Che cos'è un girotrone?

Un girotrone è una forma di tubo elettronico o tubo a vuoto che viene spesso indicato come un maser di risonanza ciclotronica a causa del fatto che uno dei suoi usi più frequenti è nella ricerca fisica ad alta energia nei ciclotroni. Il vantaggio che offre un girotrone è che può generare enormi quantità di energia in radiofrequenza (RF) nella gamma dei megawatt a lunghezze d'onda molto ridotte di pochi millimetri, il che non è possibile per i tubi a vuoto standard. Il processo può generare un'enorme quantità di calore, che può essere utilizzato per sinterizzare la ceramica o riscaldare il plasma nei reattori di ricerca sulla fusione. I girotroni sono anche impiegati direttamente nell'imaging a risonanza magnetica nucleare (NMR) per osservare effetti meccanici quantistici a livello atomico o nella microscopia a risonanza magnetica (MRI) per diagnosi mediche.

Il principio alla base del funzionamento di un girotrone fu teoricamente composto per la prima volta alla fine degli anni '50, quando gli effetti relativistici dell'energia elettronica venivano studiati nei ciclotroni per la prima volta. Iniettando flussi di elettroni nel campo elettromagnetico di un ciclotrone con una frequenza uguale, è stato osservato un effetto noto come instabilità di massa negativa. Il flusso di elettroni tende a raggrupparsi a partire da un raggio di giroradi o di Larmor standard, causando la decelerazione degli elettroni e il rilascio di energia cinetica nel processo sotto forma di energia a radiofrequenza o radiazione di lunghezza d'onda millimetrica.

Le prime energie di risonanza del ciclotrone elettronico hanno dimostrato il potenziale per riscaldare i plasmi nella ricerca sulla fusione, ma la tecnologia e la comprensione scientifica per creare un sistema girotronico che era in grado di farlo in modo affidabile non è diventata una scienza matura fino al primo decennio del 21 ° secolo. Con l'avanzare della scienza e della tecnologia, le applicazioni del girotrone si sono divise in sistemi megawatt ad alta energia per la ricerca sulla fusione e sistemi a bassa energia da 10 a 1.000 watt per la spettroscopia NMR. Laddove i dispositivi producono radiazioni terahertz nella gamma da 100 gigahertz a 1 terahertz, vengono utilizzati in applicazioni industriali come la diagnostica al plasma e il riscaldamento ad alta temperatura di composti ceramici. La ricerca in Giappone ha inoltre aumentato del 50% l'efficienza dei dispositivi da girotrone di fascia media ad alta potenza a partire dal 1994 utilizzando un convertitore di modalità integrato per convertire in modo più efficiente l'energia del fascio di elettroni in calore.

Poiché un girotrone è una forma di amplificazione a microonde mediante dispositivo MASER (Stimulated Emission of Radiation) o laser a elettroni liberi che genera campi elettromagnetici, ha una certa somiglianza con il principio alla base del funzionamento di un forno a microonde standard. Un girotrone portatile può essere utilizzato in una gamma di frequenze in genere da 2 a 235 gigahertz, e questo li rende dispositivi utili per sistemi di armi non letali che l'esercito americano chiama tecnologia Active Denial System (ADS). Un dispositivo ADS basato su un girotrone può essere mirato contro gli esseri umani con l'effetto di riscaldare molecole d'acqua sotto la pelle senza causare danni permanenti ai tessuti. Questo agisce come un campo dissuasivo che ha applicazioni teoriche nel controllo della folla per prevenire rivolte o per impedire a soldati o civili nemici di avvicinarsi a installazioni militari e aerei abbattuti.