ジャイロトロン

ジャイロトロンは、磁場中の電子のサイクロトロン運動を利用してマイクロ波・ミリ波を発生させる真空管発振器であり、現在ではメガワット級の高出力を連続的に得られる唯一の電磁波源として、核融合研究を中心に不可欠な地位を占めている。電子サイクロトロン加熱（ECH）や電流駆動（ECCD）に用いられる周波数は磁場強度でほぼ決まり、例えば5.3 Tの磁場では170 GHz、より低磁場の装置では28 GHzや14 GHzといった帯域が使われる。図は、ジャイロトロン管本体の外観と、電子銃・共振器・出力窓・コレクタからなる複合システムの全体構成を示したものである。

動作原理：電子サイクロトロン・メーザー相互作用

ジャイロトロンの発振原理は「電子サイクロトロン・メーザー」と呼ばれる。磁場中に置かれた電子は、磁場方向を軸としてサイクロトロン周波数でらせん運動をする。ここで、電子の進行方向に伝搬する電磁波の周波数がこのサイクロトロン周波数に一致（正確にはわずかに上回る）するようにすると、電子は波の電場から位相の揃った形でエネルギーを与え続ける。これは、電子の相対論的質量がエネルギー依存であることを利用したもので、加速された電子は質量が増えて位相が遅れ、逆に減速された電子は位相が進む。この位相の集束（バンチング）によって、電子の横方向エネルギーがコヒーレントに電磁波へ変換される。

通常のマイクロ波真空管（クライストロンなど）が共振器の寸法で周波数を決めるのに対し、ジャイロトロンの周波数は磁場とサイクロトロン共鳴で決まる。このため共振器を波長よりずっと大きくできる――波長の数倍から十数倍程度――のが決定的な違いである。共振器の壁面積が大きく取れるため、高周波まで大出力を引き出せ、波長1.7 mm（170 GHz）で1 MWという、他の方式では到達できない出力水準が実現している。は数万から十万ボルト程度の電圧で加速され、そのエネルギーの一部がミリ波に変換される。