Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Zarys fizyki żyrotronu. Cz. 2, Zjawiska fizyczne

Kacper Nowak, Pliński F. Edward

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2025

|

Vol. 66, Nr 1

11--18

PL

W pracy omówiono najważniejsze zjawiska fizyczne występujące we wnęce rezonatora żyrotronowego, ze szczególnym uwzględnieniem efektów relatywistycznych. Przedstawione tu rozumowanie zilustrowano prostymi obliczeniami i pokazano, że dopiero poprawka relatywistyczna matematycznego opisu pozwala zrozumieć mechanizm generacji promieniowania cyklotronowego. Pokazano w pracy, że podstawą działania żyrotronu jest relatywistyczny rezonans cyklotronowy. Taki scenariusz jest kluczowym procesem w rezonatorze żyrotronu, który prowadzi do zwiększenie częstości cyklotronowej względem częstości własnej rezonatora. Ten pożądany efekt umożliwia uniknięcie powtórnej absorpcji promieniowania przez elektrony. Pokazano schematycznie niektóre aspekty konstrukcji lampy żyrotronowej. Omawiane w pracy zjawiska przyczyniły się do rozwoju elektroniki próżniowej i powstania takich urządzeń jak klistrony, magnetrony, czy lampy o fali bieżącej i wstecznej.

EN

The paper discusses the key physical phenomena occurring within the cavity of a gyrotron resonator, with particular emphasis on relativistic effects. The presented idea is illustrated by simple calculations, demonstrating that only the relativistic correction allows for understanding the mechanism of cyclotron radiation generation. It is shown that the operation of the gyrotron is based on the relativistic cyclotron resonance. This scenario is a crucial process in the gyrotron resonator, leading to an increase in the cyclotron frequency relative to the resonator’s natural frequency. This desirable effect prevents the reabsorption of radiation by electrons. Some aspects of the gyrotron tube construction are schematically illustrated. The phenomena discussed in the paper have contributed to the development of vacuum electronics and the creation of devices such as klystrons, magnetrons, and traveling and backward wave tubes.

2

Zarys fizyki żyrotronu. Cz. 1, Początki idei

Pliński F. Edward, Nowak Kacper

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2024

|

Vol. 65, Nr 11

20--25

PL

Struktura niniejszego opracowania przypomina helisę elektronów w żyrotronie. Spiralę wirujących, inaczej, żyrujących elektronów, które przemieszczają się wraz z czytającym powtarzając temat za każdym obrotem, ale na coraz wyższym poziomie zaangażowania w fizykę i matematykę. W części I-ej niniejszego opracowania przedstawiono zarys historii naukowców i miasta, w którym powstało pierwsze na świecie relatywistyczne urządzenie typu CRM, znane dzisiaj jako „żyrotron”. Skrót CRM (Cyklotronowy Rezonans Magnetyczny) można wyjaśnić jako „mikrofalowe źródło stymulowanego promieniowania oparte na zjawisku rezonansu cyklotronowego”. Historia zaczyna się w 1898 r. wraz z utworzeniem Instytutu Politechnicznego im. Mikołaja II w Warszawie (dzisiaj Politechnika Warszawska), a kończy w 1964 r. wraz z uruchomieniem pierwszego na świecie żyrotronu w Niżno-Nowogrodzkim Instytucie Politechnicznym (w latach 1932 - 1990 Gorki). Bardzo krótko przedstawiono zasadę działania żyrotronu, ale przede wszystkim dużo miejsca poświęcono ludziom, naukowcom i organizatorom nauki w Gorkim, pierwszym, którzy stworzyli to urządzenie. W części II-ej, zgodnie z konstrukcją pracy, podnoszony jest poziom zaangażowania w fizykę żyrotronu. Ukazujemy bliżej mechanizmy i problemy związane z działaniem urządzenia. Przytoczono proste rachunki dla pokazania wpływu poprawki relatywistycznej na mechanizm generacji. Przedstawiono częściowo schematycznie i częściowo ze szczegółami niektóre aspekty konstrukcji lampy żyrotronowej. W części III-ej pokazano prosty sposób na zaprojektowanie, za pomocą krzywych dyspersyjnych. Wykreślono zależności w różnych konfiguracjach i pokazano, jak na podstawie wzajemnego położenie krzywych dyspersyjnych wyciągnąć wnioski dla teoretycznej i praktycznej realizacji wielu urządzeń z dziedziny elektroniki próżniowej.

EN

The structure of this study resembles the helical trajectory of electrons in a gyrotron - a spiral of spinning, or gyrating, electrons that move along with the reader, revisiting the subject with each turn but at an increasingly advanced level of engagement with physics and mathematics. In Part I of this work, an outline of the history of the scientists and the city where the world’s first relativistic CRM device - known today as the „gyrotron” - was developed is presented. The acronym CRM (Cyclotron Resonance Maser) can be explained as „a microwave source of stimulated radiation based on the phenomenon of cyclotron resonance.” The story begins in 1898 with the establishment of the Emperor Nicholas II Polytechnic Institute in Warsaw (now Warsaw University of Technology) and concludes in 1964 with the launch of the world’s first gyrotron at the Nizhny Novgorod Polytechnic Institute (called Gorky Polytechnic from 1932 to 1990). A brief explanation of the gyrotron’s operating principle is provided, but the focus is primarily on the people - scientists and science organizers in Gorky - who first created this device. In Part II, following the study’s structured approach, the level of engagement with gyrotron physics is elevated. Mechanisms and challenges related to the device’s operation are explored in greater depth. Simple calculations are provided to illustrate the impact of the relativistic correction on the generation mechanism. Certain aspects of the gyrotron tube’s construction are presented, partially schematically and partially in detail. In Part III, a straightforward method for design using dispersion curves is demonstrated. Relationships in various configurations are plotted, and it is shown how conclusions for the theoretical and practical implementation of various vacuum electronics devices can be drawn based on the relative positioning of the dispersion curves.

3

Fale terahercowe : perspektywy

Pliński F. Edward, Plińska Stanisława

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2024

|

Vol. 65, Nr 10

14--24

PL

W artykule przedstawiono obszerne omówienie wszelkiego rodzaju dziedzin nauki, techniki i wszelkiej tematyki, gdzie fale terahercowe budzą nie tylko zainteresowanie badaczy, ale również kadry inżynieryjnej, która znajduje zastosowanie techniki terahercowej w bardzo szerokiej dziedzinie aktywności ludzkiej. Pokazano rozwój techniki terahercowej w trzech nurtach: techniki badawczej, badań podstawowych i komercjalizacji omawianej techniki. Podział ten obejmuje 20 zagadnień zgrupowanych w nurtach, jak wyżej. Postawiono nacisk na zastosowanie fal terahercowych w szeroko pojętej biomedycynie, a w szczególności w naukach farmaceutycznych. Głównym celem badań (tu przeglądu wyników światowych dotyczących rozwoju techniki terahercowej) było skonfrontowanie osiągnięć badawczych i technicznych z aplikacjami omawianej techniki we wszelkich obszarach aktywności ludzkiej. Badane materiały i w ogóle przedmiot badań oraz metody badawcze zostały omówione w trzech podstawowych nurtach: Badania podstawowe, gdzie przedstawiono takie zagadnienia, jak kwantowa optyka terahercowa w dziedzinie czasu, nieliniowa spektroskopia terahercowa, przebicie w powietrzu jako emiter i detektor fal terahercowych, laserowe źródła terahercowe, postępy astronomii terahercowej. Drugi nurt, to technika badawcza, a w niej: spintronika terahercowa, terahercowa polarymetria i elipsometria w dziedzinie czasu, terahercowa spektroskopia emisyjna, terahercowa skaningowa mikroskopia tunelowa, obrazowanie terahercowe w polu bliskim, terahercowe obrazowanie multipikselowe. Następny nurt, to Komercjalizacja - wpływ społeczny: fale terahercowe w biologii i farmaceutyce, spektroskopia terahercowa nowych materiałów, terahercowe przejścia sub-międzypasmowe, terahercowe instrumenty badawcze na satelitach, zastosowania medyczne, terahercowe standardy i metrologia oparte na falowodach, telekomunikacja na falach terahercowych, technologia terahercowa w przemyśle, przemysł farmaceutyczny. Pokazano wyniki terahercowego pomiaru fluktuacji próżni, obserwacji zjawisk nieliniowych indukowanych przez fale o częstotliwościach z pasma terahercowego, wyniki wytwarzania i detekcji fal THz metodą przebicia w powietrzu, nowe źródła fal THz (laser, synchrotron), wyniki obserwacji astronomicznych, możliwości przesyłania informacji za pomocą odpowiednio skonstruowanych struktur spinowych (spintronika THz), korzyści z zastosowania polarymetrii i elipsometrii THz, oraz spektroskopii emisyjnej i tunelowej, wyniki wszelkiego rodzaju obrazowania z wykorzystaniem fal THz, w szczególności pokazano wyniki aplikacji techniki terahercowej w medycynie, biologii i farmacji, nie ominięto tez najnowszych wyników aplikacji satelitarnych, telekomunikacji THz i wszelkich zastosowań przemysłowych. Stwierdzono, że rozwój techniki terahercowej ma olbrzymi potencjał wpływania na wiele dziedzin życia społecznego, naukowego i przemysłowego, jak kontrola bezpieczeństwa i analizy materiałów, wykrywanie substancji chemicznych, biologicznych i nuklearnych; stwierdzono, że pasmo THz jest kluczowe dla budowy systemów mogących przekroczyć pasmo 6G; uznano, że mimo dotychczasowych opinii, że do rzeczywistych aplikacji fal terahercowych w wielu obszarach aktywności ludzkiej jest ciągle długa droga, to pokonanie takich barier jak koszty, złożoność systemów, a nawet brak wiedzy na temat technologii THz, to kwestia czasu.

EN

An extensive discussion was presented of all kinds of fields of science, technology and all topics where terahertz waves arouse the interest not only of researchers, but also of engineering staff who find the application of terahertz technology in a very wide field of human activity. The development of terahertz technology is shown in three branches: research technology, basic research and commercialization of the technique. This division includes 20 issues grouped into trends as above. Emphasis was placed on the use of terahertz waves in broadly understood biomedicine, and in particular in pharmaceutical sciences. The main goal of the research (here a review of global results regarding the development of terahertz technology) was to confront research and technical achievements with the applications of the discussed technique in all areas of human activity. The tested materials and, in general, the subject of research and research methods were discussed in three basic areas: Basic research, which presented such issues as quantum terahertz optics in the time domain, nonlinear terahertz spectroscopy, breakdown in air as an emitter and detector of terahertz waves, terahertz laser sources, advances in terahertz astronomy. The second trend is Research Technology, including: terahertz spintronics, terahertz polarimetry and ellipsometry in the time domain, terahertz emission spectroscopy, terahertz scanning tunneling microscopy, terahertz imaging in the near field, terahertz multipixel imaging. The next trend is Commercialization - social impact: terahertz waves in biology and pharmaceuticals, terahertz spectroscopy of new materials, terahertz sub-interband transitions, terahertz research instruments on satellites, medical applications, terahertz standards and metrology based on waveguides, telecommunications on terahertz waves, technology terahertz in industry, pharmaceutical industry. Shown are the results of terahertz measurement of vacuum fluctuations, observations of non-linear phenomena induced by waves with frequencies in the terahertz band, results of the generation and detection of THz waves by the breakdown method in air, new sources of THz waves (laser, synchrotron), results of astronomical observations, possibilities of transmitting information via using appropriately constructed spin structures (THz spintronics), the benefits of using THz polarimetry and ellipsometry, as well as emission and tunneling spectroscopy, the results of all types of imaging using THz waves, in particular the results of the application of terahertz technology in medicine, biology and pharmacy were shown, also included the latest results of satellite applications, THz telecommunications and all industrial applications. It was found that the development of terahertz technology has enormous potential to influence many areas of social, scientific and industrial life, such as safety control and analysis of materials, detection of chemical, biological and nuclear substances; it was found that the THz band is crucial for building systems that can exceed the 6G band; it was recognized that despite previous opinions that there is still a long way to the actual applications of terahertz waves in many areas of human activity, it is a matter of time to overcome such barriers as costs, system complexity, and even lack of knowledge about THz technology.