Reflections in gyrotrons with axial output

Influence of reflections on operation of gyrotrons with axial output is studied both theoretically and experimentally. By way of example the Fukui large orbit gyrotron with a permanent magnet operating in third harmonic at frequency 89 GHz is considered. In the case of strong reflection (|R|=0.6), extreme sensitivity of output power on the reflection phase is found. A qualitative agreement between theory and experiment is observed

ITER coaxial gyrotron development - final report

ITER KOAXIALGYROTRONENTWICKLUNG - Schlußbericht - Kurzfasssung: Eine 4,5 MW Elektronenkanone (Diode) für Gyrotrons mit koaxialem Resonator, deren auf nahezu Erdpotential liegender zentraler Leiter vom Kathodenring umgeben ist (Inverse Magnetron Injection Gun, IMIG) wurde ausgelegt und hergestellt (Uc = 90 kV, Ib = 50 A, Geschwindigkeitsverhältnis 1,4 und Stromdichte am Emitter je=2,8 A/cm²). Der Emitter besteht aus LaB6 mit einem mittleren Radius von 56 mm. Die Eigenschaften des Elektronenstrahls wurden mittels der Gegenfeldmethode gemessen. Der mittlere Wert von ist in guter Übereinstimmung mit numerischen Vorhersagen. Die gemessene Geschwindigkeitsstreuung rms 9 % ist zwar relativ groß, aber immer noch klein genug, um einen verläßlichen Betrieb bei den Designparametern zu erlauben. 1,5 MW-Gyrotronoszillatoren mit koaxialem Resonator für die Moden TE28,16 und TE31,17 bei 140 bzw. 165 GHz wurde entwickelt und getestet. Eine maximale Ausgangsleistung von 1,17 MW bei einem Wirkungsgrad von 27.2 % wurde im Designmodus bei 140 GHz gemessen (Pulslänge 0,15 - 0,5 ms). In einem weiten Betriebsparameterbereich wurde Einmodenoszillation gefunden. Die experimentellen Ergebnisse stimmen gut mit Vielmodenrechnungen überein. Stufenweise Frequenzdurchstimmung wurde erfolgreich durchgeführt. Mit konstanter Magnetfeldkompression wurden im Frequenzbereich von 115,6 bis 164,2 GHz zwanzig Moden im Einmodenbetrieb angeregt. So wurden z.B. 0,9 MW im TE25,14 bei 123,0 GHz und 1,16 MW im TE32,18 bei 158,9 GHz gemessen. Die Auswahl von Betriebsfrequenz und Betriebsmodus der 165 GHz-Version wird durch die obere Grenze des verfügbaren supraleitenden Magneten und durch den Gebrauch der IMIG des 140 GHz \- TE28,16 - Koaxialgyrotrons bestimmt. Eine maximale Ausgangsleistung von 1,17 MW bei einem Wirkungsgrad von 26,7 % wurde im Designmodus TE31,17 gemessen. Der maximale Wirkungsgrad von 28,2 % wurde bei einer Ausgangsleistung von 0,9 MW beobachtet. Einmodenbetrieb wurde auch im TE32,17 bei 167,1 GHz, im TE33,17 bei 169,46 GHz und im TE34,17-Modus bei 171,8 GHz erreicht und zwar mit Ausgangsleistungen von 1,02 MW, 0,63 MW bzw. 0,35 MW. Die Leistungs- und Wirkungsgradbegrenzung zu hohen Frequenzen hin ist durch das maximal erreichbare Magnetfeld von 6.6 T bedingt. Optimierung und Auslegung eines quasioptischen Modenwandlersystems, das mit einem Zweistrahlauskoppelprinzip für koaxiale Gyrotrons mit zwei Ausgangsfenstern verträglich ist, werden auch vorgestellt. Die Zweistufen-Modenwandler-Sequenzen TE-28,16 nach TE+76,2 nach TEM00 bei 140 GHz und TE-31,17 nach TE+83,2 nach TEM00 bei 165 GHz, die beide jeweils zwei enggebündelte (60° an der Hohlleiterantenne) Ausgangsstrahlen erzeugen, wurden untersucht. Es werden hohe Konversionswirkungsgrade erwartet (94 % bzw. 92 %)

Triode magnetron injection gun for the KIT 2 MW 170 GHz coaxial cavity gyrotron

Considering the recent understanding of the physics of electron trapping mechanisms taking place in the magnetron injection gun (MIG) region of gyrotrons and the sensitivity of the emitter ring manufacturing tolerances on the electron beam quality, a MIG has been designed and manufactured for the 2 MW, 170 GHz coaxial cavity gyrotron developed at Karlsruhe Institute of Technology. The new MIG has the following novelties: (i) the design satisfies the criteria for the suppression of the electron trapping mechanisms, (ii) a new type of emitter ring is used for the suppression of the influence of the manufacturing tolerances and misalignments on the quality of the generated electron beam, and (iii) the design was optimized to generate a good beam quality in a wide variety of magnetic field profiles to increase the flexibility. An additional important feature of the new triode MIG design is the possibility to operate with only two power supplies by using a special start-up scenario. The first experimental results of the coaxial cavity gyrotron with the new MIG are presented

Overview on recent progress in magnetron injection gun theory and design for high power gyrotrons

The magnetron injection gun (MIG) is one of the most critical subcomponents in gyrotrons. The electron beam, which has the primary role on the gyrotron operation, is generated and configured at this part of the tube. The electron beam properties determine the excitation mode in the cavity, the power of the generated microwaves and the gyrotron efficiency. The operation of MIGs could be influenced by several factors such as trapped electrons, manufacturing tolerances, roughness of the emitter ring, emitter temperature inhomogeneity, electron beam neutralization effect, etc. The influence of many of these factors on the electron beam quality has been systematically investigated during the last years. Several novelties have been proposed in order to limit the influence of these factors on the gyrotron operation. In particular, new design criteria have been proposed for the suppression of electron trapping mechanisms, a new type of the emitter ring has been proposed to minimize the influence of the manufacturing tolerances and edge effects on the beam quality, alternative MIG design approaches have been proposed, etc. An overview of all these works will be presented here

Status of the development of the EU 170 GHz/1 MW/CW gyrotron

The progress in the development of the European 170 GHz, 1 MW/CW gyrotron for electron cyclotron heating & current drive (ECH&CD) on ITER is reported. A continuous wave (CW) prototype is being manufactured by Thales Electron Devices (TED), France, while a short-pulse (SP) prototype gyrotron is in parallel under manufacture at Karlsruhe Institute of Technology (KIT), with the purpose of validating the design of the CW industrial prototype components. The fabrication of most of the sub-assemblies of the SP prototype has been completed. In a first step, an existing magnetron injection gun (MIG) available at KIT was used. Despite this non-ideal configuration, the experiments provided a validation of the design, substantiated by an excellent agreement with numerical simulations. The tube, operated without a depressed collector, is able to produce more than 1 MW of output power with efficiency in excess of 30%, as expected, and compatible with the ITER requirements. (C) 2015 Karlsruhe Institute of Technology. Published by Elsevier B.V. All rights reserved