Gyrotron

Gyrotron on sähkötyhjiömikroaaltogeneraattori , joka on eräänlainen syklotroniresonanssimaser . Mikroaaltosäteilyn lähde on voimakkaassa magneettikentässä pyörivä elektronisuihku . Säteilyä syntyy taajuudella, joka on yhtä suuri kuin syklotronitaajuus resonaattorissa , jonka kriittinen taajuus on lähellä syntyvää. Gyrotron keksittiin Neuvostoliitossa [1] NIRFI : ssä Gorkin kaupungissa (nykyinen Nižni Novgorod).

Se lähettää aaltoja taajuuksilla 20-1300 GHz . Teho - 1 kW - 1-2 MW. Relativistiset gyrotronit voivat tuottaa säteilyä, jonka teho on jopa 10 MW.

Kuinka se toimii

Gyrotron on eräänlainen syklotroniresonanssimaser . Tämä tarkoittaa, että sen työ perustuu ulkoiseen magneettikenttään sijoitettujen ja säteilytaajuutta vastaavalla syklotronitaajuudella pyörivien vapaiden elektronien stimuloidun emission vaikutukseen .

Gyrotronin toimintaperiaatteen selitys on mahdollista sekä kvantti- että klassisesta näkökulmasta.

Kvantin näkökulmasta magneettikenttään sijoitettu elektroni on harmoninen oskillaattori , jonka energiatasot ovat hyvin tunnetut Landau-tasot . Ei-relativistisessa approksimaatiossa Landaun energiatasot ovat yhtä kaukana toisistaan, mikä tarkoittaa, että stimuloidun emission ja elektronien säteilyn resonanssiabsorption todennäköisyydet ovat keskenään yhtä suuret, joten säteilyn muodostuminen on mahdotonta. On olemassa erilaisia tapoja rikkoa tätä tasa-arvoa, mutta gyrotronit käyttävät perustavanlaatuista tasojen epätasaväliä relativististen vaikutusten vuoksi . Tässä tapauksessa elektronien itsensä nopeudet ovat yleensä paljon pienemmät kuin valon nopeus , joten tämä epätasaisuus on pieni. Jotta laserointi olisi mahdollista tällaisissa olosuhteissa, vaaditaan, että absorptio- ja emissioviivat ovat riittävän kapeat. Yleensä tätä ei voida saavuttaa näiden linjojen Doppler -levennyksen vuoksi. Kuitenkin resonaattoreissa, jotka toimivat lähellä kriittistä taajuutta (eli taajuutta, jonka alapuolella aaltojen eteneminen tietyssä resonaattorissa on mahdotonta), aallon aaltovektori on käytännössä kohtisuorassa magneettikenttään nähden ja Doppler-ilmiö käytännössä puuttuu. Siten on mahdollista toteuttaa klassinen stimuloidun emission järjestelmä järjestelmässä, jonka spektri ei ole yhtä kaukana, kuten maserit ja atomilaserit .

Klassisesta näkökulmasta gyrotroneissa muodostuminen selittyy magneettikentässä pyörivän elektronisäteen epävakaudella sähkömagneettisen aallon läsnä ollessa resonanssitaajuudella, mikä johtaa elektronien vaihekertymiseen ja aallon vahvistumiseen. Tässä tapauksessa elektronien ja säteilyn välinen vaihesovitusehto on muotoa

\omega -k_{\parallel }v_{\parallel }\approx s\omega _{\text{c)),

missä ω on säteilytaajuus, ω c on syklotronitaajuus, ovat pituussuuntainen (suhteessa magneettikentän suuntaan) säteilyn aaltovektori ja elektronin nopeus, . Gyrotroneissa tämä ehto täyttyy toimimalla taajuuksilla, jotka ovat lähellä resonaattorin kriittisiä taajuuksia, joille ( on valon nopeus ), joten Doppler-ilmiöstä johtuva lisäaine on pieni, mikä lisää laitteen tehokkuutta. Tyypillisesti gyrotronit toimivat syklotronitaajuuden ensimmäisellä harmonisella ( ), mutta generointi useilla taajuuksilla on myös mahdollista. $k_{\parallel },v_{\parallel }$ $s=\pm 1,\pm 2,\dots$ $\omega /k_{\parallel }\gg c$ $c$ ${\displaystyle k_{\parallel }v_{\parallel ))$ $s=1$

Aaltoputkien teoriasta tiedetään, että aaltoputken kriittinen tila heijastuu lähes kokonaan jopa avoimesta päästä. Säteilyä tapahtuu vain diffraktiosta . Koska gyrotronit toimivat lähellä kriittisiä taajuuksia, tämä mahdollistaa avoimien resonaattoreiden käytön laitteessa , mikä on yksi gyrotronien eduista. Nykyaikaisissa gyrotroneissa käytetään myös emittoidun säteilyn erityistä muuntamista Gaussin säteeksi erityismuotoisten kaarevien peilien käytön vuoksi.

Tärkeä gyrotronin toiminnan kannalta on elektronilähteen laite - katodi . Jotta elektronit voisivat tehokkaasti luopua säteilyenergiastaan, niillä on oltava merkittävät poikittaisnopeudet. Tämä voidaan saavuttaa vain, jos katodin pinnalla on riittävän suuri sähkökenttä poikittain magneettikenttään nähden. Siksi gyrotronien katodit toimivat kaukana tilavarauksen kyllästymistilasta.

Sovellus

Ensimmäinen gyrotronien sovellus oli mikroaaltoaaltojen itsefokusoitumisen vaikutuksen havainnointi plasmassa .

Yksi tärkeimmistä sovelluksista on plasman lämmitys fuusiolaitoksissa , joissa on magneettinen plasmarajoitus [2] . Erityisesti ITER -laitteiston on tarkoitus käyttää 24 gyrotronia, joiden teho on 0,6-1 MW ja jotka toimivat 170 GHz:n taajuudella. Kahdeksan niistä pitäisi luoda GICOM- yritykseen Nizhny Novgorodissa , kahdeksan muuta - Japanissa ja kahdeksan muuta - Euroopassa.

Gyrotroneja käytetään myös spektroskopiassa .

Muistiinpanot

↑ High-Magnetic-Field Research and Facilies Arkistoitu 21. syyskuuta 2014 Wayback Machinessa (1979). Washington, DC: National Academy of Sciences. s. 51.
↑ IAP RAS. Gyrotronit UTS:lle . Haettu 21. huhtikuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 6. syyskuuta 2021. (määrätön)

Kirjallisuus

Gyrotronit. Kokoelma tieteellisiä artikkeleita / V. A. Flyagin. - Gorki: IAP AN SSSR, 1980. - 248 s. - 250 kappaletta. Arkistoitu 8. huhtikuuta 2017 Wayback Machineen
Gyrotronit. Kokoelma tieteellisiä artikkeleita / A. V. Gaponov-Grekhov . - Gorki: IAP AN SSSR, 1981. - 256 s. Arkistoitu 6. huhtikuuta 2017 Wayback Machineen
Gyrotronit. Kokoelma tieteellisiä artikkeleita / V. A. Flyagin. - Gorki: IAP AN SSSR, 1989. - 217 s. -500 kappaletta . Arkistoitu 28. maaliskuuta 2017 Wayback Machineen

Linkit

Gyrotron - artikkeli Big Encyclopedic Dictionarysta
Gyrotron - artikkeli Physical Encyclopediasta

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Hienoa norjalaista Britannica (verkossa)

Elektroniset tyhjiölaitteet (paitsi katodisäde )
Generaattori ja vahvistinlamput	Triodi tetrodi palkki tetrodi Pentode heksod heptodi Pentagrid lokakuu Nonod Magnetron Amplitron Platinotron Virkator Klystron Matkustava aaltolamppu Backwave lamppu Gyrotron
Muut	Sähkötyhjiödiodi Kenotron röntgenputki Tyhjiöfluoresoiva ilmaisin Maaginen silmä Tyhjiövalokenno kuvanvahvistinputki Valokuvan monistin Toissijainen elektronikerroin Selectron mekatroni
Suoritustyypit	Octal Sormi Rod Nuvistor tammenterho Mayachkovaya Metalli-keramiikka Yhdistetty
Rakenteelliset elementit	Anodi Katodi suora hehku Epäsuora hehku kenttäpäästöt Valokatodi Dinod Lämmitin Ruudukko johtaja Antidynatron Suojaus katodinen Getter sokkeli