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- Summary
- The quality factor and oscillating mode of a gyrotron cavity are essential parameters to consider when trying to obtain a high power (>500 kW), high efficiency (∼50%) microwave source, which oscillates in a stable manner in the principal mode of the cavity. The study and development of an 8 GHz gyrotron whose resonant cavity is formed by a cylindrical waveguide of slowly varying radius, is undertaken. The study is principally concerned with the phenomena associated with the low quality factor of the TE°011 mode of the cavity. The power at optimal efficiency of a given resonant mode (TE°011 ) is increased when the diffractive quality factor (Qdiff) of the mode is decreased. Experiments performed with the gyrotron delivering power into a matched load show that during the process of decreasing Qdiff, the chosen mode of oscillation is perturbed by the appearance of oscillations in parasitic modes of the cavity; composed of higher order longitudinal modes (TE°O1q'q=2.3), and a propagating mode TE°21' gyro BWO), corresponding to an absolute instability of the system. These modes limit the power and efficiency of the principal mode by either oscillating simultaneously with, or in place of, the principal mode. When the gyro BWO mode oscillates, even at low power (several kilowatts), the efficiency of the principal mode of a cavity with Qdiff=160 is limited to less than 25%. This parasitic oscillation can be eliminated by the addition of a gradient in the magnetic field over the length of the interaction region. The maximum efficiency of the principal mode is then greater thon 40%; however, the power delivered remains lower than that of the cavity with Qdiff=225. The study of the influence of power reflections on the oscillation characteristics of the gyrotron reveals that the lowering of the quality factor of the cavity increases the sensitivity of the gyrotron to power reflections due to mismatched loads. A gyrotron with a quality factor which is too low can only deliver its maximum power to a matched load. In the presence of power reflections, the mode of oscillation changes, or the pulse is interrupted by an arc in the interior of the gyrotron. Even though a maximum power of 310 kW at an efficiency of 35% is obtained by the cavity with Qdiff=225, the sensitivity of this gyrotron to power reflections could limit the possibility of its use as a source for current generation or heating in a plasma, for example. These results show that there is a lower limit to the quality factor of a gyrotron cavity. This limit is situated between 410 and 225 for the TE°011 mode at 8 GHz. Below this limit the power in the mode decreases, the oscillation is perturbed or eliminated by the simultaneous oscillation of parasitic modes, and the sensitivity to power reflections could render the tube unusable for practical applications. A determination of the average velocity ratio α of the electrons in the electron beam (α=
/ ) is made by measuring the oscillation frequency of the gyro BWO mode. The results obtained using a non-linear simulation of the interaction between the gyro BWO and the electron beam show that the value of α at the entrance of the cavity corresponds to the α-value which the electron gun is supposed to produce. It seems, however, to indicate the presence of a larger velocity dispersion than expected. This original method of measuring the α of an electron beam can be applied to any source in which a gyro BWO mode is observed, or directly as a method of characterising the beam generated by a given electron gun.
- Résumé
- Le facteur de qualité et le mode d'oscillation de la cavité d'un gyrotron sont des paramètres essentiels afin d'obtenir une source de micro-ondes de haute puissance (supérieure à 500 kW) à haute efficacité (environ 50%) et oscillant de manière stable sur le mode principal de la cavité. L'étude et le développement d'un gyrotron oscillant à 8 GHz, dont la cavité résonante est formée par un guide d'onde cylindrique de rayon lentement variable, ont été entrepris. L'étude s'est principalement portée sur les phénomènes associés au bas facteur de qualité du mode TE°011 de la cavité. La puissance à efficacité optimale d'un mode résonant donné (TE°011) est augmentée en diminuant son facteur de qualité diffractif (Qdiff). Les expériences réalisées lorsque le gyrotron délivre sa puissance à une charge adaptée montrent qu'au cours de cette démarche, l'oscillation du mode choisi est perturbée par l'apparition d'oscillations de modes parasites de la cavité: les composantes longitudinales supérieures du mode principal (TE°01q'q=2.3) et d'un mode propageant (TE°21, gyro BWO), correspondant à une instabilité absolue du système. Ces modes limitent la puissance et l'efficacité du mode principal en oscillant soit simultanément avec lui soit à sa place. Lorsque le mode gyro BWO oscille, même à basse puissance (quelques kilowatts), l'efficacité du mode principal de la cavité Qdiff=l60 ne dépasse pas 25%. L'oscillation de ce mode parasite peut être supprimée à l'aide d'un gradient de champ magnétique le long de la zone d'interaction. L'efficacité maximale du mode principal est alors supérieure à 40% mais la puissance délivrée reste inférieure à celle de la cavité Qdiff=225. L'étude de l'influence des réflexions de puissance sur les caractéristiques d'oscillation du gyrotron révèle que la baisse du facteur de qualité de la cavité augmente la sensibilité de l'oscillateur gyrotron à la puissance réfléchie par une charge désadaptée. Un gyrotron dont la cavité est à trop bas facteur de qualité ne peut délivrer sa puissance maximale qu'à une charge adaptée. En présence de réflexions de puissance, le mode d'oscillation change ou l'impulsion micro-ondes est interrompue par un arc à l'intérieur du gyrotron. Bien que la puissance maximale obtenue soit de 310 kW à une efficacité de 35% avec la cavité Qdiff=225, la sensibilité de ce gyrotron aux réflexions de puissance limite ses possibilités d'utilisation comme source de génération de courant ou de chauffage d'un plasma, par exemple. Ces résultats montrent qu'il y a une limite inférieure au facteur de qualité de la cavité d'un gyrotron. Cette limite se situe entre 410 et 225 pour le mode TE°011 à 8 GHz. En dessous de cette limite, la puissance de ce mode diminue, son oscillation est perturbée ou supprimée par l'oscillation de modes parasites concurrents, et sa sensibilité aux réflexions de puissance le rendent pratiquement inutilisable. Une détermination de la valeur moyenne du rapport de vitesse α des électrons du faisceau (α=
/ ) a été réalisée par la mesure de la fréquence d'oscillation du mode gyro BWO. Les résultats obtenus à partir d'une simulation non-linéaire de l'interaction montrent que la valeur de α à l'entrée de la cavité correspond à celle que le canon à électrons est supposé produire. Ils semblent par contre indiquer la présence de dispersions de vitesse plus importantes que celles attendues. Cette méthode de mesure originale peut être appliquée au faisceau de toutes les sources dans lesquelles un mode gyro BWO est observé, ou directement comme méthode de caractérisation du faisceau généré par un canon à électrons donné.