Girotrón

Un girotrón es un generador de microondas de electrovacío , que es una especie de máser de resonancia de ciclotrón . La fuente de radiación de microondas es un haz de electrones que gira en un fuerte campo magnético . La radiación se genera a una frecuencia igual a la frecuencia del ciclotrón en un resonador con una frecuencia crítica cercana a la generada. El girotrón fue inventado en la Unión Soviética [1] en el NIRFI en la ciudad de Gorky (ahora Nizhny Novgorod).

Emite ondas con frecuencias de 20-1300 GHz. Potencia : de 1 kW a 1-2 MW. Los girotrones relativistas pueden generar radiación con una potencia de hasta 10 MW.

Cómo funciona

Un girotrón es un tipo de máser de resonancia de ciclotrón . Esto significa que su trabajo se basa en el efecto de emisión estimulada de electrones libres colocados en un campo magnético externo y girando con una frecuencia de ciclotrón igual a la frecuencia de radiación.

Una explicación del principio de funcionamiento del girotrón es posible tanto desde un punto de vista cuántico como clásico.

Desde un punto de vista cuántico, un electrón colocado en un campo magnético es un oscilador armónico cuyos niveles de energía son los conocidos niveles de Landau . En la aproximación no relativista, los niveles de energía de Landau son equidistantes, lo que significa que las probabilidades de emisión estimulada y absorción resonante de radiación por parte de los electrones son iguales entre sí y, por lo tanto, la generación de radiación es imposible. Hay diferentes formas de violar esta igualdad, pero los girotrones utilizan la no equidistancia fundamental de los niveles debido a los efectos relativistas . En este caso, los propios electrones suelen tener velocidades muy inferiores a la velocidad de la luz , por lo que esta no equidistancia es pequeña. Para que el láser sea posible en tales condiciones, se requiere que las líneas de absorción y emisión sean lo suficientemente estrechas. Por lo general, esto no se puede lograr debido al ensanchamiento Doppler de estas líneas. Sin embargo, en resonadores que operan cerca de la frecuencia crítica (es decir, la frecuencia por debajo de la cual es imposible la propagación de ondas en un resonador dado), el vector de onda de la onda es prácticamente perpendicular al campo magnético y el efecto Doppler está prácticamente ausente. Así, es posible implementar el esquema clásico de emisión estimulada en un sistema con un espectro no equidistante, similar a los másers y láseres atómicos .

Desde el punto de vista clásico, la generación en girotrones se explica por la inestabilidad de un haz de electrones que gira en un campo magnético en presencia de una onda electromagnética a una frecuencia resonante, lo que conduce al agrupamiento de fase de los electrones y la amplificación de la onda. En este caso, la condición de coincidencia de fase entre los electrones y la radiación tiene la forma

\omega -k_{\parallel }v_{\parallel }\approx s\omega_{\text{c)),

donde ω es la frecuencia de radiación, ω c es la frecuencia del ciclotrón, son el vector de onda de radiación longitudinal (en relación con la dirección del campo magnético) y la velocidad del electrón, . En los girotrones, esta condición se cumple operando a frecuencias cercanas a las frecuencias críticas del resonador, para lo cual ( es la velocidad de la luz ), por lo tanto, el aditivo debido al efecto Doppler es pequeño, lo que aumenta la eficiencia del dispositivo. Por lo general, los girotrones operan en el primer armónico de la frecuencia del ciclotrón ( ), pero también es posible la generación en múltiples frecuencias. ${\displaystyle k_{\parallel},v_{\parallel ))$ $s=\pm 1,\pm 2,\puntos$ $\omega /k_{\parallel}\gg c$ $C$ ${\ Displaystyle k_ {\ paralelo} v_ {\ paralelo}}$ ${\ estilo de visualización s = 1}$

Se sabe por la teoría de las guías de ondas que el modo crítico de una guía de ondas se refleja casi por completo incluso desde el extremo abierto. La radiación se produce sólo debido a la difracción . Dado que los girotrones operan a frecuencias cercanas a las críticas, esto permite el uso de resonadores abiertos en su dispositivo , lo cual es una de las ventajas de los girotrones. En los girotrones modernos, también se utiliza una conversión especial de la radiación emitida en un haz gaussiano debido al uso de espejos curvos de forma especial.

Importante para el funcionamiento del girotrón es el dispositivo de la fuente de electrones: el cátodo . Para que los electrones cedan efectivamente su energía de radiación, es necesario que tengan velocidades transversales significativas. Esto se puede lograr solo si hay un campo eléctrico suficientemente grande en la superficie del cátodo transversal al campo magnético. Por lo tanto, los cátodos en girotrones operan lejos del modo de saturación de carga espacial.

Aplicación

La primera aplicación de los girotrones fue la observación del efecto de autoenfoque de las ondas de microondas en un plasma .

Una de las principales aplicaciones es el calentamiento de plasma en instalaciones de fusión con confinamiento de plasma magnético [2] . En particular, se supone que la instalación de ITER utilizará 24 girotrones con una potencia de 0,6-1 MW, operando a una frecuencia de 170 GHz. Ocho de ellos deberían crearse en la empresa GICOM en Nizhny Novgorod , ocho más, en Japón, y ocho más, en Europa.

Los girotrones también se aplican en espectroscopia .

Notas

↑ High-Magnetic-Field Research and Facilies Archivado el 21 de septiembre de 2014 en Wayback Machine (1979). Washington, DC: Academia Nacional de Ciencias. pags. 51.
↑ IAP RAS. Girotrones para UTS . Consultado el 21 de abril de 2020. Archivado desde el original el 6 de septiembre de 2021. (indefinido)

Literatura

girotrones. Colección de artículos científicos / V. A. Flyagin. - Gorki: IAP AN SSSR, 1980. - 248 p. - 250 copias. Archivado el 8 de abril de 2017 en Wayback Machine .
girotrones. Colección de artículos científicos / A. V. Gaponov-Grekhov . - Gorki: IAP AN SSSR, 1981. - 256 p. Archivado el 6 de abril de 2017 en Wayback Machine .
girotrones. Colección de artículos científicos / V. A. Flyagin. - Gorki: IAP AN SSSR, 1989. - 217 p. - 500 copias. Archivado el 28 de marzo de 2017 en Wayback Machine .

Enlaces

Gyrotron - artículo del Gran Diccionario Enciclopédico
Gyrotron - artículo de la Enciclopedia física

diccionarios y enciclopedias	gran noruego Britannica (en línea)

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