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EIN gyrotron ist eine Quelle hoher KraftMikrowellenstrahlung. Gyrotrons werden hauptsächlich in der Plasmaphysikforschung zur Entwicklung von Energie von Kernfusion.

Geschichte

Das Gyrotron kann als russische Erfindung angesehen werden. Sowjetisch-Russland spielte in den sechziger und siebziger Jahren des 20. Jahrhunderts eine Vorreiterrolle Kernfusionsforschung und Mikrowellentechnik war dort hoch entwickelt (von militärischer Bedeutung). Beide Bedingungen werden bei der Entwicklung von Gyrotrons als Mittel zur Plasma zu erhitzen.

Technik

Ein Gyrotron ist ein entfernter Nachkomme des Elektronenröhre, wie die vor der Ankunft der Transistor in der Elektronik verwendet und Funktechnik. Ein Gyrotron fällt in die Gruppe der Mikrowellenquellen, bei denen die Mikrowelle und der klystron gehören.

Das Gehäuse eines Hochleistungs-Gyrotrons besteht aus einer langgestreckten Vakuumkammer. Ein Gyrotron wird in a . aufgebaut Elektromagnet. In der folgenden Beschreibung betrachten wir das Gyrotron als vertikal angeordnet. Der untere Teil ist elektrisch isoliert und enthält eine Wendel. Der Glühfaden emittiert Elektronen; diese Konstruktion wird als Elektronenkanone bezeichnet. Dieser Teil ist der Kathode und wird durch eine elektrische Hochspannungsversorgung auf einer negativen Spannung gehalten, die ungefähr –80000 . beträgt Volt beläuft sich auf.

Da der höhere Teil geerdet ist, werden die Elektronen nach oben beschleunigt. Da Elektronen eine elektrische (negative) Ladung haben, werden sie durch das vorhandene Magnetfeld in eine sorgfältig festgelegte Umlaufbahn gezwungen. Auf seinem Weg nach oben durchquert der Elektronenstrahl einen Teil des Gyrotrons, der sich im Zentrum des Magneten befindet. Dies kann als das Herz des Gyrotons angesehen werden und wird zu Resonanzhohlraum (Englisch: Hohlraum). Durch das Zusammenspiel von Elektronenstrahl, Magnetfeld und der Form des Resonanzhohlraums wird ein Teil der Energie des Elektronenstrahls in a Mikrowellenstrahl, die oben aus dem Hohlraum austritt. Auch der Elektronenstrahl mit Restenergie verlässt den Resonanzhohlraum auf dieser Seite. Der Elektronenstrahl wird auf den Kollektor geleitet. Über speziell geformte Spiegel wird der Mikrowellenstrahl oft so ausgerichtet, dass er über ein Vakuumfenster das Gyrotron in der gewünschten Form (hinsichtlich des Schwingungsmodus) verlässt.

Teile des Gyrotrons

Teile des Gyrotrons
1. Glühkathode
2. Resonanzraum
3. Kollektor
4. Spiegel zur Einstellung der Vibrationsform
5. Vakuumfenster
6. Elektronenstrahl
7. Mikrowellenstrahl
8. Magnetspule
9. Magnetfeldlinie
10. Hochspannungsnetzteil
11. Filament-Netzteil
12. Kühlwasseranschlüsse
13. elektrischer Isolator
14. Hochspannungsklemmen
15. (supraleitender) Magnet

Der Resonanzraum

wird mit großer Präzision aus Kupfer gefertigt.

Der Sammler

besteht ebenfalls aus Kupfer. Beide Teile unterliegen einer hohen Wärmebelastung. Der Resonanzraum durch die durch die Mikrowellen erzeugten Wechselströme in der Wand und der Kollektor erwärmt sich, weil die Elektronenstrahl mit der Restenergie darauf geplumpst. Diese Komponenten werden mit erheblichen Kühlwasserströmen gekühlt.

Das Vakuumfenster

ist eine elektrisch nicht leitende Platte, die Mikrowellen durchlässt. Im Laufe der Jahrzehnte wurden Experimente mit den Materialien durchgeführt Berylliumoxid und Bornitrid als Fenstermaterial. Aufgrund der hohen Mikrowellenleistung erhitzen sich beide Materialien so stark, dass ein Gyrotron nur für wenige Sekunden mit voller Leistung eingeschaltet werden konnte. Mit der steigenden Nachfrage nach längeren Arbeitszyklen wurden Vakuumfenster zum Flaschenhals der Gyrotronentwicklung, bis sie von Menschenhand hergestellt wurden Diamantscheiben (Durchmesser bis ca. 80 mm, Dicke ca. 1,5 mm) als Lösung gefunden. Es hat sich gezeigt, dass dieses Material wenig Mikrowellenleistung absorbiert und darüber hinaus eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aufweist, so dass die am Rand der Fensterscheibe erzeugte Wärme durch Kühlwasser abgeführt werden kann.

der Magnet

Bei Gyrotronfrequenzen über 30 GHz ist der Magnet vom supraleitenden Typ, da ein herkömmlicher Magnet zu heiß werden und ein Magnetfeld erzeugen würde, das nicht ausreichend konstant wäre. Das erforderliche Magnetfeld hängt eng mit der Auslegungsfrequenz des Gyrotrons zusammen.

Effizienz

Ein nach obiger Beschreibung gebautes Gyrotron hat einen Wirkungsgrad von ca. 30%. Das heißt, bei 1 MegaWwatt Um Mikrowellenleistung zu erzeugen, müssen 3 Megawatt elektrische Energie zugeführt und 2 Megawatt Wärme über Kühlwasser abgeführt werden. Durch Anpassung der Konstruktion über der Kavität und anderen elektrischen Potenziale zu den Gyrotronelementen kann der Wirkungsgrad auf ca. 50% gesteigert werden.

Die Gyrotronfrequenz

Die Elektronen werden durch die transportiert Lorentzkraft in eine spiralförmige Umlaufbahn im Magnetfeld gezwungen (daher Kreisel-tron, aus dem Griechischen: Kreis) Die Rotationsfrequenz der Elektronen ist direkt proportional zur Stärke des Magnetfelds und umgekehrt proportional zur Masse des Elektrons (siehe die entsprechenden Formeln bei Zyklotron). Denn die Elektronen sind aufgrund eines relativistischen Effekts etwas „im Gleichschritt“ (ihre Masse nimmt aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit zu; siehe auch Relativitätstheorie) wandelt einen Teil ihrer Energie oben in der Kavität in Mikrowellenleistung um. Daher muss für eine höhere Frequenz ein höheres Magnetfeld angelegt werden.

Hersteller

Die Zahl der Firmen, die Gyrotrons bauen, ist sehr klein. Länder, die Gyrotrons bauen, sind Russland, Japan, USA, Frankreich in Zusammenarbeit mit Deutschland.

Anwendung

Hochleistungs-Gyrotrons werden in vielen Testaufbauten für Kernfusionsforschung. Gyrotrons mit Leistungen bis 2 Megawatt und a Frequenz ab 170GHz sind für den Bau des neuen Kernfusionsreaktors unerlässlich ITER. Kleinere Gyrotrons werden zum Beispiel beim Backen verwendet Keramik.