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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