コルゲート導波管内メガワットミリ波分布の可視化とモード分析に基づく伝送効率の向上

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K06940
• Research Institution: National Institute for Fusion Science
• Principal Investigator: 下妻 隆 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (80270487)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: コルゲート導波管 / 大電力ミリ波 / モード分析 / マイターベンド / ジャイロトロン / 核融合 / フィードバック制御

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、研究計画に則り以下の３つの課題を実施した。
1. これまで開発してきた、2次元ペルチェ素子アレイより構成されるミリ波パワー分布モニターの信号解析法について、得られた信号よりコルゲート導波管内伝搬のモード成分を分析するためのソフトウエアの改良を進めた。それぞれのペルチェ素子の電圧変化より、伝搬モードの強度分布を取得し、それらのデータからモード成分を分析する方法を高精度化した。模擬データを用いたモード分析では、8×8のペルチェ素子信号でも、HE11主モードに加えていくつかの低次不要モードを加えた伝搬波について、少なくとも1対のモード分布モニターの信号をを使用すればすれば、ある条件下で正しくモード分析できることが明らかになった。
2. 並行して、ジャイロトロンからの大出力ミリ波を、伝送のためのコルゲート導波管に結合する2枚のミラー系について、フィードバック制御で駆動するため、モーターとエンコーダを用いた機構を試作し、駆動試験を行った。それぞれのミラーについて2軸（水平、垂直）方向にフィードバック制御で駆動できるシステムである。これにより、導波管入り口でのミリ波ビームの入射角を、ミリ波パワー分布モニターの信号解析結果に基づいて制御することができる。
3. 現実的なECRHシステムので使用に可能となるように、より高出力のミリ波伝送に対応でき、熱処理能力の高い、より小型のペルチェ素子を調達した。1素子当たり10Wの熱処理が可能で、これによって、パルス運転はもとより、500kW級定常ミリ波パワーの伝送にも対応可能なミリ波パワー分布モニターシステムの構築進めることができるようになった。
得られた結果は、国際ワークショップおよび、国内学会で発表を行った。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

モード分析法については、モー ド変換の可能性がある低次の有限個のモードを仮定し、それらの振幅と位相を未知数として、測定されたミリ波強度分布を最適化フィッティングすることにより強度分布を再現し、構成モードの成分を求める方法の高精度化を進めた。その結果、コルゲート導波管入口で仮定した複数のモードとその成分比を、1台～3台までのミリ波パワー分布モニター位置での信号として模擬し、それらの情報から入射モード成分が分析できるか計算アルゴリズムを改良し、逆にモード成分を決定する試験を行った。その結果、モニターの設置位置を、モード間のビート波長の1/4の倍数程度を選択することにより、仮定したモードとその成分比がほぼ、再現できるようになった。これにより、伝送路におけるミリ波パワー分布モニターの設置位置の指針が得られるようになった。
結合ミラー系のフィードバック制御については、ミラー角度を2軸で自動調整するために、2軸ゴニオステージとその駆動のための2台のモーター系を2組試作し駆動試験を終えた。ミラー系は真空排気された光学的整合ユニット(MOU)内に設置することを前提として、真空対応としている。
将来の高パワー伝送に対応できるように、ペルチェ素子の高性能化を図るべく、市場調査を行い、より小型で熱処理能力の大きいペルチェ素子を選定し一部調達した。これにより、およそ定常運転で500kW、パルス運転では1MW以上のコルゲート導波管伝送系でのモード分析にも使用可能なシステムの構築が可能となる目途が立った。

Strategy for Future Research Activity

国際熱核融実験炉 ITER の ECRH 装置等でも対応可能な伝送電力メガワット級定常に対応できるミリ波パワー分布モニターを開発するために、より半導体素子を稠密化した 小形高性能ペルチェ素子を購入し、メガワット級のより高いミリ波定常電力でも温度分布測定のできる高性能ミリ波パワー分布モニターの開発と試験を優先して行う。
同時に、遠隔でのミリ波パワー分布データ取得と解析のためのソフトウェアの改良を制御・計測用パソコン及びソフトウェアを用いて進める。
結合ミラー系についてはフィードバック制御に対応できるように、その処理の高速化、リアルタイム化を進める。同時に、得られたデータに基づいてMOU内の位相補正鏡をどのように動かすかのフィードバックアルゴリズムを考察し、試験を行ってゆく。

Research Products

• [Journal Article] Comparison between Full Wave and Ray-Tracing Calculations to Examine Scenarios for Electron Bernstein Wave Heating in LHD (2016)
  • Author(s): H. Igami, A. Fukuyama, H. Idei, K. Nagasaki, Y. Goto, S. Kubo, T.Shimozuma, Y. Yoshimura, H. Takahashi, T. Tsujimura, R. Makino
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 11 Pages: 2403098-1~4
  • DOI: 10.1585/pfr.11.2403098
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Experimental Study on W-Band (75 - 110 GHz) Oversized Surface Wave Oscillator Driven by Weakly Relativistic Electron Beams (2016)
  • Author(s): M. Thu San, K. Ogura, K. Yambe, Y. Annaka, S. Gong, J. Kawamura, T. Miura, S. Kubo, T. Shimozuma, S. Kobayashi, K. Okada.
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 11 Pages: 2406085-1~6
  • DOI: 10.1585/pfr.11.2406085
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Attenuation of Hybrid Modes in Corrugated Waveguides at Frequencies above the Bragg Frequency (2017)
  • Author(s): K. Ohkubo1, T. Saito, Y. Yamaguchi1, Y. Tatematsu, J. Kasa, S. Kubo, T. Shimozuma, K. Tanaka,
  • Organizer: The 6th International Workshop on Far-Infrared Technologies (IW-FIRT 2017)
  • Place of Presentation: Fukui, Japan)
  • Year and Date: 2017-03-07 – 2017-03-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] メガワット定常 ECH 伝送系における伝搬モード分析と それに基づく伝送効率の改善法の開発 (2016)
  • Author(s): 下妻 隆, 小林 策治, 伊藤 哲, 岡田 宏太, 伊藤 康彦, 吉村 泰夫, 伊神 弘恵, 高橋 裕己, 辻村 亨, 牧野 良平, 水野 嘉識, 久保 伸
  • Organizer: 第33回プラズマ・核融合学会年会
  • Place of Presentation: 東北大学青葉山キャンパス
  • Year and Date: 2016-11-29 – 2016-12-02
• [Presentation] 核融合炉へ向けた大電力ジャイロトロンの開発研究 (2016)
  • Author(s): 假家強,今井剛,南龍太郎,津村康平,江橋優斗,中嶋洋輔,出射浩,花田和明,下妻隆,久保伸, 小田靖久,池田亮介,坂本慶司,小野雅之
  • Organizer: 第33回プラズマ・核融合学会年会
  • Place of Presentation: 東北大学青葉山キャンパス
  • Year and Date: 2016-11-29 – 2016-12-02
• [Presentation] Development of Over MW Gyrotrons for Fusion at Frequencis from 14 GHz to Sub-terahert (2016)
  • Author(s): T. Kariya, T. Imai, R. Minami, T. Numakura, T. Shimozuma, S. Kubo, et.al.
  • Organizer: 26th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2016)
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2016-10-17 – 2016-10-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transmission Test of 300 GHz Band Gyrotron Power by Corrugated Waveguides (2016)
  • Author(s): T. Saito, Y. Yamaguchi, Y. Tatematsu, T. Hirobe, J. Kasa, K. Ohkubo, S. Kubo, T. Shimozuma, K. Tanaka, and M. Nishiura
  • Organizer: IRMMW-THz 2016
  • Place of Presentation: Denmark,Copenhagen
  • Year and Date: 2016-09-25 – 2016-09-30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Present Status of the ECRH System in LHD and Development of a New Gyrotron and the Related Components (2016)
  • Author(s): T. Shimozuma, S. Kubo Y. Yoshimura, H. Igami, H. Takahashi, T. Tsujimura, R. Makino, S. Ito, Y. Mizuno, K. Okada, S. Kobayashi, R. Minami, T. Kariya and T. Imai
  • Organizer: Workshop on RF Heating Technology of Fusion Plasmas 2016 US-EU-JPN RF Heating Technology Workshop
  • Place of Presentation: Leinsweiler, Germany
  • Year and Date: 2016-09-21 – 2016-09-23
  • Int'l Joint Research