Что такое гиротрон?

Гиротрон представляет собой форму электронной трубки или вакуумной трубки, которую часто называют мазером циклотронного резонанса из-за того факта, что одним из его наиболее частых применений является исследование физики высоких энергий в циклотронах. Преимущество, которое предлагает гиротрон, состоит в том, что он может генерировать огромное количество радиочастотной (РЧ) энергии в мегаваттном диапазоне на очень малых длинах волн, составляющих всего несколько миллиметров, что невозможно для стандартных вакуумных трубок. Процесс может генерировать огромное количество тепла, которое может быть использовано для спекания керамики или нагрева плазмы в исследовательских реакторах синтеза. Гиротроны также непосредственно используются в ядерно-магнитно-резонансной томографии (ЯМР) для наблюдения квантово-механических эффектов на атомном уровне или в магнитно-резонансной микроскопии (МРТ) для медицинской диагностики.

Принцип, по которому гиротронные функции впервые были теоретически составлены в конце 1950-х годов, когда впервые в циклотронах изучались релятивистские эффекты энергии электронов. При инжекции потоков электронов в электромагнитное поле циклотрона с одинаковой частотой наблюдался эффект, известный как отрицательная нестабильность массы. Электронный поток имеет тенденцию собираться вместе из стандартного радиуса гирорадиуса или ларморовского радиуса, заставляя электроны замедляться и высвобождать кинетическую энергию в процессе в виде радиочастотной энергии или излучения миллиметровой длины волны.

Ранние энергии электронного циклотронного резонанса продемонстрировали потенциал для нагрева плазмы в исследованиях термоядерного синтеза, но технология и научное понимание для создания гиротронной системы, которая была бы способна на это надежно, не стали зрелой наукой до первого десятилетия 21- ^го века. По мере развития науки и техники гиротронные системы делятся на высокоэнергетические мегаваттные системы для исследований термоядерного синтеза и низкоэнергетические системы мощностью от 10 до 1000 Вт для ЯМР-спектроскопии. Там, где устройства вырабатывают терагерцовое излучение в диапазоне от 100 гигагерц до 1 терагерца, они используются в промышленных приложениях, таких как диагностика плазмы и высокотемпературный нагрев керамических соединений. Исследования в Японии также увеличили эффективность гиротронных устройств средней и высокой мощности на 50% по сравнению с 1994 годом благодаря использованию встроенного преобразователя мод для более эффективного преобразования энергии электронного пучка в тепло.

Поскольку гиротрон является разновидностью устройства микроволнового усиления с помощью вынужденного излучения (MASER) или лазера на свободных электронах, который генерирует электромагнитные поля, он имеет некоторое сходство с принципом работы стандартной микроволновой печи. Портативный гиротрон может работать в диапазоне частот, обычно от 2 до 235 гигагерц, и это делает их полезными устройствами для систем несмертельного оружия, которые военные США называют технологией Active Denial System (ADS). Устройство ADS, основанное на гиротроне, может быть нацелено на людей с тем эффектом, что оно нагревает молекулы воды под кожей, не нанося постоянного повреждения ткани. Это действует как сдерживающая область, которая имеет теоретическое применение в борьбе с толпой, чтобы предотвратить беспорядки или не дать вражеским солдатам или гражданским лицам приблизиться к военным объектам и сбитым самолетам.