约翰·兰德尔 (物理学家)

约翰·特顿·兰德尔爵士 FRS FRSE^[2] （英语：Sir John Turton Randall，1905年3月23日—1984年6月16日）是一位英国物理学家和生物物理学家，他因对多腔磁控管的根本性改进而闻名，磁控管是厘米波雷达的关键部件，而厘米波雷达是第二次世界大战盟军取得胜利的关键之一。它也是微波炉的关键部件。^[3][4]

关于其他同名人物，请见“约翰·兰德尔 (消歧义)”。

爵士 约翰·兰德尔 John Randall FRS FRSE
出生	约翰·特顿·兰德尔 John Turton Randall (1905-03-23)1905年3月23日 英格兰兰开夏郡牛顿勒威洛斯（英语：Newton-le-Willows）
逝世	1984年6月16日(1984-06-16)（79岁）
母校	曼彻斯特维多利亚大学（理学士、理学硕士、理学博士）
知名于	二战中英国和美国雷达站的大功率多腔磁控管 DNA结构测定 标记蛋白质的中子衍射研究
奖项	达德尔奖章和奖金（英语：Dennis Gabor Medal and Prize） (1945年) 休斯奖章 (1946年) 约翰·普赖斯·韦瑟里尔奖章（英语：John Price Wetherill Medal） (1958年)
科学生涯
研究领域	物理学 生物物理学
机构	英国通用电气公司 剑桥大学卡文迪什实验室 伦敦国王学院 圣安德鲁斯大学 伯明翰大学 爱丁堡大学
博士生	莫里斯·威尔金斯[1]

兰德尔与哈里·布特（英语：Harry Boot）合作，他们制造出一种阀门，可以发出波长为10厘米的微波无线电能量脉冲。^[3] 关于磁控管发明的意义，加拿大不列颠哥伦比亚省维多利亚大学军事史教授戴维·齐默尔曼（David Zimmerman）曼表示：“磁控管仍然是各种短波无线电信号必不可少的电子管。它不仅通过使我们能够开发机载雷达系统而改变了战争的进程，而且至今仍然是微波炉的核心技术。磁控管的发明改变了世界。”^[3]

兰德尔还领导了伦敦国王学院的研究团队，该团队致力于DNA结构的研究。兰德尔的副手莫里斯·威尔金斯教授与剑桥大学卡文迪什实验室的詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克共同获得了1962年诺贝尔生理学或医学奖，以表彰他们确定DNA结构。兰德尔的其他团队成员包括罗莎琳德·富兰克林、雷蒙德·戈斯林、亚历克·斯托克斯和赫伯特·威尔逊，他们都参与了DNA的研究。

教育和早期生活

约翰·兰德尔于1905年3月23日出生于兰开夏郡的牛顿勒威洛斯（英语：Newton-le-Willows），是苗圃主兼种子商悉尼·兰德尔（Sidney Randall）和他的妻子汉娜·考利〔Hannah Cawley〕（该地区煤矿经理约翰·特顿〔John Turton〕的女儿）的独子，也是他们三个孩子中的长子。他曾在阿什顿-因-马克尔菲尔德（英语：Ashton-in-Makerfield）的文法学校和曼彻斯特维多利亚大学接受教育，1925年获得物理学一级荣誉学位和研究生奖，1926年获得理学硕士学位。

1928年，他与多丽丝·达克沃思结婚（Doris Duckworth）。

职业与研究

从1926年到1937年，兰德尔受雇于通用电气公司，在其温布利实验室从事研究工作，并在开发用于放电灯的发光粉末方面发挥了主导作用。他还对这种发光现象的机制产生了浓厚的兴趣。^[2]

到1937年，他被公认为英国该领域的领军人物，并被授予伯明翰大学皇家学会会员资格。在那里，他与莫里斯·威尔金斯一起在马克·奥利芬特的物理系研究磷光电子陷阱理论。^[5][6][7][8]

磁控管

伯明翰大学波因廷（Poynting）物理楼

图为约翰·兰德尔和哈利·布特（英语：Harry Boot）在伯明翰大学研发的六腔磁控管原件

1939年战争爆发时，海军部曾与奥利芬特接洽，探讨建造一种工作在微波频率的无线电源的可能性。这种系统可以让雷达探测到诸如U型潜艇潜望镜之类的小型目标。位于萨福克海岸鲍德西庄园（英语：Bawdsey Manor）的英国空军部雷达研究人员也对10厘米波段的系统表现出了兴趣，因为这种系统可以大大缩小发射天线的尺寸，使其更容易安装在飞机机头，而无需像现有系统那样安装在机翼和机身上。^[9]

奥利芬特开始使用速调管（英语：klystron）（速度调制电子管）进行研究。速调管是罗素和西格德·瓦里安兄弟（英语：Russell and Sigurd Varian）在1937年至1939年间发明的一种装置，也是当时已知唯一能高效产生微波的系统。当时的速调管功率非常低，奥利芬特的主要研究方向是大幅提高其输出功率。如果这一目标实现，就会产生另一个问题：速调管本身只是一个放大器，因此需要低功率的信号源才能进行放大。奥利芬特将微波振荡器的研制工作交给了兰德尔和哈里·布特（英语：Harry Boot），让他们研究用于此用途的微型巴尔克豪森-库尔茨管（英语：Barkhausen–Kurz tube），这种设计当时已用于超高频系统。他们的研究很快表明，这种方法在微波波段并没有带来任何改进。^[10] 速调管的研发很快就陷入了停滞，研制出的装置可以产生大约400瓦的微波功率，足以用于测试，但远远低于实用雷达系统所需的数千瓦系统。

由于没有其他项目可做，兰德尔和布特于1939年11月开始考虑解决这个问题。当时已知的唯一一种微波器件是分裂阳极磁控管，这种器件能够产生少量功率，但效率低下，输出功率通常低于速调管。然而，他们注意到磁控管相比速调管有一个巨大的优势：速调管的信号编码在电子枪提供的电子流中，而电子枪的电流容量决定了器件最终能够处理的功率大小。相比之下，磁控管使用传统的热灯丝阴极，这种系统广泛应用于功率达数百千瓦的无线电系统中。这似乎为实现更高功率提供了一条更可行的途径。^[10]

现有磁控管的问题不在于功率，而在于效率。在速调管中，一束电子穿过一个被称为谐振器的金属圆盘。铜谐振器的机械结构使其能够影响电子，使其加速或减速，从而释放微波。这种方法效率尚可，但功率受限于电子枪。而磁控管则用两块带相反电荷的金属板取代了谐振器，这两块金属板通过交替充电产生加速度，并利用磁体迫使电子在两块金属板之间运动。磁控管加速的电子数量没有真正的限制，但微波释放过程的效率却极其低下。

两人随后探讨了如果将磁控管的两块金属板替换为谐振器会发生什么，这本质上是将现有的磁控管和速调管的概念结合起来。磁体将使电子像在磁控管中一样做圆周运动，从而使它们能够经过每个谐振器，产生微波的效率远高于金属板方案。回想起海因里希·赫兹曾使用线圈作为谐振器，而不是速调管的圆盘形谐振腔，他们觉得可以在磁控管中心周围放置多个谐振器。更重要的是，这些线圈的数量和尺寸几乎没有限制。可以通过将线圈延伸成圆柱体来大幅提高系统的功率，此时功率处理能力取决于管的长度。增加谐振器的数量可以提高效率，因为每个电子在其轨道运动过程中可以与更多的谐振器相互作用。唯一实际的限制是所需的频率和管的预期物理尺寸。^[10]

参阅

• 多腔磁控管