Гиротрон — электровакуумный СВЧ-генератор, представляющий собой разновидность мазера на циклотронном резонансе. Источником СВЧ-излучения является электронный пучок, вращающийся в сильном магнитном поле. Излучение генерируется на частоте, равной циклотронной, в резонаторе с критической частотой, близкой к генерируемой. Гиротрон был изобретён в Советском Союзе[1] в НИРФИ в г. Горьком (ныне — Нижний Новгород).
Излучает волны с частотами 20—1300 ГГц. Мощность — от 1 кВт до 1—2 МВт. Релятивистские гиротроны могут генерировать излучение мощностью до 10 МВт.
Гиротроны были разработаны под руководством А. В. Гапонова-Грехова[2], которому вместе с коллегами за это были вручены две Государственные премии СССР[3]:
Гиротрон представляет собой разновидность мазера на циклотронном резонансе. Это означает, что в основе его работы лежит эффект вынужденного излучения свободных электронов, помещённых во внешнее магнитное поле и вращающихся с циклотронной частотой, равной частоте излучения.
С квантовой точки зрения электрон, помещённый в магнитное поле, представляет собой гармонический осциллятор, уровни энергии которого представляют собой хорошо известные уровни Ландау. В нерелятивистском приближении энергетические уровни Ландау эквидистантны, что означает, что вероятности вынужденного излучения и резонансного поглощения излучения электронами равны между собой, и следовательно, генерация излучения невозможна. Существуют разные способы нарушить это равенство, но в гиротронах используется принципиальная неэквидистантность уровней, обусловленная релятивистскими эффектами. При этом сами электроны обычно имеют скорости много меньше скорости света, поэтому эта неэквидистантность мала. Чтобы в таких условиях была возможна генерация, требуется, чтобы линии поглощения и излучения были достаточно узкими. Обычно этого невозможно добиться в силу доплеровского уширения этих линий. Однако в резонаторах, работающих вблизи критической частоты (то есть частоты, ниже которой распространение волн в данном резонаторе невозможно), волновой вектор волны практически перпендикулярен магнитному полю, и эффект Доплера практически отсутствует. Таким образом, удаётся реализовать классическую схему вынужденного излучения в системе с неэквидистантным спектром, аналогичную мазерам и лазерам на атомах.
С классической точки зрения генерация в гиротронах объясняется неустойчивостью пучка вращающихся в магнитном поле электронов при наличии электромагнитной волны на резонансной частоте, приводящей к фазовой группировке электронов и усилению волны. При этом условие фазового синхронизма между электронами и излучением имеет вид