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. ... mehrDie 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 %).

ITER COAXIAL GYROTRON DEVELOPMENT - Final Report -
A diode-type 4.5 MW coaxial-cavity-gyrotron electron gun having a central rod close to ground potential surrounded by the cathode ring (inverse magnetron injection gun, IMIG) has been designed and manufactured (Uc = 90 kV, beam current Ib = 50 A, velocity ratio 1.4 and emitter current density je = 2.8 A/cm²). The emitter consists of LaB6 and has an average radius of 56 mm. The properties of the electron beam have been measured with the method of retarding fields. The average value of was found to be in good agreement with numerical predictions. ... mehrThe measured velocity spread rms  9% is relatively high, but sufficiently low for reliable operation at the design parameters.
1.5 MW gyrotron oscillators with coaxial cavities designed for operation in the TE28,16 and TE31,17 modes at 140 and 165 GHz are under development and test. A maximum output power of 1.17 MW has been measured in the design mode at 140 GHz with an efficiency of 27.2 % (pulse duration 0.15 ms up to 0.5 ms). Single-mode operation has been found in a wide range of operating parameters. The experimental values agree very well with results of multimode calculations. Frequency step tuning has been performed successfully. Using a constant magnetic compression ratio, twenty modes have been excited in single-mode operation in the frequency range between 115.6 and 164.2 GHz. In particular, an output power of 0.9 MW has been measured in the TE25,14 mode at 123.0 GHz and 1.16 MW in the TE32,18 mode at 158.9 GHz.
The selection of the operating frequency and mode of the 165 GHz version is based on limitations imposed by the maximum magnetic field of the existing superconducting magnet and the use of the IMIG of the 140 GHz, TE28,16 coaxial gyrotron. A maximum output power of 1.17 MW with an efficiency of 26.7 % has been measured in the design mode TE31,17. Maximum efficiency of 28.2 % has been observed at an output power of 0.9 MW. Single-mode oscillation was also achieved in the TE32,17 mode at 167.1 GHz, in the TE33,17 mode at 169.4 GHz and in the TE34,17 mode at 171.8 GHz with an output power of 1.02 MW, 0.63 MW and 0.33 MW, respectively. The power and efficiency decrease towards higher frequencies is due to the maximum achievable magnetic field of 6.6 T.
Optimization and design of a quasi-optical mode converter system compatible with the constraints of a coaxial-gyrotron dual-beam output concept for operation with two output windows is also presented. The two-step mode conversion sequences TE-28,16 to TE+76,2 to TEM00 at 140 GHz and TE-31,17 to TE+83,2 to TEM00 at 165 GHz have been investigated which both generate two narrowly-directed (60o at the waveguide launcher) output wave beams. High conversion efficiences are expected (94 % and 92 %, respectively).