DE4424230C2 - Magnetsystem für Gyrotrons - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Magnetsystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie es aus der DE 42 36 149 A1 bekannt ist, und dient zur Erzeugung des axialen magnetischen Gleichfeldes für Gyrotrons zwischen Emitter- 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 Oscillatoren 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 ra­ dial polarisierte Permanentmagnete. Bei diesem System findet im Elektronenstrahlbereich des Gyrotrons eine starke magneti­ sche Feldumkehr des Axialfeldes und ein starker Anstieg des Feldes an der Berandung des Wechselwirkungsraums statt.

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

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, die Frage niedriger erforderlicher Kühlleistung sowie ge­ ringerer Materialaufwand wirtschaftliche Bedeutung bekommt. Parameter solcher Gyrotrons sind niedrigere Frequenzen (z. B. 30 GHz) bei niedrigen Leistungen (z. B. 10 kW).

Große Wirkungsgradeinbußen entstehen im als Wechselwirkungs­ raum dienenden Gyrotronresonator. Der größte Kühlaufwand ent­ steht am Kollektor, der zweitgrößte Kühlaufwand entsteht bei mit normalleitenden Magneten arbeitenden Gyrotrons im Magne­ ten. Die Verluste im Magneten lassen sich durch den Einsatz von Permanentmagneten drastisch verringern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bisher verwendeten supra- oder normalleitenden Magnete durch Permanentmagnetanordnungen zu ersetzen, die - anders als bei bisher ausgelegten Permanentmagnetanordnungen - weder zusätz­ liche entwicklungstechnische oder konstruktive Arbeiten im Gy­ rotronrohr erfordern noch die Verwendung konstruktiver Wei­ terentwicklungen bisher erhältlicher Gyrotrons (wie z. B. Aus­ rüstung mit vorgespannten Kollektoren) einschränken oder un­ möglich machen. Zusätzlich sollen Elektronenstrahlreflexionen und Elektronenstrahlinstabilitäten im Gyrotron vermieden wer­ den.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ein zentraler, radial polarisierter, ein zum Kollektorbereich hin angebrachter, axial polarisierter Ringmagnet und ein an der entgegengesetz­ ten Stirnfläche des zentralen Ringmagneten ansetzender, den Ausbruch des Feldes blockierender Ringmagnet erzeugen danach den im Elektronenstrahlbereich erwünschten Magnetfeldverlauf grund­ sätzlich. Aufgrund des geforderten Feldverlaufs wird die Geo­ metrie der Permanentmagnete mit Rechnerhilfe festgelegt. Eine starke, aber nur noch bedeutungslose Feldumkehr findet jetzt nur noch außerhalb des Elektronenstrahlbereichs in rückwärti­ ger Verlängerung des Emitters statt. Eine bei dem Stand der Technik von Magnetsystemen zweite Umkehr des Magnetfeldes wird vermieden oder in seiner Amplitude bedeutungslos. Die mechani­ sche Verspannung des Magnetsystems ist eine technisch bekannte Lösung.

Die Unteransprüche sind auf Ausführungsarten der Erfindung gerichtet.

Der Unteranspruch 2 kennzeichnet den einfachsten, nämlich sym­ metrischen, allerdings auch 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 mehr 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 werden zusätzlich strombetriebene Solenoide und Weicheisenbaugruppen eingesetzt (Anspruch 6 und 7). Weitere bekannte Korrekturmöglichkeiten des axialen Gleichmagnetfelds können mit verschiebbaren Sole­ noiden erreicht werden.

Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert werden. Hierzu sind in die Zeichnung sechs Figuren aufgenommen werden.

Es zeigen:

Fig. 1a und 1b sowie 2a und 2b den grundsätzlichen Aufbau der Einrichtung zur Erzeugung des statischen Ma­ gnetfeldes und das Feld längs der Achse.

Fig. 3 die grundsätzliche angestrebte Abhängigkeit des magne­ tischen Führungsfeldes längs der Gyrotronachse.

Fig. 4 den grundsätzlichen Aufbau eines Gyrotrons mit der Einrichtung zur Erzeugung des statischen Ma­ gnetfelds.

Im Gyrotron, Fig. 4 propagieren die Elektronen als Hohlstrahl auf helixförmigen Bahnen - von einem statischen Magnetfeld ge­ führt - von der Kathode 1 zum Resonator 11 und verlassen ihn als "verbrauchten" Strahl zum Kollektor 13, 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. Piosczyk). Bei vorgegebenen Geschwindigkeitsverhältnis α und Magnetfeld im Resonator 11 und einem wählbaren (Triode) oder festgelegten (Diode) Kompressionsverhältnis (Verhältnis der Hohlstrahlradien) liegt auch das axiale Magnetfeld am Emitter 9 fest. Bei auf helixförmigen Bahnen propagierenden Elektronen wird das Verhältnis von transversaler zu axialer Geschwindig­ keitskomponente

α = v⟂/v∥

durch die Gleichung

(v⟂)²/B = const

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

ω_c = exB/m

die Zyklotronfrequenz der Elektronen im Resonator 11 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

ω = nxw_c

n ist ganzzahling 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 der Gyrotronachse 8 angestrebte Feld ist in Fig. 3 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. 10 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. Die Kompensa­ tion der Nulldurchgänge und der damit verbundenen starken Ma­ gnetfelder durch strombetriebene Magnete erfordert etwa den gleichen Aufwand wie die Erzeugung des gesamten angestrebten Feldes.

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

η=η_el/[1-η_c (1-η_el)]

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 im Bereich der Kathode 1 - um auch laminare Kathoden verwenden zu können und Justageprobleme ge­ ring zu halten - das axiale Magnetfeld örtlich konstant sein, siehe Fig. 3.

Fig. 4 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. 3 zeigt den Verlauf des gewünschten, axialen magneti­ schen Gleichfelds in den Gyrotronbereichen: Emitter 9, Kompression 10, Resonator 11, Dekompression 12 und Kollektor 13. Der wellige Verlauf der magnetischen Flußdichte ist nach Auslegung mehr oder weniger provoziert (siehe die eingangs erwähnte DE 42 36 149 A1), und zwar durch die Struktur der inneren Mantelfläche an den Permanentmagneten 15, 14, 15. Die Feldstärke in Emit­ tergebiet ist etwa 5-25% des axialen Gleichfeldes im Reso­ natorbereich 11.

Fig. 1a zeigt eine Anordnung des Permanentmagnetsystems 7. Da es koaxial zur Gyrotronachse liegt und nur die in der Fig. 1a rechte Hälfte für den Gyrotronbetrieb ausgenützt wird, wird lediglich der Verlauf der Magnetfeldlinien 16 an einem Viertel des Schnitt durch das Permanentmagnetsystem 7 gezeigt. Das ist ausreichend, da die Konfiguration der Magnetfeldlinien symme­ trisch zur Ebene z = 0 bzw. rotationssymmetrisch ist.

Der radial polarisierte mittlere Magnet 14 ist über Halterun­ gen, die nicht eingezeichnet sind, mit dem (in der Fig. 1a) rechten, axial polarisierten Magnet 15, über die gemeinsame Konusfläche in Berührung. In Gyrotronbereich findet kein oder allenfalls ein leicht kompensierbarer Nulldurchgang der Feld­ linien statt.

Den Verlauf des Gleichfeldes in Abhängigkeit von der z-Achse 8, also der Gyrotronachse 8, zeigt Fig. 1b. Dieser Flußdichteverlauf ist auch punktsymmetrisch zum Achsursprung und hat auch dort nur einen Nulldurchgang (Staupunkt) also Feldumkehr. Somit sind die in Fig. 1a gezeichnete, radial polarisierte Permanentmagnethälfte 14 und der sich rechts da­ von anschließende axial polarisierte Permanentmagnet 15 grund­ sätzlich geeignet, ein magnetisches Gleichfeld ohne Nulldurch­ gang im Gyrotronbereich zu erzeugen. Es fehlt nur noch das schwächere Gleichfeld für den Emitterbereich 9. Die nicht an­ gedeutete linke Hälfte in der Fig. 1a des Permanentmagnet­ systems 7 hinter dem Emitterbereich bleibt für die Gyrotron­ funktion ungenutzt. Diese ungenutzte Hälfte dient im wesentli­ chen dazu, den Ausbruch des Feldes zu verhindern. Sie kann durch eine leichte Konfiguration ersetzt werden, wodurch Mate­ rial eingespart wird.

Das Magnetsystem 7 in Fig. 2a, zeigt eine solche Konfigura­ tion, die zudem der Forderungen der geringen Feldvariation am Emitterbereich Rechnung trägt. Mit ihm wird insbesondere Ma­ gnetmaterial eingespart. Es besteht aus dem zentralen, radial polarisierten, ringförmigen Permanentmagneten 14. Rechts (kol­ lektorseitig) in der Fig. 2a schließt sich der axial polari­ sierte, ringförmige Permanentmagnet 15 an. Links schließt sich der den Ausbruch des Feldes blockierende, axial polarisierte Permanentmagnet 15 an. Die geometrische Gestalt ermöglicht die geforderte unipolare Feldstruktur im Gyrotronbereich. Das niedrige Gleichfeld in der Emitterzone 9 wird durch die Über­ lagerung des kleinen ringförmigen, axial polarisierten Perma­ nentmagneten 15 mit rechteckigem Längsschnitt vollends er­ reicht.

Den Verlauf nach Stärke und Vorzeichen, abhängig vom Ort, zeigt Fig. 2b. Weit hinter dem Emitter 9, außerhalb des Gyro­ trons, in der Fig. 2b links, gibt es die starke, jetzt ge­ stauchte, unvermeidliche Feldumkehr. Die Gyrotronbereiche Emitter 9, Kompression 10, Resonator 11, Dekompression 12 und Kollektor 13 sind angedeutet. Jetzt besteht das unipolare, ma­ gnetische Gleichfeld im Emitterbereich 9, das hohe Feld im Re­ sonator 11 und das auf nahezu Null zurückgehende Feld im Kollektorgebiet 13. Nach wie vor ist das Magnetfeld rotations­ symmetrisch zur Gyrotronachse 8.

Das Feld wird also vollständiger durch das Bohrloch des Magnetsystems 7 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 9 bis zum Kollektor 13 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 9 (siehe Fig. 3) und im Bereich des Kollektors 13 durch zusätzlich axial polarisierte Magnete erreichen. Bei der Endauslegung doch noch auftretende Null­ durchgänge schwacher Felder können so unterdrückt werden. Der dazu erforderliche Aufwand ist deutlich geringer als die Er­ zeugung des gesamten Magnetfelds mittels Solenoiden.

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
3 Beschleunigungsanode
7 Magnetsystem, Permanentmagnetsystem
8 Gyrotronachse, Systemachse, z-Achse
9 Emitter, Emitterbereich, Emittergebiet
10 Kompression, Kompressionsbereich, Kompressionsgebiet
11 Resonator, Resonatorbereich, Resonatorgebiet
12 Dekompression, Dekompressionsgebiet
13 Kollektor, Kollektorbereich
14 radiale Polarisation, Permanentmagnet
15 axiale Polarisation, Permanentmagnet
16 Magnetfeldlinien
17 Vakuumgehäuse

Claims (7)

1. Magnetsystem zur Erzeugung des axialen magnetischen Gleich­ felds für Gyrotrons zur Führung der vom Emitter austreten­ den Elektronen, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Magnetsystem (7) zur Erzeugung des axialen Gleichfelds im Resonatorbereich (11) ein Permanentmagnetsystem (7) ist, sich das Permantmagnetsystem (7) aus einem zentralen, ra­ dial polarisierten Ringmagneten (14), einem an dessen Stirnfläche Richtung Kollektor (13) ansetzenden, axial po­ larisierten Ringmagneten (15) und einem weiteren, an der anderen Stirnfläche ansetzenden, axial polarisierten Ring­ magneten (15) besteht, wobei letzterer ein den Ausbruch des Magnetfeldes blockierendes Teilsystem ist,
• - die Teilmagnete (15, 14, 15) des Permanentmagnetsystems (7) einander an ihren gegenüberliegenden Flächen berühren,
• - durch die Geometrie der Ringmagnete (15, 14, 15) und ihre gegenseitige mechanische Verspannung ein im Bereich des Resona­ tors (11) konstantes oder vorgebbar welliges Magnetfeld erzeugt wird,
• - vom Emitter (9) bis in den Kollektor (13) hin­ ein keine oder allenfalls eine kompensierbare axiale Magnetfeldumkehr eintritt, und
• - die Feldumkehr des axialen magnetischen Gleichfelds in Ver­ längerung des Emitterbereichs (9) außerhalb des Bereichs der Elektronenflugbahnen stattfindet.

2. Magnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Permanentmagnetsystem (7) spiegelsymmetrisch zu einer Ebene senkrecht zur Systemachse (8) ist.

3. Magnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Permanentmagnetsystem (7) nicht spiegelsymmetrisch zu einer Ebene senkrecht zur Systemachse (8) aufgebaut ist und im verlängerten Emitterbereich (9), außerhalb der Elektronenstrahlentstehung eine starke Magnetfeldumkehr er­ zeugt.

4. Magnetsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zum Kollektor (13) hin liegende, axial polarisierte Ringmagnet (15) eine strukturierte Innenmantelfläche hat, wodurch der magnetische Gleichfeldverlauf im Resonatorbe­ reich (11) eine vorgegebene Feinstruktur erhält.

5. Magnetsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Bereich des Emitters (9) ein axial polarisierter, ringförmiger Permanentmagnet befindet, mit dem durch Überlagerung das im Emitterbereich (9) schwächere, aber örtlich konstante Gleichmagnetfeld erzielt wird.

6. Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektur der axialen Magnetfeldstärke mindestens ein strombetriebenes Solenoid mit dem Permanentmagnetsystem (7) kombiniert wird.

7. Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektur des axialen Magnetfeldverlaufs und zur Flußführung im Gyrotronbereich Weicheisenkonfigurationen mit dem Permanentmagnetsystem (7) verspannt sind.