Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6708
State-of-the-Art of High Power Gyro-Devices and Free Electron Masers. Update 2001
Manfred
Thumm
Abstract
Gyrotron oscillators
(gyromonotrons) are mainly used as high power millimeter wave sources for
electron cyclotron resonance heating (ECRH), electron cyclotron current drive
(ECCD), stability control and diagnostics of magnetically confined plasmas for
generation of energy by controlled thermonuclear fusion. The maximum pulse
length of commercially available 0.5-1.0 MW gyrotrons is 5 s at 110 GHz and 10
s at 140 GHz and 170 GHz, with efficiencies slightly above 30%. The energy
world record of 90 MJ (0.64 MW at 140 s pulse length and 140 GHz) has been
achieved by the European FZK-CRPP-TED-CEA collaboration. Total efficiencies
around 50 % have been obtained using single-stage depressed collectors.
Diagnostic gyrotrons deliver Pout = 40 kW with t = 40 ms at frequencies up to 650 GHz (h > 4%). Gyrotron
oscillators have also been successfully used in materials processing. Such
technological applications require gyrotrons with the following parameters: f >
24 GHz , Pout = 10-50 kW, CW, h > 30%. This paper gives an
update of the experimental achievements related to the development of high
power gyrotron oscillators for long pulse or CW operation and pulsed diagnostic
gyrotrons. In addition, this work gives a short overview of the present
development status of coaxial cavity gyrotrons, gyrotrons for technological
applications, relativistic gyrotrons, quasi-optical gyrotrons, fast- and
slow-wave cyclotron autoresonance masers (CARMs), gyroklystrons, gyro-TWT
amplifiers, gyrotwystron amplifiers, gyro-BWO's, gyropeniotrons, magnicons,
gyroharmonic converters, free electron masers (FEMs) and of vacuum windows for
such high-power mm-wave sources. The highest CW powers produced by gyrotron
oscillators, gyroklystrons and FEMs are, respectively, 340 kW (28 GHz),
10 kW (94 GHz) and 36 W (15 GHz). The IR (3.1 m m) FEL at the Thomas Jefferson
National Accelerator Facility obtained a record average power of 1.72 kW.
STATUS DER ENTWICKLUNG VON HOCHLEISTUNGS-GYRO-RÖHREN
UND FREI-ELEKTRONEN-MASERN. STAND: ENDE 2001
Zusammenfassung
Gyrotronoszillatoren (Gyromonotrons) werden vorwiegend als
Hochleistungsmillimeterwellenquellen für die
Elektron-Zyklotron-Resonanzheizung (ECRH), Elektron-Zyklotron-Stromtrieb
(ECCD), Stabilitätskontrolle und Diagnostik von magnetisch eingeschlossenen
Plasmen zur Erforschung der Energiegewinnung durch kontrollierte Kernfusion
eingesetzt. Die maximale Pulslänge von kommerziell erhältlichen 0.5-1.0 MW
Gyrotrons ist 5 s bei 110 GHz und 10 s bei 140 GHz und 170 GHz, mit Wirkungsgraden
wenig über 30%. Der Energieweltrekord von 90 MJ (0.64 MW mit 140s
Pulslänge bei 140 GHz) wird von der Europäischen
FZK-CRPP-TED-CEA-Zusammenarbeitsgemeinschaft gehalten. Durch den Einsatz von
Kollektoren mit einstufiger Gegenspannung werden Gesamtwirkungsgrade um 50%
erreicht. Gyrotrons zur Plasmadiagnostik arbeiten bei Frequenzen bis zu
650 GHz bei Pout = 40 kW und t = 40 ms (h > 4%).
Gyrotronoszillatoren finden jedoch auch in der Materialprozeßtechnik
erfolgreich Verwendung. Dabei werden Röhren mit folgenden Parametern
eingesetzt: f > 24 GHz,
Pout = 10-50 kW, CW, h > 30%. In diesem
Beitrag wird auf den aktuellen experimentellen Stand bei der Entwicklung von
Hochleistungs-Gyrotronoszillatoren für Langpuls- und Dauerstrichbetrieb sowie
von gepulsten Diagnostikgyrotrons eingegangen. Außerdem wird auch kurz über den
neuesten Stand der Entwicklung von Gyrotrons mit koaxialem Resonator, Gyrotrons
für technologische Anwendungen, relativistischen Gyrotrons, quasi-optischen
Gyrotrons, Zyklotron-Autoresonanz-Masern (CARMs) mit schneller oder langsamer
Welle, Gyroklystrons, Gyro-TWT-Verstärkern, Gyrotwystron-Verstärkern, Gyro-Rückwärtswellenoszillatoren
(BWOs), Gyro-Peniotrons, Magnicon-Verstärkern, Gyro-Harmonische-Konvertoren,
Frei-Elektronen-Masern (FEM) und von Vakuumfenstern für solche Hochleistungsmillimeterwellenquellen
berichtet. Die höchsten von Gyrotronoszillatoren, Gyroklystrons und FEMs
erzeugten CW-Leistungen sind 340 kW (28 GHz), 10 kW (94 GHz)
bzw. 36 W (15 GHz). Der IR (3.1 m m)
FEL der Thomas Jefferson National Accelerator Facility erreichte eine
Rekord-Durchschnitts-Leistung von 1.72 kW.