Gyrotron

Mehrere Gyrotrons

Das Gyrotron (Kurzform von Gyromonotron) ist der zurzeit (2007) leistungsfähigste Mikrowellen-Oszillator. Es beruht auf dem Prinzip der Elektronen-Zyklotron-Maser-Instabilität und ist eine Kombination von Laufzeitröhre und Zyklotronresonanz-Maser. Gyrotrons arbeiten effektiv im Frequenzbereich von 5 GHz bis 170 GHz mit Ausgangsleistungen bis zu einigen Megawatt. Bei Betrieb auf einer Harmonischen können Mikrowellen im Wattbereich bis zu einem Terahertz erzeugt werden. Es gibt konventionelle Gyrotrons, Koaxialgyrotrons und durchstimmbare Gyrotrons.

Verwendung finden sie z. B. bei 30 GHz in der Materialprozesstechnik zum Sintern von Keramik, bei 95 GHz im Active Denial System, oder bei 100 GHz–140 GHz (im Bereich der Elektronzyklotronfrequenz, deshalb Elektronen-Zyklotron-Resonanzheizung (ECRH)) und Leistungen um 1 Megawatt zur Mikrowellenheizung von Plasmen in Kernfusionsreaktoren (z. B. am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik oder beim TCV).

Aufbau und Funktion

Gyrotron (rechts); Schnittdarstellung (links). Die Elektronenbahn ist blau und die erzeugte Mikrowellenstrahlung pink dargestellt.

Ein Gyrotron besteht aus einer Elektronenkanone (Gun), einer Elektronen-Kompressionszone, einem Wechselwirkungsraum (Mikrowellen-Hohlraumresonator), einem quasi-optischen Wellentypwandler, einem Elektronen-Auffänger (Kollektor), einem Hochfrequenzausgangsfenster, dem Röhrengehäuse und Magneten.

In dem Gyrotron wird zunächst mit der Elektronenkanone ein Elektronenstrahl relativistischer Geschwindigkeit erzeugt. Zugleich durchlaufen die Elektronen dort bereits ein Magnetfeld. Dadurch bewegen sich die Elektronen innerhalb des Strahls auf Schraubenbahnen. Der Elektronenstrahl tritt in den Hohlraumresonator ein, der sich in einem axialen Magnetfeld befindet. Er wechselwirkt dort aufgrund der Zyklotronresonanz mit einem rückgeführten Teil der erzeugten Mikrowellenleistung. Nun kommt die relativistische Massenzunahme zum Tragen: Je nach Phasenlage, auf der die Elektronen sich auf ihrer Schraubenbahn relativ zum elektrischen Wechselfeld befinden, werden sie teils auf dieser beschleunigt, teils abgebremst; mit größerem Radius (d. h. schneller) umlaufende Elektronen erfahren aufgrund der Massenzunahme eine Verlangsamung ihrer Axialgeschwindigkeit, sie werden von den mit geringerem Radius (langsamer) umlaufenden Elektronen eingeholt und es kommt zu einer Phasensynchronisation. Nun können die Elektronen weiter hinten im Resonator laufend Energie an das elektrische Wechselfeld der Mikrowellen abgeben. Die Mikrowellen gelangen durch das Ausgangsfenster aus der Vakuumapparatur hinaus, während die abgearbeiteten Elektronen auf dem Kollektor, einer positiv geladenen metallischen Wand (Rohr), aufgefangen werden.

Medien

In dem Roman Sturm von Uwe Laub wird mithilfe eines Gyrotrons das Wetter beeinflusst.

Literatur

• C. J. Edgcombe: Gyrotron Oscillators: Their Principles and Practice; 1993
• Machavaram V. Kartikeyan u. a.: Gyrotrons: High-Power Microwave and Millimeter Wave Technology; 2004

Weblinks

• Forschungszentrum Karlsruhe: Numerische Simulation der Gyrotron-Wechselwirkung in koaxialen Resonatoren
• G. Saala, Forschungszentrum Karlsruhe: Schnelle Leistungsmessung an einem 30 GHz / 15 kW Gyrotron (ausführliche Funktionsbeschreibung mit Bildern; PDF-Datei; 2,93 MB)
• tu-harburg.de, Forschungsbericht 1995: Subharmonische Synchronisation von Gyrotron-Oszillatoren (Memento vom 5. Juli 2004 im Internet Archive)