El magnetrón de cavidad es un tubo de vacío de alta potencia utilizado en los primeros sistemas de radar y posteriormente en hornos de microondas y en aceleradores lineales de partículas . Un magnetrón de cavidad genera microondas mediante la interacción de una corriente de electrones con un campo magnético , mientras pasa por una serie de resonadores de cavidad , que son cavidades pequeñas y abiertas en un bloque de metal. Los electrones pasan por las cavidades y hacen que las microondas oscilen en su interior, de forma similar al funcionamiento de un silbato que produce un tono cuando se excita con una corriente de aire que pasa por su abertura. La frecuencia de resonancia de la disposición está determinada por las dimensiones físicas de las cavidades. A diferencia de otros tubos de vacío, como un klistrón o un tubo de ondas viajeras (TWT), el magnetrón no puede funcionar como amplificador para aumentar la intensidad de una señal de microondas aplicada; el magnetrón sirve únicamente como un oscilador electrónico que genera una señal de microondas a partir de electricidad de corriente continua suministrada al tubo de vacío.
El uso de campos magnéticos como medio para controlar el flujo de una corriente eléctrica fue impulsado por la invención del Audion por Lee de Forest en 1906. Albert Hull del Laboratorio de Investigación de General Electric , EE.UU., comenzó a desarrollar magnetrones para evitar las patentes de De Forest. , [1] pero nunca tuvieron un éxito total. Otros experimentadores retomaron el trabajo de Hull y Habann introdujo un avance clave en Alemania en 1924, el uso de dos cátodos. La investigación adicional fue limitada hasta el artículo japonés de Okabe de 1929 que señalaba la producción de señales de longitud de onda centimétrica, lo que generó interés mundial . El desarrollo de magnetrones con múltiples cátodos fue propuesto por AL Samuel de Bell Telephone Laboratories en 1934, lo que llevó a los diseños de Postumus en 1934 y Hans Hollmann en 1935. La producción fue asumida por Philips , General Electric Company (GEC), Telefunken y otros. limitado a quizás 10 W de salida. En ese momento, el klistrón producía más energía y el magnetrón no se usaba ampliamente, aunque Aleksereff y Malearoff construyeron un dispositivo de 300 W en la URSS en 1936 (publicado en 1940). [1]
El magnetrón de cavidad fue una mejora radical introducida por John Randall y Harry Boot en la Universidad de Birmingham , Inglaterra, en 1940. [2] : 24–26 [3] Su primer ejemplo funcional produjo cientos de vatios a una longitud de onda de 10 cm, un logro sin precedentes. . [4] [5] En cuestión de semanas, los ingenieros de GEC habían mejorado esto a más de un kilovatio, y en meses a 25 kilovatios, más de 100 kW en 1941 y avanzando hacia un megavatio en 1943. Los pulsos de alta potencia se generaron a partir de un dispositivo que tamaño de un libro pequeño y transmitido desde una antena de sólo centímetros de largo, reduciendo el tamaño de los sistemas de radar prácticos en órdenes de magnitud. [6] Aparecieron nuevos radares para cazas nocturnos , aviones antisubmarinos e incluso para los barcos de escolta más pequeños, [6] y desde ese momento los aliados de la Segunda Guerra Mundial mantuvieron una ventaja en radares que sus homólogos en Alemania y Japón nunca tuvieron. capaz de cerrar. Al final de la guerra, prácticamente todos los radares aliados se basaban en el magnetrón.
El magnetrón continuó utilizándose en el radar en el período de posguerra, pero perdió popularidad en la década de 1960 cuando surgieron los klistrones de alta potencia y los tubos de ondas viajeras . Una característica clave del magnetrón es que su señal de salida cambia de un pulso a otro, tanto en frecuencia como en fase. Esto lo hace menos adecuado para comparaciones de pulso a pulso para realizar indicaciones de objetivos en movimiento y eliminar el " desorden " de la pantalla del radar. [7] El magnetrón sigue utilizándose en algunos sistemas de radar, pero se ha vuelto mucho más común como fuente de bajo costo para hornos microondas. De esta forma, hoy en día se utilizan más de mil millones de magnetrones. [7] [8]
En un tubo de electrones convencional ( tubo de vacío ), los electrones se emiten desde un componente calentado con carga negativa llamado cátodo y son atraídos por un componente con carga positiva llamado ánodo . Los componentes normalmente están dispuestos concéntricamente, colocados dentro de un recipiente de forma tubular del que se ha evacuado todo el aire, de modo que los electrones puedan moverse libremente (de ahí el nombre de tubos de "vacío", llamados "válvulas" en inglés británico).
Si se inserta un tercer electrodo (llamado rejilla de control ) entre el cátodo y el ánodo, el flujo de electrones entre el cátodo y el ánodo se puede regular variando el voltaje en este tercer electrodo. Esto permite que el tubo de electrones resultante (llamado " triodo " porque ahora tiene tres electrodos) funcione como un amplificador porque pequeñas variaciones en la carga eléctrica aplicada a la rejilla de control darán como resultado variaciones idénticas en la corriente mucho mayor de electrones que fluye entre ellos. el cátodo y el ánodo. [9]
La idea de utilizar una rejilla para el control fue inventada por Philipp Lenard , que recibió el Premio Nobel de Física en 1905. En Estados Unidos fue patentada más tarde por Lee de Forest , lo que dio lugar a una considerable investigación sobre diseños de tubos alternativos que evitarían sus patentes. Un concepto utilizó un campo magnético en lugar de una carga eléctrica para controlar el flujo de corriente, lo que llevó al desarrollo del tubo magnetrón. En este diseño, el tubo se fabricó con dos electrodos, normalmente con el cátodo en forma de varilla de metal en el centro y el ánodo como un cilindro alrededor. El tubo se colocó entre los polos de un imán de herradura [10] [ se necesita mejor fuente ] dispuesto de manera que el campo magnético estuviera alineado paralelo al eje de los electrodos.
Sin campo magnético presente, el tubo funciona como un diodo, y los electrones fluyen directamente del cátodo al ánodo. En presencia del campo magnético, los electrones experimentarán una fuerza en ángulo recto con respecto a su dirección de movimiento (la fuerza de Lorentz ). En este caso, los electrones siguen una trayectoria curva entre el cátodo y el ánodo. La curvatura del camino se puede controlar variando el campo magnético usando un electroimán o cambiando el potencial eléctrico entre los electrodos.
En ajustes de campo magnético muy altos, los electrones son obligados a regresar al cátodo, impidiendo el flujo de corriente. En el extremo opuesto, sin campo, los electrones pueden fluir libremente directamente desde el cátodo al ánodo. Hay un punto entre los dos extremos, el valor crítico o corte del campo magnético de Hull (y voltaje de corte), donde los electrones apenas llegan al ánodo. En los campos alrededor de este punto, el dispositivo funciona de manera similar a un triodo. Sin embargo, el control magnético, debido a la histéresis y otros efectos, da como resultado una respuesta más lenta y menos fiel a la corriente de control que el control electrostático usando una rejilla de control en un triodo convencional (sin mencionar el mayor peso y complejidad), por lo que los magnetrones tuvieron un uso limitado en Diseños electrónicos convencionales.
Se observó que cuando el magnetrón funcionaba en el valor crítico, emitía energía en el espectro de radiofrecuencia . Esto ocurre porque algunos de los electrones, en lugar de llegar al ánodo, continúan dando vueltas en el espacio entre el cátodo y el ánodo. Debido a un efecto ahora conocido como radiación ciclotrón , estos electrones irradian energía de radiofrecuencia. El efecto no es muy eficiente. Finalmente, los electrones golpean uno de los electrodos, por lo que el número en estado circulante en un momento dado es un pequeño porcentaje de la corriente total. También se observó que la frecuencia de la radiación depende del tamaño del tubo, e incluso se construyeron primeros ejemplos que producían señales en el régimen de microondas.
Los primeros sistemas de válvulas convencionales se limitaban a las bandas de alta frecuencia y, aunque los sistemas de muy alta frecuencia estuvieron ampliamente disponibles a finales de la década de 1930, las bandas de frecuencia ultraalta y de microondas estaban mucho más allá de la capacidad de los circuitos convencionales. El magnetrón era uno de los pocos dispositivos capaces de generar señales en la banda de microondas y era el único capaz de producir alta potencia en longitudes de onda centimétricas.
Era muy difícil mantener el magnetrón original funcionando en el valor crítico, e incluso entonces el número de electrones en estado circular en cualquier momento era bastante bajo. Esto significaba que producía señales de muy baja potencia. Sin embargo, al ser uno de los pocos dispositivos que se sabe que crea microondas, el interés por el dispositivo y sus posibles mejoras fue generalizado.
La primera mejora importante fue el magnetrón de ánodo dividido , también conocido como magnetrón de resistencia negativa . Como su nombre lo indica, este diseño utilizó un ánodo que se dividió en dos, uno en cada extremo del tubo, creando dos medios cilindros. Cuando ambos se cargaron al mismo voltaje, el sistema funcionó como el modelo original. Pero alterando ligeramente el voltaje de las dos placas , se podría modificar la trayectoria de los electrones para que viajaran naturalmente hacia el lado de menor voltaje. Las placas estaban conectadas a un oscilador que invertía el voltaje relativo de las dos placas a una frecuencia determinada. [10]
En cualquier instante dado, el electrón será naturalmente empujado hacia el lado de menor voltaje del tubo. Luego, el electrón oscilará hacia adelante y hacia atrás a medida que cambia el voltaje. Al mismo tiempo, se aplica un fuerte campo magnético, más fuerte que el valor crítico del diseño original. Esto normalmente haría que el electrón regresara al cátodo, pero debido al campo eléctrico oscilante, el electrón sigue una trayectoria circular que continúa hacia los ánodos. [10]
Dado que todos los electrones en el flujo experimentaron este movimiento circular, la cantidad de energía de RF que se irradia mejoró enormemente. Y como el movimiento se producía en cualquier nivel de campo más allá del valor crítico, ya no era necesario ajustar cuidadosamente los campos y voltajes, y la estabilidad general del dispositivo mejoró enormemente. Desafortunadamente, el campo superior también significaba que los electrones a menudo regresaban al cátodo, depositando su energía en él y provocando que se calentara. Como esto normalmente provoca que se liberen más electrones, a veces podría provocar un efecto desbocado que dañaría el dispositivo. [10]
El gran avance en el diseño de magnetrones fue el magnetrón de cavidad resonante o magnetrón de resonancia electrónica , que funciona según principios completamente diferentes. En este diseño, la oscilación es creada por la forma física del ánodo, en lugar de circuitos o campos externos.
Mecánicamente, el magnetrón de cavidad consta de un cilindro grande y sólido de metal con un orificio perforado en el centro de la cara circular. Un cable que actúa como cátodo pasa por el centro de este orificio y el bloque de metal forma el ánodo. Alrededor de este agujero, conocido como "espacio de interacción", hay varios agujeros similares ("resonadores") perforados paralelos al espacio de interacción, conectados al espacio de interacción mediante un canal corto. El bloque resultante se parece al cilindro de un revólver , con un agujero central algo más grande. Los primeros modelos se cortaron utilizando plantillas de pistola Colt . [11] Recordando que en un circuito de CA los electrones viajan a lo largo de la superficie , no del núcleo, del conductor, los lados paralelos de la ranura actúan como un condensador mientras que los agujeros redondos forman un inductor : un circuito LC hecho de cobre sólido, con la frecuencia de resonancia definida enteramente por sus dimensiones.
El campo magnético se establece en un valor muy por debajo del crítico, por lo que los electrones siguen trayectorias de arco hacia el ánodo. Cuando golpean el ánodo, hacen que se cargue negativamente en esa región. Como este proceso es aleatorio, algunas áreas quedarán más o menos cargadas que las áreas que las rodean. El ánodo está construido con un material altamente conductor, casi siempre cobre, por lo que estas diferencias de voltaje hacen que parezcan corrientes que las nivelan. Dado que la corriente tiene que fluir por el exterior de la cavidad, este proceso lleva tiempo. Durante ese tiempo, los electrones adicionales evitarán los puntos calientes y se depositarán más a lo largo del ánodo, a medida que también llegue la corriente adicional que fluye a su alrededor. Esto hace que se forme una corriente oscilante cuando la corriente intenta igualar un punto y luego otro. [12]
Las corrientes oscilantes que fluyen alrededor de las cavidades y su efecto sobre el flujo de electrones dentro del tubo hacen que se generen grandes cantidades de energía de radiofrecuencia de microondas en las cavidades. Las cavidades están abiertas en un extremo, por lo que todo el mecanismo forma un oscilador de microondas único y más grande. Un "grifo", normalmente un cable formado en forma de bucle, extrae energía de microondas de una de las cavidades. En algunos sistemas, el cable de derivación se reemplaza por un orificio abierto, que permite que las microondas fluyan hacia una guía de ondas .
Como la oscilación tarda algún tiempo en configurarse y es inherentemente aleatoria al inicio, los inicios posteriores tendrán diferentes parámetros de salida. La fase casi nunca se conserva, lo que dificulta el uso del magnetrón en sistemas de matriz en fase . La frecuencia también varía de un pulso a otro, un problema más difícil para una gama más amplia de sistemas de radar. Ninguno de estos presenta un problema para los radares de onda continua ni para los hornos microondas.
Todos los magnetrones de cavidad consisten en un cátodo cilíndrico calentado a un potencial negativo alto (continuo o pulsado) creado por una fuente de alimentación de corriente continua de alto voltaje. El cátodo se coloca en el centro de una cámara metálica circular, lobulada y evacuada . Las paredes de la cámara son el ánodo del tubo. Un imán permanente impone un campo magnético paralelo al eje de la cavidad . Inicialmente, los electrones se mueven radialmente hacia afuera del cátodo atraídos por el campo eléctrico de las paredes del ánodo. El campo magnético hace que los electrones giren en espiral hacia afuera siguiendo una trayectoria circular, consecuencia de la fuerza de Lorentz . Espaciadas alrededor del borde de la cámara hay cavidades cilíndricas. Se cortan ranuras a lo largo de las cavidades que se abren hacia el espacio central común de la cavidad. A medida que los electrones pasan por estas ranuras, inducen un campo de radio de alta frecuencia en cada cavidad resonante, lo que a su vez hace que los electrones se agrupen en grupos. Una parte de la energía de radiofrecuencia se extrae mediante un bucle de acoplamiento corto que está conectado a una guía de ondas (un tubo de metal, generalmente de sección transversal rectangular). La guía de ondas dirige la energía de RF extraída a la carga, que puede ser una cámara de cocción en un horno microondas o una antena de alta ganancia en el caso de un radar.
El tamaño de las cavidades determina la frecuencia de resonancia y, por tanto, la frecuencia de las microondas emitidas. Sin embargo, la frecuencia no es controlable con precisión. La frecuencia de funcionamiento varía con los cambios en la impedancia de carga , con los cambios en la corriente de suministro y con la temperatura del tubo. [13] Esto no es un problema en usos como calefacción, o en algunas formas de radar donde el receptor se puede sincronizar con una frecuencia de magnetrón imprecisa. Cuando se necesitan frecuencias precisas, se utilizan otros dispositivos, como el klistrón .
El magnetrón es un dispositivo autooscilante que no requiere más elementos externos que una fuente de alimentación. Se debe aplicar un voltaje de ánodo umbral bien definido antes de que se acumule la oscilación; este voltaje es función de las dimensiones de la cavidad resonante y del campo magnético aplicado. En aplicaciones pulsadas hay un retraso de varios ciclos antes de que el oscilador alcance su máxima potencia, y la acumulación de voltaje del ánodo debe coordinarse con la acumulación de salida del oscilador. [13]
Cuando hay un número par de cavidades, dos anillos concéntricos pueden conectar paredes de cavidad alternas para evitar modos de oscilación ineficientes. Esto se llama pi-flejado porque las dos correas bloquean la diferencia de fase entre cavidades adyacentes en π radianes (180°).
El magnetrón moderno es un dispositivo bastante eficiente. En un horno microondas, por ejemplo, una entrada de 1,1 kilovatios generalmente generará unos 700 vatios de potencia de microondas, una eficiencia de alrededor del 65%. (El alto voltaje y las propiedades del cátodo determinan la potencia de un magnetrón). Los magnetrones de banda S grandes pueden producir hasta 2,5 megavatios de potencia máxima con una potencia promedio de 3,75 kW. [13] Algunos magnetrones grandes se enfrían con agua. El magnetrón sigue teniendo un uso generalizado en funciones que requieren alta potencia, pero donde el control preciso sobre la frecuencia y la fase no es importante.
En un radar , la guía de ondas del magnetrón está conectada a una antena . El magnetrón funciona con pulsos muy cortos de voltaje aplicado, lo que da como resultado la radiación de un pulso corto de energía de microondas de alta potencia. Como en todos los sistemas de radar primarios, la radiación reflejada por un objetivo se analiza para producir un mapa de radar en una pantalla.
Varias características de la salida del magnetrón hacen que el uso del dispositivo por radar sea algo problemático. El primero de estos factores es la inestabilidad inherente del magnetrón en su frecuencia de transmisión. Esta inestabilidad da como resultado no sólo cambios de frecuencia de un pulso al siguiente, sino también un cambio de frecuencia dentro de un pulso individual transmitido. El segundo factor es que la energía del impulso transmitido se distribuye en un espectro de frecuencias relativamente amplio, lo que requiere que el receptor tenga un ancho de banda correspondientemente amplio. Este amplio ancho de banda permite que el ruido eléctrico ambiental sea aceptado en el receptor, oscureciendo así un poco los débiles ecos del radar, reduciendo así la relación señal-ruido general del receptor y, por tanto, el rendimiento. El tercer factor, dependiendo de la aplicación, es el peligro de radiación causado por el uso de radiación electromagnética de alta potencia. En algunas aplicaciones, por ejemplo, un radar marino montado en una embarcación de recreo, a menudo se encuentra un radar con una potencia de magnetrón de 2 a 4 kilovatios montado muy cerca de un área ocupada por la tripulación o los pasajeros. En la práctica, estos factores han sido superados, o simplemente aceptados, y hoy en día hay en servicio miles de unidades de radar marino y de aviación con magnetrones. Los avances recientes en los radares de aviación para evitar el clima y en los radares marinos han reemplazado con éxito el magnetrón con osciladores semiconductores de microondas , que tienen un rango de frecuencia de salida más estrecho. Estos permiten utilizar un ancho de banda de receptor más estrecho y la relación señal-ruido más alta, a su vez, permite una menor potencia del transmisor, lo que reduce la exposición a EMR.
En los hornos microondas , la guía de ondas conduce a un puerto transparente de radiofrecuencia hacia la cámara de cocción. Como las dimensiones fijas de la cámara y su cercanía física al magnetrón normalmente crearían patrones de ondas estacionarias en la cámara, el patrón se aleatoriza mediante un agitador motorizado en modo de ventilador en la guía de ondas (más a menudo en hornos comerciales), o mediante un Plato giratorio que hace girar los alimentos (más común en hornos de consumo). Un ejemplo temprano de esta aplicación fue cuando los científicos británicos utilizaron en 1954 un horno de microondas para resucitar hámsteres congelados criogénicamente . [14]
En los sistemas de iluminación excitados por microondas, como una lámpara de azufre , un magnetrón proporciona el campo de microondas que pasa a través de una guía de ondas hasta la cavidad de iluminación que contiene la sustancia emisora de luz (p. ej., azufre , haluros metálicos , etc.). Aunque eficientes, estas lámparas son mucho más complejas que otros métodos de iluminación y, por lo tanto, no se utilizan comúnmente. Las variantes más modernas utilizan HEMT o dispositivos semiconductores de potencia GaN-on-SiC para generar microondas, que son sustancialmente menos complejos y se pueden ajustar para maximizar la salida de luz mediante un controlador PID .
En 1910, Hans Gerdien (1877-1951), de Siemens Corporation, inventó un magnetrón. [15] [16] En 1912, el físico suizo Heinrich Greinacher estaba buscando nuevas formas de calcular la masa del electrón . Se decidió por un sistema que constaba de un diodo con un ánodo cilíndrico que rodeaba un cátodo en forma de varilla, colocado en el centro de un imán. El intento de medir la masa del electrón fracasó porque no pudo lograr un buen vacío en el tubo. Sin embargo, como parte de este trabajo, Greinacher desarrolló modelos matemáticos del movimiento de los electrones en campos magnéticos y eléctricos cruzados. [17] [18]
En Estados Unidos, Albert Hull utilizó este trabajo en un intento de eludir las patentes de Western Electric sobre el triodo. Western Electric se hizo con el control de este diseño comprando las patentes de Lee De Forest sobre el control del flujo de corriente mediante campos eléctricos a través de la "red". Hull pretendía utilizar un campo magnético variable, en lugar de uno electrostático, para controlar el flujo de electrones desde el cátodo al ánodo. Trabajando en los Laboratorios de Investigación de General Electric en Schenectady, Nueva York , Hull construyó tubos que proporcionaban conmutación mediante el control de la relación entre las intensidades de los campos magnético y eléctrico. Publicó varios artículos y patentes sobre el concepto en 1921. [19]
Originalmente, el magnetrón de Hull no estaba destinado a generar ondas electromagnéticas VHF (muy alta frecuencia). Sin embargo, en 1924, el físico checo August Žáček [20] (1886-1961) y el físico alemán Erich Habann [21] (1892-1968) descubrieron de forma independiente que el magnetrón podía generar ondas de 100 megahercios a 1 gigahercio. Žáček, profesor de la Universidad Carolina de Praga , publicó primero; sin embargo, publicó en una revista de pequeña circulación y, por tanto, atrajo poca atención. [22] Habann, un estudiante de la Universidad de Jena , investigó el magnetrón para su tesis doctoral de 1924. [23] A lo largo de la década de 1920, Hull y otros investigadores de todo el mundo trabajaron para desarrollar el magnetrón. [24] [25] [26] La mayoría de estos primeros magnetrones eran tubos de vacío de vidrio con múltiples ánodos. Sin embargo, el magnetrón de dos polos, también conocido como magnetrón de ánodo dividido, tenía una eficiencia relativamente baja.
Mientras se desarrollaba el radar durante la Segunda Guerra Mundial , surgió la necesidad urgente de un generador de microondas de alta potencia que funcionara en longitudes de onda más cortas , alrededor de 10 cm (3 GHz), en lugar de los 50 a 150 cm (200 MHz) que estaban disponibles. de generadores de válvulas de la época. Se sabía que Hans Hollmann en Berlín había desarrollado y patentado un magnetrón resonante de múltiples cavidades en 1935 . [27] Sin embargo, el ejército alemán consideró que la deriva de frecuencia del dispositivo de Hollman era indeseable y, en su lugar, basó sus sistemas de radar en el klistrón . Pero los klistrones no podían en ese momento alcanzar la alta potencia que finalmente alcanzaron los magnetrones. Esta fue una de las razones por las que los radares de los cazas nocturnos alemanes , que para empezar nunca se desviaron más allá de la banda baja de UHF para los aviones de primera línea, no eran rival para sus homólogos británicos. [24] : 229 Asimismo, en el Reino Unido, Albert Beaumont Wood propuso en 1937 un sistema con "seis u ocho pequeños agujeros" perforados en un bloque de metal, diferenciándose de los diseños de producción posteriores sólo en los aspectos del sellado al vacío. Sin embargo, su idea fue rechazada por la Marina, quien dijo que su departamento de válvulas estaba demasiado ocupado para considerarla. [28]
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En 1940, en la Universidad de Birmingham en el Reino Unido, John Randall y Harry Boot produjeron un prototipo funcional de un magnetrón de cavidad que producía alrededor de 400 W. [5] En una semana esto había mejorado a 1 kW, y en los meses siguientes , con la adición de refrigeración por agua y muchos cambios de detalles, esto había mejorado a 10 y luego a 25 kW. [5] Para lidiar con su deriva de frecuencia, muestrearon la señal de salida y sincronizaron su receptor con cualquier frecuencia que realmente se estuviera generando. En 1941, el problema de la inestabilidad de frecuencia se resolvió mediante el acoplamiento ("flejado") de cavidades alternativas dentro del magnetrón de James Sayers , lo que redujo la inestabilidad en un factor de 5 a 6. [29] (Para obtener una descripción general de los primeros diseños de magnetrones, incluido el de Boot y Randall, consulte [30] ).
GEC en Wembley fabricó 12 prototipos de magnetrones de cavidad en agosto de 1940, y el número 12 fue enviado a Estados Unidos con Bowen en la Misión Tizard , donde se mostró el 19 de septiembre de 1940 en el apartamento de Alfred Loomis. El Comité de Microondas estadounidense de la NDRC quedó estupefacto ante el nivel de potencia producido. Sin embargo, el director de Bell Labs se molestó cuando lo radiografiaron y tenían ocho agujeros en lugar de los seis que se muestran en los planos del GEC. Después de contactar (a través del cable transatlántico) con el Dr. Eric Megaw, el experto en tubos de vacío de GEC, Megaw recordó que cuando le pidió 12 prototipos, dijo que hiciera 10 con 6 agujeros, uno con 7 y otro con 8; No hubo tiempo para modificar los dibujos. Y el número 12 con 8 hoyos fue elegido para la Misión Tizard. Entonces Bell Labs decidió copiar la muestra; y mientras que los primeros magnetrones británicos tenían seis cavidades, los americanos tenían ocho cavidades. [31]
Según Andy Manning del Museo del Radar de Defensa Aérea de la RAF , el descubrimiento de Randall y Boot fue "un avance enorme, enorme" y "considerado por muchos, incluso ahora, como el invento más importante que surgió de la Segunda Guerra Mundial", mientras que El profesor de historia militar de la Universidad de Victoria en Columbia Británica, David Zimmerman, afirma:
El magnetrón sigue siendo el tubo de radio esencial para señales de radio de onda corta de todo tipo. No sólo cambió el curso de la guerra al permitirnos desarrollar sistemas de radar aerotransportados, sino que sigue siendo la pieza clave de tecnología que se encuentra en el corazón de su horno microondas hoy en día. La invención del magnetrón de cavidad cambió el mundo. [5]
Como Francia acababa de caer en manos de los nazis y Gran Bretaña no tenía dinero para desarrollar el magnetrón a gran escala, Winston Churchill estuvo de acuerdo en que Sir Henry Tizard debería ofrecer el magnetrón a los estadounidenses a cambio de su ayuda financiera e industrial. [5] Una versión temprana de 10 kW , construida en Inglaterra por los Laboratorios de Investigación de General Electric Company en Wembley , Londres , fue llevada a la Misión Tizard en septiembre de 1940. Cuando la discusión giró hacia el radar, los representantes de la Marina de los EE. UU. comenzaron a detallar los problemas. con sus sistemas de longitud de onda corta, quejándose de que sus klistrones sólo podían producir 10 W. Con una floritura, "Taffy" Bowen sacó un magnetrón y explicó que producía 1000 veces más. [5] [32]
Los Laboratorios Bell Telephone tomaron el ejemplo y rápidamente comenzaron a hacer copias, y antes de finales de 1940, se había instalado el Laboratorio de Radiación en el campus del Instituto Tecnológico de Massachusetts para desarrollar varios tipos de radar utilizando el magnetrón. A principios de 1941, se estaban probando radares centimétricos portátiles en aviones estadounidenses y británicos. [5] A finales de 1941, el Establecimiento de Investigación de Telecomunicaciones del Reino Unido utilizó el magnetrón para desarrollar un revolucionario radar aerotransportado de cartografía terrestre con nombre en código H2S. El radar H2S fue desarrollado en parte por Alan Blumlein y Bernard Lovell .
El magnetrón de cavidad se utilizó ampliamente durante la Segunda Guerra Mundial en equipos de radar de microondas y a menudo se le atribuye haber dado a los radares aliados una considerable ventaja de rendimiento sobre los radares alemanes y japoneses , influyendo así directamente en el resultado de la guerra. Más tarde, el historiador estadounidense James Phinney Baxter III lo describió como "el cargamento más valioso jamás traído a nuestras costas". [33]
El radar centimétrico, posible gracias al magnetrón de cavidad, permitió la detección de objetos mucho más pequeños y el uso de antenas mucho más pequeñas. La combinación de magnetrones de cavidades pequeñas, antenas pequeñas y alta resolución permitió instalar radares pequeños y de alta calidad en aviones. Podrían ser utilizados por aviones de patrulla marítima para detectar objetos tan pequeños como un periscopio submarino, lo que permitía a los aviones atacar y destruir submarinos sumergidos que antes habían sido indetectables desde el aire. Los radares de mapeo de contorno centimétrico como el H2S mejoraron la precisión de los bombarderos aliados utilizados en la campaña de bombardeo estratégico , a pesar de la existencia del dispositivo alemán FuG 350 Naxos para detectarlo específicamente. Los radares centimétricos para colocar armas también eran mucho más precisos que la tecnología más antigua. Hicieron que los acorazados aliados con grandes cañones fueran más mortíferos y, junto con la espoleta de proximidad recientemente desarrollada , hicieron que los cañones antiaéreos fueran mucho más peligrosos para los aviones atacantes. A las dos acopladas y utilizadas por baterías antiaéreas, colocadas a lo largo de la trayectoria de vuelo de las bombas voladoras alemanas V-1 en su camino a Londres , se les atribuye la destrucción de muchas de las bombas voladoras antes de que alcanzaran su objetivo.
Desde entonces, se han fabricado muchos millones de magnetrones de cavidad; mientras que algunos han sido para radar la gran mayoría han sido para hornos microondas . El uso en el radar en sí ha disminuido hasta cierto punto, ya que generalmente se necesitan señales más precisas y los desarrolladores han pasado al klistrón y a los sistemas de tubos de ondas viajeras para estas necesidades.
Al menos un peligro en particular es bien conocido y documentado. Como el cristalino del ojo no tiene un flujo sanguíneo refrescante, es particularmente propenso a sobrecalentarse cuando se expone a la radiación de microondas. Este calentamiento puede, a su vez, provocar una mayor incidencia de cataratas en la vejez. [34]
También existe un riesgo eléctrico considerable alrededor de los magnetrones, ya que requieren una fuente de alimentación de alto voltaje.
La mayoría de los magnetrones contienen una pequeña cantidad de torio mezclado con tungsteno en su filamento . Las excepciones a esto son los magnetrones de mayor potencia que funcionan por encima de aproximadamente 10.000 voltios, donde el bombardeo de iones positivos daña el torio metálico, por lo que se utiliza tungsteno puro (dopado con potasio). Si bien el torio es un metal radiactivo, el riesgo de cáncer es bajo ya que nunca se transporta por el aire en su uso normal. Sólo si el filamento se saca del magnetrón, se tritura finamente y se inhala, puede suponer un peligro para la salud. [35] [36] [37]
El magnetrón sorprendió a los estadounidenses. Su investigación estuvo años fuera de ritmo.
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