約翰·藍道爾

約翰·特頓·藍道爾爵士 FRS FRSE^[2] （英語：Sir John Turton Randall，1905年3月23日—1984年6月16日）是一位英國物理學家和生物物理學家，他因對多腔磁控管的根本性改進而聞名，磁控管是公分波雷達的關鍵部件，而公分波雷達是第二次世界大戰盟軍取得勝利的關鍵之一。它也是微波爐的關鍵部件。^[3][4]

關於其他同名人物，請見「約翰·藍道爾 (消歧義)」。

爵士 約翰·藍道爾 John Randall FRS FRSE
出生	約翰·特頓·藍道爾 John Turton Randall (1905-03-23)1905年3月23日 英格蘭蘭開夏郡牛頓勒威洛斯（英語：Newton-le-Willows）
逝世	1984年6月16日(1984-06-16)（79歲）
母校	曼徹斯特維多利亞大學（理學士、理學碩士、理學博士）
知名於	二戰中英國和美國雷達站的大功率多腔磁控管 DNA結構測定 標記蛋白質的中子繞射研究
獎項	達德爾獎章和獎金（英語：Dennis Gabor Medal and Prize） (1945年) 休斯獎章 (1946年) 約翰·普賴斯·韋瑟里爾獎章（英語：John Price Wetherill Medal） (1958年)
科學生涯
研究領域	物理學 生物物理學
機構	英國奇異公司 劍橋大學卡文迪許實驗室 倫敦國王學院 聖安德魯斯大學 伯明罕大學 愛丁堡大學
博士生	莫里斯·威爾金斯[1]

藍道爾與哈里·布特（英語：Harry Boot）合作，他們製造出一種閥門，可以發出波長為10公分的微波無線電能量脈衝。^[3] 關於磁控管發明的意義，加拿大不列顛哥倫比亞省維多利亞大學軍事史教授大衛·齊默爾曼（David Zimmerman）曼表示：「磁控管仍然是各種短波無線電信號必不可少的電子管。它不僅通過使我們能夠開發機載雷達系統而改變了戰爭的進程，而且至今仍然是微波爐的核心技術。磁控管的發明改變了世界。」^[3]

藍道爾還領導了倫敦國王學院的研究團隊，該團隊致力於DNA結構的研究。藍道爾的副手莫里斯·威爾金斯教授與劍橋大學卡文迪許實驗室的詹姆士·華森和法蘭西斯·克里克共同獲得了1962年諾貝爾生理學或醫學獎，以表彰他們確定DNA結構。藍道爾的其他團隊成員包括羅莎琳德·富蘭克林、雷蒙·葛斯林、亞歷·斯托克斯和赫伯特·威爾遜，他們都參與了DNA的研究。

教育和早期生活

約翰·藍道爾於1905年3月23日出生於蘭開夏郡的牛頓勒威洛斯（英語：Newton-le-Willows），是苗圃主兼種子商悉尼·藍道爾（Sidney Randall）和他的妻子漢娜·考利〔Hannah Cawley〕（該地區煤礦經理約翰·特頓〔John Turton〕的女兒）的獨子，也是他們三個孩子中的長子。他曾在阿什頓-因-馬克爾菲爾德（英語：Ashton-in-Makerfield）的文法學校和曼徹斯特維多利亞大學接受教育，1925年獲得物理學一級榮譽學位和研究生獎，1926年獲得理學碩士學位。

1928年，他與多麗絲·達克沃思結婚（Doris Duckworth）。

職業與研究

從1926年到1937年，藍道爾受僱於奇異公司，在其溫布利實驗室從事研究工作，並在開發用於放電燈的發光粉末方面發揮了主導作用。他還對這種發光現象的機制產生了濃厚的興趣。^[2]

到1937年，他被公認為英國該領域的領軍人物，並被授予伯明罕大學皇家學會會員資格。在那裡，他與莫里斯·威爾金斯一起在馬克·奧利芬特的物理系研究磷光電子陷阱理論。^[5][6][7][8]

磁控管

伯明罕大學波因廷（Poynting）物理樓

圖為約翰·藍道爾和哈利·布特（英語：Harry Boot）在伯明罕大學研發的六腔磁控管原件

1939年戰爭爆發時，海軍部曾與奧利芬特接洽，探討建造一種工作在微波頻率的無線電源的可能性。這種系統可以讓雷達探測到諸如U型潛艇潛望鏡之類的小型目標。位於薩福克海岸鮑德西莊園（英語：Bawdsey Manor）的英國空軍部雷達研究人員也對10公分波段的系統表現出了興趣，因為這種系統可以大大縮小發射天線的尺寸，使其更容易安裝在飛機機頭，而無需像現有系統那樣安裝在機翼和機身上。^[9]

奧利芬特開始使用速調管（英語：klystron）（速度調製電子管）進行研究。速調管是羅素和西格德·瓦里安兄弟（英語：Russell and Sigurd Varian）在1937年至1939年間發明的一種裝置，也是當時已知唯一能高效產生微波的系統。當時的速調管功率非常低，奧利芬特的主要研究方向是大幅提高其輸出功率。如果這一目標實現，就會產生另一個問題：速調管本身只是一個放大器，因此需要低功率的信號源才能進行放大。奧利芬特將微波振盪器的研製工作交給了藍道爾和哈里·布特（英語：Harry Boot），讓他們研究用於此用途的微型巴爾克豪森-庫爾茨管（英語：Barkhausen–Kurz tube），這種設計當時已用於超高頻系統。他們的研究很快表明，這種方法在微波波段並沒有帶來任何改進。^[10] 速調管的研發很快就陷入了停滯，研製出的裝置可以產生大約400瓦的微波功率，足以用於測試，但遠遠低於實用雷達系統所需的數千瓦系統。

由於沒有其他項目可做，藍道爾和布特於1939年11月開始考慮解決這個問題。當時已知的唯一一種微波器件是分裂陽極磁控管，這種器件能夠產生少量功率，但效率低下，輸出功率通常低於速調管。然而，他們注意到磁控管相比速調管有一個巨大的優勢：速調管的信號編碼在電子槍提供的電子流中，而電子槍的電流容量決定了器件最終能夠處理的功率大小。相比之下，磁控管使用傳統的熱燈絲陰極，這種系統廣泛應用於功率達數百千瓦的無線電系統中。這似乎為實現更高功率提供了一條更可行的途徑。^[10]

現有磁控管的問題不在於功率，而在於效率。在速調管中，一束電子穿過一個被稱為諧振器的金屬圓盤。銅諧振器的機械結構使其能夠影響電子，使其加速或減速，從而釋放微波。這種方法效率尚可，但功率受限於電子槍。而磁控管則用兩塊帶相反電荷的金屬板取代了諧振器，這兩塊金屬板通過交替充電產生加速度，並利用磁體迫使電子在兩塊金屬板之間運動。磁控管加速的電子數量沒有真正的限制，但微波釋放過程的效率卻極其低下。

兩人隨後探討了如果將磁控管的兩塊金屬板替換為諧振器會發生什麼，這本質上是將現有的磁控管和速調管的概念結合起來。磁體將使電子像在磁控管中一樣做圓周運動，從而使它們能夠經過每個諧振器，產生微波的效率遠高於金屬板方案。回想起海因里希·赫茲曾使用線圈作為諧振器，而不是速調管的圓盤形諧振腔，他們覺得可以在磁控管中心周圍放置多個諧振器。更重要的是，這些線圈的數量和尺寸幾乎沒有限制。可以通過將線圈延伸成圓柱體來大幅提高系統的功率，此時功率處理能力取決於管的長度。增加諧振器的數量可以提高效率，因為每個電子在其軌域運動過程中可以與更多的諧振器交互作用。唯一實際的限制是所需的頻率和管的預期物理尺寸。^[10]

參閱

• 多腔磁控管