Ein Gyrotron ist eine Form der Elektronenröhre oder Vakuumröhre, die oft als Zyklotron-Resonanz-Maser bezeichnet wird, da eine ihrer häufigsten Anwendungen in der Hochenergiephysik-Forschung in Zyklotronen liegt. Der Vorteil eines Gyrotrons besteht darin, dass es bei sehr kleinen Wellenlängen von nur wenigen Millimetern enorme Mengen an Hochfrequenzenergie (HF) im Megawatt-Bereich erzeugen kann, was mit Standard-Vakuumröhren nicht möglich ist. Der Prozess kann eine enorme Wärmemenge erzeugen, die zum Sintern von Keramik oder zum Erhitzen von Plasma in Fusionsforschungsreaktoren genutzt werden kann. Gyrotrons werden auch direkt in der Kernspinresonanz (NMR)-Bildgebung zur Beobachtung quantenmechanischer Effekte auf atomarer Ebene oder in der Magnetresonanzmikroskopie (MRT) für medizinische Diagnosen eingesetzt.
Das Funktionsprinzip eines Gyrotrons wurde erstmals Ende der 1950er Jahre theoretisch aufgebaut, als relativistische Effekte der Elektronenenergie zum ersten Mal in Zyklotronen untersucht wurden. Durch das Injizieren von Elektronenströmen in das elektromagnetische Feld eines Zyklotrons mit gleicher Frequenz wurde ein Effekt beobachtet, der als negative Masseninstabilität bekannt ist. Der Elektronenstrom würde dazu neigen, sich von einem Standard-Gyroradius oder Larmor-Radius zu bündeln, wodurch die Elektronen verlangsamt werden und kinetische Energie in dem Prozess als Hochfrequenzenergie oder Strahlung im Millimeterwellenbereich freisetzen.
Frühe Elektronen-Zyklotron-Resonanzenergien zeigten das Potenzial, Plasmen in der Fusionsforschung zu erhitzen, aber die Technologie und das wissenschaftliche Verständnis, um ein Gyrotronsystem zu schaffen, das dazu zuverlässig in der Lage war, wurde erst im ersten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts zu einer ausgereiften Wissenschaft. Mit fortschreitender Wissenschaft und Technologie teilten sich die Gyrotronanwendungen in hochenergetische Megawatt-Systeme für die Fusionsforschung und niederenergetische 10- bis 1,000-Watt-Systeme für die NMR-Spektroskopie auf. Dort wo die Geräte Terahertzstrahlung im Bereich von 100 Gigahertz bis 1 Terahertz erzeugen, werden sie in industriellen Anwendungen wie der Plasmadiagnostik und der Hochtemperaturerhitzung keramischer Massen eingesetzt. Die Forschung in Japan hat auch die Effizienz von Gyrotrongeräten mittlerer bis hoher Leistung seit 50 um 1994 % erhöht, indem ein integrierter Modenwandler verwendet wurde, um Elektronenstrahlenergie effizienter in Wärme umzuwandeln.
Da ein Gyrotron eine Form der Mikrowellenverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission (MASER) oder ein Freie-Elektronen-Laser ist, der elektromagnetische Felder erzeugt, hat es eine gewisse Ähnlichkeit mit dem Funktionsprinzip eines Standard-Mikrowellenofens. Ein tragbares Gyrotron kann in einem Frequenzbereich von typischerweise 2 bis 235 Gigahertz betrieben werden, was ihn zu nützlichen Geräten für nicht-tödliche Waffensysteme macht, die das US-Militär als Active Denial System (ADS)-Technologie bezeichnet. Ein auf einem Gyrotron basierendes ADS-Gerät kann gezielt gegen den Menschen eingesetzt werden, indem es Wassermoleküle unter der Haut erhitzt, ohne das Gewebe dauerhaft zu schädigen. Dies wirkt als abschreckendes Feld, das theoretische Anwendungen in der Massenkontrolle hat, um Aufstände zu verhindern oder feindliche Soldaten oder Zivilisten davon abzuhalten, sich militärischen Einrichtungen und abgeschossenen Flugzeugen zu nähern.