Wissenschaftliche Berichte - FZKA 5837

Numerische Simulation der Gyrotron-Wechselwirkung in koaxialen Resonatoren

Kurzfassung

Gyromonotrons, oder kurz Gyrotrons, sind zur Zeit die leistungsfähigsten Millimeterwellen-Oszillatoren. Allerdings ist bei Gyrotrons mit Resonatoren in konventioneller Hohlleitertechnik eine absolute Grenze der Ausgangsleistung von beispielsweise 1 - 2 MW CW bei 140 GHz durch Wandverluste, Absenkung der Strahlenergie ("voltage depression") und Modenkonkurrenz gegeben. In der vorliegenden Arbeit wird die Theorie zur Wechselwirkungsberechnung in koaxialen Gyrotronresonatoren vollständig dargestellt, wobei auch Längskorrugationen an Außen- und Innenleiter zur Unterdrückung von konkurrierenden Moden wie auch Versatz des Innenleiters berücksichtigt werden. Weiterhin wird ein Programmpaket vorgestellt, das mit dieser Theorie schnelle Wechselwirkungsberechnungen, unter Zuhilfenahme verschiedener Näherungen, ermöglicht. Aus der Untersuchung des Verhaltens koaxialer Resonatoren mit Längskorrugation werden Designkriterien abgeleitet, die eine Steigerung der Ausgangsleistung um das zwei- bis vierfache im Vergleich zu Hohlleiter-Resonatoren ermöglichen. Die Arbeit schließt mit der Auslegung des Resonators für das koaxiale 1,5 MW / 140 GHz Gyrotron-Experiment am Forschungszentrum Karlsruhe und dem Vergleich mit den experimentellen Ergebnissen. Die im Experiment erreichten Werte von nahezu 1,2 MW bei einem Wirkungsgrad von 27 % stellen einen wichtigen Schritt bei der Verwirklichung einer Plasmaheizung mit Millimeterwellen dar. Es handelt sich hierbei um das erste Experiment bei 140 GHz, bei dem mehr als 1 MW HF-Leistung unter Einhaltung CW-relevanter Parameter in der Elektronenkanone und im Resonator erreicht wurde.

Numerical Simulation of the Gyrotron Interaction in Coaxial Cavities

Abstract

Gyromonotrons, or briefly gyrotrons, are at the moment the most powerful millimeter wave oscillators. However, an absolute limit of the output power of conventional hollow waveguide gyrotrons of for example 1 - 2 MW CW at 140 GHz is given by wall losses, voltage depression and mode competition. The present work describes the complete interaction theory of coaxial gyrotron cavities, including corrugations on the outer cavity wall and on the rod, which are used to suppress possible competing modes, as well as misalignment of the rod. Computer codes for fast simulations of the interaction are described. These interaction calculations make use of several approximations for speed up. Investigations of the behavior of coaxial cavities with longitudinal corrugations lead to design criteria that enable output powers two to four times higher than with hollow waveguide cavities. In the last chapter the cavity design for the 1.5 MW / 140 GHz experiment at the Forschungszentrum Karlsruhe (FZK) is discussed, and a comparison to experimental results is presented. The achieved experimental values of nearly 1.2 MW with an efficiency of 27 % represent an important step towards the realization of plasma heating with millimeter waves. This is the first experiment at 140 GHz where more than 1 MW of rf-power is reached with cw-relevant parameters for the electron gun and the cavity.