiek przywieziono na nasze wybrzeża”. Bowen później wzmocnił narrację o brytyjskim wynalazku i amerykańskim rozwoju magnetronu w swojej książce z 1987 roku, Radar Days.

Nie ma wątpliwości, że Randall i Boot wynaleźli magnetron wnękowy, ale odkryłem również konkurujące narracje i roszczenia pierwszeństwa, które czynią historię bardziej złożoną, zniuansowaną i interesującą. Artykuły Paula Redheada oraz Yvesa Blancharda, Gaspare Galatiego i Pieta van Genderena pokazują, że w latach 20-tych i 30-tych XX wieku wielu ludzi na całym świecie eksperymentowało z różnymi konstrukcjami magnetronu, a nie tylko optymalizowało wersję z rozszczepioną anodą Hulla. W 2010 roku odbyła się cała konferencja poświęcona pochodzeniu magnetronu wnękowego, na której przedstawiono referaty dotyczące wkładu czeskich, holenderskich, francuskich, niemieckich, rosyjskich i ukraińskich inżynierów i naukowców.

I tak, chociaż Randall i Boot uważali swoje urządzenie za pierwsze, kilku innych niezależnie wynalazło magnetron wnękowy. Jeśli ktoś był pierwszy, to prawdopodobnie Arthur L. Samuel z Bell Telephone Laboratories. W 1934 roku złożył on wniosek patentowy na czterogniazdowy magnetron w USA. Niestety, jego projekt nie był zbyt praktyczny.

N.F. Alekseev i D.D. Malairov opracowali udany magnetron wielogniazdowy w 1937 roku, ale praca ta nie była znana poza Związkiem Radzieckim aż do 1940 roku. W Japonii, wspólny program badawczy Japońskiej Marynarki Wojennej i Japan Radio Company doprowadził do stworzenia ośmiogniazdowego magnetronu w 1939 roku. Jednak brak materiałów utrudniał jego produkcję.

Każde z tych urządzeń było wcześniejsze od wynalazku Boota i Randalla, ale każde z nich miało zastrzeżenia, które uniemożliwiały jego akceptację. Jedną z podstawowych lekcji misji Tizarda jest to, że gdy wiedza naukowa jest dzielona, rozwój może posuwać się naprzód szybko. Ten film z 2015 roku pokazuje rozpakowywanie magnetronu wnękowego wyprodukowanego przez Sylvanię, jedną z kilku firm, które produkowały te urządzenia podczas II wojny światowej:

Magnetron wnękowy przedstawiony na górze to właśnie ten, który Bowen przywiózł do Waszyngtonu. Kiedy delegacja Tizarda wróciła do Wielkiej Brytanii, pozostawiła E1189 u urzędników z National Research Council of Canada, aby służył jako wzorzec dla przyszłych badań. Pozostał tam do 1969 roku, kiedy to został przekazany do Canada Science and Technology Museum, w Ottawie.

Niektórzy muzealnicy mogą postrzegać magnetron jako przykład tego, jak technologia może być zaplątana w dyplomację. Osoby zainteresowane nauką o magnetronach mogą uznać prostotę tego urządzenia za pouczającą. Dla mnie jest ono dowodem na to, że pojedynczy przedmiot nie jest w stanie ogarnąć całej złożonej historii nawet swojego wynalazku. Historia jest zawsze znacznie bogatsza i głębiej teksturowana, niż wydaje się na pierwszy rzut oka.

Skrócona wersja tego artykułu ukazała się w wydaniu drukowanym z listopada 2018 roku jako „The Mighty Magnetron.”

Część kontynuowanej serii przyglądającej się fotografiom historycznych artefaktów, które obejmują bezgraniczny potencjał technologii.

O autorze

Allison Marsh jest profesorem nadzwyczajnym historii na University of South Carolina i współdyrektorem uniwersyteckiego Ann Johnson Institute for Science, Technology & Society.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.