Gyrotron - Gyrotron
Un gyrotron est une classe de tubes à vide à faisceau linéaire de haute puissance qui génère des ondes électromagnétiques à ondes millimétriques par la résonance cyclotron des électrons dans un champ magnétique puissant . Les fréquences de sortie vont d'environ 20 à 527 GHz , couvrant des longueurs d'onde allant des micro-ondes jusqu'au bord de l' espace térahertz . Les puissances de sortie typiques vont de dizaines de kilowatts à 1 à 2 mégawatts . Les gyrotrons peuvent être conçus pour un fonctionnement pulsé ou continu. Le gyrotron a été inventé par des scientifiques soviétiques du NIRFI , basé à Nijni Novgorod , en Russie .
Principe d'opération
Le gyrotron est un type de maser à électrons libres qui génère un rayonnement électromagnétique à haute fréquence par résonance cyclotron stimulée d'électrons se déplaçant à travers un champ magnétique puissant. Il peut produire une puissance élevée à des longueurs d'onde millimétriques car, en tant que dispositif à ondes rapides , ses dimensions peuvent être beaucoup plus grandes que la longueur d'onde du rayonnement. Ceci est différent des tubes à vide à micro-ondes conventionnels tels que les klystrons et les magnétrons , dans lesquels la longueur d'onde est déterminée par une cavité résonante monomode , une structure à ondes lentes , et donc à mesure que les fréquences de fonctionnement augmentent, les structures de la cavité résonante doivent diminuer en taille, ce qui limite leur capacité de tenue en puissance.
Dans le gyrotron, un filament chaud dans un canon à électrons à une extrémité du tube émet un faisceau d' électrons de forme annulaire (tube creux) , qui est accéléré par une anode à haute tension , puis se déplace à travers une grande structure tubulaire à cavité résonante dans un champ magnétique axial fort , généralement créé par un aimant supraconducteur autour du tube. Le champ amène les électrons à se déplacer en hélice en cercles serrés autour des lignes de champ magnétique lorsqu'ils se déplacent dans le sens de la longueur à travers le tube. A l'endroit du tube où le champ magnétique atteint son maximum, les électrons rayonnent des ondes électromagnétiques dans une direction transversale (perpendiculaire à l'axe du tube) à leur fréquence de résonance cyclotron. Le rayonnement millimétrique forme des ondes stationnaires dans le tube, qui agit comme une cavité résonante à extrémité ouverte , et est formé en un faisceau, qui rayonne à travers une fenêtre sur le côté du tube dans un guide d'ondes . Le faisceau d'électrons épuisé est absorbé par une électrode collectrice à l'extrémité du tube.
Comme dans les autres tubes hyperfréquences à faisceau linéaire, l'énergie des ondes électromagnétiques de sortie provient de l' énergie cinétique du faisceau d'électrons, qui est due à l'accélération de la tension anodique. Dans la région avant la cavité résonante où l'intensité du champ magnétique augmente, il comprime le faisceau d'électrons, convertissant la vitesse de dérive longitudinale en vitesse orbitale transversale, dans un processus similaire à celui qui se produit dans un miroir magnétique utilisé dans le confinement du plasma . La vitesse orbitale des électrons est de 1,5 à 2 fois leur vitesse axiale du faisceau. En raison des ondes stationnaires dans la cavité résonnante, les électrons deviennent « regroupés » ; c'est-à-dire que leur phase devient cohérente (synchronisée) de sorte qu'ils sont tous au même point de leur orbite en même temps. Par conséquent, ils émettent un rayonnement cohérent .
La vitesse des électrons dans un gyrotron est légèrement relativiste (de l'ordre de mais pas proche de la vitesse de la lumière). Cela contraste avec le laser à électrons libres (et xaser ) qui fonctionnent sur des principes différents et dont les électrons sont très relativistes.
Applications
Les gyrotrons sont utilisés pour de nombreuses applications de chauffage industrielles et de haute technologie. Par exemple, les gyrotrons sont utilisés dans les expériences de recherche sur la fusion nucléaire pour chauffer les plasmas et également dans l'industrie manufacturière comme outil de chauffage rapide dans le traitement du verre, des composites et des céramiques, ainsi que pour le recuit (solaire et semi-conducteurs). Les applications militaires incluent le système de refus actif .
Les types
La fenêtre de sortie du tube d'où sort le faisceau hyperfréquence peut être à deux endroits. Dans le gyrotron à sortie transversale, le faisceau sort par une fenêtre sur le côté du tube. Cela nécessite un miroir à 45° à l'extrémité de la cavité pour réfléchir le faisceau de micro-ondes, positionné d'un côté pour que le faisceau d'électrons le manque. Dans le gyrotron à sortie axiale, le faisceau sort par une fenêtre à l'extrémité du tube à l'extrémité de l'électrode collectrice cylindrique qui collecte les électrons.
Le gyrotron original développé en 1964 était un oscillateur, mais depuis ce temps, des amplificateurs de gyrotron ont été développés. Le faisceau d'électrons du gyrotron hélicoïdal peut amplifier un signal micro-ondes appliqué de la même manière qu'un faisceau d'électrons droit s'amplifie dans des tubes à micro-ondes classiques tels que le klystron, il existe donc une série de gyrotrons qui fonctionnent de manière analogue à ces tubes. Leur avantage est qu'ils peuvent fonctionner à des fréquences beaucoup plus élevées. Le gyro-monotron (gyro-oscillateur) est un gyrotron à cavité unique qui fonctionne comme un oscillateur. Un gyro-klystron est un amplificateur qui fonctionne de manière analogue à un tube klystron . Possède deux cavités hyperfréquence le long du faisceau d'électrons, une cavité d'entrée en amont à laquelle est appliqué le signal à amplifier et une cavité de sortie en aval d'où est prélevée la sortie. Un gyro-TWT est un amplificateur qui fonctionne de manière analogue à un tube à ondes progressives (TWT). Il a une structure à ondes lentes similaire à un TOP parallèle au faisceau, avec le signal hyperfréquence d'entrée appliqué à l'extrémité amont et le signal de sortie amplifié pris à l'extrémité aval. Un gyro-BWO est un oscillateur qui fonctionne de manière analogue à un oscillateur à onde arrière (BWO). Il génère des oscillations se déplaçant en sens inverse du faisceau d'électrons, qui sont émises à l'extrémité amont du tube. Un gyro-twystron est un amplificateur qui fonctionne de manière analogue à un twystron , un tube qui combine un klystron et un TOP. Comme un klystron, il a une cavité d'entrée à l'extrémité amont suivie de cavités de groupage pour regrouper les électrons, qui sont suivies d'une structure à ondes lentes de type TOP qui développe le signal de sortie amplifié. Comme un TOP, il a une large bande passante.
Fabricants
Le gyrotron a été inventé en Union soviétique . Les fabricants actuels incluent Communications & Power Industries (États-Unis), Gycom (Russie), Thales Group (UE), Toshiba (Japon, maintenant Canon, Inc. , également du Japon) et Bridge12 Technologies . Les développeurs de systèmes incluent Gyrotron Technology .
Voir également
Les références
Liens externes
- Gyrotron
- Kupiszewski, A. (1979). « Le Gyrotron : Un amplificateur hyperfréquence à haute fréquence » (PDF) . Le rapport d'avancement du réseau Deep Space . 42 (52) : 8-12. Bibcode : 1979dsn..nasa .... 8K . Code NASA 310-10-64-10.