研发大功率微波器件

从研发雷达伊始，瓦特已经认识到微波雷达的诸多优点。在提交防空研究委员会的第二份备忘录中，瓦特表达了对工作波长更短的微波雷达发展前景的关注。微波雷达的天线尺寸可以做得比较小，能够提高距离和方位的探测精度，还能够分辨米波雷达不易区分的几个相邻目标，抗地杂波影响的能力也更强。微波雷达虽具有上述优点，但问题是当时的微波功率管可以产生的功率太小。功率管如同雷达的心脏，其性能指标不符合要求，要想研发出满足作战需求的微波雷达是不可能的，这也是前文提到过的博文，费了九牛二虎之力，却始终无法完成机载厘米波雷达研制项目的根本原因。

为了寻求解决这一卡脖子的问题，1939年年初，由英国海军部牵头成立了一个专委会，以协调、推动在微波领域顶尖的两所大学——牛津大学和伯明翰大学，为军方研发微波雷达服务。牛津大学卡莱顿实验室接下了设计、研发微波接收机的任务，伯明翰大学物理系接下了设计、研发10厘米波长雷达发射机的任务。

这年夏天，伯明翰大学物理系实验室主任马库斯·奥利芬教授，著名物理学家卢瑟福的学生，带领实验室的人员来到空军部署于怀特岛的文特诺雷达站，现场考察和听取雷达技术发展情况的介绍。其间，二战爆发，奥利芬把兰德尔和布特留在雷达站，进一步跟班见学。等到他们俩返回学校时，研发10厘米波发射机的主要工作已分工完毕，于是，奥利芬让俩人做一些辅助性的研究工作，其中一项是把德国一家公司生产的电真空管运用于微波检波器的方法研究。

兰德尔35岁，曾在德国学习无线电物理学，他长得短小精悍，充满活力，来到大学实验室任助理研究员之前，已是通用电器公司的一名无线电物理专家。布特比兰德尔小12岁，正在攻读硕士学位。俩人对受领的研究项目颇感失落，因为其纯属应用型研究，与科技前沿不怎么沾边。不过工作中，他们还是毫不马虎。兰德尔带着布特设计了一个微波检波器，在选用功率源时，颇费了一番功夫。当时，能够产生微波功率的电真空管有两种，一种是速调管，再就是磁控管。磁控管相比速调管要更简单些，兰德尔选择了磁控管。接着，俩人为研究项目设计了一款特殊磁铁。在等待磁铁加工制作的时候，俩人顺便对磁控管和速调管的工作原理做了一番详细梳理。磁控管由磁铁和真空管构成，从真空管一端的阴极发出的电子流，在磁场的作用下，沿着一条弯曲的路径到达真空管的另一端阳极，以完成能量转换，形成微波功率源。其存在的主要问题是，因阳极散热效率低，功率损耗比较大。在微波波段，磁控管能够产生的最大功率只有30至40瓦。速调管的名字源于希腊字“klyzo”，原意为涌上海滩的波浪碎成浪花，借用其表示将电子流分成若干电子束，从而把输入直流电携带的部分能量转换为高频交流电能量输出。速调管存在的主要问题是，阴极太小，制约了可以发出的电子数量；难以将大功率施加到高度聚焦的电子流中。俩人在切磋、碰撞的过程中，不由擦出一个思想火花：如果把两种管子结合在一起，组合成一支新管子，可不可以充分发挥二者的优点，互补二者原先的不足呢？这一想法挺有吸引力，可是两种管子的结构不同，要想将其组合在一起，最为关键的是，要使速调管甜圈形的腔体结构能够适配于磁控管的阴极和阳极结构。简而言之，就是要制作一个圆柱形的对称谐振腔，以构成一种新型的磁控管。可是，这种想法及构架具有理论依据支撑吗？如果有，理论依据又在哪里呢？

兰德尔想起了前些年，他携带妻儿去威尔士海滨小镇——阿伯里斯特威斯度假，一天散步时，随兴走进一家二手书店，书架上一本德国科学家赫兹写的《电波》的英译本引起了他的兴趣。在这本书中，赫兹描述了火花间隙试验的著名场景：基于一个导线环所构成的谐振腔，产生了高频无线电振荡。（另一种说法是，兰德尔在德国留学时，读过赫兹的一篇论文，文中有相关论述）。兰德尔突发联想，如果把这个导线环延展成一个立体的导线圈，不就变成了一个圆柱形的谐振腔吗？而且赫兹业已证明，这种谐振腔产生的电磁波长等于导线环直径的7.94倍。

1939年11月的一天下午（具体日期兰德尔已无从记起），兰德尔将其由联想产生的灵感与布特做了交流，布特认为这一想法值得付诸一试。为了符合10厘米波长的要求，布特计算出谐振腔的直径应为1.2厘米。兰德尔在一个信封上画出了谐振腔构造的草图——一个对称分布在阴极周围的6孔槽阳极谐振腔。或许得益于奥利芬对他们的异想天开、胆大妄为撒手、放任，俩人从废旧金属零件中淘出了可用的物件，动手加工制作、组装实验装置。

1940年2月21日，在一间用木板搭建的简易房里，兰德尔和布特对实验装置做了最后一遍检查。这个实验装置包括：一套汽车前照明灯，一个像发动机转子模样的金属圆柱体，其内壁对称地分布着若干个孔槽，以及将二者连接在一起的导线等。在布特将电源开关闭合的瞬间，连接导线上发出一个蓝色的电弧，6瓦的汽车前灯刚被点亮就烧坏了。试验初步验证了兰德尔构想的可行性。在接下来的几天时间里，俩人进一步深入实验，逐步用实验装置点亮更大功率的灯泡，直至把霓虹灯点亮。很明显，实验装置的脉冲输出功率已达到近500瓦，这样的输出功率已可以满足研发10厘米波长发射机的需求。为保险起见，俩人采用“李切尔线”来精确测量输出功率的波长，经过24次反复测量，布特确信，波长为9.5厘米。至此，兰德尔和布特似乎在不经意间已然创新了大功率微波的产生方式。

如果说科学技术是一种成体系的知识，具有普适性、必然性，可以传授，那么科学研究的艺术则是一种创造性的本领，具有特殊性、偶然性，难以言传。兰德尔和布特之所以能够取得成功，这恐怕只能从他们宽松的工作环境，两人丰富的想象力，善于捕捉的直觉，做事的认真执着，脑子里没有条条框框中去找寻答案吧。《科学研究的艺术》一书的作者贝弗里奇说：“一个伟大的科学家应被看作一个创造性的艺术家，把他看成一个仅仅按照逻辑规则和实验规章办事的人是非常错误的。”“在科学研究中，诚然和在日常生活中一样，我们经常必须根据个人的判断来决定自己的行动。而个人判断的依据则是鉴赏力。唯有科学研究的细节，在纯客观、纯理性这个意义上才是‘科学’的……科学研究是一种艺术，不是科学。”

对于兰德尔和布特的发明，丘吉尔在二战回忆录中不无自豪地写道：“电波越短，飞机上雷达显示器的回波图像就越清晰。这种电波称为微波，而产生这种微波的器件完全是我们英国人发明的，这是海上和陆上无线电斗争中的一大创新。”现在回过头来看，在微波核心器件上的技术突破，使英国在雷达领域把原先与其不分上下的德国远远甩在了身后，且在二战中这一技术发挥了难以估量的巨大作用。