DE3731384C2

DE3731384C2 -

Info

Publication number: DE3731384C2
Application number: DE19873731384
Authority: DE
Inventors: Hartmut 7523 Graben-Neudorf De Stickel
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1987-09-18
Filing date: 1987-09-18
Publication date: 1991-05-23
Also published as: DE3731384A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikrowellenkalorimeter für die Feststellung der Hochfrequenzausgangsleistung eines Gyro trons im Kurzpulsbetrieb, wobei die Hochfrequenzwellen in einem gegenüber der Wellenlänge großen Rundhohlleiter trans portiert, in einem Medium absorbiert und die Temperaturerhö hung des Mediums mit Temperaturmeßfühlern gemessen sind.The invention relates to a microwave calorimeter for Detection of the high frequency output power of a gyro trons in short pulse mode, the high frequency waves in a round waveguide large compared to the wavelength trans ported, absorbed in a medium and the temperature increases of the medium are measured with temperature sensors.

Die Hochfrequenzausgangsleistung eines Kurzpulsgyrotrons ist mindestens aus wirtschaftlichen Gründen schnell zu messen, da zur Festlegung der optimalen Betriebsparameter viele Meßreihen erforderlich sind. Eine sichere Leistungsmessung kann nach allen Erfahrungen nur kalorimetrisch möglich sein. Bei der geringen auftretenden Effektivleistung ist aber ein kleines Kalorimetervolumen notwendig, das die gesamte in einem im Verhältnis zur Wellenlänge großen Rundhohlleiter transportierte Hochfrequenzleistung absorbiert. Es werden erhebliche Anstrengungen unternommen um die Reflexion für alle vorkommenden Wellentypen so gering wie möglich zu machen und die Wellentypwandlung an Materialgrenzflächen so gut wie möglich zu vermeiden.The high frequency output power of a short pulse gyrotron is to measure quickly, at least for economic reasons, since many to determine the optimal operating parameters Series of measurements are required. A safe performance measurement can only be calorimetrically possible after all experiences. Given the low effective power, however, is a small calorimeter volume necessary, which the entire in a round waveguide that is large in relation to the wavelength transported high-frequency power absorbed. It will made considerable efforts to reflect on all occurring shaft types as low as possible make and the wave type conversion at material interfaces like this to avoid as much as possible.

Als Mikrowellenkalorimeter der eingangs genannten Art für Gyrotrons wurde daher bereits vorgeschlagen (Quaterly Report No. 1, März-Juni 1984, S. 44-49, Varian Associates, Inc.), die Hochfrequenzleistung mittels "Wasserlast" nachzuweisen. Das im Kurzpulsbetrieb des Gyrotrons benötigte kleine Kalorimetervolumen ist aller dings mit diesem Lösungsvorschlag nicht zu realisieren, da der Übergang vom leeren Hohlleiter in den mit Wasser als Absorber gefüllten Quarzkegel langsam erfolgen muß, was ein großes Kegelvolumen bedingt. Die Konstruktion bedingt eine starke Wellentypwandlung aufgrund der dielektrischen und metallischen Randbedingungen für die Felder. Die von Wellen typmischungen erzeugten Feldstärkeüberhöhungen können durch aus zum Durchschlag führen, was eine Gefährdung des Gyrotrons darstellt. Hinzu kommt, daß die Leistungsreflexion dieses Aufbaus erheblich ist und zudem mit der Temperatur der Wasseroberfläche steigt. Deren Temperatur ändert sich aber schnell, da die gesamte Leistung in einer dünnen Was serschicht absorbiert wird.As a microwave calorimeter of the type mentioned for gyrotrons has therefore already (Quaterly Report No. 1, March-June 1984, p. 44-49, Varian Associates, Inc.), the radio frequency performance by means of "water load". That in short pulse mode the small calorimeter volume required by the gyrotron is all not realizable with this proposed solution, however the transition from the empty waveguide to the one with water as Absorber-filled quartz cone must be done slowly, what a large cone volume conditional. The construction requires one strong wave type conversion due to the dielectric and metallic boundary conditions for the fields. That of waves Type-field increases in field strength can be caused by lead to breakthrough, which endangers the Represents gyrotrons. Add to that the performance reflection this structure is considerable and also with the temperature the water surface rises. Their temperature changes but quickly, since all the performance in a thin What layer is absorbed.

Ein weiterer Lösungsvorschlag sieht einen Kalorimeteraufbau mit einer "kalorimetrischen Last" vor (10th Int. Conf. on Infrared- and Millimeter Waves, Lake Buena Vista, Florida, 1985, Conference Digest, S. 160 bis 161).Another proposed solution sees a calorimeter structure with a "calorimetric load" before (10th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves, Lake Buena Vista, Florida, 1985, Conference Digest, pp. 160 to 161).

Obwohl diese kalorimetrische Last geringe Reflexionen in allen - ankommenden und lokal erzeugten - Wellentypen zeigt, ist sie aufgrund des sich konstruktiv zwangsläufig ergeben den großen Absorbervolumens nicht geeignet, um schnelle Leistungsmessungen im Kurzpulsbetrieb durchführen zu können.Although this calorimetric load has low reflections in shows all - incoming and locally generated - wave types, it is inevitably a result of the construction the large absorber volume is not suitable for fast To be able to perform power measurements in short pulse mode.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Mikro wellenkalorimeter derart auszugestalten, daß ein schnell anzeigendes und damit im Volumen kleines Kalorimeter für den experimentellen Kurzpulsbetrieb eines Gyrotrons aufgebaut werden kann und das Wellentypumwandlung im Rundhohlleiter vermeidet, bei möglichst geringer Leistungsreflexion für alle vorkommenden Wellentypen.The invention has for its object the micro mentioned To design wave calorimeters in such a way that a quick indicating and therefore small calorimeter in volume for the experimental short pulse operation of a gyrotron can be built up and avoids the wave type conversion in the circular waveguide, if possible low power reflection for all occurring shaft types.

Die Lösung ist erfindungsgemäß in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspru ches 1 angegeben.The solution according to the invention is in the characterizing features of the claim ches 1 specified.

Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung an.The remaining claims give advantageous developments and Embodiments of the invention.

Mit dem erfindungsgemäßen Lösungsvorschlag ist es möglich, ein kleines Absorbervolumen dadurch zu verwirklichen, daß der Absorberbehälter unmittelbar auf den die Hochfrequenz leistung führenden Rundhohlleiter aufgesetzt wird, wobei der Behälterboden senkrecht zur Hohlleiterachse orientiert und die Behälterhöhe durch die benötigte Absorptionslänge gege ben ist. Der Behälterdurchmesser ist - falls überhaupt er forderlich - nur um soviel größer als der Hohlleiterdurch messer auszubilden, um Temperaturmeßfühler, Eichheizwicklung und Einlauf- und Auslaufstutzen außerhalb des Einstrahlbe reichs unterzubringen. Der Behälterdeckel wirkt zudem als Reflektor, so daß die Zweiwegabsorption genützt wird. Die Materialwahl, PTFE als Behälter und Oktanol als Absorber, bewirkt zudem einen niedrigen Reflexionsfaktor, der fre quenzabhängig zwischen 3% und 6% periodisch schwankt.With the proposed solution according to the invention it is possible to realize a small absorber volume in that the absorber container directly on the high frequency performance circular waveguide is placed, the Container bottom oriented perpendicular to the waveguide axis and the container height by the required absorption length ben is. The container diameter is - if at all required - only so much larger than the waveguide training knife to temperature sensors, calibration heating winding and inlet and outlet nozzles outside the inlet to accommodate empire. The container lid also acts as Reflector so that the two-way absorption is used. The Choice of materials, PTFE as container and octanol as absorber, also causes a low reflection factor, the fre varies periodically between 3% and 6% depending on the frequency.

Das erfindungsgemäße Mikrowellenkalorimeter kann bei kleinem Absorbervolumen dem Problem der Leistungsmessung im Kurzpulsbetrieb von Gyrotrons angepaßt werden. Das Anbringen des Absorberbehälters unmittelbar auf dem die Hochfrequenzleistung führenden Rundhohlleiter mit dem Behäl terboden senkrecht zur Hohlleiterachse bewirkt zudem noch eine vom Wellentyp unabhängige Leistungsreflexion, deren Betrag allein durch die Dielektrizitätszahlen von Behälter material und Absorberflüssigkeit sowie der frequenzabhängi gen elektrischen Länge des Behälterbodens bestimmt ist. Eine starke Wellentypwandlung aufgrund des Übergangs in den Ab sorber wird vermieden. Der Durchmessersprung vom gegenüber der Hohlleiterwellenlänge bereits großen Hohlleiterdurchmes ser auf den noch größeren Behälterdurchmesser erzeugt zwar geringe Wellentypwandlung, jedoch laufen die angeregten Wellen in den Absorber hinein und führen nicht zu Feldstär keüberhöhungen im Hohlleiter. Die Frequenz der eingestrahl ten Welle kann im Bereich der Millimeter- oder Submillime terwellen liegen, ohne daß sich der Reflexionsfaktor außer halb der Grenzen von 3% bis 6% bewegt.The microwave calorimeter according to the invention can small absorber volume the problem of Power measurement in short-pulse operation of gyrotrons can be adapted. The attachment of the absorber container directly on the High frequency performance leading circular waveguide with the container terboden perpendicular to the waveguide axis also causes a power reflection independent of the wave type, the Amount simply by the dielectric constant of the container material and absorber liquid as well as the frequency-dependent gene electrical length of the container bottom is determined. A strong wave type change due to the transition in the Ab sorber is avoided. The jump in diameter from the opposite the waveguide wavelength already large waveguide diameter water produced on the even larger container diameter low wave type conversion, but the excited ones run Waves into the absorber and do not lead to field strength Ke increases in the waveguide. The frequency of the irradiated The wave can be in the millimeter or submillime range terwellen lie without the reflection factor moved within the limits of 3% to 6%.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei spiels mittels der Fig. 1 bis 4 und einer Tabelle näher beschrieben. The invention is described below with reference to a game Ausführungsbei by means of FIGS . 1 to 4 and a table.

In Fig. 1 ist im Schnitt ein Mikrowellenkalorimeter darge stellt. Die Mikrowellen, die in einem nicht gezeigten Gyro tron erzeugt werden, gelangen durch den Rundhohlleiter 1 zu dem topfartig erweitert ausgebildeten Leiterende 2, in dem der Absorberbehälter 3 mit Behälterboden 4 bündig (also ebenfalls als Topf ausgebildet) untergebracht ist. Der Be hälterboden 4 definiert eine Ebene 5, die in einer oder zwischen den beiden zueinander parallel ausgerichteten Ober flächen 6 und 7 liegen kann. Diese Ebene 5 - und mit ihr die Oberfläche 6 und 7 - steht senkrecht auf der Mittelachse 8 des Rundhohlleiters 1. Der Behälterdeckel 9 mit oder ohne Beschichtung 10 schließt den Absorberbehälter 3 nach oben ab, wobei seine Unterseite (-fläche) ebenfalls senkrecht zur Achse 8 ausgerichtet ist. Absorberbehälter 3/4 und Behälter deckel 9/10 umfassen das Absorbervolumen 12 für die Mikro wellenleistung. Der Abstand zwischen dem Behälterboden 4 und dem Behälterdeckel 9/10 entspricht der Absorptionslänge. Der Behälterdeckel 9 ist dicht (Dichtung 13) über eine Flansch verbindung 14 auf das Leiterende 2 unter Zwischenlage eines umlaufenden Randes 15 auf den Absorberbehälter 3 aufge schraubt.In Fig. 1 is a microwave calorimeter Darge provides. The microwaves generated tron in a not-shown gyro, pass through the circular waveguide 1 to the cup-like expanded formed conductor end 2, in which the absorber vessel (that is also formed as a pot) 3 container bottom 4 flush is housed. Be the container floor 4 defines a level 5 , which can lie in one or between the two mutually parallel upper surfaces 6 and 7 . This plane 5 - and with it the surface 6 and 7 - is perpendicular to the central axis 8 of the circular waveguide 1 . The container lid 9 with or without a coating 10 closes the absorber container 3 from above, its underside (surface) also being oriented perpendicular to the axis 8 . Absorber container 3/4 and container lid 9/10 comprise the absorber volume 12 for the micro wave power. The distance between the container bottom 4 and the container lid 9/10 corresponds to the absorption length. The container lid 9 is tight (seal 13 ) screwed on a flange connection 14 on the conductor end 2 with the interposition of a peripheral edge 15 on the absorber container 3 .

Innerhalb des Absorberbehälters 3 bzw. im Absorbervolumen 12 ist eine Eichheizwicklung 16 an einer Aufhängung 17 befe stigt. Sie ist in Form einer Spule ausgebildet, welche einen Durchmesser derart aufweist, daß sie außerhalb des direkten Einstrahlbereichs der Hochfrequenzwellen, also im Randbe reich des Behältertopfes zu liegen kommt. In diesem Randbe reich sind auch z. B. zwei Temperatursensoren oder Temperaturmeßfühler 18 und 19 in unterschiedlichen Höhenpositionen sowie die Ein- und Aus laufstutzen 20, 21 für das Absorbermedium angeordnet.Within the absorber container 3 or in the absorber volume 12 , a calibration heating winding 16 is attached to a suspension 17 . It is designed in the form of a coil which has a diameter such that it comes to lie outside the direct irradiation range of the high-frequency waves, that is to say in the region of the container pot. In this Randbe rich z. B. two temperature sensors or temperature sensors 18 and 19 in different height positions and the inlet and outlet 20 , 21 arranged for the absorber medium.

Weiterhin befindet sich im Absorbervolumen 12 eine Umwälz einrichtung 22, die über eine Drehachse 23, die kugelgela gert und dicht durch den Behälterdeckel 9 hindurchführt, mittels eines Motors 24 angetrieben wird. Der Motor 24 wie auch die Aufhängung 17 für die Eichheizwicklung 16 und die Kontaktverbindungen für die Temperatursensoren 18 und 19 sind an einem Gestell 25 befestigt, welches selbst wiederum am Behälterdeckel 9 angeschraubt sein kann.Furthermore, a recirculation device 22 is located in the absorber volume 12 , which is driven by a motor 24 via an axis of rotation 23 , which kugelgela gert and passes tightly through the container lid 9 . The motor 24 as well as the suspension 17 for the calibration heating winding 16 and the contact connections for the temperature sensors 18 and 19 are fastened to a frame 25 , which in turn can itself be screwed onto the container lid 9 .

Als Absorbermedium wurde bevorzugt Oktanol ausgewählt. Das Behältermaterial bzw. die Beschichtung 10 bestehen aus PTFE. Die Materialkombination Oktanol/PTFE ergibt besonders gün stige Bedingungen. In Fig. 2 sind die berechnete (Kurve 26) und die gemessene (Punkte) Abhängigkeit der Leistungsreflek tion p² von der Frequenz (GH_Z) aufgetragen. Der Reflek tionsfaktor schwankt zwischen 3% und 6%. Die aus dem Meßbereich herausfallenden beiden Punkte sind Resonanzen auf der Meßleistung zuzuschreiben. Die Dielektrizitätskonstanten werden im Bereich von 130 bis 160 GH_Z als konstant angenom men. Das Absorbervolumen (V=12 nach Fig. 1) beträgt 0,3 l. Alle TE- und TM-Moden treffen senkrecht auf die Einfallsebe ne. Mit der Umwälzeinrichtung 22 wird eine homogene Tempera tur im Absorbervolumen 12 eingestellt. Als Temperatursenso ren 18, 19 werden PTC-Widerstände verwendet.Octanol was preferably selected as the absorber medium. The container material or the coating 10 consist of PTFE. The octanol / PTFE material combination results in particularly favorable conditions. In FIG. 2, the calculated (curve 26) and the measured (dots) are a function of the Leistungsreflek tion p ² by the frequency (GH _Z) applied. The reflection factor fluctuates between 3% and 6%. The two points falling out of the measuring range are due to resonances on the measuring performance. The dielectric constants are assumed to be constant in the range from 130 to 160 GH _Z. The absorber volume (V = 12 according to FIG. 1) is 0.3 l. All TE and TM modes meet the plane of incidence vertically. With the circulating device 22 , a homogeneous temperature is set in the absorber volume 12 . PTC resistors are used as temperature sensors 18, 19 .

Das Mikrowellenkalorimeter wirkt wie ein Integrator und kann als Netzwerk mit Kondensatoren und Widerständen gemäß Fig. 3, d. h. als C-RC-Kreis, betrachtet werden. Die Stromquelle I₀ bezieht sich auf den aktuellen Wärmestrom im Behältervo lumen. Die Kapazität C₁ stellt das erwärmbare Volumen dar und die übrigen Teile sind durch C₂ repräsentiert. Die Verzögerung beim Temperaturanstieg zwischen C₁ und C₂ wird durch den Widerstand R definiert. U₁ entspricht den Tempera turänderungen an den Temperatursensoren 18, 19 bezogen auf die Umgebungstemperatur des Gefäßes. Mit entsprechend be kannten Gleichungen kann die Leistung hieraus ermittelt werden. The microwave calorimeter acts like an integrator and can be viewed as a network with capacitors and resistors according to FIG. 3, ie as a C-RC circuit. The current source I ₀ relates to the current heat flow in the container volume. The capacitance C ₁ represents the heatable volume and the remaining parts are represented by C ₂ . The delay in the temperature rise between C ₁ and C ₂ is defined by the resistor R. U ₁ corresponds to the temperature changes at the temperature sensors 18, 19 based on the ambient temperature of the vessel. The performance can be determined from this using corresponding equations.

Die Eichung erfolgte gemäß Fig. 4 für die Leistungswerte 10, 20, 80, 100, 160 und 200 W DC mit der Eichheizwicklung 18 (s. Fig. 1), aus denen verschiedene Temperaturverläufe T/°C über die Zeit (t/min) resultieren. Eine Temperaturerhöhung von 10 K T 60 K wurde beobachtet, wobei die Zeit für die Einstellung des Gleichgewichts mit t ∞ =30 min angenommen wurde. Die Füllung besteht aus Oktanol.The calibration was carried out according to FIG. 4 for the power values 10, 20, 80, 100, 160 and 200 W DC with the calibration heating winding 18 (see FIG. 1), from which various temperature profiles T / ° C. over time (t / min ) result. A temperature increase of 10 KT 60 K was observed, the time for equilibrium being assumed to be t ∞ = 30 min. The filling consists of octanol.

Die Tabelle gibt einen Vergleich der Netzwerkparameter C₁, C₂ und R für Füllungen mit Wasser und Oktanol.The table gives a comparison of the network parameters C ₁ , C ₂ and R for fillings with water and octanol.

Die Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit von Oktanol und Wasser schlagen sich in den Werten von C₁, C₂ und R nieder. Die Zeitkonstante τ=R C₂ ist größer als 10 min. Der Mittelwert der Gyrotronleistung wird aus dem Kurvenanstieg ermittelt. The thermal capacity and thermal conductivity of octanol and water are reflected in the values of C ₁ , C ₂ and R. The time constant τ = RC ₂ is greater than 10 min. The mean value of the gyrotron power is determined from the curve rise.

Tabelle table

Claims

1. Microwave calorimeter for determining the high-frequency output power of a gyrotron in short-pulse operation, the high-frequency waves being transported in a round waveguide that is large compared to the wavelength, absorbed in a medium and the temperature increase in the medium is measured with temperature sensors, characterized in that a cylindrical absorber container ( 3 is provided) having (9 or 9 and 10), a container base (4) and covers, comprising the absorber volume (12), that the defined from the container floor (4) plane (5) perpendicular right to the axis (8 ) of the circular waveguide ( 1 ) is aligned and that the container lid ( 9 or 9 and 10 ) is designed as a reflector.

2. Microwave calorimeter according to claim 1, characterized in that the height of the absorber container ( 3 ) corresponds to the absorption length of the high-frequency waves.

3. Microwave calorimeter according to claim 1 or 2, characterized in that the absorber container ( 3 ) is designed as a pot made of plastic and the container lid ( 9 , 10 ) made of metal with or without coating and the medium in the absorber volume ( 12 ) consists of a hydrocarbon .

4. Microwave calorimeter according to one of claims 1 to 3, characterized in that in the absorber volume ( 12 ), the temperature sensor ( 18 , 19 ) and a calibration heating winding ( 16 ) are accommodated outside the irradiation area.

5. Microwave calorimeter according to one of claims 1 to 4, characterized in that the container pot formed by the absorber container ( 3 ) and container bottom ( 4 ) consists of PTFE and the medium consists of octanol.

6. Microwave calorimeter according to one of claims 1 to 5, characterized in that a circulating device ( 22 ) is arranged within the absorber volume ( 12 ) on the container lid ( 9 , 10 ).