Gyrotron - Gyrotron
Um girotron é uma classe de tubos a vácuo de feixe linear de alta potência que gera ondas eletromagnéticas de ondas milimétricas pela ressonância do ciclotron de elétrons em um campo magnético forte . As frequências de saída variam de cerca de 20 a 527 GHz , cobrindo comprimentos de onda de microondas até a borda da lacuna de terahertz . As potências de saída típicas variam de dezenas de quilowatts a 1–2 megawatts . Os girotrons podem ser projetados para operação pulsada ou contínua. O girotron foi inventado por cientistas soviéticosna NIRFI , com sede em Nizhny Novgorod , Rússia .
Princípio da Operação
O girotron é um tipo de maser de elétrons livres que gera radiação eletromagnética de alta frequência por ressonância ciclotron estimulada de elétrons que se movem através de um forte campo magnético. Ele pode produzir alta potência em comprimentos de onda milimétricos porque, como um dispositivo de onda rápida, suas dimensões podem ser muito maiores do que o comprimento de onda da radiação. Isso é diferente dos tubos de vácuo de microondas convencionais , como clístrons e magnetrons , nos quais o comprimento de onda é determinado por uma cavidade ressonante monomodo , uma estrutura de onda lenta e , assim, conforme as frequências de operação aumentam, as estruturas da cavidade ressonante devem diminuir de tamanho, o que limita sua capacidade de manuseio de energia.
No girotron, um filamento quente em um canhão de elétrons em uma extremidade do tubo emite um feixe de elétrons em forma anular (tubular oco) , que é acelerado por um ânodo de alta voltagem e, em seguida, viaja através de uma grande estrutura de cavidade ressonante tubular em um forte campo magnético axial , geralmente criado por um ímã supercondutor ao redor do tubo. O campo faz com que os elétrons se movam helicoidalmente em círculos estreitos ao redor das linhas do campo magnético à medida que viajam longitudinalmente através do tubo. Na posição no tubo onde o campo magnético atinge seu máximo, os elétrons irradiam ondas eletromagnéticas em uma direção transversal (perpendicular ao eixo do tubo) em sua frequência de ressonância do cíclotron. A radiação milimétrica forma ondas estacionárias no tubo, que atua como uma cavidade ressonante aberta , e é formada em um feixe, que irradia através de uma janela na lateral do tubo em um guia de ondas . O feixe de elétrons gasto é absorvido por um eletrodo coletor na extremidade do tubo.
Como em outros tubos de microondas de feixe linear, a energia das ondas eletromagnéticas de saída vem da energia cinética do feixe de elétrons, que se deve à tensão anódica em aceleração. Na região anterior à cavidade ressonante onde a intensidade do campo magnético está aumentando, ele comprime o feixe de elétrons, convertendo a velocidade de deriva longitudinal em velocidade orbital transversal, em um processo semelhante ao que ocorre em um espelho magnético usado no confinamento de plasma . A velocidade orbital dos elétrons é 1,5 a 2 vezes a velocidade do feixe axial. Devido às ondas estacionárias na cavidade ressonante, os elétrons se tornam "agrupados"; ou seja, sua fase torna-se coerente (sincronizada) de forma que todos estejam no mesmo ponto em sua órbita ao mesmo tempo. Portanto, eles emitem radiação coerente .
A velocidade do elétron em um girotron é ligeiramente relativística (na ordem de, mas não perto da velocidade da luz). Isso contrasta com o laser de elétrons livres (e xaser ), que trabalha com princípios diferentes e cujos elétrons são altamente relativísticos.
Formulários
Os girotrons são usados para muitas aplicações de aquecimento industriais e de alta tecnologia. Por exemplo, os girotrons são usados em experimentos de pesquisa de fusão nuclear para aquecer plasmas e também na indústria de manufatura como uma ferramenta de aquecimento rápido no processamento de vidro, compósitos e cerâmicas, bem como para recozimento (solares e semicondutores). As aplicações militares incluem o Active Denial System .
Tipos
A janela de saída do tubo de onde o feixe de microondas emerge pode estar em dois locais. No girotron de saída transversal, o feixe sai por uma janela na lateral do tubo. Isso requer um espelho de 45 ° no final da cavidade para refletir o feixe de micro-ondas, posicionado de um lado para que o feixe de elétrons o perca. No girotron de saída axial, o feixe sai por uma janela na extremidade do tubo na extremidade oposta do eletrodo coletor cilíndrico que coleta os elétrons.
O girotron original desenvolvido em 1964 era um oscilador, mas desde então foram desenvolvidos amplificadores de girotron . O feixe de elétrons do girotron helicoidal pode amplificar um sinal de microondas aplicado de forma semelhante à maneira como um feixe de elétrons direto amplifica em tubos de microondas clássicos, como o clístron, portanto, há uma série de girotrons que funcionam de forma análoga a esses tubos. Sua vantagem é que podem operar em frequências muito mais altas. O giro-monotron (giro-oscilador) é um girotron de cavidade única que funciona como um oscilador. Um giro-clístron é um amplificador que funciona de forma análoga a um tubo clístron . Tem duas cavidades de micro-ondas ao longo do feixe de elétrons, uma cavidade de entrada a montante para a qual o sinal a ser amplificado é aplicado e uma cavidade de saída a jusante da qual a saída é retirada. Um giro-TWT é um amplificador que funciona de forma análoga a um tubo de onda viajante (TWT). Ele tem uma estrutura de onda lenta semelhante a um TWT paralelo ao feixe, com o sinal de micro-ondas de entrada aplicado na extremidade a montante e o sinal de saída amplificado retirado da extremidade a jusante. Um giro-BWO é um oscilador que funciona de forma análoga a um oscilador de onda reversa (BWO). Ele gera oscilações que viajam em uma direção oposta ao feixe de elétrons, que são emitidos na extremidade a montante do tubo. Um giro-twystron é um amplificador que funciona de forma análoga a um twystron , uma válvula que combina um clístron e um TWT. Como um clístron, ele tem uma cavidade de entrada na extremidade a montante, seguida por cavidades de buncher para agrupar os elétrons, que são seguidos por uma estrutura de onda lenta do tipo TWT que desenvolve o sinal de saída amplificado. Como um TWT, ele tem uma largura de banda ampla.
Fabricantes
O girotron foi inventado na União Soviética . Os fabricantes atuais incluem Communications & Power Industries (EUA), Gycom (Rússia), Thales Group (UE), Toshiba (Japão, agora Canon, Inc. , também do Japão) e Bridge12 Technologies . Os desenvolvedores de sistema incluem a tecnologia Gyrotron .
Veja também
Referências
links externos
- Gyrotron
- Kupiszewski, A. (1979). "The Gyrotron: A High Frequency Microwave Amplifier" (PDF) . O Relatório de Progresso da Rede do Espaço Profundo . 42 (52): 8–12. Bibcode : 1979dsn..nasa .... 8K . Código NASA 310-10-64-10.