Ignacio Mártil

Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

Recojo aquí un extracto del contenido del Capítulo 2 de mi libro "El Radar en la historia del siglo XX. Una de las armas decisivas de la Segunda Guerra Mundial".

El magnetrón de cavidades resonantes, desarrollado por John Randall y Harry Boot en 1940

En el artículo anterior vimos cómo el magnetrón de cavidades resonantes fue concebido en diferentes países durante el primer tercio del siglo XX. Esos desarrollos no tuvieron ninguna continuidad industrial. Aquí veremos el magnetrón desarrollado en Gran Bretaña, el más tardío de todos pero el primero en pasar de las pruebas de laboratorio a la producción en serie. El siguiente vídeo muestra uno de esos equipos:

1. El magnetrón británico

En 1940, un grupo de investigación de la Universidad de Birmingham dirigido por M. Oliphant (científico que también estuvo involucrado en el Proyecto Manhattan) desarrolló un magnetrón de cavidades resonantes que dio lugar, por primera vez, a un desarrollo industrial extraordinario. La urgencia del momento (la Luftwaffe efectuaba incursiones nocturnas casi a diario sobre el suelo de las islas británicas), hacía imperioso disponer de un dispositivo de esta naturaleza para poder incorporarlo en los aviones de combate, cosa que no se podía llevar a la práctica con equipos que trabajaban a frecuencias inferiores.

Harry A. H. Boot (izquierda) y John T. Randall tras la finalización de la guerra. Boot tiene en sus manos el ánodo de un magnetrón de seis cavidades

Inicialmente, el grupo trabajó en el diseño y la fabricación de un klystron que producía 400 W de potencia a una frecuencia de 3 GHz. Sin embargo, parecía imposible que se pudiera fabricar una versión pulsada y sellada para su uso en un avión. Si se quería disponer de potencia suficiente con poco peso y tamaño compacto, había que pensar en otra cosa y esa cosa era el magnetrón, que vino de la mano de dos miembros del grupo de Oliphant, John T. Randall y Harry A. H. Boot. Su dispositivo emitía ondas electromagnéticas (o.e.m.) de alta potencia y frecuencia, lo que allanó el camino para la construcción de radares operando a frecuencias de GHz (es decir, en longitudes de onda centimétricas) con tamaños muy compactos, lo que a su vez posibilitó la detección de objetos más pequeños por medio de antenas de tamaños también más reducidos.

A) El prototipo de Boot y Randall, de la Universidad de Birmingham. B) La versión sellada de pre-producción, fabricada por E. Megaw en General Electric Company con el código E-1188. C) La variante E-1189 refrigerada por aire, diseñada también por E. Megaw. Este modelo fue el que se produjo en grandes cantidades

El trabajo de estos investigadores se vio muy favorecido gracias a la cooperación con la empresa General Electric Company, Ltd. (GEC), Wembley (Inglaterra), que hizo muchas contribuciones esenciales para el éxito de la versión de producción de estos primeros magnetrones. El 21 de febrero de 1940, un prototipo de seis cavidades proporcionaba 400 W a λ=10 cm. En abril, en gran secreto, se estableció contacto con Eric C. Stanley Megaw, del laboratorio de investigación de GEC. En mayo de 1940 se había construido un equipo radar con una primera versión compacta del magnetrón, similar a la mostrada en la figura siguiente y en junio de 1940, E. Megaw había producido dos equipos sellados capaces de producir 10 kW de potencia pulsada a 3 GHz. Estos ya eran verdaderos dispositivos industriales basados en el prototipo de Birmingham.

Esquema detallado del magnetrón de producción de la General Electric Company

El 19 de julio de 1940 llegó al Telecommunications Research Establishment (TRE) el primero de los magnetrones de cavidad sellados de Randall-Boot. A mediados de agosto, un equipo que utilizaba este magnetrón detectó por primera vez ecos de radar de 3 GHz procedentes de un avión y en septiembre de 1940 ese equipo detectó el periscopio de un submarino situado a 11 km de distancia. Con notable rapidez, este equipo terrestre fue transferido a una versión aérea en un caza nocturno bimotor Blenheim y las primeras pruebas de vuelo se realizaron en marzo de 1941.

Es preciso señalar que lograr un emisor de o.e.m. en las frecuencias de las microondas con suficiente po­tencia como para que el eco de sus señales tuviera la intensidad necesaria para ser detectable, era para la época un concepto en contra de toda in­tuición y en contradicción con el paradigma vigente en la electrónica de válvulas: más potencia solo se podía lograr con válvulas de mayor tamaño. Si se querían lograr generadores de frecuencias más elevadas, por una parte y que fueran de gran potencia, por otra, el dispositivo (válvula) que lo lograra tendría que ser necesariamente muy voluminoso, lo que era incompatible con disponer de un generador de tamaño reducido para poder instalarlo en un caza interceptor, por ejemplo. Es decir, un emisor de o.e.m. de frecuencias de microondas y tamaño reducido era una contradicción en los términos, ya que nunca podría generar potencias elevadas, como en efecto así había sido hasta la llegada del magnetrón.

Informe interno secreto escrito por E. Megaw, en el que se detalla el número de dispositivos construidos en la fecha del 11 de octubre de 1940, del magnetrón E-1189. Una historia pormenorizada del desarrollo de este modelo se puede encontrar en un excelente artículo de E. Ciardiello

La clave fue que en 1940 el magnetrón de cavidad de Randall-Boot fue transformado por Megaw en una versión sellada y compacta, capaz de fabricarse en grandes cantidades para su uso operativo. Fue esta combinación de esfuerzos la que, en respuesta a una necesidad militar urgente, produjo un magnetrón de cavidad que rápidamente condujo a la de los sistemas de radar de las fuerzas armadas británicas y estadounidenses.

El magnetrón de cavidad permitió reducir sensiblemente el tamaño de los equipos de radar de manera que podían ser instalados en los bombarderos pesados, en los aviones antisubmarinos y en los buques de escolta de los convoyes de suministro.

Izquierda: fotografía de un magnetrón de cavidades resonantes, de los tiempos de la IIGM con la tapa quitada, mostrando las cavidades cuyas dimensiones determinan su frecuencia de funcionamiento. No muestra que debe colocarse dentro de los polos de un enorme imán para que funcione (derecha).

Como ya vimos en el artículo anterior, en 1939 el magnetrón de cavidad ya era un concepto conocido en la URSS, Suiza, Japón y Alemania, pero no en Birmingham, donde Randall y Boot lo desconocían por completo. En todo caso, saber dónde encontraron su inspiración realmente no tiene mayor trascendencia, su objetivo estaba perfectamente definido, tal y como lo expresó de manera simple y directa el Prof. M. Oliphant, “[tenemos] una fuente de microondas que da un kilovatio en una longitud de onda de diez centímetros” para satisfacer una necesidad urgente: disponer de un radar aerotransportado centimétrico que salvara a los londinenses del Blitz, los bombardeos nocturnos llevados a cabo por la Luftwaffe.

2. El éxito industrial del magnetrón de cavidades resonantes

El magnetrón ya construido en GEC fue un éxito absoluto: en el transcurso de la guerra, se desarrollaron más de 20 tipos diferentes de magnetrones para frecuencias que variaban entre 1 GHz y 25 GHz (λ = 30 ― 1.2 cm). Se abrió el camino para aumentar su potencia y en 1944 se disponía de equipos de 2 MW a una longitud de onda de λ = 10 cm. En 1945, se habían suministrado unos 250.000 magnetrones solo al ejército británico, de un total aproximado de un millón fabricado. Esto representa una de las mayores proezas de la industria estadounidense (a través de la denominada Misión Tizard, que he descrito en este vídeo) y británica de válvulas de vacío, y la cooperación que se estableció entre empresas que eran competidoras en tiempos de paz es difícil imaginar que se vuelva a dar en algún momento.

Cartel anunciando el acto conmemorativo celebrado en 2015 con motivo del 75 aniversario de la Misión Tizard. La “O” de la palabra Mission es el modelo E-1189 del magnetrón, que se llevó en esta misión para su demostración a los científicos y militares estadounidenses

El magnetrón de cavidades resonantes ejerció un profundo impacto en la creación del complejo militar-industria-universidad que continuó floreciendo después de la guerra. De hecho, el presidente Roosevelt describió el magnetrón como “la carga más importante jamás traída a las costas americanas”, y, al igual que los británicos, consideraba el magnetrón como un secreto vital que había que ocultar al enemigo a toda costa.