Girotrón

Un girotrón 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 fuerte campo magnético . Las frecuencias de salida varían de 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 varían de decenas de kilovatios a 1-2 megavatios . Los girotrones pueden diseñarse para operación pulsada o continua. El girotrón fue inventado por científicos soviéticos ^[3] en NIRFI , con sede en Nizhny Novgorod , Rusia .

El girotrón es un tipo de máser de electrones libres que genera radiación electromagnética de alta frecuencia mediante resonancia ciclotrónica 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 ondas rápidas , 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 los klistrones y magnetrones , en los que la longitud de onda está determinada por una cavidad resonante monomodo , una estructura de onda lenta . 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 potencia.

En el girotrón, un filamento caliente en un cañón de electrones (1) en un extremo del tubo emite un haz de electrones en forma de anillo (tubular hueco) (6), que es acelerado por un ánodo de CC de alto voltaje (10) y luego viaja a través de una gran estructura de cavidad resonante tubular (2) en un fuerte campo magnético axial , generalmente creado por un imán superconductor alrededor del tubo (8). El campo hace que los electrones se muevan helicoidalmente en círculos estrechos alrededor de las líneas de campo magnético a medida que viajan longitudinalmente a través del tubo. En la posición en el tubo donde el campo magnético alcanza su máximo (2), los electrones irradian ondas electromagnéticas, paralelas al eje del tubo, a su frecuencia de resonancia de ciclotrón. La radiación milimétrica forma ondas estacionarias en el tubo, que actúa como una cavidad resonante de extremos abiertos , y se forma en un haz. El haz se convierte mediante un convertidor de modos (9) y se refleja en espejos (4), que lo dirigen a través de una ventana (5) en el lateral del tubo hacia una guía de ondas de microondas (7). Un electrodo colector absorbe el haz de electrones gastado en el extremo del tubo (3). ^{[4] [6]}

Al igual que 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 al voltaje anódico acelerado (10). En la región antes de la cavidad resonante donde la intensidad del campo magnético está aumentando, 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 su velocidad axial del haz. Debido a las ondas estacionarias en la cavidad resonante, los electrones se "agrupan"; es decir, su fase se vuelve coherente (sincronizada), por lo que todos están en el mismo punto de su órbita al mismo tiempo. Por lo tanto, emiten radiación coherente .

La velocidad de los electrones en un girotrón 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 según principios diferentes y cuyos electrones son altamente relativistas.

Los girotrones se utilizan en muchas aplicaciones de calentamiento industriales y de alta tecnología. Por ejemplo, los girotrones se utilizan en experimentos de investigación de fusión nuclear para calentar plasmas y también en la industria manufacturera como herramienta de calentamiento rápido para procesar vidrio, compuestos y cerámicas, así como para recocido (solar y semiconductores). Las aplicaciones militares incluyen el sistema de denegación activa .

En 2021, Quaise Energy anunció la idea de utilizar un girotrón como máquina perforadora para perforar un pozo de 20 kilómetros de profundidad y utilizarlo para producir energía geotérmica . ^[7] La ​​técnica utilizaría frecuencias de 30 a 300 GHz y transferiría energía a una roca de manera 10 ¹² más eficiente que utilizando un láser . Los láseres se verían además perturbados por la roca vaporizada, lo que afectaría mucho menos a la longitud de onda más larga. Parece que es posible alcanzar velocidades de perforación de 70 metros/hora con un girotrón de 1 MW. ^[8]

La ventana de salida del tubo por donde emerge el haz de microondas puede estar en dos lugares. En el girotrón de salida transversal, el haz sale por una ventana en el lateral del tubo. Para ello, es necesario colocar un espejo de 45° en el extremo de la cavidad para reflejar el haz de microondas, ubicado a un lado de modo que el haz de electrones no lo alcance. En el girotrón de salida axial, el haz sale por una ventana en el extremo del tubo, en el extremo más alejado del electrodo colector cilíndrico que recoge los electrones.

El girotrón original desarrollado en 1964 era un oscilador, pero desde entonces se han desarrollado amplificadores de girotrón . El haz de electrones helicoidal del girotrón puede amplificar una señal de microondas aplicada de forma similar a la forma en que un haz de electrones recto amplifica en los tubos de microondas clásicos como el klistrón, por lo que existe una serie de girotrones que funcionan de forma análoga a estos tubos. Su ventaja es que pueden operar a frecuencias mucho más altas. El giromonotrón (girooscilador) es un girotrón de una sola cavidad que funciona como un oscilador. Un giroklistrón es un amplificador que funciona de forma análoga a un tubo de klistrón . Tiene dos cavidades de microondas a 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 ondas viajeras (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 del extremo descendente. Un giroscopio-BWO es un oscilador que funciona de manera análoga a un oscilador de onda inversa (BWO). Genera oscilaciones que viajan en una dirección opuesta al haz de electrones, que se emite en el extremo ascendente del tubo. Un giroscopio-twystron es un amplificador que funciona de manera análoga a un twystron , un tubo que combina un klistrón y un TWT. Al igual que un klistrón, tiene una cavidad de entrada en el extremo ascendente seguida de cavidades de agrupamiento para agrupar los electrones, que son seguidas por una estructura de onda lenta de tipo TWT que desarrolla la señal de salida amplificada. Al igual que un TWT, tiene un ancho de banda amplio.

El girotrón fue inventado en la Unión Soviética . ^[9] Entre los fabricantes actuales se encuentran Communications & Power Industries (EE. UU.), Gycom (Rusia), Thales Group (UE), Toshiba (Japón, ahora Canon, Inc. , ^[10] también de Japón) y Bridge12 Technologies. Los desarrolladores del sistema incluyen Gyrotron Technology.

• Resonancia ciclotrónica electrónica
• Energía de fusión
• Radiación de terahercios

• Girotrón
• Kupiszewski, A. (1979). "El girotrón: un amplificador de microondas de alta frecuencia" (PDF) . Informe de progreso de la red del espacio profundo . 42 (52): 8–12. Código bibliográfico :1979dsn..nasa....8K. Código NASA 310-10-64-10.