Quasioptische Mikrowellensysteme

Für die Übertragung von Millimeterwellen können neben überdimensionierten Hohlleitern auch optische Verfahren eingesetzt werden. Insbesondere für Frequenzen über 100 GHz besitzen optisch Übertragung viele Vorteile. Die Millimeterwellen werden als gebündelter gaußscher Strahl übertragen, dabei wird die beugungsbedingte Strahlaufweitung durch iterative Fokussierung an metallischen Reflektoren kompensiert. Ein solcher Strahlwellenleiter besitzt aufgrund der hohen Präzision, mit der solche Reflektoren hergestellt werden können und den hohen Reflexionskoeffizienten von 0.999 eine sehr geringe Einfügungsdämpfung (typ. 10 %/100 m) Spezielle Anordnungen der Reflektoren ermöglichen, breitbandige Übertragungseigenschaften und minimale Modenwandlung zu erzielen.

Das IGVP entwickelt Strahlwellenleiter und optische Antennensysteme für Hoch- und Niederleistungsanwendungen, zum Beispiel für die Elektron-Zyklotron-Heizungs-Anlage am zukünftigen Stellarator W7-X. Diese Anlage ist modular aufgebaut und wird aus 10 Gyrotrons bei 140 GHz mit einer Leistung von jeweils 1 MW im Dauerbetrieb bestehen. Die einzelnen Ausgangsstrahlen der Gyrotrons werden mit jeweils zwei Spiegeln an das System angepaßt; zwei weitere gerillte Spiegel ermöglichen die individuelle Einstellung der Polarisation der Millimeterwellen. Das Herzstück der etwa 55 m langen Strecke bilden zwei Vielstrahl-Wellenleiter, die die Übertragung von bis zu 6 Strahlen bei 140 GHz (und optional eines weiteren Strahls bei 70 GHz) ermöglichen. Im Bereich des Torus werden die Strahlen über Spiegelarrays wieder in Einzelstrahlen aufgeteilt und über Vakuumfenster und individuell steuerbare Antennen im Vakuumgefäß ins Plasma fokussiert.

Die Abbildung zeigt die CAD-Ansicht des Übertragungskanals mit Anpassoptik, Polarisatoren, Strahlkombination und Vielstrahlsystem sowie - eingefügt - einen wassergekühlten Spiegel, der aus einem steifen Edelstahlkörper mit optimierter Kühlstruktur und einer galvanisch abgeschiedenen und anschließend bearbeiteten Kupferoberfläche besteht.

In Zusammenhang mit diesen Übertragungsleitungen werden auch verschiedene Diagnostik- und Mess-Systeme für Strahlwellenleiter entwickelt, z. B. optische Richtkoppler, Diagnose-Hologramme und Hohlleiter-Richtkoppler, die in die Spiegel integriert werden, Kalorimeter zur Leistungsmessung, Strahlprofilmessung mit Infrarot-Thermographie, sowie Einrichtungen zur Justierkontrolle.

Ein weiteres Arbeitsgebiet stellt die Entwicklung von diffraktiven Optiken dar, die für die Mehrfachdurchstrahlung des Plasmas und damit zur Maximierung der Wellenabsorption im Plasma eingesetzt werden sollen. Da diese Optiken den Profilen des Vakuumgefäßes der Fusionsanlage angepaßt werden müssen, besteht die Aufgabe in der numerischen Berechnung von Reflexionshologrammen für Millimeterwellen auf beliebig geformten Flächen.