Gyrotron

Gyrotron je elektrovakuový mikrovlnný generátor, což je druh cyklotronového rezonančního maseru . Zdrojem mikrovlnného záření je elektronový paprsek rotující v silném magnetickém poli . Záření je generováno při frekvenci rovné cyklotronové frekvenci v rezonátoru s kritickou frekvencí blízkou generované frekvenci. Gyrotron byl vynalezen v Sovětském svazu [1] na NIRFI ve městě Gorkij (nyní Nižnij Novgorod).

Vysílá vlny o frekvencích 20-1300 GHz. Výkon - od 1 kW do 1-2 MW. Relativistické gyrotrony mohou generovat záření o výkonu až 10 MW.

Jak to funguje

Gyrotron je druh cyklotronového rezonančního maseru . To znamená, že jeho práce je založena na efektu stimulované emise volných elektronů umístěných ve vnějším magnetickém poli a rotujících s cyklotronovou frekvencí rovnou frekvenci záření.

Vysvětlení principu fungování gyrotronu je možné jak z kvantového, tak z klasického hlediska.

Z kvantového hlediska je elektron umístěný v magnetickém poli harmonickým oscilátorem , jehož energetické hladiny jsou známé Landauovy hladiny . V nerelativistické aproximaci jsou Landauovy energetické hladiny ekvidistantní, což znamená, že pravděpodobnosti stimulované emise a rezonanční absorpce záření elektrony jsou navzájem stejné, a proto je generování záření nemožné. Existují různé způsoby, jak tuto rovnost porušit, ale gyrotrony používají základní neekvidistanci úrovní kvůli relativistickým efektům . V tomto případě samotné elektrony mají obvykle rychlosti mnohem menší než rychlost světla , takže tato neekvidistance je malá. Aby bylo laserování možné za takových podmínek, je nutné, aby absorpční a emisní linie byly dostatečně úzké. Obvykle toho nelze dosáhnout kvůli Dopplerovu rozšíření těchto čar. V rezonátorech pracujících v blízkosti kritické frekvence (to znamená frekvence, pod kterou je šíření vln v daném rezonátoru nemožné), je vlnový vektor vlny prakticky kolmý k magnetickému poli a Dopplerův jev prakticky chybí. Je tak možné realizovat klasické schéma stimulované emise v systému s neekvidistantním spektrem, podobně jako u maserů a atomových laserů .

Z klasického hlediska se generování v gyrotronech vysvětluje nestabilitou svazku elektronů rotujícího v magnetickém poli za přítomnosti elektromagnetické vlny o rezonanční frekvenci, což vede k fázovému shlukování elektronů a zesílení vlny. V tomto případě má podmínka fázového přizpůsobení mezi elektrony a zářením formu

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

kde ω je frekvence záření, ω c je frekvence cyklotronu, jsou podélný (ve vztahu ke směru magnetického pole) vektor vlny záření a rychlost elektronu, . U gyrotronů je tato podmínka splněna provozem na frekvencích blízkých kritickým frekvencím rezonátoru, pro které ( je rychlost světla ), je tedy aditivum v důsledku Dopplerova jevu malé, což zvyšuje účinnost zařízení. Gyrotrony obvykle pracují na první harmonické frekvenci cyklotronu ( ), ale generování na více frekvencích je také možné. ${\displaystyle k_{\parallel },v_{\parallel ))$ $s=\pm 1,\pm 2,\tečky$ $\omega /k_{\parallel }\gg c$ $C$ ${\displaystyle k_{\parallel }v_{\parallel ))$ $s=1$

Z teorie vlnovodů je známo, že kritický mód vlnovodu se téměř úplně odráží i od otevřeného konce. K záření dochází pouze díky difrakci . Protože gyrotrony pracují na frekvencích blízkých kritickým, umožňuje to použití otevřených rezonátorů v jejich zařízení , což je jedna z výhod gyrotronů. U moderních gyrotronů se využívá i speciální přeměna emitovaného záření na Gaussův paprsek díky použití zakřivených zrcadel speciálního tvaru.

Pro činnost gyrotronu je důležité zařízení zdroje elektronů - katoda . Aby elektrony účinně odevzdaly svou energii záření, je nutné, aby měly značné příčné rychlosti. Toho lze dosáhnout pouze tehdy, je-li na povrchu katody příčně k magnetickému poli dostatečně velké elektrické pole. Proto katody v gyrotronech pracují daleko od režimu saturace prostorového náboje.

Aplikace

První aplikací gyrotronů bylo pozorování efektu samozaostřování mikrovlnných vln v plazmatu .

Jednou z hlavních aplikací je ohřev plazmatu ve fúzních zařízeních s magnetickým omezením plazmatu [2] . Konkrétně instalace ITER má využívat 24 gyrotronů o výkonu 0,6-1 MW, pracujících na frekvenci 170 GHz. Osm z nich by mělo vzniknout v podniku GICOM v Nižním Novgorodu , dalších osm v Japonsku a osm v Evropě.

Gyrotrony se také používají ve spektroskopii .

Poznámky

↑ High-Magnetic-Field Research and Facilies Archived 21. září 2014 na Wayback Machine (1979). Washington, DC: Národní akademie věd. p. 51.
↑ IAP RAS. Gyrotrony pro UTS . Získáno 21. dubna 2020. Archivováno z originálu dne 6. září 2021. (neurčitý)

Literatura

Gyrotrony. Sborník vědeckých prací / V. A. Flyagin. - Gorkij: IAP AN SSSR, 1980. - 248 s. - 250 výtisků. Archivováno 8. dubna 2017 na Wayback Machine
Gyrotrony. Sborník vědeckých prací / A. V. Gaponov-Grekhov . - Gorkij: IAP AN SSSR, 1981. - 256 s. Archivováno 6. dubna 2017 na Wayback Machine
Gyrotrony. Sborník vědeckých prací / V. A. Flyagin. - Gorkij: IAP AN SSSR, 1989. - 217 s. - 500 výtisků. Archivováno 28. března 2017 na Wayback Machine

Odkazy

Gyrotron - článek z Velkého encyklopedického slovníku
Gyrotron - článek z fyzické encyklopedie

Slovníky a encyklopedie	Skvělý norský Britannica (online)

Vakuová elektronická zařízení (kromě katodového paprsku )
Generátor a zesilovací lampy	Trioda tetroda paprsková tetroda Pentoda hexaod sedmičlenná Pentagrid oktod Nonod Magnetron Amplitron Platinotron Virkator Klystron Cestující vlnová lampa Lampa se zpětnou vlnou Gyrotron
jiný	Elektrovakuová dioda Kenotron rentgenová trubice Vakuový fluorescenční indikátor Magické oko Vakuová fotobuňka trubice zesilovače obrazu Fotonásobič Násobič sekundárních elektronů Selectron mechatron
Druhy výkonů	Osmičková Prst Tyč Nuvistor žalud Mayachkovaya Metal-keramické Kombinovaný
Konstrukční prvky	Anoda Katoda přímá záře Nepřímá záře polní emise Fotokatoda Dinod Ohřívač Mřížka manažer Antidynatron Stínění katodické Getter podstavec