EP1362358A1 - Kollektorwand und kollektorspulengruppe eines gyrotrons - Google Patents

Kollektorwand und kollektorspulengruppe eines gyrotrons

Info

Publication number
EP1362358A1
EP1362358A1 EP02708289A EP02708289A EP1362358A1 EP 1362358 A1 EP1362358 A1 EP 1362358A1 EP 02708289 A EP02708289 A EP 02708289A EP 02708289 A EP02708289 A EP 02708289A EP 1362358 A1 EP1362358 A1 EP 1362358A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
collector
wall
coil group
indentation
rotationally symmetrical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP02708289A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1362358B1 (de
Inventor
Bernhard Piosczyk
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Karlsruhe GmbH filed Critical Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Publication of EP1362358A1 publication Critical patent/EP1362358A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1362358B1 publication Critical patent/EP1362358B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H01J23/02—Electrodes; Magnetic control means; Screens
    • H01J23/027—Collectors

Definitions

  • the invention relates to the collector wall and collector coil group of a gyrotron.
  • the coil group is attached coaxially to the axis of the gyrotron in the collector area. It is used to generate a locally predetermined strength in the area of the collector with a rotationally symmetrical magnetic field, or with a given axial field strength profile, with which the impact area on the inner wall of the collector of the hollow electron beam generated in the gyrotron can be set in a given area.
  • the remaining energy of the hollow electron beam is dissipated on the wall of the collector.
  • the trajectories of the hollow electron beam are essentially determined by the course of the magnetic flux surfaces.
  • the main problems of a collector in a high performance gyrotron are the distribution of the beam power along the collector surface.
  • the impact area of the hollow electron beam on the inner wall of the collector is moved back and forth over an axial region moved, also called Wobbein.
  • Wobbein an axial region moved
  • the wobble or pulsation frequency in existing gyro systems is limited by the skin effect to typically about 10 Hz, depending on the thickness of the collector wall.
  • the wall thickness is due to the high power densities in high Stungsgyrotrons typically 10 mm. Because of the large diameter of the collector of such a gyrotron - approximately 400 mm and more - the collector coils partially encasing the collector reach considerable dimensions.
  • the object is achieved by the coaxial installation of a collector coil group consisting of at least one cylindrical coil in the collector according to the characterizing features of claim 1 in terms of its structure.
  • the collector wall has a hollow cylindrical indentation, coaxial with the axis, in the end face, in which the collector coil group, seated on a cylindrical coil winding body, is inserted and anchored in the center.
  • the magnetic field generating coils, their dimensioning and position on the axis are calculated. is axially one behind the other and / or radially one above the other.
  • the coils are excited and in their entirety generate a resultant magnetic field that is rotationally symmetrical about the axis with a predetermined axial course of the magnetic field strength, so that the rotationally symmetrical hollow electron beam at least at this indentation protrudes from the indentation
  • the initial area is guided past without collision and directed into a designated impact area on the inner wall of the collector.
  • Claim 2 additionally describes how the hollow cylindrical indentation, in which the collector coil group is sunk, can be included in an external cooling circuit.
  • the hollow cylindrical indentation in which the collector coil group is sunk, can be included in an external cooling circuit.
  • at least one concentric tube passes through the hollow cylindrical bobbin. The only one or the outside of several at least touches the bottom of the indentation.
  • a flow channel for a coolant can be set up past the collector coil group in the case of radial passages at the end of the non-winding bobbin at the bottom of the indentation and / or when passing through the bobbin itself, if the outer tube and the wall the indentation can be connected to the external cooling circuit.
  • Claims 3 and 4 each specify a method for the type of excitation of the collector coil group:
  • the rotationally symmetrical impact area on the inner wall of the collector is deliberately kept large, so that the impinging electron density and the resulting specific load on the collector wall remains at least tolerably limited or is still technically acceptable.
  • This is basically done by exciting the coils only with direct current and thereby creating a temporally constant, spatially non-adiabatic magnetic field with a given axial field strength, which, on the one hand, forms the hollow electron beam in a rotationally symmetrical manner and widens the impingement area of the electrons, as a result of which the impinging electron density and thus the Power density in the area of impact on the inner wall of the collector is limited to at least the technically tolerable level.
  • the outer cladding wall, the front wall and the surface of the indentation of the collector can be considered as the impact area.
  • the wall thickness of the indentation need not be thin, since the magnetic field does not pulsate in time and therefore there is no skin effect.
  • a temporally pulsating magnetic field is used for periodically moving the position of the impact area on the inner wall of the collector.
  • 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.
  • the excitation of at least one coil of the coil group at a corresponding axial position with an alternating current generates a temporal pulsation of the magnetic field in the intended collector area, which causes the annular, rotationally symmetrical impact area on the inner wall of the collector to move back and forth between two positions.
  • 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 most between two axial positions on the jacket wall of the collector or between two radial positions on the end wall, both radial Positions always have a larger radius than that of the indentation, or moves back and forth between a position on the jacket wall of the collector and a radial position outside the indentation on the forehead of the collector in the rhythm of the AC frequency.
  • the lower wall thickness of the encapsulation of the collector coil group allows the magnetic field to pulsate at a higher frequency because of the skin effect.
  • a lower wall thickness can be chosen because it is not hit by the primary electron beam and therefore only experiences a small thermal load.
  • the higher-frequency pulsation of the magnetic field generated by the coil group correspondingly causes a faster back and forth between two end positions of the impact area of the hollow electron beam on the inner wall of the collector. This enables the amplitude of the oscillations of the surface temperature to be reduced.
  • the dimensions of the inside coil group is much smaller than that of a correspondingly powerful outside. Therefore, the weight and the power consumption of the collector coil group are significantly reduced.
  • FIG. 1 shows the axial section through the collector of the gyrotron
  • FIG. 2 shows the potential lines and trajectories of the hollow electron beam.
  • the design for a 2.2 MW, single-stage biased collector according to FIG. 1 is used as an example.
  • 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 other 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.
  • the design is not limited to the single-stage preload. It can also be carried out similarly for non-prestressed collectors and for multi-stage, for example two-stage, prestressed collectors.
  • the contour dimensions of the coaxially constructed collector are, for example: maximum clear width 520 mm, length 1360 mm.
  • the hollow cylindrical indentation of the collapses protrudes into the coaxial interior of the hollow electron beam coming from the resonator.
  • detector wall which, as elsewhere, is also preferably made of copper, other technically suitable materials are not excluded, but there, in contrast to the outer wall with only 10 mm wall thickness here, since there is no exposure to the hollow electron beam.
  • This indentation is welded to the end wall of the collector or brazed. For pure experimentation, it can be useful if the indentation with a flange can also be screwed onto the end wall in a vacuum-tight manner.
  • the collector coil group is wound on a coil former, pushed in and centered on the bottom and on the collector end wall.
  • the coil group here consists of four solenoids, a first with a thick winding, the closest to the resonator output. This is followed by another internal solenoid with a weaker winding than the former up to the front wall, which sits on a winding body with a larger internal width. Two further solenoids, each with a thinner winding, are slid over these second solenoids, which partially encase the second solenoids and overlap themselves.
  • the first solenoid is intended to be excited with a direct current and added alternating current during operation of the electron beam wobbling, that is, the oscillating impact area on the collector.
  • the other three solenoids are only to be excited with alternating current.
  • the excitation currents are listed as an example in the table below. Depending on the design and the level of the field strength along the axis, other coil dimensions and excitation currents may be necessary.
  • the collector coil group is screwed onto the end wall of the collector via a flange and centered on the bottom of the indentation via a flange installation.
  • the flange mounting has radial holes so that a cooling circuit can be set up in which the coolant touches the inner wall of the indentation and the coil group on the surface.
  • FIG. 2 shows the case of a single-stage prestressed collector with the braking voltage at the input of the collector, with potential lines on the left in the image and beam trajectories.
  • the trajectories for the beam are entered for the positions of the maximum deflections in the direction to the resonator (follows on the left in the picture) and in the opposite direction.
  • 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.
  • the outer tube of the encapsulated collector coil system protruding into the collector is only indicated by its outer contour.
  • the field-generating magnet system can be seen in FIG. 1.
  • the exemplary coil parameters for this design are summarized in the table below.
  • the details are geometric dimensions of the partial coils.
  • the axial displacement of the impact area of the hollow electron beam and the widening and contraction is brought about by the application of an alternating current to the coils.
  • 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%.
  • 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
  • the maximum oscillation of the surface temperature of the collector at the sweep frequency of 50 Hz is approximately 77 ° C. This is a significant improvement compared to 170 ° C with a coil group around the collector that can only be operated with 10 Hz pulsating.

Landscapes

  • Microwave Tubes (AREA)

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. 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 einem Gleichstrom mit überlagertem Wechselstrom erregt werden, dann pendelt das rotationssymmetrische, ringförmige Auftreffgebiet im Rhythmus der Wechselstromfrequenz auf der Kollektorwand zwischen zwei einstellbaren Grenzpositionen hin und her.

Description

Kollektorwand und Kollektorspulengruppe eines Gyrotrons
Die Erfindung betrifft die Kollektorwand und Kollektorspulengruppe eines Gyrotrons. Die Spulengruppe ist zur Achse des Gyrotrons im Kollektorbereich koaxial angebracht. Mit ihr wird im Bereich des Kollektors ein zur Achse rotationssymmetrisches Magnetfeld örtlich vorgegebener Stärke, bzw. mit einem vorgegebenen axialen Feldstärkeverlauf erzeugt, mit dem das Auftreffgebiet an der Innenwand des Kollektors des im Gyrotron erzeugten Elektronenhohlstrahls in einem vorgegebenen Bereich eingestellt werden kann.
Die verbleibende Energie des Elektronenhohlstrahls wird auf der Wand des Kollektors dissipiert. Die Trajektorien des Elektronenhohlstrahls werden durch den Verlauf der magnetischen Flussflächen wesentlich bestimmt. Die Hauptprobleme eines Kollektors in einem Hochleistungsgyrotron bestehen in der Verteilung der Strahlleistung entlang der Kollektoroberfläche.
Um die Leistungsdichte an der Kollektorwand im zeitlichen Mittel zu reduzieren, wird bei Gyrotrons, insbesondere Hochleistungsgy- rotrons, wie beispielsweise für die Aufheizung magnetisch eingeschlossener Plasmen für die Kernfusion notwendig, das Auftreffgebiet des Elektronenhohlstrahls an der Innenwand des Kollektors über einen axialen Bereich hin und her bewegt, auch Wobbein genannt. Dies wird bisher durch das in zylindrischen, koaxial außen um den Kollektor angebrachten Kollektorspulen erzeugte, zur Achse rotationssymmetrische Magnetfeld bewirkt. Hierzu werden die entsprechenden Kollektorspulen mit einem Gleich- und/oder Wechselstrom erregt.
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 Hochlei- stungsgyrotrons typischerweise 10 mm. Wegen des großen Durchmessers des Kollektor eines solchen Gyrotrons - etwa 400 mm und mehr - erreichen die den Kollektor teilweise ummantelnden Kollektorspulen beträchtliche Abmessungen.
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 Leistungsdichte, die momentane Spitzenleistungsdichte und die resultierende Temperaturschwankung unter vertretbarem technischen Aufwand zu minimieren.
Die Aufgabe wird durch den koaxialen Einbau einer Kollektorspulengruppe aus mindestens einer zylindrischen Spule in den Kollektor gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 vom Aufbau her gelöst. Hierzu hat die Kollektorwand von der abschließenden Stirnseite her eine zur Achse koaxiale hohlzylind- rische Einbuchtung, in der die Kollektorspulengruppe, auf einem zylindrischen Spulenwickelkörper sitzend, eingeschoben und zentriert 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 ihrer Gesamtheit ein resultierendes, zur Achse rotationssymmetrisches Magnetfeld mit vorgegebenem axialen Verlauf der Magnetfeldstärke, so dass der rotationssymmetrische Elektronenhohl- strahl an dieser Einbuchtung zumindest mit an deren frei ragenden Anfangsbereich kollisionsfrei vorbeigeführt und in einen vorgesehenen Auftreffbereich auf der Kollektorinnenwand gelenkt wird.
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 mindestens ein konzentrisches Rohr. Das einzige oder das äußere von mehreren zumindest berührt den Boden der Einbuchtung. Durch dieses äußere Rohr und die Wand der Einbuchtung kann an der Kollektorspulengruppe 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 den Ansprüchen 3 und 4 ist je ein Verfahren für die Art der Erregung der Kollektorspulengruppe angegeben:
Mit dem in Anspruch 3 beschriebenen Verfahren wird das rotationssymmetrische Auftreffgebiet auf der Innenwand des Kollektors gezielt groß gehalten, so dass die auftreffende Elektronendichte und die dadurch hervorgerufene spezifische Belastung der Kollektorwand zumindest erträglich beschränkt bleibt bzw. technisch 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 auftreffende Elektronendichte und damit die Leistungsdichte im Auftreffbereich 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. In Anspruch 4 wird ein zeitlich pulsierendes Magnetfeld zur periodischen Hin und Herbewegen der Lage des Auftreffgebiets an der Innenwand des Kollektors eingesetzt. Dazu werden eine oder mehrere Spulen der Spulengruppe zusätzlich zum jeweiligen Wechselstrom mit einem jeweils vorgegebenen Gleichstrom erregt, um eine geforderte rotationssymmetrische Formung des Elektronenhohlstrahls einzustellen. Durch die Erregung von mindestens einer 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 Auftreffgebiets auf der Innenwand des Kollektors zwischen zwei Positionen bewirkt. Und zwar pulsiert der Elektronenhohlstrahl mit seiner eingeprägten radialen Ausdehnung beim Durchlaufen des pulsierenden Magnetfelds im Kollektorbereich im Takt der Wechselstromfrequenz so, dass sein ringförmiges koaxiales Auftreffgebiet höchstens zwischen zwei axialen Positionen auf der 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 Mantelwand des Kollektors und einer radialen Position außerhalb der Einbuchtung auf der Stirn des Kollektors in dem Rhythmus der Wechselstromfrequenz hin und her wandert.
Hieraus ergeben sich verschiedene Vorteile, nämlich: - Die geringere Wandstärke der Kapselung der Kollektorspulengruppe 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. - Das höherfrequente Pulsieren des durch die Spulengruppe erzeugten Magnetfelds bewirkt entsprechend ein schnelleres Hin- undherwandern zwischen zwei Endpositionen des Au treffgebiets des Elektronenhohlstrahls auf der Innenwand des Kollektors. Damit lässt sich die Amplitude der Oszillationen der Oberflächentemperatur erniedrigen.
- Die Abmessungen der innen liegenden Spulengruppe ist wesentlich kleiner als die einer entsprechend leistungsfähigen außen liegenden. Daher wird das Gewicht und der Leistungsverbrauch der Kollektorspulengruppe erheblich reduziert.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung weiter erläutert. Die Zeichnung besteht aus 2 Figuren. Es zeigt: Figur 1 den axialen Schnitt durch den Kollektor des Gyrotrons, Figur 2 die Potentiallinien und Trajektorien des Elektronenhohlstrahls .
Als Beispiel wird die Auslegung für einen 2,2 MW, einstufig vorgespannten Kollektor gemäß Figur 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 übrigen 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.
Die Auslegung ist nicht auf die einstufige Vorspannung beschränkt. Sie kann auch ähnlich für nicht vorgespannte sowie für mehrstufig, beispielsweise zweistufig vorgespannte Kollektoren durchgeführt werden.
Die Konturmaße des koaxial aufgebauten Kollektors sind hier beispielweise: größte lichte Weite 520 mm, Länge 1360 mm. In das koaxiale Innere des vom Resonator kommenden Elektronenhohlstrahls ragt die hohlzylindrische Einbuchtung der dortigen Kol- lektorwand, die wie an anderer Stelle auch vorzugsweise aus Kupfer ist, andere, technisch geeignete Materialien sind nicht ausgeschlossen, 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.
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 geschoben, die den zweiten Solenoiden teilweise ummanteln und sich selber überlappen.
Das erste Solenoid ist vorgesehen, bei einem Betrieb wobbelnde Elektronenstrahl also pendelndem Auftreffgebiet auf dem Kollektor, mit einem Gleichstrom und addierten Wechselstrom erregt zu werden. Die drei andern Solenoide sollen hier nur mit Wechselstrom 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 andere Spulendimensionen und Erregungsströme notwendig.
Der Kollektorspulengruppe ist über einen Flansch an der Stirnwand des Kollektors angeschraubt und am Boden der Einbuchtung über einen Flanscheinbau zentriert. Der Flanscheinbau hat radiale Löcher, so dass ein Kühlkreislauf eingerichtet werden kann, bei dem das Kühlmittel die Innenwand der Einbuchtung und die Spulengruppe oberflächig berührt.
Die Auslegung des koaxialen Magnetsystems wurde derart durchgeführt, dass der wobbelnde Elektronenhohlstrahl einen axialen Auftreffbereich von hier etwa 680 mm hat. In Figur 2 ist der Fall eines einstufig vorgespannten Kollektors mit der abbremsenden 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 ragende Außenrohr des gekapselten Kollektorspulensystems nur mehr durch seine Außenkontur angedeutet. Das felderzeugende Magnetsystem ist aus der Figur 1 zu entnehmen.
Die beispielhaften Spulenparameter sind für diese Auslegung unten in der Tabelle zusammengefasst . Die Angaben sind geometrische Abmessungen der Teilspulen. Die Größen haben folgende Bedeutung: 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 Wechselstrom jicoii = J2coiι = J3coiι = j 4coiι = 200 A/cm2 und mit einem durch Spule COL 4 zusätzlich fließenden Gleichstrom j4dc = 100 A/cm2. Der Koordinatennullpunkt (Zm = 0) ist am Eingang des Kollektors. Tabelle:
Spule Zm/cm Rm/cm dz/cm dr/cm j/A/cm2
COL 1 93.0 6.80 88.0 1.8 jicoii
COL 2 93.0 7.85 68.0 0.3 J2coiι
COL 3 103.0 8.30 60.0 0.6 J3coiι
COL 4 43.0 6.80 12.0 3.6 jβcoii + J4dc
Das axiale Verschieben des Auftreffgebiets des Elektronenhohlstrahls 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 Gleichstrom 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 Magnetfelds Kollektorraum um 28% nieder.
Die erzielte Verbesserung drückt sich in diesem Fall folgendermaßen 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 Kollektoroberfläche erreicht bei der niedersten Strahlposition ein Maximum von 530 W/cm2
Eine Erhöhung der Wobbeifrequenz 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 Wobbeifrequenz von 50 Hz etwa 77 °C. Das ist eine erheb- liehe Verbesserung im Vergleich zu 170 °C bei einer um den Kollektor liegenden Spulengruppe, die nur mit 10 Hz pulsierend betrieben werden kann.

Claims

Patentansprüche :
1. Kollektorwand und Kollektorspulengruppe eines Gyrotrons, wobei die Kollektorspulengruppe aus mindestens einer solenoida- len Spule besteht, die zu der Achse im Kollektorbereich koaxial angebracht ist, mit der der zur Formung des rotationssymmetrischen Elektronenhohlstrahls notwendige, mit ihr erzeugte rotationssymmetrische Magnetfeldverlauf entlang der Achse eingestellt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektorwand von der abschließenden Stirnseite her ins Kollektorinnere eine zu der Achse koaxiale hohlzylindrische Einbuchtung hat, in die die Kollektorspulengruppe, auf einem zylindrischen Spulenwickelkörper sitzend, eingeschoben und zentriert ist, und die magnetfelderzeugenden Spulen axial hintereinander und/oder radial übereinander gewickelt sind, so dass, mit dem jeweils vorgegebenen elektrischen Strom erregt, ein axialer Verlauf der Magnetfeldstärke über die Länge des Kollektors derart eingestellt werden kann, dass der rotationssymmetrische Elektronenhohlstrahl eingeprägter radialer Ausdehnung in einen vorgesehenen rotationssymmetrischen Auftreffbereich auf der Innenseite der Kollektorwand gelenkt wird.
2. Kollektorspulengruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch den hohlzylindrischen Spulenwickelkörper hindurch mindestens ein konzentrisches Rohr ragt und zumindest das äußere den Boden der Einbuchtung fluiddicht berührt, so dass dieses und die Wand der Einbuchtung in einen Kühlmittelkreislauf einbezogen werden kann.
3. Verfahren zum elektrischen Betreiben der Kollektorspulengruppe eines Gyrotrons nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Spulen der Kollektorspulengruppe jeweils mit einem vorgegebenen Gleichstrom derart erregt werden, dass der rotationssymmetrische Elektronenhohlstrahl eingeprägter radialer Ausdehnung beim Durchlaufen des dadurch erzeugten Magnetfelds im Kollektorraum rotationssymmetrisch geformt wird, und zwar derart, dass sich seine Auftrefffläche auf dem Kollektor höchstens über die äußere Mantelwand, die Stirnwand und die Mantelwand der Einbuchtung erstreckt.
4. Verfahren zum elektrischen Betreiben der Kollektorspulengruppe eines Gyrotrons nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen der Kollektorspulengruppe mit einem Wechselstrom vorgegebener Amplitude und Frequenz und mit einem Gleichstrom vorgegebener Stromstärke erregt werden, so dass der rotationssymmetrische Elektronenhohlstrahl eingeprägter radialer Ausdehnung beim Durchlaufen des dadurch erzeugten pulsierenden Magnetfelds rotationssymmetrisch derart pulsierend geformt wird, dass sein ringförmiges koaxiales Auftreffgebiet höchstens 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 Mantelwand des Kollektors und einer radialen Position außerhalb der Einbuchtung auf der Stirn des Kollektors im Rhythmus der Wechselstromfrequenz hin und her wandert.
EP02708289A 2001-02-07 2002-01-16 kOLLEKTOR MIT EINER KOLLEKTORWAND UND EINER KOLLEKTORSPULENGRUPPE FÜR EIN GYROTRON Expired - Lifetime EP1362358B1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE2001105441 DE10105441C1 (de) 2001-02-07 2001-02-07 Kollektorwand und Kollektorspulengruppe eines Gyrotrons
DE10105441 2001-02-07
PCT/EP2002/000363 WO2002063652A1 (de) 2001-02-07 2002-01-16 Kollektorwand und kollektorspulengruppe eines gyrotrons

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP1362358A1 true EP1362358A1 (de) 2003-11-19
EP1362358B1 EP1362358B1 (de) 2005-08-17

Family

ID=7673098

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP02708289A Expired - Lifetime EP1362358B1 (de) 2001-02-07 2002-01-16 kOLLEKTOR MIT EINER KOLLEKTORWAND UND EINER KOLLEKTORSPULENGRUPPE FÜR EIN GYROTRON

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP1362358B1 (de)
DE (1) DE10105441C1 (de)
WO (1) WO2002063652A1 (de)

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09245656A (ja) * 1996-03-06 1997-09-19 Toshiba Corp マイクロ波管装置
US5780970A (en) * 1996-10-28 1998-07-14 University Of Maryland Multi-stage depressed collector for small orbit gyrotrons

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO02063652A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2002063652A1 (de) 2002-08-15
DE10105441C1 (de) 2002-11-21
EP1362358B1 (de) 2005-08-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69503336T2 (de) Linearantrieb
DE69420695T2 (de) Normalleitender Ablenkelektromagnet
EP0037051B1 (de) Linearbeschleuniger für geladene Teilchen
DE3148100A1 (de) "synchrotron-roentgenstrahlungsquelle"
DE19903872A1 (de) Röntgenröhre mit Springfokus zur vergrößerten Auflösung
DE19947539B4 (de) Gradientenspulenanordnung mit Dämpfung innerer mechanischer Schwingungen
DE102014219016B4 (de) Verfahren zum Steuern eines Stehwellenbeschleunigers
WO2007036429A1 (de) Synchronmaschine
DE10326135B4 (de) Entladungsplasma-Bearbeitungsanlage
DE19510870C2 (de) Gyrotronsystem
DE2262757B2 (de) Röntgenröhrendrehanodenlagerung
DE68911940T2 (de) Bildwiedergabeanordnung mit einem Ausgleichsspulenbestückten, magnetisierbaren Kernmittel.
DE1541926A1 (de) Mikrowellenroehre mit gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern
DE3134582C2 (de)
DE4209518C2 (de) Magnetspulenaufbau
DE3873974T2 (de) Bildwiedergabevorrichtung mit mitteln zur kompensation der streufelder.
CH284921A (de) Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlen.
DE69527109T2 (de) Gaslaser mit Mikrowellenanregung
EP1362358B1 (de) kOLLEKTOR MIT EINER KOLLEKTORWAND UND EINER KOLLEKTORSPULENGRUPPE FÜR EIN GYROTRON
DE900853C (de) Anordnung zur Beschleunigung geladener Teilchen
DE68918298T2 (de) Antibiotikum-Derivat.
DE69107160T2 (de) Stromversorgungsanordnung.
DE911284C (de) Elektrodynamischer Schwingantrieb fuer Arbeitsmaschinen, beispielsweise Siebe
DE2800750A1 (de) Eisenkern fuer einen hochspannungstransformator niedriger leistung
WO2014111328A1 (de) Hochspannungsimpulsgenerator und verfahren zum erzeugen von hochspannungsimpulsen

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20030606

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LI LU MC NL PT SE TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL LT LV MK RO SI

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

RTI1 Title (correction)

Free format text: COLLECTOR WITH A COLLECTOR WALL AND A COLLECTOR COIL GROUP FOR A GYROTRON

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: 8566

GRAS Grant fee paid

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR3

GRAA (expected) grant

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210

RBV Designated contracting states (corrected)

Designated state(s): FR

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: B1

Designated state(s): FR

ET Fr: translation filed
PLBE No opposition filed within time limit

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009261

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: NO OPPOSITION FILED WITHIN TIME LIMIT

26N No opposition filed

Effective date: 20060518

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: FR

Payment date: 20090120

Year of fee payment: 8

REG Reference to a national code

Ref country code: FR

Ref legal event code: ST

Effective date: 20100930

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: FR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20100201