DE4424230A1

DE4424230A1 - Magnetsystem für Gyrotrons

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Publication number: DE4424230A1
Application number: DE4424230A
Authority: DE
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1994-07-09
Filing date: 1994-07-09
Publication date: 1996-01-18
Anticipated expiration: 2014-07-10
Also published as: DE4424230C2; US5828173A; EP0770264B1; EP0770264A1; WO1996002064A1; DE59502526D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Magnetsystem zur Erzeugung des axialen magnetischen Gleichfeldes für Gyrotrons zwischen Emit ter- und Kollektorbereich.

Zweck der Erfindung ist es, das vom Betrieb her aufwendige strombetriebene Gyrotron-Magnetsystem, seien es konventionelle oder supraleitende Elektromagnete, durch ein wartungsfreies Permanentmagnetsystem zu ersetzen, ohne daß konstruktive Umbaumaßnahmen am Gyrotronrohr selbst notwendig wären.

Gyrotrons sind Quellen zur Erzeugung von hohen Mikrowellenlei stungen bei hohen Frequenzen, wie sie zur Heizung von Fusions plasmen benötigt werden. Typische Größenordnungen liegen bei 1 MW Ausgangsleistung und Frequenzen im Bereich von 100 GHz.

Den grundsätzlichen Aufbau und die Beschreibung eines Gyro trons zeigt Meinke-Gundlach in "Taschenbuch der Hochfrequenz technik" (Springer Verlag Berlin Heidelberg New York Tokyo 1986) auf den Seiten M82-M85. Gyrotron Oscillators lassen sich ohne besondern Aufwand in das Vakuumrohr und das das Füh rungsfeld erzeugende Magnetsystem zerlegen. Insbesondere Hochleistungsgyrotrons sind als Zusatzheizung für Fusionsplas men vorgesehen (siehe Seiten S17 und S18).

Bisher gibt es lediglich theoretische Arbeiten zur Beherr schung von Elektronenstrahlinstabilitäten bei Gyrotrons. In Int. Journ. of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 14, No. 4, 1993 ist ein Aufsatz von A. N. Kuftin et al. unter dem Titel: "Theory of Helical Electron Beams in Gyrotrons" veröffent licht. Permanentmagnetsysteme zur Führung helikaler Elektro nenstrahlen werden betrachtet. Das Permanentmagnetsystem be steht aus einem zentralen, axial polarisierten Permanentmagnet und an dessen beiden Stirnflächen ansetzende, gegensinnig axial polarisierte Permanentmagnete. Nach wie vor findet bei diesem System in Elektronenstrahlbereich des Gyrotrons eine starke magnetische Feldumkehr des Axialfeldes und ein starker Anstieg des Feldes an der Berandung statt und ein starker An stieg des Feldes an den Brandungen.

Sollen alle Elektronen gleiche Startbedingungen haben, erlaubt der starke Anstieg des Feldes im Bereich des Emitters darüber hinaus nur den Einsatz effektiv schmaler Emitterringe. Emit terring und Magnetfeld müssen exakt justiert werden.

Die Feldumkehr am Kollektor zieht Beschränkungen bei der Aus legung des Kollektors insbesondere bei vorgespannten Kollekto ren nach sich.

Technisch betrachtet haben Gyrotrons derzeit einen elektri schen Wirkungsgrad von 50% erreicht (Betrieb in der ersten Harmonischen der Zyklotronfrequenz). Eine weitere Erhöhung desselben ist zumindest derzeit nicht so drängend. Allerdings werden Gyrotrons für den industriellen Einsatz, wie z. B. Oberflächenbeschichtungen und Keramiksinterung interessant, so daß die Frage des höheren Wirkungsgrades und damit verbunden auch die Frage niedriger erforderlicher Kühlleistung sowie ge ringerer Materialaufwand wirtschaftliche Bedeutung bekommt.

Parameter solcher Gyrotrons sind relativ niedrigere Frequenzen (z. B. 30 GHz) bei niedrigen Leistungen (z. B. 10 kW). Große Wirkungsgradeinbußen entstehen im als Wechselwirkungsraum die nenden Gyrotronresonator, der größte Kühlaufwand entsteht am Kollektor, der zweitgrößte Kühlaufwand entsteht bei mit nor malleitenden Magneten arbeitenden Gyrotrons im Magneten. Die Verluste im Magneten lassen sich durch den Einsatz von Perma nentmagneten drastisch verringern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bisher verwende ten supra- oder normal leitenden Magnete durch Permanentmag netanordnungen zu ersetzen, die - anders als bei bisher ausge legten Permanentmagnetanordnungen - weder zusätzliche Wissen schaftliche oder konstruktive Arbeiten im Gyrotronrohr erfor dern noch die Verwendung konstruktiver Weiterentwicklungen bisher erhältlicher Gyrotrons (wie z. B. Ausrüstung mit vorge spannten Kollektoren) einschränken oder unmöglich machen. Zu sätzlich sollen Elektronenstrahlreflexionen und Elektronen strahlinstabilitäten im Gyrotron vermieden werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein zentraler, radial polarisierter, ein zum Kollektorbereich hinangebrachter, axial polarisierter Ringmagnet und eine an der entgegengesetzten Stirnfläche des zentralen Ringmagneten ansetzende, den Aus bruch des Feldes blockierende Ringmagnetanordnung erzeugen den im Elektronenstrahlbereich erwünschten Magnetfeldverlauf grundsätzlich. Aufgrund des geforderten Feldverlaufs wird die Geometrie der Permanentmagnete mit Rechnerhilfe festgelegt. Eine starke, aber so nur bedeutungslose Feldumkehr findet nur noch außerhalb des Elektronenstrahlbereichs in Verlängerung des Emitters statt. Eine bei dem Stand der Technik von Mag netsystemen zweite Umkehr des Magnetfeldes wird vermieden oder in seiner Amplitude bedeutungslos. Die mechanische Verspannung des Magnetsystems ist eine technisch bekannte Lösung.

Der Unteranspruch 2 kennzeichnet den einfachsten, nämlich sym metrischen, allerdings auch einen materialintensiveren Aufbau des Permanentsystems.

Anspruch 3 kennzeichnet eine materialsparende, asymmetrische Struktur des Permanentsystems, mit der man eine starke Magnet feldumkehr außerhalb des Elektronenstrahlbereichs erzeugt, die aber keinen Einfluß hat.

Mit einem einfachen, axial polarisierten Permanentmagnet im Emitterbereich läßt sich das axiale Emittergleichfeld, das er heblich schwächer als das axiale Resonatorgleichfeld ist, ein stellen (Anspruch 5).

Zur Feldkorrektur und Flußkonzentration finden strombetriebene Solenoide und Weicheisenbaugruppen noch Einsatz (Anspruch 6 und 7). Weitere bekannte Korrekturmöglichkeiten am axialen Gleichmagnetfelds können mit verschiebbaren Solenoiden er reicht werden.

Im folgenden soll die Vorrichtung erläutert und näher begrün det werden. Hierzu sind in der Zeichnung sechs Figuren aufge nommen werden.

Es zeigen:

Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau eines Gyrotrons mit der er findungsgemäßen Einrichtung zur Erzeugung des statischen Ma gnetfeldes.

Fig. 2 die grundsätzliche angestrebte Abhängigkeit des magne tischen Führungsfeldes längs der Gyrotronachse.

Fig. 3a und 3b sowie 4a und 4b den grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erzeugung des statischen Ma gnetfeldes und das Feld längs der Achse.

Im Gyrotron, Fig. 1 propagieren die Elektronen als Hohlstrahl auf helixförmigen Bahnen - von einem statischen Magnetfeld ge führt - von der Kanone zum Resonator und verlassen ihn als "verbrauchten" Strahl zum Kollektor, wo die entstehende Wärme abgeführt werden muß.

Der Radius des Elektronenhohlstrahls R wird vom magnetischen Führungsfeld B durch die Beziehung

B R² = const
festgelegt (siehe hierzu und im folgenden Gyrotron Oscilla tors, Their Principles and Practice, edited by C.J. Edgcombe, Taylor & Francis, 1993; insbesondere Chapter 5 von B. Pioscyk). Bei vorgegebenen Geschwindigkeitsverhältnis α und Magnetfeld im Resonator und einem wählbaren (Triode) oder festgelegten (Diode) Kompressionsverhältnis (Verhältnis der Hohlstrahlradien) liegt auch das axiale Magnetfeld am Emitter fest. Bei auf helixförmigen Bahnen propagierenden Elektronen wird das Verhältnis von transversaler zu axialer Geschwindig keitskomponente

durch die Gleichung

festgelegt. Erreicht die transversale Geschwindigkeit die Ge samtgeschwindigkeit, so wird der Elektronenstrahl reflektiert (magnetischer Spiegel).

Das statische Magnetfeld dient nicht nur zur Führung des Elek tronenstrahls, sondern legt gemäß der Gleichung

die Zyklotronfrequenz der Elektronen im Resonator fest. m ist die relativistische Masse der Elektronen mit der Elemen tarladung e. B ist die magnetische Flußdichte. Die vom Gyro tron erzeugte Frequenz liegt bei

(omega!) w = nw_c.

n ist ganzzahlig und wird als Ordnung der Zyklotronharmoni schen bezeichnet. Bei Gyrotrons, die Mikrowellenleistung bei 30 GHz erzeugen, beträgt das erforderliche Magnetfeld in der ersten Harmonischen etwa 1,1 T in der zweiten Harmonischen etwa 0,55 T. Das längs Gyrotronachse angestrebte Feld ist in Fig. 2 zu sehen.

Eine Erzeugung des Magnetfeldes mit Supraleitern erfordert einen hohen apparativen Aufwand und im Betrieb einen ständigen Helium oder Stickstoffbedarf. Eine Erzeugung des Magnetfeldes mit normal leitenden Magneten erfordert hohe Anschluß- und Kühlleistungen. Der Energieverbrauch der Magnete ist gegenüber der erzeugten Leistung nicht zu vernachlässigen.

Eine Erzeugung des Magnetfeldes mit Permanentmagneten brachte bei den bisher untersuchten Anordnungen grundsätzliche Pro bleme mit sich. Diese Anordnungen bestehen im Prinzip aus ei nem mittleren, axial polarisierten und zwei radial polarisier ten Magneten (siehe Fig. 3 aus Kuftin, Int. J. of Infrared and Millimeter Waves). Die Nachteile solcher Systeme sind Null durchgänge auf der Achse und ungenutzte Felder (schlechter Wirkungsgrad), sowie steile Abfälle an den Rändern. Die stei len Abfälle an den Rändern haben für die Emitterseite den Nachteil, daß die Justage Gyrotron - Magnet kritisch und die effektive Emitterbreite eingeschränkt wird. Der Nulldurchgang hat zur Folge, daß bei zunehmend negativen Magnetfeld längs der Achse der Elektronenstrahl reflektiert werden kann (magnetischer Spiegel). Die Auslegung des Kollektors wird da durch erschwert, der Einsatz vorgespannter Kollektoren zur Energierückgewinnung wird praktisch unmöglich.

Zur Steigerung des Wirkungsgrades sind jedoch vorgespannte Kollektoren notwendig. Das Verhältnis der den Elektronen abge nommenen Energie zur ursprünglichen Energie ist der elektri sche Wirkungsgrad n_ei. Der Gesamtwirkungsgrad läßt sich nun dadurch steigern, daß man den Strahl auf einem vorgespannten Kollektor auftreffen läßt, wodurch ein Teil der Energie des verbrauchten Strahls mit dem Wirkungsgrad n_c zurückgewonnen wird. Der Gesamtwirkungsgrad eines Gyrotrons mit vorgespanntem Kollektor ist:

Der Einsatz vorgespannter Kollektoren wird durch eine Vorzei chenumkehr des axialen magnetischen Führungsfeldes längs des Elektronenstrahlweges praktisch unmöglich oder drastisch er schwert.

An der Kanonenseite soll - um auch laminare Kathoden verwenden zu können und Justageprobleme gering zu halten - im Bereich der Kathode das axiale Magnetfeldes örtlich konstant sein, siehe Fig. 2.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen schematischen Aufbau eines Gy rotrons. In Kürze läßt sich das Wesentliche über das Gyrotron im Meinke Gundlach, "Taschenbuch der HF-Technik, M82 ff., nachlesen.

Fig. 2 zeigt, wie schon erwähnt, den Verlauf des gewünschten, axialen magnetischen Gleichfelds in den Gyrotronbereichen: Emitter, Kompression, Resonator, Dekompression und Kollektor. Der wellige Verlauf der magnetischen Flußdichte ist je nach Auslegung mehr oder weniger provoziert (siehe Patentanmeldung Möbius/Dumbrajs), und zwar durch die Struktur der inneren Man telfläche an den Permanentmagneten.

Die Feldstärke in Emittergebiet ist etwa 5-25% des axialen Gleichfeldes im Resonatorbereich.

Fig. 3a zeigt eine symmetrische Anordnung des Permanentma gnetsystems. Es ist daher nur die rechte Hälfte als Rechner ausdruck dargestellt, da sie ja den für das Gyrotron relevante Magnetfeldlinienverlauf zeigt. Der radial polarisierte mitt lere Magnet, besser die gezeichnete axiale Hälfte ist über Halterungen, die nicht eingezeichnet sind mit dem rechten, axial polarisierten Magnete, über die gemeinsame Konusflächen in Berührung. In Gyrotronbereich findet kein oder nur ein leicht kompensierbarer Nulldurchgang der Feldlinien statt. Der gesamte Fluß verläuft rotationssymmetrisch zur z-Achse.

Den Verlauf des Gleichfeldes in Abhängigkeit von der z-Achse, also teilweise der Gyrotronachse, zeigt Fig. 3b. Dieser Flußdichteverlauf ist punktsymmetrisch zum Achsursprung und hat auch dort nur einen Nulldurchgang (Staupunkt) also Feldumkehr. Somit sind die in Fig. 3a gezeichnete radial pola risierte Permanentmagnethälfte und der sich rechts davon an schließende axial polarisierte Permanentmagnet grundsätzlich geeignet ein magnetisches Gleichfeld ohne Nulldurchgang im Gy rotronbereich zu erzeugen. Es fehlt nur noch das schwächere Gleichfeld für den Emitterbereich. Jedoch ist die Hälfte des Permanentmagnetmaterials ungenutzt, wie auch der örtliche Ma gnetfeldverlauf symmetrisch zum Nulldurchgang ist.

Das Magnetsystem in Fig. 4a kommt den Forderungen des Gleich feldverlaufs im Gyrotron näher, und mit ihm wird insbesondere Magnetmaterial eingespart. Es besteht aus dem zentralen, ra dial polarisierten, ringförmigen Permanentmagneten. Rechts (kollektorseitig) in der Figur schließt sich der axial polari sierte, ringförmige Permanentmagnet an. Links schließt sich die den Ausbruch des Feldes blockierende Magnetanordnung an. Diese geometrische Gestalt der ermöglicht die geforderte Feld struktur im Gyrotronbereich. Das niedrige Gleichfeld in der Emitterzone wird durch die Überlagerung des kleinen ringförmi gen, axial polarisierten Permanentmagneten mit rechteckigem Längsschnitt vollends erreicht.

Den Verlauf nach Stärke und Vorzeichen, abhängig von Ort, zeigt Fig. 4b. Weit hinter den Emitter, also links, gibt es die starke, konzentrierte, unvermeidliche Feldumkehr. Die Gy rotronbereiche Emitter, Kompression, Resonator, Dekompression und Kollektor sind angedeutet. Jetzt besteht das magnetische Gleichfeld im Emitterbereich, das hohe Gleichfeld im Resonator und das auf nahezu Null zurückgehende Gleichfeld im Kollektor gebiet.

Das Feld wird also vollständiger durch das Bohrloch des Magnetsystems gezwungen. Eine Vorzeichenumkehr des axialen Magnetfeldes findet im Gyrotronbereich nicht oder nur von un bedeutender Stärke statt und darüber hinaus nur einmal. Damit kann der Elektronenstrahl vom Emitter bis zum Kollektor stabil geführt werden.

Durch Feinstrukturierung an der inneren Mantelfläche wird in der Resonatormitte ein konstantes oder ein vorgegeben welliges Magnetfeld erzeugt. Räumlich (örtlich) konstante Felder lassen sich im Bereich des Emitters (siehe Fig. 4a) und im Bereich des Kollektors durch zusätzlich axial polarisierte Magnete er reichen. Nulldurchgänge schwacher Felder können so unterdrückt werden.

Durch Kombination mit schwachen Elektromagneten läßt sich ein Nachregeln des Magnetfelds erzielen oder auch eine weitere Ma terialersparnis erreichen. Eine weitere Möglichkeit zum Durch stimmen sind radial und/oder axial verschiebbare Magnete.

Bezugszeichenliste

1 Kathode
2 Emitterring
3 Beschleunigungsanode
4 Wechselwirkungsraum, Resonator
5 Auskoppelleitung
6 Kollektor
7 Einrichtung, Solenoid, Permanentmagnet
8 Gyrotronachse
9 Emitterbereich
10 Kompressionsbereich
11 Resonanzbereich
12 Dekompressionsbereich
13 Kollektorbereich
14 radiale Polarisation
15 axiale Polarisation
16 Feldlinien
17 Vakuumgefäß

Claims

1. Magnetsystem zur Erzeugung des axialen magnetischen Gleich felds für Gyrotrons zur Führung der vom Emitter austreten den Elektronen, dadurch gekennzeichnet, daß
das Magnetsystem zur Erzeugung des axialen Gleichfelds im Resonatorbereich ein Permanentmagnetsystem ist,
sich das Permantmagnetsystem aus einem zentralen, radial polarisierten Ringmagneten, einem an dessen Stirnfläche Richtung Kollektor ansetzenden, axial polarisierten Ring magneten und einer an der anderen Stirnfläche ansetzenden Ringmagnetanordnung besteht, wobei letztere ein den Aus bruch des Magnetfeldes blockierendes Teilsystem ist,
die Teilmagnete des Permanentsystems an ihren einander ge genüberliegenden Flächen unmittelbar berühren,
durch die Geometrie der Ringmagnete und ihre gegenseitige mechanische Verspannung im Bereich des Resonators ein kon stantes oder vorgebbar welliges Magnetfeld erzeugt wird und bis in den Kollektor- und Emitterbereich hinein keine oder allenfalls eine leicht kompensierbare axiale Magnetfeldum kehr eintritt,
die Feldumkehr des axialen magnetischen Gleichfelds in Ver längerung des Emitterbereichs außerhalb des Bereichs der Elektronenflugbahnen stattfindet.

2. Magnetsystem zur Erzeugung des axialen magnetischen Gleich felds für Gyrotrons nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Permanentmagnetsystem symmetrisch zu einer Achse senkrecht zur Systemachse ist.

3. Magnetsystem zur Erzeugung des axialen magnetischen Gleich felds für Gyrotrons nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Permanentmagnetsystem asymmetrisch aufgebaut ist und im verlängerten Emitterbereich, außerhalb der Elektronen strahlentstehung eine starke Magnetfeldumkehr erzeugt.

4. Magnetsystem zur Erzeugung des axialen magnetischen Gleich felds für Gyrotrons nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zum Kollektor hin liegende, axial polarisierte Ringma gnet eine strukturierte Innenmantelfläche hat, wodurch der magnetische Gleichfeldverlauf im Resonatorbereich eine vor gegebene Feinstruktur erhält.

5. Magnetsystem zur Erzeugung des axialen magnetischen Gleich felds für Gyrotrons nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Bereich des Emitters ein axial polarisierter, ring förmiger Permanentmagnet befindet, mit dem durch Überlage rung das im Emitterbereich schwächere, aber örtlich kon stante Gleichmagnetfeld erzielt wird.

6. Magnetsystem zur Erzeugung des axialen magnetischen Gleich felds für Gyrotrons nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektur der axialen Magnetfeldstärke mindestens ein strombetriebenes Solenoid mit dem Permanentmagnetsystem kombiniert wird.

7. Magnetsystem zur Erzeugung des axialen magnetischen Gleich felds für Gyrotrons nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektur des axialen Magnetfeldverlaufs und zur Flußführung im Gyrotronbereich Weicheisenkonfigurationen mit dem Permanentmagnetsystem verspannt sind.