EP1309982A1 - Innenleiter eines koaxialen gyrotrons mit um dem umfang gleichverteilten axialen korrugationen - Google Patents

Innenleiter eines koaxialen gyrotrons mit um dem umfang gleichverteilten axialen korrugationen

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EP1309982A1
EP1309982A1 EP01969483A EP01969483A EP1309982A1 EP 1309982 A1 EP1309982 A1 EP 1309982A1 EP 01969483 A EP01969483 A EP 01969483A EP 01969483 A EP01969483 A EP 01969483A EP 1309982 A1 EP1309982 A1 EP 1309982A1
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EP
European Patent Office
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inner conductor
corrugations
gyrotron
distributed around
evenly distributed
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01969483A
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English (en)
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Inventor
Olgierd Dumbrajs
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • H01J25/02—Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators
    • H01J25/025—Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators with an electron stream following a helical path
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J23/00—Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
    • H01J23/36—Coupling devices having distributed capacitance and inductance, structurally associated with the tube, for introducing or removing wave energy
    • H01J23/54—Filtering devices preventing unwanted frequencies or modes to be coupled to, or out of, the interaction circuit; Prevention of high frequency leakage in the environment

Definitions

  • the invention relates to an inner conductor of a coaxial gyrotron with axial corrugations evenly distributed around the circumference.
  • the metallic, electrically conductive inner conductor attaches to the forehead of the cathode and extends beyond the entire resonator area of the gyrotron.
  • the corrugations can be viewed as an area with two coaxial inner conductors of different diameters. They are used for fashion selection.
  • Corrugations on the inner conductor with a constant depth 1-1-1 are known. Such a structure with constant depth allows the course of mode eigenfunctions to be manipulated in the axial direction to a limited extent.
  • the decisive factor is the similar monotonous lowering of the corrugations in the central region of the middle part of the resonator, at least steadily starting from the region of the entrance funnel of the middle part of the resonator to the end of the central region of the resonator. From there, the corrugation in the area of the initial funnel also at least steadily decreases with decreasing depth. At least steadily means that the corrugations can also start, run and end smoothly.
  • the deepening corrugations on the inner conductor in the area of the entrance funnel and the central area also allow the course of eigenvalue functions of the modes in the axial direction to be selectively influenced, the starting currents of undesired modes to be increased, the working area of the working mode to be enlarged and, ultimately, the efficiency of the gyrotron to improve.
  • the wall losses in the inner conductor are homogenized in the axial direction and thus the cooling of the same is facilitated.
  • the invention is based on the drawing with the
  • the influence of the coaxial inner conductor with deepening corrugations towards the end is built into a high-performance gyrotron and compared with the inner conductor with constant depth of corrugation to show the performance of the invention with regard to the output power in a particular mode.
  • the inner conductor made of solid copper.
  • Other electrically highly conductive materials or metallic material compositions or a copper coating of the necessary thickness on a mechanically stronger carrier material, such as stainless steel, for example, are also suitable if the loading drive conditions can also be met within the set framework.
  • the geometry of the coaxial resonator with impedance corrugation on the inner conductor is shown schematically in section through the longitudinal axis of the gyrotron in the region of the resonator in FIG. 1 a for the input funnel Li - in technical terms also input taper - of the center piece L 2 of the resonator and for the output funnel L 3 , according to the output taper of the resonator.
  • the one-sided approach of the inner conductor to the cathode of the gyrotron is not shown here. It is screwed on there in a fluid-tight manner if a forced cooling circuit is provided to it through the cathode.
  • the inner conductor can also be attached and centered at its collector-side end outside the electron beam area to the collector via an isolation star. But these are measures that do not require extraordinary effort and effort.
  • the inner wall of the input paper Li opens in the z direction at an angle ⁇ to the hollow cylindrical, central region, the center piece L 2 of the resonator.
  • the resonator inner wall there has the radius R cavr over the length L 2, to which the output taper L 3 connects in order to open over the length L 3 in the z direction with the angle ® 3 toward the collector.
  • the coaxial inner conductor has a conically tapering point in the area of the resonator towards the collector of the gyrotron
  • the inner conductor has the radius R ⁇ n defined for the dimensioning.
  • the corrugations which are uniformly distributed around the circumference, begin at the entrance of the input paper Li, in the zone which is not yet important with regard to the electromagnetic interaction, and at least steadily progress axially towards the end of the center piece L 2 .
  • the depth of the corrugations decreases with an at least steady change there to zero, at least steadily decreasing.
  • the depth of the corrugations in the inner conductor is also a question of the manufacturing effort.
  • d f (z) of the monotonous lowering
  • a compromise is made in production.
  • the linear deepening is probably the easiest to manufacture.
  • the non-linear, yet monotonous deepening is more complex but can be carried out with numerically controlled machine tools with a tolerable effort.
  • FIG. 1b shows in section the gear-like geometry of the inner conductor in the central region L 2 of the resonator, which is not true to scale here.
  • the depth of the corrugation increases monotonically up to the end of the central region L 2 compared to the outer diameter.
  • FIGS. 2a and 2b Dimensional information is entered below in the performance comparison by FIGS. 2a and 2b as well as 3a and 3b.
  • the representations in FIGS. 2a and 2b are normalized Absolute values of the quality are in the box with the reference to the trained fashion. In the case of increasing depth of corrugation d, half the opening angle ⁇ n of the conical inner conductor is only
  • the essential dimensions of the inner conductor with constant corrugation depth and otherwise the same resonator geometry are entered in FIG. 2b.
  • the depth curve d f (z) of the corrugations and that of the half opening winkeis ⁇ n in the central area L 2 , ie the geometry of the inner conductor is decisive there.
  • the course d f (z) of the depth of corrugation d in the areas Li and L 3 is of subordinate importance due to the electromagnetic interaction, which no longer takes place outside.
  • variable depth d The selective influence of the variable depth d on the field profiles and the quality is visible in FIG. 2a. Because of the low quality of the TE 2 g, ⁇ 7 fashion, this is not stimulated.
  • FIGS. 3a and 3b show the course of the output power P out in kW as a function of the voltage U in kV.
  • the effect of the variable depth of corrugation, 0.3 mm ⁇ d ⁇ 1 mm, is also reflected in the performance:
  • the TE 29 17 fashion is suppressed.
  • the gyrotron vibrates in the inexpensive TE 30 , ⁇ mode, which leads to a much higher output power.
  • FIG. 4 shows the course of the wall losses in the inner conductor in the axial, z direction.
  • the second advantageous effect of the variable depth d of the corrugation is clear, namely the deeper corrugations on the inner conductor in the middle of the resonator area homogenize the wall losses, j. n in kW / cm 2 , dotted, flat curve with a maximum of approximately 0.16 kW / cm 2 .
  • the solid curve represents the course of i n over the z-axis, along the central region L 2 of the resonator for the inner conductor with a constant depth, a maximum of 0.22 kW / cm 2 being achieved there. A less pronounced local maximum is better for effective cooling.
  • the section of the cooling circuit in the inner conductor can, for example, consist of a coaxial arrangement of two different tubes which are open at the distal end in the inner conductor, so that a coolant flow is diverted there and back from one tube to the other.

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Abstract

Ein koaxiales Gyrotron hat einen auf die Kathode aufgesetzten Mittelleiter, der im zentralen, zylindrischen Bereich in axialer Richtung zum Kollektor hin monoton tiefer werdende Korrugationen. Die Korrugationen verlaufen, gleichverteilt um dem Umfang, gleichartig und stetig. Dies erlaubt, den Verlauf von Eigenwertfunktionen der Moden in axialer Richtung zusätzlich selektiv zu beeinflussen, die Startströme von unerwünschten Moden zu erhöhen, das Arbeitsgebiet der Arbeitsmode zu vergrössern und letzten Endes den Wirkungsgrad des Gyrotrons zu verbessern. Mit diesen Massnahmen werden die Wandverluste im Innenleiter in axialer Richtung homogenisiert und damit die Kühlung desselben erleichtert.

Description

Innenleiter eines koaxialen Gyrotrons mit um den Umfang gleichverteilten axialen Korrugationen
Die Erfindung betrifft einen Innenleiter eines koaxialen Gyrotrons mit um den Umfang gleichverteilten axialen Korrugationen. Der metallische, elektrisch gut leitende Innenleiter setzt an der Stirn der Kathode an und ragt bis über den gesamten Resonatorraum des Gyrotrons hinaus.
Die Korrugationen können als ein Bereich mit zwei koaxialen Innenleitern verschiedenen Durchmessers angesehen werden. Sie dienen zur Modenselektion.
Bekannt sind Korrugationen am Innenleiter mit konstanter Tiefe 1-1-1. Eine solche Struktur mit konstanter Tiefe erlaubt begrenzt, den Verlauf von Modeneigenfunktionen in axialer Richtung zu manipulieren.
Daraus entstand die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, nämlich die Modenselektion im Resonator eines koaxialen Gyrotrons so zu verbessern, daß ein technischer Einsatz eines Gyrotrons mit einem solchermaßen korrugierten Innenleiter technisch bedeutsam ist.
Die Aufgabe wird durch einen Innenleiter gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst:
Entscheidend ist das gleichartig monotone Tieferwerden der Korrugationen im zentralen Bereich des Mittelstücks des Resonators, und zwar zumindest stetig ausgehend vom Bereich des Eingangstrichters des Mittelstücks des Resonators bis zum Ende des zentralen Bereichs des Resonators. Ab da laufen die Korrugation im Bereich des Ausgangstrichters mit abnehmender Tiefe ebenfalls zumindest stetig aus. Zumindest stetig heißt, daß darüber hinaus die Korrugationen auch glatt beginnen, verlaufen und glatt auslaufen können. Die tiefer werdenden Korrugationen am Innenleiter im Bereich des Eingangstrichters und des zentralen Bereichs erlauben den Verlauf von Eigenwertfunktionen der Moden in axialer Richtung zusätzlich selektiv zu beeinflussen, die Startströme von unerwünschten Moden zu erhöhen, das Arbeitsgebiet der Arbeitsmode zu vergrößern und letzten Endes den Wirkungsgrad des Gyrotrons zu verbessern. Mit diesen Maßnahmen werden die Wandverluste im Innenleiter in axialer Richtung homogenisiert und damit die Kühlung desselben erleichtert.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung mit den
Figuren 1 bis 5 näher erläutert.
Es zeigen:
Figur la den schematischen Schnitt durch das Gyrotron mit
Innenleiter, Figur lb den Innenleiter im Querschnitt, Figur 2a den selektiven Einfluß auf das Feldprofil und die
Güte bei veränderlicher Tiefe, Figur 2b den Einfluß auf das Feldprofil und die Güte bei konstanter Tiefe, Figur 3a die Ausgangsleistung bei veränderlicher Tiefe, Figur 3b die Ausgangsleistung bei konstanter Tiefe und Figur 4 die Wandverluste im Innenleiter in axialer (z-)
Richtung.
Der Einfluß des koaxialen Innenleiters mit tiefer werdenden Korrugationen zum Ende hin wird in ein Hochleistungsgyrotron eingebaut und zur Darstellung der Leistungsfähigkeit der Erfindung hinsichtlich der Ausgangsleistung bei einer bestimmten Mode mit dem Innenleiter mit konstanter Korrugationstiefe verglichen. Hier ist der Innenleiter aus massivem Kupfer. Andere elektrisch gut leitende Materialien oder metallische Materialzusammensetzungen bzw. ein Kupferüberzug notwendiger Dicke auf einem mechanisch stärkeren Trägermaterial, wie Edelstahl beispielsweise, kommen auch in Frage, falls die Be- triebsbedingungen auch damit innerhalb des gesteckten Rahmens eingehalten werden können.
Die Geometrie des Koaxialresonators mit Impedanz-Korrugation am Innenleiter ist im Schnitt durch die Längsachse des Gyrotrons im Bereich des Resonators schematisch in Figur la für den Eingangstrichter Li - in der Fachsprache auch Eingangstaper - des Mittelstücks L2 des Resonators und für den Ausgangstrichter L3, entsprechend Ausgangstaper, des Resonators dargestellt. Nicht dargestellt ist der hier einseitige Ansatz des Innenleiters an der Kathode des Gyrotrons. Er ist dort fluiddicht angeschraubt, falls ein Zwangskühlkreislauf durch die Kathode hindurch zu ihm vorgesehen ist.
Falls die Lage des Gyrotrons und die eventuell bestehende Problematik der Gewichtsmechanik es erfordert, kann der Innenleiter auch noch an seinem kollektorseitigen Ende außerhalb des Elektronenstrahlbereichs zum Kollektor hin über einen Isolationsstern befestigt und zentriert sein. Das aber sind Maßnahmen, die keinen außergewöhnlichen Einsatz und Aufwand erfordern.
Da der gesamte Aufbau des Gyrotrons rotationssymmetrisch zur Längsachse ist, ist nur eine Hälfte des Schnitts durch die Rotationsachse gezeichnet:
Die Innenwand des Eingangstapers Li öffnet sich in z-Richtung mit dem Winkel ι zum hohlzylindrischen, zentralen Bereich, dem Mittelstück L2 des Resonators hin. Die Resonatorinnenwand dort hat über die Länge L2 den Radius Rcavr an die sich der Ausgangstaper L3 anschließt, um sich über die Länge L3 in z- Richtung mit dem Winkel ®3 zum Kollektor hin zu öffnen.
Der koaxiale Inneleiter hat hier im Bereich des Resonators eine zum Kollektor des Gyrotrons hin konisch spitz zulaufende
(in)
Form mit dem Winkel ιn. Am Ende des Eingangstapers Lx oder am Anfang des zentralen Bereichs L2 hat der Innenleiter den für die Dimensionierung festgelegten Radius R±n .
Die um den Umfang gleichverteilten Korrugationen beginnen am Eingang des Eingangstapers Li, in der bezüglich der elektromagnetischen Wechselwirkung noch nicht wichtigen Zone zumindest stetig und verlaufen axial zum Ende des Mittelstücks L2 hin monoton tiefer werdend. Mit Beginn des Bereichs L3 des Aus- gangstapers verläuft die Tiefe der Korrugationen mit einer zumindest stetigen Änderung dort auf null, zumindest stetig abnehmend, zurück.
Der Tiefenverlauf der Korrugationen im Innenleiter ist, abgesehen von der speziellen Physik, auch eine Frage des Fertigungsaufwandes. Ausgehend von dem theoretisch richtigen bzw. günstigsten Verlauf d = f (z) des monotonen Tieferwerdens, wird ein Kompromiß bei der Fertigung eingegangen. Das lineare Tieferwerden ist von der Fertigung her wohl am einfachsten. Das nicht lineare, dennoch monotone Tieferwerden ist aufwendiger aber mit numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen mit erträglichem Aufwand ausführbar.
Figur lb zeigt im Schnitt die zahnradartige, hier nicht maßstabsgetreue Geometrie des Innenleiters im zentralen Bereich L2 des Resonators. Die Tiefe der Korrugation nimmt ja bis zum Ende des zentralen Bereichs L2 gegenüber dem Außendurchmesser monoton zu. Das Gyrotron ist hier beispielhaft für die Frequenz von 165 GHz (= 1,82 mm Wellenlänge) ausgelegt. Bei Gyrotronen, die für jeweils eine andere Frequenz ausgelegt sind, ändert sich die Geometrie mikrowellentechnisch entsprechend.
Unten im Leistungsvergleich durch die Figuren 2a und 2b so wie 3a und 3b sind Dimensionsangaben eingetragen. Die Darstellungen in den Figuren 2a und 2b sind normiert, die Absolutwerte der Güte stehen im Kästchen mit dem Bezug auf die ausgebildete Mode. Im Fall der zunehmenden Korrugationstiefe d ist der halbe Offnungswinkel ιn des konischen Innenleiters nur
0,1°. Beim Innenleiter mit konstanter Tiefe ist er 1°.
An dieser Stelle soll die beispielhafte Geometrie des Innenleiters im Resonatorbereich zusammengefaßt aufgeführt werden, da die Figuren la und lb der Übersicht halber nicht maßstäblich gezeichnet sind:
Das Gyrotron ist hier für 165 GHz ausgelegt; der Innenleiter ist aus massivem, und aus dem Vollen gearbeiteten Kupfer; der Radius des Innenleiters zu Beginn des zentralen Bereichs L2 ist Rin = 7,51 mm; der Innenleiter verläuft konisch mit dem halben Öffnungswinkel der Resonator ist insgesamt lang, Li + L2 + L3 = 65,5 mm und unterteilt in den Eingangstaper mit Li = 19 mm, den zentralen Bereich, das Mittelstück, mit L2 = 16,5 mm und den Ausgangstaper mit L3 = 30 mm; die Tiefe d der Korrugationen am Innenleiter nimmt hier linear zu, und zwar von 0,3 mm am Ende des Eingangstapers bis zu 0,45 mm am Ende des zentralen Bereichs, kurz gefaßt ist: 0,3 mm < d < 1,0 mm zwischen 19 mm < z < 35,5 mm im zentralen Bereich L2 (siehe auch die Angaben in Fig. 2a); der Eingangstaper hat den halben Öffnungswinkel ι = 3°, den Radius im zentralen Bereich von Rcav = 27.38 mm und den halben Öffnungswinkel des Ausgangstapers ®3 = 1,5°. Die wesentlichen Maße des Innenleiters mit konstanter Korrugationstiefe und sonst gleicher Resonatorgeometrie sind in Fig. 2b eingetragen.
Für die elektromagnetische Wechselwirkung ist der Tiefenverlauf d = f (z) der Korrugationen und der des halben Öffnungs- winkeis ιn im zentralen Bereich L2, d.h. der Geometrie des Innenleiters dort maßgebend. Der Verlauf d = f (z) der Korrugati- onstiefe d in den Bereichen Li und L3 ist von der elektromagnetischen Wechselwirkung her von untergeordneter Bedeutung, diese findet außerhalb nicht mehr einflußreich statt.
In Figur 2a wird der selektive Einfluß der veränderlichen Tiefe d auf die Feldprofile und die Güte sichtbar. Wegen der kleinen Güte der TE2g,ι7-Mode wird diese nicht angeregt.
Figur 2b zeigt die Feldprofile und Güte von TE32,ι-, TE3i,ι7- TE30 17- und TE29,ι7-Moden im Resonator mit koaxialem und konischem Innenleiter mit Schlitzen von konstanter Tiefe d = 0,45 mm und halbem Öffnungswinkel ®in = 1°. Feldprofile und Güte sind von allen vier Moden praktisch gleich. Das bedeutet, daß auch die Startströme und Anregungswahrscheinlichkeiten von den Moden gleich sind. Dies als hervorstechenden Unterschied zum Innenleiter mit nicht konstanter sondern linear zunehmender Tiefe d der Korrugationen.
In den Figuren 3a und 3b ist der Verlauf der Ausgangsleistung Pout in kW in Abhängigkeit der Spannung U in kV dargestellt. Im Modenwettbewerb kommt die Wirkung der veränderlichen Korruga- tionstiefe, 0,3 mm < d < 1 mm auch in der Leistung zum Ausdruck: Erwartungsgemäß ist die TE29 17-Mode unterdrückt. Das Gyrotron schwingt in der günstigen TE30,ι -Mode, was zur wesentlich höheren Ausgangsleistung führt. Ungefähr 2000 kW (Fig. 3a) gegenüber nur etwa 1200 kW (Fig. 3b) beim Innenleiter mit konstanter Korrugationstiefe d = 0,45 mm. Der Modenwettbewerb ist ungünstig: Bei hohen Spannungen wird die TE29,ι7 -Mode angeregt, was zur niedriger Ausgangsleistung führt. Die sonstigen Werte waren bei diesem Vergleich: der Strom I = 50 A, das magnetische Feld im Resonatorraum B = 6,65 T und der Radius Rel = 9,41 mm (sieh auch Eintrag in den Figuren 3a und b) .
Figur 4 zeigt den Verlauf der Wandverluste im Innenleiter in axialer, z- Richtung. Die zweite vorteilhafte Wirkung von der veränderlichen Tiefe d der Korrugation ist deutlich, nämlich die tiefer werdenden Korrugationen am Innenleiter im Mittelstück des Resonatorbereichs homogenisieren die Wandverluste, j.n in kW/cm2, gepunktete, flacher verlaufende Kurve mit dem Maximum von etwa 0,16 kW/cm2. Der durchgezogene Kurvenverlauf stellt den Verlauf von in über der z-Achse, längs des zentralen Bereichs L2 des Resonators für den Innenleiter mit konstant Tiefe dar, wobei da ein Maximum von 0,22 kW/cm2 erreicht wird. Für die effektive Kühlung ist ein weniger ausgeprägtes, lokales Maximum besser.
Der Abschnitt des Kühlkreislaufs im Innenleiter kann beispielsweise aus einer koaxialen Anordnung zweier verschiedener Röhren bestehen, die am distalen Ende im Innenleiter offen sind, so daß eine Kühlmittelströmung dort von einen Rohr in das andere um- und zurückgeleitet wird.
Literaturlegende
W Ch. T. latrou, S. Kern, A. B. Pavelyev,
IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 44, 56 - 64 (1996)

Claims

Patentansprüche:
1. Innenleiter eines koaxialen Gyrotrons mit um den Umfang gleichverteilten axialen Korrugationen, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: die Korrugationen beginnen im Bereich des Eingangstrichters (Li) des Mittelstückes des Resonators zumindest stetig und reichen bis zum Bereich des Ausgangstrichters (L3) des Mittelstückes des Resonators, dabei nimmt die Tiefe (d) der Korrugationen vom Anfang (Li) an bis zum Ende des zentralen Bereichs (L2) monoton zu und läuft dann im Bereich (L3) des Ausgangstrichters zumindest stetig aus, die Bogenlänge s der Periode der um den Umfang des Innenleiters gleichverteilten Korrugationen ist kleiner als πRm/ , mit Rin als dem Radius des Innenleiters am Ende des Eingangstrichters (Li) , m als dem azimutalen Index der Mode und 1 als der Spaltbreite der Korrugation, die kleiner als die halbe Wellenlänge,
1 < λ/2, der Frequenz des Gyrotrons ist.
2. Innenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß derselbe unter Beibehaltung einer elektrisch mindestens notwendigen Wandstärke von seiner Wurzel bis mindestens zum Ende des Ausgangstrichters (L3) zum Anschluß an einen Kühlkreislauf hohl ist.
EP01969483A 2000-08-17 2001-07-24 Innenleiter eines koaxialen gyrotrons mit um dem umfang gleichverteilten axialen korrugationen Withdrawn EP1309982A1 (de)

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