Meßtechnische Untersuchungen zur Hochfrequenzauskopplung an Millimeterwellengyrotrons hoher Leistung

Kurzfassung

Das Gyrotron ist eine spezielle Vakuumelektronenröhre für die Erzeugung oder Verstärkung von höchsten Frequenzen (> 100 GHz) mit sehr hohen Leistungen (> 1MW).

Die hochleistungsführenden Millimeterwellenkomponenten des Gyrotrons befinden sich dabei in dem zum Betrieb notwendigen Ultra-Hoch-Vakuumsystem. Eine Zielsetzung dieser Arbeit war es, Möglichkeiten für deren meßtechnische Überprüfung unter normalen atmosphärischen Bedingungen bei niedrigen Leistungen zu schaffen. Eine der Grundvoraussetzungen für diese Kleinsignalanalyse stellte die Anregung von Eigenschwingungen (Moden) sehr hoher Ordnung, wie sie zur Erzeugung extrem hoher Leistung im Gyrotronresonator benötigt werden, dar. Um die dazu aufgebauten quasi-optischen Modenerzeuger in ihrer Funktion meßtechnisch optimieren zu können, mußten Verfahren zur Kleinsignalmodenreinheitsanalyse aufgebaut und ein neuartiger vektorieller Millimeterwellen-Netzwerkanalysator entwickelt werden. Die hier neu aufgebauten Meß- und Analyseeinrichtungen konnten, wie aus dem Vergleich mit Hochleistungsmessungen bestätigt, sehr effizient zur experimentellen Optimierung der Hochfrequenzauskopplung eingesetzt werden.

Den zweiten Schwerpunkt dieser Arbeit bildete die Entwicklung breitbandiger Millimeterwellenfenster für Gyrotrons mit quasi-optischer Hochfrequenzauskopplung. Die Hauptschwierigkeit für den stufenweisen frequenzdurchgestimmten Betrieb dieses Millimeterwellenoszillators stellte das bislang zur Hochfrequenzauskopplung verwendete, senkrecht zum Strahlweg angeordnete Einscheibenfenster dar. Um dessen frequenzabhängiges Durchlaßverhalten zu umgehen, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Gyrotron weltweit erstmals mit einem Brewster-Fenster ausgestattet. Unter Verwendung dieses Brewster-Ausgangsfensters ließen sich eine ganze Reihe von Schwingungszuständen bei verschiedenen Frequenzen mit nahezu gleicher Intensität auskoppeln, wohingegen das senkrecht zum Strahlweg angebrachte Fenster ein stark frequenzselektives Verhalten aufwies.

Auf der Suche nach Materialien, die dem Durchtritt eines Millimeterwellenstrahls im Megawattbereich dauerhaft standhalten, wurden ferner Hochleistungsexperimente an einem am Rand mit Wasser gekühlten Diamantfenster durchgeführt. Die in Kooperation mit einer japanischen Arbeitsgruppe durchgeführten Untersuchungen lassen eine Lösung des Problems eines 1 MW-Gyrotronausgangsfensters für den Dauerbetrieb erkennen.

Experimental investigations on the high frequency outcoupling of high power millimeter wave gyrotrons

Abstract

The gyrotron is a special type of vacuum electron tube, which allows the generation or amplification of the highest frequencies (> 100 GHz) at very high power levels (> 1 MW).

The high power millimeter wave guiding components have to be integrated into an ultra high vacuum system. To be able to verify their proper behavior under normal atmospheric conditions at low power levels, special measurement techniques are required. One task of this work was the development of such techniques. The main demand for this low power analysis is the excitation of high order modes, identical to those needed for the generation of extremely high power levels inside the gyrotron resonator. In order to optimize the performance of the quasi-optical mode generators that are constructed for this purpose, special techniques for the low power mode purity analysis as well as a new vector millimeter wave network analyzer had to be developed. These new measurement systems were successfully used for the experimental optimization of the high frequency outcoupling of the gyrotron. These results also have been verified by high power test.

The second emphasis of this work was the development of broadband millimeter wave windows for gyrotrons with quasi-optical radio frequency outcoupling. The main restriction for the stepwise frequency tuned operation of this millimeter wave oscillator has been given by the output window mounted perpendicular to the ray paths. To overcome this frequency dependent transmission behavior, for the very first time a gyrotron oscillator was equipped with a Brewster angle window. By using the Brewster angle output window a series of modes at different frequencies were coupled out with almost the same intensity, whereas the window mounted perpendicular to the ray paths shows a strong frequency selective behavior.

In order to find a window material, able to withstand the continuous transmission of a millimeter wave beam in the Megawatt range, additional high power tests on a water edge cooled diamond window have been performed. These results achieved, in cooperation with a Japanese working team, imply a genuine solution for a continuous wave 1MW gyrotron output window.