Wat is een Gyrotron?

Een gyrotron is een vorm van elektronenbuis of vacuümbuis die vaak wordt aangeduid als een cyclotronresonantie maser vanwege het feit dat een van de meest voorkomende toepassingen ervan is bij hoogenergetisch fysisch onderzoek in cyclotrons. Het voordeel dat een gyrotron biedt, is dat het enorme hoeveelheden radiofrequentie (RF) energie kan genereren in het megawattbereik bij zeer kleine golflengten van slechts enkele millimeters, wat niet mogelijk is voor standaard vacuümbuizen. Het proces kan een enorme hoeveelheid warmte genereren, die kan worden gebruikt om keramiek of plasma in fusie-onderzoeksreactoren te sinteren. Gyrotrons worden ook direct gebruikt in nucleaire magnetische resonantie (NMR) beeldvorming voor het waarnemen van kwantummechanische effecten op atomair niveau of in magnetische resonantiemicroscopie (MRI) voor medische diagnoses.

Het principe achter hoe een gyrotron functioneert, werd voor het eerst theoretisch gecomponeerd in de late jaren 1950, toen voor het eerst relativistische effecten van elektronenenergie in cyclotrons werden bestudeerd. Door elektronenstromen met een gelijke frequentie in het elektromagnetische veld van een cyclotron te injecteren, werd een effect dat bekend staat als negatieve massa-instabiliteit waargenomen. De elektronenstroom zou de neiging hebben om samen te bundelen van een standaard gyroradius of Larmor-straal, waardoor de elektronen vertragen en kinetische energie afgeven in het proces als millimeter golflengte radiofrequentie-energie of straling.

Vroege elektronencyclotronresonantie-energieën toonden het potentieel om plasma's te verwarmen in fusieonderzoek, maar de technologie en wetenschappelijk inzicht om een ​​gyrotron-systeem te creëren dat hiertoe betrouwbaar in staat was, werd pas in het eerste decennium van de ^21e eeuw een volwassen wetenschap. Naarmate de wetenschap en technologie zich verder ontwikkelden, splitsten gyrotron-toepassingen zich op in energierijke megawatt-systemen voor fusieonderzoek en energierijke 10- tot 1000-wattsystemen voor NMR-spectroscopie. Waar de apparaten terahertz-straling produceren in het bereik van 100 gigahertz tot 1 terahertz, worden ze gebruikt in industriële toepassingen zoals plasmadiagnostiek en verwarming van keramische verbindingen op hoge temperatuur. Onderzoek in Japan heeft de efficiëntie van mid-range tot high-power gyrotron-apparaten vanaf 1994 ook met 50% verhoogd door een geïntegreerde modusomzetter te gebruiken om elektronenstraalenergie efficiënter om te zetten in warmte.

Aangezien een gyrotron een vorm is van een magnetronversterking door een MASER-apparaat (Stimulated Emission of Radiation) of een vrije elektronenlaser die elektromagnetische velden genereert, heeft het enige gelijkenis met het principe achter hoe een standaard magnetron werkt. Een draagbare gyrotron kan worden gebruikt in een bereik van frequenties, meestal van 2 tot 235 gigahertz, en dit maakt ze handige apparaten voor niet-dodelijke wapensystemen die door het Amerikaanse leger worden aangeduid als Active Denial System (ADS) -technologie. Een ADS-apparaat op basis van een gyrotron kan tegen mensen worden gericht met het effect dat het watermoleculen onder de huid verwarmt zonder permanente schade aan het weefsel te veroorzaken. Dit fungeert als een afschrikkingsveld dat theoretische toepassingen heeft in crowd control om rellen te voorkomen of om te voorkomen dat vijandelijke soldaten of burgers militaire installaties en neergestorte vliegtuigen naderen.