Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7198
State-of-the-Art of High Power Gyro-Devices and Free Electron
Masers Update 2005
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 140 GHz, megawatt-class
gyrotrons employing synthetic diamond output windows is 30 minutes (CPI and European
FZK-CRPP-CEA-TED collaboration). The world record parameters of the European 140
GHz gyrotron are: 0.92 MW output power at 30 min. pulse duration, 97.5%
Gaussian mode purity and 43% efficiency, employing a single-stage depressed
collector for energy recovery. This results in an energy content of 1.66 GJ! 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 0.5 MW with pulse durations of 80 s and 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 gyroklystrons
and FEMs are, respectively, 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 10 kW in the wavelength range 1-14 μm.
STATUS DER ENTWICKLUNG VON HOCHLEISTUNGS-GYRO-RÖHREN UND
FREI-ELEKTRONEN-MASERN STAND: ENDE 2005
Zusammenfassung
Gyrotronoszillatoren (Gyromonotrons) werden vorwiegend als
Hochleistungsmillimeterwellenquellen für 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 140 GHz, 1 MW Gyrotrons
mit Austrittsfenstern aus künstlichem Diamant ist 30 Minuten (CPI und
Europäische FZK-CRPP-TED-CEA Zusammenarbeitsgemeinschaft). Die
Weltrekordparameter des europäischen 140 GHz-Gyrotrons
sind: 0,92 MW Ausgangsleistung bei 30 min. Pulslänge, 97,5% Gaußsche
Modenreinheit und 43% Wirkungsgrad mittels eines Kollektors mit einstufiger
Gegenspannung zur Energierückgewinnung. Dies bedeutet einen Energieinhalt von
1,66 GJ! 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 0,5 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 Gyroklystrons und FEMs erzeugten CW-Leistungen sind 10 kW (94 GHz) bzw. 36 W (15 GHz). Der
IR FEL der Thomas Jefferson National Accelerator Facility
erreichte eine Rekord-Durchschnitts-Leistung von 10 kW im Wellenlängenbereich
1-14 μm.
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