Что такое гиротрон?

Что такое гиротрон?

Гиротрон — это тип вакуумного лампового устройства, в котором электроны вращаются вокруг магнитного поля, создаваемого сверхпроводящей катушкой. Эти электроны ускоряются высокоскоростной вращательной энергией, а затем преобразуются в мощные микроволны миллиметрового диапазона, которые излучаются в объемном резонаторе.

Термин «гироскоп» относится к вращению и включает в себя явление мазера циклотронного резонанса (CRM). CRM — это процесс, в котором кинетическая энергия электронов, вращаемых электромагнитной силой, преобразуется в микроволны.

Диапазон миллиметровых волн, длина волны которого составляет от 1 мм до 10 мм, а частота — от 30 ГГц до 300 ГГц, известен своей высокой линейностью и большой информационной емкостью.

Применение гиротронов

Гиротроны имеют несколько применений:

• Промышленные области: спекание керамики.
• Области исследований и разработок: плазменные процессы (нагрев, измерение и т. д.) для экспериментальных устройств термоядерного синтеза в лабораториях.
• Субтерагерцовый диапазон: Спутниковая связь, простое радио, абонентский радиодоступ (диапазон 38 ГГц), различные автомобильные радары, LiDAR, ADAS, автономное вождение и т. д.

Гиротроны, как источники радиоволн высокой мощности в миллиметровом диапазоне волн, все чаще исследуются для применения в передовых системах связи Beyond 5G/6G.

Принцип работы гиротронов

Гиротроны работают по принципу явления циклотронного резонанса мазера. Электроны, испускаемые из электронной пушки внутри гиротрона, приобретают спиральную кинетическую энергию при прохождении через сверхпроводящее магнитное поле. Эта энергия преобразуется в мощные электромагнитные волны в миллиметровом диапазоне внутри резонатора.

Электроны, ускоренные высоким напряжением (около 100 кВ) в электронной пушке, получают высокоскоростную вращательную энергию при прохождении через магнитное поле, создаваемое сверхпроводящим магнитом (до 10 Тл (тесла)). Эти электроны по спирали попадают в коллектор в вакуумной трубке, который в конечном итоге захватывает их.

Когда спиральные электроны проходят через резонатор, они резонируют и теряют некоторую кинетическую энергию, которая затем преобразуется в электромагнитные волны. Эти волны многократно отражаются внутри гиротрона и, наконец, испускаются через окно, например, искусственный алмаз, как мощные электромагнитные волны миллиметрового диапазона.

Другая информация о гиротронах

1. Развитие ядерного синтеза и гиротронов

Технология ядерного синтеза рассматривается как перспективный метод будущего производства энергии. Высокомощные суб-ТГц миллиметровые волны от гиротронов передаются в термоядерный реактор, расположенный примерно в 100 метрах, для нагрева плазмы и инициирования ядерного синтеза.

Ожидается, что Международный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР), глобальный проект сотрудничества по производству чистой энергии, начнет работу в 2025 году. Активно ведется разработка гиротронов для нагрева и различных измерений в термоядерных установках.

2. Частота гиротрона

Одной из самых перспективных установок термоядерного синтеза является реактор термоядерного синтеза «Токамак». В этом реакторе плазма должна нагреваться до сверхвысоких температур в сильном сверхпроводящем магнитном поле. Сверхпроводящее магнитное поле меняется между центром и краями реактора. Поэтому наличие гиротрона, который может выбирать несколько резонансных частот, выгодно для максимального использования внутреннего пространства реактора.

Согласно заявлению Национального института квантовой науки и технологий Японии от 2022 года, усовершенствования компонентов гиротрона позволят работать в классе одного мегаватта в течение 300 секунд на трех частотах миллиметровых волн (170 ГГц/137 ГГц/104 ГГц). Это достижение является значительным шагом на пути к практическому применению ядерного синтеза. Кроме того, в 2005 году в Центре исследований и разработок в дальнем инфракрасном диапазоне Университета Фукуи был достигнут прорыв в увеличении частоты колебаний гиротрона до 1013 ГГц (диапазон ТГц). Совместные исследования в различных областях применения продолжаются как в Японии, так и за рубежом.