Girotrón

Un girotrón es una clase de tubos de vacío de haz lineal de alta potencia que generan ondas electromagnéticas de ondas milimétricas mediante la resonancia ciclotrónica de electrones en un campo magnético intenso . Las frecuencias de salida van desde 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 van desde decenas de kilovatios hasta 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 campo magnético intenso. ^{[ 4 ] [ 5 ]} Puede producir alta potencia en longitudes de onda milimétricas porque, como dispositivo de onda rápida , sus dimensiones pueden ser mucho mayores que la longitud de onda de la radiación. Esto es distinto de 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 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 anular (tubular hueco) (6), que es acelerado por un ánodo de CC de alto voltaje 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 cerrados alrededor de las líneas del campo magnético mientras viajan longitudinalmente a través del tubo. En la posición del tubo donde el campo magnético alcanza su máximo (2), los electrones irradian ondas electromagnéticas, paralelas al eje del tubo, a su frecuencia de resonancia ciclotrónica. La radiación milimétrica forma ondas estacionarias en el tubo, que actúa como una cavidad resonante abierta , y se transforma en un haz. El haz es convertido por un convertidor de modo y reflejado por espejos (4), que lo dirigen a través de una ventana (5) en el lateral del tubo hacia una guía de ondas de microondas . Un electrodo colector absorbe el haz de electrones gastado en el extremo del tubo (3). ^{[ 4 ] [ 6 ]}

Como 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 del ánodo acelerador. En la región anterior a la cavidad resonante donde aumenta la intensidad del campo magnético, este 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 con principios diferentes y cuyos electrones son altamente relativistas.

Los girotrones se utilizan en numerosas aplicaciones de calentamiento industrial y de alta tecnología. Por ejemplo, se emplean en experimentos de investigación de fusión nuclear para calentar plasmas y también en la industria manufacturera como herramienta de calentamiento rápido para el procesamiento de vidrio, materiales compuestos y cerámica, así como para el recocido (solar y de semiconductores). Entre las aplicaciones militares se incluye el Sistema de Denegación Activa .

La ventana de salida del tubo por donde emerge el haz de microondas puede estar ubicada en dos lugares. En el girotrón de salida transversal, el haz sale a través de una ventana en el lateral del tubo. Esto requiere un espejo de 45° en el extremo de la cavidad para reflejar el haz de microondas, colocado a un lado para que el haz de electrones no lo alcance. En el girotrón de salida axial, el haz sale a través de una ventana en el extremo del tubo, en el extremo opuesto 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 como un haz de electrones recto amplifica en 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 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 que se va a amplificar y una cavidad de salida aguas abajo de la que se toma la señal de salida. Un giro-TWT es un amplificador que funciona de forma análoga a un tubo de onda viajera (TWT). Tiene una estructura de onda lenta similar a un TWT paralela al haz, con la señal de microondas de entrada aplicada en el extremo aguas arriba y la señal de salida amplificada tomada del extremo aguas abajo. Un giro-BWO es un oscilador que funciona de forma análoga a un oscilador de onda inversa (BWO). Genera oscilaciones que viajan en dirección opuesta al haz de electrones, que se emite en el extremo aguas arriba del tubo. Un giro-twistrón es un amplificador que funciona de forma análoga a un twistrón , un tubo que combina un klistrón y un TWT. Al igual que un klistrón, tiene una cavidad de entrada en el extremo aguas arriba seguida de cavidades de agrupamiento para agrupar los electrones, que a su vez son seguidas por una estructura de onda lenta 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 . ^{[ 7 ]} Entre los fabricantes actuales se encuentran Communications & Power Industries (EE. UU.), Gycom (Rusia), Thales Group (UE), Kyoto Fusioneering (Japón), Toshiba (Japón, ahora Canon, Inc. , ^{[ 8 ]} también de Japón) y Bridge12 Technologies . Entre los desarrolladores del sistema se encuentra Gyrotron Technology .

• Resonancia ciclotrónica de electrones
• 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. Bibcode : 1979dsn..nasa....8K . Código de la NASA 310-10-64-10.