Qu'est-ce qu'un gyrotron?
Un gyrotron est une forme de tube électronique ou de tube à vide souvent désigné par le terme «maser à résonance cyclotron» en raison du fait que l'une de ses utilisations les plus fréquentes est la recherche en physique des hautes énergies dans les cyclotrons. L'avantage d'un gyrotron est qu'il peut générer d'énormes quantités d'énergie radiofréquence (RF) dans la gamme des mégawatts à de très petites longueurs d'onde de quelques millimètres seulement, ce qui n'est pas possible pour les tubes à vide standard. Le processus peut générer une énorme quantité de chaleur, qui peut être utilisée pour fritter des céramiques ou chauffer du plasma dans des réacteurs de recherche en fusion. Les gyrotrons sont également directement utilisés en imagerie par résonance magnétique nucléaire (RMN) pour observer les effets de la mécanique quantique au niveau atomique ou en microscopie à résonance magnétique (IRM) pour les diagnostics médicaux.
Le principe de fonctionnement d'un gyrotron a été théoriquement composé pour la première fois à la fin des années 50, alors que les effets relativistes de l'énergie électronique étaient étudiés pour la première fois dans des cyclotrons. En injectant des flux d'électrons dans le champ électromagnétique d'un cyclotron avec une fréquence égale, un effet connu sous le nom d'instabilité de masse négative a été observé. Le flux d'électrons aurait tendance à se regrouper à partir d'un rayon de gyroradius ou de Larmor standard, entraînant une décélération des électrons et une libération d'énergie cinétique sous la forme d'une énergie ou d'un rayonnement radioélectrique de longueur d'onde millimétrique.
Les premières énergies de résonance cyclotron électronique ont démontré le potentiel de chauffage des plasmas dans la recherche sur la fusion, mais la technologie et les connaissances scientifiques permettant de créer un système de gyrotron capable de le faire de manière fiable ne sont devenues une science mature que jusqu'à la première décennie du 21 e siècle. À mesure que la science et la technologie évoluaient, les applications du gyrotron se divisaient en systèmes de mégawatts à haute énergie pour la recherche sur la fusion et en systèmes à basse énergie de 10 à 1 000 watts pour la spectroscopie RMN. Lorsque les appareils produisent un rayonnement térahertz dans la plage de 100 gigahertz à 1 térahertz, ils sont utilisés dans des applications industrielles telles que le diagnostic par plasma et le chauffage à haute température de composés céramiques. Au Japon, des recherches ont également augmenté de 50% l'efficacité du gyrotron de moyenne à grande puissance à partir de 1994 en utilisant un convertisseur de mode intégré pour convertir plus efficacement l'énergie du faisceau d'électrons en chaleur.
Étant donné qu'un gyrotron est une forme d'amplification hyperfréquence par émission de rayonnement stimulée (MASER) ou de laser à électrons libres générant des champs électromagnétiques, il présente certaines similitudes avec le principe de fonctionnement d'un four à micro-ondes standard. Un gyrotron portable peut être utilisé dans une gamme de fréquences allant généralement de 2 à 235 gigahertz, ce qui en fait des dispositifs utiles pour les systèmes d’armes non létaux, que l’armée américaine qualifie de technologie ADS (Active Denial System). Un dispositif ADS basé sur un gyrotron peut être ciblé sur les êtres humains avec pour effet de réchauffer les molécules d'eau sous la peau sans causer de dommages permanents aux tissus. Il s’agit d’un champ de dissuasion ayant des applications théoriques dans le contrôle des foules afin d’empêcher les émeutes ou d’empêcher les soldats ou les civils ennemis de s’approcher des installations militaires et des avions abattus.