Сэр Джон Тертон Рэндалл , FRS FRSE [2] (23 марта 1905 г. – 16 июня 1984 г.) был английским физиком и биофизиком , которому приписывают радикальное усовершенствование резонаторного магнетрона , важнейшего компонента радара сантиметрового диапазона длин волн , который был одним из ключей к победе союзников во Второй мировой войне . Он также является ключевым компонентом микроволновых печей . [3] [4]
Рэндалл сотрудничал с Гарри Бутом , и они создали лампу, которая могла выдавать импульсы микроволновой радиоэнергии на длине волны 10 см. [3] О значимости их изобретения профессор военной истории в Университете Виктории в Британской Колумбии Дэвид Циммерман говорит: «Магнетрон остается основной радиолампой для коротковолновых радиосигналов всех типов. Он не только изменил ход войны, позволив нам разработать бортовые радиолокационные системы, он остается ключевой частью технологии, которая лежит в основе вашей микроволновой печи сегодня. Изобретение резонаторного магнетрона изменило мир». [3]
Рэндалл также возглавлял команду Королевского колледжа в Лондоне, которая работала над структурой ДНК . Заместитель Рэндалла, профессор Морис Уилкинс , разделил Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1962 года с Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком из Кавендишской лаборатории Кембриджского университета за определение структуры ДНК . Среди его других сотрудников были Розалинд Франклин , Рэймонд Гослинг , Алекс Стоукс и Герберт Уилсон , все они занимались исследованиями ДНК.
Джон Рэндалл родился 23 марта 1905 года в Ньютон-ле-Уиллоус , Ланкашир, он был единственным сыном и первым из трех детей Сидни Рэндалла, питомника и семеновода, и его жены Ханны Коули, дочери Джона Тертона, управляющего местной угольной шахтой. [2] Он получил образование в гимназии в Эштон-ин-Мейкерфилд и в Университете Виктории в Манчестере , где в 1925 году ему была присуждена диплом с отличием по физике и награда за обучение, а в 1926 году — степень магистра наук . [2]
В 1928 году он женился на Дорис Дакворт.
С 1926 по 1937 год Рэндалл работал в исследовательской лаборатории компании General Electric в Уэмбли , где он принимал ведущее участие в разработке люминесцентных порошков для использования в разрядных лампах. [ необходима ссылка ] Он также активно интересовался механизмами такой люминесценции . [2]
К 1937 году он был признан ведущим британским ученым в своей области и был удостоен стипендии Королевского общества в Бирмингемском университете , [ требуется ссылка ], где он работал над теорией электронной ловушки фосфоресценции на физическом факультете Марка Олифанта вместе с Морисом Уилкинсом . [5] [6] [7] [8]
.jpg/1280px-Original_cavity_magnetron,_1940_(9663811280).jpg)
Когда в 1939 году началась война , Адмиралтейство обратилось к Олифанту с предложением построить источник радиосигнала, работающий на микроволновых частотах. Такая система позволила бы радару , использующему ее, видеть небольшие объекты, такие как перископы подводных лодок . Исследователи радаров Министерства авиации в поместье Бодси на побережье Саффолка также выразили заинтересованность в 10-сантиметровой системе, поскольку это значительно уменьшило бы размер передающих антенн, что значительно упростило бы их установку в носовой части самолета, в отличие от установки на крыльях и фюзеляже, как в их нынешних системах. [9]
Олифант начал исследования с клистрона , устройства, представленного Расселом и Сигурдом Варианом между 1937 и 1939 годами, и единственной известной системы, эффективно генерирующей микроволны. Клистроны той эпохи были очень маломощными устройствами, и усилия Олифанта были в первую очередь направлены на значительное увеличение их выходной мощности. Если бы это было успешно, это создало бы вторичную проблему: клистрон был только усилителем, поэтому для его усиления требовался маломощный исходный сигнал. Олифант поручил Рэндаллу и Гарри Буту вопрос создания микроволнового генератора, попросив их изучить миниатюрные трубки Баркгаузена-Курца для этой роли, конструкция, уже используемая для систем УВЧ . Их работа быстро продемонстрировала, что они не давали никаких улучшений в микроволновом диапазоне. [10] Вскоре усилия по созданию клистрона вышли на плато, и было создано устройство, способное генерировать около 400 Вт микроволновой энергии, что было достаточно для испытательных целей, но намного меньше, чем многокиловаттные системы, которые потребовались бы для практической радиолокационной системы.
Рэндалл и Бут, не имея других проектов для работы, начали рассматривать решения этой проблемы в ноябре 1939 года. Единственным другим известным микроволновым устройством в то время был магнетрон с разделенным анодом, устройство, способное генерировать небольшое количество энергии, но с низкой эффективностью и в целом более низким выходом, чем клистрон. Однако они отметили, что у него было одно огромное преимущество перед клистроном: сигнал клистрона кодируется в потоке электронов, обеспечиваемых электронной пушкой , и именно текущая способность пушки определяла, какую мощность устройство в конечном итоге могло выдержать. Напротив, магнетрон использовал обычный катод с горячей нитью накала, систему, которая широко использовалась в радиосистемах, производящих сотни киловатт. Это, казалось, предлагало гораздо более вероятный путь к более высокой мощности. [10]
Проблема существующих магнетронов заключалась не в мощности, а в эффективности. В клистроне пучок электронов пропускался через металлический диск, известный как резонатор. Механическая компоновка медного резонатора заставляла его влиять на электроны, ускоряя и замедляя их, испуская микроволны. Это было достаточно эффективно, а мощность ограничивалась пушками. В случае магнетрона резонатор был заменен двумя металлическими пластинами, удерживаемыми на противоположных зарядах, чтобы вызывать попеременное ускорение, и электроны были вынуждены перемещаться между ними с помощью магнита. Не было реального ограничения на количество электронов, которые он мог ускорить, но процесс испускания микроволн был крайне неэффективным.
Затем они рассмотрели, что произойдет, если две металлические пластины магнетрона заменить резонаторами, по сути, объединив существующие концепции магнетрона и клистрона. Магнит заставит электроны двигаться по кругу, как в случае магнетрона, поэтому они будут проходить мимо каждого из резонаторов, генерируя микроволны гораздо эффективнее, чем концепция пластины. Вспоминая, что Генрих Герц использовал петли из проволоки в качестве резонаторов, в отличие от дискообразных полостей клистрона, казалось возможным, что несколько резонаторов могут быть размещены вокруг центра магнетрона. Что еще более важно, не было никаких реальных ограничений на количество или размер этих петель. Можно было бы значительно улучшить мощность системы, расширив петли в цилиндры, тогда мощность будет определяться длиной трубки. Эффективность можно было бы улучшить, увеличив количество резонаторов, поскольку каждый электрон мог бы таким образом взаимодействовать с большим количеством резонаторов во время своих орбит. Единственные практические ограничения основывались на требуемой частоте и желаемом физическом размере трубки. [10]
Разработанный с использованием обычного лабораторного оборудования, первый магнетрон состоял из медного блока с шестью просверленными в нем отверстиями для создания резонансных контуров, который затем помещался в колпак и откачивался вакуумом, который в свою очередь помещался между полюсами самого большого подковообразного магнита, который они могли найти. Испытание их новой конструкции полостного магнетрона в феврале 1940 года дало 400 Вт, и в течение недели мощность превысила 1000 Вт. [10] Затем конструкция была продемонстрирована инженерам из GEC , которым было предложено попытаться ее улучшить. GEC представила ряд новых промышленных методов для лучшей герметизации трубки и улучшения вакуума, а также добавила новый катод с оксидным покрытием, который позволял пропускать через нее гораздо большие токи. Это увеличило мощность до 10 кВт, примерно такую же мощность, как у обычных систем трубок, используемых в существующих радиолокационных установках. Успех магнетрона произвел революцию в разработке радаров, и почти все новые радиолокационные установки с 1942 года использовали один.
В 1943 году Рэндалл покинул физическую лабораторию Олифанта в Бирмингеме , чтобы в течение года преподавать в Кавендишской лаборатории в Кембридже. [ требуется ссылка ] В 1944 году Рэндалл был назначен профессором естественной философии в Университете Сент-Эндрюс и начал планировать исследования в области биофизики (совместно с Морисом Уилкинсом ) на небольшой грант Адмиралтейства. [11]
В 1946 году Рэндалл был назначен главой физического факультета в Королевском колледже в Лондоне. [ необходима цитата ] Затем он перешел на кафедру физики Уитстона в Королевском колледже в Лондоне , где Медицинский исследовательский совет создал Исследовательский отдел биофизики с Рэндаллом в качестве директора (теперь известный как Центр Рэндалла по клеточной и молекулярной биофизике) в Королевском колледже. [ необходима цитата ] Во время его пребывания на посту директора экспериментальная работа, приведшая к открытию структуры ДНК, была проведена там Розалинд Франклин , Рэймондом Гослингом , Морисом Уилкинсом, Алексом Стоксом и Гербертом Р. Уилсоном. Он назначил Рэймонда Гослинга в качестве аспиранта во Франклин для работы над структурой ДНК с помощью рентгеновской дифракции. [12] По словам Рэймонда Гослинга, роль Джона Рэндалла в поисках двойной спирали невозможно переоценить. Гослинг был так уверен в этом, что написал в The Times в 2013 году во время празднования шестидесятой годовщины. [13] Рэндалл твердо верил, что ДНК содержит генетический код, и собрал многопрофильную команду, чтобы помочь доказать это. Именно Рэндалл указал, что поскольку ДНК в основном состоит из углерода, азота и кислорода, она такая же, как атомы в воздухе в камере. Результатом было диффузное обратное рассеяние рентгеновских лучей, которое затуманивало пленку, и поэтому он поручил Гослингу заменить весь воздух водородом. [13]
Морис Уилкинс разделил Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1962 года с Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком ; Розалинда Франклин к тому времени уже умерла от рака в 1958 году.
В дополнение к работе по дифракции рентгеновских лучей подразделение проводило широкомасштабную программу исследований физиками, биохимиками и биологами. Использование новых типов световых микроскопов привело к важному предложению в 1954 году о механизме скользящей нити для сокращения мышц. [ необходима цитата ] Рэндалл также успешно интегрировал преподавание биологических наук в Королевском колледже. [2]
В 1951 году он создал большую междисциплинарную группу, работавшую под его личным руководством для изучения структуры и роста коллагена — белка соединительной ткани . [ требуется ссылка ] Их вклад помог выяснить трехцепочечную структуру молекулы коллагена. [ требуется ссылка ] Сам Рэндалл специализировался на использовании электронного микроскопа , сначала изучая тонкую структуру сперматозоидов , а затем сосредоточившись на коллагене. [ 2] В 1958 году он опубликовал исследование структуры простейших. [2] Он создал новую группу для использования ресничек простейших в качестве модельной системы для анализа морфогенеза путем корреляции структурных и биохимических различий у мутантов.
В 1928 году Рэндалл женился на Дорис, дочери Джозайи Джона Дакворта, инспектора угольной шахты. [2] У них был один сын, Кристофер, родившийся в 1935 году. [2]
В 1970 году он перешел в Эдинбургский университет , где сформировал группу, которая применила ряд новых биофизических методов, таких как исследования когерентной нейтронной дифракции кристаллов белка в ионных растворах в тяжелой воде, для изучения с помощью дифракции нейтронов и рассеяния различных биомолекулярных проблем, таких как обмен протонами остатков белка дейтронами. [ необходима ссылка ]
