Short-Pulse and Long-Pulse PLL-based Frequency Stabilization of MW-Class Gyrotrons with Diode-Type MIG

Gyrotrons sind Elektronenvakuumröhren, die Millimeterwellen im Frequenzbereich von 30 GHz bis 200 GHz mit Ausgangsleistungen im Megawattbereich (MW) erzeugen. Aufgrund variabler Betriebsbedingungen und Rauschen schwankt die Ausgangsfrequenz von Hochleistungsgyrotrons, was eine Herausforderung für Anwendungen darstellt, die präzise und stabile Betriebsfrequenzen erfordern. Beispiele hierfür sind die Plasmadiagnostik mittels kollektiver Thomson-Streuung (CTS) und die direkte Ionenheizung mit Schwebungswellen. Die Schwebungswellen werden dabei aus der Differenzfrequenz, welche der Ionenzyklotronfrequenz entspricht, von zwei Gyrotrons erzeugt. ... mehrIn dieser Arbeit wird gezeigt, dass die Frequenz eines Hochleistungsgyrotrons mit einem Elektronenstrahlerzeuger in Diodenausführung mittels einer Phasenregelschleife (PLL) stabilisiert werden kann.
Die Ausgangsfrequenz des Gyrotrons wird durch Änderung der Beschleunigungsspannung gesteuert, die zwischen der Anode und der Kathode des Elektronenstrahlerzeugers anliegt. Für einen festen Arbeitspunkt wird die Frequenzabhängigkeit von der Beschleunigungsspannung linearisiert und das Gyrotron wird als spannungsgesteuerter Oszillator betrachtet. Es wird ein PLL-System entwickelt, das die Frequenz über die Beschleunigungsspannung regelt. Das PLL-System wird experimentell an den Gyrotrons der Elektronen-Zyklotron-Resonanzheizung (ECRH) am Wendelstein 7-X (W7-X) Stellarator demonstriert.
Bei Experimenten mit langen Pulsen (> 5 s) wird die Gyrotronfrequenz erfolgreich zwischen 1 s bis zum Ende des Pulses stabilisiert. Das PLL-System verringert die Frequenzveränderungen im MHz-Bereich, welche im freilaufenden Betrieb beobachtet werden, erheblich. Das Frequenzspektrum weist ein ausgeprägtes Maximum bei der eingestellten Frequenz auf und es wird eine volle -20 dB Bandbreite von unter 100 kHz erreicht. Das verbleibende Frequenzrauschen, das auf Schwankungen der Kathodenspannungsversorgung zurückzuführen ist, erscheint als Seitenbänder bei 3,3 kHz und 135 kHz neben der Hauptfrequenz. Im Gegensatz dazu erstreckt sich das Frequenzspektrum ohne die Frequenzstabilisierung über ein Frequenzband mit einer vollen -20 dB-Bandbreite über 1 MHz aus, ohne dass es ein deutlich erkennbares Maximum bei einer Frequenz gibt.
Die CTS-Diagnostik am W7-X Stellarator benötigt einen frequenzstabilisierten Betrieb eines 140 GHz ECRH-Gyrotrons bei 174 GHz für eine Pulsdauer von 9 ms. Der Betrieb bei 174 GHz wird theoretisch und experimentell untersucht. In den Experimenten wird eine Ausgangsleistung von 300 kW bei 174 GHz erreicht. Die größte Herausforderungen für eine Frequenzstabilisierung bei einer Pulsdauer von 9 ms stellt der 30 MHz Frequenzabfall dar, der durch die Ausdehnung des Resonators aufgrund von Erwärmung und durch die Neutralisierung der Elektronenstrahlraumladung entsteht. Das PLL-System wirkt dem Frequenzabfall erfolgreich entgegen. Darüber hinaus ist es möglich mit dem PLL-Systems eine gewünschte Gyrotronfrequenz präzise einzustellen und genau an das Kerbfilters des CTS-Empfängers anzupassen.

Gyromonotron oscillators, also known as gyrotrons, are electron vacuum tubes capable of generating millimeter-wave (mm-wave) radiation in the frequency range from 30 GHz up to 200 GHz with output power levels in the megawatt (MW) range. The output frequency of MW-class gyrotron fluctuates due to varying operating conditions and noise, posing challenges to applications which require well defined and stable operating frequencies. Examples are the Collective Thomson Scattering (CTS) diagnostic and direct ion heating with beat waves generated by two gyrotrons. In this thesis, a novel approach is presented, demonstrating the feasibility of stabilizing the frequency of MW-class gyrotrons with a diode-type Magnetron Injection Gun (MIG) by using a Phase-Locked Loop (PLL) system.
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The gyrotron output frequency is controlled by changing the accelerating voltage, which is applied between the anode and cathode of the diode-type MIG. For a fixed operating point, the frequency dependence on the accelerating voltage is linearized, and the gyrotron is considered as Voltage Controlled Oscillator (VCO). A PLL system is developed that controls the accelerating voltage with the high-voltage body power supply, and its capabilities are experimentally demonstrated with the Electron Cyclotron Resonance Heating (ECRH) gyrotrons at the Wendelstein 7-X (W7-X) stellarator.
In long-pulse experiments (> 5 s), the gyrotron frequency is successfully stabilized after 1 s until the end of the pulse. The PLL system significantly reduces long-term frequency drifts in the MHz range observed in the free-running operation, where no PLL system is implemented. The frequency spectrum has a distinct main peak at the set frequency, and a full -20 dB bandwidth of below 100 kHz is achieved. The remaining short-term frequency noise, attributed to cathode power supply fluctuations, appears as sidebands at 3.3 kHz and 135 kHz from the main peak. In contrast, without the frequency stabilization, the gyrotron frequency spectrum spreads over a band of frequencies with a full -20 dB bandwidth higher than 1 MHz, lacking a distinct peak at a single frequency.
To demonstrate its viability, the PLL system is implemented for the CTS diagnostic at the W7-X stellarator, which requires a frequency stabilized operation of a 140 GHz ECRH gyrotron at 174 GHz for a pulse duration of 9 ms. The operation at 174 GHz is theoretically and experimentally investigated, and an output power of 300 kW is achieved at 174 GHz in the experiments. Overcoming main challenges related to short-pulse frequency stabilization, the developed PLL system effectively counteracts the 30 MHz frequency drift observed for a duration of 9 ms, caused by cavity expansion due to heating and by electron beam space charge neutralization. In addition, the precision of the PLL system in matching the gyrotron frequency to the notch filter of the CTS receiver allows to reduce the notch filter bandwidth, which improves the CTS measurements.