Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6037

Untersuchungen von Strahlinstabilitäten in der Kompressionszone von Gyrotron-Oszillatoren mit Hilfe der kinetischen Theorie und zeitabhängiger Particle-in-Cell-Simulationen

Zusammenfassung

Strahlinstabilitäten, die im Bereich der Kompressionszone von Gyrotron-Oszillatoren auftreten, können den stabilen Betrieb und den Wirkungsgrad dieser leistungsfähigen Mikrowellenröhren negativ beeinflussen. In dieser Arbeit liegt der Schwerpunkt auf der Betrachtung einer Klasse von Raumladungswellen, die nah mit den instabilen Bernstein-Moden verwandt sind.

Zur genaueren Untersuchung dieser Instabilitäten wurde zum einen die sogenannte kinetische Theorie verwendet, eine Methode der Plasmaphysik, die bei der Betrachtung zahlreicher Wellenphänomene in Plasmen eine wichtige Rolle spielt.

Zum anderen wurde ein zweieinhalbdimensionaler zeitabhängiger Particle-in-Cell Code entwickelt, der das System der Maxwell-Vlasov-Gleichungen in zwei Dimensionen auf einem nichtorthogonalen, randangepaßten Berechnungsgitter löst. Die Bewegungsgleichungen der Elektronen werden in zweieinhalb Dimensionen (fünf Phasenraumkoordinaten) betrachtet. Dieses Programm wurde durch Simulation der Gyrotron-Wechselwirkung in einem TE_0,3-Gyrotronresonator verifiziert.

Damit ist es möglich, die Ergebnisse, die mit Hilfe der kinetischen Theorie gewonnen wurden, zu verifizieren bzw. den Einfluß von Effekten zu betrachten, die im theoretischen Modell nicht berücksichtigt werden können. Umgekehrt liefern die Ergebnisse der Particle-in-Cell-Methode neue Anhaltspunkte zur gezielteren Untersuchung bestimmter Phänomene mit Hilfe der kinetischen Theorie.

Die gewonnenen Ergebnisse weisen darauf hin, daß die betrachteten Raumladungswellen tatsächlich eine mögliche Instabilität für Gyrotron-Oszillatoren darstellen. Die Eigenschaften der Instabilität, wie z.B. Anwachsraten und Frequenzspektren, werden in Abhängigkeit von Strahlparametern aufgezeigt und diskutiert. Durch eine Analyse der mit dem Particle-in-Cell Code berechneten elektromagnetischen Felder konnte außerdem nachgewiesen werden, daß die Instabilität nicht wie bisher als ein elektrostatisches Phänomenen betrachtet werden kann.

Investigations of Beam Instabilities in the Compression Region of Gyrotrons Using Kinetic Theory and Time Dependent Particle-in-Cell Simulations

Abstract

Beam instabilities that arise in the compression zone of a gyrotron oscillator can adversely affect the stability and efficiency of these powerful microwave tubes. The presented work concentrates on the study of a class of space charge waves that are closely related to unstable Bernstein modes.

For a detailed investigation of these instabilities, the so-called kinetic theory was used. Kinetic theory is a method of plasma physics, playing an important role in the study of numerous wave phenomena in a plasma.

In addition, a two and a half dimensional time dependent particle-in-cell code was developed, that solves the coupled Maxwell-Vlasov system of equations in two dimensions on a nonorthogonal, boundary fitted simulation grid. The equations of motion of the electrons are solved in two and a half dimensions (five phase space coordinates). The program was verified by simulating the gyrotron interaction in a TE_0,3 gyrotron resonator.

The code makes it possible to verify results obtained by kinetic theory and to investigate the influence of effects that cannot be taken into account in the analytic model. Conversely, the results of the particle-in-cell method give new starting points for investigations of certain phenomena using kinetic theory.

The results of these investigations indicate that space charge waves are indeed possible instabilities in gyrotron oscillators. The properties of the instability such as growth rates and frequency spectra are demonstrated and discussed, depending on beam parameters. A detailed analysis of the electromagnetic fields calculated with the particle-in-cell code showed that the instability is not---as assumed up to now---a pure electrostatic phenomenon.