Un gyrotron es una clase de tubos de vacío de haz lineal de alta potencia que genera ondas electromagnéticas de ondas milimétricas mediante la resonancia ciclotrónica de electrones en un campo magnético fuerte . Las frecuencias de salida van desde aproximadamente 20 a 527 GHz , [1] [2] cubriendo longitudes de onda desde microondas hasta el borde de la brecha de terahercios . Las potencias de salida típicas oscilan entre decenas de kilovatios y 1-2 megavatios . Los Gyrotron pueden diseñarse para funcionamiento continuo o pulsado. El gyrotron fue inventado porcientíficos soviéticos [3] en NIRFI , con sede en Nizhny Novgorod , Rusia .
Principio de funcionamiento [ editar ]
El gyrotron es un tipo de maser de electrones libres que genera radiación electromagnética de alta frecuencia por resonancia de ciclotrón estimulada de electrones que se mueven a través de un fuerte campo magnético. [4] [5] Puede producir alta potencia en longitudes de onda milimétricas porque, como dispositivo de onda rápida, sus dimensiones pueden ser mucho mayores que la longitud de onda de la radiación. Esto es diferente a los tubos de vacío de microondas convencionales , como klistrones y magnetrones , en los que la longitud de onda está determinada por una cavidad resonante monomodo , una onda lenta. estructura y, por lo tanto, a medida que aumentan las frecuencias de operación, las estructuras de la cavidad resonante deben disminuir de tamaño, lo que limita su capacidad de manejo de energía.
En el gyrotron, un filamento caliente en un cañón de electrones en un extremo del tubo emite un haz de electrones de forma anular (tubular hueco) , que es acelerado por un ánodo de alto voltaje y luego viaja a través de una gran estructura tubular de cavidad resonante en un campo magnético axial fuerte , generalmente creado por un imán superconductor alrededor del tubo. El campo hace que los electrones se muevan helicoidalmente.en círculos estrechos alrededor de las líneas del campo magnético a medida que viajan a lo largo del tubo. En la posición en el tubo donde el campo magnético alcanza su máximo, los electrones irradian ondas electromagnéticas en una dirección transversal (perpendicular al eje del tubo) en su frecuencia de resonancia ciclotrónica. La radiación milimétrica forma ondas estacionarias en el tubo, que actúa como una cavidad resonante de extremos abiertos , y se forma en un haz, que irradia a través de una ventana en el costado del tubo hacia una guía de ondas . El haz de electrones gastado es absorbido por un electrodo colector al final del tubo.
Como en otros tubos de microondas de haz lineal, la energía de las ondas electromagnéticas de salida proviene de la energía cinética del haz de electrones, que se debe a la aceleración del voltaje del ánodo. En la región antes de la cavidad resonante donde aumenta la intensidad del campo magnético, comprime el haz de electrones, convirtiendo la velocidad de deriva longitudinal en velocidad orbital transversal, en un proceso similar al que ocurre en un espejo magnético utilizado en el confinamiento de plasma . [5] La velocidad orbital de los electrones es de 1,5 a 2 veces la velocidad del haz axial. Debido a las ondas estacionarias en la cavidad resonante, los electrones se "agrupan"; es decir, su fase se vuelve coherente(sincronizados) para que estén todos en el mismo punto de su órbita al mismo tiempo. Por tanto, emiten radiación coherente .
La velocidad de los electrones en un gyrotron es ligeramente relativista (del orden de la velocidad de la luz, pero no cercana a ella). Esto contrasta con el láser de electrones libres (y el xaser ) que funcionan con principios diferentes y cuyos electrones son altamente relativistas.
Aplicaciones [ editar ]
Los girotrones se utilizan para muchas aplicaciones de calefacción industriales y de alta tecnología. Por ejemplo, los gyrotrones se utilizan en experimentos de investigación de fusión nuclear para calentar plasmas y también en la industria manufacturera como una herramienta de calentamiento rápido en el procesamiento de vidrio, materiales compuestos y cerámica, así como para el recocido (solar y semiconductores). Las aplicaciones militares incluyen el Active Denial System .
Tipos [ editar ]
La ventana de salida del tubo del que emerge el haz de microondas puede estar en dos ubicaciones. En el gyrotron de salida transversal, el rayo sale a través de una ventana en el costado del tubo. Esto requiere un espejo de 45 ° al final de la cavidad para reflejar el haz de microondas, colocado a un lado para que el haz de electrones no lo alcance. En el girotrón de salida axial, el haz sale a través de una ventana en el extremo del tubo en el extremo más alejado del electrodo colector cilíndrico que recoge los electrones.
El gyrotron original desarrollado en 1964 era un oscilador, pero desde entonces se han desarrollado amplificadores gyrotron . El haz de electrones de gyrotron helicoidal puede amplificar una señal de microondas aplicada de manera similar a como se amplifica un haz de electrones directo en los tubos de microondas clásicos como el klystron, por lo que hay una serie de gyrotron que funcionan de manera análoga a estos tubos. Su ventaja es que pueden operar a frecuencias mucho más altas. El gyro-monotron (gyro-oscillator) es un gyrotron de una sola cavidad que funciona como un oscilador. Un gyro-klystron es un amplificador que funciona de manera análoga a un tubo de klystron . Tiene dos cavidades de microondasa lo largo del haz de electrones, una cavidad de entrada aguas arriba a la que se aplica la señal a amplificar y una cavidad de salida aguas abajo de la que se toma la salida. Un giro-TWT es un amplificador que funciona de forma análoga a un tubo de onda viajera (TWT). Tiene una estructura de onda lenta similar a un TWT en paralelo al haz, con la señal de microondas de entrada aplicada al extremo ascendente y la señal de salida amplificada tomada desde el extremo descendente. Un gyro-BWO es un oscilador que funciona de manera análoga a un oscilador de onda hacia atrás (BWO). Genera oscilaciones que viajan en dirección opuesta al haz de electrones, que se emiten en el extremo aguas arriba del tubo. Un gyro-twystron es un amplificador que funciona de forma análoga a un twystron, un tubo que combina un klystron y un TWT. Como un klistrón, tiene una cavidad de entrada en el extremo aguas arriba, seguida de cavidades agrupadoras para agrupar los electrones, que son seguidos por una estructura de onda lenta tipo TWT que desarrolla la señal de salida amplificada. Como un TWT, tiene un ancho de banda amplio.
Fabricantes [ editar ]
El gyrotron se inventó en la Unión Soviética . [6] Los fabricantes actuales incluyen Communications & Power Industries (EE. UU.), Gycom (Rusia), Thales Group (UE), Toshiba (Japón, ahora Canon, Inc. , [7] también de Japón) y Bridge12 Technologies . Los desarrolladores de sistemas incluyen la tecnología Gyrotron .
Ver también [ editar ]
- Resonancia ciclotrónica de electrones
- El poder de la fusion
- Radiación de terahercios
Referencias [ editar ]
- ^ Richards, Mark A .; William A. Holm (2010). "Fuentes de energía y amplificadores" . Principios del radar moderno: principios básicos . Publicación de SciTech, 2010. p. 360. ISBN 978-1891121524.
- ^ En blanco, M .; Borchard, P .; Cauffman, S .; Felch, K .; Rosay, M .; Tometich, L. (1 de junio de 2013). Demostración experimental de un gyrotron de 527 GHz para polarización nuclear dinámica . 2013 Abstracts IEEE International Conference on Plasma Science (ICOPS) . pag. 1. doi : 10.1109 / PLASMA.2013.6635226 . ISBN 978-1-4673-5171-3. S2CID 31007942 .
- ^ Investigación e instalaciones de alto campo magnético (1979). Washington, DC: Academia Nacional de Ciencias. pag. 51.
- ^ "¿Qué es un Gyrotron?" . Obtenga más información sobre la espectroscopia DNP-NMR . Tecnologías Bridge 12 . Consultado el 9 de julio de 2014 .
- ↑ a b Borie, E. (c. 1990). "Revisión de la teoría de Gyrotron" (PDF) . Web de Conferencias EPJ . KfK 4898. 149 : 04018. Código bibliográfico : 2017EPJWC.14904018N . doi : 10.1051 / epjconf / 201714904018 . Consultado el 9 de julio de 2014 .
- ^ Consejo Nacional de Investigación (Estados Unidos). Panel sobre investigación e instalaciones de alto campo magnético (1979). "Tecnología de defensa - Radiación de alta frecuencia" . Investigación e instalaciones de alto campo magnético . Washington, DC: Academia Nacional de Ciencias. págs. 50–51. OCLC 13876197 .
- ^ Thumm, Manfred (2020). "Estado del arte de dispositivos giroscópicos de alta potencia y maestros de electrones libres" . Revista de infrarrojos . 41 (1): 1. Bibcode : 2020JIMTW..41 .... 1T . doi : 10.1007 / s10762-019-00631-y . S2CID 209747370 .
Enlaces externos [ editar ]
- Gyrotron
- Kupiszewski, A. (1979). "El Gyrotron: un amplificador de microondas de alta frecuencia" (PDF) . Informe de progreso de la red de espacio profundo . 42 (52): 8-12. Código bibliográfico : 1979dsn..nasa .... 8K . Código de la NASA 310-10-64-10.
