Gyrotron
En gyrotron er en elektrovakuummikrobølgegenerator , som er en slags cyklotronresonansmaser . Kilden til mikrobølgestråling er en elektronstråle , der roterer i et stærkt magnetfelt . Stråling genereres med en frekvens svarende til cyklotronfrekvensen i en resonator med en kritisk frekvens tæt på den genererede. Gyrotronen blev opfundet i Sovjetunionen [1] ved NIRFI i byen Gorky (nu Nizhny Novgorod).
Den udsender bølger med frekvenser på 20-1300 GHz. Effekt - fra 1 kW til 1-2 MW. Relativistiske gyrotroner kan generere stråling med en effekt på op til 10 MW.
Sådan virker det
En gyrotron er en type cyklotronresonansmaser . Det betyder, at dets arbejde er baseret på virkningen af stimuleret emission af frie elektroner placeret i et eksternt magnetfelt og roterende med en cyklotronfrekvens svarende til strålingsfrekvensen.
En forklaring af gyrotronens funktionsprincip er mulig både fra et kvante- og fra et klassisk synspunkt.
Fra et kvantesynspunkt er en elektron placeret i et magnetfelt en harmonisk oscillator, hvis energiniveauer er de velkendte Landau-niveauer . I den ikke-relativistiske tilnærmelse er Landau energiniveauer ækvidistante, hvilket betyder, at sandsynligheden for stimuleret emission og resonansabsorption af stråling fra elektroner er lig med hinanden, og derfor er generering af stråling umulig. Der er forskellige måder at krænke denne lighed på, men gyrotroner bruger den grundlæggende ikke-ækvidistans af niveauer på grund af relativistiske effekter . I dette tilfælde har elektronerne selv sædvanligvis hastigheder meget mindre end lysets hastighed , så denne ikke-ækvidistance er lille. For at lasering skal være mulig under sådanne forhold, kræves det, at absorptions- og emissionsledningerne er tilstrækkelig smalle. Normalt kan dette ikke opnås på grund af Doppler-udvidelsen af disse linjer. I resonatorer, der opererer nær den kritiske frekvens (det vil sige frekvensen, under hvilken udbredelse af bølger i en given resonator er umulig), er bølgevektoren praktisk talt vinkelret på magnetfeltet, og Doppler-effekten er praktisk talt fraværende. Det er således muligt at implementere det klassiske skema med stimuleret emission i et system med et ikke-ækvidistant spektrum, svarende til masere og atomlasere .
Fra det klassiske synspunkt forklares generering i gyrotroner af ustabiliteten af en elektronstråle, der roterer i et magnetisk felt i nærvær af en elektromagnetisk bølge ved en resonansfrekvens, hvilket fører til fasebundning af elektroner og forstærkning af bølgen. I dette tilfælde har fasetilpasningstilstanden mellem elektroner og stråling formen
hvor ω er strålingsfrekvensen, ω c er cyklotronfrekvensen, er den langsgående (i forhold til magnetfeltets retning) strålingsbølgevektor og elektronhastighed ,. I gyrotroner er denne betingelse opfyldt ved at operere ved frekvenser tæt på resonatorens kritiske frekvenser, for hvilke ( er lysets hastighed ), således er additivet på grund af Doppler-effekten lille, hvilket øger enhedens effektivitet. Typisk fungerer gyrotroner ved den første harmoniske af cyklotronfrekvensen ( ), men generering ved flere frekvenser er også mulig.
Det er kendt fra teorien om bølgeledere, at den kritiske tilstand af en bølgeleder reflekteres næsten fuldstændigt selv fra den åbne ende. Stråling opstår kun på grund af diffraktion . Da gyrotroner fungerer ved frekvenser tæt på kritiske, tillader dette brugen af åbne resonatorer i deres enhed , hvilket er en af fordelene ved gyrotroner. I moderne gyrotroner bruges en særlig omdannelse af den udsendte stråling til en Gauss-stråle også på grund af brugen af buede spejle med en speciel form.
Vigtigt for driften af gyrotronen er elektronkildens anordning - katoden . For at elektroner effektivt kan opgive deres strålingsenergi, er det nødvendigt, at de har betydelige tværgående hastigheder. Dette kan kun opnås, hvis der er et tilstrækkeligt stort elektrisk felt på katodeoverfladen på tværs af magnetfeltet. Derfor fungerer katoder i gyrotroner langt fra rumladningsmætningstilstanden.
Ansøgning
Den første anvendelse af gyrotroner var observationen af effekten af selvfokusering af mikrobølgebølger i et plasma .
En af hovedapplikationerne er opvarmning af plasma i fusionsfaciliteter med magnetisk plasmaindeslutning [2] . Det er især meningen, at ITER -installationen skal bruge 24 gyrotroner med en effekt på 0,6-1 MW, der opererer ved en frekvens på 170 GHz. Otte af dem skulle oprettes på GICOM- virksomheden i Nizhny Novgorod , otte mere - i Japan og otte mere - i Europa.
Gyrotroner anvendes også i spektroskopi .
Noter
- ↑ High-Magnetic-Field Research and Facilities Arkiveret 21. september 2014 på Wayback Machine (1979). Washington, DC: National Academy of Sciences. s. 51.
- ↑ IAP RAS. Gyrotroner til UTS . Hentet 21. april 2020. Arkiveret fra originalen 6. september 2021.
Litteratur
- Gyrotroner. Samling af videnskabelige artikler / V. A. Flyagin. - Gorky: IAP AN SSSR, 1980. - 248 s. - 250 eksemplarer. Arkiveret 8. april 2017 på Wayback Machine
- Gyrotroner. Samling af videnskabelige artikler / A. V. Gaponov-Grekhov . - Gorky: IAP AN SSSR, 1981. - 256 s. Arkiveret 6. april 2017 på Wayback Machine
- Gyrotroner. Samling af videnskabelige artikler / V. A. Flyagin. - Gorky: IAP AN SSSR, 1989. - 217 s. - 500 eksemplarer. Arkiveret 28. marts 2017 på Wayback Machine
Links
- Gyrotron - artikel fra Big Encyclopedic Dictionary
- Gyrotron - artikel fra Physical Encyclopedia
 Ordbøger og encyklopædier |
|---|
| Vakuum elektroniske enheder (undtagen katodestråle ) | ||
|---|---|---|
| Generator og forstærker lamper | ||
| Andet | ||
| Typer af ydeevne |
| |
| Strukturelle elementer |
| |