Un gyrotron est une forme de tube électronique ou de tube à vide qui est souvent appelé maser à résonance cyclotron en raison du fait que l’une de ses utilisations les plus fréquentes est la recherche en physique des hautes énergies dans les cyclotrons. L’avantage qu’offre un gyrotron est qu’il peut générer d’énormes quantités d’énergie radiofréquence (RF) dans la gamme des mégawatts à de très petites longueurs d’onde de quelques millimètres seulement, ce qui n’est pas possible pour les tubes à vide standard. Le processus peut générer une énorme quantité de chaleur, qui peut être utilisée pour fritter des céramiques ou chauffer du plasma dans des réacteurs de recherche sur la fusion. Les gyrotrons sont également directement employés en imagerie par résonance magnétique nucléaire (RMN) pour observer les effets de la mécanique quantique au niveau atomique ou en microscopie à résonance magnétique (IRM) pour les diagnostics médicaux.
Le principe du fonctionnement d’un gyrotron a été théoriquement composé pour la première fois à la fin des années 1950, lorsque les effets relativistes de l’énergie des électrons ont été étudiés pour la première fois dans les cyclotrons. En injectant des flux d’électrons dans le champ électromagnétique d’un cyclotron avec une fréquence égale, un effet connu sous le nom d’instabilité de masse négative a été observé. Le flux d’électrons aurait tendance à se regrouper à partir d’un gyrorayon standard ou d’un rayon de Larmor, provoquant la décélération des électrons et la libération d’énergie cinétique dans le processus sous forme d’énergie ou de rayonnement radiofréquence à longueur d’onde millimétrique.
Les premières énergies de résonance cyclotron électronique ont démontré le potentiel de chauffer des plasmas dans la recherche sur la fusion, mais la technologie et la compréhension scientifique pour créer un système de gyrotron capable de manière fiable ne sont devenues une science mature que dans la première décennie du 21e siècle. Au fur et à mesure que la science et la technologie progressaient, les applications du gyrotron se sont divisées en systèmes de mégawatts à haute énergie pour la recherche sur la fusion et en systèmes à faible énergie de 10 à 1,000 100 watts pour la spectroscopie RMN. Lorsque les appareils produisent un rayonnement térahertz dans la plage de 1 gigahertz à 50 terahertz, ils sont utilisés dans des applications industrielles telles que les diagnostics plasma et le chauffage à haute température de composés céramiques. La recherche au Japon a également augmenté l’efficacité des dispositifs gyrotron de moyenne à haute puissance de 1994 % à partir de XNUMX en utilisant un convertisseur de mode intégré pour convertir plus efficacement l’énergie du faisceau d’électrons en chaleur.
Étant donné qu’un gyrotron est une forme de dispositif d’amplification par micro-ondes par émission stimulée de rayonnement (MASER) ou de laser à électrons libres qui génère des champs électromagnétiques, il présente une certaine similitude avec le principe de fonctionnement d’un four à micro-ondes standard. Un gyrotron portable peut fonctionner dans une gamme de fréquences allant généralement de 2 à 235 gigahertz, ce qui en fait des dispositifs utiles pour les systèmes d’armes non létales que l’armée américaine appelle la technologie Active Denial System (ADS). Un dispositif ADS basé sur un gyrotron peut être ciblé contre les êtres humains avec pour effet qu’il chauffe les molécules d’eau sous la peau sans causer de dommages permanents aux tissus. Cela agit comme un champ de dissuasion qui a des applications théoriques dans le contrôle des foules pour empêcher les émeutes ou pour empêcher les soldats ou les civils ennemis de s’approcher des installations militaires et des avions abattus.