Abteilung Hochleistungsmikrowellentechnik

Die Abteilung Hochleistungsmikrowellentechnik befasst sich seit Mitte der 80er Jahre des letzten Jahrhunderts vorwiegend mit der Entwicklung von Mikrowellengeneratoren sehr hoher Leistung (Gyrotrons). Gyrotrons finden im Bereich der kontrollierten Kernfusion eine breite Anwendung, sie werden bei der Zündung, Aufheizung und Stabilitätskontrolle von Fusionsplasmen eingesetzt.

Das Gyrotron ist ein Mikrowellen-Oszillator, der auf dem Prinzip der Elektronen-Zyklotron-Maser-Instabilität beruht. Die Mikrowellenleistung wird aus der durch ein axiales Magnetfeld verursachten relativistischen Kreiselbewegung der Elektronen entnommen. Der Ausdruck "Gyrotron" leitet sich aus den griechischen Wörtern "Gyros = Kreisel" und "Elektron" her. Gyrotrons arbeiten effektiv im Frequenzbereich von 5 GHz bis 170 GHz mit Ausgangsleistungen von einigen Megawatt. Bei Betrieb mit einer Oberharmonischen können Mikrowellen im Wattbereich bis zu einem THz erzeugt werden.

 Die Auslegung der Gyrotrons erfolgt am IHM auf der Basis von vorwiegend selbst entwickelten Computer Programmen, die die Funktion aller Schlüsselkomponenten der Röhre realitätsnah abbilden. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Simulation der Elektronenkanone und der Bewegung der Elektronen, der Wechselwirkung der Elektronen mit dem Hochfrequenzfeld und der Berechnung der optischen Komponenten, die die Mikrowelle in einen gerichteten Strahl umwandeln, der dann aus dem Gyrotron heraus geführt werden kann.
Die experimentelle Verifikation eines Gyrotrons erfolgt am IHM mit einem Hochleistungs-Netzteil, das Wahlweise einen von zwei Gyrotrontestständen bedienen kann. Beide Gyrotronteststände sind mit umfangreichen Diagnostikeinrichtungen, die u.a. präzise kalorimetrische und spektrale Messungen erlauben, ausgestattet. Damit können Gyrotrons untersucht werden, die im Kurzpulsbetrieb (0,001 s) oder im Langpulsbetrieb (einige Minuten) betrieben werden.
Die Entwicklung von Gyrotrons begann im (damaligen) Forschungszentrum in den Jahren 1983/1984. Das Entwicklungsziel war die Erzeugung einer Leistung von 200 kW bei 150 GHz; heutige Gyrotrons liefern im Dauerbetrieb 1000 kW bei 140 GHz, eine Kurzpulsversion eines Gyrotrons erzeugte in mehrfachen Ausführungen eine Rekordleistung von ca. 2200 kW bei 170 GHz.

In dieser Abteilung werden auch neuartige, und teilweise industrierelevante, Mikrowellensysteme und –Verfahren zur verbesserten Bearbeitung von Materialien entwickelt. Unter Verwendung von Gyrotrons wird hier z.B. die Sinterung von fortschrittlichen Funktions- und Strukturkeramiken untersucht. In Zusammenarbeit mit verschiedenen industriellen Partnern wird die Fertigung und Aushärtung von technischen Leichtbaustrukturen wie großflächige kohlefaserverstärkte Verbundwerkstoffe, die im Automobilbau und der Luftfahrtindustrie vielseitige Anwendung finden, in eigens dafür entwickelten Applikatoren verbessert.
Darüberhinaus werden in einer Arbeitsgruppe theoretische und in Zusammenarbeit mit anderen Forschungseinrichtungen auch experimentelle Fragestellungen zur Wechselwirkung eines heißen Fusionsplasmas mit der umgebenden kalten Wand untersucht. Die Lösung dieser Aufgaben ist für den erfolgreichen Betrieb eines Fusionsreaktors von grundlegender Bedeutung.