Quasi-optisches Gyrotron

Abstract

 Bei einem quasi-optisches Gyrotron erzeugen zwei Spulen (3a, 3b) in Helmholtz-Anordnung ein statisches, bezüglich einer Elektronenstrahlachse (2) axialsymmetrisches Magnetfeld. Dadurch werden die auf der Elektronenstrahlachse (2) parallel zum Magnetfeld laufenden Elektronen zur Gyration gezwungen und regen in einem quasi-optischen Resonator ein elektromagne­tisches Wechselfeld an. Der Resonator umfasst zwei, auf einer Resonatorachse (5) einander gegenüberliegend angeordnete Spiegel (4a, 4b), welche eine supraleitende Spiegelfläche (6a, 6b) aufweisen. Die Resonatorachse (5) ist zwischen den zwei Spulen (3a, 3b) senkrecht zur Elektronenstrahlachse (2) ausgerichtet. Damit die Supraleitung durch das starke Magnetfeld nicht beeinträchtig wird, sind Mittel zum Unterdrücken des Magnetfeldes am Ort der Spiegel (4a, 4b) vorgesehen. Vorzugsweise umfassen dies Mittel ein Joch (10) aus einem Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft ein quasi-optisches Gyrotron, bei welchem zwei Spulen in Helmholtz-Anordnung ein statisches, bezüglich einer Elektronenstrahlachse axialsymmetrisches Magnetfeld erzeugen, auf der Elektronenstrahlachse parallel zum Magnetfeld laufende Elektronen zur Gyration gezwungen werden und ein elektromagnetisches Wechselfeld in einem quasi-­optischen Resonator anregen, welcher zwei, auf einer Resonatorachse einander gegenüberliegend angeordnete Spiegel umfasst, wobei die Resonatorachse zwischen den zwei Spulen senkrecht zur Elektronenstrahlachse ausgerichtet ist.

Stand der Technik

[0002] Ein quasi-optisches Gyrotron der eingangs genannten Art ist z.B. aus dem Patent CH-664045 oder aus dem Artikel "Das Gyrotron, Schlüsselkomponente für Hochleistungs-­Mikrowellensender", H.G. Mathews, Minh Quang Tran, Brown Boveri Review 6-1987, pp. 303-307, bekannt.

[0003] Während bis anhin die Mikrowellenleistung solcher Gyrotrons bei Arbeitsfrequenzen von mehr als etwa 100 GHz noch auf wenige 100 kW beschränkt ist, sollen im Hinblick auf Anwendungen in der Plasmaheizung für Fusionszwecke Dauerstrichleistungen von 1 MW und mehr erzeugt werden können.

[0004] Ein Problem bei der Realisierung solcher Hochleistungsgyrotrons stellt die unerwünschte Aufheizung der Resonatorwände dar. Aufgrund der endlichen elektrischen Leitfähigkeit der Wände werden diese nämlich durch das HF-Feld im Resonator aufgeheizt. Die erreichbare Mikrowellenleistung wird damit durch die maximal abführbare Verlustleistung begrenzt.

[0005] Eine Erhöhung der Leitfähigkeit der Wände erniedrigt die Verlustleistung und verbessert entsprechend die Leistungs­fähigkeit des Gyrotrons. Angesichts der Tatsache, dass einer­seits für den Resonator bisher ausschliesslich normalleitende Metalle verwendet worden sind und dass andererseits seit kurzem Hochtemperatursupraleiter zur Verfügung stehen, scheint es naheliegend, beim Resonator die Normalleiter durch Supraleiter zu ersetzen. Dies ist auch bereits in der Literatur vorgeschla­gen worden (siehe z.B. "Possibilities for microwave/far infra­red cavities and waveguides using high temperatur supercon­ductors", D.R. Cohn, L. Bromberg, W. Halverson, B. Lax and P. Woscov, Twelfth International Conference on Infrared and Millimeter Waves, Dec 14-18, 1987, Lake Buena Vista, Florida, Conference Digest, IEEE Catalog No.87CH2490-1, pp. 51-52).

[0006] Das Problem dabei ist allerdings, dass in einem quasi-optischen Gyrotron die Supraleiter sowohl in Gegenwart von HF-Feldern (>100 GHz) als auch in Gegenwart von starken Magnetfeldern (>5 T) arbeiten müssen. Bei solchen Bedingungen haben aber alle bekannten Supraleiter schlechtere elektrische Eigenschaften als Kupfer und bieten somit keine Vorteile.

Darstellung der Erfindung

[0007] Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein quasi-optisches Gyrotron der eingangs genannten Art anzugeben, welches Mikrowellen von typischerweise mehr als 100 GHz mit einer Dauerstrichleistung (cw = continuous wave) von 1 MW und mehr erzeugen kann.

[0008] Erfindungsgemäss besteht die Lösung darin, dass die Spiegel des quasi-optischen Resonators eine supraleitende Spiegelfläche aufweisen und dass Mittel zum Unterdrücken des Magnetfeldes am Ort der Spiegel vorgesehen sind.

[0009] Der Kern der Erfindung liegt darin, dass das Magnetfeld, welches die Elektronen zur Gyration zwingt, zwar möglichst homogen sein muss, allerdings nur im Bereich des Elektronen­strahls. Ein radialer Gradient ausserhalb dieses Bereiches ist zulässig. Die erfindungsgemässen Mittel zum Abschirmen haben nun zur Folge, dass ein Magnetfeldgradient entsteht, welcher dafür sorgt, dass das Magnetfeld in radialer Richtung so stark abfällt, dass die Supraleitung nicht beeinträchtigt wird.

[0010] Für die Erfindung gibt es verschiedene Ausführungsformen. Eine davon besteht darin, dass ein Joch vorgesehen wird, welches die Spulen im wesentlichen umschliesst. D.h. es ist so ausgebildet, dass es den magnetischen Fluss ausserhalb der Spulen zum grössten Teil aufnimmt. Dies lässt sich sowohl mit einem im wesentlichen einteiligen als auch mit einem mehrteiligen Joch erreichen. Das Joch muss dabei aus einem Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität bestehen.

[0011] Vorzugsweise umschliesst das Joch die beiden Spulen in der Art eines mit einem Deckel und einem Boden versehenen Hohlzylinders. Der Hohlzylinder weist Oeffnungen für den Resonator auf. Die Spiegel des Resonators sind dann ausserhalb des Hohlzylinders hinter den Oeffnungen angeordnet.

[0012] Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Joch aus mehreren Jochteilen besteht, welche in regelmässigen Abständen um die Spulen angeordnet sind.

[0013] Eine konzeptionell etwas andere Ausführungsform besteht darin, dass das Magnetfeld am Ort der Spiegel durch ein entsprechendes Gegenfeld kompensiert wird. Das Gegenfeld wird durch eine zusätzliche Spulenanordnung ausserhalb der beiden für die Gyration zuständigen Spulen erzeugt.

[0014] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0015] Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines quasi-optischen Gyrotrons;

Fig. 2 eine grafische Darstellung des Magnetfeldes in Abhängigkeit des Ortes;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines hohlzylinder­förmigen Jochs;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines quasi-optischen Gyrotrons mit mehreren Jochteilen; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung der hohlzylinder­förmigen Jochteile und ihrer Position in bezug auf den Resonator.

[0016] Die in der Zeichnung verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezeichnungsliste zusammenfassend tabelliert. Grundsätzlich sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0017] Fig. 1 zeigt die zur Erläuterung der Erfindung wesentlichen Teile eines erfindungsgemässen quasi-optischen Gyrotrons. Eine in der Figur nicht gezeigte Elektronenkanone injiziert Elektronen in Form eines z.B. ringförmigen Elektronenstrahls 1. Die Elektronen laufen entlang einer Elektronenstrahlachse 2. Zwei Spulen 3a und 3b sind auf der Elektronenstrahlachse 2 in einem ihrem Radius entsprechenden Abstand (sog. Helmholtz­Anordnung) angeordnet. Sie erzeugen ein statisches, parallel zur Elektronenstrahlachse 2 ausgerichtetes Magnetfeld (mit einer magnetischen Induktion von typischerweise 4 T und mehr), welches die Elektronen zur Gyration zwingt.

[0018] Zwischen den beiden Spulen 3a, 3b ist ein quasi-optischer Resonator angeordnet. Er besteht aus zwei sphärischen, kreis­förmigen Spiegeln 4a und 4b, welche auf einer Resonatorachse 5 einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die Resonatorachse steht dabei senkrecht zur Elektronenstrahlachse 2.

[0019] Die Elektronen regen im quasi-optischen Resonator ein elektromagnetisches Wechselfeld an, sodass bei einem der beiden Spiegel 4a die gewünschten Mikrowellen ausgekoppelt und durch ein Fenster 7 und einen Wellenleiter 8 zu einem Verbraucher geführt werden können. Die beiden Spulen 3a, 3b der Resonator und natürlich der Elektronenstrahl 1 befinden sich in einem Gefäss 9 im Hochvakuum.

[0020] Die bis jetzt beschriebenen Teile des quasi-optischen Gyrotrons sind bereits bekannt (z.B. aus dem oben zitierten Artikel von Mathews und Tran) und bedürfen deshalb keiner weiteren Erläuterung. Was hingegen neu ist, sind die im folgenden erläuterten Mittel zum Abschirmen des Magnetfeldes und die Art des Resonators.

[0021] Um das Magnetfeld gegen aussen abzuschirmen, ist ein Joch 10 vorgesehen, welches die beiden Spulen 3a, 3b im wesentlichen umschliesst. Es besteht aus einem Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität, vorzugsweise aus Eisen.

[0022] Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform hat das Joch 10 die Form eines Hohlzylinders 11 einer Länge L, welcher in axialer Richtung durch einen Deckel 12 und einen Boden 13 abgeschlossen ist. Der Hohlzylinder 11 ist koaxial zur Elektronenstrahlachse 2. Die Länge L und ein Innenradius Ri des Hohlzylinders 11 sind so, dass die beiden Spulen 3a, 3b in Helmholtz-Anordnung, resp. das diese umschliessende Gefäss 9, darin Platz finden.

[0023] Deckel 12 und Boden 13 des Hohlzylinders 11 sind je mit einer Durchtrittsöffnung für den Elektronenstrahl 2 versehen. Die Durchtrittsöffnungen sind so klein wie möglich gehalten. Der Hohlzylinder 11 selbst weist ebenfalls zwei einander diametral gegenüberliegende Oeffnungen für den Resonator auf. Diese Oeffnungen sind gerade so gross, dass das elektromagnetische Wechselfeld im Resonator dadurch nicht gestört wird.

[0024] Die beiden Spiegel 4a, 4b bilden die Wände des Resonators und haben je eine supraleitende Spiegelfläche 6a resp. 6b. Eine in der Figur nicht gezeigte Kühlvorrichtung hält sie auf einer für die Supraleitung hinreichend niedrigen Temperatur. Die supraleitenden Spiegelflächen 6a, 6b werden z.B. durch eine Schicht bestehend aus einem Hochtemperatursupraleiter gebildet.

[0025] Die beiden sphärischen Spiegel 4a, 4b sind ausserhalb des Jochs 10 vor den Oeffnungen des Hohlzylinders 11 angeordnet. In einer symmetrischen Ausführungsform haben sie einen gegenseitigen Abstand, welcher grösser als ein Aussendurchmesser Ra des Hohlzylinders 11 ist.

[0026] Fig. 2 veranschaulicht die Wirkung der erfindungsgemässen Abschirmung. Auf der Abszisse ist symmetrisch der Radius r, d.h. der Abstand von der Elektronenstrahlachse 2, und auf der Ordinate die Stärke der magnetischen Induktion B aufgetragen. Die durchgezogene Kurve stellt den Verlauf des Magnetfeldes in Anwesenheit des Jochs 10 dar. In einem achsennahen Bereich, welcher zumindest einem Durchmesser des Elektronenstrahls 1 entspricht, ist das Magnetfeld nahezu homogen. Dann fällt es mit zunehmendem Radius r ab, bis es am Ort der Spiegel 4a, 4b zumindest so klein ist, dass die Supraleitung nicht beeinträchtig wird.

[0027] Die gestrichelte Kurve zeigt den Verlauf des Magnetfeldes ohne das erfindungsgemässe Joch 10. In diesem Fall ist das Magnetfeld über einen verhältnismässig breiten Bereich hinweg homogen und fällt mit zunehmendem Radius nur langsam ab.

[0028] Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch das Joch 10. Der Hohlzylinder 11 mit Länge L hat, wie bereits erwähnt, zwei Oeffnungen für den Resonator, wovon eine - mit 14 bezeichnet - in der Figur zu sehen ist. Diese Oeffnung 14 ist etwa in der Mitte des Hohl­zylinders 11 angebracht. Sie ist typischerweise kreisförmig, wobei die Resonatorachse durch deren Zentrum geht.

[0029] Boden 13 und Deckel 12 weisen je eine Durchtrittsöffnung 16 resp. 15 auf. Schliesslich sind noch Innenradius Ri und Aussenradius Ra des Hohlzylinders eingezeichnet.

[0030] Das Joch 10 der Fig. 1 ergibt sich, wenn zwei Hälften gemäss Fig. 3 entsprechend zusammengefügt werden. Ein solches Joch schafft die bestmögliche Abschirmung des Magnetfeldes. Allerdings ist es schwer und u.U. aufwendig in der Montage. Die genannten Nachteile können jedoch vermieden werden mit der nachfolgend beschriebenen Ausführungsform.

[0031] Fig. 4 zeigt ein quasi-optisches Gyrotron mit einem Joch, welches aus mehreren Jochteilen 17a,..., 17f besteht. In der Figur sind folgende Teile wieder zu erkennen: Die Resonatorachse 5, die beiden Spiegel 4a, 4b, eine der beiden Spulen 4a und der ringförmige Elektronenstrahl 1. In der Darstellung gemäss Fig. 4 steht die Elektronenstrahlachse senkrecht zur Zeichenebene.

[0032] Gemäss einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Joch sechs, im wesentlichen gleiche Jochteile 17a,...,17f. Diese sind in regelmässigen gegenseitigen Abständen um die Elektronenstrahlachse resp. die Spulen herum angeordnet. Zwei einander diametral gegenüberliegende Zwischenräume dienen als Oeffnung für den Resonator.

[0033] Fig. 5 zeigt zwei solche Jochteile 17c, 17d mit dem als Oeffnung 18 dienenden spaltförmigen Zwischenraum. Der Spiegel 4b hat einen Abstand von der Elektronenstrahlachse 2, welcher grösser ist als der Aussendurchmesser des Jochs.

[0034] Die Jochteile 17a,...,17f bilden Segmente eines Hohlzylinders, welcher in axialer Richtung durch einen Boden und einen Deckel abgeschlossen ist. Im Prinzip sind sie also nichts Anderes, als azimutal begrenzte Ausschnitte eines hohlzylinderförmigen Jochs, wie es anhand der Figuren 1 und 3 erläutert worden ist. Sie haben quasi die Form eines Tortenstücks.

[0035] Das aus den sechs Jochteilen 17a,..,17f gebildete Joch umschliesst im wesentlichen die Spulen vollständig. Aufgrund der hohen magnetischen Permeabilität konzentriert sich nämlich der grösste Teil des magnetischen Flusses auf die Jochteile. Ausserhalb des durch Jochteile umhüllten, büchsenförmigen Bereiches ist das Magnetfeld hinreichend klein.

[0036] Grundsätzlich ist es wichtig, dass die Rotationssymmetrie des Magnetfeldes im achsennahen Bereich des Elektronenstrahls 1 trotz der Abschirmung möglichst gut erhalten bleibt. Bei der Verwendung eines Jochs, welches im wesentlichen aus einem zusammenhängenden Teil besteht, ist dies auch eindeutig der Fall. Wenn hingegen mehrere Jochteile verwendet werden, muss diesem Aspekt besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Vorzugsweise werden deshalb mindestens sechs Jochteile am Gyrotron angebracht.

[0037] Während sich zwar mit zunehmender Zahl der Jochteile die Rotationssymmetrie immer besser annähern lässt, wird gleichzeitig der regelmässige Zwischenraum immer kleiner. Gleichzeitig muss der Resonator aber eine minimale Oeffnung beanspruchen, um überhaupt noch arbeiten zu können. Und nicht zuletzt sollte sich der Montageaufwand noch in vertretbarem Rahmen bewegen.

[0038] Aus diesen Ueberlegungen heraus, wird ein Joch mit acht Jochteilen ebenfalls als eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrachtet.

[0039] Die Jochteile brauchen natürlich nicht genau so geformt zu sein, wie es anhand der Figuren beschrieben worden ist. Vielmehr schliesst die Erfindung auch gewisse Variationen ein. Diese lassen sich so umschreiben, dass von einem büchsenartigen Joch, wie es in den Figuren 1 und 3 gezeigt worden ist, in geeigneter Weise "Material entfernt wird", sodass Volumen und Gewicht des Jochs kleiner werden, gleichzeitig aber die magnetische Abschirmwirkung im wesentlichen erhalten bleibt.

[0040] Grundsätzlich eignet sich für das Joch jedes Material, welches eine magnetische Permeabilität hat, die im Verhältnis zu derjenigen des Vakuums gross ist. Eisen stellt in diesem Sinn nur einen typischen Kandidaten dar.

[0041] Eine von den bisherigen Beispielen etwas abweichende Ausführungsform, verwendet als Abschirmung nicht ein Joch, sondern ein kompensierendes Magnetfeld. Dieses wird durch zwei oder mehr zusätzliche Spulen erzeugt. Die zusätzlichen Spulen befinden sich ausserhalb des von Helmholtz-Spulen umfassten, zylinderförmigen Volumens.

[0042] Beispielsweise sind die zusätzlichen Spulen ebenfalls koaxial zur Elektronenstrahlachse. Radius, Abstand und Spulenstrom der zusätzlichen Spulen sind dann so zu bemessen, dass die Stärke des Magnetfelds am Ort der Spiegel des Resonators insgesamt unterhalb einer für die Supraleitung geforderten Schwelle liegt. Die konkreten Dimensionen hängen von verschiedenen Parameterwerten ab und lassen sich ohne weiteres rechnerisch ermitteln.

[0043] Der "aktive" und der "passive" Lösungsweg können u.U auch kombiniert werden, indem die Wirkung eines geometrisch einfachen Jochs mit geeignet ausgelegten, kleinen Spulen verbessert wird.

[0044] Zusammenfassend kann gesagt werden, dass durch die Erfindung die Leistung von quasi-optische Gyrotrons erheblich gesteigert werden kann, indem die Vorteile supraleitender Resonatorwände voll genutzt werden können.

Bezeichnungliste

[0045] 1 - Elektronenstrahl, 2 - Elektronenstrahlache; 3a, 3b -­Spulen; 4a, 4b - Spiegel; 5 - Resonatorachse; 6a, 6b -­Spiegelfläche; 7 - Fenster; 8 - Wellenleiter; 9 - Gefäss; 10 -­Joch; 11 - Hohlzylinder; 12 - Deckel; 13 - Boden; 14, 18 -­Oeffnung; 15, 16 - Durchtrittsöffnung; 17a,..,17f - Jochteile.

Ansprüche

1. Quasi-optisches Gyrotron, bei welchem

a) zwei Spulen in Helmholtz-Anordnung ein statisches, bezüglich einer Elektronenstrahlachse axialsymmetrisches Magnetfeld erzeugen,

b) auf der Elektronenstrahlachse parallel zum Magnetfeld laufende Elektronen zur Gyration gezwungen werden und ein elektromagnetisches Wechselfeld in einem quasi-optischen Resonator anregen, welcher zwei, auf einer Resonatorachse einander gegenüberliegend angeordnete Spiegel umfasst, wobei die Resonatorachse zwischen den zwei Spulen senkrecht zur Elektronenstrahlachse ausgerichtet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass

c) die Spiegel des quasi-optischen Resonators eine supraleitende Spiegelfläche aufweisen und dass

d) Mittel zum Unterdrücken des Magnetfeldes am Ort der Spiegel vorgesehen sind.

2. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

a) die Mittel zum Unterdrücken des Magnetfeldes am Ort der Spiegel ein, aus einem Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität bestehendes Joch umfassen, welches die zwei Spulen von aussen im wesentlichen umschliesst, und dass

b) die Spiegel des Resonators auf der Resonatorachse so angeordnet sind, dass sie ausserhalb eines vom Joch im wesentlichen umschlossenen Bereiches liegen.

3. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

a) das Joch in der Art eines Hohlzylinders ausgebildet ist, welcher in axialer Richtung mit einem Boden und einem Deckel abgeschlossen ist, wobei

b) der Hohlzylinder mit mindestens zwei, einander diametral gegenüberliegenden Oeffnungen für den Resonator versehen ist, und

c) Boden und Deckel mit je einer Durchtrittsöffnung für die auf der Elektronenstrahlachse laufenden Elektronen versehen sind.

4. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

a) das Joch aus mehreren, mit regelmässigen Zwischenräumen um die Elektronenstrahlachse angeordneten, gleichartigen Jochteilen gebildet wird und dass

b) die Oeffnungen für den Resonator durch zwei einander diametral gegenüberliegende Zwischenräume gebildet werden.

5. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Jochteile Segmente eines in axialer Richtung mit einem Deckel und einem Boden abgeschlossenen Hohlzylinders sind.

6. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Joch durch mindestens sechs Jochteile gebildet wird.

7. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Joch durch sechs oder acht Jochteile gebildet wird.

8. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mit der hohen magnetischen Permeabilität Eisen ist.

9. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Unterdrücken des Magnetfeldes am Ort der Spiegel mindestens zwei weitere Spulen umfassen, welche ausserhalb der in Helmholtz-­Anordnung vorgesehenen Spulen angeordnet sind.

Zeichnung