Reduction of reflected millimeter-waves in a corrugated-waveguide during steady-state Mega-Watt millimeter-wave transmission

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K03799
• 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): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: プラズマ / 電子サイクロトロン共鳴加熱 / ジャイロトロン / コルゲート導波管 / マイクロ波 / ミリ波 / 単向管 / 反射波

Outline of Annual Research Achievements

核融合を目指したプラズマ加熱の一手法である電子サイクロトロン共鳴加熱(ECRH)のシステムにおいては、100m程度の長距離に渡り、出力メガワット級で波長がミリメートル級の電磁波（HE11モードのミリ波)を、そのモード構造を乱すことなく長距離伝送することが要求されている。オーバーサイズ (波長に比べて管径が十分大きい）のコルゲート導波管を用いた長距離伝送系においては、プラズマやベンド等の伝送系コンポーネントからの不要な反射波が、高出力ミリ波発振管であるジャイロトロンの発振動作に影響を及ぼし、発振モードのジャンプや、ミリ波出力の低下を起こすなどの悪影響を及ぼす。そこでプラズマや伝送系からの不要な反射波を低減し、処理できる反射ミリ波フィルタ装置が必須となる。本研究ではオーバーサイズコルゲート導波管の特性を利用した不要反射電磁波のフィルター装置を考案し、開発した。
そのフィルタ装置は、オーバーサイズコルゲート導波管において、有限距離を持つギャップ構造を具備したもので、電界分布がおよそガウス分布をした主伝送モードである HE11 モードについては、減衰無くプラズマ入射方向へ 伝搬できるが、プラズマ側から反射された高次モードに対して効率的に減衰、処理できる構造をもつ。この不要反射波フィルター装置の実現によって、負荷であるプラズマ側からの反射波の影響を受けない安定なジャイロトロンの運転、ミリ波伝送モード純度の向上を図ることができ、安定かつ長時間のプラズマ生成、加熱が実現できる。
今年度は、この不要反射波のフィルター装置の構造、導波管ギャップ構造とその距離の最適化、不要電磁波の処理構造などを検討し、本フィルター装置を設計し、製作、完成させた。本研究の内容については、国際ワークショップや国内関連学会等で発表を行った。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度は、不要モードフィルター装置の基本構造の設計と製作を行った。導波管ギャップでの基本モードから高次モードについて、コルゲート導波管ギャップでのギャップ損失を評価した。コルゲート導波管のギャップ間隔については、伝搬モードの違いによるギャップ損失の違いを検討した。
コルゲート導波管径が、伝搬ミリ波の波長に比べてかなり大きいため、コルゲート導波管から放射されたミリ波ビームのビーム径は比較的広がらない。現在使用されている周波数77GHz、154GHzに対しては、導波管ギャップの間隔が100mm程度でも、数パーセント程度であると概算される。製作した不要モードフィルター装置では、このギャップ間隔を変更できるような構造としている。また、プラズマ側からの不要反射波が、ジャイロトロン側にもどらないように、プラズマ側からの高次モード反射のパワーを処理するために、冷却水を流したテフロンチューブコイルからなる不要電磁波の吸収構造を備えている。この冷却水の温度変化により、導波管ギャップでの漏洩電磁波のパワーを計測、モニターできるようにした。

Strategy for Future Research Activity

核融合研の大型ヘリカル装置LHDでのプラズマ実験に備えて、コルゲート導波管やマイターベンド等から構成される実機ミリ波長距離伝送系システムの途中に、本不要モードフィルター装置を組み込み、不要反射電磁波フィルタとしての性能評価を高パワーで行う。現状、LHDのECHシステムでは、周波数が77GHzと154GHzでの加熱システムを有するが、本不要モードフィルター装置は、77GHzの伝送系システムに組み込む予定である。
LHDでの短パルスでの実験から始め、さらに長時間プラズマ維持実験においても、プラズマからの反射の低減効果を検証する。評価結果に基づきギャップ長の調整、ギャップ構造、間隔も見直しを行う。
併行して、解析的またはシミュレーション計算により、コルゲート導波管のギャップでの損失を評価し実験と比較することによって、必要があれば、構造のさらなる改良を進める。
時間的に可能であるならば、低電力ミリ波を用いて、コルゲート導波管ギャップでの伝送効率の評価、反射波の評価を、LHDでの実験前または実験後に行い、計算結果と詳細な比較を進め、改良点等の抽出を行う。

Research Products

• [Journal Article] Real-time control of the deposition location of ECRH in the LHD (2020)
  • Author(s): Ii Tsujimura T.、Mizuno Y.、Yanai R.、Tokuzawa T.、Ito Y.、Nishiura M.、Kubo S.、Shimozuma T.、Yoshimura Y.、Igami H.、Takahashi H.、Tanaka K.、Yoshinuma M.、Ohshima S.
  • Journal Title: Fusion Engineering and Design Volume: 153 Pages: 111480～111480
  • DOI: 10.1016/j.fusengdes.2020.111480
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of the calibration method for a fast steering antenna for investigating the mode conversion window used in EBW heating in the LHD plasma (2019)
  • Author(s): Goto Yuki、Kubo Shin、Igami Hiroe、Nishiura Masaki、Shimozuma Takashi、Yoshimura Yasuo、Takahashi Hiromi、Tsujimura Toru Ii
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 58 Pages: 106001
  • DOI: https://doi.org/10.7567/1347-4065/ab3e58
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Oscillation Characteristics of a High Power 300 GHz Band Pulsed Gyrotron for Use in Collective Thomson Scattering Diagnostic (2019)
  • Author(s): T. Saito, S. Tanaka, R. Shinbayashi, Y. Tatematsu, Y. Yamaguchi, M. Fukunari, S. Kubo, T. Shimozuma, K. Tanaka and M. Nishiura
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 14 Pages: 1406104
  • DOI: https://doi.org/10.1585/pfr.14.1406104
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Isotope effects on energy, particle transport and turbulence in electron cyclotron resonant heating plasma of the Large Helical Device (2019)
  • Author(s): K. Tanaka, Y. Ohtani, M. Nakata, F. Warmer, T. Tsujimura, Y. Takemura, T. Kinoshita, H. Takahashi, M. Yokoyama, R. Seki, H. Igami, Y. Yoshimura, S. Kubo, T. Shimozuma, T. Tokuzawa, T. Akiyama, I. Yamada, R. Yasuhara, H. Funaba, M. Yoshinuma, K. Ida, M. Goto, et al
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 59 Pages: 126040
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/ab4237
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of high power gyrotrons for advanced fusion devices (2019)
  • Author(s): T. Kariya, R. Minami, T. Imai, M. Okada, F. Motoyoshi, T. Numakura, Y. Nakashima, H. Idei, T. Onchi, K. Hanada, T. Shimozuma, Y. Yoshimura, H. Takahashi, S. Kubo, Y. Oda, R. Ikeda, K. Sakamoto, M. Ono, K. Nagasaki, T. Eguchi, Y. Mitsunaka
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 59 Pages: 066009
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ab0e2c
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Present Status of the LHD-ECRH System and Activities of Gyrotron and Transmission-line Improvement (2019)
  • Author(s): T. Shimozuma, S. Kubo, Y. Yoshimura, M. Nishiura, H. Igami, H. Takahashi, T. Tsujimura, R. Yanai, S. Ito, Y. Mizuno, H. Takubo, S. Kobayashi, T. Numakura, R. Minami, T. Kariya, M. Sakamoto
  • Organizer: US-EU-JPN RF Heating Technology Workshop Freiburg, Germany September 8-12 T09 (2019).
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Real-time injection control of electron cyclotron resonance heating power in LHD (2019)
  • Author(s): T. Tsujimura, S. Kubo, T. Shimozuma, Y. Yoshimura, H. Igami, H. Takahashi, R. Yanai, K. Yanagihara
  • Organizer: Topical Conference on Radio Frequency Power in Plasmas
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ECRH用コルゲート導波管ミリ波伝送系における不要高次反射波モードフィルター装置の開発 (2019)
  • Author(s): 下妻 隆, 伊藤 哲, 水野 嘉識, 田窪 英法, 小林 策治, 吉村 泰夫, 伊神 弘恵, 高橋 裕己, 辻村 亨, 矢内 亮馬, 久保 伸
  • Organizer: 第36回 プラズマ・核融合学会 年会
• [Presentation] 協同トムソン散乱計測における高速イオンの速度空間と計測スペクトルの関係 (2019)
  • Author(s): 西浦正樹,釼持尚輝,奴賀秀男,關良輔,久保伸,田中謙治,下妻隆,斉藤輝雄,LHD実験グループ
  • Organizer: 第36回 プラズマ・核融合学会 年会
• [Presentation] Evaluation of collective Thomson scattering spectra in the LHD (2019)
  • Author(s): M. Nishiura, S. Kubo, K. Tanaka, M. Iizawa, N. Kenmochi, T. Shimozuma, H. Takahashi, T. Saito, LHD experiment group
  • Organizer: 74th 日本物理学会(春)