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Ansprechpartner
Dr. Stefan Illy

Tel.: +49 721 608-24165

Stefan IllyKxt8∂kit edu

Gyrotron - Wechselwirkungsanalyse und Komponenten

Die Gruppe Gyrotronsimulation und Messtechnik des IHM deckt zwei Aufgabenbereiche bei der Entwicklung von Gyrotron-Oszillatoren ab, die beide in engem Zusammenhang mit der erzeugten hochfrequenten Welle stehen: Die wesentlichen Simulationswerkzeuge, die sich in erster Linie mit hochfrequenten Feldern und deren Wechselwirkung befassen, werden hier gepflegt und weiterentwickelt. Die Gruppe ergänzt damit die auf die Simulation des Elektronenstrahls und der Teilchenbewegung konzentrierten Arbeiten der Gruppe Elektronenoptik. Der andere Aufgabenbereich besteht in der Entwicklung und Anwendung von Niederleistungs-Messtechnik im Millimeterwellenbereich. Die enge Verbindung beider Arbeitsbereiche erleichtert das Zusammenwirken von Theorie und Praxis und macht es erforderlich, dass einige Mitarbeiter auf beiden Gebieten aktiv sind.

Auf theoretischer Seite werden folgende  Schwerpunkte behandelt:

  • Simulation der Wechselwirkung zwischen hochfrequenter Welle und Elektronenstrahl mit Hilfe des hausinternen Programmpakets CAVITY, dessen wichtigste Komponente das nicht-stationäre, selbstkonsistente Multimodenprogramm SELFT ist. Es handelt sich hier einerseits um Aufgaben beim Entwurf von Gyrotron-Resonatoren und anderen Komponenten, welche schnelle Designcodes erfordern, andererseits um Simulationsaufgaben zum Verständnis der beobachteten Versuchsergebnisse beim Test der Gyrotrons. Über die ständige Weiterentwicklung dieser Programme und der zugrunde liegenden Theorie hinaus werden auf dem Gebiet der Wechselwirkung internationale Kontakte mit Entwicklern vergleichbarer Programme gepflegt, wie auch ständig die Möglichkeit des Einsatzes anderer, universellerer Programme untersucht.
  • Entwurf und Simulation von quasi-optischen Modenwandlersystemen. Diese hoch komplexen Modenwandler- und Antennensysteme haben die Aufgabe, das im Gyrotron-Resonator in Form einer Wellenleitermode sehr hoher Ordnung erzeugte Millimeterwellenfeld in die Gauß’sche Grundmode des Freiraums (TEM0,0) zu überführen. Sie bestehen aus einer Launcherantenne und zwei bis vier metallischen Spiegeln, welche den Ausgangsstrahl in die gewünschte Form bringen. Zur Synthese der Launcherantenne stehen eigene Entwurfsprogramme wie TWL_DO und LAUNCHER, aber auch kommerzielle Codes wie LOT zur Verfügung. Für den Entwurf von Spiegelsystemen stehen die hauseigenen Entwicklungen OSSI und Drumm-Code zur Verfügung. Die Arbeit an Entwurfs- und Analysemethoden wird beständig fortgeführt und in Computerprogramme umgesetzt. Zur abschließenden Analyse wird in erster Linie das kommerzielle Programm SURF3D eingesetzt, es wird aber auch zunehmend die Verwendbarkeit anderer Full-Wave Codes (z.B. HALO) untersucht.

Für die messtechnischen Arbeiten stehen drei unterschiedliche Systeme zur Verfügung:

  • Skalarer Niederleistungsmessplatz: Dieser quasi-optische Millimeterwellen-Messplatz wurde entwickelt, um Reflexion und Transmission von HF-Fenstern zu vermessen.  
  • Vektorieller Millimeterwellen-Netzwerkanalysator (mmW-VNWA): Es handelt sich hier weniger um einen konventionellen Netzwerkanalysator als um einen Antennenmessplatz, bei dem die Abstrahlung von Launchern oder quasi-optischen Modenwandlern in Betrag und Phase vermessen wird. In der Regel wird zur Messung eines speziellen Systems zunächst ein Modengenerator gebaut und optimiert, welcher die gewünschte Wellenleitermode des Gyrotrons bei niedrigem Leistungspegel erzeugt. Mit dem mmW-VNWA werden die mit den oben genannten Programmen entworfenen quasi-optischen Modenwandlersysteme vor Einbau in ein Gyrotron im Niederleistungsbereich charakterisiert.
  • 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.