約翰·藍道爾

約翰·特頓·蘭德爾爵士 FRS （Sir John Turton Randall，1905年3月23日－1984年6月16日）是一位英國物理學家和生物物理學家，他因對多腔磁控管的根本性改進而聞名，磁控管是厘米波雷達的關鍵部件，而厘米波雷達是第二次世界大戰盟軍取得勝利的關鍵之一。它也是微波爐的關鍵部件。

蘭德爾與哈里·布特合作，他們製造出一種閥門，可以發出波長為10厘米的微波無線電能量脈衝。關於磁控管發明的意義，加拿大不列顛哥倫比亞省維多利亞大學軍事史教授戴維·齊默爾曼（David Zimmerman）曼表示：「磁控管仍然是各種短波無線電信號必不可少的電子管。它不僅通過使我們能夠開發機載雷達系統而改變了戰爭的進程，而且至今仍然是微波爐的核心技術。磁控管的發明改變了世界。」

蘭德爾還領導了倫敦國王學院的研究團隊，該團隊致力於DNA結構的研究。蘭德爾的副手莫里斯·威爾金斯教授與劍橋大學卡文迪什實驗室的詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克共同獲得了1962年諾貝爾生理學或醫學獎，以表彰他們確定DNA結構。蘭德爾的其他團隊成員包括羅莎琳德·富蘭克林、雷蒙德·戈斯林、亞歷克·斯托克斯和赫伯特·威爾遜，他們都參與了DNA的研究。

## 教育和早期生活

約翰·蘭德爾於1905年3月23日出生於蘭開夏郡的牛頓勒威洛斯，是苗圃主兼種子商雪梨·蘭德爾（Sidney Randall）和他的妻子漢娜·考利（Hannah Cawley）（該地區煤礦經理約翰·特頓〔John Turton〕的女兒）的獨子，也是他們三個孩子中的長子。他曾在阿什頓-因-馬克爾菲爾德的文法學校和曼徹斯特維多利亞大學接受教育，1925年獲得物理學一級榮譽學位和研究生獎，1926年獲得理學碩士學位。

1928年，他與多麗絲·達克沃思結婚（Doris Duckworth）。

## 職業與研究

從1926年到1937年，蘭德爾受僱於通用電氣公司，在其溫布利實驗室從事研究工作，並在開發用於放電燈的發光粉末方面發揮了主導作用。他還對這種發光現象的機制產生了濃厚的興趣。

到1937年，他被公認為英國該領域的領軍人物，並被授予伯明罕大學皇家學會會員資格。在那裡，他與莫里斯·威爾金斯一起在馬克·奧利芬特的物理系研究磷光電子陷阱理論。

### 磁控管

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1939年戰爭爆發時，海軍部曾與奧利芬特接洽，探討建造一種工作在微波頻率的無線電源的可能性。這種系統可以讓雷達探測到諸如U型潛艇潛望鏡之類的小型目標。位於薩福克海岸鮑德西莊園的英國空軍部雷達研究人員也對10厘米波段的系統表現出了興趣，因為這種系統可以大大縮小發射天線的尺寸，使其更容易安裝在飛機機頭，而無需像現有系統那樣安裝在機翼和機身上。

奧利芬特開始使用速調管（速度調製電子管）進行研究。速調管是羅素·瓦里安和西格德·瓦里安在1937年至1939年間發明的一種裝置，也是當時已知唯一能高效產生微波的系統。當時的速調管功率非常低，奧利芬特的主要研究方向是大幅提高其輸出功率。如果這一目標實現，就會產生另一個問題：速調管本身只是一個放大器，因此需要低功率的信號源才能進行放大。奧利芬特將微波振盪器的研製工作交給了蘭德爾和哈里·布特，讓他們研究用於此用途的微型巴爾克豪森-庫爾茨管，這種設計當時已用於超高頻系統。他們的研究很快表明，這種方法在微波波段並沒有帶來任何改進。速調管的研發很快就陷入了停滯，研製出的裝置可以產生大約400瓦的微波功率，足以用於測試，但遠遠低於實用雷達系統所需的數千瓦系統。

由於沒有其他項目可做，蘭德爾和布特於1939年11月開始考慮解決這個問題。當時已知的唯一一種微波器件是分裂陽極磁控管，這種器件能夠產生少量功率，但效率低下，輸出功率通常低於速調管。然而，他們注意到磁控管相比速調管有一個巨大的優勢：速調管的信號編碼在電子槍提供的電子流中，而電子槍的電流容量決定了器件最終能夠處理的功率大小。相比之下，磁控管使用傳統的熱燈絲陰極，這種系統廣泛應用於功率達數百千瓦的無線電系統中。這似乎為實現更高功率提供了一條更可行的途徑。

現有磁控管的問題不在於功率，而在於效率。在速調管中，一束電子穿過一個被稱為諧振器的金屬圓盤。銅諧振器的機械結構使其能夠影響電子，使其加速或減速，從而釋放微波。這種方法效率尚可，但功率受限於電子槍。而磁控管則用兩塊帶相反電荷的金屬板取代了諧振器，這兩塊金屬板通過交替充電產生加速度，並利用磁體迫使電子在兩塊金屬板之間運動。磁控管加速的電子數量沒有真正的限制，但微波釋放過程的效率卻極其低下。

兩人隨後探討了如果將磁控管的兩塊金屬板替換為諧振器會發生什麼，這本質上是將現有的磁控管和速調管的概念結合起來。磁體將使電子像在磁控管中一樣做圓周運動，從而使它們能夠經過每個諧振器，產生微波的效率遠高於金屬板方案。回想起海因里希·赫茲曾使用線圈作為諧振器，而不是速調管的圓盤形諧振腔，他們覺得可以在磁控管中心周圍放置多個諧振器。更重要的是，這些線圈的數量和尺寸幾乎沒有限制。可以通過將線圈延伸成圓柱體來大幅提高系統的功率，此時功率處理能力取決於管的長度。增加諧振器的數量可以提高效率，因為每個電子在其軌道運動過程中可以與更多的諧振器相互作用。唯一實際的限制是所需的頻率和管的預期物理尺寸。

第一台磁控管是利用常見的實驗室設備研製而成，它由一塊銅塊構成，銅塊上鑽有六個孔，形成諧振迴路。然後將銅塊放入一個鐘罩內並抽真空，鐘罩本身則放置在他們所能找到的最大馬蹄形磁鐵的兩極之間。1940年2月，他們測試了這種新型腔體磁控管，功率達到了400瓦，在一周之內，功率就突破了1000瓦。隨後，該設計被展示給通用電氣公司（GEC）的工程師，並要求他們對其進行改進。GEC引入了一系列新的工業方法來更好地密封電子管並提高真空度，並添加了一種新型的氧化物塗層陰極，使其能夠承受更大的電流。這些改進將功率提升至10千瓦，與當時雷達設備中使用的傳統電子管系統的功率大致相同。磁控管的成功徹底改變了雷達的發展，從1942年起，幾乎所有新型雷達設備都採用了磁控管。

1943年，蘭德爾離開伯明罕奧利芬特的物理實驗室，前往劍橋卡文迪什實驗室任教一年。1944年，蘭德爾被任命為聖安德魯斯大學自然哲學教授，並開始利用海軍部的一筆小額撥款（與莫里斯·威爾金斯合作）計劃開展生物物理學研究。

### 倫敦國王學院

1946年，蘭德爾被任命為倫敦國王學院物理系主任。隨後，他轉任倫敦國王學院惠特斯通（Wheatstone）物理學教席教授。在此期間，醫學研究委員會在國王學院設立了生物物理研究中心，蘭德爾擔任主任（現名為蘭德爾細胞與分子生物物理中心）。在他擔任主任期間，羅莎琳德·富蘭克林、雷蒙德·戈斯林、莫里斯·威爾金斯、亞歷克·斯托克斯和赫伯特·R·威爾遜等人開展了最終發現DNA結構的實驗工作。他還指派雷蒙德·戈斯林作為富蘭克林的博士生，利用X射線衍射技術研究DNA結構。雷蒙德·戈斯林認為，約翰·蘭德爾在雙螺旋結構發現過程中所起的作用怎麼強調都不為過。戈斯林對此深有感觸，甚至在2013年雙螺旋結構發現六十周年之際，他還給《泰晤士報》寫信表達了自己的看法。蘭德爾堅信DNA承載著遺傳密碼，並組建了一個多學科團隊來證明這一點。正是蘭德爾指出，由於DNA主要由碳、氮和氧組成，它與相機空氣中的原子完全相同。結果導致X射線發生漫反射，膠片變得模糊，因此他指示戈斯林用氫氣置換掉相機中的所有空氣。

莫里斯·威爾金斯與詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克共同獲得了1962年諾貝爾生理學或醫學獎；羅莎琳德·富蘭克林已於1958年因癌症去世。

除了X射線衍射研究之外，該研究小組還開展了由物理學家、生物化學家和生物學家組成的廣泛研究項目。新型光學顯微鏡的應用促成了1954年關於肌肉收縮滑動絲機制的重要理論提出。蘭德爾還成功地將生物科學教學融入了國王學院的教學體系。

1951年，他組建了一個大型跨學科研究小組，在他的親自指導下研究結締組織蛋白膠原蛋白的結構和生長。他們的研究成果有助於闡明膠原蛋白分子的三鏈結構。蘭德爾本人則專注於使用電子顯微鏡，最初研究精子的精細結構，後來轉而研究膠原蛋白。1958年，他發表了一篇關於原生動物結構的研究論文。他成立了一個新研究小組，利用原生動物的纖毛作為模型系統，通過關聯突變體的結構和生化差異來分析形態發生。

### 個人生活及晚年

1928 年，蘭德爾與煤礦測量員喬賽亞·約翰·達克沃思（Josiah John Duckworth）的女兒多麗絲結婚。他們有一個兒子，名叫克里斯多福（Christopher），出生於1935年。

1970年，他移居愛丁堡大學，在那裡組建了一個研究小組，運用一系列新的生物物理方法，例如對重水中離子溶液中的蛋白質晶體進行相干中子衍射研究，通過中子衍射和散射研究各種生物分子問題，例如氘核與蛋白質殘基的質子交換。

### 榮譽和獎項

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- 1938 年，蘭德爾被曼徹斯特維多利亞大學授予理學博士學位。
- 1943 年，他與哈里·布特因發明腔磁控管而獲得皇家藝術學會頒發的托馬斯·格雷（Thomas Gray）紀念獎。
- 1945年，他因磁控管的發明而獲得倫敦物理學會頒發的丹尼斯·加博爾獎章和獎金，並與皇家發明家獎勵委員會分享了一筆獎金。
- 1946年，他當選為皇家學會會員（FRS）並於同年榮獲休斯獎章。
- 1958 年，蘭德爾（與哈里·布特）因磁控管研究工作獲得了賓夕法尼亞州富蘭克林研究所頒發的約翰·普賴斯·韋瑟里爾獎章；1959年，他獲得了費城頒發的約翰·斯科特獎章。
- 1962年他被授予爵士頭銜，1972年他當選為愛丁堡皇家學會會員（FRSE）。

## 參閱

- 多腔磁控管

## 外部連結

- 約翰·蘭德爾爵士的文件，保存於 邱吉爾檔案館中心

## 基本資料

- 名字：爵士
- 日語原文：約翰·蘭德爾
- 原文名：John Randall
- native_native_lang：en
- 出生：約翰·特頓·蘭德爾、John Turton Randall
- 出生日期：1905年3月23日
- 出生地：英格蘭蘭開夏郡牛頓勒威洛斯
- 逝世日期：1984年6月16日
- 逝世地：蘇格蘭愛丁堡
- 研究領域：物理學、生物物理學
- 機構：英國通用電氣公司、劍橋大學卡文迪什實驗室、倫敦國王學院、聖安德魯斯大學、伯明罕大學、愛丁堡大學
- 母校：曼徹斯特維多利亞大學（理學士、理學碩士、理學博士）
- 博士生：莫里斯·威爾金斯
- 知名於：二戰中英國和美國雷達站的大功率多腔磁控管、DNA結構測定、標記蛋白質的中子衍射研究
- 獲獎：丹尼斯·加博爾獎章和獎金 (1945年)、休斯獎章 (1946年)、約翰·普賴斯·韋瑟里爾獎章 (1958年)