Development of broadband high power millimeter wave fast switching device using natural vibrations

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K03789
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 14020:Nuclear fusion-related
• Research Institution: Ibaraki University
• Principal Investigator: Saigusa Mikio 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 教授 (10292476)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 核融合 / 新古典ティアリングモード / 電子サイクロトロン電流駆動 / ジャイロトロン / 高速スイッチ / ミリ波

Outline of Final Research Achievements

An electron cyclotron current drive (ECCD) is useful tool for controlling MHD instabilities with pulse modulated gyrotron operations. Several types of fast directional switch (FADIS) using frequency modulation were proposed for improving a stabilizing efficiency of MHD instabilities. However, the optimized operation of high power gyrotron demands the specified start-up scenario for suppressing mode competitions, so that the pulse modulated operation and the frequency modulation should be avoided.
A new fast directional switch for high power millimeter waves using a natural vibration of a reflector was proposed for an electron cyclotron current drive system of a fusion experimental reactor. The principle is the triangle ring resonator of circular corrugated waveguides with a vibration reflector driven by four piezoelectric actuators around the natural frequencies. The switching frequency was obtained up to 3.4 kHz at a millimeter wave frequency of 170 GHz in low power test.

Free Research Field

核融合プラズマ理工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

トカマク型核融合炉の閉じ込め性能を劣化させる不安定性の一つに新古典ティアリングモードがある。モードの抑制には、磁気島中心への局所的な電子サイクロトロン電流駆動が有効であるが、磁気島は数kHzで高速回転しており、従来はこれに同期してミリ波源であるジャイロトロンをデューティ50%でon/offすることでモードを抑制してきた。しかしジャイロトロンの立ち上げ時に磁場と高圧電源のヒステリシスを利用したモード競合の抑制が高効率運転には有効であり、高速のon/off制御は適さない。今回開発した固定周波数の高速スイッチがあれば、２アンテナ間を高速切替することで従来の２倍の安定化効果が期待できる。