2011 Fiscal Year Research-status Report
高周波数ジャイロトロンにおける周波数連続可変性と高性能化の研究
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23760307
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| Research Institution | University of Fukui |
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Principal Investigator |
池田 亮介 福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 特命助教 (80533364)
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| Project Period (FY) |
2011-04-28 – 2014-03-31
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| Keywords | ジャイロトロン / 電子管 / 周波数連続可変 |
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| Research Abstract |
本研究は，基本波発振による394 GHz近傍での周波数可変幅2GHz，最大出力100Wの周波数連続可変ジャイロトロンの開発を目指し，周波数連続可変性の空胴共振器形状に対する物理特性及び発振出力や効率に深く関わる電子ビーム特性を明らかにすることである． 平成23年度は、高性能な周波数連続可変ジャイロトロンの設計を実現する上で不可欠な周波数連続可変機構の基礎データを取得するべく，真空管封じ切り方式のジャイロトロンを用いて実験を行った．本ジャイロトロンの設計では，15T超電動マグネットを用いて394GHz近傍にてTE0,6モードで動作する．過去に開発を行ったジャイロトロンでは最大出力が30 W程度であったが，これを大きく上回る最高発振出力100Wを達成し，本研究で目指す100W以上の発振に向けた指針を得た．周波数連続可変性に関しては，磁場掃引により392GHzから1.1 GHzに亘る周波数可変を得た．加えて，電子銃のカソードとアノード間電圧を掃引して電子ビームのピッチファクターを変えることにより0.4GHz程度の周波数可変を実現した．これらの周波数可変動作は理論的予測とほぼ一致しており，空胴共振器の新規設計に向けて重要な見通しを得た．問題点として，電子銃のピッチファクターを上げた場合に，その分散が50 %以上になり発振の不安定性や周波数可変幅の飽和が見られた．研究計画では，過去に設計された電子銃を用いる予定であったが，この問題を改善するためには電子銃の新規設計が不可欠である．本研究での電子銃設計に先立ち，電子軌道計算コードEGUNによる203GHzコンパクトジャイロトロンの電子銃設計を行った．計算結果では，ピッチファクターの分散を3%と非常に低い値で実現することに成功しており，本研究の為の電子銃設計においても同解析により低分散を実現することが可能と予想される．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
研究目標である394GHz近傍にて周波数可変幅2GHz，最大出力100W以上の周波数連続可変ジャイロトロンの開発に向けて，現在までに100 Wを得ることが出来た．しかし，周波数連続可変幅は1.1GHzと目標値よりもまだ狭い．現行のTE0,6モードの場合，強磁場側に隣接するTE7,4モードの励起によって周波数可変幅は1.6GHz程度で上限となってしまう．その為，現行のTE0,6モードによる更なる周波数連続可変幅の向上は難しく，別の発振モードの選定を行う必要がある．そこで，新たにTE7,3モードを選択する．TE7,3モードの強磁場側隣接モードはTE15,1モードであるが，0.5 Tと十分に離れており周波数連続可変幅を約2GHzに向上させることが可能と期待される．また，ピッチファクターが約2.0にてピッチファクターの分散が10%以下の高性能電子銃が不可欠である．現有の電子銃では，電子銃周りに設置してビーム半径を制御する既存の補助磁場コイルの制限により，TE7,3モードを励起するために必要なビーム半径0.91mmを得ることが出来ない．ピッチファクターの分散も50%以上と非常に大きくなるため不適合である．その為，ジャイロトロンの高性能化のためには電子銃の新規設計を現在行っている．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成24年度では，初旬に電子銃の設計を完了させ発注を行う．電子銃の目標性能は，ピッチファクター1.5から2.5の領域において，ピッチファクターの分散が10%以下とする．電子銃設計は，前年度より所属機関に新たに導入された数値解析コードEGUNを用いて行い，電子ビーム性能の数値評価を行う．電子銃の納品後に動作試験を開始する．ジャイロトロン製作に必要な各種コンポーネントは電子銃を除いて購入済み，一部製作中である．データ収集用として，絶縁高速8チャンネルデータロガーを購入済みである． 実験結果の妥当性を考察する為には，数値解析による共振器形状の最適化研究も進めていく必要がある．現在使用されている数値計算は，一般的なジャイロトロン用に整備されたものであり，後進波と電子ビームとの相互作用効果も含むコードへと改良を行う．数値計算からは，発振開始電流，モード結合率，Q 値，発振出力，発振周波数の評価を行う． ジャイロトロン製作完了後は，ジャイロトロンの基本動作パラメータ（カソード電圧，アノード電圧，ビーム電流，磁場強度）に対する周波数連続可変幅と出力の依存性，縦モードの発振開始電流特性について測定を行う．出力測定用の焦電型検出器及び水負荷測定器，周波数測定用のシンセサイザーやスペクトラムアナライザ，ハーモニックミキサーは，既存品を使用する．周波数連続可変幅および発振出力は，空胴共振器の長さや共振器出口のテーパー角によって影響を受けると考えられる．その為，平成24年度後半から平成25年度に掛けて，テーパー角が同じで空胴共振器長が異なる条件，空洞共振器長が同じでテーパー角が異なる条件での発振特性を詳細に調べ，数値解析との比較を行う．
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
平成24年度では，電子銃の新規購入を行う．物品の見積もり価格は，約180万円となっており，前年度の繰越金との合算により購入する．入れ替え用の空胴共振器の製作費は，5万円程度となる．本研究で得られる成果を報告する国際学会に参加する旅費として，25万円を計上する．平成25年度は，入れ替え用の空胴共振器の製作費として10万，残高を旅費および論文投稿料とする．
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[Journal Article] Research Activities on Far Infrared Technologies in FIR FU2012
Author(s)
T.Saito, E.Estacio, Y.Fujii, T.Furuya, T.Idehara, R.Ikeda, S.Mitsudo, J.C.Mudiganti, I.Ogawa, C.T.Que, M.Tani, Y.Tatematsu, Y.Yamaguchi, and K.Yamamoto
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Journal Title
Proceedings of The 4th International Workshop on Far-Infrared Technologies 2012 (IW-FIRT 2012)
Volume: 2012
Pages: 3-5
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[Journal Article] Development of gyrotrons with an internal mode convertor, Gyrotron FU CW G-series2012
Author(s)
Y.Tatematsu, Y.Yamaguchi, T.Idehara, T.Ozeki, T.Kawase, H.Kato, J.Aiba, R.Ikeda, T.Kanemaki, I.Ogawa, and T.Saito
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Journal Title
Proceedings of The 4th International Workshop on Far-Infrared Technologies 2012 (IW-FIRT 2012)
Volume: 2012
Pages: 34-41
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[Journal Article] Development of high power sub-THz pulse gyrotrons2012
Author(s)
N.Yamada, T.Saito, Y.Tatematsu, S.Ikeuchi, Y.Yamaguchi, R.Ikeda, I.Ogawa, T.Idehara, S.Ogasawara, S.Kubo, T.Shimozuma, K.Tanaka, M.Nishiura and V.N.Manuilov
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Journal Title
Proceedings of The 4th International Workshop on Far-Infrared Technologies 2012 (IW-FIRT 2012)
Volume: 2012
Pages: 228-231
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[Journal Article] Development of Gaussian beam output gyrotrons FU CW GI and FU CW GII2011
Author(s)
Y.Tatematsu, Y.Yamaguchi, T.Idehara, T.Ozeki, N.Yamada, R.Ikeda, T.Kawase, J.Aiba, H.Kato, T.Kanemaki, I.Ogawa and T.Saito
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Journal Title
Proceedings of the 36th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves
Volume: 2011
Pages: Th2A.5.1
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[Journal Article] Application of Continuously Frequency-Tunable Sub-MMW Gyrotron to Dynamic Nuclear Polarization at 14.1 T and 30 K for NMR2011
Author(s)
T.Fujiwara, Y.Matsuki, K.Ueda, T.Idehara, R.Ikeda, K.Kosuga, S.Nakamura, M.Toda, and T.Anai
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Journal Title
Proceedings of the 36th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves
Volume: 2011
Pages: Th4B.5.1
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[Journal Article] Design of a 394.6 GHz Compact Gyrotron FU CW CI for 600 MHz DNP-NMR Spectroscopy2011
Author(s)
J.C.Mudiganti, T.Idehara, Y.Tatematsu, R.Ikeda, Y.Yamaguchi, T.Saito, I.Ogawa, S.Mitsudo, T.Fujiwara, Y.Matsuki, and K.Ueda
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Journal Title
Proceedings of the 36th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves
Volume: 2011
Pages: Tu5.8.1
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