Gyrotron
Ein Gyrotron ist ein Vakuumröhrengerät, in dem Elektronen um ein von einer supraleitenden Spule erzeugtes Magnetfeld gewickelt, durch Hochgeschwindigkeits-Rotationsenergie beschleunigt und dann umgewandelt und als Hochleistungs-Millimeterwellen in einem Hohlraumresonator abgestrahlt werden.
Gyro, was auf Japanisch Rotation bedeutet, nutzt das CRM-Phänomen. CRM ist ein Phänomen, das als ‚Zyklotron-Resonanz-Maser‘ bezeichnet wird und bei dem die kinetische Energie von Elektronen, die durch elektromagnetische Kraft in Rotation versetzt werden, in elektromagnetische Wellen, die Mikrowellen, umgewandelt wird.
Das Millimeterwellenband bezieht sich auf das Radiowellenband mit einer Wellenlänge von 1 mm bis 10 mm und einer Frequenz von 30 GHz bis 300 GHz und ist ein Frequenzband mit hoher Linearität, das große Mengen an Informationen übertragen kann.
Anwendungen von Gyrotrons
Gyrotron werden in den folgenden Bereichen eingesetzt:
・Industrielle Bereiche: zum Sintern von Keramik
・Forschung und Entwicklung: für plasmatechnische Anwendungen (Heizung, Messung, etc.) in Fusionsversuchsanlagen auf Laborebene
・Sub-THz-Band: für Satellitenkommunikation, einfachen Funk, Teilnehmerfunkzugang (38-GHz-Band), verschiedene Fahrzeugradare, LiDAR, ADAS, automatisches Fahren, etc.
Gyrotron werden immer wieder für Anwendungen in verschiedenen Bereichen erforscht, da sie eine Quelle relativ hoher Leistung im Millimeterwellenband sind, das in Zukunft zunehmend für Beyond 5G/6G-Kommunikationsanwendungen genutzt werden dürfte.
Funktionsweise eines Gyrotrons
Die Funktionsweise eines Gyrotrons beruht auf dem Zyklotron-Resonanz-Maser-Phänomen. Bei dem Elektronen, die aus einer internen Elektronenkanone emittiert werden, beim Durchgang durch ein supraleitendes Magnetfeld eine spiralförmige kinetische Rotationsenergie erhalten und in einem Hohlraumresonator in elektromagnetische Wellenenergie hoher Leistung im Millimeterwellenbereich umgewandelt werden.
Elektronen, die aus einer Elektronenkanone mit hoher Spannung (ca. 100 kV) abgefeuert werden, erhalten eine schnelle Rotationsenergie, indem sie durch ein von einem supraleitenden Magneten (10 Tesla oder weniger) erzeugtes Magnetfeld geleitet werden. Nachdem die Elektronen Rotationsenergie gewonnen haben, bewegen sie sich spiralförmig auf den Kollektor in der Vakuumröhre zu, der sie schließlich aufnimmt.
Die spiralförmigen Elektronen treten mit der Energie der Elektronen in Resonanz, indem sie einen Resonator durchlaufen, der sich in der Mitte ihres Weges befindet. Ein Teil der Energie der mitschwingenden Elektronen verliert an kinetischer Energie. Die verlorene Energie wird in elektromagnetische Wellen umgewandelt.
Die erzeugten elektromagnetischen Wellen werden dann wiederholt reflektiert und schließlich über ein Fenster im Gyrotron, wie z. B. einen künstlichen Diamanten, aus dem Gyrotron ausgestrahlt. Auf diese Weise können sie als elektromagnetische Wellen mit hoher Leistung im Millimeterwellenbereich genutzt werden.
Weitere Informationen zu Gyrotron
1. Entwicklung der Kernfusion
Die Fusionstechnologie gilt als vielversprechende Technologie für die Energieerzeugung der Zukunft. Damit sie funktioniert, werden leistungsstarke Sub-THz-Millimeterwellen von den Gyrotrons zu einem etwa 100 m entfernten Fusionsreaktor übertragen, wo sie in das Plasma eingekoppelt werden, um es zu erhitzen. Dadurch wird eine Fusionsreaktion ausgelöst.
Der Internationale Thermonukleare Versuchsreaktor (ITER), ein internationales Gemeinschaftsprojekt unter der Leitung von Forschungsinstituten aus aller Welt zur Erzeugung sauberer Energie in naher Zukunft, soll im Jahr 2025 in Betrieb genommen werden. Die Entwicklung von Gyrotron zum Aufheizen und für verschiedene Messungen für Experimente in Fusionsanlagen wird ebenfalls aktiviert.
2. Gyrotron-Frequenzen
Eine der vielversprechendsten Fusionsanlagen, die derzeit entwickelt werden, ist der ‚Tokamak-Fusionsreaktor‘. In Anlagen mit diesem Reaktorkörper muss das Plasma im Inneren in einem extrem starken supraleitenden Magnetfeld auf sehr hohe Temperaturen erhitzt werden. Dabei ist die Stärke des supraleitenden Magnetfelds in der Mitte und am Rand des Fusionsreaktorkörpers unterschiedlich, sodass eine Konfiguration wünschenswert ist, die es ermöglicht, mehrere Resonanzschwingungsfrequenzen des Gyrotrons zu wählen, um das Innere des Reaktorkörpers möglichst umfassend und effektiv zu nutzen.
Im Jahr 2022 kündigte das japanische National Institute of Quantum Science and Technology (NIST) an, dass es mit Verbesserungen an den Geräten im Inneren des Gyrotrons, die derzeit entwickelt werden, möglich sein wird, einen Dauerbetrieb der 1-MW-Klasse für 300 Sekunden bei drei Millimeterwellenfrequenzen – 170 GHz/137 GHz/104 GHz – zu erreichen, um die praktische Anwendung der Kernfusion zu ermöglichen. Die Entwicklung der Gyrotron-Technologie hat einen Schritt auf dem Weg zur praktischen Anwendung der Kernfusion gemacht.
Was die Erhöhung der Schwingungsfrequenz von Gyrotronen auf höhere Frequenzen betrifft, so wurde 2005 durch Forschungs- und Entwicklungsarbeiten am Zentrum für Ferninfrarot-Entwicklung der Nationalen Universität Fukui eine Frequenz von 1013 GHz (Durchbruch zum THz-Band) erreicht, und die gemeinsame Forschung und Entwicklung wird beschleunigt, um Anwendungen in verschiedenen Forschungsbereichen in Japan und im Ausland zu entwickeln.