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Mehrfrequenzgyrotron

Mehrfrequenzgyrotron
Ansprechpartner:

Dr. Gerd Gantenbein

Magnetohydrodynamische Instabilitäten (MHD) sind eine der Hauptgründe für die Begrenzung des magnetischen Einschlusses von Kernfusionsplasmen in Tokamaks. Die Stabilität ist zu einem großen Anteil bestimmt durch die Verteilung der Ströme im Plasma, so dass der lokale Antrieb von Strömen ein wichtiges Hilfsmittel ist, um strominduzierte Instabilitäten zu unterdrücken und damit die Eigenschaften eines Tokamaks zu verbessern. Die Unterdrückung druckbegrenzender MHD-Instabilitäten in einem Plasma (so genannte 'Neoclassical Tearing Modes') mit Elektron-Zyklotron-Stromtrieb (ECCD) wurde in verschiedenen Anlagen erfolgreich gezeigt (ASDEX-Upgrade, DIII-D und JT-60U).
Die radiale Absorption von Hochfrequenzwellen (HF Wellen) im Plasma hängt von lokalen Resonanzbedingungen ab und kann durch Wahl der Einstrahlfrequenz bestimmt werden. Für Experimente zur Stabilisierung von Plasmen mit Elektron-Zyklotron-Resonanz-Heizung (ECRH) und ECCD sind daher frequenzdurchstimmbare Gyrotrons sehr hilfreich. Die Auswahl der Schwingungsfrequenz eines Gyrotrons erfolgt dabei durch Variation des Magnetfeldes und Optimierung der Betriebsparameter für einen bestimmten Schwingungsmodus (transversal-elektrisches Feld, TEm,n). Die Entwicklung dieser Gyrotrons wird am KIT in Zusammenarbeit mit dem IPP Garching durchgeführt. Gegenüber der Entwicklung herkömmlicher Gyrotrons, die bei einer festen Frequenz betrieben werden, ergeben sich bei frequenzdurchstimmbaren Gyrotrons spezielle, grundsätzliche Fragestellungen:

• Auswahl geeigneter Moden für den betrachteten Frequenzbereich: Um einen hohen, gleichbleibenden Wirkungsgrad zu erreichen, dürfen die Anforderungen an den Elektronenstrahl für die unterschiedlichen Moden nicht zu stark variieren.
• Launcher und quasi-optisches Spiegelsystem: Möglichst vollständige Umwandlung der verschiedenen Resonatormoden in die Gaußsche Grundmode des Freiraums und Anpassung des Ausgangsstrahls an die Öffnung des Austrittsfensters.
• Austrittsfenster: Entwicklung eines reflexionsarmen (< 20 dB), hoch belastbaren Austrittsfensters für einen großen Frequenzbereich.
• Entwicklung eines schnell verstellbaren supraleitenden Magnetsystems.

Das vorhandene Gyrotron ist für den Kurzpulsbetrieb konzeptioniert und zeichnet sich durch eine hohe Flexibilität bzgl. der experimentellen Möglichkeiten aus. Mit diesem Gyrotron wurde bereits die Frequenzdurchstimmbarkeit im Bereich 105 – 166 GHz bei 1 MW Ausgangsleistung erfolgreich gezeigt.