Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6754

Numerische Optimierung eines quasi-optischen Wellentypwandlers für ein frequenzdurchstimmbares Gyrotron

Oliver Drumm

Zusammenfassung
In dieser Arbeit wird der Entwurf eines quasi-optischen Wellentypwandlers für ein frequenzdurchstimmbares Gyrotron vorgestellt. Ihr Schwerpunkt liegt auf der Optimierung der Wandlung bzw. Formung der im Resonator erzeugten Wellen unterschiedlicher Frequenzen. Die Untersuchungen wurden im Rahmen des HGF-Strategiefondsprojekts " Optimization of Tokamak Operation with controlled ECRH-Deposition\ durchgeführt. Bei dem verwendeten Gyrotron konnen im Resonator Moden mit Frequenzen zwischen 105 und 140 GHz erzeugt werden. Im Ausgangsfenster erhalt man mit dem entworfenen Wandler für alle Frequenzen nahezu die jeweils gewünschte Feldverteilung. Alle neu gewonnenen Erkenntnisse und entwickelten Syntheseverfahren werden auf dieses praktische Beispiel angewandt und verifiziert.

Es werden in dieser Arbeit die Hohlleiterantenne und das Spiegelsystem des quasioptischen Wellentypwandlers getrennt voneinander besprochen. Am Anfang wird bei der Synthese der Aperturantenne der frequenzdurchstimmbare Einsatz sowohl des Vlasov- Typs als auch des Denisov-Typs betrachtet. Als Fazit dieser Untersuchung werden die gewonnenen entwurfsentscheidenden Parameter der einzelnen Antennen angegeben und deren frequenzabhängiges Abstrahlverhalten miteinander verglichen.

Im zweiten Teil dieser Arbeit werden neue breitbandige Entwurfsmethoden für die Synthese der Spiegeloberflächen eines optimierten Spiegelsystems vorgestellt. Diese Spiegel ermöglichen die optimale Formung der Welle für alle betrachteten Frequenzen gleicherma ssen. Dazu werden neue Qualitätskriterien zur breitbandigen Spiegelbeurteilung eingef ührt. Die Kontur der Oberfläche muss so variiert werden, dass die Kriterien ein Optimum erreichen. Zur eigentlichen numerischen Optimierung werden in dieser Arbeit die Gradientenmethode und eine erweiterte Form des Katsenelenbaum-Semenov Algorithmus entwickelt und eingesetzt. Entscheidend für den Einsatz der beschriebenen Algorithmen auf einem Rechner ist ihre effiziente Realisierung.

Der theoretische Hintergrund der vorgestellten Methoden zur Synthese der Spiegeloberfläche basiert ganz allgemein auf den Lösungen der Helmholtzgleichung. Somit können diese Verfahren auch in anderen Bereichen ausserhalb der Mikrowellentechnik im Frequenzbereich von der Optik bis hin zur Akustik eingesetzt werden.

Numerical Optimization of Quasi-optical Mode Converter for Frequency Step-tunable Gyrotron

Abstract
This work concentrates on the design of a quasi-optical mode converter for a frequency step-tunable gyrotron. Special attention is paid to the optimization of the conversion and forming of the exited wave of different frequencies inside the resonator. The investigations were part of the HGF-strategy-fonds-project "Optimization of Tokamak Operation with controlled ECRH-Deposition". In the resonator of the gyrotron modes can be exited at frequencies between 105 and 140 GHz. With the designed converter the desired field distribution at the output window for all frequencies will be approximately obtained. The newly gained knowledge and invented synthesis methods are applied to this practical example and verified.

In this work, the waveguide antenna and the mirror system of the quasi-optical mode converter are presented separately from each other. At the beginning the synthesis of the aperture antenna for a frequency step-tunable design of the Vlasov-type as well as the Denisov-type is considered. As a conclusion of the investigation, the important parameters for the design of all antennas are summarized and the frequency behavior is compared.

In the second part of this work new broadband design methods for the synthesis of the mirror surface are presented. These mirrors make an optimal wave forming for all frequencies equally possible. Therefore new quality criteria are introduced for the broadband evaluation of the mirror. Afterwards the surface is varied until the criteria reach an optimum. For the numerical optimization, in this work the gradient method and the extended Katsenelenbaum-Semenov algorithm are invented and applied. The efficient realization of the described algorithms on a computer is the significant point.

The theoretical background of the presented methods for the synthesis of a mirror system is based on the general solution of the Helmholtz equation. Due to this, these methods can be utilized in other fields outside the microwave applications in the range of frequencies from optical to acoustic.

VOLLTEXT

BIBLIOTHEK