DE10105441C1 - Collector wall and collector coil group of a gyrotron - Google Patents
Collector wall and collector coil group of a gyrotronInfo
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Abstract
Es wird vorgeschlagen, den Kollektor eines Gyrotron von der Stirnseite her koaxial zur Achse mit einer hohlzylindrischen Einbuchtung zu versehen, in die die Kollektorspulengruppe zur Direktion des vom Resonator kommenden Elektronenhohlstrahls auf die Kollektorwand koaxial versenkt und verankert wird. Damit entfällt der raumfordernde Spulenaufbau um den Kollektor. DOLLAR A Die Kollektorspulengruppe kann einerseits nur mit Gleichstrom erregt werden, dann lässt sich das rotationssymmetrische Auftreffgebiet des Elektronenhohlstrahls bis über die gesamte Kollektorwand ausdehnen. Sie kann andererseits aber auch mit einen Gleichstrom mit überlagertem Wechselstrom erregt werden, dann pendelt das rotationssymmetrische, ringförmige Auftreffgebiet im Rytmus der Wechselstromfrequenz auf der Kollektorwand zwischen zwei einstellbaren Grenzpositionen hin und her.It is proposed to provide the collector of a gyrotron with a hollow cylindrical indentation from the end face, coaxial with the axis, into which the collector coil group is coaxially sunk and anchored for directing the hollow electron beam coming from the resonator onto the collector wall. This eliminates the space-consuming coil structure around the collector. DOLLAR A The collector coil group can on the one hand only be excited with direct current, then the rotationally symmetrical impact area of the hollow electron beam can be extended over the entire collector wall. On the other hand, it can also be excited with a direct current with superimposed alternating current, then the rotationally symmetrical, ring-shaped impingement area oscillates back and forth on the collector wall in the rhythm of the alternating current frequency between two adjustable limit positions.
Description
Die Erfindung geht aus von einer Kollektorwand und einer Kollektorspulen gruppe eines Gyrotrons gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie aus der US 4395656 bekannt sind, und umfaßt auch ein Verfahren zu ihrem Betreiben.The invention is based on a collector wall and a collector coil group of a gyrotron according to the preamble of claim 1, as they are known from US 4395656 and also includes a method of operating them.
Die Spulengruppe ist zur Achse des Gy rotrons im Kollektorbereich koaxial angebracht. Mit ihr wird im Bereich des Kollektors ein zur Achse rotationssymmetrisches Magnetfeld örtlich vorgegebener Stärke, bzw. mit einem vorgege benen axialen Feldstärkeverlauf erzeugt, mit dem das Auftreffge biet an der Innenwand des Kollektors des im Gyrotron erzeugten Elektronenhohlstrahls in einem vorgegebenen Bereich eingestellt werden kann.The coil group is on the axis of the Gy rotrons coaxially attached in the collector area. With her in Area of the collector is rotationally symmetrical to the axis Magnetic field of locally predetermined strength, or with a predetermined generated axial field strength curve with which the impact offers on the inner wall of the collector of the generated in the gyrotron Hollow electron beam set in a predetermined range can be.
Die verbleibende Energie des Elektronenhohlstrahls wird auf der Wand des Kollektors dissipiert. Die Trajektorien des Elektronen hohlstrahls werden durch den Verlauf der magnetischen Flussflä chen wesentlich bestimmt. Die Hauptprobleme eines Kollektors in einem Hochleistungsgyrotron bestehen in der Verteilung der Strahlleistung entlang der Kollektoroberfläche.The remaining energy of the hollow electron beam is on the Wall of the collector dissipates. The trajectories of the electrons become hollow by the course of the magnetic flux area Chen essentially determined. The main problems of a collector in a high performance gyrotron consist in the distribution of the Beam power along the collector surface.
Um die Leistungsdichte an der Kollektorwand im zeitlichen Mittel zu reduzieren, wird bei Gyrotrons, insbesondere Hochleistungsgy rotrons, wie beispielsweise für die Aufheizung magnetisch einge schlossener Plasmen für die Kernfusion notwendig, das Auftreff gebiet des Elektronenhohlstrahls an der Innenwand des Kollektors über einen axialen Bereich hin und her bewegt, auch Wobbeln ge nannt. Dies wird bisher durch das in zylindrischen, koaxial außen um den Kollektor angebrachten Kollektorspulen erzeugte, zur Achse rotationssymmetrische Magnetfeld bewirkt. Hierzu wer den die entsprechenden Kollektorspulen mit einem Gleich- und/oder Wechselstrom erregt.The power density on the collector wall on average over time to reduce, is in gyrotrons, especially high performance gy rotrons, such as magnetically turned on for heating closed plasmas necessary for the fusion, the impact area of the hollow electron beam on the inner wall of the collector moved back and forth over an axial area, also wobble ge Nannt. So far this has been done through the in cylindrical, coaxial generated collector coils attached to the outside of the collector, magnetic field that is rotationally symmetrical to the axis. About who the corresponding collector coils with a and / or alternating current excited.
Die eingangs erwähnte US 4,395,656 zeigt eine Anordnung, bei der sich die Spulen im Innern des Kollektors befinden. Es wird jedoch nichts darüber gesagt, wie die Spulen dort angeordnet werden können. The above-mentioned US 4,395,656 shows an arrangement in which the coils are inside the collector. However, nothing will come of it said how the coils can be arranged there.
Aus der US 5,780,970 ist eine Kollektorwand mit einer Spulen gruppe eines Gyrotron bekannt, die axial zum Gyrotron in dessen Kollektorbereich angeordnet ist. Das Magnetfeld wird zum großen Teil durch Permanentmagnete erzeugt, die in eine Einbuchtung der abschließenden Stirnseite eingeschoben und zentriert sind, wäh rend die Spulen nur ergänzend wirken und außerhalb angeordnet sind.From US 5,780,970 is a collector wall with a coil Group of a gyrotron known, the axial to the gyrotron in its Collector area is arranged. The magnetic field becomes a big one Part generated by permanent magnets in an indentation of the final face are inserted and centered rend the coils only complementary and arranged outside are.
Die Wobbel- oder Pulsationsfrequenz ist in existierenden Gyro tronsystemen durch den Skineffekt auf typischerweise etwa 10 Hz begrenzt, und zwar abhängig von der Dicke der Kollektorwand. Die Wandstärke ist wegen der hohen Leistungsdichten in Hochleistungsgyrotrons typischerweise 10 mm. Wegen des großen Durchmes sers des Kollektor eines solchen Gyrotrons - etwa 400 mm und mehr - erreichen die den Kollektor teilweise ummantelnden Kol lektorspulen beträchtliche Abmessungen.The wobble or pulsation frequency is in existing gyro systems due to the skin effect to typically around 10 Hz limited, depending on the thickness of the collector wall. The Wall thickness is due to the high power densities in high performance gyrotrons typically 10 mm. Because of the big diameter sers of the collector of such a gyrotron - about 400 mm and more - reach the col detector coils considerable dimensions.
Daraus entstand die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, nämlich die Abmessungen des Kollektors eines Hochleistungsgyro tron so klein wie möglich zu halten und die zeitgemittelte Lei stungsdichte, die momentane Spitzenleistungsdichte und die re sultierende Temperaturschwankung unter vertretbarem technischen Aufwand zu minimieren. Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 bzw. mit dem Verfahren des Anspruchs 3 gelöst.This gave rise to the object on which the invention is based, namely the dimensions of the collector of a high performance gyro tron as small as possible and the time-averaged lei density, the current peak power density and the right Resulting temperature fluctuation under reasonable technical To minimize effort. This task comes with the subject of claim 1 or solved with the method of claim 3.
Dabei erfolgt ein koaxialer Einbau einer Kollektorspu lengruppe aus mindestens einer zylindrischen Spule in den Kol lektor. Hierzu hat die Kollektorwand von der ab schließenden Stirnseite her eine zur Achse koaxiale hohlzylind rische Einbuchtung, in der die Kollektorspulengruppe, auf einem zylindrischen Spulenwickelkörper sitzend, eingeschoben und zen triert verankert ist. Die magnetfelderzeugenden Spulen, deren Dimensionierung und Lage auf der Achse rechnerisch ermittelt ist, sind axial hintereinander und/oder radial übereinander. Mit dem aufgrund der Rechnungen ermittelten, jeweils notwendigen elektrischen Strom werden die Spulen erregt und erzeugen in ih rer Gesamtheit ein resultierendes, zur Achse rotationssymmetri sches Magnetfeld mit vorgegebenem axialen Verlauf der Magnet feldstärke, so dass der rotationssymmetrische Elektronenhohl strahl an dieser Einbuchtung zumindest mit an deren frei ragen den Anfangsbereich kollisionsfrei vorbeigeführt und in einen vorgesehenen Auftreffbereich auf der Kollektorinnenwand gelenkt wird.This involves coaxial installation of a collector coil lengruppe from at least one cylindrical coil in the Kol lecturer. For this purpose, the collector wall has a closing end a hollow cylinder coaxial to the axis indentation, in which the collector coil group, on one cylindrical bobbin sitting, inserted and zen is anchored. The magnetic field generating coils, their Dimensioning and position on the axis calculated is axially one behind the other and / or radially one above the other. With the one determined on the basis of the invoices electrical current, the coils are excited and produce in them Overall, a resultant, rotationally symmetrical to the axis magnetic field with a predetermined axial course of the magnet field strength, so that the rotationally symmetrical electron hollow beam at this indentation at least protrude at the other the collision-free area and into one intended impact area directed to the collector inner wall becomes.
Die Unteransprüche geben Ausführungsarten der Erfindung an.The subclaims indicate embodiments of the invention.
In Anspruch 2 ist ergänzend beschrieben, wie die hohlzylindri sche Einbuchtung, in der die Kollektorspulengruppe versenkt ist, in einen externen Kühlkreislauf einbezogen werden kann. Durch den hohlzylindrischen Spulenwickelkörper hindurch führt minde stens ein konzentrisches Rohr. Das einzige oder das äußere von mehreren zumindest berührt den Boden der Einbuchtung. Durch die ses äußere Rohr und die Wand der Einbuchtung kann an der Kollek torspulengruppe vorbei bei radialen Durchgängen am Ende des wickelfreien Spulenkörpers am Boden der Einbuchtung und/oder bei Durchgängen durch den Spulenkörper selbst ein Strömungskanal für ein Kühlmittel eingerichtet werden, wenn das äußere Rohr und die Wand der Einbuchtung an den externen Kühlkreislauf angeschlossen werden.In claim 2 also describes how the hollow cylinder indentation in which the collector coil group is sunk, can be included in an external cooling circuit. By minde leads through the hollow cylindrical bobbin at least a concentric tube. The only or the outside of several at least touched the bottom of the indentation. Through the The outer tube and the wall of the indentation can be attached to the collector Tor coil group past radial passages at the end of the winding-free coil body at the bottom of the indentation and / or at Passages through the coil body itself a flow channel for a coolant can be set up when the outer tube and the Wall of the indentation connected to the external cooling circuit become.
Mit dem in Anspruch 3 beschriebenen Verfahren wird das rota tionssymmetrische Auftreffgebiet auf der Innenwand des Kollek tors gezielt groß gehalten, so dass die auftreffende Elektronen dichte und die dadurch hervorgerufene spezifische Belastung der Kollektorwand zumindest erträglich beschränkt bleibt bzw. tech nisch noch akzeptabel ist. Dies geschieht grundsätzlich dadurch, dass die Spulen nur mit Gleichstrom erregt werden und dadurch ein zeitlich konstantes, räumlich nicht adiabatisches Magnetfeld mit vorgegebenen axialen Feldstärke erzeugt wird, das denn Elektronenhohlstrahl einerseits rotationssymmetrisch formt und den Auftreffbereich der Elektronen aufweitet, wodurch die auf treffende Elektronendichte und damit die Leistungsdichte im Auf treffbereich an der Innenwand des Kollektors auf zumindest das technisch erträgliche Maß beschränkt wird. Als Auftreffbereich kommen höchstens die äußere Mantelwand, die Stirnwand und die Oberfläche der Einbuchtung des Kollektors in Betracht. In diesem gleichstromerregten Fall braucht die Wandstärke der Einbuchtung nicht dünn sein, da das Magnetfeld nicht zeitlich pulsiert und damit auch kein Skineffekt auftritt. With the method described in claim 3, the rota symmetrical impact area on the inner wall of the collector tors purposely kept large, so that the incident electrons density and the resulting specific load on the Collector wall remains at least tolerably limited or tech niche is still acceptable. This basically happens because that the coils are only excited with direct current and thereby a temporally constant, spatially non-adiabatic magnetic field is generated with predetermined axial field strength, because Hollow electron beam forms rotationally symmetrical on the one hand and the impact area of the electrons expands, causing the accurate electron density and thus the power density in the opening area on the inside wall of the collector on at least that technically tolerable measure is limited. As a target area come at most the outer wall, the front wall and the Surface of the indentation of the collector into consideration. In this DC-excited case needs the wall thickness of the indentation not be thin since the magnetic field does not pulsate in time and so that no skin effect occurs.
In Anspruch 4 wird ein zeitlich pulsierendes Magnetfeld zur pe
riodischen Hin und Herbewegen der Lage des Auftreffgebiets an
der Innenwand des Kollektors eingesetzt. Dazu werden eine oder
mehrere Spulen der Spulengruppe zusätzlich zum jeweiligen Wech
selstrom mit einem jeweils vorgegebenen Gleichstrom erregt, um
eine geforderte rotationssymmetrische Formung des Elektronen
hohlstrahls einzustellen. Durch die Erregung von mindestens ei
ner Spule der Spulengruppe an entsprechender axialer Position
mit einem Wechselstrom wird im vorgesehenen Kollektorbereich ein
zeitliches Pulsieren des Magnetfelds erzeugt, das ein Hin und
Herbewegen des ringförmigen, rotationssymmetrischen Auftreffge
biets auf der Innenwand des Kollektors zwischen zwei Positionen
bewirkt. Und zwar pulsiert der Elektronenhohlstrahl mit seiner
eingeprägten radialen Ausdehnung beim Durchlaufen des pulsieren
den Magnetfelds im Kollektorbereich im Takt der Wechselstromfre
quenz so, dass sein ringförmiges koaxiales Auftreffgebiet höch
stens
zwischen zwei axialen Positionen auf der Mantelwand des Kollek
tors oder
zwischen zwei radialen Positionen auf der Stirnwand, wobei beide
radialen Positionen stets einen größeren Radius als den der Ein
buchtung haben, oder
zwischen einer Position auf der Mantelwand des Kollektors und
einer radialen Position außerhalb der Einbuchtung auf der Stirn
des Kollektors
in dem Rhythmus der Wechselstromfrequenz hin und her wandert.In claim 4, a temporally pulsating magnetic field is used for periodically reciprocating the position of the impact area on the inner wall of the collector. For this purpose, one or more coils of the coil group are excited in addition to the respective alternating current with a respectively predetermined direct current in order to set a required rotationally symmetrical shaping of the hollow electron beam. By excitation of at least one coil of the coil group at a corresponding axial position with an alternating current, a temporal pulsation of the magnetic field is generated in the intended collector area, which causes the annular, rotationally symmetrical impingement area on the inner wall of the collector to move between two positions. Namely, the hollow electron beam with its impressed radial expansion pulsates when it passes through the pulsating magnetic field in the collector area in time with the alternating current frequency so that its ring-shaped coaxial impingement area is at its maximum
between two axial positions on the jacket wall of the collector or
between two radial positions on the end wall, both radial positions always having a larger radius than that of the indentation, or
between a position on the jacket wall of the collector and a radial position outside the indentation on the forehead of the collector
wanders back and forth in the rhythm of the AC frequency.
Hieraus ergeben sich verschiedene Vorteile, nämlich:
This has several advantages, namely:
- - Die geringere Wandstärke der Kapselung der Kollektorspulen gruppe lässt wegen des Skineffekts ein Pulsieren des Magnetfeldes mit höherer Frequenz zu. Eine geringere Stärke der Wand kann gewählt werden, weil sie nicht vom primären Elektronenstrahl getroffen wird und daher nur eine geringe thermische Belastung erfährt. - The smaller wall thickness of the encapsulation of the collector coils group causes the skin to pulsate due to the skin effect Magnetic field with a higher frequency. A lesser strength the wall can be chosen because it is not of the primary Electron beam is hit and therefore only a small one experiences thermal stress.
- - Das höherfrequente Pulsieren des durch die Spulengruppe er zeugten Magnetfelds bewirkt entsprechend ein schnelleres Hin- undherwandern zwischen zwei Endpositionen des Auftreffgebiets des Elektronenhohlstrahls auf der Innenwand des Kollektors. Damit lässt sich die Amplitude der Oszillationen der Oberflä chentemperatur erniedrigen.- The higher-frequency pulsation of the through the coil group generated magnetic field causes a faster and move between two end positions of the impact area of the electron beam on the inner wall of the collector. This allows the amplitude of the surface oscillations lower the cooking temperature.
- - Die Abmessungen der innen liegenden Spulengruppe ist wesent lich kleiner als die einer entsprechend leistungsfähigen außen liegenden. Daher wird das Gewicht und der Leistungsverbrauch der Kollektorspulengruppe erheblich reduziert.- The dimensions of the inner coil group is essential smaller than that of a correspondingly powerful outside lying. Hence the weight and the power consumption the collector coil group significantly reduced.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung er läutert. Die Zeichnung besteht aus 2 Figuren. Es zeigt:An embodiment of the invention is he based on the drawing purifies. The drawing consists of 2 figures. It shows:
Fig. 1 den axialen Schnitt durch den Kollektor des Gyrotrons, Fig. 1 shows the axial section through the collector of the gyrotron,
Fig. 2 die Potentiallinien und Trajektorien des Elektronenhohl strahls. Fig. 2 shows the potential lines and trajectories of the hollow electron beam.
Als Beispiel wird die Auslegung für einen 2,2 MW, einstufig vor gespannten Kollektor gemäß Fig. 1 herangezogen. Die elektrische Isolation des einstufigen Kollektors ist am äußeren Umfang links von der inneren zylindrischen Einbuchtung angenommen. Die beiden Figuren zeigen auch nur den gesamten Kollektorbereich. Die übri gen Baugruppen des Gyrotrons sind nicht angedeutet. Die Elektro nenstrahlerzeugung und der Resonator des Gyrotrons würden sich links im Bild vom Anfang des Kollektors an anschließen.As an example, the design for a 2.2 MW, single-stage before tensioned collector according to FIG. 1 is used. The electrical insulation of the single-stage collector is assumed on the outer circumference to the left of the inner cylindrical indentation. The two figures only show the entire collector area. The remaining components of the gyrotron are not indicated. The electron beam generation and the resonator of the gyrotron would connect to the left in the picture from the beginning of the collector.
Die Auslegung ist nicht auf die einstufige Vorspannung be schränkt. Sie kann auch ähnlich für nicht vorgespannte sowie für mehrstufig, beispielsweise zweistufig vorgespannte Kollektoren durchgeführt werden.The design is not based on the single-stage preload limits. It can also be similar for non-biased as well as for multi-stage, for example two-stage preloaded collectors be performed.
Die Konturmaße des koaxial aufgebauten Kollektors sind hier bei spielweise: größte lichte Weite 520 mm, Länge 1360 mm. In das koaxiale Innere des vom Resonator kommenden Elektronenhohl strahls ragt die hohlzylindrische Einbuchtung der dortigen Kollektorwand, die wie an anderer Stelle auch vorzugsweise aus Kup fer ist, andere, technisch geeignete Materialien sind nicht aus geschlossen, dort aber im Gegensatz zur Außenwand mit hier 10 mm nur 3 mm Wandstärke hat, da dort ja keine Belastung durch den Elektronenhohlstrahl auftritt. Diese Einbuchtung ist an der Stirnwand des Kollektors angeschweißt oder hart angelötet. Für den reinen Experimentierbetrieb kann es nützlich sein, wenn die Einbuchtung mit einem Flansch versehen an der Stirnwand auch va kuumdichtbar angeschraubt werden kann.The contour dimensions of the coaxial collector are here for example: largest clear width 520 mm, length 1360 mm. In the coaxial interior of the electron cavity coming from the resonator the hollow cylindrical indentation of the collector wall there protrudes, which, as elsewhere, is also preferably made of copper fer, other technically suitable materials are not out closed, but in contrast to the outer wall with 10 mm here only 3 mm wall thickness, since there is no load from the Hollow electron beam occurs. This indentation is at the End wall of the collector welded or hard soldered. For for pure experimentation it can be useful if the Indentation with a flange on the front wall, especially can be screwed on in a vacuum-tight manner.
In das Innere dieser Einbuchtung ist die Kollektorspulengruppe auf einem Spulenkörper gewickelt, eingeschoben und am Boden und an der Kollektorstirnwand zentriert. Die Spulengruppe besteht hier aus vier Solenoiden, einem ersten mit dickem Wickel, dem Resonatorausgang am nächsten liegenden. An diesen schließt sich ein weiteres innen liegendes Solenoid mit schwächerem Wickel als dem ersteren bis an die Stirnwand an, das auf einem Wickelkörper mit größerer lichter Weite sitzt. Über diesen zweiten Solenoiden sind zwei weitere Solenoiden mit jeweils dünnerem Wickel gescho ben, die den zweiten Solenoiden teilweise ummanteln und sich selber überlappen.In the interior of this indentation is the collector coil group wound on a bobbin, inserted and on the bottom and centered on the collector end wall. The coil group exists here from four solenoids, a first with a thick wrap, the Resonator output closest. This follows another internal solenoid with a weaker winding than the former up to the front wall, that on a winding body sits with a larger clear width. About this second solenoid are two more solenoids, each with a thinner winding ben that partially encase the second solenoid and themselves overlap yourself.
Das erste Solenoid ist vorgesehen, bei einem Betrieb wobbelndem Elektronenstrahl also pendelndem Auftreffgebiet auf dem Kollek tor, mit einem Gleichstrom und addierten Wechselstrom erregt zu werden. Die drei andern Solenoide sollen hier nur mit Wechsel strom erregt werden. Die Erregerströme sind als Beispiel in der untenstehenden Tabelle aufgeführt. Abhängig von der Auslegung und der Höhe der Feldstärke entlang der Achse sind eventuell an dere Spulendimensionen und Erregungsströme notwendig.The first solenoid is provided to sweep during operation Electron beam so oscillating impact area on the collector gate, excited with a direct current and added alternating current become. The three other solenoids are only supposed to be changed here electricity are excited. The excitation currents are shown as an example in the table below. Depending on the design and the field strength along the axis may be on their coil dimensions and excitation currents are necessary.
Der Kollektorspulengruppe ist über einen Flansch an der Stirn wand des Kollektors angeschraubt und am Boden der Einbuchtung über einen Flanscheinbau zentriert. Der Flanscheinbau hat radi ale Löcher, so dass ein Kühlkreislauf eingerichtet werden kann, bei dem das Kühlmittel die Innenwand der Einbuchtung und die Spulengruppe oberflächig berührt.The collector coil group is on a flange on the forehead screwed to the wall of the collector and to the bottom of the indentation centered over a flange installation. The flange mounting has radi all holes so that a cooling circuit can be set up where the coolant is the inner wall of the indentation and the Coil group touched on the surface.
Die Auslegung des koaxialen Magnetsystems wurde derart durchge führt, dass der wobbelnde Elektronenhohlstrahl einen axialen Auftreffbereich von hier etwa 680 mm hat. In Fig. 2 ist der Fall eines einstufig vorgespannten Kollektors mit der abbremsen den Spannung am Eingang des Kollektors dargestellt, und zwar mit Potentiallinien links im Bild und Strahltrajektorien. Die Tra jektorien für den Strahl sind für die Positionen der maximale Auslenkungen in der Richtung zum Resonator (schließt sich links im Bild an) und in der entgegengesetzten Richtung eingetragen. Dazwischen wobbelt der Hohlstrahl hin und her. Da die Situation dort rotationssymmetrisch ist, genügt die Halbbilddarstellung des Schnittes durch die dortige Achse, der Rotationsachse, des Gyrotrons im Kollektorbereich. Hier ist das in den Kollektor ra gende Außenrohr des gekapselten Kollektorspulensystems nur mehr durch seine Außenkontur angedeutet. Das felderzeugende Magnet system ist aus der Fig. 1 zu entnehmen.The design of the coaxial magnet system was carried out in such a way that the wobbling hollow electron beam has an axial impact area of approximately 680 mm here. In Fig. 2 shows the case of a single-stage biased collector with the brake the voltage at the input of the collector illustrated, with potential lines in the image and the left beam trajectories. The trajectories for the beam are entered for the positions of the maximum deflections in the direction of the resonator (follows on the left in the picture) and in the opposite direction. In between, the hollow jet wobbles back and forth. Since the situation there is rotationally symmetrical, the field representation of the section through the axis there, the axis of rotation, of the gyrotron in the collector area is sufficient. Here, the outer tube of the encapsulated collector coil system, which projects into the collector, is only indicated by its outer contour. The field-generating magnet system can be seen in FIG. 1.
Die beispielhaften Spulenparameter sind für diese Auslegung un ten in der Tabelle zusammengefasst. Die Angaben sind geometri sche Abmessungen der Teilspulen. Die Größen haben folgende Be deutung: Zm = axiale Mitte einer Spule, Rm = radiale Mitte einer Spule, dz = axiale Länge, dr = radiale Breite, j = mittlere Stromdichte in A/cm2, wobei durch alle Teilspulen ein Wechsel strom j1coll = j2coll = j3coll = j4coll = 200 A/cm2 und mit einem durch Spule COL4 zusätzlich fließenden Gleichstrom j4dc = 100 A/cm2. Der Koordinatennullpunkt (Zm = 0) ist am Eingang des Kollektors. The exemplary coil parameters for this design are summarized in the table below. The details are geometrical dimensions of the partial coils. The sizes have the following meaning: Z m = axial center of a coil, R m = radial center of a coil, dz = axial length, dr = radial width, j = average current density in A / cm 2 , with an alternating current through all sub-coils j 1coll = j 2coll = j 3coll = j 4coll = 200 A / cm 2 and with a direct current j 4dc = 100 A / cm 2 flowing through coil COL4. The coordinate zero point (Z m = 0) is at the input of the collector.
Das axiale Verschieben des Auftreffgebiets des Elektronenhohl strahls sowie das Aufweiten und Zusammenziehen wird durch das Anlegen eines Wechselstroms an die Spulen bewirkt. Zur Formung des magnetischen Felds im Innern des Kollektors wird die Spule am Boden der Einbuchtung (COL4 in der Tabelle) mit einem Gleich strom von 100 A/cm2 zusätzlich erregt. Die Gesamtleistung für die Kollektorspulen beträgt etwa 1,5 kW, wenn für die Wicklungen ein Füllfaktor von 0,5 angenommen wird. Bei der Wanddicke von 3 mm ist ein Pulsieren bis etwa 50 Hz möglich. Die Skineindringtiefe von 9,28 mm bei 50 Hz schlägt sich in einer Dämpfung des Magnet felds Kollektorraum um 28% nieder.The axial displacement of the impact area of the hollow electron beam and the expansion and contraction is brought about by the application of an alternating current to the coils. To form the magnetic field inside the collector, the coil at the bottom of the indentation (COL4 in the table) is additionally excited with a direct current of 100 A / cm 2 . The total output for the collector coils is approximately 1.5 kW if a fill factor of 0.5 is assumed for the windings. With a wall thickness of 3 mm, pulsation up to about 50 Hz is possible. The skin penetration depth of 9.28 mm at 50 Hz is reflected in a damping of the magnetic field collector space by 28%.
Die erzielte Verbesserung drückt sich in diesem Fall folgender
maßen aus:
Das Maximum der momentanen Leistungsdichte auf der Kollektorwand
ist etwa 3,5 kW/cm2 im Fall der niedrigsten Strahlposition.
Die zeitgemittelte Verteilung der Belastung entlang der Kollek
toroberfläche erreicht bei der niedersten Strahlposition ein Ma
ximum von 530 W/cm2.The improvement achieved in this case is expressed as follows:
The maximum of the current power density on the collector wall is about 3.5 kW / cm 2 in the case of the lowest beam position. The time-average distribution of the load along the collector surface reaches a maximum of 530 W / cm 2 at the lowest beam position.
Eine Erhöhung der Wobbelfrequenz des Auftreffgebiets führt zu einer Reduzierung der Amplitude der zeitlichen Variation der Oberflächentemperatur. In dem vorgestellten Beispiel beträgt die maximale Oszillation der Oberflächentemperatur des Kollektors bei der Wobbelfrequenz von 50 Hz etwa 77°C. Das ist eine erhebliche Verbesserung im Vergleich zu 170°C bei einer um den Kol lektor liegenden Spulengruppe, die nur mit 10 Hz pulsierend be trieben werden kann.An increase in the sweep frequency of the impact area leads to a reduction in the amplitude of the temporal variation of the Surface temperature. In the example presented this is maximum oscillation of the surface temperature of the collector at the sweep frequency of 50 Hz about 77 ° C. That is a significant one Improvement compared to 170 ° C with one around the col Coil group lying on the detector, which only pulsates at 10 Hz can be driven.
Claims (4)
zwischen zwei axialen Positionen auf der äußeren Mantelwand des Kollektors oder
zwischen zwei radialen Positionen auf der Stirnwand, wobei beide radialen Positionen stets einen größeren Radius als den der Einbuchtung haben, oder
zwischen einer Position auf der Innenseite der äußeren Man telwand des Kollektors und einer radialen Position außerhalb der Einbuchtung auf der Stirn des Kollektors
im Rhythmus der Wechselstromfrequenz hin und her wandert.4. A method for the electrical operation of the collector coil group of a gyrotron according to one of claims 1 or 2, characterized in that the coils of the collector coil group with an alternating current of predetermined amplitude and frequency and with a direct current of predetermined current intensity are excited so that the rotationally symmetrical electron hollow beam impressed radial expansion when passing through the pulsating magnetic field generated thereby is rotationally symmetrically shaped such that its ring-shaped coaxial impact area at most
between two axial positions on the outer jacket wall of the collector or
between two radial positions on the end wall, both radial positions always having a larger radius than that of the indentation, or
between a position on the inside of the outer wall of the collector and a radial position outside the indentation on the forehead of the collector
wanders back and forth in the rhythm of the AC frequency.
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|---|---|
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5780970A (en) * | 1996-10-28 | 1998-07-14 | University Of Maryland | Multi-stage depressed collector for small orbit gyrotrons |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09245656A (en) * | 1996-03-06 | 1997-09-19 | Toshiba Corp | Microwave tube device |
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- 2002-01-16 WO PCT/EP2002/000363 patent/WO2002063652A1/en not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5780970A (en) * | 1996-10-28 | 1998-07-14 | University Of Maryland | Multi-stage depressed collector for small orbit gyrotrons |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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