Hva er en Gyrotron?

En gyrotron er en form for elektronrør eller vakuumrør som ofte blir referert til som en syklotronresonansmaskin på grunn av det faktum at en av dets hyppigste bruksområder er innen høyenergifysikkforskning i syklotroner. Fordelen som en gyrotron tilbyr er at den kan generere enorme mengder radiofrekvens (RF) energi i megawattområdet ved veldig små bølgelengder på bare noen få millimeter, noe som ikke er mulig for standard vakuumrør. Prosessen kan generere en enorm mengde varme, som kan brukes til å sintere keramikk eller varme opp plasma i fusjonsforskningsreaktorer. Gyrotroner er også direkte anvendt i avbildning av kjernemagnetisk resonans (NMR) for å observere kvantemekaniske effekter på atomnivå eller i magnetisk resonansmikroskopi (MRI) for medisinske diagnoser.

Prinsippet bak hvordan en gyrotron fungerer ble teoretisk først sammensatt på slutten av 1950-tallet, da relativistiske effekter av elektronenergi ble studert i syklotroner for første gang. Ved å injisere strømmer av elektroner i det elektromagnetiske feltet til en syklotron med samme frekvens, ble en effekt kjent som negativ massestabilitet observert. Elektronstrømmen vil ha en tendens til å binde seg sammen fra en standard gyroradius- eller Larmor-radius, noe som får elektronene til å retardere og frigjøre kinetisk energi i prosessen som millimeter bølgelengde radiofrekvensenergi eller -stråling.

Tidlige elektroniske syklotronresonansenergier demonstrerte potensialet til å varme plasmaer i fusjonsforskning, men teknologien og vitenskapelig forståelse for å skape et gyrotronsystem som var pålitelig i stand til dette, ble ikke en moden vitenskap før det første tiåret av det 21. århundre. Etter hvert som vitenskapen og teknologien avanserte, delte gyrotron-applikasjoner seg i høyenergi-megawatt-systemer for fusjonsforskning, og lavenergi 10- til 1000-watts systemer for NMR-spektroskopi. Der enhetene produserer terahertz-stråling i området 100 gigahertz til 1 terahertz, brukes de i industrielle applikasjoner som plasmadiagnostikk og høy temperaturoppvarming av keramiske forbindelser. Forskning i Japan har også økt effektiviteten av mellomtoner til høykraftige gyrotronenheter med 50% fra 1994 ved å bruke en integrert moduskonverter for å effektivisere konvertering av elektronstråleenergi til varme.

Siden en gyrotron er en form for mikrobølgeovnforsterkning ved stimulert emisjon av stråling (MASER) -apparat eller gratis elektronlaser som genererer elektromagnetiske felt, har den en viss likhet med prinsippet bak hvordan en standard mikrobølgeovn fungerer. En bærbar gyrotron kan betjenes i en rekke frekvenser som vanligvis er fra 2 til 235 gigahertz, og dette gjør dem til nyttige enheter for ikke-dødelige våpensystemer som det amerikanske militæret omtaler som Active Denial System (ADS) -teknologi. En ADS-enhet basert på en gyrotron kan målrettes mot mennesker med den effekten at den varmer opp vannmolekyler under huden uten å forårsake permanent skade på vevet. Dette fungerer som et avskrekkende felt som har teoretiske bruksområder i mengdekontroll for å forhindre opptøyer, eller for å hindre fiendens soldater eller sivile i å nærme seg militære installasjoner og nedlagte fly.