AbstractThe recent development of CVD diamond windows for high power gyrotrons is summarized. Highlights of this work include the manufacture of a window 100 mm in diameter and 1.6 mm thick having a uniform loss tangent of <1×10−5 at 145 GHz, and a window 120 mm in diameter and 2.25 mm thick with losses below 3×10−5 at 145 GHz. Moreover, the dielectric loss and permittivity have been found to be relatively stable over a wide temperature range from 100 to 700 K compared to other materials such as sapphire or gold doped silicon. More recently, development work has concentrated on achieving a robust and cost effective manufacturing process able to produce windows matching the requirements of 1 MW CW gyrotrons for ECRH applications. Typical dielectric properties for this new grade of material are presented using a 110 GHz gyrotron window 114 mm in diameter and 1.715 mm thick as an example. Data show a loss tangent in the region of 2×10−5 at 145 GHz across the 80 mm clear aperture region of the disc. A numerical model is used to calculate the temperature and stress profile of the window when subjected to high power beam conditions. It is shown that these dielectric properties, in conjunction with a thermal conductivity in the region of 2000 W m−1K−1 at room temperature and a fracture strength in excess of 250 MPa, make this grade of diamond suitable for use as an output window on 1 MW CW gyrotrons. A new method of mounting CVD diamond windows to metal flanges has been developed to allow vacuum bakeout to be performed at 550°C compared to the previous limit of 450°C. This increase in bakeout temperature promises dramatic reductions in the time taken to achieve optimum vacuum conditions in the gyrotron. The new mounting utilizes a novel graded seal arrangement to achieve low thermal mismatch stresses and good dimensional stability during thermal cycling. A 75 mm diameter window mounted using this method has been shown to survive five thermal cycles up to 550°C for 1 h without degradation of its sealing performance.
CVDダイヤモンド窓の高出力ジャイロトロンへの最近の開発について要約する。この研究のハイライトには、直径100 mm、厚さ1.6 mm、145 GHzにおいて均一な誘電正接が1×10⁻⁵未満の窓の製造、および直径120 mm、厚さ2.25 mm、145 GHzにおいて損失が3×10⁻⁵未満の窓の製造が含まれる。さらに、誘電正接と誘電率は、サファイアや金ドープシリコンなどの他の材料と比較して、100 Kから700 Kの広い温度範囲にわたって比較的安定していることが判明した。より最近では、ECRH用途向けの1 MW CWジャイロトロンの要件を満たす窓を製造できる、堅牢かつ費用対効果の高い製造プロセスの実現に開発作業が集中している。この新しいグレードの材料の代表的な誘電特性は、直径114 mm、厚さ1.715 mmの110 GHzジャイロトロン窓を例として示されている。データは、ディスクの80 mmの有効開口領域において、145 GHzでの誘電正接が2×10⁻⁵の領域であることを示している。数値モデルを用いて、高電力ビーム条件下での窓の温度分布と応力分布を計算している。室温での熱伝導率が2000 W m⁻¹K⁻¹の領域であり、破壊強度が250 MPaを超えるというこれらの誘電特性により、このグレードのダイヤモンドは1 MW CWジャイロトロンの出力窓として適していることが示されている。CVDダイヤモンド窓を金属フランジに取り付ける新しい方法が開発され、従来の450°Cと比較して550°Cでの真空ベークアウトが可能になった。このベークアウト温度の上昇により、ジャイロトロン内で最適な真空状態を達成するまでの時間が大幅に短縮されることが期待される。この新しい取り付け方法は、熱サイクル中の熱ミスマッチ応力を低減し、寸法安定性を確保するための新規な傾斜シール構造を利用している。この方法を用いて取り付けられた直径75 mmの窓は、550°Cで1時間の熱サイクルを5回経ても、シール性能の劣化がないことが実証されている。