Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7289

State-of-the-Art of High Power Gyro-Devices and Free Electron Masers Update 2006

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. A maximum output power of 1.2 MW in 4.1 s pulses was generated with the JAEA-TOSHIBA 110 GHz gyrotron. The Japan 170 GHz ITER gyrotron holds the energy world record of 2.16 GJ (0.6 MW, 60 min.) for tubes with an output power of more than 0.5 MW. The Russian 170 GHz ITER gyrotron achieved 0.5 MW with a pulse duration of 300 s. Diagnostic gyrotrons deliver P_out = 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 , P_out = 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 multi-megawatt gyrotrons, gyrotrons for technological and spectroscopy 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 2006

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 Megawatt Gyrotrons mit Austrittsfenstern aus künstlichem Diamant ist 30 min. (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. Eine maximale Ausgangsleistung von 1,2 MW bei 4,1 s Pulslänge wurden mit dem JAEA-TOSHIBA 110 GHz Gyrotron erzeugt. Das japanische 170 GHz ITERGyrotron hält den Energieweltrekord mit 2,16 GJ (0,6 MW, 60 min.) für Röhren mit einer Ausgangsleistung höher als 0,5 MW. Das russische 170 GHz ITER-Gyrotron erreichte 0,5 MW bei 300 s Pulslänge. Gyrotrons zur Plasmadiagnostik arbeiten bei Frequenzen bis zu 650 GHz bei P_out = 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, P_out = 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 Multimegawatt-Gyrotrons mit koaxialem Resonator, Gyrotrons für technologische und spektroskopische 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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