Qu’est-ce qu’un gyrotron ?
Un gyrotron est un appareil à tube à vide dans lequel des électrons sont enroulés autour d’un champ magnétique généré par une bobine supraconductrice, accélérés par une énergie de rotation à grande vitesse, puis convertis et émis sous forme de micro-ondes millimétriques de grande puissance dans un résonateur à cavité.
Gyro, qui signifie « rotation », utilise le phénomène ECR. Le ECR est un phénomène de maser à résonance cyclotron électronique, dans lequel l’énergie cinétique des électrons mis en rotation par une force électromagnétique est convertie en ondes électromagnétiques appelées micro-ondes.
La bande d’ondes millimétriques désigne la bande d’ondes radio de 1 mm à 10 mm de longueur d’onde et de 30 GHz à 300 GHz de fréquence. Il s’agit d’une bande de fréquences à haute linéarité, capable de transporter de grandes quantités d’informations.
Utilisations des gyrotrons
Les gyrotrons sont utilisés dans les applications suivantes :
- Domaines industriels
Frittage de céramique - Domaines de la recherche et du développement
Plasma (chauffage, mesure, etc.) dans les dispositifs expérimentaux de fusion dans les laboratoires - Bande sub-THz
Communications par satellite, radio simple, accès radio d’abonné (bande 38 GHz), divers radars automobiles, LiDAR, ADAS, conduite automatique, etc.
Les gyrotrons font l’objet d’études répétées en vue d’une application dans divers domaines, car ils constituent une source de puissance relativement élevée dans la bande des ondes millimétriques, qui devrait être de plus en plus utilisée pour les usages de communication dites « Beyond 5G/6G » à l’avenir.
Principe des gyrotrons
Le principe d’un gyrotron repose sur le phénomène de maser à résonance cyclotronique, dans lequel les électrons émis par un canon à électrons interne acquièrent une énergie cinétique de rotation hélicoïdale lorsqu’ils traversent un champ magnétique supraconducteur et sont convertis en énergie d’onde électromagnétique de forte puissance dans la bande des ondes millimétriques à l’intérieur d’un résonateur à cavité.
Les électrons tirés d’un canon à électrons à haute tension (environ 100 kV) reçoivent une énergie de rotation à grande vitesse en traversant un champ magnétique créé par un aimant supraconducteur (10 T (tesla) ou moins). Les électrons, ayant acquis de l’énergie de rotation, se dirigent en spirale vers le collecteur du tube à vide qui les accueillera.
Les électrons en spirale entrent en résonance avec l’énergie des électrons en passant par un résonateur placé au milieu de leur trajectoire. Une partie de l’énergie des électrons en résonance perd de l’énergie cinétique, et l’énergie perdue est convertie en ondes électromagnétiques.
Les ondes électromagnétiques générées sont ensuite réfléchies de manière répétée et finalement émises par le gyrotron via une fenêtre dans le gyrotron, telle qu’un diamant artificiel. Elles peuvent ainsi être utilisées comme des ondes électromagnétiques millimétriques de grande puissance.
Autres informations sur les gyrotrons
1. Le développement de la fusion nucléaire et des gyrotrons
La technologie de la fusion est considérée comme une technologie prometteuse pour la production d’énergie, mais pour qu’elle fonctionne, les ondes millimétriques sub-THz de haute puissance émises par les gyrotrons sont transmises à un réacteur de fusion situé à une centaine de mètres, où elles sont lancées dans le plasma pour le chauffer. Une réaction de fusion se déclenche alors.
Le réacteur thermonucléaire expérimental international (ITER), situé dans le Sud de la France, est un projet commun international mené par des instituts de recherche du monde entier pour la production d’énergie propre dans un avenir proche. Il devrait entrer en service en 2025, et le développement de gyrotrons pour le chauffage et diverses mesures pour les expériences dans les installations de fusion est également en cours.
2. Fréquences des gyrotrons
L’une des installations de fusion les plus prometteuses actuellement en cours de développement est le « réacteur de fusion Tokamak ». Dans les installations dotées de ce corps de réacteur, le plasma doit être porté à des températures très élevées dans un champ magnétique supraconducteur extrêmement puissant. Dans ce processus, l’ampleur du champ magnétique supraconducteur diffère entre le centre et le bord du corps du réacteur de fusion, de sorte qu’il est souhaitable de disposer d’une configuration permettant de sélectionner plusieurs fréquences d’oscillation de résonance du gyrotron, afin d’utiliser l’intérieur du corps du réacteur de la manière la plus large et la plus efficace possible.
En 2022, l’Institut National de la Science et de la Technologie (NIST) du Japon a annoncé que, grâce aux améliorations apportées à l’équipement à l’intérieur du gyrotron en cours de développement, il sera possible de parvenir à un fonctionnement continu de classe 1MW pendant 300 secondes à trois fréquences d’ondes millimétriques – 170 GHz/137 GHz/104 GHz – en vue de l’application pratique de la fusion nucléaire. Le développement de la technologie du gyrotron a fait un pas en avant vers l’application pratique de la fusion nucléaire.
En ce qui concerne l’augmentation de la fréquence d’oscillation des gyrotrons à des fréquences plus élevées, 1013 GHz (passage à la bande THz) a été atteint en 2005 grâce à la recherche et au développement réalisé au centre FIDA (Far Infrared Development Area) de l’Université nationale de Fukui, et la recherche et le développement conjoints sont accélérés pour développer des applications dans divers domaines de recherche au Japon et à l’étranger.