Джон Рэндалл (физик)

Сэр Джон Рэндалл ФРС ФРСЭ
Рожденный	Джон Тертон Рэндалл 23 марта 1905 г. Ньютон-ле-Уиллоуз , Ланкашир, Англия
Умер	16 июня 1984 г. (1984-06-16) (79 лет)
Альма-матер	Манчестерский университет Виктории (бакалавр, магистр, доктор наук)
Известный	Резонаторный магнетрон ДНК определение структуры нейтронографические исследования меченых белков
Награды	Медаль и премия Дадделла (1945) Медаль Хьюза (1946) Медаль Джона Прайса Уэтерилла (1958)
Научная карьера
Поля	Физика Биофизика
Учреждения	Дженерал Электрик Компани ПЛС Кембриджский университет Королевский колледж, Лондон Университет Сент-Эндрюс Университет Бирмингема Эдинбургский университет
Докторанты	Морис Уилкинс

Сэр Джон Тертон Рэндалл , FRS FRSE (23 марта 1905 — 16 июня 1984) — английский физик и биофизик , которому приписывают радикальное усовершенствование резонаторного магнетрона , важного компонента радара сантиметровой длины волны , который был одним из ключей к победе союзников во Второй мировой войне . Это также ключевой компонент микроволновых печей .

Рэндалл сотрудничал с Гарри Бутом , и они создали клапан, который мог излучать импульсы микроволновой радиоэнергии на длине волны 10 см. О значении их изобретения профессор военной истории Университета Виктории в Британской Колумбии Дэвид Циммерман заявляет: «Магнетрон остается основной радиолампой для передачи коротковолновых радиосигналов всех типов. Он не только изменил ход войны. позволяя нам разрабатывать бортовые радиолокационные системы, он остается ключевой технологией, которая сегодня лежит в основе вашей микроволновой печи. Изобретение резонаторного магнетрона изменило мир».

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 за Кембриджского университета определение структуры ДНК . Среди других его сотрудников были Розалинда Франклин , Рэймонд Гослинг , Алекс Стоукс и Герберт Уилсон , которые занимались исследованиями ДНК.

Образование и молодость

Джон Рэндалл родился 23 марта 1905 года в Ньютон-ле-Уиллоуз , Ланкашир, единственный сын и первый из трех детей Сиднея Рэндалла, питомника и семеновода, и его жены Ханны Коули, дочери Джона Тертона, менеджера шахты в район. Он получил образование в гимназии в Эштон-ин-Мейкерфилде и в Манчестерском университете Виктории , где ему была присуждена высшая степень по физике и премия в 1925 году, а также степень магистра наук в 1926 году.

В 1928 году он женился на Дорис Дакворт.

Карьера и исследования

С 1926 по 1937 год Рэндалл участвовал в исследованиях компании General Electric в ее лабораториях в Уэмбли , где он принимал ведущее участие в разработке люминесцентных порошков для использования в газоразрядных лампах. Он также активно интересовался механизмами такой люминесценции .

К 1937 году он был признан ведущим британским деятелем в своей области и получил стипендию Королевского общества университета Бирмингемского . где он работал над теорией фосфоресценции с электронной ловушкой на Марка Олифанта физическом факультете вместе с Морисом Уилкинсом .

Магнетрон

Физический корпус Пойнтинга, Бирмингемский университет

Оригинальный шестирезонаторный магнетрон.

Когда в 1939 году началась война , Адмиралтейство обратилось к Олифанту с предложением создать радиоисточник, работающий на микроволновых частотах. Такая система позволит радару видеть небольшие объекты, такие как перископы затопленных подводных лодок . Исследователи радаров Министерства авиации в Боудси-Мэнор на побережье Саффолка также выразили заинтересованность в 10-сантиметровой системе, поскольку это значительно уменьшит размер передающих антенн, что значительно облегчит их установку в носовой части самолета, в отличие от монтируются на крыльях и фюзеляже, как и в нынешних системах.

Олифант начал исследования с использованием клистрона , устройства, представленного Расселом и Сигурдом Варианом между 1937 и 1939 годами, и единственной известной системы, эффективно генерирующей микроволны. Клистроны той эпохи были устройствами с очень низким энергопотреблением, и усилия Олифанта были в первую очередь направлены на значительное увеличение их мощности. Если бы это было успешно, это создало бы вторичную проблему; клистрон был только усилителем, поэтому для его усиления требовался сигнал источника малой мощности. Олифант поручил Рэндаллу и Гарри Буту заняться вопросом создания микроволнового генератора, попросив их изучить для этой роли миниатюрные трубки Баркгаузена – Курца , конструкция которых уже использовалась в УВЧ системах . Их работа быстро продемонстрировала, что они не дают никаких улучшений в микроволновом диапазоне. Усилия по клистрону вскоре завершились созданием устройства, которое могло генерировать около 400 Вт микроволновой мощности, что достаточно для целей тестирования, но далеко не соответствует многокиловаттным системам, которые потребуются для практической радиолокационной системы.

Рэндалл и Бут, не имея других проектов для работы, начали рассматривать решение этой проблемы в ноябре 1939 года. Единственным другим микроволновым устройством, известным в то время, был магнетрон с разделенным анодом, устройство, способное генерировать небольшое количество энергии, но с низкий КПД и, как правило, меньшая производительность, чем у клистрона. Однако они отметили, что у него есть одно огромное преимущество перед клистроном; Сигнал клистрона кодируется в потоке электронов, создаваемом электронной пушкой , и именно текущая мощность пушки определяла, какую мощность в конечном итоге может выдержать устройство. Напротив, в магнетроне использовался обычный катод с горячей нитью, система, которая широко использовалась в радиосистемах, производящих сотни киловатт. Казалось, это открывало гораздо более вероятный путь к высшей власти.

Проблема существующих магнетронов заключалась не в мощности, а в эффективности. В клистроне пучок электронов пропускался через металлический диск, известный как резонатор. Механическая конструкция медного резонатора позволяла ему влиять на электроны, ускоряя и замедляя их, создавая микроволны. Это было достаточно эффективно, а мощность ограничивалась орудиями. В случае магнетрона резонатор был заменен двумя металлическими пластинами, удерживаемыми противоположными зарядами, чтобы вызвать переменное ускорение, и электроны были вынуждены перемещаться между ними с помощью магнита. Реального ограничения на количество электронов, которые можно было ускорить, не было, но процесс микроволнового высвобождения был крайне неэффективен.

Затем они обсудили, что произойдет, если две металлические пластины магнетрона заменить резонаторами, по сути объединяя существующие концепции магнетрона и клистрона. Магнит заставлял бы электроны двигаться по кругу, как в случае с магнетроном, поэтому они проходили бы мимо каждого из резонаторов, генерируя микроволны гораздо эффективнее, чем концепция пластины. Вспоминая, что Генрих Герц использовал в качестве резонаторов проволочные петли, а не дисковые полости клистрона, казалось возможным, что вокруг центра магнетрона можно было бы разместить несколько резонаторов. Что еще более важно, не было реального ограничения на количество или размер этих петель. Можно было бы значительно повысить мощность системы, расширив петли в цилиндры, при этом мощность будет определяться длиной трубки. Эффективность можно было бы повысить за счет увеличения количества резонаторов, поскольку каждый электрон мог бы, таким образом, взаимодействовать с большим количеством резонаторов на своих орбитах. Единственные практические ограничения были основаны на требуемой частоте и желаемом физическом размере трубки.

Разработанный с использованием обычного лабораторного оборудования, первый магнетрон состоял из медного блока с шестью отверстиями, просверленными в нем для создания резонансных контуров, который затем был помещен в колпак и накачан вакуумом, который сам был помещен между полюсами самого большого подковообразного магнита. они смогли найти. Испытание их новой конструкции магнетрона с резонатором в феврале 1940 года дало мощность 400 Вт, а через неделю она была увеличена до 1000 Вт. Затем конструкция была продемонстрирована инженерам GEC , которым было предложено попытаться улучшить ее. 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 него гораздо большие токи. Это увеличило мощность до 10 кВт, примерно такой же мощности, как у обычных ламповых систем, используемых в существующих радиолокационных установках. Успех магнетрона произвел революцию в развитии радаров, и почти все новые радиолокационные установки с 1942 года использовали его.

В 1943 году Рэндалл покинул физическую лабораторию Олифанта в Бирмингеме, чтобы в течение года преподавать в Кавендишской лаборатории в Кембридже. В 1944 году Рэндалл был назначен профессором естественной философии в Университете Сент-Эндрюса и начал планировать исследования в области биофизики (совместно с Морисом Уилкинсом ) на небольшой грант Адмиралтейства.

Королевский колледж, Лондон

В 1946 году Рэндалл был назначен заведующим физическим факультетом Королевского колледжа в Лондоне. Затем он перешел на кафедру физики Уитстона в Королевском колледже в Лондоне , где Совет медицинских исследований создал в Королевском колледже Отдел биофизических исследований под руководством Рэндалла (теперь известный как Центр клеточной и молекулярной биофизики Рэндалла). За время его пребывания на посту директора экспериментальную работу, приведшую к открытию структуры ДНК , там провели Розалинда Франклин , Рэймонд Гослинг , Морис Уилкинс, Алекс Стоукс и Герберт Р. Уилсон. Он поручил Рэймонду Гослингу аспиранту Франклина работать над структурой ДНК с помощью дифракции рентгеновских лучей. По мнению Рэймонда Гослинга, роль Джона Рэндалла в поисках двойной спирали невозможно переоценить. Гослинг был настолько убежден в этом вопросе, что написал в The Times в 2013 году во время празднования шестидесятой годовщины. Рэндалл твердо верил, что ДНК содержит генетический код, и собрал многопрофильную команду, чтобы доказать это. Именно Рэндалл отметил, что, поскольку ДНК состоит в основном из углерода, азота и кислорода, она ничем не отличается от атомов в воздухе в камере. Результатом стало диффузное обратное рассеяние рентгеновских лучей, которое затуманило пленку, поэтому он поручил Гослингу заменить весь воздух водородом.

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

Помимо рентгенодифракционных работ, в отделении проводилась обширная программа исследований физиков, биохимиков и биологов. Использование новых типов световых микроскопов привело к важному предложению в 1954 году механизма скользящей нити для сокращения мышц. Рэндаллу также удалось интегрировать преподавание биологических наук в Королевском колледже.

В 1951 году он создал большую междисциплинарную группу, работавшую под его личным руководством по изучению структуры и роста белка коллагена соединительной ткани . Их вклад помог выяснить трехцепочечную структуру молекулы коллагена. Сам Рэндалл специализировался на использовании электронного микроскопа , сначала изучая тонкую структуру сперматозоидов , а затем сосредоточившись на коллагене. В 1958 году он опубликовал исследование строения простейших. Он создал новую группу, которая использовала реснички простейших в качестве модельной системы для анализа морфогенеза путем сопоставления структурных и биохимических различий у мутантов.

Личная жизнь и последующие годы

Рэндалл женился на Дорис, дочери Джозайи Джона Дакворта, геодезиста угольных шахт, в 1928 году. У них был сын Кристофер, родившийся в 1935 году.

В 1970 году он перешел в Эдинбургский университет , где сформировал группу, которая применила ряд новых биофизических методов, таких как когерентные нейтронографические исследования кристаллов белка в ионных растворах в тяжелой воде, для изучения с помощью нейтронографии и рассеяния различных биомолекулярных проблем. , такие как обмен протонов белковых остатков на дейтроны.

Почести и награды

Университет Бирмингема – Физический корпус Пойнтинга – синяя табличка

• В 1938 году Рэндалл был удостоен степени доктора наук Манчестерского университета Виктории.
• В 1943 году он был награжден (вместе с Гарри Бутом ) мемориальной премией Томаса Грея Королевского общества искусств за изобретение магнетрона с резонатором.
• В 1945 году он был награжден медалью и премией Дадделла и Лондонского физического общества получил часть вознаграждения от Королевской комиссии по наградам изобретателей за изобретение магнетрона.
• В 1946 году он был избран членом Королевского общества (FRS). и был награжден медалью Хьюза в том же году.
• Дальнейшими наградами (вместе с Бутом) за магнетронную работу были в 1958 году медаль Джона Прайса Уэтерилла Института Франклина в штате Пенсильвания и в 1959 году медаль Джона Скотта города Филадельфии .
• В 1962 году он был посвящен в рыцари, а в 1972 году избран членом Королевского общества Эдинбурга (FRSE).

Дальнейшее чтение

• Шоме, 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 опубликован в июле 2006 года в США, а затем в Великобритании. Сентябрь 2006 г., издательство HarperCollins Publishers. ISBN   0-06-082333-X .
• Тейт, Сильвия и Джеймс «Квартет маловероятных 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 г.).

Внешние ссылки

• Документы сэра Джона Рэндалла, хранящиеся в Архивном центре Черчилля.