Innovation et ruptures technologiques. L’exemple du magnétron

26/08/2017
Publication REE REE 2012-1
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2012-1:19591
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Innovation et ruptures technologiques. L’exemple du magnétron

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86 ◗ REE N°1/2012 ���������� retour sur Yves Blanchard, Philippe Lacomme, Marc Leconte Club technique 2SR de la SEE Introduction L'innovation,considéréecommel'undesmoteurses- sentiels de l'économie moderne, résulte généralement d'une invention, ou d'une « rupture technologique », qui trouve une traduction pratique – et marchande – dans la satisfaction de nouveaux besoins de notre société. Ce passage d'étape, de l'invention à l'innovation, peut mettre en jeu un mécanisme parfois complexe. Son analyse et sa compréhension sont l'une des principales finalités de l'histoire des techniques. De ce point de vue, l'invention du magnétron et son application au radar moderne font figure de véri- table cas d'école. Les premiers brevets qui en fixent l'idée inventive datent de 1917, mais plus de vingt ans passeront avant qu'elle ne débouche réellement sur une application concrète. En revanche, une fois l'in- novation enclenchée, ses conséquences immédiates sont particulièrement impressionnantes. Ceci se produit à un moment où le sort de la Se- conde Guerre mondiale parait encore bien incertain. La conjonction d'un besoin militaire très précis – la conduite d'opérations aériennes de nuit et par tous temps – et d'une solution technique qui multiplie d'un coup par 100 la puissance des premiers radars est la source d'une innovation majeure, qui sera déci- sive sur la suite de la guerre. L’idée de départ : l’invention d’Albert Hull A la fin des années 1910, les quelques entrepri- ses qui cherchent à s’imposer sur le nouveau mar- ché de la radio se livrent à une très vive concurrence, dont l’un des enjeux est de s’affranchir des lourds moyens de produc- tion d’ondes à base d’éclateurs à étincelles et d’alternateurs. Le pas décisif a été franchi en 1906 par Lee de Forest avec son «  audion  » – la triode. Cette invention, dont la Western Electric s’est assuré les droits, est la source d’une première innovation fondamentale, qui ouvre la voie à ce qu’on appellera bientôt l’Électronique. L’invention d’Albert Hull, une dizaine d’années plus tard, ne présente pas le même caractère. Pour lui, in- génieur chez General Electric, il s’agit seulement d’une alternative au brevet de la Western Electric. Son idée est somme toute bien naturelle : la triode modulant le flux d’électrons par la variation d’un champ électri- que de grille, il imagine d’obtenir le même résultat par la variation d’un champ magnétique. Cette idée est développée dans plusieurs brevets qu’il dépose à par- tir de 1917 sous l’appellation d’ “Electron discharge device” (système à décharge électronique). Le terme de magnétron apparait pour la première fois dans un papier paru peu de temps avant le congrès annuel de l’AIEE en 1921 à New-York. Mais l’affrontement industriel à l’origine de cette querelle de brevets prend fin quand General Electric rachète les brevets de la triode. Albert Hull s’oriente alors vers d’autres recherches, sans toutefois se désin- téresser totalement de ce magnétron qui paraît voué au rang de curiosité de laboratoire. Les développements de l’invention Dans les années qui suivent, les applications com- merciales de la Radioélectricité explosent. Si elles Innovation et ruptures technologiques. L’exemple du magnétron Innovation is seen as the most important accelerator of modern economy. More often it results from an invention or a techni- cal break-up, which finds its practical – and profitable – use when it fits some recognized need of our society. But  transition from invention to innovation may be a long and complex process, as shown here with the Magnetron story, which took some decades before meeting its full fitted application in the radar domain. abstract Figure 1 : Albert Hull. REE N°1/2012 ◗ 87 Innovation et ruptures technologiques. l'exemple du magnetron restent encore cantonnées au domaine dit des « radio-fré- quences » (des longueurs d’onde qui ne descendent guère au-dessous de plusieurs centaines de mètres), un intérêt croissant se porte sur les longueurs d’onde plus courtes, qui présentent d’intéressantes propriétés de propagation tout en réclamant moins de puissance. Mais la triode peine à sui- vre cette évolution, malgré le grand pas effectué en Allema- gne par le professeur Heinrich Barkhausen et son collègue Karl Kurz, qui atteignent en 1920 la limite mythique du GHz (λ=30 cm) avec une triode alimentée de façon inhabituelle par une forte tension positive appliquée sur la grille. On peut considérer cet oscillateur de Barkhausen-Kurz comme le pre- mier générateur d’hyperfréquences. - Le magnétron à anode fendue Mais les limites physiques de la triode semblent cette fois bien atteintes, pour des raisons fondamentales de vitesse de transfert des électrons à travers la grille, ce qui conduit quel- ques chercheurs perspicaces à revenir au magnétron de Hull pour tenter d’en faire un oscillateur. Cette idée est proposée à peu près simultanément en 1924 dans deux papiers du tchèque August Žacek et de l’allemand Erich Habann. Tous deux décrivent une nouvelle architecture d’« anode fendue » (un cylindre coupé en deux), et Žacek fait état de la produc- tion d’ondes de 29 cm. Pour l’heure, cette avancée reste largement inaperçue. C’est finalement le professeur japonais Hidetsugu Yagi (le père de l’antenne qui porte son nom) qui rencontre un grand retentissement aux Etats-Unis en publiant en 1927 dans les IEEE les résultats obtenus, indépendamment des travaux pré- cédents, par son adjoint Kinjiro Okabé. Avec un magnétron à anode fendue, il atteint la longueur d’onde de 12 cm, et peu après 5,6 cm. - L’intérêt de l’industrie Ces promoteurs du magnétron comme oscillateur de très haute fréquence sont des universitaires, mais l’idée suscite à l’évidence l’intérêt des industriels qui développent sur le sujet une « veille technologique » très active, comme l’a montré une étude que nous avons menée sur les très nombreux brevets qui sont déposés dans cette période. En se limitant aux principaux pays d’Europe et des Etats- Unis, en excluant les brevets déposés au Japon, on en dé- nombre déjà près de 2 000 entre 1920 et 1945. Ce nombre ne permet pas de les détailler ici, mais quelques résultats statistiques seront déjà très révélateurs de l’intérêt que les compagnies de radio portent au magnétron dans cette pério- de. Elle est basée sur l’utilisation des codes IPC (International Patent Code) des bases de données brevets, qui définit de façon précise les domaines d’application, avec de nombreu- ses possibilités de tris par pays d’origine ou de dépôt, inven- teurs, industriels déposants, dates, etc. Le tableau 1 fournit un dénombrement par principaux pays de dépôt, croisé avec les pays d’origine des industriels déposants. Il est révélateur des zones géographiques où ceux-ci espèrent une croissance du marché qui donnera lieu à des achats de licences. On peut remarquer d’abord que l’Europe conserve encore une place très importante sur le marché de la radio, aussi bien en R&D qu’en production industrielle. Ceci tient notamment au rôle joué par Marconi, à la fois découvreur et homme d’affaires avisé, qui a su protéger par de nombreux brevets et pour de longues années le premier système de Télécom- munications Sans Fil, d’ailleurs appelé « système Marconi ». Mais son monopole est désormais disputé en Allemagne par Telefunken, ce qui se manifeste bien ici sur le plan des bre- vets, témoins de la volonté des deux compagnies de mainte- nir leurs avances technologiques et d’augmenter leurs parts de marché à l’export. D’où l’importance du nombre des dé- Pays de dépôt  USA Allem. France UK Total Industriels américains RCA 190 25 13 0 228 ITT 52 2 46 9 109 GE 83 2 0 0 85 BELL Labs 95 0 14 15 124 Sperry 31 2 8 38 79 Westinghouse 29 0 7 20 56 Farnworth TV 17 0 14 15 46 Industriels anglais  Marconi 0 7 6 70 83 Standard Tel 12 0 0 66 78 British TH 0 0 0 58 58 Industriels allemands Telefunken 91 75 87 60 313 Julius Pintsch 10 32 18 9 69 Industriels français CSF 15 4 42 12 73 CFTH 0 0 63 0 63 LMT 0 0 41 0 41 Industriels hollandais NV Philips 7 11 35 30 83 TOTAL 632 160 394 402 1588 Tableau 1 : Statistique des dépôts de brevets par pays et par industriel. 88 ◗ REE N°1/2012 ���������� retour sur pôts en France d’une part, et aux Etats-Unis d’autre part, pays qui représentent les marchés potentiels les plus importants. De ce point de vue, Telefunken se montre la plus offen- sive, en déposant pratiquement autant de brevets au Etats- Unis et en France qu’en Allemagne. Mais si on note que les industriels britanniques ne déposent pratiquement qu’au Royaume-Uni, c’est pour partie parce qu’ils sont filiales de trusts américains (British Thomson Houston), ou qu’ils ont eux-mêmes des filiales aux Etats-Unis (Marconi Wireless et RCA). La CFTH en France est un cas identique. Mais ce tableau est également révélateur de la montée en puissance industrielle des États-Unis par l’intermédiaire de plusieurs industriels qui deviendront des géants comme RCA, Westinghouse ou ITT. Ceci se traduit par un nombre de brevets émanant des industriels américains (727) qui se rapproche de celui des européens (861). Par contre ils sont encore très majoritairement déposés aux États-Unis. - Les inventeurs Seconde approche de l’analyse statistique des brevets, un tri par « inventeurs » voir tableau 2, nous permettra de faire connaissance avec les nouveaux acteurs de cette période, en nous indiquant à la fois les chercheurs les plus prolifiques, et les entreprises où ils mènent leurs recherches. La statistique ne porte cette fois que sur deux cent qua- tre vingt-douze brevets. Outre le fait qu’on n’a retenu que les inventeurs ayant déposé plus de cinq brevets, cela provient de ce que les noms d’inventeur ne sont pas toujours men- tionnés (en particulier pour les brevets anglais). Les États- Unis apparaissent cette fois au premier rang (132 brevets). Albert Hull y est encore présent, mais les plus prolifiques sont dans l’ordre E. Linder et J.-H. Fremlin, devant A. Haeff, C. Hansell et A. Samuel. Une mention spéciale doit être attri- buée à G.R. Kilgore, qui fut probablement le théoricien amé- ricain le plus important. Les américains sont talonnés par l’Allemagne (127 bre- vets), où l’inventeur le plus prolifique est H.-E Hollmann, ingénieur radio indépendant, et également consultant chez Telefunken. Il travaille dans les années 1920 sur des trans- missions en ondes décimétriques et centimétriques. Nous reviendrons plus loin sur son apport au magnétron à cavités. Les autres noms nous révèlent encore des acteurs im- portants du domaine, tels que le trio des européens E.C.S. Megaw, K. Posthumus et H. Gutton dont il sera question plus bas (à noter que le français André Clavier est répertorié aux USA car il travaille à LCT, filiale américaine d’ITT). - La situation française En France, un tournant décisif a été pris en 1930 par Mau- rice Ponte, jeune normalien recruté par le groupe SFR-CSF pour diriger son laboratoire de recherche. Très rapidement convaincu de l’importance à venir des hautes fréquences, il est l’un des premiers chercheurs européens à croire sérieu- sement au magnétron. Comme beaucoup d’autres à cette époque, il ne semble pas avoir eu connaissance des publications d’A. Žacek ou de E. Habann, mais en revanche il fait une référence explicite aux travaux du japonais Kinjiro Okabé, en reprenant à son compte le principe de l’anode fendue. En 1932, il fixe à sa recherche deux objectifs caractéristiques de ses préoccupations d’indus- triel  : établir une théorie complète des modes d’oscillation du magnétron pour aboutir à des formules d’utilisation prati- que, et réaliser des tubes utilisables hors du laboratoire dans de réelles applications de terrain. Dès ses premiers essais il obtient 40 W à 100 MHz (λ = 3 m) avec une anode fen- due de diamètre Φ = 20 mm, et monte bientôt à 375 MHz (λ = 80 cm) avec un diamètre de Φ = 5 mm. Il utilise ces tubes dans des essais de communication, avec une méthode originale de modulation dont il a pris un brevet, et il publie en 1934 une analyse théorique complète des résultats obtenus. Appelé alors à d’autres responsabilités, il confie la suite de ces études à son proche collaborateur Henri Gutton. - Les magnétrons à segments résonnants Dans cette nouvelle période, les efforts des inventeurs se portent sur la forme de l’anode et de ses matériaux constitu- Inventeurs Industriels Nombre Inventeurs américains E. Linder RCA 31 J.H. Fremlin ITT 31 A. Haeff RCA 23 C. Hansell RCA 20 A. Samuel Bell Labs 14 A. Hull GEC 7 G.R. Kilgore RCA 6 Inventeurs allemands H.E. Hollmann Telefunken 58 K. Fritz Telefunken 50 W. Dallenbach Pintsch 19 Inventeurs anglais E.C.S. Megaw GEC 6 Inventeurs hollandais K. Posthumus Philips RCA 8 Inventeurs français A. Clavier LMT 13 H. Gutton CSF 6 TOTAL 292 Tableau 2 : Statistique par inventeur. REE N°1/2012 ◗ 89 Innovation et ruptures technologiques. l'exemple du magnetron tifs. Ils s’ingénient à diviser l’ano- de en multiples parties, passant de l’anode fendue en deux demi- cylindres (split anode) à l’anode multi-segments. A la CSF, Henri Gutton (Figure 2) s’illustre parti- culièrement dans cette voie Il commence par une anode à 8 segments interdigités, alterna- tivement fixés quatre par quatre à deux anneaux métalliques. Dès les premiers essais, il peut observer des oscillations de l’ordre de 1,8 GHz, liées à la longueur des segments mais indépen- dantes des circuits extérieurs comme le prévoyait la théorie de Ponte, et obtenues sous une tension et un champ ma- gnétique réduits. Pendant les quatre années suivantes, secondé par Sylvain Berline, il multiplie les expériences sur des géométries d’ano- de de plus en plus complexes, variant de six jusqu’à dix-huit segments, entrelacés ou non. Ils délivrent typiquement une dizaine de watts sur des longueurs d’onde variant de 20 cm à 6 cm. Deux brevets sont déposés le 17 avril 1937 et le 10 dé- cembre 1937 et un papier de synthèse est publié en 1938. La figure 3 montre le « tube n° 8 » issu en 1938 de ces essais, avec une structure typique à 8 segments refroidis par les petites ailettes qu’on peut voir le long de chaque seg- ment. Il délivre 10 W à λ = 16 cm avec un rendement de 15 %, sous 765 V de tension d’anode et un champ magné- tique de 430 gauss (Figure 4), le tube scellé est inséré dans l’entrefer de son aimant permanent. Ce prototype, conçu pour des applications de liaison hertzienne, fut commercia- lisé sous le nom de M-16. Une premiere innovation inaboutie : le Radar du Normandie A ce stade Ponte et Gutton s’inscrivent toujours dans la lignée des inventeurs qui ont perfectionné par touches suc- cessives le magnétron de Hull. A l’origine, leur objectif in- dustriel est de réaliser des transmissions par faisceaux radio focalisés. Mais c’est en s’orientant vers un tout autre domaine que Gutton va ouvrir la porte de l’application majeure que le magnétron attend depuis vingt ans : celle de la détection électromagnétique. Il soumet à Ponte son idée de « détecteur d’obstacles » au cours du mois d’avril 1934. On n’en a pas retenu la date précise, malgré son importance pour établir une antériorité dans l’histoire complexe de l’invention du radar. Mais on dis- pose d’une lettre du 5 juin dans laquelle Gutton expose son projet à un parent officier de Marine, ainsi que d’une de- mande de brevet déposée le 20 juillet 1934. On peut mettre ces dates en rapport avec celle du célèbre mémorandum de Robert Watson-Watt (12 février 1935), « père » autoproclamé du radar, tout en relevant aussi la grande similitude de prin- cipe entre ce brevet et celui du Telemobiloskop d’Hülsmeyer du 30 avril 1904. Une différence notable pourtant : contrai- rement à ce dernier, le brevet CSF trouve immédiatement une opportunité d’exploitation commerciale. En janvier 1935 les propriétaires du paquebot Normandie, alors en fin de construction à Saint-Nazaire, demandent que leur navire soit équipé de ce nouveau système de sécurité. Pour faire face à des délais très courts, Gutton décide de réa- liser un premier prototype avec un matériel récupéré d’essais de radio-téléphonie, utilisant une triode UC-16 montée au foyer Figure 2 : Henri Gutton. Figure 3 : Anode 8 segments en « cage d’écureuil ». Figure 4 : M-16 dans l’entrefer de son aimant permanent. 90 ◗ REE N°1/2012 ���������� retour sur d’une antenne parabolique. Ce n’est donc pas son magnétron qui équipe dans un premier temps le radar qu’il expérimente du 3 au 6 avril 1935 à bord du cargo Oregon, puis du 28 août au 2 septembre 1935 à bord du Normandie lors d’une de ses premières traversées Le Havre-New York. L’impact médiatique, traduit par de nombreux articles de presse, sera considérable, mais le bilan technique malheureusement moins convaincant, le matériel utilisé s’étant révélé mal adapté. C’est finalement près du Havre, dans un laboratoire amé- nagé dans un bungalow de jardin sur les hauteurs de Sainte- Adresse, face à l’embouchure de l’estuaire de la Seine, qu’il intègre son magnétron M-16 dans son prototype expérimen- tal (Figure 5). Celui-ci constitue incontestablement le pre- mier radar décimétrique de l’histoire. Pourtant, malgré les bons résultats obtenus – notamment lors d’une journée de démonstration officielle le 25 mars 1939 devant les États-majors des armées – Gutton ne par- vient pas à convaincre ses interlocuteurs de l’intérêt de son système En réalité, si l’application à la détection était cette fois la bonne, la cible visée n’était pas encore celle que la guerre toute proche devait révéler comme le besoin essen- tiel : celui de la défense anti-aérienne. L’innovation entrevue devait rester encore pour un temps inaboutie. Les deux derniers pas décisifs L’histoire du magnétron est décidément riche en rebondis- sements. Quand l’innovation du radar peine à s’affirmer, deux nouveaux perfectionnements viennent encore améliorer consi- dérablement ses performances dans le courant de 1939. Cette dernière étape est dominée par la personnalité d’un éminent chercheur, déjà évoqué dans notre étude de bre- vets : Eric Christopher Stanley-Megaw, de la GEC anglaise. Eric Megaw, comme on le nomme plus couramment, s’est intéressé au magnétron pratiquement depuis la même époque que Maurice Ponte, au début des années 30, pour réaliser des essais de propagation radio en dessous des 60 cm. Ayant déposé six brevets sur le magnétron à anode segmentée, il en est surtout un grand théoricien, qui s’af- firme avec beaucoup de hauteur dans ses échanges avec les autres chercheurs européens. C’est ainsi par exemple qu’il s’est illustré en 1934 dans un débat public de grande te- nue avec le hollandais Klaas Posthumus de Philips à propos du mode d’oscillation des tubes multi-segments. Ce débat s’est conclu par l’adoption d’une théorie commune dite du « champ rotatif » qui allait éclairer la suite des recherches. Il a aussi noué des contacts avec Gutton, de plus en en plus étroits au fil des ans, qui donnent lieu à des visites régu- lières de l’un à l’autre aux laboratoires de Levallois et de Wembley. Ici encore les discussions portent sur la question de la multiplication des segments d’anode. Fait-elle apparaî- tre un nouveau mode d’oscillation, et doit-on fixer une limite au nombre de segments  ? L’opinion la plus courante est alors qu’au-delà de quatre segments (exemple préconisé par Posthumus), le rendement des tubes chutera rapidement. Megaw lui-même avait échoué en 1932 à faire osciller un ma- gnétron à douze segments. Particulièrement réticent à l’idée qu’un magnétron multi-segments oscillerait sur un nouveau mode distinct des modes classiques de Habann ou Žacek, il suspecte que l’opinion de Gutton résulte en fait d’une erreur de mesure. Lors de sa dernière visite à Leval- lois en juin 1939, cette question ne peut être tranchée, mais il est décidé que des exemplaires du dernier M-16 de Gutton lui se- ront confiés pour être soumis à Wembley à ses propres mesures. La déclaration de guerre en septembre 1939 ne permit pas cet échange. C’est ce rôle d’animateur des recherches au niveau euro- péen qui place à ce moment Megaw (Figure 6) dans la meilleure situation pour réaliser la synthèse des deux der- niers perfectionnements qui feront l’architecture définitive du magnétron. - L’anode à cavités Cette invention est classiquement attribuée à deux cher- cheurs de l’université de Birmingham, John T. Randall et Henry A. Boot, recrutés en septembre 1939 pour renforcer Figure 5 : Le radar SFR/CSF à Sainte-Adresse (1938). Figure 6: E.-C. Stanley-Megaw. REE N°1/2012 ◗ 91 Innovation et ruptures technologiques. l'exemple du magnetron le laboratoire du Pr. Marc Oliphant, qui s’était fixé comme objectif la réalisation d’un oscillateur à 10 cm ayant une puis- sance de 1 kW. Ce laboratoire étant essentiellement focalisé sur les études de klystron, il fut demandé aux derniers arrivés d’examiner la solution alternative du magnétron, dont ils ne connaissaient pourtant rien jusque là. La répartition des rôles les met ainsi sur la bonne voie, mais ce n’est encore rien. Par une intuition proprement miraculeuse après une brève étude bibliographique, ils imaginent d’intro- duire dans l’anode du tube, à l’intérieur même de celui-ci, des cavités résonantes qui seront usinées dans un bloc cylindrique de cuivre. L’idée se révèle excellente : dès le 21 février 1940 un prototype de magnétron à six cavités résonant autour de 10 cm délivre 500 W, la moitié de l’objectif fixé ! (Figure 7). Cette nouvelle invention constitue donc un saut technolo- gique exceptionnel. A la même époque, comme on le verra plus bas, le M-16 de la CSF ne produit encore que 300 W, et si Megaw a obtenu 1,5 kW en mai 1938 avec son E-821, c’est sur une longueur d’onde qui ne descend pas sous 1 m, et avec une durée de vie du tube très brève. Un secret absolu est immédiatement décrété, tandis que les responsables militaires informent au plus vite Megaw et l’équipe de GEC de ce petit miracle, en lui demandant de faire du prototype universitaire un véritable objet industriel. Ce secret instantanément posé sur l’affaire n’a pas facilité le décryptage des conditions réelles de l’invention. Ce n’est qu’après la guerre, alors qu’ils se seront réorientés chacun vers d'autres études, que Randall et Boot seront célébrés pour leur découverte exceptionnelle. Mais la façon dont ils décrivent alors comment leur en est venue l’idée (par une généralisation à trois dimensions de la boucle de Hertz, ana- logie qui leur a permis de calibrer la cavité en utilisant directe- ment les formules de celle-ci) peine à convaincre. Or on sait qu’en réalité cette technique de cavité était déjà pratiquée dans les klystrons, principal sujet d’étude du laboratoire, et il serait bien étonnant que nos inventeurs n’en aient pas eu connaissance. Un débat plus récent a relancé cette question sur un autre plan. Dans un article de 2004 intitulé “The cavity magnetron in World War II ; was the secrecy justified ?”, Bernard Lowell, le père du célèbre radar air-sol H2S s’interroge sur la perti- nence d’un secret qui avait retardé de plusieurs mois la mise en service de ce radar essentiel, en faisant référence à des documents allemands montrant que ceux-ci connaissaient déjà ce principe à la même époque. Ici encore, l’analyse des brevets peut apporter un éclairage utile sur cette question. Il se trouve en effet que dans la clas- sification très précise de l’IPC, les magnétrons intégrant une anode à cavités sont spécifiés par un code H01J25/587 qui permet de déterminer de façon simple les brevets antérieurs à 1940 qui y feraient référence. II en existe effectivement quelques uns, dont voici les principaux, montrant que l’idée avait été expérimentée dès 1936 aux États-Unis, ou encore en Allemagne, en Russie, sans parler du Japon. • brevet US n° 2063342A “Electron Discharge Device”, dé- posé le 8 décembre 1934 au nom des Bell Labs, inventeur Arthur Sa- muel, publié le 8 décembre 1936 (Figure 8). Il fait mention d’une anode constituée d’éléments pouvant être accordés, et il est généralement considéré comme le premier brevet sur le magné- tron à cavités en raison du schéma très explicite qu’il présente. Il est d’ailleurs cité dans le brevet dé- posé par Randall et Boot en août 1940. • brevet DE n° 930159 « Magnetron », déposé en Allemagne le 29 novem- bre 1935 au nom de Telefunken, inventeur H.-E. Hollmann (Figure 9), et brevet US n° 2123728A. Le texte mentionne de petits systèmes réso- nants et de longueurs d’onde de l’or- dre du centimètre. Hollmann, a-t-on déjà vu, est l’auteur d’une cinquan- taine de brevets sur le magnétron. • brevet DE n° 938 196 « Schlitzano- denmagnetronroehre fuer ultrakur- ze Wellen » déposé le 16 novembre 1938 au nom de Telefunken, inventeur Willi Engbert (Figure 10). Il ne sera publié que bien après la guerre en 1956. Il est caractérisé par l’emploi d’électrodes qui forment un Figure 7 : Le prototype de Randall et Boot (février 1940). Figure 8 : Brevet Samuel (1934). Figure 9 : Brevet Hollmann (1935). Figure 10 : Brevet Engbert (1938). 92 ◗ REE N°1/2012 ���������� retour sur système oscillant dont la fréquence est déterminée par la forme de l’électrode, et il se réfère explicitement au brevet de 1934 d’A Samuel. • Magnétron russe. Nous n’avons pas retrouvé le brevet men- tionné par l’article de B. Lovell mais nous connaissons ces travaux par un article de N.-F. Alekseev et D.-D. Malairov : “Generation of Hight-Power Oscillation with a Magne- tron in the Centimeter Band” déposé en 1940 et publié en 1943. Ce papier précise que les russes avaient déve- loppé en 1936-1937 un magnétron à quatre cavités fonc- tionnant à 9 cm (Figure 11). La bibliographie cite E. Linder, H. Gutton et K. Okabé, ce qui montre que les chercheurs russes connaissaient les travaux occidentaux. On notera aussi une similitude frappante avec le brevet Telefunken/ Engbert. A la lumière de ces quelques éléments il est donc clair que le principe des cavités résonantes était connu en Allema- gne bien avant 1940, date de leur découverte en Angleterre. C’est pourquoi B. Lowell répond sans ambigüité « non » à la question de son article : le magnétron à cavités était bien connu chez Telefunken, mais contrairement à ce qui s’est passé en Angleterre, il n’y a pas eu de volonté de développer des équipements radars dans cette direction. - La cathode à oxyde Cette dernière invention a été le principal objet des échan- ges Gutton - Megaw en 1938-1939, au fur et à mesure que les niveaux de puissance obtenus faisaient remonter au pre- mier plan la question de la durée de vie des tubes. A l’origine pratiquement tous les magnétrons utilisaient une cathode à filament de tungstène à chauffage direct, cen- trée sur l’axe de l’anode cylindrique, ce qui était bien adapté au faible diamètre des tubes. Mais l’architecture d’anodes multi-segments conduisait maintenant à élargir ce diamètre, ce qui en augmentant l’espace inter-électrodes réduisait le rendement. Ponte, fort d’une expérience acquise lors de ses études universitaires sur l’émission thermoïonique, et qu’il avait mise en œuvre plus tard dans des triodes de puissance, suggère de remplacer le filament du M-16 par un cylindre plus large et revêtu d’oxyde. Cette technique s’avère immédiatement bé- néfique pour diverses raisons : elle facilite le refroidissement par sa structure tubulaire, résiste mieux à la combustion pré- coce, améliore le rendement par la réduction de l’espace in- ter-électrodes. Mais la principale raison ne sera comprise que plus tard : du fait d’un phénomène qu’on appellera le « rétro bombardement », la cathode à oxyde est mieux à même de produire une rétro-émission d’électrons améliorant le rende- ment général du tube. Megaw n’y est pas favorable au départ. Comme il devait l’expliquer plus tard, les deux questions de l’anode multi- segments et de la cathode cylindrique étaient fortement liées : « L’usage généralisé de cathodes à filament de pe- tites dimensions (que Gutton contestait), tenait à l’idée très répandue que l’utilisation d’anodes de plus de 4 segments était de peu d’intérêt pratique, et l’association de ces deux principes formait comme une sorte de cercle vicieux qui interdisait d’envisager une solution à grand nombre d’élé- ments et cathode élargie ». En 1937, il avait pourtant essayé avec un certain succès une cathode à tungstène thorié à filament tourné en spirale pour accroître son diamètre apparent, et il conseille à Gutton de tester cette solution pour son M-16. Le résultat lui donne d’emblée 50 W début 1939. Mais Gutton sent qu’il peut aller plus loin, et son avance dans les anodes multi-segments lui permet d’opter pour une cathode de plus grand diamètre, revêtue d’oxyde et à chauffage indirect, qui atteint une puissance crête voisine de 300 W peu après le passage de Megaw en juin 1939. Il par- viendra bientôt à 1 kW. La rencontre d’un besoin opérationnel déterminant La déclaration de guerre en septembre 1939 vient brus- quement accélérer les choses. En France, la Marine demande enfin à la CSF d’envisager une application militaire de son détecteur d’obstacles, et en décembre 1939 Gutton s’installe à la Pointe Saint-Mathieu, à l’entrée du goulet de Brest, pour expérimenter un « télémètre électromagnétique » intégrant son nouveau M-16 et des antennes paraboliques de 1,2 m de diamètre. Ce radar décimétrique contraste singulièrement avec le système de radars décamétriques que Robert Watson-Watt développe depuis 1935 sur les côtes anglaises. Cette “Chain Home”, fonctionnant en ondes longues, nécessite des anten- nes-pylônes de plus de 100 m de haut, installées sur des sta- tions de plusieurs hectares. Mais elle est mieux adaptée à la Figure 11 : Magnétron Alekseev (1937). REE N°1/2012 ◗ 93 Innovation et ruptures technologiques. l'exemple du magnetron défense aérienne, qui est pour l’État-major anglais la premiè- re priorité : capable de détecter toute concentration d’avions ennemis, elle permet de guider vers eux les chasseurs de la RAF à une distance suffisante pour une acquisition visuelle. Etre toujours «  au bon endroit, au bon moment  »  : ce principe devait se montrer d’une grande efficacité dans un contexte stratégique qui paraissait a priori défavorable. En permettant d’optimiser la mise en place des matériels et des pilotes, il modifie au profit des anglais l’équilibre des forces aériennes mises en jeu dans la « Bataille d’Angleterre » de septembre à décembre 1940. Cette phase de la guerre aé- rienne s’achève à l’avantage des spitfires, ce qui pèsera d’un grand poids dans la décision d’Hitler de renoncer à son projet « Seelöwe » d’invasion de l’Angleterre. - L’urgence pour un radar centimétrique Mais cet avantage est de courte durée : lorsque les Alle- mands se dotent de moyens de radioguidage permettant des bombardements nocturnes, la ré-acquisition visuelle devient impossible, sauf à installer directement sur les chasseurs un système autonome de radar embarqué qui leur donnerait une vision nocturne. Mais comment loger dans un avion un système basé sur le même principe que les énormes stations sol de la Chain Home ? Edgar Bowen, chargé par Watson Watt de résoudre cette gageure, n’avait pas d’autre perspective que de monter en fréquence pour réduire drastiquement la taille des antennes. Abandonnant les ondes décamétriques, il réalise d’abord une première version d’AI (Air Interceptor) métrique qui s’avère très décevante. Il faut aller bien plus loin et passer du mètre au centimètre, pour permettre une radiolocalisation précise avec des antennes réduites. Mais cette idée toute simple amène les concepteurs anglais de radars « sol » en face de nouveaux problèmes insoupçonnés. Pour les comprendre, il faut revenir ici sur quelques principes de la détection électromagnétique : • un radar est a priori un système de détection de grande por- tée (typiquement des centaines de kilomètres). On montre qu’au premier ordre cette portée de détection sur une cible dégagée de tout écho parasite, dans un domaine angulaire donné, ne dépend que de la puissance moyenne émise et de la surface de l’antenne de réception. Elle est donc en principe indépendante de la fréquence utilisée. Par contre, le principe physique de la liaison radar (double trajet aller-retour et ré- tro-diffusion de l’énergie par la cible) est très pénalisant du point de vue du bilan énergétique : la puissance reçue pour une cible donnée décroît comme l’inverse de la puissance quatrième de la distance ! Ce bilan conduit donc à un besoin en puissance moyenne très élevé pour garantir simplement des portées de quelques dizaines de kilomètres. De plus cette puissance n’est délivrée que pendant des im- pulsions d’autant plus brèves qu’on cherche à effectuer une mesure précise de la distance, avec des moments de silence d’autant plus longs qu’on souhaite de la portée. En pratique, ceci conduit à des puissances crête dans l’impulsion qui peu- vent être de plusieurs milliers de fois la puissance moyenne. Ce besoin de très forte puissance crête, bien au-delà du kilo- watt, distingue le radar des autres applications radioélectriques telles que les transmissions ou le radioguidage. • La connaissance de la direction angulaire de la cible est four- nie par la directivité de l’antenne, c’est-à-dire sa capacité à concentrer l’énergie émise dans une direction à l’émission, et à ne recevoir que les échos provenant de cette direction. L’ouverture angulaire théorique est fixée, comme pour toute onde électromagnétique, par les lois de la diffraction tradui- tes par la relation : Cette relation montre tout l’intérêt de fréquences élevées (longueurs d’onde courtes) lorsque les contraintes physiques limitent la taille de l’antenne. Ceci tempère donc la première remarque, et incite à utiliser des fréquences élevées lorsque les dimensions de l’antenne sont limitées. • La sélectivité angulaire de l’antenne est également nécessaire pour séparer les échos utiles des échos naturels (échos de sol ou de mer, échos météorologiques) situés à la même distance que la cible. La puissance de ces échos est générale- ment beaucoup plus élevée que celle des cibles recherchées, et cette question est particulièrement cruciale pour les radars aéroportés : alors qu’un radar posté au sol ne voit pas les échos de sol masqués par l’horizon, un radar aéroporté dont la sélectivité angulaire n’est pas suffisante éclaire le sol en même temps que la cible comme l’illustre la figure 12. La ci- ble est donc masquée par les échos de sol, et la portée radar est pratiquement limitée dans ce cas à l’attitude de l’intercep- teur, soit au mieux quelques milliers de mètres. Pour repousser la distance à laquelle les échos de sols « pénètrent » dans le lobe principal il faut atteindre des di- rectivités de quelques degrés, ce qui correspond pour les dimensions d’antennes implantables (quelques décimètres sur un chasseur) à des longueurs d’onde centimétriques. Figure 12 : Seule une antenne directive à faisceau fin permet de séparer la cible des échos de sol. 94 ◗ REE N°1/2012 ���������� retour sur Sans parler de l’impact sur l’aérodynamisme des avions, ceci explique les insuffisances des premiers radars aéropor- tés en ondes métriques, développés dans un premier temps par les deux camps. Le plus représentatif en est sans doute le Lichtenstein allemand (Figure 13). La maîtrise de moyens d’émission de forte puissance à des longueurs d’onde inférieures à 10 cm devient ain- si un enjeu crucial dans cette phase de la guerre. On sait qu’Hitler refusa d’engager les chercheurs allemands dans cette voie. Mais côté anglais, malgré toutes les pressions de l’Etat-major, qui se traduiront finalement par la mise à l’écart de R. Watson-Watt et son remplacement par Arthur P. Rowe, il faudra encore plus de deux années pour qu’aboutisse une première version satisfaisante, années pendant lesquelles les londoniens vivent le drame du blitz et de ses bombarde- ments quotidiens. Le magnétron, cœur du radar moderne Tous les facteurs – avancées techniques et urgence d’un besoin crucial – se conjuguent désormais pour que se déve- loppe l’innovation majeure tant attendue. Il s’agira en réalité d’une véritable révolution, comme on en rencontre peu sou- vent dans l’histoire des techniques. Elle est portée par Eric C. Stanley-Megaw qui, par sa po- sition dans GEC et ses contacts directs avec les opération- nels, est pleinement sensibilisé au besoin d’un générateur de très haute puissance pour la réalisation du nouveau radar d’interception aérienne. Il est en même temps celui qui a la connaissance la plus approfondie du fonctionnement et des capacités du magnétron. Sa vision se nourrit de sa propre expérience, mais aussi des échanges qu’il entretient avec ses collègues hollandais et français concernant les systè- mes multi-résonants. Les succès de Gutton et Berline avec des architectures de 6 à 18 segments l’ont particulièrement impressionné, comme l’a souligné l’historien anglais James E. Brittain écrivant : « il faut les créditer d’avoir exercé une profonde influence sur la façon de voir anglaise, qui allait aboutir à l’idée du magnétron à cavités ». Ainsi, mis en présence début mai 1940 du premier proto- type de magnétron à cavités de Birmingham, Megaw fait aus- sitôt un lien entre son mode d’oscillation et celui des segments résonants, et il l’adopte d’emblée pour la réalisation de son propre magnétron, en y ajoutant toutes les modifications né- cessaires pour en faire un véritable produit industriel. La conception de ce nouveau tube baptisé E-1189 (Figure 14) est arrêtée le 25 mai 1940, et quand le premier exemplaire est achevé et mis sous tenson le 29 juin, il délivre d’emblée 3 kW à λ = 10 cm. Le but parait désormais tout proche, si ne subsistait pas encore la question de la durée de vie critique du tube. Elle sera résolue à la suite d’un épisode qu’il convient de rappeler maintenant. En avril 1940, la situation militaire a dramatiquement bas- culé en France. A la CSF, H. Gutton poursuit encore ses recher- ches sur la cathode à oxyde. Mais dans la dernière semaine du mois, pressentant le pire, Maurice Ponte en personne, avec l’accord officiel du Gouvernement français, traverse la Manche pour apporter à l’équipe de GEC deux exemplaires de la der- nière version du M-16. Peu de jours après, l’armée allemande enfonce le front et se rue sur Paris. Toujours avec la même clairvoyance, et alors que le premier E-1189 est en cours d’essais, Megaw décide aussitôt de réaliser un second prototype incluant la cathode à oxyde de ce M-16. Le premier résultat est d’assurer cette fois une durée de vie satisfaisante, et de monter encore en puissance. Le 26 juin, le nouveau magnétron atteint une puissance crête de 15 kW qui dépasse toutes les attentes. Concernant les radars aéroportés, la situation se trouve im- médiatement débloquée. Ce magnétron sera le cœur de deux radars exceptionnels : le AI Mark 7/8 pour l’équipement des chasseurs Beaufighter du Coastal Command (Figure 15), et le radar de cartographie H2S pour les bombardiers du Bomber Command. Avec le développement de contre-mesures que la montée en fréquence autorise également, ils font immédiate- ment basculer toutes les conditions de la bataille aérienne. L’importance est telle qu’immédiatement Churchill décide de partager ce secret avec ses alliés américains. L’idée est Figure 13 : Radar aéroporté en onde métriques (sur Me100). Figure 14 : Le E-1189 de GEC (juin 1940). REE N°1/2012 ◗ 95 Innovation et ruptures technologiques. l'exemple du magnetron clairement de faire bénéficier la nouvelle découverte de toute la puissance industrielle américaine. En septembre 1940 une mission de coopération technologique exceptionnelle, sous la responsabilité du professeur Henry Tizard s’embarque pour les États-Unis. Membre de cette mission, Edgar Bowen em- porte dans ses bagages l’exemplaire n° 12 du E-1189, dont il est chargé de dévoiler principe et performances. C’est peu dire qu’elles stupéfient les spécialistes améri- cains, administration et industriels confondus. Passées les premières surprises, ils prennent très vite la mesure du saut technologique que permet ce tube. Il aura dès lors une dou- ble destinée, anglaise et américaine et l’innovation, intégrée dans le gigantesque effort de guerre des Etats-Unis, y prend toute sa signification. Un industriel tel que Raytheon, choisi en 1940 pour produire des magnétrons en série, atteint bien- tôt des cadences de 2 600 exemplaires par jour. Bien au-delà d’une seule application aux radars aéroportés, ils seront le cœur de plus de 150 radars différents de toutes catégories conçus entre 1941 et 1944 au Radiation Laboratory, spéciale- ment créé à cet effet dans l’orbite du célèbre MIT. - Une inexplicable omission C’est probablement pour prendre date avant cet échange, et sans doute dans une certaine précipitation, qu’un brevet est déposé le 22 août 1940, un mois avant le départ de la mission Tizard, sous le n° GB-588185 (Figure 16) au nom de J.-T. Randall, H.-A. Boot et Wright. (directeur scientifique de l’Amirauté, qui pilote officiellement les recherches sur le radar aéroporté). Inexplicablement – et est-il permis de penser, très injuste- ment – le nom de Megaw n’y figure pas. Est-ce le fait d’une dif- ficulté administrative entre organismes étatiques et industriels ? Dans les discussions préliminaires à la mission d’échange, les américains avaient effectivement demandé que les dispositifs présentés soient brevetés par les gouvernements, en excluant les nombreux brevets déposés par les sociétés privées. Il n’empêche que le schéma de ce brevet est quasi identi- que à celui du E-1189, comportant en particulier huit cavités tandis que le prototype de Birmingham n’en avait que six. Il y est aussi précisé que la cathode «  est habituellement recou- verte d’oxyde et d’un diamètre égale à 0,4 fois le diamètre intérieur de l’anode ». Il ne sera publié que bien longtemps après la guerre. On sait qu’entre-temps la doctrine américaine fut de décréter que toutes les inventions sur le radar résultant de l’effort de guerre seraient considérées comme œuvre commune des alliés, et libre de droits. Cela se concrétisa par la publication au MIT d’une grande encyclopédie du radar en 28 volumes, largement exploitée dans les années d’après-guerre par les concepteurs de tous pays. Un volume entier est consacré au magnétron. Conclusion Trop souvent l’histoire des techniques se satisfait de rac- courcis simplificateurs. Comme on a pu le voir ici, la mise en place d’une grande innovation n’est pas toujours chose sim- ple, et l’exemple du magnétron montre l’ampleur du chemin qu’il faut parfois parcourir. Le résultat n’en fut que plus spec- taculaire, car il est assez rare dans l’histoire qu’une innovation technologique influe aussi directement sur le déroulement d’une guerre ! Certes le magnétron a aujourd'hui perdu de son actualité : de nouvelles techniques fondées sur la cohérence de phase des impulsions émises, telles que la compression d'impul- sions ou le filtrage doppler, ont nécessité le développement Figure 16 : Brevet anglais du magnétron à cavités. Figure 15 : Beaufighter anglais équipé du AI Mk 8. 96 ◗ REE N°1/2012 ���������� retour sur de nouveaux tubes cohérents dont on peut piloter la phase, ce que ne permet pas le magnétron. Mais là n'est pas l'essentiel. Il reste qu'aujourd'hui le radar, dont ce tube a permis la mise au point définitive, est devenu après la guerre, bien au-delà de ses applications de défense, un moyen essentiel du développement des échanges mariti- mes, aériens et spatiaux. Autant dire une des innovations les plus importantes de notre société mondialisée. ■ Yves Blanchard, ingénieur consultant et historien, est diplômé de l’Institut Supérieur d’Electronique du Nord (ISEN Lille, 1966). Après une quinzaine d’années dans la fonction d’Ingénieur de Recherche en radar et sonar à l’Office National d’Etudes et de Recherches Aérospatiales (ONERA), il a poursuivi sa carrière dans l’industrie comme directeur des études amont à Thomson Sintra Activités Sous-Marines, puis directeur de la Recherche et des Domaines nouveaux à Thomson-CSF Missile Electronics. Il a achevé ce parcours centré sur la R&D radar comme ingénieur en chef et directeur technique de l’unité « Electronique de Missiles » de Thalès Airborne Systems. Il est aussi un chercheur reconnu sur l’histoire de son domaine technique, donnant régulièrement des conférences ou publiant des articles sur ce sujet. Membre actif du Club technique 2SR, il a été l’organisateur des sessions historiques des Colloques Radar Brest 1999, Toulouse 2004 et Bordeaux 2009. Il est l’auteur d’une Histoire générale du radar, considérée comme un livre de référence en la matière : “Le Radar 1904-2004, histoire d’un siècle d’innovations techniques et opérationnelles” (Ellipses éd., Paris, 2004). Philippe Lacomme a effectué toute sa carrière dans le domaine des Radars Aéroportés. Directeur technique de l’Unité Radar de Thalès Systèmes Aéroportés puis Technical Fellow à la Direction technique, il a accompagné toutes les R&D des radars aéropor- tés français tels que les radars d’avions de combat, les radars de Surveillance Maritime ou de Surveillance du Sol. Il est auteur de nombreux brevets dont certains ont été primés aux Thales Innova- tors Awards. Retraité de Thalès depuis fin 2008, il est aujourd’hui consultant au sein de la société SART. Il a enseigné les techniques radars en interne, puis dans de nombreuses écoles d’ingénieurs et dans des instances internationales. Il a publié de nombreux papiers dans les conférences internationales et est co-auteur de deux ouvrages sur les radars aéroportés et spatiaux publiés en français et en anglais. Il a été membre actif du Club technique 2SR (ex Club 23) de la SEE plusieurs années avant d’en devenir le président de 2006 à 2009. Il a été promu Chevalier de l’Ordre National du Mérite en 2002 et a reçu le Prix de l’Aéronautique de l’3AF en 2006, il est aussi membre Emérite de la SEE (2007). Marc Leconte est secrétaire du Club technique 2SR (ex Club 23) de la SEE et membre senior et médaillé Ampère. Au sein de Dassault Electronique il a passé une quinzaine d’année (1976-1991) à l’étude, au développement et aux essais en vol du radar RDI du Mirage 2000. Ensuite pendant trois ans il a participé à l’étude d’un démonstrateur Laser franco britannique CLARA en travaillant sur les algorithmes de suivi de terrain et sur la numérisation du récepteur. A partir de 1995 il a élargi son activité aux domaines des études marketing et stratégiques dans les domaines des radars aéroportés et de la guerre électronique. Il exerce les mêmes activités dans la division aéronautique de Thalès. A partir des années 90 il s’est intéressé à l’histoire des techniques en général et à l’histoire du radar en particulier, et a publié plusieurs articles sur ce sujet. les auteurs