Extension of a Gyrotron High Voltage Body Power Supply for Faster Modulation Capabilities at W7-X

Abstract

At Wendelstein 7-X (W7-X) the heating scheme Electron Cyclotron Resonance Heating (ECRH) is using gyrotrons to heat up hydrogen for plasma research. For that purpose the gyrotrons produce microwave beams at the frequency of 140 GHz. To stabilise the output frequency of the microwave beams a frequency stabilisation was developed using a Phaselocked loop (PLL). Despite the frequency stabilisation PLL, unwanted frequency side peaks occur next to the main frequency at at 3.3 kHz and 137.5 kHz. These frequencies are triggered by the noise of the High Voltage Power Supply (HVPS) of the gyrotrons. To counteract these unwanted frequencies, the HVPS is expanded. An extension module is developed that should be able to eliminate the noise of the power supply. The extension module includes a fast amplifier and a fast overcurrent detection. The fast amplifier can modulate in the range of several hundred kilo Hertz and therefore counteract the noise. The overcurrent detection protects the amplifier of high currents drawn from the gyrotron at some moments. The subject of this thesis is the development of the overcurrent protection circuit which is to protect the fast amplifier.

Das am W7-X vorherrschende Heizsystem ECRH benutzt Gyrotrons zum Aufheizen von Wasserstoff für die Plasmaforschung. Zu diesem Zweck generieren die Gyrotrons hochfrequente Mikrowellenstrahlen mit einer Frequenz von 140 GHz. Um die Ausgangsfrequenz der Gyrotrons zu stabilisieren, wurde eine Frequenzstabilisierung entwickelt, welche auf dem Prinzip einer PLL beruht. Trotz Anwendung der Frequenzstabilisierungs-PLL treten neben der Hauptfrequenz von 140 GHz noch ungewollte Seitenbänder bei Frequenzen von 3.3 kHz und 137.5 kHz auf. Diese Frequenzen werden durch Rauschen und Welligkeit des Ausgangssignals der Hochspannungsversorgung der Gyrotrons ausgelöst. Um diesen ungewünschten Frequenzen entgegen zu wirken, soll ein Erweiterungsmodul für die Hochspannungsversorgung entwickelt werden. Das Erweiterungsmodul der Hochspannungsversorgung umfasst dabei einen schnellen Hochspannungsverstärker und eine Schaltung welche den schnellen Verstärker vor Überströmen schützt. Der schnelle Verstärker ist in der Lage Signale mit einer Amplitude von bis zu 1.6 kV Spitze-Spitze im Bereich von einigen hundert Kilohertz zu modulieren und soll somit die unerwünschten Frequenzen eliminieren. Die Überstromschutzbeschaltung soll für den Verstärker gefährliche Überströme erkennen und diesen zum Schutz schnell brücken. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung der schnellen Überstromschutzbeschaltung, welche eine Voraussetzung ist, um den Verstärker als Erweiterung der Hochspannungsversorgung nutzen zu können.