Cavité magnétron

Le magnétron à cavité est un tube à vide de haute puissance utilisé dans les premiers systèmes radar , puis dans les fours à micro- ondes et dans les accélérateurs de particules linéaires . Un magnétron à cavité génère des micro-ondes en utilisant l'interaction d'un flux d' électrons avec un champ magnétique , tout en se déplaçant devant une série de résonateurs à cavité , qui sont de petites cavités ouvertes dans un bloc métallique. Les électrons passent par les cavités et provoquent l'oscillation des micro-ondes à l'intérieur, de manière similaire au fonctionnement d'un sifflet produisant un son lorsqu'il est excité par un flux d'air soufflé au-delà de son ouverture. La fréquence de résonance de l'agencement est déterminée par les dimensions physiques des cavités. Contrairement à d'autres tubes à vide, tels qu'un klystron ou un tube à ondes progressives (TOP), le magnétron ne peut pas fonctionner comme un amplificateur pour augmenter l'intensité d'un signal micro-onde appliqué ; le magnétron sert uniquement d' oscillateur électronique générant un signal micro-onde à partir d'un courant électrique continu fourni au tube à vide.

L'utilisation de champs magnétiques comme moyen de contrôler le flux d'un courant électrique a été stimulée par l'invention de l' Audion par Lee de Forest en 1906. Albert Hull du General Electric Research Laboratory , aux États-Unis, a commencé à développer des magnétrons pour éviter les brevets de de Forest, mais ces derniers n'ont jamais été complètement couronnés de succès. D'autres expérimentateurs ont repris les travaux de Hull et une avancée clé, l'utilisation de deux cathodes, a été introduite par Habann en Allemagne en 1924. Les recherches ultérieures ont été limitées jusqu'à l'article japonais d'Okabe de 1929 notant la production de signaux de longueur d'onde centimétrique, qui a suscité un intérêt mondial. Le développement de magnétrons à cathodes multiples a été proposé par AL Samuel des Bell Telephone Laboratories en 1934, conduisant à des conceptions par Postumus en 1934 et Hans Hollmann en 1935. La production a été reprise par Philips , General Electric Company (GEC), Telefunken et d'autres, limitée à une puissance de sortie d'environ 10 W. À cette époque, le klystron produisait plus de puissance et le magnétron n'était pas largement utilisé, bien qu'un appareil de 300 W ait été construit par Aleksereff et Malearoff en URSS en 1936 (publié en 1940).

Français Le magnétron à cavité était une amélioration radicale introduite par John Randall et Harry Boot à l' Université de Birmingham , en Angleterre en 1940. Leur premier exemple fonctionnel produisait des centaines de watts à une longueur d'onde de 10 cm, une réalisation sans précédent. En quelques semaines, les ingénieurs du GEC avaient amélioré cette puissance à bien plus d'un kilowatt (kW), et en quelques mois 25 kW, plus de 100 kW en 1941 et s'approchant d'un mégawatt en 1943. Les impulsions de haute puissance étaient générées à partir d'un appareil de la taille d'un petit livre et transmises à partir d'une antenne de seulement quelques centimètres de long, réduisant la taille des systèmes radar pratiques de plusieurs ordres de grandeur. De nouveaux radars sont apparus pour les chasseurs de nuit , les avions anti-sous-marins et même les plus petits navires d'escorte, et à partir de ce moment-là, les Alliés de la Seconde Guerre mondiale ont détenu une avance en matière de radar que leurs homologues en Allemagne et au Japon n'ont jamais été en mesure de combler. À la fin de la guerre, pratiquement tous les radars alliés étaient basés sur le magnétron.

Le magnétron a continué à être utilisé dans les radars après la guerre, mais il est tombé en désuétude dans les années 1960 avec l'apparition des klystrons de grande puissance et des tubes à ondes progressives . Une caractéristique clé du magnétron est que son signal de sortie change d'impulsion en impulsion, à la fois en fréquence et en phase. Cela le rend moins adapté aux comparaisons d'impulsion à impulsion pour effectuer l'indication de cibles mobiles et supprimer les « parasites » de l'affichage radar. Le magnétron reste utilisé dans certains systèmes radar, mais il est devenu beaucoup plus courant comme source à faible coût pour les fours à micro-ondes. Sous cette forme, plus d'un milliard de magnétrons sont utilisés aujourd'hui.

Dans un tube électronique classique ( tube à vide ), les électrons sont émis par un composant chauffé et chargé négativement appelé cathode et sont attirés par un composant chargé positivement appelé anode . Les composants sont normalement disposés de manière concentrique, placés dans un récipient de forme tubulaire d'où tout l'air a été évacué, de sorte que les électrons peuvent se déplacer librement (d'où le nom de tubes « à vide », appelés « valves » en anglais britannique).

Si une troisième électrode (appelée grille de contrôle ) est insérée entre la cathode et l'anode, le flux d'électrons entre la cathode et l'anode peut être régulé en faisant varier la tension sur cette troisième électrode. Cela permet au tube électronique résultant (appelé « triode » car il possède maintenant trois électrodes) de fonctionner comme un amplificateur car de petites variations dans la charge électrique appliquée à la grille de contrôle entraîneront des variations identiques dans le courant beaucoup plus important d'électrons circulant entre la cathode et l'anode.

L'idée d'utiliser une grille pour le contrôle a été inventée par Philipp Lenard , qui a reçu le prix Nobel de physique en 1905. Aux États-Unis, elle a été brevetée par Lee de Forest , ce qui a donné lieu à des recherches considérables sur des conceptions de tubes alternatives qui permettraient d'éviter ses brevets. Un concept utilisait un champ magnétique au lieu d'une charge électrique pour contrôler le flux de courant, ce qui a conduit au développement du tube magnétron. Dans cette conception, le tube était fabriqué avec deux électrodes, généralement avec la cathode sous la forme d'une tige métallique au centre, et l'anode sous la forme d'un cylindre autour d'elle. Le tube était placé entre les pôles d'un aimant en fer à cheval disposé de telle sorte que le champ magnétique soit aligné parallèlement à l'axe des électrodes.

En l'absence de champ magnétique, le tube fonctionne comme une diode, les électrons circulant directement de la cathode vers l'anode. En présence du champ magnétique, les électrons subissent une force perpendiculaire à leur direction de déplacement (la force de Lorentz ). Dans ce cas, les électrons suivent un chemin courbe entre la cathode et l'anode. La courbure du chemin peut être contrôlée en faisant varier soit le champ magnétique à l'aide d'un électroaimant , soit en modifiant le potentiel électrique entre les électrodes.

À des niveaux de champ magnétique très élevés, les électrons sont repoussés vers la cathode, ce qui empêche le passage du courant. À l'extrême opposé, sans champ, les électrons sont libres de circuler directement de la cathode à l'anode. Il existe un point entre les deux extrêmes, la valeur critique ou le champ magnétique de coupure de Hull (et la tension de coupure), où les électrons atteignent juste l'anode. Aux champs autour de ce point, le dispositif fonctionne comme une triode. Cependant, le contrôle magnétique, en raison de l'hystérésis et d'autres effets, entraîne une réponse plus lente et moins fidèle au courant de contrôle que le contrôle électrostatique utilisant une grille de contrôle dans une triode conventionnelle (sans parler du poids et de la complexité plus importants), de sorte que les magnétrons ont eu une utilisation limitée dans les conceptions électroniques conventionnelles.

On a remarqué que lorsque le magnétron fonctionnait à la valeur critique, il émettait de l'énergie dans le spectre des fréquences radio . Cela se produit parce que quelques électrons, au lieu d'atteindre l'anode, continuent à tourner dans l'espace entre la cathode et l'anode. En raison d'un effet maintenant connu sous le nom de rayonnement cyclotron , ces électrons émettent de l'énergie de fréquence radio. Cet effet n'est pas très efficace. Finalement, les électrons frappent l'une des électrodes, de sorte que le nombre d'électrons en état de circulation à un moment donné représente un faible pourcentage du courant global. On a également remarqué que la fréquence du rayonnement dépend de la taille du tube, et même les premiers exemplaires ont été construits qui produisaient des signaux dans le régime des micro-ondes.

Les premiers systèmes à tubes conventionnels étaient limités aux bandes de haute fréquence et, bien que les systèmes à très haute fréquence soient devenus largement disponibles à la fin des années 1930, les bandes de fréquences ultra-élevées et micro-ondes dépassaient largement les capacités des circuits conventionnels. Le magnétron était l'un des rares appareils capables de générer des signaux dans la bande des micro-ondes et le seul capable de produire une puissance élevée à des longueurs d'onde centimétriques.

Le magnétron d'origine était très difficile à maintenir à la valeur critique, et même dans ce cas, le nombre d'électrons en état de rotation était relativement faible à tout moment. Cela signifiait qu'il produisait des signaux de très faible puissance. Néanmoins, comme il s'agissait de l'un des rares dispositifs connus pour créer des micro-ondes, l'intérêt pour cet appareil et ses améliorations potentielles était généralisé.

La première amélioration majeure fut le magnétron à anode divisée , également connu sous le nom de magnétron à résistance négative . Comme son nom l'indique, cette conception utilisait une anode divisée en deux, une à chaque extrémité du tube, créant ainsi deux demi-cylindres. Lorsque les deux étaient chargées à la même tension, le système fonctionnait comme le modèle original. Mais en modifiant légèrement la tension des deux plaques , la trajectoire des électrons pouvait être modifiée de sorte qu'ils se déplacent naturellement vers le côté à plus basse tension. Les plaques étaient connectées à un oscillateur qui inversait la tension relative des deux plaques à une fréquence donnée.

À tout instant, l'électron sera naturellement poussé vers le côté à basse tension du tube. L'électron oscillera alors d'avant en arrière à mesure que la tension changera. En même temps, un champ magnétique puissant est appliqué, plus fort que la valeur critique de la conception d'origine. Cela entraînerait normalement le retour de l'électron vers la cathode, mais en raison du champ électrique oscillant, l'électron suit plutôt un chemin en boucle qui continue vers les anodes.

Comme tous les électrons du flux subissaient ce mouvement en boucle, la quantité d'énergie RF rayonnée était grandement améliorée. Et comme le mouvement se produisait à n'importe quel niveau de champ au-delà de la valeur critique, il n'était plus nécessaire de régler soigneusement les champs et les tensions, et la stabilité globale du dispositif était grandement améliorée. Malheureusement, le champ plus élevé signifiait également que les électrons revenaient souvent vers la cathode, y déposant leur énergie et provoquant son échauffement. Comme cela entraîne normalement la libération de davantage d'électrons, cela pouvait parfois conduire à un effet d'emballement, endommageant le dispositif.

La grande avancée dans la conception des magnétrons a été le magnétron à cavité résonnante ou magnétron à résonance électronique , qui fonctionne sur des principes entièrement différents. Dans cette conception, l'oscillation est créée par la forme physique de l'anode, plutôt que par des circuits ou des champs externes.

Mécaniquement, le magnétron à cavité est constitué d'un grand cylindre solide en métal percé d'un trou au centre de la face circulaire. Un fil faisant office de cathode est acheminé au centre de ce trou, et le bloc métallique lui-même forme l'anode. Autour de ce trou, appelé « espace d'interaction », se trouvent un certain nombre de trous similaires (« résonateurs ») percés parallèlement à l'espace d'interaction, reliés à l'espace d'interaction par un court canal. Le bloc résultant ressemble au cylindre d'un revolver , avec un trou central un peu plus grand. Les premiers modèles étaient découpés à l'aide de gabarits pour pistolets Colt . En se rappelant que dans un circuit à courant alternatif, les électrons se déplacent le long de la surface , et non du noyau, du conducteur, les côtés parallèles de la fente agissent comme un condensateur tandis que les trous ronds forment un inducteur : un circuit LC en cuivre massif, dont la fréquence de résonance est entièrement définie par ses dimensions.

Le champ magnétique est réglé à une valeur bien inférieure à la valeur critique, de sorte que les électrons suivent des trajectoires courbes vers l'anode. Lorsqu'ils frappent l'anode, ils provoquent une charge négative dans cette région. Comme ce processus est aléatoire, certaines zones deviennent plus ou moins chargées que les zones qui les entourent. L'anode est constituée d'un matériau hautement conducteur, presque toujours du cuivre, de sorte que ces différences de tension font que les courants semblent les égaliser. Comme le courant doit circuler autour de l'extérieur de la cavité, ce processus prend du temps. Pendant ce temps, des électrons supplémentaires éviteront les points chauds et se déposeront plus loin le long de l'anode, car le courant supplémentaire qui circule autour d'elle arrive également. Cela provoque la formation d'un courant oscillant lorsque le courant essaie d'égaliser un point, puis un autre.

Les courants oscillants qui circulent autour des cavités et leur effet sur le flux d'électrons à l'intérieur du tube génèrent de grandes quantités d'énergie radiofréquence micro-onde dans les cavités. Les cavités sont ouvertes à une extrémité, de sorte que l'ensemble du mécanisme forme un seul oscillateur micro-onde plus grand. Un « robinet », normalement un fil formé en boucle, extrait l'énergie micro-onde de l'une des cavités. Dans certains systèmes, le fil du robinet est remplacé par un trou ouvert, qui permet aux micro-ondes de circuler dans un guide d'ondes .

Comme l'oscillation prend un certain temps à se mettre en place et est intrinsèquement aléatoire au début, les démarrages suivants auront des paramètres de sortie différents. La phase n'est presque jamais préservée, ce qui rend le magnétron difficile à utiliser dans les systèmes à réseau phasé . La fréquence dérive également d'une impulsion à l'autre, ce qui constitue un problème plus difficile pour un plus large éventail de systèmes radar. Aucun de ces problèmes ne présente de problème pour les radars à ondes continues , ni pour les fours à micro-ondes.

Tous les magnétrons à cavité sont constitués d'une cathode cylindrique chauffée à un potentiel négatif élevé (continu ou pulsé) créé par une alimentation électrique à courant continu haute tension. La cathode est placée au centre d'une chambre métallique circulaire à lobes sous vide . Les parois de la chambre constituent l'anode du tube. Un champ magnétique parallèle à l'axe de la cavité est imposé par un aimant permanent . Les électrons se déplacent initialement radialement vers l'extérieur de la cathode, attirés par le champ électrique des parois de l'anode. Le champ magnétique provoque la spirale des électrons vers l'extérieur selon une trajectoire circulaire, conséquence de la force de Lorentz . Des cavités cylindriques sont espacées autour du bord de la chambre. Des fentes sont découpées sur toute la longueur des cavités qui s'ouvrent dans l'espace central commun de la cavité. Lorsque les électrons passent devant ces fentes, ils induisent un champ radio haute fréquence dans chaque cavité résonante, ce qui à son tour provoque le regroupement des électrons en groupes. Une partie de l'énergie radiofréquence est extraite par une courte boucle de couplage reliée à un guide d'ondes (un tube métallique, généralement de section rectangulaire). Le guide d'ondes dirige l'énergie RF extraite vers la charge, qui peut être une chambre de cuisson dans un four à micro-ondes ou une antenne à gain élevé dans le cas d'un radar.

La taille des cavités détermine la fréquence de résonance et donc la fréquence des micro-ondes émises. Cependant, la fréquence n'est pas contrôlable avec précision. La fréquence de fonctionnement varie en fonction des variations de l' impédance de charge , du courant d'alimentation et de la température du tube. Cela ne pose pas de problème dans des applications telles que le chauffage ou dans certaines formes de radar où le récepteur peut être synchronisé avec une fréquence magnétron imprécise. Lorsque des fréquences précises sont nécessaires, d'autres dispositifs, tels que le klystron , sont utilisés.

Le magnétron est un dispositif auto-oscillant qui ne nécessite aucun élément externe autre qu'une alimentation électrique. Une tension anodique de seuil bien définie doit être appliquée avant que l'oscillation ne se produise ; cette tension est fonction des dimensions de la cavité résonante et du champ magnétique appliqué. Dans les applications pulsées, il y a un délai de plusieurs cycles avant que l'oscillateur n'atteigne sa pleine puissance de crête, et l'accumulation de la tension anodique doit être coordonnée avec l'accumulation de la sortie de l'oscillateur.

Dans les cavités en nombre pair, deux anneaux concentriques peuvent relier les parois alternées des cavités pour éviter les modes d'oscillation inefficaces. On parle alors de pi-strapping, car les deux anneaux bloquent la différence de phase entre les cavités adjacentes à π radians (180°).

Le magnétron moderne est un appareil assez efficace. Dans un four à micro-ondes, par exemple, une entrée de 1,1 kilowatt créera généralement environ 700 watts de puissance micro-ondes, soit une efficacité d'environ 65 %. (La haute tension et les propriétés de la cathode déterminent la puissance d'un magnétron.) Les grands magnétrons à bande S peuvent produire jusqu'à 2,5 mégawatts de puissance de crête avec une puissance moyenne de 3,75 kW. Certains grands magnétrons sont refroidis par eau. Le magnétron reste largement utilisé dans les rôles qui nécessitent une puissance élevée, mais où un contrôle précis de la fréquence et de la phase n'est pas important.

Dans un radar , le guide d'ondes du magnétron est relié à une antenne . Le magnétron fonctionne avec de très courtes impulsions de tension appliquée, ce qui produit une courte impulsion d'énergie micro-onde de haute puissance. Comme dans tous les systèmes radar primaires, le rayonnement réfléchi par une cible est analysé pour produire une carte radar sur un écran.

Plusieurs caractéristiques de la sortie du magnétron rendent l'utilisation du dispositif par radar quelque peu problématique. Le premier de ces facteurs est l'instabilité inhérente du magnétron dans sa fréquence d'émission. Cette instabilité entraîne non seulement des décalages de fréquence d'une impulsion à l'autre, mais également un décalage de fréquence au sein d'une impulsion transmise individuelle. Le deuxième facteur est que l'énergie de l'impulsion transmise est répartie sur un spectre de fréquence relativement large, ce qui nécessite que le récepteur ait une large bande passante correspondante. Cette large bande passante permet au bruit électrique ambiant d'être accepté par le récepteur, masquant ainsi quelque peu les échos radar faibles, réduisant ainsi le rapport signal/bruit global du récepteur et donc les performances. Le troisième facteur, selon l'application, est le risque de rayonnement causé par l'utilisation de rayonnement électromagnétique de forte puissance. Dans certaines applications, par exemple, un radar marin monté sur un navire de plaisance, un radar avec une sortie magnétron de 2 à 4 kilowatts est souvent installé très près d'une zone occupée par l'équipage ou les passagers. Dans la pratique, ces facteurs ont été surmontés, ou simplement acceptés, et il existe aujourd'hui des milliers d'unités radar magnétron pour l'aviation et la marine en service. Les progrès récents dans le domaine des radars anti-intempéries pour l'aviation et dans le domaine des radars marins ont permis de remplacer avec succès le magnétron par des oscillateurs à semi-conducteurs micro-ondes , qui ont une plage de fréquences de sortie plus étroite. Ceux-ci permettent d'utiliser une bande passante de réception plus étroite et le rapport signal/bruit plus élevé permet à son tour une puissance d'émission plus faible, réduisant ainsi l'exposition aux champs électromagnétiques.

Dans les fours à micro-ondes , le guide d'ondes mène à un port transparent aux radiofréquences dans la chambre de cuisson. Comme les dimensions fixes de la chambre et sa proximité physique avec le magnétron créent normalement des modèles d'ondes stationnaires dans la chambre, le modèle est randomisé par un agitateur motorisé en mode ventilateur dans le guide d'ondes (plus souvent dans les fours commerciaux), ou par un plateau tournant qui fait tourner les aliments (le plus courant dans les fours grand public). Un exemple précoce de cette application a été lorsque des scientifiques britanniques en 1954 ont utilisé un four à micro-ondes pour ressusciter des hamsters cryogéniquement congelés .

Dans les systèmes d'éclairage à excitation micro-ondes, comme une lampe à soufre , un magnétron fournit le champ micro-ondes qui traverse un guide d'ondes jusqu'à la cavité d'éclairage contenant la substance électroluminescente (par exemple, du soufre , des halogénures métalliques , etc.). Bien qu'efficaces, ces lampes sont beaucoup plus complexes que d'autres méthodes d'éclairage et ne sont donc pas couramment utilisées. Des variantes plus modernes utilisent des HEMT ou des dispositifs semi-conducteurs de puissance GaN-on-SiC au lieu de magnétrons pour générer les micro-ondes, qui sont sensiblement moins complexes et peuvent être ajustés pour maximiser le rendement lumineux à l'aide d'un contrôleur PID .

En 1910, Hans Gerdien (1877–1951) de la société Siemens a inventé un magnétron. En 1912, le physicien suisse Heinrich Greinacher cherchait de nouvelles façons de calculer la masse des électrons . Il s'est arrêté sur un système composé d'une diode avec une anode cylindrique entourant une cathode en forme de tige, placée au milieu d'un aimant. La tentative de mesure de la masse des électrons a échoué car il n'a pas pu obtenir un bon vide dans le tube. Cependant, dans le cadre de ces travaux, Greinacher a développé des modèles mathématiques du mouvement des électrons dans les champs magnétiques et électriques croisés.

Aux États-Unis, Albert Hull a utilisé ces travaux pour tenter de contourner les brevets de Western Electric sur la triode. Western Electric avait pris le contrôle de cette conception en achetant les brevets de Lee De Forest sur le contrôle du flux de courant à l'aide de champs électriques via la « grille ». Hull avait l'intention d'utiliser un champ magnétique variable, au lieu d'un champ électrostatique, pour contrôler le flux d'électrons de la cathode à l'anode. Travaillant aux laboratoires de recherche de General Electric à Schenectady, New York , Hull a construit des tubes qui permettaient la commutation grâce au contrôle du rapport entre les intensités des champs magnétique et électrique. Il a publié plusieurs articles et brevets sur le concept en 1921.

À l'origine, le magnétron de Hull n'était pas destiné à générer des ondes électromagnétiques VHF (très haute fréquence). Cependant, en 1924, le physicien tchèque August Žáček (1886–1961) et le physicien allemand Erich Habann (1892–1968) ont découvert indépendamment que le magnétron pouvait générer des ondes de 100 mégahertz à 1 gigahertz. Žáček, professeur à l'université Charles de Prague , a publié le premier ; cependant, il a publié dans une revue à faible diffusion et a donc attiré peu d'attention. Habann, étudiant à l' université d'Iéna , a étudié le magnétron pour sa thèse de doctorat de 1924. Tout au long des années 1920, Hull et d'autres chercheurs du monde entier ont travaillé au développement du magnétron. La plupart de ces premiers magnétrons étaient des tubes à vide en verre à anodes multiples. Cependant, le magnétron à deux pôles, également connu sous le nom de magnétron à anodes séparées, avait une efficacité relativement faible.

Alors que le radar était en cours de développement pendant la Seconde Guerre mondiale , il y eut un besoin urgent d'un générateur de micro-ondes de haute puissance fonctionnant à des longueurs d'onde plus courtes , autour de 10 cm (3 GHz), plutôt que les 50 à 150 cm (200 MHz) disponibles pour les générateurs à tubes de l'époque. On savait qu'un magnétron résonant à cavités multiples avait été développé et breveté en 1935 par Hans Hollmann à Berlin . Cependant, l'armée allemande considérait que la dérive de fréquence du dispositif de Hollmann n'était pas souhaitable et basa ses systèmes radar sur le klystron à la place. Mais les klystrons ne pouvaient pas à cette époque atteindre la puissance de sortie élevée que les magnétrons ont finalement atteinte. C'était l'une des raisons pour lesquelles les radars de chasse nocturne allemands , qui ne s'éloignaient jamais au-delà de la bande UHF basse pour les avions de première ligne, n'étaient pas à la hauteur de leurs homologues britanniques. De même, au Royaume-Uni, Albert Beaumont Wood a proposé en 1937 un système avec « six ou huit petits trous » percés dans un bloc de métal, qui ne différait des modèles de production ultérieurs que par l'aspect de l'étanchéité sous vide. Cependant, son idée a été rejetée par la Marine, qui a déclaré que son département des valves était bien trop occupé pour l'envisager.

En 1940, à l' université de Birmingham au Royaume-Uni, John Randall et Harry Boot ont produit un prototype fonctionnel d'un magnétron à cavité produisant environ 400 W. En une semaine, cette puissance était passée à 1 kW, et dans les mois suivants, avec l'ajout d'un refroidissement par eau et de nombreux changements de détails, elle était passée à 10 puis 25 kW. Pour faire face à sa fréquence de dérive, ils ont échantillonné le signal de sortie et synchronisé leur récepteur sur la fréquence réellement générée. En 1941, le problème de l'instabilité de fréquence a été résolu par James Sayers en couplant (« strapping ») des cavités alternées dans le magnétron, ce qui a réduit l'instabilité d'un facteur 5 à 6. (Pour un aperçu des premières conceptions de magnétron, y compris celle de Boot et Randall, voir .)

En août 1940, le GEC de Wembley fabriqua 12 prototypes de magnétrons à cavité et le n° 12 fut envoyé en Amérique avec Bowen lors de la mission Tizard , où il fut présenté le 19 septembre 1940 dans l'appartement d'Alfred Loomis. Le comité américain des micro-ondes de la NDRC fut stupéfait du niveau de puissance produit. Cependant, le directeur des Bell Labs fut contrarié lorsqu'il fut radiographié et qu'il comportait huit trous au lieu des six trous indiqués sur les plans du GEC. Après avoir contacté (via le câble transatlantique) le Dr Eric Megaw, l'expert en tubes à vide du GEC, Megaw se rappela que lorsqu'il avait demandé 12 prototypes, il avait dit d'en faire 10 avec 6 trous, un avec 7 et un avec 8 ; il n'y avait pas eu le temps de modifier les dessins. Et le n° 12 avec 8 trous fut choisi pour la mission Tizard. Les Bell Labs décidèrent donc de copier l'échantillon ; et alors que les premiers magnétrons britanniques avaient six cavités, les américains en avaient huit.

Selon Andy Manning du RAF Air Defence Radar Museum , la découverte de Randall et Boot a été « une avancée massive, massive » et « considérée par beaucoup, même maintenant [2007], comme l'invention la plus importante issue de la Seconde Guerre mondiale », tandis que le professeur d'histoire militaire à l' Université de Victoria en Colombie-Britannique, David Zimmerman, déclare :

Le magnétron reste le tube radio essentiel pour les signaux radio à ondes courtes de tous types. Il a non seulement changé le cours de la guerre en nous permettant de développer des systèmes radar aéroportés, mais il reste la pièce maîtresse de la technologie qui se trouve au cœur de votre four à micro-ondes actuel. L'invention du magnétron à cavité a changé le monde.

Comme la France venait de tomber aux mains des nazis et que la Grande-Bretagne n'avait pas d'argent pour développer le magnétron à grande échelle, Winston Churchill accepta que Sir Henry Tizard offre le magnétron aux Américains en échange de leur aide financière et industrielle. Une première version de 10 kW, construite en Angleterre par les laboratoires de recherche de la General Electric Company à Wembley , à Londres , fut emmenée par la mission Tizard en septembre 1940. Alors que la discussion se tournait vers le radar, les représentants de la marine américaine commencèrent à détailler les problèmes de leurs systèmes à courte longueur d'onde, se plaignant que leurs klystrons ne pouvaient produire que 10 W. D'un geste théâtral, « Taffy » Bowen sortit un magnétron et expliqua qu'il produisait 1 000 fois plus.

Les laboratoires Bell Telephone s'inspirent de cet exemple et commencent rapidement à en faire des copies. Avant la fin de l'année 1940, le laboratoire de radiations est installé sur le campus du Massachusetts Institute of Technology pour développer différents types de radars utilisant le magnétron. Au début de l'année 1941, des radars centimétriques portables aéroportés sont testés dans des avions américains et britanniques. À la fin de l'année 1941, le Telecommunications Research Establishment du Royaume-Uni utilise le magnétron pour développer un radar aéroporté révolutionnaire de cartographie au sol, nommé H2S. Le radar H2S a été en partie développé par Alan Blumlein et Bernard Lovell .

Le magnétron à cavité a été largement utilisé pendant la Seconde Guerre mondiale dans les équipements radar à micro-ondes et est souvent crédité d'avoir donné aux radars alliés un avantage considérable en termes de performances par rapport aux radars allemands et japonais , influençant ainsi directement l'issue de la guerre. Il a été plus tard décrit par l'historien américain James Phinney Baxter III comme « la cargaison la plus précieuse jamais amenée sur nos côtes ».

Le radar centimétrique, rendu possible par le magnétron à cavité, permettait de détecter des objets beaucoup plus petits et d'utiliser des antennes beaucoup plus petites. La combinaison de magnétrons à petite cavité, de petites antennes et d'une haute résolution permettait d'installer des radars de petite taille et de haute qualité dans les avions. Ils pouvaient être utilisés par les avions de patrouille maritime pour détecter des objets aussi petits qu'un périscope de sous-marin, ce qui permettait aux avions d'attaquer et de détruire des sous-marins immergés qui étaient auparavant indétectables depuis les airs. Les radars de cartographie des contours centimétriques comme le H2S améliorèrent la précision des bombardiers alliés utilisés dans la campagne de bombardement stratégique , malgré l'existence du dispositif allemand FuG 350 Naxos pour le détecter spécifiquement. Les radars de pointage de canons centimétriques étaient également beaucoup plus précis que l'ancienne technologie. Ils rendaient les cuirassés alliés à gros canons plus meurtriers et, avec la fusée de proximité nouvellement développée , rendaient les canons antiaériens beaucoup plus dangereux pour les avions d'attaque. Couplés ensemble et utilisés par les batteries anti-aériennes, placés le long de la trajectoire de vol des bombes volantes allemandes V-1 en route vers Londres , ils sont crédités d'avoir détruit de nombreuses bombes volantes avant qu'elles n'atteignent leur cible.

Depuis lors, des millions de magnétrons à cavité ont été fabriqués ; si certains étaient destinés aux radars, la grande majorité l'étaient aux fours à micro-ondes . Leur utilisation dans le radar lui-même a diminué dans une certaine mesure, car des signaux plus précis ont été généralement nécessaires et les développeurs se sont tournés vers des systèmes à klystron et à tube à ondes progressives pour répondre à ces besoins.

Au moins un risque en particulier est bien connu et documenté. Comme le cristallin de l' œil ne dispose pas de flux sanguin de refroidissement, il est particulièrement sujet à la surchauffe lorsqu'il est exposé au rayonnement micro-ondes. Cet échauffement peut à son tour entraîner une incidence plus élevée de cataractes plus tard dans la vie.

Il existe également un risque électrique considérable autour des magnétrons, car ils nécessitent une alimentation haute tension.

La plupart des magnétrons contiennent une petite quantité d' oxyde de béryllium et du thorium mélangé à du tungstène dans leur filament . Les exceptions sont les magnétrons de plus grande puissance qui fonctionnent au-dessus d'environ 10 000 volts où le bombardement d'ions positifs devient dommageable pour le métal thorium, d'où l'utilisation de tungstène pur (dopé au potassium). Bien que le thorium soit un métal radioactif, le risque de cancer est faible car il ne se propage jamais dans l'air lors d'une utilisation normale. Ce n'est que si le filament est retiré du magnétron, finement broyé et inhalé qu'il peut présenter un danger pour la santé.