Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7299 

Analyse eines neuartigen 1.5 MW, 170 GHz Prototyp-Gyrotrons mit koaxialem Resonator

T. Rześnicki

Zusammenfassung
Am Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik (IHM) des Forschungszentrums Karlsruhe wird an der Entwicklung eines 170 GHz, 2 MW Gyrotrons mit koaxialem Resonator gearbeitet. Gyrotrons mit hohen Ausgangsleistungen werden bei der Entwicklung der Energiegewinnung durch magnetische Kernfusion benötigt. Das koaxiale 170 GHz Gyrotron wird für einen Einsatz am ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), einem sich im Aufbau befindenden Fusionsgroßexperiment entwickelt. Mikrowellen hoher Leistung werden zum Aufbau und zum Heizen des Plasmas sowie zur Unterdrückung von Plasmainstabilitäten benötigt. Die Ausgangsleistung von Gyrotrons mit konventionellen zylindrischen Resonatoren ist bei Frequenzen oberhalb etwa 100 GHz durch Ohmsche Verluste im Resonator sowie durch die Raumladung des Strahles auf etwa 1 MW, CW begrenzt. Die Verwendung koaxialer Resonatoren ermöglichst es, Volumenmoden höherer Ordnung (z.B. TE34,19-Mode bei 170 GHz) zu verwenden, da durch die koaxiale Anordnung die Modenkonkurrenz reduziert sowie der Einfluss der Raumladung des Elektronenstrahles vermindert werden. Dies ermöglicht eine Erhöhung der Ausgangsleistung auf 2 MW, CW je Gyrotron bei technisch akzeptablen Wandverlusten im Resonator.

Im Rahmen der Arbeiten am IHM wurde ein koaxiales 170 GHz Kurzpulsgyrotron entwickelt, aufgebaut und betrieben. Ziel der vorliegenden Doktorarbeit ist eine experimentelle Überprüfung der Eigenschaften der kritischen Gyrotronkomponenten wie Elektronenkanone, Resonator und HF-Auskopplungssystem als Vorarbeiten zu einem ersten industriellen Prototypgyrotron. Bei der Inbetriebnahme der Röhre sind parasitäre Schwingungen mit hoher Intensität angeregt worden, die einen stabilen Betrieb des Gyrotrons praktisch verhindert haben. Der Mechanismus für Entstehung solcher Schwingungen wurde untersucht und Maßnahmen zur Unterdrückung solcher parasitären Schwingungen wurden vorgeschlagen und experimentell verifiziert. Eine kritische Komponente ist das HF-Auskopplungssystem, welches die im Resonator erzeugte Strahlung in einen Gaußschen Strahl umwandeln soll. Die Eigenschaften des Auskopplungssystems wurden in Messungen bei niedriger Leistung untersucht. Dafür wurde die TE34,19-Gyrotronbetriebsmode bei 170 GHz mit einem speziellen Modenerzeuger bei niedriger Leistung angeregt. Die Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen sowie Probleme beim Entwurf eines koaxialen Gyrotrons werden im Rahmen dieser Doktorarbeit präsentiert und diskutiert.

ANALYSIS OF A PROTOTYPE OF A NOVEL 1.5 MW, 170 GHZ COAXIAL CAVITY GYROTRON

Abstract
A 170 GHz, 2 MW coaxial cavity gyrotron is under development at the Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik (IHM) at Forschungszentrum Karlsruhe (FZK) which will be used as a high power microwave source for heating, current drive and stability control of plasmas in the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). At frequencies above about 100 GHz the output power of conventional gyrotrons with cylindrical hollow waveguide cavities is limited to 1 MW in CW operation mainly due to the high Ohmic losses and the space charge voltage depression of the electron beam. The coaxial geometry enables a reduction of the mode competition in the gyrotron resonator and decreases also the influence of the beam voltage depression. As result a very high order operating mode (for example TE34,19 at 170 GHz) can be chosen which ultimately allows to increase the output power of the gyrotron in CW operation to a value as high as 2 MW.

A first prototype of the 170 GHz, 2 MW coaxial cavity gyrotron has been designed, built and experimentally tested in short pulse operation at FZK. The main goal of this work was to investigate experimentally the design of the critical gyrotron components such as electron gun, resonator and a quasi-optical RF system. Those components are same as used in the first industrial coaxial prototype gyrotron for ITER. During the experiments a strong instability was observed inside the gyrotron tube due to the excitation of parasitic low frequency oscillations. The mechanism of the oscillations has been studied and possibilities for their suppression of these oscillations are proposed and experimentally verified. The RF output system is one of the most critical components. It is responsible for the coupling of the gyrotron power out of the gyrotron by converting the microwave power generated in the TE34,19-mode into a fundamental free space TEM0,0 “Gaussian” mode. The performance of the RF output system has been tested in low power “cold” measurements. To perform the “cold” tests of the RF output system, the TE34,19-mode was excited at 170 GHz using a special low power mode generator. The results of the experimental tests and the general problems associated with the design of the coaxial cavity gyrotron are presented and discussed in this thesis.

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