Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7351 

Dreidimensionale Feldberechnung für elektrisch große Geometrien und ihre Anwendung für multifrequente Hochleistungsgyrotrons

Hansjörg Oliver Prinz

Zusammenfassung
Für die Heizung von Kernfusionsplasmen werden Millimeterwellenquellen hoher Leistung, sogenannte Gyrotrons, am Forschungszentrum Karlsruhe entwickelt. Mit Gyrotrons können Leistungen bis in den Megawatt-Bereich bei Frequenzen von wenigen Gigahertz bis hin zu mehreren hundert Gigahertz erzeugt werden. Bei Hochleistungsgyrotrons wird die Hochfrequenz mit einem internen quasi-optischen Wellentypwandler stark gebündelt und als Mikrowellenstrahl ausgekoppelt.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Simulation der bezogen auf die Wellenlänge großen quasi-optischen Wellentypwandler. Für eine schnelle Simulation werden im Hohlleiter die Methode der gekoppelten Moden und im Freiraum die Propagation mit dem Kirchhoff'schen Beugungsintegral verwendet. Um Näherungen bei der Simulation zu umgehen und somit die Genauigkeit zu steigern, wurde eine dreidimensionale Simulationsmethode, basierend auf der elektrischen Feldintegralgleichung, entwickelt. Die Leistungsfähigkeit dieser Methode wird anhand der Analyse des quasi-optischen Wellentypwandlers eines 118 GHz TE22,6-Gyrotrons veranschaulicht.

Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Optimierung eines breitbandigen quasi-optischen Wellentypwandlers im Frequenzbereich zwischen 105 GHz und 143 GHz. Die Optimierung wird numerisch mit den bereits oben erwähnten schnellen Simulationsmethoden durchgeführt. Neben einem möglichst hohen Anteil der Gauß'schen Grundmode im Ausgangsstrahl für jede Frequenz wurde der Wellentypwandler auf ein Brewsterfenster angepasst. Dieses ermöglicht die frequenzunabhängige Transmission der Leistung zur Last, aber verkleinert die nutzbare Apertur bezogen auf ein Monofrequenzfenster. Durch die Optimierung konnte die Streustrahlung je nach Resonatormode auf zwei bis drei Prozent bei einem Anteil der Gauß'schen Grundmode von mehr als 90% reduziert werden.

Diese Arbeit wurde im Rahmen einer Dissertation an der Universität Karlsruhe (TH) am Institut für Hochleistungsimpuls-und Mikrowellentechnik des Forschungszentrum Karlsruhe durchgeführt.

Three-Dimensional Field Calculation for Electrically Large Geometries and its Application for Multi-Frequency High-Power Gyrotrons

Abstract
At the Research Center Karlsruhe (Forschungszentrum Karlsruhe) high-power millimeter wave sources, so called gyrotrons, are developed. Gyrotrons generate radio frequency (RF) in the frequency range of a few gigahertz up to a couple of hundred gigahertz at power levels up to megawatts. The RF-output coupling is done by an internal quasi-optical mode converter. It focuses the millimeter waves to a pencil like beam.

This report deals with the simulation of quasi-optical mode converters, which are large compared to the wavelength. For a fast simulation inside the waveguide the method of coupled modes is used and in free space the propagation is done by the Kirchhoff diffraction integral. To avoid approximations and to enhance accuracy a three-dimensional simulation method based on the electric field integral equation (EFIE) was developed. The performance of this method will be shown with an analysis of a quasi-optical mode converter of a 118 GHz TE22,6-gyrotron.

The second focus of this work is the optimization of a broadband quasi-optical mode converter in the frequency range of 105 GHz to 143 GHz. The optimization was done with the fast simulation methods, which were mentioned above. Beside a high Gaussian mode content of the output beam for every frequency, the mode converter was optimized for a Brewster angle window. A Brewster window has no dependency on the frequency for the transmitted wave beam, but the useable aperture of the window is much smaller than for a mono-frequent window. By optimization the stray radiation could be reduced to two to three percent depending on the cavity mode with a Gaussian mode content of more than 90%.

The work is based on a dissertation which was done at the Institut für Hochleistungsimpuls-und Mikrowellentechnik at the Forschungszentrum Karlsruhe and accepted by the University of Karlsruhe (TH), Germany.

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