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Ansprechpartner

Dr. Tomasz Rzesnicki

Tel.: +49 721 608-24178

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Gyrotron - Test & Messtechnik

Das Arbeitsgebiet der Gruppe umfasst den Zusammenbau und die experimentelle Verifikation der am IHM entwickelten Gyrotron-Röhren. Dazu gehört praktische Durchführung von Untersuchungen und Messungen an den Gyrotron-Prototypen. Die Tests finden in einem Gyrotron-Labor statt. Dort stehen zwei unabhängige Testständer zur Verfügung, die mit einer Hochspannungsanlage (max. 120kV, 80A) versorgt werden. Jeder Teststand ist mit einem supraleitenden (SL) Magnet (5.6T und 6.87T) ausgestattet.

Der Test eines Gyrotrons besteht aus vier Phasen:

  • Montage
    Hier werden die Einzelkomponenten des Gyrotrons wie Elektronenkanone, Kompressionszone, Resonator, Quasi-optisches Auskopplungssystems im Gyrotrongehäuse montiert und zusammen mit Kollektor verbunden.
  • Konditionierung
    In dieser Phase wird die Luft aus der Röhre evakuiert, bis der innere Druck den Bereich von 10-8/10-9 mbar erreicht. Außerdem wird das Gyrotron in einem speziellen Offen bis ca. 450 Grad ausgeheizt, um die Ausgasratte aus den inneren Flächen der inneren Gyrotron-Komponenten zu verringern. Diese Prozedur sichert gute Vakuumverhältnisse im Langpuls-Betrieb des Gyrotrons. Nach dem Ausbacken wird das Gyrotron im Kryostat montiert. Danach wird die Konditionierung der Spannungsfestigkeit der Röhre (typisch bis ~100kV) durchgeführt. Sobald die gewünschte Spannungsfestigkeit erreicht wird, wird die Heizung der Elektronenkanone aktiviert, um die Emissionseigenschaften der Emitteroberfläche zu optimieren. Nach der weiteren Zuschaltung der notwendigen Kühlungssysteme und raffinierten Messdiagnostik, wie Kalorimeter (Messung der Ausgangsleistung), Bolometer (Streustrahlungsmessung), Frequenzmesssystems, ist das Gyrotron betriebsbereit.
  • Experimente und Messungen
    Im Experiment werden nicht nur die Ausgangsleistung der erzeugten Mikrowelle oder die Betriebsfrequenz untersucht, sondern auch die entstehenden Verluste im Gyrotron gemessen. Dazu gehört die Messung der Streustrahlung innerhalb der Röhre, die Abschätzung der Ohm’schen Verluste (Kompressionszone, Resonator, Kollektor) sowie auch die Analyse der Qualität des auskoppelten Ausgangstrahles und Bestimmung des Anteils der sog. Gauß’schen Freiraumgrundmode TEM0,0). Außerdem werden die Frequenzspektren sowohl im GHz-Bereich als im MHz-Bereich mit Hilfe von sehr raffinierter Messdiagnostik untersucht. Auf diese Weise lassen sich die parasitären Schwingungen und deren Entstehungsmechanismen erforschen.
  • Analyse und Auswertung der im Rahmen des Experiments gesammelten Daten.

 

Der andere Aufgabenbereich der Gruppe besteht in der Entwicklung und Anwendung von Messtechnik im Millimeterwellenbereich. Als Unterstützung der Arbeiten stehen unterschiedliche Systeme zur Verfügung:

  • Skalarer Niederleistungsmessplatz:
    Quasi-optische Millimeterwellen-Messplatz um Reflexion und Transmission von Mikrowellenkomponenten (z.B. Auskopplungsfenster Fenstern) zu vermessen.
  • Vektorieller Millimeterwellen-Netzwerkanalysator (mmW-VNWA):
    Zusammen mit dem Modengenerator handelt sich um einen Messplatz für komplette Tests und Verifikation der Komponenten des Quasi-optischen Modenwandlers (z.B. Launcher-Antenne, Spiegelsystem).  Die erzeugte Abstrahlung der untersuchten  Komponenten  wird in Betrag und Phase vermessen und mit Theorie vergleichen.
  • Frequenzmess-System zur Erfassung der beim Betrieb des Gyrotrons erzeugten Millimeterwellen.
    Es handelt sich um eine ganze Reihe ständig weiterentwickelter Frequenzmess-Systeme, angefangen bei schnellen, aber nur grob auflösenden Filterbanksystemen bis zum schnellen spektralen Mess-System. Letzteres erlaubt es, momentane Spektren mit eindeutiger Frequenzzuordnung über große Bandbreiten und mit feiner zeitlicher Auflösung zu erfassen. Zusammen mit anderen experimentellen Daten wie Ausgangsleistung, Wirkungsgrad und den Betriebsparametern sind solche Messungen die entscheidenden Hilfsmittel zum Verständnis der während der Gyrotronpulse auftretenden Prozesse und damit zur Weiterentwicklung theoretischer Modelle und entsprechender Simulationscodes.