Джон Рэндалл (физик)

Сэр Джон Туртон Рэндалл , FRS FRSE ^[2] (23 марта 1905 - 16 июня 1984) был английским физиком и биофизиком , которому приписывают радикальное улучшение магнетрона резонатора , важного компонента радара сантиметрового диапазона длин волн , который был одним из ключей к Победа союзников во Второй мировой войне . Это также ключевой компонент микроволновых печей . ^{[3] [4]}

Рэндалл сотрудничал с Гарри Бутом , и они создали клапан, который мог выдавать импульсы микроволнового радиоизлучения на длине волны 10 см. ^[3] О значении своего изобретения профессор военной истории Университета Виктории в Британской Колумбии Дэвид Циммерман заявляет: «Магнетрон остается важнейшей радиолампой для коротковолновых радиосигналов всех типов. Он не только изменил курс. войны, позволив нам разработать бортовые радиолокационные системы, она остается ключевой технологией, лежащей в основе вашей микроволновой печи сегодня. Изобретение резонаторного магнетрона изменило мир ». ^[3]

Рэндалл также возглавлял команду Королевского колледжа в Лондоне, которая занималась структурой ДНК . Заместитель Рэндалла, профессор Морис Уилкинс , разделил 1962 Нобелевскую премию по физиологии и медицине с Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком в Кавендишской лаборатории в Кембриджском университете для определения структуры ДНК . Среди других его сотрудников были Розалинда Франклин , Рэймонд Гослинг , Алекс Стоукс и Герберт Уилсон , все они занимались исследованиями ДНК.

Образование и ранняя жизнь [ править ]

Джон Рэндалл родился 23 марта 1905 года в Ньютон-ле-Уиллоуз , Ланкашир, единственный сын и первый из трех детей Сидни Рэндалла, питомника и специалиста по семеноводству, и его жены Ханной Коули, дочери Джона Тертона, управляющего шахтой в г. площадь. ^[2] Он получил образование в средней школе в Эштон-ин-Макерфилде и в Манчестерском университете , где он получил диплом с отличием по физике и премию в 1925 году, а также степень магистра наук в 1926 году. . ^[2]

В 1928 году он женился на Дорис Дакворт.

Карьера и исследования [ править ]

С 1926 по 1937 год Рэндалл участвовал в исследованиях компании General Electric в ее лабораториях на Уэмбли , где он играл ведущую роль в разработке люминесцентных порошков для использования в газоразрядных лампах. ^{[ необходима цитата ]} Он также проявлял активный интерес к механизмам такой люминесценции . ^[2]

К 1937 году он был признан в качестве ведущего британского работника в своей области, и был удостоен Королевское общество стипендии в Университете Бирмингема , ^{[ править ]} , где он работал по теории электрона ловушки фосфоресценции в Марке Олифант физфак «s с Maurice Уилкинс . ^{[5] [6] [7] [8]}

Магнетрон [ править ]

Когда в 1939 году началась война , Адмиралтейство обратилось к Олифанту с предложением создать радиоисточник, работающий на микроволновых частотах. Такая система позволила бы радару, использующему ее, видеть небольшие объекты, такие как перископы подводных лодок . Исследователи радаров Министерства авиации в Bawdsey Manor также проявили интерес к 10-сантиметровой системе, поскольку это значительно уменьшит размер передающих антенн, что значительно упростит их установку в носовой части самолета, в отличие от установки на носовой части самолета. крылья и фюзеляж, как в их нынешних системах. ^[9]

Олифант начал исследования с использованием клистрона , устройства, представленного Расселом и Сигурдом Вариан в период с 1937 по 1939 год, и единственной известной системы для эффективного генерирования микроволн. Клистроны той эпохи были устройствами с очень низким энергопотреблением, и усилия Олифанта в первую очередь были направлены на значительное увеличение их мощности. Если это было успешно, это создавало вторичную проблему; клистрон был только усилителем, поэтому для его усиления требовался маломощный источник сигнала. Олифант поставил Рэндалла и Гарри Бута на этот вопрос создания микроволнового генератора, попросив их изучить миниатюрные лампы Баркгаузена – Курца для этой роли, конструкция, уже использовавшаяся для УВЧсистемы. Их работа быстро продемонстрировала, что они не дают никаких улучшений в микроволновом диапазоне. ^[10] Вскоре работа с клистроном прекратилась с появлением устройства, которое могло генерировать около 400 Вт микроволновой мощности, что достаточно для целей тестирования, но намного меньше мультикиловаттных систем, которые потребовались бы для практической радарной системы.

Рэндалл и Бут, не имея других проектов для работы, начали рассматривать решения этой проблемы в ноябре 1939 года. Единственным другим микроволновым устройством, известным в то время, был магнетрон с расщепленным анодом, устройство, способное генерировать небольшие количества энергии, но с низкий КПД и, как правило, меньшая мощность, чем у клистрона. Однако они отметили, что у него было одно огромное преимущество перед клистроном; сигнал клистрона закодирован в потоке электронов, обеспечиваемом электронной пушкой , и именно текущая мощность пушки определяла, с какой мощностью устройство может в конечном итоге справиться. Напротив, в магнетроне использовался обычный катод с горячей нитью накала, система, которая широко использовалась в радиосистемах, производящих сотни киловатт. Это, казалось, предлагало гораздо более вероятный путь к более высокой власти. ^[10]

Проблема существующих магнетронов заключалась не в мощности, а в эффективности. В клистроне пучок электронов пропускался через металлический диск, известный как резонатор. Механическое устройство медного резонатора заставляло его влиять на электроны, ускоряя и замедляя их, испуская микроволны. Это было достаточно эффективно, а мощность ограничивалась орудиями. В случае магнетрона резонатор был заменен двумя металлическими пластинами, удерживаемыми с противоположными зарядами, чтобы вызвать переменное ускорение, и электроны были вынуждены перемещаться между ними с помощью магнита. Не существовало реального ограничения на количество электронов, которые он мог ускорить, но процесс высвобождения микроволн был крайне неэффективен.

Затем они рассмотрели, что произойдет, если две металлические пластины магнетрона будут заменены резонаторами, по существу объединяющими существующие концепции магнетрона и клистрона. Магнит заставит электроны двигаться по кругу, как в случае с магнетроном, поэтому они будут проходить мимо каждого из резонаторов, генерируя микроволны намного эффективнее, чем в концепции пластины. Напоминая, что Генрих ГерцПри использовании петель из проволоки в качестве резонаторов, в отличие от дискообразных полостей клистрона, казалось возможным, что несколько резонаторов можно было разместить вокруг центра магнетрона. Что еще более важно, не существовало реальных ограничений на количество или размер этих петель. Можно значительно улучшить мощность системы, расширив контуры в цилиндры, при этом мощность будет определяться длиной трубки. Эффективность можно повысить, увеличив количество резонаторов, поскольку каждый электрон может, таким образом, взаимодействовать с большим количеством резонаторов на своих орбитах. Единственные практические ограничения основывались на требуемой частоте и желаемом физическом размере трубки. ^[10]

Первый магнетрон, разработанный с использованием обычного лабораторного оборудования, состоял из медного блока с шестью отверстиями, просверленными в нем для создания резонансных петель, который затем помещался в колпак и подвергался вакуумной откачке, который сам был помещен между полюсами самого большого подковообразного магнита. они могли найти. Испытание их новой конструкции магнетрона с резонатором в феврале 1940 г. дало мощность 400 Вт, а за неделю она превысила 1000 Вт. ^[10] Затем проект был продемонстрирован инженерам GEC., которых попросили попробовать его улучшить. Компания GEC представила ряд новых промышленных методов для лучшего уплотнения трубки и улучшения вакуума, а также добавила новый катод с оксидным покрытием, который позволял пропускать через него гораздо большие токи. Они увеличили мощность до 10 кВт, примерно такую ​​же мощность, как у обычных трубных систем, используемых в существующих радиолокационных установках. Успех магнетрона произвел революцию в разработке радаров, и почти все новые радары с 1942 года использовались.

В 1943 году Рэндалл покинул физическую лабораторию Олифанта в Бирмингеме, чтобы в течение года преподавать в Кавендишской лаборатории в Кембридже. ^{[ необходима цитата ]} В 1944 году Рэндалл был назначен профессором естественной философии в Университете Сент-Эндрюс и начал планировать исследования в области биофизики (с Морисом Уилкинсом ) на небольшой грант Адмиралтейства. ^[11]

Королевский колледж, Лондон [ править ]

В 1946 году Рэндалл был назначен главой физического факультета Королевского колледжа в Лондоне. ^{[ необходима цитата ]} Затем он перешел на кафедру физики Уитстона в Королевском колледже в Лондоне , где Совет по медицинским исследованиям создал отдел биофизических исследований с Рэндаллом в качестве директора (теперь известный как Randall Division of Cell and Molecular Biophysics) в Королевском колледже . ^{[ необходима цитата ]} Во время его пребывания на посту директора Розалинд Франклин , Раймонд Гослинг провели экспериментальную работу, ведущую к открытию структуры ДНК., Морис Уилкинс, Алекс Стоукс и Герберт Р. Уилсон. Он поручил Франклину Рэймонда Гослинга в качестве аспиранта работать над структурой ДНК с помощью дифракции рентгеновских лучей. ^[12] По словам Рэймонда Гослинга, роль Джона Рэндалла в поисках двойной спирали невозможно переоценить. Гослинг так сильно относился к этой теме, что написал The Times в 2013 году во время празднования шестидесятой годовщины. ^[13]Рэндалл твердо верил, что ДНК хранит генетический код, и собрал многопрофильную команду, чтобы помочь доказать это. Именно Рэндалл указал, что, поскольку ДНК состоит в основном из углерода, азота и кислорода, она ничем не отличается от атомов воздуха в камере. Результатом было диффузное обратное рассеяние рентгеновских лучей, которое затуманивало пленку, и поэтому он приказал Гослингу заменить весь воздух водородом. ^[13]

Морис Уилкинс разделил Нобелевскую премию 1962 года по физиологии и медицине с Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком ; Розалинда Франклин умерла от рака в 1958 году.

В дополнение к работе по дифракции рентгеновских лучей в отделении проводились обширные исследования, проводимые 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 ]} Рэндаллу также удалось интегрировать преподавание биологических наук в Королевском колледже. ^[2]

В 1951 году он организовал большую междисциплинарную группу, работающую под его личным руководством, для изучения структуры и роста коллагена, белка соединительной ткани . ^{[ необходима цитата ]} Их вклад помог выяснить трехцепочечную структуру молекулы коллагена. ^{[ необходима цитата ]} Сам Рэндалл специализировался на использовании электронного микроскопа , сначала изучая тонкую структуру сперматозоидов, а затем концентрируясь на коллагене. ^[2] В 1958 году он опубликовал исследование структуры простейших. ^[2] Он создал новую группу, которая использовала реснички простейших в качестве модельной системы для анализа морфогенеза путем корреляции структурных и биохимических различий у мутантов.

Личная жизнь и более поздние годы [ править ]

Рэндалл женился на Дорис, дочери Джозайи Джона Дакворта, геодезиста угольной шахты, в 1928 году. ^[2] У них родился 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 когерентные нейтронографические исследования белковых кристаллов в ионных растворах в тяжелой воде, для изучения посредством дифракции нейтронов и рассеяния различных биомолекулярных проблем. , например, протонный обмен остатков белков дейтронами. ^{[ необходима цитата ]}

Почести и награды [ править ]

• В 1938 году Манчестерский университет присвоил Рэндаллу докторскую степень . ^[14]
• В 1943 году он был награжден (вместе с Гарри Бутом ) мемориальной премией Томаса Грея Королевского общества искусств за изобретение резонаторного магнетрона.
• В 1945 году он был награжден медалью Дадделла и премией Лондонского физического общества и получил долю от Королевской комиссии по присуждению наград изобретателям за изобретение магнетрона.
• В 1946 году он был избран членом Королевского общества (FRS) ^[2] и в том же году был награжден медалью Хьюза.
• Другие награды (с загрузкой) для магнетронного работы были, в 1958 году, Джон Цена Wetherill Медаль из Института Франклина штата Пенсильвания , и в 1959 году, Джон Скотт медаль награда города Филадельфия . ^[2]
• В 1962 году он был посвящен в рыцари, а в 1972 году он был избран членом Королевского общества Эдинбурга (FRSE) ^{[ править ]}

ОК с участием Рэнда

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Чомет С. (ред.), ДНК-генезис открытия , 1994, Newman-Hemisphere Press, Лондон.
• Уилкинс, Морис, Третий человек двойной спирали: автобиография Мориса Уилкинса. ISBN 0-19-860665-6 . 
• Ридли, Мэтт; «Фрэнсис Крик: первооткрыватель генетического кода (выдающиеся жизни)» впервые был опубликован в июле 2006 года в США, а затем в Великобритании. Сентябрь 2006 г., ISBN издательства HarperCollins 0-06-082333-X . 
• Тейт, Сильвия и Джеймс «Квартет невероятных открытий» (Athena Press 2004) ISBN 1-84401-343-X 
• Уотсон, Джеймс Д., Двойная спираль: личный отчет об открытии структуры ДНК, Атенеум, 1980, ISBN 0-689-70602-2 (впервые опубликовано в 1968 году). 

Внешние ссылки [ править ]

• Каталог бумаг Джона Рэндалла в Архивном центре Черчилля