ITER ECRF Window Development - CVD-Diamond Window- Final Report - ITER Task No.: G 55 TT 19 EU (TWO-ECRF/WIN)

M. Thumm, R. Heidinger, A. Arnold, M. Blumhofer, S. Illy,A. Meier, B. Piosczyk, M. Rohde, R. Schneider, P. Severloh

Abstract
In accordance with the goals of this ITER Task experimental and theoretical investigations on 1 MW, 170 GHz, CVD-diamond gyrotron and torus windows for continuous wave (CW) operation have been continued.

Two gyrotron window units were tested in collaboration with the Russian Hometeam. Unfortunately, both window disks cracked after operation at mm-wave power levels around 1 MW and pulse lengths up to 1.5 s. The reasons are only known for the second unit where a sag of the window disk (120-140 µm), introduced by its brazing, led to a static stress of approximately 0.7-0.8 MPa. A third CVD-diamond disk unit does not show any sag. The high power tests are scheduled for January 2002.

A CVD-diamond window disk was irradiated with a neutron fluence of almost 10²¹ n/m² and then brazed to two Inconel waveguide cuffs. The window unit has been mounted into a test housing in an evacuated corrugated HE₁₁ waveguide (I.D. = 63.5 mm) and successfully tested in collaboration with the Japanese Hometeam at mm-wave power levels of 0.58 MW (0.2 MW) and pulse length 15 s (132 s). The temperature rises of the disk at a diameter of 65 mm and at the disk water cooling rim were 27°C and 2°C, respectively. Simulation calculations show agreement with the measured temperature rise curves for tand = 4.8 × 10^-5 and k = 1200 W/mK which reveals that the reduction of the thermal conductivity by a factor of 2 after neutron irradiation was partially removed during the brazing at temperatures above 600°C. A 118 GHz CVD-diamond torus window unit was successfully in collaboration with CES Cadarache at a mm-wave power level of 0.3 MW and pulse durations up to 111 s.

Dielectric, thermal and mechanical properties of a series of CVD-diamond window disks manufactured by DeBeers (Charters, UK) and FhG-IAF (Freiburg, D) have been analyzed. The permittivity at room temperature always is e_r = 5.67± 0.01 and the loss tangent at the disk centers tand = 1- 2 × 10^-5. Only a small variation with temperature has been observed up to 700 K. Surface losses introduced by the brazing process are still being investigated. Irradiation by a neutron fluence of almost 10²¹ n/m² increaded the loss tangent to 4 × 10^-5 but did not change e_r. Thermal conductivity was found to be strongly reduced (840 W/m × K as compared to 1800-2000 W/m × K for unirradiated CVD diamond). The mechanical strength (growth face under tension) is 400 (± 30) MPa and has not been weakened by the neutron irradiation mentioned above.

ITER ECRF Fensterentwicklung - CVD-Diamantfenster - ITER Task No.: G 55 TT 19 EU (TWO-ECRF/WIN) - Schlussbericht -

Zusammenfassung

In Übereinstimmung mit den Zielen des ITER Programmpunktes wurden sowohl experimen­telle als auch theoretische Untersuchungen zu 1 MW, 170 GHz, CVD-Diamant-Gyrotron- und Torusfenster, welche im Dauerbetrieb (CW) betrieben werden können, fortgesetzt.

Zwei Gyrotron-Fenstereinheiten wurden in Zusammenarbeit mit dem Russischen Hometeam getestet. Unglücklicherweise brachen beide Fensterscheiben, nachdem sie bei Millimeterwel­lenleistungen von ungefähr 1 MW und Pulslängen bis zu 1.5 s betrieben wurden. Die Gründe sind nur für die zweite Einheit bekannt, bei der eine von dem Einlötvorgang herrührende Durchbiegung der Fensterscheibe (120-140 µm) zu einer statischen mechanischen Spannung von 0.7-0.8 MPa führte. Eine dritte Fenstereinheit zeigt keinerlei Durchbiegung der Diamant­scheibe. Sie soll im Januar 2002 Hochleistungstests unterzogen werden.

Eine CVD-Diamant-Fensterscheibe wurde mit einer Neutronenfluenz von nahezu 10²¹ n/m² bestrahlt und danach an zwei Inconel-Hohlleiterstücke gelötet. Die Fenstereinheit wurde in eine Testfassung in einem evakuierten, korrigierten HE₁₁-Hohlleiter (I.D. = 63.5 mm) mon­tiert und in Zusammenarbeit mit dem Japanischen Hometeam bei Millimeterwellenleistungen von 0.58 MW (0.2 MW) und Pulslängen von 15 s (132 s) erfolgreich getestet. Der Tempera­turanstieg der Scheibe bei einem Durchmesser von 65 mm bzw. am wassergekühlten Rand der Scheibe betrug 27°C bzw. 2°C. Simulationsrechnungen stimmen mit dem beobachteten Verlauf des Temperaturanstiegs für tand = 4.8 × 10^-5 und k = 1200 W/mK überein. Das heißt aber, dass die durch die Neutronenbestrahlung herrührende Verkleinerung der Wärmeleit­fähigkeit um einen Faktor 2 durch die Erwärmung beim Löten bis über 600°C teilweise aus­geheilt wurde. Eine 118 GHz, CVD-Diamant-Torusfenster-Einheit wurde in Zusammenarbeit mit CEA Cadarache bei einer Millimeterwellenleistung von 0.3 MW und Pulsdauern von bis zu 111 s ebenfalls erfolgreich getestet.

Dielektrische, thermische und mechanische Eigenschaften einer Serie von der Fa. DeBeers (Charter, UK) und vom FhG-IAF (Freiburg, D) hergestellter CVD-Diamant-Fensterscheiben wurden analysiert. Die Permittivität bei Raumtemperatur ist immer e_r = 5.67 ± 0.01 und der Verlusttangens im Scheibenzentrum ist tand = 1-2 × 10^-5. Dabei wurde nur eine geringe Erhö­hung der Werte bis zu Temperaturen von 700 K beobachtet. Durch den Lötprozess bedingte Oberflächenverluste werden weiter untersucht. Bestrahlung mit einer Neutronenfluenz von nahezu 10²¹ n/m² erhöhte den Verlusttangens auf 4×10^-5, veränderte aber e_r nicht. Die Wär­meleitfähigkeit jedoch wurde dabei stark verringert (840 W/m × K statt 1800-2000 W/m × K für unbestrahlten CVD-Diamant). Die mechanische Festigkeit (Wachstumsseite unter mechanischer Spannung) ist 400 (± 30) MPa und wurde durch die Neutronenbestrahlung nicht geschwächt.

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