ジャイロトロン

ジャイロトロンとは

ジャイロトロン（Gyrotron）は、サイクロトロン共鳴メーザーの原理に基づいて設計された、マイクロ波やミリ波を発振するための大型真空管です。その名は、磁場中での回転運動を示す「ジャイロ運動」に由来しています。ジャイロトロンは、高速で回転する電子をエネルギー源としてマイクロ波を生成する機構を持っており、その出力は通常の電子レンジの1000倍以上になることが特徴です。

原理

ジャイロトロンの基本的な動作原理は以下の通りです。まず、電子銃によって高電圧を印加し、強力な電子ビームを生成します。この電子ビームは、磁場の影響を受けてらせん運動をしつつ、高周波発振部である空胴共振器に入り込みます。そこで、電子ビームの運動エネルギーが高周波として放出され、結果として波長が短いマイクロ波が発生します。

発生したマイクロ波はモード変換器を用いて高周波ビームに変換され、内部で鏡によって反射されながら、人工ダイヤモンドや単結晶サファイア、窒化珪素で作られた窓を通じて外部に放出されます。このようにして生成される高出力のマイクロ波は、出力が通常1～2 MW、発振周波数帯は20～250 GHzに達します。

高出力化の課題

しかしながら、ジャイロトロンの高出力化にはいくつかの課題も存在します。特に、出力が高くなると窓を通るマイクロ波の誘電損失が問題となることがあります。この損失は窓の温度が上昇することで増大し、温度は3/2乗に比例して増加します。また、部材の温度上昇によってアウトガスが生じるため、定常的に50～100キロワット以上の出力を求める際には、真空度が10^(-8) torr以下でなければなりません。真空度が低下するとビーム電流が減少し、発振に影響が出る可能性があります。

用途

ジャイロトロンは主に核融合研究におけるプラズマ加熱に利用されています。そのほかにも、テラヘルツ波の発振源やイオンエンジン、さらにはマイクロ波を利用したロケットの研究など、多岐にわたる用途が存在します。

特に、日本原子力研究開発機構では、ジャイロトロンを使用したマイクロ波ロケットの研究が進められており、2009年には126gの金属製ロケットがITER用ジャイロトロンからの高出力マイクロ波パルスによって、連続的に1.2mの高さまで推進力を発生させることに成功しました。

その他の用途

• - 核融合でのプラズマ加熱
• - アクティブ・ディナイアル・システム
• - イオンエンジン
• - テラヘルツ波の生成
• - マイクロ波エネルギーの伝送
• - 温熱療法

ジャイロトロンは、これらの先進技術において不可欠な役割を果たしており、今後もさまざまな分野での応用が期待されています。

もう一度検索