Was ist ein Gyrotron?
Ein Gyrotron ist eine Form von Elektronenröhre oder Vakuumröhre, die oft als Zyklotronresonanz-Maser bezeichnet wird, da sie in der Hochenergieforschung in Zyklotrons am häufigsten eingesetzt wird. Der Vorteil, den ein Gyrotron bietet, besteht darin, dass es bei sehr kleinen Wellenlängen von nur wenigen Millimetern enorme Mengen an Hochfrequenzenergie (RF) im Megawattbereich erzeugen kann, was bei Standard-Vakuumröhren nicht möglich ist. Das Verfahren kann eine enorme Wärmemenge erzeugen, die zum Sintern von Keramik oder zum Erhitzen von Plasma in Fusionsforschungsreaktoren verwendet werden kann. Gyrotrons werden auch direkt in der Kernspinresonanztomographie (NMR) zur Beobachtung quantenmechanischer Effekte auf atomarer Ebene oder in der Magnetresonanzmikroskopie (MRT) für medizinische Diagnosen eingesetzt.
Das Prinzip der Funktionsweise eines Gyrotrons wurde erstmals in den späten 1950er Jahren theoretisch aufgestellt, als zum ersten Mal relativistische Effekte der Elektronenenergie in Zyklotrons untersucht wurden. Indem Elektronenströme mit gleicher Frequenz in das elektromagnetische Feld eines Zyklotrons injiziert wurden, wurde ein Effekt beobachtet, der als negative Masseninstabilität bekannt ist. Der Elektronenstrom würde dazu neigen, sich aus einem Standard-Gyroradius oder Larmor-Radius zusammenzuschließen, was dazu führt, dass sich die Elektronen verlangsamen und kinetische Energie in Form von Hochfrequenzenergie oder Strahlung mit Millimeterwellenlänge abgeben.
Frühe Elektronenzyklotronresonanzenergien zeigten das Potenzial, Plasmen in der Fusionsforschung zu erhitzen, aber die Technologie und das wissenschaftliche Verständnis, ein Gyrotron-System zu schaffen, das dies zuverlässig beherrschte, wurde erst im ersten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts zu einer ausgereiften Wissenschaft. Mit fortschreitender Wissenschaft und Technologie wurden Gyrotron-Anwendungen in energiereiche Megawatt-Systeme für die Fusionsforschung und energiearme 10- bis 1000-Watt-Systeme für die NMR-Spektroskopie aufgeteilt. Wenn die Geräte Terahertz-Strahlung im Bereich von 100 Gigahertz bis 1 Terahertz erzeugen, werden sie in industriellen Anwendungen wie der Plasmadiagnose und der Hochtemperaturheizung von Keramikverbindungen eingesetzt. Die Forschung in Japan hat außerdem den Wirkungsgrad von Gyrotron-Bauteilen mittlerer bis hoher Leistung ab 1994 um 50% gesteigert, indem ein integrierter Modenwandler zur effizienteren Umwandlung von Elektronenstrahlenergie in Wärme verwendet wurde.
Da ein Gyrotron eine Form der Mikrowellenverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission (MASER) oder eines Lasers mit freien Elektronen ist, der elektromagnetische Felder erzeugt, ähnelt es in gewisser Weise dem Prinzip, nach dem ein Standard-Mikrowellenofen arbeitet. Ein tragbares Gyrotron kann in einem Frequenzbereich von typischerweise 2 bis 235 Gigahertz betrieben werden. Dies macht es zu nützlichen Geräten für nicht tödliche Waffensysteme, die vom US-Militär als Active Denial System (ADS) -Technologie bezeichnet werden. Ein auf einem Gyrotron basierendes ADS-Gerät kann gezielt gegen den Menschen eingesetzt werden, um Wassermoleküle unter der Haut zu erwärmen, ohne das Gewebe dauerhaft zu schädigen. Dies ist ein abschreckendes Feld, das theoretische Anwendungen in der Massenkontrolle hat, um Aufstände zu verhindern oder um feindliche Soldaten oder Zivilisten davon abzuhalten, sich militärischen Anlagen zu nähern und Flugzeuge zu zerstören.