State-of-the-art of high power gyro-devices and free electron masers 1994
Description
At present, gyrotron oscillators are mainly used as high power millimeter wave sources for electron cyclotron resonance heating (ECRH) and diagnostics of magnetically confined plasmas for generation of energy by controlled thermonuclear fusion. 140 GHz gyrotrons with output power Pout=0.54 MW, pulse length τ=3.0 s and efficiency η=42% are commercially available. Total efficiencies around 50% have been achieved using single-stage depressed collectors. Diagnostic gyrotrons deliver Pout=40 kW with τ=40 μs at frequencies up to 650 GHz (η≥4%). Recently, gyrotron oscillators have also been successfully used in material processing and plasma chemistry. Such technological applications require gyrotrons with the following parameters: f≥24 GHz, Pout=10-50 kW, CW, η≥30%. This paper reports on achievements and problems related to the development of very high power mm-wave gyrotrons for long pulse or CW operation and describes the microwave technological pecularities of the different development steps. In addition, this work gives a short overview of the present development of gyrotrons for technological applications, relativistic gyrotrons, quasi-optical gyrotrons, cyclotron autoresonance masers (CARMs), gyro klystrons, gyro-TWT amplifiers, gyrotwystron amplifiers, gyro-BWO's, peniotrons and free electron masers (FEMs). The most impressive FEM output parameters are: Pout=2 GW, τ=20 ns, η=13% at 140 GHz (LLNL) and Pout=15 kW, τ=20 μs, η=5% in the range from 120 to 900 GHz (UCSB). (orig.)
Availability note (English)
MF available from INIS under the Report Number.Abstract (German)
Gyrotronoszillatoren werden derzeit vorwiegend als Hochleistungsmillimeterwellenquellen fuer die Elektro-Zyklotron-Resonanzheizung (ECRH) und Diagnostik von magnetisch eingeschlossenen Plasmen zur Erforschung der Energiegewinnung durch kontrollierte Kernfusion eingesetzt. 140 GHz Gyrotrons mit einer Ausgangsleistung von Pout=0.54 MW bei Pulslaengen von τ=3.0 s und Wirkungsgraden von η=42% sind kommerziell erhaeltlich. Durch den Einsatz von Kollektoren mit einstufiger Gegenspannung werden Gesamtwirkungsgrade um 50% erreicht. Gyrotrons zur Plasmadiagnostik erreichen Frequenzen bis zu 650 GHz bei Pout=40 kW und τ=40 μs (η≥4%). In juengster Zeit jedoch finden Gyrotronoszillatoren auch fuer technologische Prozesse und in der Plasmachemie erfolgreich Verwendung. Dabei werden Roehren mit folgenden Paramtern eingesetzt: f≥24 GHz, Pout=10-50 kW, CW, η≥30%. In diesem Beitrag wird auf den aktuellen Stand und die Probleme bei der Entwicklung von Hochleistungs-mm-Wellen-Gyrotrons fuer Langpuls- und Dauerstrichbetrieb sowie auf die mikrowellentechnischen Besonderheiten der einzelnen Entwicklungsphasen eingegangen. Ausserdem wird auch kurz ueber den neuesten Stand der Entwicklung von Gyrotrons fuer technologische Anwendungen, relativistischen Gyrotrons, quasi-optischen Gyrotrons, Zyklotron-Autoresonanz-Masern (CARMs), Gyroklystrons, Gyro-TWT-Verstaerkern, Gyrotwystron-Vestaerker, Gyro-Rueckwaertswellenoszillatoren (BWOs), Peniotrons und Frei-Elektronen-Maser (FEM) berichtet. FEM-Rekordausgangsparameter sind hier: Pout=2 GW, τ=20 ns, η=13% bei 140 GHz (LLNL) und Pout=15 kW, τ=20 μs, η=5% im Bereich von 120 bis 900 GHz (UCSB). (orig.)
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Publishing Information
- Imprint Pagination
- 63 p.
- ISSN
- 0947-8620
- Report number
- FZKA--5564
INIS
- Country of Publication
- Germany
- Country of Input or Organization
- Germany
- INIS RN
- 27073744
- Subject category
- S70: PLASMA PHYSICS AND FUSION TECHNOLOGY;
- Descriptors DEI
- CYCLOTRON RESONANCE; ECR HEATING; EFFICIENCY; ELECTRON BEAMS; ELECTRONS; FINITE ELEMENT METHOD; FORSCHUNGSZENTRUM KARLSRUHE; KLYSTRONS; MASERS; MICROWAVE AMPLIFIERS; MICROWAVE RADIATION; PLASMA; PLASMA DIAGNOSTICS; PULSES; RELATIVISTIC RANGE; STORAGE RINGS
- Descriptors DEC
- AMPLIFIERS; BEAMS; CALCULATION METHODS; ELECTROMAGNETIC RADIATION; ELECTRON TUBES; ELECTRONIC EQUIPMENT; ELEMENTARY PARTICLES; ENERGY RANGE; EQUIPMENT; FERMIONS; GERMAN FR ORGANIZATIONS; HEATING; HIGH-FREQUENCY HEATING; LEPTON BEAMS; LEPTONS; MICROWAVE EQUIPMENT; MICROWAVE TUBES; NATIONAL ORGANIZATIONS; NUMERICAL SOLUTION; PARTICLE BEAMS; PLASMA HEATING; RADIATIONS; RESONANCE