DE3731384C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikrowellenkalorimeter für die Feststellung der Hochfrequenzausgangsleistung eines Gyro­ trons im Kurzpulsbetrieb, wobei die Hochfrequenzwellen in einem gegenüber der Wellenlänge großen Rundhohlleiter trans­ portiert, in einem Medium absorbiert und die Temperaturerhö­ hung des Mediums mit Temperaturmeßfühlern gemessen sind.

Die Hochfrequenzausgangsleistung eines Kurzpulsgyrotrons ist mindestens aus wirtschaftlichen Gründen schnell zu messen, da zur Festlegung der optimalen Betriebsparameter viele Meßreihen erforderlich sind. Eine sichere Leistungsmessung kann nach allen Erfahrungen nur kalorimetrisch möglich sein. Bei der geringen auftretenden Effektivleistung ist aber ein kleines Kalorimetervolumen notwendig, das die gesamte in einem im Verhältnis zur Wellenlänge großen Rundhohlleiter transportierte Hochfrequenzleistung absorbiert. Es werden erhebliche Anstrengungen unternommen um die Reflexion für alle vorkommenden Wellentypen so gering wie möglich zu machen und die Wellentypwandlung an Materialgrenzflächen so gut wie möglich zu vermeiden.

Als Mikrowellenkalorimeter der eingangs genannten Art für Gyrotrons wurde daher bereits vorgeschlagen (Quaterly Report No. 1, März-Juni 1984, S. 44-49, Varian Associates, Inc.), die Hochfrequenzleistung mittels "Wasserlast" nachzuweisen. Das im Kurzpulsbetrieb des Gyrotrons benötigte kleine Kalorimetervolumen ist aller­ dings mit diesem Lösungsvorschlag nicht zu realisieren, da der Übergang vom leeren Hohlleiter in den mit Wasser als Absorber gefüllten Quarzkegel langsam erfolgen muß, was ein großes Kegelvolumen bedingt. Die Konstruktion bedingt eine starke Wellentypwandlung aufgrund der dielektrischen und metallischen Randbedingungen für die Felder. Die von Wellen­ typmischungen erzeugten Feldstärkeüberhöhungen können durch­ aus zum Durchschlag führen, was eine Gefährdung des Gyrotrons darstellt. Hinzu kommt, daß die Leistungsreflexion dieses Aufbaus erheblich ist und zudem mit der Temperatur der Wasseroberfläche steigt. Deren Temperatur ändert sich aber schnell, da die gesamte Leistung in einer dünnen Was­ serschicht absorbiert wird.

Ein weiterer Lösungsvorschlag sieht einen Kalorimeteraufbau mit einer "kalorimetrischen Last" vor (10th Int. Conf. on Infrared- and Millimeter Waves, Lake Buena Vista, Florida, 1985, Conference Digest, S. 160 bis 161).

Obwohl diese kalorimetrische Last geringe Reflexionen in allen - ankommenden und lokal erzeugten - Wellentypen zeigt, ist sie aufgrund des sich konstruktiv zwangsläufig ergeben­ den großen Absorbervolumens nicht geeignet, um schnelle Leistungsmessungen im Kurzpulsbetrieb durchführen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Mikro­ wellenkalorimeter derart auszugestalten, daß ein schnell anzeigendes und damit im Volumen kleines Kalorimeter für den experimentellen Kurzpulsbetrieb eines Gyrotrons aufgebaut werden kann und das Wellentypumwandlung im Rundhohlleiter vermeidet, bei möglichst geringer Leistungsreflexion für alle vorkommenden Wellentypen.

Die Lösung ist erfindungsgemäß in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspru­ ches 1 angegeben.

Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung an.

Mit dem erfindungsgemäßen Lösungsvorschlag ist es möglich, ein kleines Absorbervolumen dadurch zu verwirklichen, daß der Absorberbehälter unmittelbar auf den die Hochfrequenz­ leistung führenden Rundhohlleiter aufgesetzt wird, wobei der Behälterboden senkrecht zur Hohlleiterachse orientiert und die Behälterhöhe durch die benötigte Absorptionslänge gege­ ben ist. Der Behälterdurchmesser ist - falls überhaupt er­ forderlich - nur um soviel größer als der Hohlleiterdurch­ messer auszubilden, um Temperaturmeßfühler, Eichheizwicklung und Einlauf- und Auslaufstutzen außerhalb des Einstrahlbe­ reichs unterzubringen. Der Behälterdeckel wirkt zudem als Reflektor, so daß die Zweiwegabsorption genützt wird. Die Materialwahl, PTFE als Behälter und Oktanol als Absorber, bewirkt zudem einen niedrigen Reflexionsfaktor, der fre­ quenzabhängig zwischen 3% und 6% periodisch schwankt.

Das erfindungsgemäße Mikrowellenkalorimeter kann bei kleinem Absorbervolumen dem Problem der Leistungsmessung im Kurzpulsbetrieb von Gyrotrons angepaßt werden. Das Anbringen des Absorberbehälters unmittelbar auf dem die Hochfrequenzleistung führenden Rundhohlleiter mit dem Behäl­ terboden senkrecht zur Hohlleiterachse bewirkt zudem noch eine vom Wellentyp unabhängige Leistungsreflexion, deren Betrag allein durch die Dielektrizitätszahlen von Behälter­ material und Absorberflüssigkeit sowie der frequenzabhängi­ gen elektrischen Länge des Behälterbodens bestimmt ist. Eine starke Wellentypwandlung aufgrund des Übergangs in den Ab­ sorber wird vermieden. Der Durchmessersprung vom gegenüber der Hohlleiterwellenlänge bereits großen Hohlleiterdurchmes­ ser auf den noch größeren Behälterdurchmesser erzeugt zwar geringe Wellentypwandlung, jedoch laufen die angeregten Wellen in den Absorber hinein und führen nicht zu Feldstär­ keüberhöhungen im Hohlleiter. Die Frequenz der eingestrahl­ ten Welle kann im Bereich der Millimeter- oder Submillime­ terwellen liegen, ohne daß sich der Reflexionsfaktor außer­ halb der Grenzen von 3% bis 6% bewegt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels mittels der Fig. 1 bis 4 und einer Tabelle näher beschrieben.

In Fig. 1 ist im Schnitt ein Mikrowellenkalorimeter darge­ stellt. Die Mikrowellen, die in einem nicht gezeigten Gyro­ tron erzeugt werden, gelangen durch den Rundhohlleiter 1 zu dem topfartig erweitert ausgebildeten Leiterende 2, in dem der Absorberbehälter 3 mit Behälterboden 4 bündig (also ebenfalls als Topf ausgebildet) untergebracht ist. Der Be­ hälterboden 4 definiert eine Ebene 5, die in einer oder zwischen den beiden zueinander parallel ausgerichteten Ober­ flächen 6 und 7 liegen kann. Diese Ebene 5 - und mit ihr die Oberfläche 6 und 7 - steht senkrecht auf der Mittelachse 8 des Rundhohlleiters 1. Der Behälterdeckel 9 mit oder ohne Beschichtung 10 schließt den Absorberbehälter 3 nach oben ab, wobei seine Unterseite (-fläche) ebenfalls senkrecht zur Achse 8 ausgerichtet ist. Absorberbehälter 3/4 und Behälter­ deckel 9/10 umfassen das Absorbervolumen 12 für die Mikro­ wellenleistung. Der Abstand zwischen dem Behälterboden 4 und dem Behälterdeckel 9/10 entspricht der Absorptionslänge. Der Behälterdeckel 9 ist dicht (Dichtung 13) über eine Flansch­ verbindung 14 auf das Leiterende 2 unter Zwischenlage eines umlaufenden Randes 15 auf den Absorberbehälter 3 aufge­ schraubt.

Innerhalb des Absorberbehälters 3 bzw. im Absorbervolumen 12 ist eine Eichheizwicklung 16 an einer Aufhängung 17 befe­ stigt. Sie ist in Form einer Spule ausgebildet, welche einen Durchmesser derart aufweist, daß sie außerhalb des direkten Einstrahlbereichs der Hochfrequenzwellen, also im Randbe­ reich des Behältertopfes zu liegen kommt. In diesem Randbe­ reich sind auch z. B. zwei Temperatursensoren oder Temperaturmeßfühler 18 und 19 in unterschiedlichen Höhenpositionen sowie die Ein- und Aus­ laufstutzen 20, 21 für das Absorbermedium angeordnet.

Weiterhin befindet sich im Absorbervolumen 12 eine Umwälz­ einrichtung 22, die über eine Drehachse 23, die kugelgela­ gert und dicht durch den Behälterdeckel 9 hindurchführt, mittels eines Motors 24 angetrieben wird. Der Motor 24 wie auch die Aufhängung 17 für die Eichheizwicklung 16 und die Kontaktverbindungen für die Temperatursensoren 18 und 19 sind an einem Gestell 25 befestigt, welches selbst wiederum am Behälterdeckel 9 angeschraubt sein kann.

Als Absorbermedium wurde bevorzugt Oktanol ausgewählt. Das Behältermaterial bzw. die Beschichtung 10 bestehen aus PTFE. Die Materialkombination Oktanol/PTFE ergibt besonders gün­ stige Bedingungen. In Fig. 2 sind die berechnete (Kurve 26) und die gemessene (Punkte) Abhängigkeit der Leistungsreflek­ tion p² von der Frequenz (GH_Z) aufgetragen. Der Reflek­ tionsfaktor schwankt zwischen 3% und 6%. Die aus dem Meßbereich herausfallenden beiden Punkte sind Resonanzen auf der Meßleistung zuzuschreiben. Die Dielektrizitätskonstanten werden im Bereich von 130 bis 160 GH_Z als konstant angenom­ men. Das Absorbervolumen (V=12 nach Fig. 1) beträgt 0,3 l. Alle TE- und TM-Moden treffen senkrecht auf die Einfallsebe­ ne. Mit der Umwälzeinrichtung 22 wird eine homogene Tempera­ tur im Absorbervolumen 12 eingestellt. Als Temperatursenso­ ren 18, 19 werden PTC-Widerstände verwendet.

Das Mikrowellenkalorimeter wirkt wie ein Integrator und kann als Netzwerk mit Kondensatoren und Widerständen gemäß Fig. 3, d. h. als C-RC-Kreis, betrachtet werden. Die Stromquelle I₀ bezieht sich auf den aktuellen Wärmestrom im Behältervo­ lumen. Die Kapazität C₁ stellt das erwärmbare Volumen dar und die übrigen Teile sind durch C₂ repräsentiert. Die Verzögerung beim Temperaturanstieg zwischen C₁ und C₂ wird durch den Widerstand R definiert. U₁ entspricht den Tempera­ turänderungen an den Temperatursensoren 18, 19 bezogen auf die Umgebungstemperatur des Gefäßes. Mit entsprechend be­ kannten Gleichungen kann die Leistung hieraus ermittelt werden.

Die Eichung erfolgte gemäß Fig. 4 für die Leistungswerte 10, 20, 80, 100, 160 und 200 W DC mit der Eichheizwicklung 18 (s. Fig. 1), aus denen verschiedene Temperaturverläufe T/°C über die Zeit (t/min) resultieren. Eine Temperaturerhöhung von 10 K T 60 K wurde beobachtet, wobei die Zeit für die Einstellung des Gleichgewichts mit t ∞ =30 min angenommen wurde. Die Füllung besteht aus Oktanol.

Die Tabelle gibt einen Vergleich der Netzwerkparameter C₁, C₂ und R für Füllungen mit Wasser und Oktanol.

Die Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit von Oktanol und Wasser schlagen sich in den Werten von C₁, C₂ und R nieder. Die Zeitkonstante τ=R C₂ ist größer als 10 min. Der Mittelwert der Gyrotronleistung wird aus dem Kurvenanstieg ermittelt.

Tabelle

Claims (6)

1. Mikrowellenkalorimeter für die Feststellung der Hochfre­ quenzausgangsleistung eines Gyrotrons im Kurzpulsbetrieb, wobei die Hochfrequenzwellen in einem gegenüber der Wel­ lenlänge großen Rundhohlleiter transportiert, in einem Medium absorbiert und die Temperaturerhöhung des Mediums mit Temperaturmeßfühlern gemessen sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylin­ drischer Absorberbehälter (3) vorgesehen ist, der einen Behälterboden (4) und -deckel (9 bzw. 9 und 10) aufweist, die das Absorbervolumen (12) umfassen, daß die vom Behälterboden (4) definierte Ebene (5) senk­ recht zur Achse (8) des Rundhohlleiters (1) ausgerichtet ist und daß der Behälterdeckel (9 bzw. 9 und 10) als Reflektor ausgebildet ist.

2. Mikrowellenkalorimeter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Höhe des Absorberbehälters (3) der Absorptionslänge der Hochfrequenzwellen entspricht.

3. Mikrowellenkalorimeter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorberbehälter (3) als Topf aus Kunststoff ausgebildet ist und der Behälterdeckel (9, 10) aus Metall mit oder ohne Beschichtung und das Medium im Absorbervolumen (12) aus einem Kohlenwasserstoff besteht.

4. Mikrowellenkalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Absorbervolumen (12) die Tempe­ raturmeßfühler (18, 19) und eine Eichheizwicklung (16) außerhalb des Einstrahlungsbereichs untergebracht sind.

5. Mikrowellenkalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Absorberbehälter (3) und Behälterboden (4) gebildete Behältertopf aus PTFE und das Medium aus Oktanol bestehen.

6. Mikrowellenkalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Absorbervolumens (12) am Behälterdeckel (9, 10) eine Umwälzeinrichtung (22) angeordnet ist.