Hvad er en Gyrotron?
En gyrotron er en form for elektronrør eller vakuumrør, der ofte omtales som en cyclotronresonansmaskine på grund af det faktum, at en af dets hyppigste anvendelser er inden for højenergifysikforskning i cyclotroner. Fordelen, som en gyrotron tilbyder, er, at den kan generere enorme mængder radiofrekvens (RF) energi i megawattområdet ved meget små bølgelængder på kun et par millimeter, hvilket ikke er muligt for standard vakuumrør. Processen kan generere en enorm mængde varme, som kan bruges til sintring af keramik eller opvarmning af plasma i fusionsforskningsreaktorer. Gyrotroner anvendes også direkte i nukleær magnetisk resonans (NMR) til billeddannelse af kvantemekaniske effekter på atomniveauet eller i magnetisk resonansmikroskopi (MRI) til medicinske diagnoser.
Princippet bag, hvordan en gyrotron fungerer, blev først teoretisk sammensat i slutningen af 1950'erne, hvor relativistiske effekter af elektronenergi blev undersøgt i cyclotron for første gang. Ved at injicere strømme af elektroner i det elektromagnetiske felt af en cyclotron med en samme frekvens blev der observeret en effekt kendt som negativ masseinstabilitet. Elektronstrømmen har en tendens til at samles sammen fra en standard gyroradius- eller Larmor-radius, hvilket får elektroner til at retardere og frigive kinetisk energi i processen som millimeter bølgelængde radiofrekvensenergi eller stråling.
Tidlige elektroncyklotronresonansenergier demonstrerede potentialet til at varme plasmaer i fusionsforskning, men teknologien og den videnskabelige forståelse for at skabe et gyrotronsystem, der var pålideligt i stand til dette, blev ikke en moden videnskab før det første årti af det 21. århundrede. Da videnskaben og teknologien er avanceret, gyrotron-applikationer opdelt i højenergi-megawatt-systemer til fusionsundersøgelser og lavenergi 10- til 1.000-watt-systemer til NMR-spektroskopi. Når enhederne producerer terahertz-stråling i området 100 gigahertz til 1 terahertz, bruges de i industrielle applikationer, såsom plasmadiagnostik og høj temperaturopvarmning af keramiske forbindelser. Forskning i Japan har også øget effektiviteten af mellemområdet til højeffektive gyrotron-enheder med 50% fra 1994 ved at bruge en integreret tilstandskonverter til mere effektivt at konvertere elektronstrålenergi til varme.
Da en gyrotron er en form for mikrobølgeforstærkning ved hjælp af stimuleret emission af stråling (MASER) eller fri elektronlaser, der genererer elektromagnetiske felter, har den en vis lighed med princippet bag, hvordan en standard mikrobølgeovn fungerer. En bærbar gyrotron kan betjenes i en række frekvenser typisk fra 2 til 235 gigahertz, og dette gør dem til nyttige enheder til ikke-dødelige våbensystemer, som det amerikanske militær refererer til som Active Denial System (ADS) -teknologi. En ADS-enhed, der er baseret på en gyrotron, kan målrettes mod mennesker med den virkning, at den opvarmer vandmolekyler under huden uden at forårsage permanent skade på væv. Dette fungerer som et afskrækkende felt, der har teoretiske anvendelser inden for crowd control for at forhindre oprør, eller for at forhindre fjendtlige soldater eller civile i at nærme sig militære installationer og nedlagte fly.