Un girotrone è una forma di tubo elettronico o tubo a vuoto che viene spesso indicato come un maser di risonanza ciclotronica a causa del fatto che uno dei suoi usi più frequenti è nella ricerca fisica delle alte energie nei ciclotroni. Il vantaggio offerto da un girotrone è che può generare enormi quantità di energia a radiofrequenza (RF) nell’intervallo dei megawatt a lunghezze d’onda molto piccole di pochi millimetri, cosa che non è possibile per i tubi a vuoto standard. Il processo può generare un’enorme quantità di calore, che può essere utilizzata per sinterizzare la ceramica o riscaldare il plasma nei reattori di ricerca sulla fusione. I girotroni sono anche impiegati direttamente nella risonanza magnetica nucleare (NMR) per osservare gli effetti della meccanica quantistica a livello atomico o nella microscopia a risonanza magnetica (MRI) per le diagnosi mediche.
Il principio alla base del funzionamento di un girotrone è stato composto per la prima volta alla fine degli anni ‘1950, quando per la prima volta si studiavano gli effetti relativistici dell’energia degli elettroni nei ciclotroni. Iniettando flussi di elettroni nel campo elettromagnetico di un ciclotrone con una frequenza uguale, è stato osservato un effetto noto come instabilità di massa negativa. Il flusso di elettroni tenderebbe a raggrupparsi da un raggio giroscopico standard o raggio di Larmor, causando la decelerazione degli elettroni e il rilascio di energia cinetica nel processo come energia o radiazione a radiofrequenza di lunghezza d’onda millimetrica.
Le prime energie di risonanza del ciclotrone elettronico hanno dimostrato il potenziale per riscaldare i plasmi nella ricerca sulla fusione, ma la tecnologia e la comprensione scientifica per creare un sistema girotrone che fosse affidabile in grado di farlo non sono diventate una scienza matura fino al primo decennio del 21° secolo. Con l’avanzare della scienza e della tecnologia, le applicazioni del girotrone si sono suddivise in sistemi di megawatt ad alta energia per la ricerca sulla fusione e sistemi a bassa energia da 10 a 1,000 watt per la spettroscopia NMR. Laddove i dispositivi producono radiazioni terahertz nell’intervallo da 100 gigahertz a 1 terahertz, vengono utilizzati in applicazioni industriali come la diagnostica al plasma e il riscaldamento ad alta temperatura di composti ceramici. La ricerca in Giappone ha anche aumentato del 50% l’efficienza dei dispositivi girotrone di fascia media e alta potenza a partire dal 1994 utilizzando un convertitore di modalità integrato per convertire in modo più efficiente l’energia del fascio di elettroni in calore.
Poiché un girotrone è una forma di amplificazione a microonde mediante dispositivo MASER (Stimolato a emissione di radiazioni) o laser a elettroni liberi che genera campi elettromagnetici, ha alcune somiglianze con il principio alla base del funzionamento di un forno a microonde standard. Un girotrone portatile può essere utilizzato in una gamma di frequenze tipicamente da 2 a 235 gigahertz, e questo li rende dispositivi utili per sistemi di armi non letali che le forze armate statunitensi chiamano tecnologia Active Denial System (ADS). Un dispositivo ADS basato su un girotrone può essere mirato contro gli esseri umani con l’effetto di riscaldare le molecole d’acqua sotto la pelle senza causare danni permanenti ai tessuti. Questo agisce come un campo deterrente che ha applicazioni teoriche nel controllo della folla per prevenire rivolte o per impedire a soldati o civili nemici di avvicinarsi alle installazioni militari e agli aerei abbattuti.