Från andra världskrigets radar till mikrovågspopcorn – kavitetsmagnetronen fanns där

Av Allison Marsh

Publicerad 2018-10-31 20:00 GMT

Den här kompakta kavitetsmagnetronen gav de allierade ett sätt att producera högeffektiva mikrovågor för radar

Foto: Ingenium
Foto: Ingenium

Sommaren 1940 hade andra världskriget rasat i Västeuropa i nästan ett år. Under slaget om Storbritannien bombade tyska flygplan London och industricentra och blockerade kusthamnar. USA försökte under tiden fortfarande aktivt hålla sig utanför kriget.

I denna situation reste fysikern Edward ”Taffy” Bowen tillsammans med en grupp andra brittiska vetenskapsmän och militärer till Washington D.C. Bowen hade anförtrotts en svart metalllåda som innehöll tekniska hemligheter med anknytning till Englands R&D under kriget. Syftet med resan, som officiellt kallades British Technical and Scientific Mission, var att dela med sig av dessa hemligheter till USA och Kanada, i hopp om att de skulle producera fungerande vapen och annan utrustning för kriget.

På lådans innehåll fanns en märklig anordning: en skiva med rännor runt kanten och tunna rör och trådar som sträckte sig från dess ändar . Denna handflatsstora pryl, som kallas för en kavitetsmagnetron, producerade högeffektiva mikrovågor, och den skulle visa sig vara den överlägset viktigaste artikeln i lådan.

Med detta sagt hade lådan fått en olycklig start på sin resa. På väg till tågstationen i London blev den fastspänd på taket på en Londontaxi. På stationen Euston tog en bärare bort den innan Bowen kunde protestera. När Bowen gick ombord på ett fartyg i Liverpool åtföljdes han överallt av en tystlåten herre med militärisk stil. Lådan var under tiden säkrad så att dess hemligheter skulle sjunka med fartyget om båten blev attackerad.

Hur kavitetsmagnetronen överhuvudtaget hamnade i lådan är en historia som började mycket tidigare. Ordet ”magnetron” – av ”magnetic” och ”electron” – kom in i det engelska språket 1921, när Albert W. Hull publicerade sin forskning om ”The Effect of a Uniform Magnetic Field on the Motion of Electrons Between Coaxial Cylinders”. Hull, som var fysiker och elektroingenjör vid General Electrics forskningslaboratorium i Schenectady, New York, försökte kringgå ett patent på trioden som innehades av Lee de Forest. Hulls magnetron med delad anod användes så småningom som förstärkare i radiomottagare och oscillatorer. Många forskare började undersöka och experimentera med anordningen.

Enligt John H. Bryant’s history of microwave technology publicerades över 200 artiklar om split-anode magnetroner över hela världen före 1940. Vissa beskrev hur man använde Hulls uppfinning, andra föreslog sätt att optimera vad som i huvudsak var en sämre konstruktion.

I september 1939 började John Randall och Henry Boot, fysiker vid universitetet i Birmingham i England, att utforska en ny inriktning på magnetronkonstruktionen, under ledning av Mark Oliphant. De förlitade sig på det arbete som utförts av den nederländske ingenjören Klaas Posthumus, som hade klargjort magnetronens teoretiska funktion. Och de hade ett mycket specifikt problem att lösa: Med tyska flygplan som terroriserade England kunde varje förbättring av landets radarkapacitet vara till hjälp.

Olika Oliphant var inte bara fysikprofessor i Birmingham utan även medlem i det hemliga brittiska radarprogrammet. I början av kriget hade landet en kedja av radarstationer som arbetade med en våglängd på 10-13 meter och testade luftburen radar med en våglängd på 1,5 meter. Oliphant argumenterade för radar som arbetar inom mikrovågsområdet, med en våglängd på 10 cm eller mindre och med en toppeffekt på 1 kilowatt. Ett sådant system skulle förbättra radarbildernas upplösning, möjliggöra mindre och lättare utrustning som skulle kunna installeras i flygplan och vara mindre känsligt för störningar från markeffekter. En bättre magnetron var nyckeln.

Inom två månader hade Randall och Boot en grundkonstruktion för sin kavitetsmagnetron. Den bestod av en cylindrisk metallbit som hade en katod som löpte genom ett centralt hål. Den omgivande anoden hade en serie symmetriska hål, eller kaviteter, som var ordnade i en cirkel runt det centrala hålet. Tvärsnittet såg ut som kammaren på en Colt-revolver, som råkar ha tjänat som mall för några av Randall och Boots tidiga prototyper.

När ström tillfördes katoden och ett magnetfält omgav anordningen, ledde den elektriska laddningens svängning runt kaviteterna till utstrålning av elektromagnetiska vågor. Varje kavitet skapade sin egen resonansfrekvens.

I februari 1940 hade de en prototyp som uppvisade en våglängd på 9,8 cm vid 400 watt. I april ingick de ett kontrakt med General Electric Co. i Wembley, nära London, för att tillverka hårdare exemplar som kunde tåla grundligare tester. De flesta prototyperna hade 6 håligheter, men den 12:e prototypen hade 8 håligheter. Det var denna sista, E1189, serienummer 12, skapad av E.C.S. Megaw på General Electric, som Bowen tog med sig till Nordamerika.

Det brittiska tekniska och vetenskapliga uppdraget leddes av Sir Henry Tizard, som var ordförande i Storbritanniens flygforskningskommitté och såg de uppenbara fördelarna som ett överlägset radarsystem skulle medföra. Han visste att forskarna i Birmingham hade gjort betydande framsteg, men han förstod också att Storbritannien skulle ha utmaningar med industriell produktion samtidigt som man utkämpade kriget.

Foto: Hulton Archive/Central Press/Getty Images
Vetenskapsdiplomati: Sir Henry Tizard ledde det brittiska tekniska och vetenskapliga uppdraget, som sökte USA:s och Kanadas hjälp med den industriella produktionen av Englands R&D under kriget.

Regeringen i London tvivlade under tiden på att USA kunde hålla sina hemligheter. Tizard var först tvungen att övertala Winston Churchill att avslöja tekniken för amerikanerna, och sedan var han tvungen att övertyga den amerikanska kongressen om att samarbeta med britterna. Flera veckor innan Bowen och resten av delegationen gav sig iväg begav sig Tizard till Washington för att lägga grunden.

Uppdraget visade sig vara lätt att sälja till de amerikanska forskarna, som häpnade över kavitetsmagnetronen. Det krävdes lite mer förhandling med de amerikanska och kanadensiska regeringarna för att fastställa villkoren för forskning, tillverkning och leverans. U.S. National Defense Research Committee ingick ett avtal med Bell Telephone Laboratories om att kopiera 30 exemplar av apparaten.

Kommittén finansierade också skapandet av Radiation Laboratory, eller Rad Lab, vid Massachusetts Institute of Technology, för att förse de allierade styrkorna med mikrovågsradar. Laboratoriet producerade så småningom 150 olika radarsystem, som varierade från lätta, kompakta enheter för flygplan till det enorma mikrovågsvarningssystemet för tidig varning som transporterades i fem lastbilar.

Bild: World History Archive/Alamy
Radar på hjul: Den lastbilsmonterade SCR-584 var ett av de radarsystem som baserades på den brittiska kavitetsmagnetronen och utvecklades av MIT Radiation Laboratory.

Tyskarna fick veta att britterna använde kavitetsmagnetronen för radar i februari 1943 när de undersökte ett nedskjutet bombplan nära Rotterdam. En sprängladdning som skulle förstöra radarn innan den hamnade i fiendens händer gick inte av.

Efter kriget lades alla hemligheter åt sidan och kavitetsmagnetronen fick många fredliga kommersiella användningsområden. Den blev inte bara standard för radar inom den civila luftfarten, den blev också hjärtat i varje mikrovågsugn. Tack vare dessa insatser under kriget kan vi alla njuta av popcorn i mikrovågsugn.

En av utmaningarna med att skriva om historien om en teknik som utvecklats för militära ändamål är att den inledande forskningen ofta skedde i hemlighet. Sådan kunskap cirkulerar dåligt, särskilt i krigstid. Det är därför vanligt att de personer som deltog i upptäcktsprocessen tror att de har uppfunnit något nytt när samma sak i själva verket redan hade uppfunnits någon annanstans. Problemet förvärras när segrarna skriver det första utkastet till berättelsen och nationell stolthet sätter tonen för deras heroiska uppfinningsberättelse.

När jag undersökte kavitetsmagnetronens historia stötte jag på ett ofta citerat stycke om Tizard-uppdragets betydelse, skrivet av James Phinney Baxter III, den officiella historikern för Office of Scientific Research and Development under andra världskriget. I sin Pulitzerprisbelönade bok, Scientists Against Time (1946), skrev Baxter att när uppdraget förde kavitetsmagnetronen till Amerika 1940, ”hade de den mest värdefulla lasten som någonsin förts till våra kuster”. Bowen förstärkte senare berättelsen om den brittiska uppfinningen och den amerikanska utvecklingen av kavitetsmagnetronen i sin bok Radar Days från 1987.

Det råder ingen tvekan om att Randall och Boot uppfann kavitetsmagnetronen, men jag upptäckte också konkurrerande berättelser och prioritetsanspråk som gör historien mer komplex, nyanserad och intressant. Artiklar av Paul Redhead och av Yves Blanchard, Gaspare Galati och Piet van Genderen visar att många människor runt om i världen under 1920- och 1930-talen experimenterade med olika konstruktioner av magnetroner, och inte bara optimerade Hulls version med delad anod. År 2010 ägnas en hel konferens åt frågan om kavitetsmagnetronens ursprung, med artiklar om bidrag från tjeckiska, holländska, franska, tyska, ryska och ukrainska ingenjörer och vetenskapsmän.

Och även om Randall och Boot trodde att deras anordning var den första, var det flera andra som oberoende av varandra uppfann kavitetsmagnetronen. Om det fanns en första är det förmodligen Arthur L. Samuel från Bell Telephone Laboratories. Han lämnade in en amerikansk patentansökan för en magnetron med fyra kaviteter 1934. Tyvärr var hans konstruktion inte särskilt praktisk.

N.F. Alekseev och D.D. Malairov utvecklade en framgångsrik magnetron med flera kaviteter 1937, men detta arbete var inte känt utanför Sovjetunionen förrän 1940 . I Japan ledde ett gemensamt forskningsprogram för den japanska flottan och Japan Radio Company till en magnetron med åtta kaviteter 1939. Men materialbrist hindrade tillverkningen.

Varje denna anordning föregick Boot och Randalls uppfinning, men var och en av dem kom också med en invändning som hindrade den från att bli accepterad. En av de grundläggande lärdomarna från Tizard-uppdraget är att när vetenskaplig kunskap delas kan utvecklingen gå snabbt framåt. Denna video från 2015 visar uppackningen av en kavitetsmagnetron tillverkad av Sylvania, ett av flera företag som tillverkade apparaterna under andra världskriget:

Kavitetsmagnetronen på bilden längst upp är just den som Bowen tog med sig till Washington. När Tizard-delegationen återvände till Storbritannien lämnade de E1189 till tjänstemän vid National Research Council of Canada för att tjäna som mall för framtida forskning. Den förblev där fram till 1969, då den gavs till Canada Science and Technology Museum i Ottawa.

Vissa museibesökare kanske ser magnetronen som ett exempel på hur teknik kan bli indraget i diplomati. De som är intresserade av vetenskapen om magnetroner kan finna apparatens enkelhet lärorik. För mig visar den hur ett enda föremål inte ens kan omfatta hela den komplexa historien om sin egen uppfinning. Historien är alltid mycket rikare och djupare strukturerad än vad den verkar vid första anblicken.

En förkortad version av den här artikeln finns i det tryckta numret från november 2018 som ”The Mighty Magnetron.”

En del av en fortsatt serie som tittar på fotografier av historiska artefakter som omfamnar teknikens gränslösa potential.

Om författaren

Allison Marsh är docent i historia vid University of South Carolina och meddirektör för universitetets Ann Johnson Institute for Science, Technology & Society.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.