Гиротрон — это класс мощных линейных пучковых вакуумных трубок , которые генерируют электромагнитные волны миллиметрового диапазона с помощью циклотронного резонанса электронов в сильном магнитном поле. Выходные частоты находятся в диапазоне от 20 до 527 ГГц , [ 1] [2] охватывая длины волн от микроволн до края терагерцового зазора . Типичные выходные мощности находятся в диапазоне от десятков киловатт до 1–2 мегаватт . Гиротроны могут быть спроектированы для импульсной или непрерывной работы. Гиротрон был изобретен советскими учеными [3] в НИРФИ , базирующемся в Нижнем Новгороде , Россия .
Гиротрон — это тип мазера на свободных электронах , который генерирует высокочастотное электромагнитное излучение с помощью стимулированного циклотронного резонанса электронов, движущихся через сильное магнитное поле. [4] [5] Он может производить большую мощность на миллиметровых длинах волн, поскольку, как быстроволновое устройство, его размеры могут быть намного больше длины волны излучения. Это отличается от обычных микроволновых вакуумных трубок, таких как клистроны и магнетроны , в которых длина волны определяется одномодовой резонансной полостью , медленноволновой структурой. Таким образом, по мере увеличения рабочих частот резонансные полости должны уменьшаться в размерах, что ограничивает их способность обрабатывать мощность.
В гиротроне горячая нить в электронной пушке (1) на одном конце трубки испускает кольцевой (полый трубчатый) пучок электронов (6), который ускоряется высоковольтным анодом постоянного тока (10), а затем проходит через большую трубчатую резонансную полость (2) в сильном осевом магнитном поле , обычно создаваемом сверхпроводящим магнитом вокруг трубки (8). Поле заставляет электроны двигаться по спирали по узким окружностям вокруг линий магнитного поля, когда они перемещаются вдоль трубки. В положении в трубке, где магнитное поле достигает своего максимума (2), электроны излучают электромагнитные волны, параллельные оси трубки, на своей циклотронной резонансной частоте. Миллиметровое излучение образует стоячие волны в трубке, которая действует как открытая резонансная полость , и формируется в пучок. Луч преобразуется преобразователем мод (9) и отражается зеркалами (4), которые направляют его через окно (5) в боковой части трубки в микроволновый волновод (7). Коллекторный электрод поглощает отработанный электронный луч на конце трубки (3). [4] [6]
Как и в других линейных пучковых микроволновых трубках, энергия выходных электромагнитных волн исходит из кинетической энергии электронного пучка, которая обусловлена ускоряющим анодным напряжением (10). В области перед резонансной полостью, где напряженность магнитного поля увеличивается, оно сжимает электронный пучок, преобразуя продольную скорость дрейфа в поперечную орбитальную скорость, в процессе, аналогичном тому, который происходит в магнитном зеркале, используемом для удержания плазмы . [5] Орбитальная скорость электронов в 1,5-2 раза больше их осевой скорости пучка. Из-за стоячих волн в резонансной полости электроны становятся «сгруппированными»; то есть их фаза становится когерентной (синхронизированной), поэтому они все находятся в одной и той же точке своей орбиты в одно и то же время. Поэтому они испускают когерентное излучение .
Скорость электронов в гиротроне немного релятивистская (порядка, но не близкая к скорости света). Это контрастирует с лазером на свободных электронах (и ксазером ), которые работают на других принципах и чьи электроны являются в высокой степени релятивистскими.
Гиротроны используются во многих промышленных и высокотехнологичных нагревательных приложениях. Например, гиротроны используются в экспериментах по исследованию ядерного синтеза для нагрева плазмы , а также в обрабатывающей промышленности в качестве инструмента быстрого нагрева при обработке стекла, композитов и керамики, а также для отжига (солнечных и полупроводниковых). Военные приложения включают в себя Active Denial System .
В 2021 году Quaise Energy объявила об идее использования гиротрона в качестве буровой машины для бурения скважины глубиной 20 километров и ее использования для производства геотермальной энергии . [7] Эта технология будет использовать частоты от 30 до 300 ГГц и будет передавать энергию в породу в 10 12 раз эффективнее, чем при использовании лазера . Лазеры будут дополнительно прерываться испаренной породой, что будет влиять на более длинную волну гораздо меньше. Скорость бурения 70 метров в час, по-видимому, возможна с гиротроном мощностью 1 МВт. [8]
Выходное окно трубки, из которого выходит микроволновый луч, может находиться в двух местах. В гиротроне с поперечным выходом луч выходит через окно сбоку трубки. Для этого требуется зеркало 45° на конце полости, чтобы отражать микроволновый луч, расположенное с одной стороны, чтобы электронный луч не попадал в него. В гиротроне с аксиальным выходом луч выходит через окно на конце трубки на дальнем конце цилиндрического коллекторного электрода, который собирает электроны.
Первоначальный гиротрон, разработанный в 1964 году, был генератором, но с тех пор были разработаны гиротронные усилители . Электронный луч спирального гиротрона может усиливать приложенный микроволновый сигнал аналогично тому, как прямой электронный луч усиливается в классических микроволновых лампах, таких как клистрон, поэтому существует ряд гиротронов, которые функционируют аналогично этим лампам. Их преимущество в том, что они могут работать на гораздо более высоких частотах. Гиро-монотрон (гиро-осциллятор) — это однополостной гиротрон, который функционирует как генератор. Гиро-клистрон — это усилитель, который функционирует аналогично клистронной трубке. Имеет два микроволновых резонатора вдоль электронного луча, входной резонатор выше по потоку, к которому подается усиливаемый сигнал, и выходной резонатор ниже по потоку, из которого снимается выходной сигнал. Гиро-ЛБВ — это усилитель, который функционирует аналогично лампе бегущей волны (ЛБВ). Он имеет структуру замедленной волны, похожую на ЛБВ, параллельную лучу, с входным микроволновым сигналом, подаваемым на конец выше по потоку, и усиленным выходным сигналом, взятым с конца ниже по потоку. Гиро-ЛОВО — это генератор, который функционирует аналогично генератору обратной волны (ЛОВ). Он генерирует колебания, распространяющиеся в противоположном направлении к электронному пучку, который выводится на конце выше по потоку трубки. Гиро-твистрон — это усилитель, который функционирует аналогично твистрону , трубке, которая объединяет клистрон и ЛБВ. Как и клистрон, он имеет входную полость на конце выше по потоку, за которой следуют группировочные полости для группировки электронов, за которыми следует структура замедленной волны типа ЛБВ, которая вырабатывает усиленный выходной сигнал. Как и ЛБВ, он имеет широкую полосу пропускания.
Гиротрон был изобретен в Советском Союзе . [9] В настоящее время производители включают Communications & Power Industries (США), Gycom (Россия), Thales Group (ЕС), Toshiba (Япония, теперь Canon, Inc. , [10] также из Японии) и Bridge12 Technologies. Разработчики систем включают Gyrotron Technology.