Gruppe Hochfrequenz-Werkstoffe
Leitung: Dr. Dirk Strauß
Der Schwerpunkt unserer Arbeiten ist die Entwicklung von Diamantfenstern und Antennen für Elektron-Zyklotron Resonanzheizsystemen (ECRH) zum Stromtrieb und zur Stabilisierung von Fusionsplasmen. Die Entwicklungen beinhalten sowohl breitbandige als auch Festfrequenzsysteme für ITER (in Zusammenarbeit mit F4E), DEMO (EUROFusion), Gyrotronentwicklung und weitere Fusionsexperimente.
Ein Hauptvorteil der ECRH ergibt sich aus der eingesetzten Frequenz zwischen typischerweise 100 und über 200GHz, die eine lokale Fokussierung der ins Plasma eingekoppelten Leistung auf wenige cm erlaubt. Neben Plasmaheizung lassen sich so durch lokale Einspeisung von Millimeterwellen ins Plasma magnetische Inseln (neoklassische Schermoden) unterdrücken, die ansonsten zu einem Zusammenbruch des Plasmaeinschlusses führen können.
Mit Hilfe von sphärischen und hemisphärischen Resonatoren können Dielektrika auf Transmissionsverluste untersucht und qualifiziert werden. Bei Diamantscheiben lassen sich damit Transmissionsverluste bis zu tan δ ≈ 10-⁶ bestimmen.
Zusätzlich werden weitere Anwendungen für Plasmadiagnostik und Sensoren vorangetrieben.
Zur Einkopplung von Millimeterwellen hoher Leistung im Multi-Megawattbereich in das Fusionsplasma sind Antennen als In-Vessel Komponenten erforderlich. Diese Antennen müssen auf der einen Seite optische Anforderungen zur Plasmaheizung (Einstrahlwinkel und Fokussierung) erfüllen und andererseits den Anforderungen bezüglich thermischer Lasten, Neutronik und Abschirmung, Fernhantierung sowie dem geringen Platzangebot genügen.
Unsere Aktivitäten umfassen sowohl die Konzeptfindung als auch mechanische Konstruktion und Auslegung, die Entwicklung von Kühlstrukturen zur effizienten Abfuhr thermischer Lasten sowie die Integration von Komponenten zur Millimeterwellenübertragung.
8 MW ECRH Mikrowellenantenne für ITER (Final Design) und Prototyp des zugehörigen Blanket Shield Modules (Plasma Facing Component)
Darüber hinaus werden in Zusammenarbeit mit Industrieunternehmen Machbarkeitsstudien zu Fertigungstechnologien, Prototypenbau und Materialentwicklung begleitet.
Hervorzuheben sind im Rahmen dieser Aktivitäten relevante Beiträge zur derzeit in Bau befindlichen internationalen Versuchsanlage ITER in Cadarache (F) sowie aktuelle Arbeiten für das europäische Demonstrations-Kraftwerk EU-DEMO sowie die Blanket-Testanlage VNS (Volumetric Neutron Source), welche den Nachweis der Machbarkeit elektrischer Energieerzeugung durch Kernfusion erbringen sollen.
ECRH Heizsysteme erfordern Vakuumbarrieren am Gyrotron sowie Torusfenster, die zugleich als Tritiumbarriere eine zentrale Sicherheitsfunktion aufweisen. Neben mechanischer Integrität stellt die hohe Strahlleistung von bis zu 2 MW dabei enorme Anforderungen an den Fensterwerkstoff. Nur Diamant kombiniert Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit mit außerordentlich hoher Transparenz in hinreichendem Maße bei den verwendeten Frequenzen zwischen 100 und 250GHz.
Der Durchmesser der Diamantscheiben von über 70mm erfordert die künstliche Herstellung und ist durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) im industriellen Maßstab realisiert. Die Diamantscheibe wird in einer Kupferstruktur verlötet und anschließend in ein metallisches Gehäuse zu einem Diamantfenster integriert.
Diamantfensterprototyp und numerische Analyse des ITER Torus- Diamantfensters.
Wir entwickeln, optimieren, simulieren und testen das Design von Diamantfenstern unter anderem für ITER, DEMO und W7X. Dabei kommen experimentelle Methoden (Fabry-Perot Resonatoren, Raman, XRD etc), normgerechte Berechnungen sowie numerische Analysen zum Einsatz. Unter anderem werden gekoppelte Wärmeübertragungs- und Strukturanalysen durchgeführt, um die thermische und mechanische Performance des Fensters zu optimieren.
Das europäische Konsortium „EUROfusion“ arbeitet derzeit am Konzept für den Demonstrations-Fusionsreaktor DEMO. Wir arbeiten an Entwicklungen zum „Heating and Current Drive“ (H&CD) - Systeme für DEMO in enger Zusammenarbeit unter anderem mit Partnern aus Italien (ISTP-CNR, ENEA) und der Schweiz (EPFL-SPC).
Für das betrachtete Elektron-Zyklotron-Resonanzheizsystem (EC oder ECRH) beginnen wir mit grundlegenden, plasmaorientierten funktionalen Spezifikationen (Requirements) und erweitern diese schrittweise, beispielsweise um Sicherheitsanforderungen. Parallel hierzu werden Schnittstellen (Interfaces, siehe z.B. auch Breeding Blankets) betrachtet und unter Berücksichtigung der benachbarten Systems definiert. Ein Systems Engineering (SE) Ansatz wird auf das H&CD System in enger Zusammenarbeit mit EUROfusion angewendet.
Eine der zentralen Forschungsaktivitäten der Gruppe Hochfrequenzwerkstoffe besteht in der Untersuchung der Anwendung supraleitender Mikroresonatoren sowohl für die Plasmadiagnostik als auch für dieletrischen Charakterisierung von synthetischem Diamant. Letzteres ziehlt darauf ab, die Auflösungsbegrezungen aktueller Fabry-Pèrot-Resonatoren zu überwinden.
Im Kontext der Kernfusion erforscht die Arbeitsgruppe Hochfrequenz-Werkstoffe den Einsatz supraleitender Mikroresonatoren sowohl für die Plasmadiagnostik als auch zur Charakterisierung von synthetischem Diamant. Letzteres zielt darauf ab, die Auflösungsgrenzen der aktuell führenden Fabry-Pérot-Resonatoren zu überwinden, die für die Materialanalyse eingesetzt werden.
In einem ersten Ansatz wurden mehrpixelige Lumped-Element-Kinetic-Inductance-Detektoren (LEKIDs) entwickelt, die in der Lage sind, den Faraday-Rotationswinkel zu messen, den das magnetisierte Plasma im Vakuumbehälter des Reaktors in einen linear polarisierten Laserstrahl induziert, der im THz-Frequenzbereich arbeitet Neben dem üblicherweise verwendeten Saphir wurden Prototypen erstmals auf synthetischen Diamantsubstraten realisiert – ein Meilenstein für den Einsatz dieses Materials in Anwendungen mit tiefer Temperatursupraleitung. Als Supraleiter kommt Niobiumnitrid (NbN) mit Tc von etwa 16 K zum Einsatz. Dies macht den Einsatz von Sub-Kelvin-Kühlern überflüssig, die in dieser Technologie üblicherweise erforderlich sind, und ermöglicht kompaktere, kostengünstigere und wartungsfreie Systeme.
Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wird die Forschung auf die Anwendung ähnlicher Mikroresonatortechnologien zur Bestimmung der dielektrischen Eigenschaften synthetischer poly- und monokristalliner Diamantproben ausgeweitet. Die Charakterisierung der optischen Eigenschaften der Diamantfenster, die im Elektronenzyklotronresonanz-Heizsystem (ECRH) eingesetzt werden, ist entscheidend für einen zuverlässigen Betrieb des Heizsystems.
Durch die höheren Gütefaktoren supraleitender Resonatoren im Vergleich zu Fabry-Pérot-Resonatoren kann die Auflösung bei der Bestimmung des Verlusttangens erheblich verbessert werden. Dies ermöglicht eine präzisere Charakterisierung zukünftiger monokristalliner Fenster, die aufgrund ihrer optimierten inneren Struktur deutlich geringere Verluste im Vergleich zu polykristallinen Scheiben aufweisen sollten.
Labor für Dielektrika und Supraleiter in Hochfrequenz-Feldern
Verlustarme Dielektrika werden als Annährung an den Grenzfall idealer elektrischer Nichtleiter betrachtet. Wichtige Anwendungsbeispiele sind Hochfrequenzsubstrate, dielektrische Resonatoren und Transmissionsfenster. Hier werden insbesondere hochentwickelte oxidische und nitridische Keramik, Glaskeramik und homöopalare Isatoren (hochresistives Silizium, synthetischer Diamant) in Form von Massivmaterialien untersucht. Als charakteristische Materialkenngrößen werden die Perlmittivität (" Dielektrizitätskonsonante") εr¹ und der dielektirsche Verlusttangens tanδ bestimmt
Tabelle: Meßeinrichtungen zur Bestimmung dielektrischer Materialparameter
| Frequenzbereich | Probeform (Scheibe) |
tanδ Bereich |
geeignete Dielektrika |
| 30 - 40 GHz | Ø: ≥ 45 mm t: 1 - 10 mm |
10-5 - 5·10-3 | geringe bis mittlere Verluste |
| 90 - 100 GHZ | Ø: ≥ 35 mm t: 0.5 - 5 mm |
1·10-5 - 5·10-3 | extem niedrige bis mittlere Verluste |
| 130 - 170 GHz Mapping |
Ø: ≥ 30 mm t: 0.5 - 5 mm |
1·10-5 - 5· 10-3 | extem niedrige bis mittlere Verluste |
| 140 - 220 GHz Zentral |
Ø: ≥ 30 mm t: 0.5 - 5 mm |
2·10-6 - 1·10-3 | extrem niedrige bis mittlere Verluste |
Raman Spektroskopie
Die Analyse von Materialien, Defektstrukturen, Einschlüssen oder auch von Verunreinigungen wird u.a. durch Raman - Spektrometrie ermöglicht.
Nachfolgende Spezifikationen des zur Verfügung stehenden Systems:
Mikro-Ramanspektrometer LabRAM Odyssey von Horiba
| Verfügbare Wellenlängen: | 323nmm, 532nm, 633nm, 1064nm |
| Verfügbare Gitter: | 300l/mm, 600l/mm, 1800l/mm, 2400l/mm, 3600l/mm |
| Fokale Länge: | 800mm |
Räumliche Auflösung:
(bei besten Bedingungen):<0,5 μm (x,y); < 1,5 μm (z)
Spektrale Auflösung
per Pixel mit 1800l/mm Gitter: 0,5 cm-1 (532nm)
Röntgen - Tomogrphie mit Direktstrahlröntgenröre
Parameter :
| Hochspannung | 10 - 240 kV |
| Leistung | 320 W |
| Röntgenröhrenstrom | 5 - 3000 μA |
| Strahlenaustrittsfenster | Beryllium |
| Tagetmaterial | Wolfram |
Prüflingsmanipulator:
| Anzahl der Achsen: | max. 5 |
| Prüflingsgewicht | max. 10 kg |
| Prüflingsabmessungen | max. Ø 300 mm x Länge 410 mm |
Prüflinge: Kunststoffe, Keramik, Metalle
Nichtmetalle →niedrige Ordnungszahl
Wir sind beteiligt an Projekten der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren (HGF), EUROfusion (WPHCD, WPDES, WPMAT, WPENR), Fusion for Energy (F4E), BMBF sowie Industriekooperationen.
Thematisch sind diese Projekte angesiedelt im den Bereichen:
- Grundlagen CVD Diamant
- Diamantfensterdesign für Anwendungen in der Fusion und der Geothermie
- Hochpräzise Messungen dielektrischer Verluste in Diamant und anderen Dielektrika
- Entwicklung hochauflösender Resonatoren und Detektoren auf Diamantbasis
- Antennenentwicklung für Elektron-Zyklotron Resonanzheizungssystemen in der Fusion