Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6957
STATE-OF-THE-ART
OF HIGH POWER GYRO-DEVICES AND FREE ELECTRON MASERS UPDATE 2003
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 1 MW gyrotrons employing synthetic diamond output
windows is 5 s at 110 GHz (CPI and JAERI-TOSHIBA), 12 s at 140 GHz
(FZK-CRPP-CEA-TED) and 9 s at 170 GHz (JAERI-TOSHIBA), with efficiencies
slightly above 30%. Total efficiencies of 45-50 % have been obtained using
singlestage depressed collectors (for energy recovery). The energy world
record of 160 MJ (0.89 MW at 180 s pulse length and 140 GHz) at power levels
higher than 0.8 MW has been achieved by the European FZK-CRPP-CEA-TED
collaboration at FZK where the pulse length restriction to 180 s is due to the
HV power supply at Ibeam ≈ 40 A. At lower beam current (Ibeam = 26 A) it
was even possible to obtain 506 MJ (0.54 MW for 937 s). The longest shot lasted
for 1300 s at 0.26 MW output power. These very long pulses were limited by a
pressure increase in the tube. A maximum output power of 1.2 MW in 4.1 s pulses
was generated with the JAERI-TOSHIBA 110 GHz gyrotron. The Russian and the
Japan 170 GHz ITER gyrotrons achieved 0.54 MW at 80s pulse duration and 0.5 MW
at 100 s, respectively. Diagnostic gyrotrons deliver Pout = 40 kW with τ = 40 µs at frequencies up to 650 GHz (η > 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, η > 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 gyrotrons for plasma
diagnostics. 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 µ m) FEL at the Thomas Jefferson
National Accelerator Facility obtained a record average power of 2.13 kW with
an efficiency of 3.5% (with energy recovery).
STATUS
DER ENTWICKLUNG VON HOCHLEISTUNGS-GYRO-RÖHREN UND FREI-ELEKTRONEN-MASERN STAND:
ENDE 2003
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 1 MW Gyrotrons
mit Austrittsfenstern aus künstlichem Diamant ist 5 s bei 110 GHz (CPI und
JAERI-TOSHIBA), 12 s bei 140 GHz (FZK-CRPP-CEA-TED) und 9 s bei 170 GHz
(JAERI-TOSHIBA), mit Wirkungsgraden wenig über 30%. Durch den Einsatz von
Kollektoren mit einstufiger Gegenspannung (zur Energierückgewinnung) werden
Gesamtwirkungsgrade von 45-50% erreicht. Der Energieweltrekord von 160 MJ (0,89
MW mit 180 s Pulslänge bei 140 GHz) bei Leistungen höher als 0,8 MW wird von
der Europäischen FZK-CRPP-TED-CEA-Zusammenarbeitsgemeinschaft gehalten, wobei
die Beschränkung der Pulslänge auf 180 s durch die Hochspannungsversorgung
gegeben ist (Ibeam ≈ 40 A). Bei geringerem Strahlstrom (Ibeam
= 26 A) wurden sogar 506 MJ (0,54 MW bei 937 s) erreicht. Der längste Schuss dauerte
1300 s bei einer Ausgangsleistung von 0,26 MW. Diese Langpulse sind durch einen
Druckanstieg in der Röhre begrenzt. Eine maximale Ausgangsleistung von 1,2 MW
bei 4,1 s Pulslänge wurden mit dem JAERI-TOSHIBA 110 GHz Gyrotron erzeugt. Das
russische 170 GHz ITER-Gyrotron erreichte 0,54 MW bei 80 s Pulslänge, das
japanische 0,5 MW bei 100 s. Gyrotrons zur Plasmadiagnostik arbeiten bei
Frequenzen bis zu 650 GHz bei Pout = 40 kW und τ = 40 µs (η > 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, η > 30%. In diesem Beitrag wird auf den
aktuellen experimentellen Stand bei der Entwicklung von Hochleistungs-Gyrotronoszillatoren
für Langpuls- und Dauerstrichbetrieb sowie von gepulsten Gyrotrons zur
Plasmadiagnostik 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 µ m) FEL der Thomas Jefferson National Accelerator Facility erreichte eine
Rekord-Durchschnitts-Leistung von 2,13 kW bei einem Wirkungsgrad von 3,5% (mit
Energierückgewinnung).