Performance evaluation of electron beams and structure optimization of thermionic-cathodes in THz gyrotrons

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15K21030
• Research Institution: University of Fukui
• Principal Investigator: 山口 裕資 福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 特命助教 (10466675)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: ジャイロトロン / テラヘルツ / マグネトロン入射型電子銃 / ラミナー流 / 含浸カソード / 熱絶縁

Outline of Annual Research Achievements

テラヘルツ帯ジャイロトロンの実用化，広範な応用展開に向け，重要課題である電子銃の高性能化に取り組んでいる．本研究では，含浸カソードの昇温部の熱絶縁構造を最適化し，含浸領域（エミッタ）以外の部分からの熱電子の不要放出を抑えて長寿命化を図った．今年度は，昨年度までに行った電子ビーム特性評価実験，及び計算機シミュレーションとの比較の結果を踏まえ，熱絶縁構造が電子ビーム性能へ与える影響を明らかとした．この知見に基づいて熱絶縁間隙の配置を見直し，不要放出の危険性を大幅に低減した最適化電子銃を，複数のジャイロトロン（下記 [1-2]）に適用した．
[1] 270～420 GHz 多周波数発振ジャイロトロン
現在開発中の 270～420 GHz 二次高調波多周波数発振ジャイロトロンへ搭載する専用電子銃を開発した．このジャイロトロンは，多用途で長時間の連続運転が求められるため，電子銃の長寿命化の意義は非常に大きい．まず，試作共振器と既存の電子銃を用いて発振試験を行い，電子ビーム特性を評価して改善すべき事項を明確化した．既存電子銃では，生成される電子ビームの性能が充分でなく，安定発振しない共振器モードが存在した．最適化電子銃の設計においては，長寿命化に加え電子ビーム性能の改善も図った．結果，全ての設計モードに対し，必要なビーム性能を与える電極構造の作成に成功した．
[2] 303 GHz 高出力パルスジャイロトロン
このジャイロトロンでは電子ビーム電流が非常に大きく，不要放出の影響が特に大きい．その為，エミッタ部のみを熱絶縁した構造を採用している．本管の電子銃では，エミッタ幅に比して熱絶縁間隙を可能の限り狭くすることで，熱絶縁間隙が電子ビーム特性へ与える影響を最小化した．当初の目標であった 300 kW を大幅に超える出力を 30 % 以上の高効率で実現し，最適化電子銃の性能を実証した．

Research Products

• [Journal Article] Development of 300 GHz Band Gyrotron for Collective Thomson Scattering Diagnostics in the Large Helical Device (2017)
  • Author(s): Teruo SAITO, Yuusuke YAMAGUCHI, Yoshinori TATEMATSU, Masafumi FUKUNARI, Takumi HIROBE, Shunsuke TANAKA, Ryuji SHINBAYASHI, Takashi SHIMOZUMA, Shin KUBO, Kenji TANAKA and Masaki NISHIURA
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 12 Pages: 1206013-1-2
  • DOI: 10.1585/pfr.12.1206013
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Transmission Characteristics of Hybrid Modes in Corrugated Waveguides Above the Bragg Frequency (2017)
  • Author(s): Kunizo Ohkubo, Teruo Saito, Yuusuke Yamaguchi, Yoshinori Tatematsu, Jun Kasa, Shin Kubo, Takashi Shimozuma, Kenji Tanaka, Masaki Nishiura
  • Journal Title: Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves Volume: - Pages: 1-21
  • DOI: 10.1007/s10762-017-0385-y
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Simultaneous Stabilization of Gyrotron Frequency and Power by PID Double Feedback Control on the Acceleration and Anode Voltages (2017)
  • Author(s): E. M. Khutoryan, T. Idehara, A. N. Kuleshov, Y. Tatematsu, Y. Yamaguchi, Y. Matsuki, T. Fujiwara
  • Journal Title: Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves Volume: - Pages: 1-11
  • DOI: 10.1007/s10762-017-0374-1
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Influence of the electron velocity spread and the beam width on the efficiency and mode competition in the high-power pulsed gyrotron for 300 GHz band collective Thomson scattering diagnostics in the large helical device (2016)
  • Author(s): O. Dumbrajs, T. Saito, Y. Tatematsu and Y. Yamaguchi
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 23 Pages: 093109-1-8
  • DOI: 10.1063/1.4962575
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of 303-GHz High Power Pulsed Gyrotron (2017)
  • Author(s): Y. Yamaguchi, T. Saito, Y. Tatematsu, M. Fukunari, T. Hirobe, R. Shinbayashi, S. Tanaka, S. Kubo, T. Shimozuma, K. Tanaka and M. Nishiura
  • Organizer: 6th International Workshop on Far-Infrared Technologies (IW-FIRT 2017)
  • Place of Presentation: University of Fukui, Japan
  • Year and Date: 2017-03-07
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of a 0.3-THz High Power Gyrotron for Use in Fusion Plasma Diagnostics (2017)
  • Author(s): Y. Yamaguchi, T. Saito, Y. Tatematsu, M. Fukunari, T. Hirobe, R. Shinbayashi, S. Tanaka, S. Kubo, T. Shimozum1, K. Tanaka and M. Nishiura
  • Organizer: 1st Philippines-Japan Terahertz Research Workshop (PJTW-2017)
  • Place of Presentation: De La Salle University, Science and Technology Complex, Santa Rosa City, Philippines
  • Year and Date: 2017-02-22
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] LHD における協同トムソン散乱への適用を目指した 300 GHz 帯高出力ジャイロトロンの開発 (2016)
  • Author(s): 斉藤輝雄，山口裕資，立松芳典，福成雅史，廣部匠，田中俊輔，新林竜志，下妻隆，久保伸，田中謙治，西浦正樹，O. Dumbrajs
  • Organizer: プラズマ・核融合学会 2016年 年会
  • Place of Presentation: 東北大学 青葉山キャンパス
  • Year and Date: 2016-12-01
  • Invited
• [Presentation] 高周波ジャイロトロンにおける熱陰極からの不要放出の抑制 (2016)
  • Author(s): 山口裕資，立松芳典，福成雅史，斉藤輝雄
  • Organizer: プラズマ・核融合学会 2016年 年会
  • Place of Presentation: 東北大学 青葉山キャンパス
  • Year and Date: 2016-11-30
• [Presentation] 2 周波数帯-200,400 GHz- 周波数連続可変ジャイロトロンの開発 (2016)
  • Author(s): 立松芳典，山口裕資，小寺政輝，斉藤輝雄
  • Organizer: プラズマ・核融合学会 2016年 年会
  • Place of Presentation: 東北大学 青葉山キャンパス
  • Year and Date: 2016-11-29
• [Presentation] Gyrotron FU CW XA における複数の基本波モード周波数連続可変 (2016)
  • Author(s): 飯澤萌，高山京也，前田悠斗，福成雅史，山口裕資，立松芳典，斉藤輝雄
  • Organizer: 2016年度 日本物理学会 北陸支部 定例学術講演会
  • Place of Presentation: 富山大学 五福キャンパス
  • Year and Date: 2016-11-26
• [Presentation] Gyrotron FU CW XA における二次高調波発振モードの発振特性 (2016)
  • Author(s): 前田悠斗，飯澤萌，高山京也，福成雅史，山口裕資，立松芳典，斉藤輝雄
  • Organizer: 2016年度 日本物理学会 北陸支部 定例学術講演会
  • Place of Presentation: 富山大学 五福キャンパス
  • Year and Date: 2016-11-26
• [Presentation] 二次高調波多周波数ガウスビーム出力ジャイロトロンの実現に向けた二次高調波モード発振実験 (2016)
  • Author(s): 高山京也，飯澤萌，前田悠斗，福成雅史，山口裕資，立松芳典，斉藤輝雄
  • Organizer: 2016年度 日本物理学会 北陸支部 定例学術講演会
  • Place of Presentation: 富山大学 五福キャンパス
  • Year and Date: 2016-11-26
• [Presentation] 300 GHz 帯ジャイロトロン出力のコルゲート導波管伝送実験 (2016)
  • Author(s): 田中俊輔，廣部匠，新林竜志，福成雅史，山口裕資，立松芳典，斉藤輝雄，久保伸，下妻隆，田中謙治，西浦正樹
  • Organizer: 2016年度 日本物理学会 北陸支部 定例学術講演会
  • Place of Presentation: 富山大学 五福キャンパス
  • Year and Date: 2016-11-26
• [Presentation] 300 GHz 帯ジャイロトロン出力のMOUによる軸対称ガウスビーム整形 (2016)
  • Author(s): 新林竜志，廣部匠，田中俊輔，福成雅史，山口裕資，立松芳典，斉藤輝雄，久保伸，下妻隆，田中謙治，西浦正樹
  • Organizer: 2016年度 日本物理学会 北陸支部 定例学術講演会
  • Place of Presentation: 富山大学 五福キャンパス
  • Year and Date: 2016-11-26
• [Presentation] Influence of thermal-insulation structure of thermionic cathode on oscillation efficiency of a sub-THz gyrotron (2016)
  • Author(s): Y. Yamaguchi, Y. Tatematsu and T. Saito
  • Organizer: 41st Int. Conf. on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves
  • Place of Presentation: Bella Center, Copenhagen, Denmark
  • Year and Date: 2016-09-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High Power Oscillation Test of 300 GHz Band Gyrotron for Practical Use in Collective Thomson Scattering Diagnostics in LHD (2016)
  • Author(s): T. Saito, Y. Yamaguchi, Y. Tatematsu, T. Hirobe, M. Fukunari, J. Kasa, K. Ohkubo, S. Kubo, T. Shimozuma, K. Tanaka, and M. Nishiura
  • Organizer: 41st Int. Conf. on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves
  • Place of Presentation: Bella Center, Copenhagen, Denmark
  • Year and Date: 2016-09-29
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Frequency tunability in both 200 and 400 GHz bands realized in Gyrotrons FU CW GIV and FU CW X (2016)
  • Author(s): Y. Tatematsu, Y. Yamaguchi, M. Kotera and T. Saito
  • Organizer: 41st Int. Conf. on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves
  • Place of Presentation: Bella Center, Copenhagen, Denmark
  • Year and Date: 2016-09-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Start-up scenario of a high-power pulsed gyrotron for 300 GHz band collective Thomson scattering diagnostics in the Large Helical Device (2016)
  • Author(s): O. Dumbrajs, T. Saito, Y. Tatematsu and Y. Yamaguchi
  • Organizer: 41st Int. Conf. on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves
  • Place of Presentation: Bella Center, Copenhagen, Denmark
  • Year and Date: 2016-09-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Gyrotron Output Frequency and Power Stabilization by PID Feedback Control on the Acceleration and Anode Voltages (2016)
  • Author(s): E. M. Khutoryan, T. Idehara, A. N. Kuleshov, Y. Tatematsu, Y. Yamaguchi, Y. Matsuki and T. Fujiwara
  • Organizer: 41st Int. Conf. on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves
  • Place of Presentation: Bella Center, Copenhagen, Denmark
  • Year and Date: 2016-09-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高周波ジャイロトロンにおける Ba 含浸カソードの熱絶縁と発振特性への影響 (2016)
  • Author(s): 山口裕資，立松芳典，福成雅史，斉藤輝雄
  • Organizer: 日本物理学会 2016年 秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学 角間キャンパス
  • Year and Date: 2016-09-14
• [Presentation] 300 GHz 帯 CTS 計測用パルスジャイロトロン出力のコルゲート導波管伝送効率評価 (2016)
  • Author(s): 廣部匠，新林竜志，田中俊輔，山口裕資，福成雅史，斉藤輝雄，立松芳典，大久保邦三，久保伸，下妻隆，田中謙治，西浦正樹
  • Organizer: 日本物理学会 2016年 秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学 角間キャンパス
  • Year and Date: 2016-09-14
• [Presentation] ジャイロトロン制御の自動化へ向けた遠隔操作および監視機器の開発 (2016)
  • Author(s): 山口裕資
  • Organizer: 第三回西日本強磁場科学研究会
  • Place of Presentation: 福井大学
  • Year and Date: 2016-09-12