Plasma Anwendungen

Hochenergetische Übertragung mit Hochfrequenz-Zuführung in Plasma-Anwendungen an Hochenergiephysik-Forschungszentren

Plasma-Anwendungen sind zentral für die Hochenergiephysik-Forschung, um die Fusionsenergie voranzutreiben, neue Arten von Teilchenbeschleunigern zu ermöglichen und astrophysikalische Phänomene in kontrollierten Umgebungen zu untersuchen. Diese Bemühungen treiben nicht nur die Grenzen der Grundlagenwissenschaft voran, sondern bergen auch das Potenzial für revolutionäre Lösungen im Energiebereich und technologische Durchbrüche in der Materialwissenschaft.

In Plasma-Anwendungen, insbesondere in der Hochenergiephysik-Forschung, spielen passive Hochfrequenz- (HF-) Komponenten wie Zuführungssysteme eine entscheidende Rolle bei der Erzeugung und Aufrechterhaltung von Plasma. Diese Systeme sind dafür verantwortlich, hochleistungsfähige HF-Energie zu liefern, die verwendet wird, um die Ionisierung von Gas zu Plasma aufrechtzuerhalten. Die Konsistenz und Effizienz der HF-Übertragung sind entscheidend, um die Stabilität des Plasmas sicherzustellen, was für Experimente in Teilchenbeschleunigern und Fusionsreaktoren von entscheidender Bedeutung ist.

An Hochenergiephysik-Forschungszentren dienen HF-Zuführungssysteme als Leitungen, die HF-Energie von Generatoren zu Plasmareaktoren oder Kammern liefern. Diese Systeme umfassen verschiedene Komponenten wie Koaxialleiter, Filter, Phasenschieber, runde und elliptische Hohlleiter. Die Hauptfunktion dieser Komponenten besteht darin, Leistung effizient ohne signifikante Verluste zu übertragen, Impedanzanpassungen zu gewährleisten, um Reflektionen zu verhindern, und sicherzustellen, dass hohe Spannungen und Leistungspegel sicher gehandhabt werden. Diese Systeme sind für plasma-basierte Experimente unerlässlich, einschließlich der Fusionsenergie-Forschung, bei der HF-Felder verwendet werden, um das Plasma zu erhitzen und aufrechtzuerhalten.

Beispielsweise werden HF-Systeme in Tokamaks (Fusionsreaktoren) und Synchrotronen eingesetzt, wo sie die Plasmaheizung durch Techniken wie Ion Cyclotron Resonance Heating (ICRH) und Lower Hybrid Current Drive (LHCD) unterstützen, um die hohen Temperaturen zu erreichen, die für die Kernfusion erforderlich sind.

Schlüsselkomponenten für die Übertragung hoher Energie in Plasma-Anwendungen sind:

• Steife rechteckige Hohlleiter und steife Koaxialleitungen: Metallische Strukturen, die HF-Leistung von Klystrons oder Verstärkern zu den Beschleunigungshohlräumen leiten. Hohlleiter müssen verlustarm sein und präzise gefertigt werden, um die Phasenstabilität zu gewährleisten.
• Koaxialkabel: Sie werden für die Übertragung von RF mit geringerer Leistung verwendet und spielen auch eine Rolle bei der Übertragung von HF-Signalen, insbesondere in Diagnose- und Steuerungssystemen.
• Richtkoppler: Geräte, die eine kontrollierte Einleitung von RF-Leistung in die Beschleunigungshohlräume ermöglichen. Der Kopplungsfaktor ist entscheidend, um die Energieübertragung zu optimieren.
• Phasenschieber: Geräte, die die Phase des HF-Signals anpassen, um mit den Teilchenpaketen zu synchronisieren, was für eine stabile Beschleunigung von entscheidender Bedeutung ist.
• Adapter: Geräte zum Verbinden von Hohlleitern mit unterschiedlichen Schnittstellen.
• Abschlüsse: Abschlüsse werden am Ende des Leistungsweges platziert und gewährleisten so den korrekten Abschluss. Dies reduziert störende Reflektionen und sorgt für die maximale Leistung und Qualität des Gesamtsystems.
• Leistungskombinierer: Kombinieren mehrere Leistungsquellen zu einer Übertragungsleitung.

SPINNER Hochfrequenz-Komponenten zeichnen sich durch ihre hervorragende Leistung bei den technischen Erfolgsfaktoren und wichtigen Anforderungen für die Hochenergieübertragung aus, wie zum Beispiel:

• Hohe Leistungsfähigkeit: Unsere RF-Komponenten können hohe Leistungspegel ohne signifikante Verluste oder Überhitzung bewältigen.
• Präzision in der Fertigung: Eine genaue Fertigung, insbesondere bei Komponenten wie Hohlleitern und Hohlräumen, gewährleistet die Impedanzanpassung und minimiert Reflektionen.
• Thermische Stabilität: Unsere Komponenten halten der durch Hochleistungs-RF erzeugten Wärme ohne Abbau stand, dank fortschrittlicher Materialien und Kühlsysteme.
• Mechanische Stabilität: Die RF-Zuführungen sind robust gegen physische Belastungen und Vibrationen, wobei sie über lange Zeiträume hinweg die Ausrichtung und Phasenstabilität beibehalten.
• Niedrige Verluste: Minimierung von resistiven und dielektrischen Verlusten in Komponenten wie Hohlleitern und Koaxialkabeln ist garantiert für eine effiziente Energieübertragung.
• Phasen- und Frequenzstabilität: Wir stellen sicher, dass das RF-Signal in Phase und Frequenz stabil bleibt, was für die Synchronisation mit den Teilchenpaketen entscheidend ist.
• Zuverlässigkeit und Wartung: Unser System ist hoch zuverlässig und benötigt nur wenig Wartung, um den kontinuierlichen Betrieb des Beschleunigers zu gewährleisten.

Diese Faktoren bestimmen in ihrer Gesamtheit die Effizienz, Stabilität und Wirksamkeit der RF-Zuführungssysteme in Plasma-Anwendungen an Hochenergiephysik-Forschungszentren.

Zusammenfassend sind HF-Zuführungssysteme für die Plasmeerzeugung und -aufrechterhaltung in der Hochenergiephysik-Forschung unverzichtbar. Ihre Fähigkeit, hohe Leistung zu bewältigen, Impedanzen anzupassen und RF-Energie effizient zu übertragen, ist entscheidend für den Erfolg von Plasma-Anwendungen in Fusionsenergie- und Teilchenphysik-Forschungszentren.

Wir entwickeln und liefern seit vielen Jahren spezielle Hochenergie-HF-Komponenten für eine Vielzahl von Plasma-Anwendungen:

• 1981 lieferte SPINNER Koaxial-Hochleistungsleitungen  RL100-230 (50 Ohm), Stabtuner, DC-Unterbrecher, Absorber und Schalter an das IPP (Max-Planck-Institut für Plasmaphysik) für die experimentellen Tokamak-ASDEX- und Wendelstein-Fusionsreaktoren.
• Im Jahr 2004 war noch nicht klar, wo der gigantische International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) gebaut werden würde. Trotz dieser Unklarheit liefen die erforderlichen Vorentwicklungsprojekte bereits seit mehreren Jahren auf Hochtouren. Dazu gehörten Arbeiten am JET (Joint European Torus) im Vereinigten Königreich, um den ICRH-Plasmaheizmodus (für Ion Cyclotron Resonance Heating) zu optimieren, der verwendet werden soll. SPINNER lieferte dafür zwei MW-Übertragungsleitungen.