جيروترون

الموسوعة الحرة
جهاز جيروترون عالي الطاقة بتردد 140 جيجاهرتز لتسخين البلازما في تجربة الاندماج النووي Wendelstein 7-X ، ألمانيا.

الجيروترون هو نوع من أنابيب التفريغ ذات الحزمة الخطية عالية القدرة ، يُولّد موجات كهرومغناطيسية بالمليمتر عن طريق رنين السيكلوترون للإلكترونات في مجال مغناطيسي قوي . تتراوح ترددات الخرج من حوالي 20 إلى 527 جيجاهرتز ، [ 1 ] [ 2 ] لتغطي أطوال موجية من الموجات الميكروية إلى حافة فجوة التيراهيرتز . تتراوح قدرات الخرج النموذجية من عشرات الكيلوواط إلى 1-2 ميجاواط . يمكن تصميم الجيروترون للتشغيل النبضي أو المستمر. اخترع الجيروترون علماء سوفييت [ 3 ] في معهد أبحاث الأشعة تحت الحمراء (NIRFI) في نيجني نوفغورود ، روسيا .

مبدأ

الجيروترون نوع من أنواع الميزر الإلكتروني الحر ، يُولّد إشعاعًا كهرومغناطيسيًا عالي التردد عن طريق رنين السيكلوترون المُحفّز للإلكترونات المتحركة عبر مجال مغناطيسي قوي. [ 4 ] [ 5 ] يُمكنه إنتاج طاقة عالية بأطوال موجية مليمترية، لأنه، كجهاز موجات سريعة ، يُمكن أن تكون أبعاده أكبر بكثير من طول موجة الإشعاع. وهذا يختلف عن أنابيب التفريغ الميكروية التقليدية ، مثل الكليسترون والماغنيترون ، حيث يُحدد طول الموجة بواسطة تجويف رنيني أحادي النمط ، وهو بنية موجات بطيئة . وبالتالي، مع ازدياد ترددات التشغيل، يجب أن تصغر هياكل التجويف الرنيني، مما يحد من قدرتها على معالجة الطاقة .

صورة مقطعية لجهاز الجيروترون (على اليمين) (على اليسار). يظهر مسار الإلكترون باللون الأزرق، والإشعاع الميكروي الناتج باللون الوردي.

في جهاز الجيروترون، يُصدر خيط ساخن في مدفع إلكتروني (1) عند أحد طرفي الأنبوب حزمة إلكترونية حلقية الشكل (أنبوبية مجوفة) ( 6)، تُسرّع بواسطة مصعد تيار مستمر عالي الجهد ، ثم تنتقل عبر تجويف رنيني أنبوبي كبير (2) في مجال مغناطيسي محوري قوي ، يُولّد عادةً بواسطة مغناطيس فائق التوصيل حول الأنبوب (8). يتسبب هذا المجال في حركة الإلكترونات بشكل حلزوني في دوائر ضيقة حول خطوط المجال المغناطيسي أثناء انتقالها طوليًا عبر الأنبوب. عند الموضع الذي يصل فيه المجال المغناطيسي إلى أقصى قيمة له في الأنبوب (2)، تُشعّ الإلكترونات موجات كهرومغناطيسية موازية لمحور الأنبوب، بتردد رنين السيكلوترون الخاص بها. يُشكّل الإشعاع المليمتر موجات مستقرة في الأنبوب، الذي يعمل كجوف رنيني مفتوح الطرف ، ويتشكل في حزمة. يُحوَّل الشعاع بواسطة مُحوِّل الأنماط ، ثم ينعكس بواسطة مرايا (4) تُوجِّهه عبر نافذة (5) في جانب الأنبوب إلى دليل موجي للموجات الميكروية . يمتص قطب جامع حزمة الإلكترونات المستهلكة عند نهاية الأنبوب (3). [ 4 ] [ 6 ]

كما هو الحال في أنابيب الميكروويف الأخرى ذات الحزمة الخطية، تأتي طاقة الموجات الكهرومغناطيسية الخارجة من الطاقة الحركية لحزمة الإلكترونات، والناتجة عن جهد الأنود المتسارع. في المنطقة التي تسبق تجويف الرنين، حيث تزداد شدة المجال المغناطيسي، يضغط المجال حزمة الإلكترونات، محولًا سرعة الانجراف الطولية إلى سرعة مدارية عرضية، في عملية مشابهة لتلك التي تحدث في المرآة المغناطيسية المستخدمة في حصر البلازما . [ 5 ] تبلغ السرعة المدارية للإلكترونات من 1.5 إلى 2 ضعف سرعتها المحورية. وبسبب الموجات المستقرة في تجويف الرنين، تتجمع الإلكترونات؛ أي يصبح طورها متماسكًا (متزامنًا)، فتتواجد جميعها في نفس النقطة في مدارها في نفس الوقت. ولذلك، فإنها تُصدر إشعاعًا متماسكًا .

سرعة الإلكترون في الجيروترون نسبية قليلاً (في حدود سرعة الضوء، ولكنها ليست قريبة منها). وهذا يختلف عن ليزر الإلكترون الحر ( واليزر الإلكتروني ) اللذين يعملان وفق مبادئ مختلفة، وتكون إلكتروناتهما نسبية للغاية.

التطبيقات

تُستخدم أجهزة الجيروترون في العديد من تطبيقات التسخين الصناعية والتقنية المتقدمة. على سبيل المثال، تُستخدم في تجارب أبحاث الاندماج النووي لتسخين البلازما ، وفي الصناعات التحويلية كأداة تسخين سريعة في معالجة الزجاج والمواد المركبة والسيراميك، بالإضافة إلى عمليات التلدين (للطاقة الشمسية وأشباه الموصلات). وتشمل التطبيقات العسكرية نظام الردع النشط .

الأنواع

يمكن أن تكون نافذة إخراج أنبوب شعاع الموجات الميكروية في موقعين. في الجيروترون ذي الإخراج العرضي، يخرج الشعاع من نافذة على جانب الأنبوب. يتطلب هذا وجود مرآة بزاوية 45 درجة في نهاية التجويف لعكس شعاع الموجات الميكروية، موضوعة على أحد الجانبين بحيث لا يصطدم بها شعاع الإلكترونات. أما في الجيروترون ذي الإخراج المحوري، فيخرج الشعاع من نافذة في نهاية الأنبوب عند الطرف البعيد لقطب التجميع الأسطواني الذي يجمع الإلكترونات.

كان الجيروترون الأصلي، الذي طُوّر عام ١٩٦٤، مذبذبًا، ولكن منذ ذلك الحين، طُوّرت مُضخّمات الجيروترون. يستطيع شعاع الإلكترونات الحلزوني في الجيروترون تضخيم إشارة الميكروويف المُطبقة بطريقة مشابهة لتضخيم شعاع الإلكترونات المستقيم في أنابيب الميكروويف التقليدية مثل الكليسترون ، لذا توجد سلسلة من الجيروترونات التي تعمل بشكل مماثل لهذه الأنابيب. وتكمن ميزتها في قدرتها على العمل بترددات أعلى بكثير. الجيرو-مونوترون (مذبذب الجيرو) هو جيروترون أحادي التجويف يعمل كمذبذب. أما الجيرو-كليسترون فهو مُضخّم يعمل بشكل مماثل لأنبوب الكليسترون ، ويحتوي على تجويفين للميكروويف على طول شعاع الإلكترونات؛ تجويف إدخال في اتجاه التيار تُطبق عليه الإشارة المراد تضخيمها، وتجويف إخراج في اتجاه التيار تُؤخذ منه الإشارة المُخرجة. أما الجيرو-TWT فهو مُضخّم يعمل بشكل مماثل لأنبوب الموجة المتنقلة (TWT). يتميز هذا الجهاز ببنية موجية بطيئة مشابهة لأنبوب الموجة المتحركة (TWT) موازية للشعاع، حيث تُطبق إشارة الميكروويف الداخلة على الطرف العلوي، وتُؤخذ إشارة الخرج المُضخمة من الطرف السفلي. يُعدّ مذبذب الموجة العكسية الجيروسكوبي (gyro-BWO) مذبذبًا يعمل بشكل مشابه لمذبذب الموجة العكسية (BWO). فهو يُولّد تذبذبات تنتقل في اتجاه معاكس لشعاع الإلكترونات، الذي يُخرج من الطرف العلوي للأنبوب. أما مضخم الجيروسكوبي-تويسترون (gyro-twystron) فهو مُضخّم يعمل بشكل مشابه للتويسترون ، وهو أنبوب يجمع بين خصائص الكليسترون وأنبوب الموجة المتحركة (TWT). وكما هو الحال في الكليسترون، يحتوي على تجويف إدخال في الطرف العلوي، يليه تجاويف تجميع لتجميع الإلكترونات، ثم بنية موجية بطيئة من نوع أنبوب الموجة المتحركة (TWT) لتوليد إشارة الخرج المُضخمة. وكما هو الحال في أنبوب الموجة المتحركة (TWT)، يتميز بنطاق ترددي واسع.

المصنعين

تم اختراع الجيروترون في الاتحاد السوفيتي . [ 7 ] ومن بين الشركات المصنعة الحالية: شركة الاتصالات وصناعات الطاقة (الولايات المتحدة الأمريكية)، وشركة جيكوم (روسيا)، ومجموعة تاليس (الاتحاد الأوروبي)، وشركة كيوتو فيوجنيرينغ (اليابان)، وشركة توشيبا (اليابان، وهي الآن شركة كانون، [ 8 ] وهي أيضاً من اليابان)، وشركة بريدج 12 تكنولوجيز . ومن بين مطوري الأنظمة شركة جيروترون تكنولوجي .

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ ريتشاردز، مارك أ.؛ ويليام أ. هولم (2010). "مصادر الطاقة والمضخمات" . مبادئ الرادار الحديث: المبادئ الأساسية . دار سايتك للنشر، 2010. ص  360. ISBN 978-1891121524.
  2. ↑ بلانك، م.؛ بورشارد، ب.؛ كوفمان، س.؛ فيلش، ك.؛ روزاي، م.؛ توميتش، ل. (2013-06-01). "عرض تجريبي لجيروترون بتردد 527 جيجاهرتز للاستقطاب النووي الديناميكي". ملخصات مؤتمر IEEE الدولي لعلوم البلازما (ICOPS) لعام 2013. ص 1. doi : 10.1109/PLASMA.2013.6635226 . ISBN  978-1-4673-5171-3. S2CID 31007942 . 
  3. ↑ أبحاث ومرافق المجال المغناطيسي العالي (1979). واشنطن العاصمة: الأكاديمية الوطنية للعلوم. ص 51.
  4. 1 2 "ما هو الجيروترون؟" . شركة بريدج 12 للتكنولوجيا . تم الاطلاع عليه بتاريخ 12 نوفمبر 2022 .
  5. 1 2 نوسينوفيتش، جي إس (حوالي 1990). "مراجعة لنظرية الجيروترون" (ملف PDF) . وقائع مؤتمرات EPJ . KfK 4898. 149 : 04018. Bibcode : 2017EPJWC.14904018N . doi : 10.1051/epjconf/201714904018 . تاريخ الاسترجاع: 8 مايو 2026 .
  6. ↑ "الملامح العامة للجيروترون" . مدرسة البوليتكنيك الفيدرالية في لوزان . تم الاسترجاع في 12 نوفمبر 2022 .
  7. ↑ المجلس الوطني للبحوث (الولايات المتحدة). لجنة أبحاث ومرافق المجالات المغناطيسية العالية (1979). "تكنولوجيا الدفاع - الإشعاع عالي التردد" . أبحاث ومرافق المجالات المغناطيسية العالية . واشنطن العاصمة: الأكاديمية الوطنية للعلوم. الصفحات 50-51 . ISBN  9780309304351. OCLC 13876197 . 
  8. ↑ ثوم، مانفريد (2020). "أحدث ما توصلت إليه أجهزة الجيروسكوب عالية الطاقة وأجهزة الميزر الإلكترونية الحرة" . مجلة الأشعة تحت الحمراء . 41 (1): 1. Bibcode : 2020JIMTW..41....1T . doi : 10.1007/s10762-019-00631-y . S2CID 209747370 .