ITER coaxial gyrotron development - final report

ITER KOAXIALGYROTRONENTWICKLUNG - Schlußbericht - Kurzfasssung: Eine 4,5 MW Elektronenkanone (Diode) für Gyrotrons mit koaxialem Resonator, deren auf nahezu Erdpotential liegender zentraler Leiter vom Kathodenring umgeben ist (Inverse Magnetron Injection Gun, IMIG) wurde ausgelegt und hergestellt (Uc = 90 kV, Ib = 50 A, Geschwindigkeitsverhältnis 1,4 und Stromdichte am Emitter je=2,8 A/cm²). Der Emitter besteht aus LaB6 mit einem mittleren Radius von 56 mm. Die Eigenschaften des Elektronenstrahls wurden mittels der Gegenfeldmethode gemessen. Der mittlere Wert von ist in guter Übereinstimmung mit numerischen Vorhersagen. Die gemessene Geschwindigkeitsstreuung rms 9 % ist zwar relativ groß, aber immer noch klein genug, um einen verläßlichen Betrieb bei den Designparametern zu erlauben. 1,5 MW-Gyrotronoszillatoren mit koaxialem Resonator für die Moden TE28,16 und TE31,17 bei 140 bzw. 165 GHz wurde entwickelt und getestet. Eine maximale Ausgangsleistung von 1,17 MW bei einem Wirkungsgrad von 27.2 % wurde im Designmodus bei 140 GHz gemessen (Pulslänge 0,15 - 0,5 ms). In einem weiten Betriebsparameterbereich wurde Einmodenoszillation gefunden. Die experimentellen Ergebnisse stimmen gut mit Vielmodenrechnungen überein. Stufenweise Frequenzdurchstimmung wurde erfolgreich durchgeführt. Mit konstanter Magnetfeldkompression wurden im Frequenzbereich von 115,6 bis 164,2 GHz zwanzig Moden im Einmodenbetrieb angeregt. So wurden z.B. 0,9 MW im TE25,14 bei 123,0 GHz und 1,16 MW im TE32,18 bei 158,9 GHz gemessen. Die Auswahl von Betriebsfrequenz und Betriebsmodus der 165 GHz-Version wird durch die obere Grenze des verfügbaren supraleitenden Magneten und durch den Gebrauch der IMIG des 140 GHz \- TE28,16 - Koaxialgyrotrons bestimmt. Eine maximale Ausgangsleistung von 1,17 MW bei einem Wirkungsgrad von 26,7 % wurde im Designmodus TE31,17 gemessen. Der maximale Wirkungsgrad von 28,2 % wurde bei einer Ausgangsleistung von 0,9 MW beobachtet. Einmodenbetrieb wurde auch im TE32,17 bei 167,1 GHz, im TE33,17 bei 169,46 GHz und im TE34,17-Modus bei 171,8 GHz erreicht und zwar mit Ausgangsleistungen von 1,02 MW, 0,63 MW bzw. 0,35 MW. Die Leistungs- und Wirkungsgradbegrenzung zu hohen Frequenzen hin ist durch das maximal erreichbare Magnetfeld von 6.6 T bedingt. Optimierung und Auslegung eines quasioptischen Modenwandlersystems, das mit einem Zweistrahlauskoppelprinzip für koaxiale Gyrotrons mit zwei Ausgangsfenstern verträglich ist, werden auch vorgestellt. Die Zweistufen-Modenwandler-Sequenzen TE-28,16 nach TE+76,2 nach TEM00 bei 140 GHz und TE-31,17 nach TE+83,2 nach TEM00 bei 165 GHz, die beide jeweils zwei enggebündelte (60° an der Hohlleiterantenne) Ausgangsstrahlen erzeugen, wurden untersucht. Es werden hohe Konversionswirkungsgrade erwartet (94 % bzw. 92 %).