Forschungszentrum
Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7097
State-of-the-Art
of High Power Gyro-Devices and Free
Electron Masers Update 2004
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 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 500 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 = 4-50 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 FEL at the Thomas Jefferson
National Accelerator Facility obtained a record average power of 4 kW at 5.7
µm.
STATUS DER ENTWICKLUNG
VON HOCHLEISTUNGS-GYRO-RÖHREN UND FREI-ELEKTRONEN-MASERN STAND: ENDE 2004
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-CEATED) 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 500 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 = 4-50 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
FEL der Thomas Jefferson National Accelerator Facility erreichte eine
Rekord-Durchschnitts-Leistung von 4 kW bei 5.7 µm.