ミリ波ビームモニターを用いたコルゲート導波管内伝搬大電力ミリ波のモード分析

2013 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 24560066
• 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)
• 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

Research Abstract

本研究の目的は、核融合プラズマ等の加熱に用いられるメガワット級大電力定常ミリ波を低損失で長距離伝送するためのオーバーサイズコルゲート導波管伝送系において、伝送損失の増大を招くミリ波ビームのミスアアラインメントや他モードへのモード変換を極力おさせるため、リアルタイムでミリ波ビームのパワー分布をモニターでき、さらにはそのモード成分を分析できる方法を開発することである。そのために、前年度には、無擾乱でミリ波の強度分布を測定できるミリ波強度分布モニターシステムを製作した。本ミリ波強度分布モニターは、導波管経路を90度偏向するマイターベンド部において、その反射板背面に取り付けられた直列結線された52個のペルチェ素子アレイと、それを駆動する定電流電源、各ペルチェ素子の端子間電圧を取得するためのAD変換器から構成されているものである。平成25年度は、本モニターを、ネットワークから制御、データ取得できるように、データー収集・解析用ワークステーションとソフトウェアLabViewを調達し、ビーム強度分布モニターの駆動とデータ収集のためのソフトウェアの開発を進めた。併行して、得られた各ペルチェ素子電圧から反射面での温度分布を求める方法、及びビームに含まれるモード成分を解析するための方法を考察した。実機クラスのミリ波強度分布モニターでは、コルゲート導波管内を真空にするため、反射板厚は最低3mm程度が必要であり、反射面での発生熱は、面に垂直方向だけでなく、面内方向にも広がり、発熱分布に誤差が生じることになる。この点については、熱伝導方程式のグリーン関数を用いることによってもともとの発生熱分布を求める方法を検討している。モード成分分析についても、感熱紙データを用いた分析法を変更することにより、モード分析が同様に可能である事が分かってきた。以上の結果を国際、国内会議において報告した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

平成25年度は、高空間分解能ペルチェ素子52素子よりなるミリ波強度分布モニターを用いて、円形のヒーターを模擬熱源としてデータの取得を取得し、得られたデータより温度分布を反映したデータを得るための手続きを検討した。実機ミリ波強度分布モニターは、厚さ3mmのマイターベンド反射板上に構築されているため、発生熱は、面と垂直方向だけでなく面内方向にも拡散してしまい、測定時間によっては温度分布に広がりをもってしまう。そこでデータ解析法として、ペルチェ素子の電圧変化が最も早く現れる素子において、変化のタイミングを基準とし、その時刻において、すべての素子について規格化された電圧変化率を求めることにより、おおよそ温度分布を反映した信号のマッピングができることが判明した。このマッピングデータは、模擬熱源の位置をおおよそ反映するものになった。他方、ミリ波強度分布モニターの信号よりモード成分分析を行う方法について、既に研究されている感熱紙を用いた方法を拡張し、本分布モニターによる実験によって得られた分布信号と、HE11モードを主モードとしいくつかの低次のモード成分の重ね合わせた分布（但しその成分比は未知数）との最適化フィッティングにより、モード成分を決定する方法を検討している。今後の課題としては、ミリ波分布モニターの信号より、一層正確に温度分布を求めるために、熱伝導方程式のグリーン関数を用いて反射面表面での温度分布と、ペルチェ素子での信号とを関連づける方法を検討すること、及び最適化フィッテュングによるモード成分分析の方法を確立すること、ジャイロトロンを用いた大電力ミリ波伝送を用いた実機試験が残されている。

Strategy for Future Research Activity

本年度は、得られた分布データからモード成分を分析する最適化フィッティング法の高精度化を中心に進める。併行して、昨年度調達した解析用ワークステーション、及びソフトウエアを用いて、複数台のミリ波強度分布モニターの遠隔制御、データー収集システムの構築を進める。取得されたデータの処理方法について、熱伝導方程式のグリーン関数を用いて、ミラー反射面での温度分布に焼き直す方法を検討して、データー解析の高精度化を図る。
得られた結果は、国内学会及び国際会議等で発表する。また論文としてまとめる。高電力ミリ波を用いた実際のコルゲート導波管での試験は、システムのプラズマ実験での使用スケジュール (11月から2月に使用予定)を考慮して調整する必要がある。

Research Products

• [Journal Article] Spectrum response and analysis of 77-GHz band collective Thomson scattering diagnostic for bulk and fast ions in LHD plasmas (2014)
  • Author(s): M. Nishiura, S. Kubo, K. Tanaka, R. Seki, S. Ogasawara, T. Shimozuma, K. Okada, S. Kobayashi, T. Mutoh, K. Kawahata, T. Watari, LHD experiment group, T. Saito, Y. Tatematsu, S. B. Korsholm, M. Salewski
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 54 Pages: 023006-1 -10
  • DOI: 10.1088/0029-5515/54/2/023006
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High Harmonic ECH Experiment for Extension of Heating Parameter Regime in LHD (2013)
  • Author(s): T. Shimozuma, H. Takahashi, S. Kubo, Y. Yoshimura, H. Igami, M. Nishiura, S. Ogasawara, R. Makino, H. Idei, N. Marushchenko, Y. Turkin, T. Muto
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 8 Pages: 2402073-1 -5
  • DOI: 10.1585/pfr.8.2402073
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Experiment for Over 200 kW Oscillation of a 295 GHz Pulse Gyrotron (2013)
  • Author(s): Y. Yamaguchi, T. Saito, Y. Tatematsu, S. Ikeuchi, J. Kasa, M. Kotera, I. Ogawa, T. Idehara, S. Kubo, T. Shimozuma, M. Nishiura and K. Tanaka
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 8 Pages: 1205165-1 -3
  • DOI: 10.1585/pfr.8.1205165
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optimization of Megawatt 77-GHz Gyrotron Operation for Collective Thomson Scattering in LHD (2013)
  • Author(s): S. Ogasawara, S. Kubo, M. Nishiura, Y. Tatematsu, T. Saito, K. Tanaka, T. Shimozuma, Y. Yoshimura, H. Igami, H. Takahashi, S. Ito, R. Makino, S. Kobayashi, Y. Mizuno, K. Okada, R. Minami, T. Kariya, T. Imai
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 8 Pages: 2402069-1 -4
  • DOI: 10.1585/pfr.8.2402069
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electron Bernstein wave heating by electron cyclotron wave injection from the high-field side in LHD (2013)
  • Author(s): Y. Yoshimura, H. Igami, S. Kubo, T. Shimozuma, H. Takahashi, M. Nishiura, S. Ohdachi, K. Tanaka, K. Ida, M. Yoshinuma, C. Suzuki, S. Ogasawara, R. Makino, H. Idei, R. Kumazawa, T. Muto, H. Yamada
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 53 Pages: 063004-1 -4
  • DOI: 10.1088/0029-5515/53/6/063004
  • Peer Reviewed
• [Presentation] LHDにおけるECHシステムの高性能化と 大電力アップグレード計画 (2013)
  • Author(s): 下妻 隆, 久保 伸, 吉村 泰夫, 伊神 弘恵, 高橋 裕 己, 西浦 正樹, 小笠原 慎弥, 牧野 良平, 小林 策治, 伊藤 哲, 水野 嘉識, 岡田 宏太, 南 龍太郎, 假家 強, 今井 剛, 武藤 敬
  • Organizer: プラズマ・核融合学会 第30回年会
  • Place of Presentation: 東京工業大学
  • Year and Date: 20131203-20131206
• [Presentation] Experimental and Ray-Tracing Study of the Third Harmonic Electron Cyclotron Resonance Heating in LHD (2013)
  • Author(s): T. Shimozuma, H. Takahashi, S. Kubo, Y. Yoshimura, H. Igami, M. Nishiuraa, S. Ogasawara, R. Makino, M. Osakabe, K. Nagasaki, N.B. Marushchenko, Y. Turkin and T. Mutoh
  • Organizer: 23nd International Toki Conference
  • Place of Presentation: Toki, Japan
  • Year and Date: 20131118-20131121
• [Presentation] Upgrade of Mega-Watt ECRH System and Its Contribution to Performance Improvement of LHD Plasmas (2013)
  • Author(s): T. Shimozum, H. Takahashi, S. Kubo, Y. Yoshimura, H. Igami, M. Nishiura, S. Ogasawara, R. Makino, S. Ito, Y. Mizuno, K. Okada, S. Kobayashi, T. Mutoh, R. Minami, T. Kariya and T. Imai
  • Organizer: Workshop on RF Heating Technology of Fusion Plasmas 2013
  • Place of Presentation: Speyer, Germany
  • Year and Date: 20130909-20130911
• [Presentation] Installation of a 154 GHz Mega-Watt Gyrotron and Its Contribution to the Extension of Plasma Parameter Regime in LHD (2013)
  • Author(s): T. Shimozumaa, H. Takahashia, S. Itoa, S. Kuboa, Y. Yoshimuraa, H. Igamia, M. Nishiuraa, S. Ogasawarab, R. Makinob, Y. Mizunoa, K. Okadaa, S. Kobayashia, T. Mutoha, R. Minamic, T. Kariyac and T. Imai
  • Organizer: The 38th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves IRMMW-THz 2013
  • Place of Presentation: Mainz, Germany.
  • Year and Date: 20130901-20130906