Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7264
Quasi-Optical Mode Converter for a Coaxial Cavity Gyrotron
Jianbo Jin
Abstract
Megawatt gyrotrons operate in high-order volume cavity modes.
Thus it is necessary to use a quasi-optical mode converter to transform the operating
mode into a fundamental Gaussian beam for transmission and application of the
generated highpower millimeter waves. This work concentrates on the synthesis
of the quasioptical mode converter for the 170GHz, TE34,19-mode,
2MW, CW coaxial-cavity gyrotron at Forschungszentrum Karlsruhe (FZK). The
investigations are part of an EFDA project (TW5-THHE-CCGDS2) for the
International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER).
A quasi-optical mode converter is the combination of an open
waveguide antenna (launcher) and a mirror system. The improvement of the
general method for the design of so-call dimpled-wall launcher to provide a
good Gaussian mode content is described. By means of the improved method, very
shorter perturbation lengths can be obtained with matched perturbation
amplitudes. This method is verified through the design of a launcher operating
in the TE22,6 mode at 118 GHz.
For coaxial-cavity gyrotrons operating in very high-order
cavity modes such as the TE34,19 mode, due to the ratio of caustic
to cavity radius of 0.323, the rayrepresentation of the TE34,19 mode
cannot form a closed or even almost closed polygon in the cross-section of the
launcher. In this case, the general method fails to provide a dimpled-wall
launcher to transform the high-order cavity mode into a nearly Gaussian
distribution. The synthesis of the quasi-optical mode converter for this
gyrotron becomes very difficult and is a great challenge to obtain a high
quality RF beam with high conversion efficiency and low power losses. The
setting of parameters used in the quasi-optical mode converter for this
gyrotron is very critical. A phase rule is proposed as a quality criterion for
monitoring the optimization and the choices of parameters of the quasi-optical
mode converter.
High-order harmonics introduced to the launcher wall
deformations are proposed for this gyrotron. The launcher is numerically
optimized, the fields on the cut edges are suppressed. The fields in the
launcher are well approximated by the waveguide modes, the radiated fields are
calculated using the scalar diffraction integral. It provides a simple way for
the simulation of the field distribution in an opened-end waveguide antenna and
for the calculation of the radiated field from the opened-end waveguide antenna
with low fields on the opened-end edges.
The procedure for the numerical optimization of the mirror
system is improved, the tolerance conditions of the phase correcting mirrors
are investigated. A conversion efficiency of 95.8% to the circular fundamental
Gaussian distribution with 20mm beam waist and power transmission of 90% are
achieved in the window plane using the optimized quasi-optical mode converter.
The methods to ameliorate the initial conditions of the phase correcting
mirrors are explored. Based on the ameliorated initial conditions, the mirror
system can be improved and is anticipated to enhance the power transmission to
more than 95% in the window plane.
Index Terms: Gyrotron,
quasi-optical (QO) mode converter, phase-correction, mode conversion.
Quasi-Optische
Modenkonverter für Gyrotrons mit koaxialem Resonator
Zusammenfassung
Megawatt Gyrotrons
werden in volumetrischen Moden hoher Ordnung betrieben. Also ist es notwendig,
quasi-optische Modenwandler zur Transformation der Resonatormode in einen
fundamentalen Gauß’schen Strahl für die Transmission zur Anwendung
einzusetzen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese von
quasi-optischen Modenwandlern für das 170GHz, TE34,19-Mode,
2MW, CW Gyrotron mit koaxialem Resonator, das am Forschungszentrum Karlsruhe
(FZK) entwickelt wird. Diese Forschungsarbeit ist Teil des EFDA-Projekts
(TW5-THHECCGDS2) für den Internationalen Thermonuklearen Experimentalen Reaktor
(ITER).
Ein quasi-optischer Modenwandler ist
die Kombination aus einer offenen Hohlleiterantenne (Launcher) und einem
Spiegelsystem. Die Verbesserung der generellen Methode für das Design des
Launchers mit Wandstörung zur Wandlung in die fundamentale Gauß’sche Mode
wird beschrieben. Durch die verbesserte Methode können kürzere Launcher mit
angepassten Amplituden der Störung ausgelegt werden. Diese Methode wird mit dem
Design eines Launchers für die TE22,6-Mode
bei 118 GHz verifiziert.
Da bei der TE34,19-Mode das Verhältnis von Kaustikradius zu
Resonatorradius 0.323 beträgt, erhält man bei Darstellung der Mode in
geometrischer Optik kein geschlossenes oder fast geschlossenes Polygon im
Querschnitt des Hohlleiters. In diesem Fall liefert die generelle Methode zur
Auslegung von Launchern keinen reinen fundamentalen Gauß’schen Strahl.
Die Synthese von quasi-optischen Modenwandlern für Gyrotrons wird hierbei sehr
schwierig und es ist eine große Herausforderung einen Launcher mit einem reinen
Gauß’schen Strahl, hoher Effektivität der Konvertierung und geringen
Verlusten auszulegen. Es wird eine Phasenregel als Qualitätskriterium bei der
Optimierung und die Wahl der Parameter bei quasi-optischen Modenwandlern
vorgeschlagen.
Für dieses Gyrotron werden Störungen
höherer Ordnung in der Wand des Launchers vorgeschlagen. Der Launcher wird
numerisch optimiert, die Felder an den Kanten werden unterdrückt. Die Felder im
Launcher werden gut durch die Repräsentation der Moden wiedergegeben, das
abgestrahlte Feld wird mittels des skalaren Beugungsintergrals berechnet. Es
bietet einen einfachen Weg für die Simulation der Feldverteilung in einer
Hohlleiterantenne mit offenem Ende und für die Berechnung des abgestrahlten
Feldes einer Hohlleiterantenne mit offenem Ende und geringen Feldern an den
Kanten.
Die Prozedur für die numerische
Optimierung des Spiegelsystems ist verbessert worden, die Toleranzbedingung von
phasenkorrigierenden Spiegeln wurde untersucht. Eine Effektivität der
Konversion von 95,8% in die fundamentale Gauß’sche Mode mit 20 mm
Strahltaille und einer Leistungstransmission von 90% wurden mit dem optimierten
quasi-optischen Modenkonverter in der Ebene des Fensters erreicht. Die Methoden
zur Verbesserung der Anfangsbedingungen von phasenkorrigierenden Spiegeln
werden erforscht. Basierend auf den verbesserten Anfangsbedingungen wurde das
Spiegelsystem verbessert. Es wird erwartet, dass damit die
Leistungstransmission mehr als 95% in der Fensterebene ist.