Vad är en Gyrotron?
En gyrotron är en form av elektronrör eller vakuumrör som ofta kallas en cyklotronresonansmaskare på grund av det faktum att en av dess vanligaste användningsområden är inom högenergifysikforskning i cyklotroner. Fördelen som en gyrotron erbjuder är att den kan generera enorma mängder radiofrekvensenergi (RF) i megawattområdet vid mycket små våglängder på bara några få millimeter, vilket inte är möjligt för vanliga vakuumrör. Processen kan generera en enorm mängd värme, som kan användas för att sintra keramik eller värma plasma i fusionsforskningsreaktorer. Gyrotroner används också direkt vid avbildning av kärnmagnetisk resonans (NMR) för att observera kvantmekaniska effekter på atomnivån eller i magnetisk resonansmikroskopi (MRI) för medicinska diagnoser.
Principen bakom hur en gyrotron fungerar sammansattes teoretiskt först i slutet av 1950-talet, då relativistiska effekter av elektronenergi studerades i cyklotron för första gången. Genom att injicera strömmar av elektroner i det elektromagnetiska fältet i en cyklotron med samma frekvens observerades en effekt känd som negativ massinstabilitet. Elektronströmmen tenderar att samlas från en standardgyroradius- eller Larmor-radie, vilket får elektronerna att bromsa upp och frigöra kinetisk energi i processen som millimetervåglängd radiofrekvensenergi eller strålning.
Tidiga elektroniska cyklotronresonansenergier visade potentialen att värma plasma i fusionsforskning, men tekniken och den vetenskapliga förståelsen för att skapa ett gyrotronsystem som var tillförlitligt kapabelt till detta blev inte en mogen vetenskap förrän det första decenniet av 2000-talet. När forskningen och tekniken avancerade delades gyrotronapplikationer upp i högenergi-megawatt-system för fusionsforskning och lågenergi 10- till 1000-wattssystem för NMR-spektroskopi. Där enheterna producerar terahertz-strålning i intervallet 100 gigahertz till 1 terahertz, används de i industriella applikationer som plasmadiagnostik och högtemperaturuppvärmning av keramiska föreningar. Forskning i Japan har också ökat effektiviteten i mellanområdet till högeffekta gyrotronanordningar med 50% från och med 1994 genom att använda en integrerad lägeomvandlare för att effektivare konvertera elektronstrålenergi till värme.
Eftersom en gyrotron är en form av mikrovågsförstärkning genom stimulerad emission av strålning (MASER) eller fri elektronlaser som genererar elektromagnetiska fält, har den viss likhet med principen bakom hur en standard mikrovågsugn fungerar. En bärbar gyrotron kan manövreras i en mängd frekvenser vanligtvis från 2 till 235 gigahertz, och detta gör dem till användbara enheter för icke-dödliga vapensystem som den amerikanska militären kallar Active Denial System (ADS) -teknologi. En ADS-enhet baserad på en gyrotron kan riktas mot människor med den effekten att den värmer upp vattenmolekyler under huden utan att orsaka permanent skada på vävnaden. Detta fungerar som ett avskräckande fält som har teoretiska tillämpningar i folkmassekontroll för att förhindra upplopp, eller för att hålla fiendens soldater eller civila från att närma sig militära installationer och luftfartyg.