¿Qué es un girotrón?

Un girotrón es una forma de tubo de electrones o tubo de vacío que a menudo se conoce como un maser de resonancia de ciclotrón debido al hecho de que uno de sus usos más frecuentes es en la investigación de física de alta energía en ciclotrones. La ventaja que ofrece un girotrón es que puede generar enormes cantidades de energía de radiofrecuencia (RF) en el rango de megavatios a longitudes de onda muy pequeñas de solo unos pocos milímetros, lo que no es posible para los tubos de vacío estándar. El proceso puede generar una enorme cantidad de calor, que puede usarse para sinterizar cerámica o calentar plasma en reactores de investigación de fusión. Los girotrones también se emplean directamente en la resonancia magnética nuclear (RMN) para observar los efectos mecánicos cuánticos a nivel atómico o en la microscopía de resonancia magnética (RM) para diagnósticos médicos.

El principio detrás de cómo funciona un girotrón se compuso teóricamente a fines de la década de 1950, cuando los efectos relativistas de la energía de los electrones se estudiaban por primera vez en ciclotrones. Al inyectar corrientes de electrones en el campo electromagnético de un ciclotrón con la misma frecuencia, se observó un efecto conocido como inestabilidad de masa negativa. La corriente de electrones tendería a agruparse a partir de un radio giroscópico estándar o radio Larmor, haciendo que los electrones se desaceleren y liberen energía cinética en el proceso como energía o radiación de radiofrecuencia de longitud de onda milimétrica.

Las primeras energías de resonancia de ciclotrón de electrones demostraron el potencial de calentar plasmas en la investigación de fusión, pero la tecnología y la comprensión científica para crear un sistema de girotrón que fuera capaz de esto no se convirtió en una ciencia madura hasta la primera década del siglo XXI. A medida que avanza la ciencia y la tecnología, las aplicaciones de girotrón se dividen en sistemas de megavatios de alta energía para la investigación de fusión y sistemas de baja energía de 10 a 1,000 vatios para espectroscopía de RMN. Cuando los dispositivos producen radiación de terahercios en el rango de 100 gigahercios a 1 terahercio, se utilizan en aplicaciones industriales como el diagnóstico por plasma y el calentamiento a alta temperatura de compuestos cerámicos. La investigación en Japón también ha aumentado la eficiencia de los dispositivos de girotrón de rango medio a alto en un 50% a partir de 1994 mediante el uso de un convertidor de modo integrado para convertir más eficientemente la energía del haz de electrones en calor.

Dado que un girotrón es una forma de amplificación de microondas por dispositivo de emisión estimulada de radiación (MASER) o láser de electrones libres que genera campos electromagnéticos, tiene cierta similitud con el principio detrás de cómo funciona un horno de microondas estándar. Un girotrón portátil se puede operar en un rango de frecuencias típicamente de 2 a 235 gigahercios, y esto los convierte en dispositivos útiles para sistemas de armas no letales a los que el ejército de los EE. UU. Se refiere como tecnología de Sistema de Denegación Activa (ADS). Un dispositivo ADS basado en un girotrón puede ser dirigido contra seres humanos con el efecto de que calienta las moléculas de agua debajo de la piel sin causar daño permanente al tejido. Esto actúa como un campo disuasorio que tiene aplicaciones teóricas en el control de multitudes para evitar disturbios, o para evitar que soldados o civiles enemigos se acerquen a instalaciones militares y aviones derribados.