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

2014 Fiscal Year Annual Research 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)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: コルゲート導波管 / 大電力ミリ波 / 伝搬モード分析 / マイターベンド / ペルチェ素子 / ジャイロトロン / 核融合

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、直径が波長よりはるかに大きいオーバーサイズの円形コルゲート導波管を用いて伝送される定常大電力ミリ波（1MW以上、100GHz帯）の導波管中における伝搬ミリ波の強度分布及びビーム中心位置を、擾乱を与えることなく実時間で熱的に計測するシステムを構築すること、さらに得られたそれらの強度分布データのみにより、位相再構成法及び最適化フィッティング法等により、導波管内の伝搬モード成分分析を行い、真空化された大電力のミリ波導波管における伝送効率の向上を図るための重要な情報を得ること可能にすることである。
真空に排気された伝送系中に複数個存在する90度マイターベンドのミリ波反射板の大気側に、52個の直列に結合されたペルチェ素子アレイを取り付け、定電流で動作させ、発生熱を除去すると同時に、それらの電圧変化分からマイターベンド反射板の温度情報を収集し、導波管中の伝搬ミリ波の強度中心及び分布を求め、さらに伝搬モード成分を分析できるシステムを提案し構築した。これらのシステムを伝送系中に複数箇所設置できるようにネットワーク上で本分布モニター装置を制御できるように構築している。これまで、円形ヒーターを模擬熱源として使い、入熱分布を反映するような電圧データの処理方法を検討した。
平成26年度には、実機1MWのジャイロトロン出力を使い、実際に導波管中のパワー分布が測定できるかを試みた。その結果、上記のデータ処理法で取得した信号パタンは、反射板を取り外し感熱紙を用いて取得したパタンに良く一致し、本研究で開発したビーム位置、分布モニタの有効性を示すことができた。同時に信号のパワー線形性も確認できた。また冷却性能としては数百キロワット定常の運転に使用できることが分かった。以上の内容は、いくつかの国際会議で発表するとともに、論文としてまとめ現在投稿中である。

Research Products

• [Journal Article] Development of a Millimeter-Wave Beam Position and Profile Monitor for Transmission Efficiency Improvement in an ECRH System (2015)
  • Author(s): T. Shimozuma, S. Kobayashi, S. Ito, Y. Ito, S. Kubo, Y. Yoshimura, M. Nishiura, H. Igami, H. Takahashi, Y. Mizuno, K. Okada, and T. Mutoh
  • Journal Title: EPJ Web of Conferences Volume: 87 Pages: 04011 -1 -6
  • DOI: 10.1051/epjconf/20158704011
  • Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Power and polarization monitor development for high power millimeter-wave (2014)
  • Author(s): R. Makino, S. Kubo, K. Kobayashi, S. Kobayashi, T. Shimozuma, Y. Yoshimura, H. Igami, H. Takahashi, T. Mutoh.
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 85 Pages: 11D831
  • DOI: 10.1063/1.4891162
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Extension of high Te regime with upgraded electron cyclotron resonance heating system in the Large Helical Device, Extension of high Te regime with upgraded electron cyclotron resonance heating system in the Large Helical Device (2014)
  • Author(s): H. Takahashi, T. Shimozuma, S. Kubo, Y. Yoshimura, H. Igami, S. Ito, S. Kobayashi, Y. Mizuno, K. Okada, T. Muto, K. Nagaoka, S. Murakami, M. Osakabe, I. Yamada, H. Nakano, M. Yokoyama, T. Ido, A. Shimizu, R. Seki, K. Ida, M. Yoshinuma, T. Kariya, R. Minami, T. Imai
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 21 Pages: 061506 -1 -8
  • DOI: 10.1063/1.4884365
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electron cyclotron beam measurement system in the Large Helical Device (2014)
  • Author(s): S. Kamio, H. Takahashi, S. Kubo, T. Shimozuma, Y. Yoshimura, H. Igami, S. Ito, S. Kobayashi, Y. Mizuno, K. Okada, M. Osakabe and T. Mutoh
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 85 Pages: 11E822-1, -3
  • DOI: 0.1063/1.4893432
  • Peer Reviewed
• [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. Muto, K. Kawahata, T. Watari, T. Saito, Y. Tatematsu, S. Korsholm, M. Salewski
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 54 Pages: 023006 -1 -10
  • DOI: 10.1088/0029-5515/54/2/023006
  • Peer Reviewed
• [Presentation] High Power Test of a Real-Time High-Resolution Millimeter-Wave Beam Profile Monitor in a Mega-Watt CW ECH Transmission Line (2014)
  • Author(s): T. Shimozuma, S. Kobayashi, S. Ito, Y. Ito, S. Kubo, Y. Yoshimura, H. Igami, H. Takahashi, T. Ii, Y. Mizuno, K. Okada, and T. Mutoh
  • Organizer: Plasma Conference 2014
  • Place of Presentation: Niigata, Japan
  • Year and Date: 2014-11-18 – 2014-11-21
• [Presentation] Optimization of High Harmonic ECRH Scenario to Extend a Heating Plasma Parameter Range in LHD (2014)
  • Author(s): T. Shimozuma, H. Igami, S. Kubo, Y. Yoshimura, H. Takahashi, M. Osakabe, T. Mutoh, M. Nishiura, H. Idei, K. Nagasaki, N. Marushchenko and Y. Turkin
  • Organizer: 25th IAEA Fusion Energy Conference
  • Place of Presentation: St. Petersburg, Russia
  • Year and Date: 2014-10-13 – 2014-10-18
• [Presentation] Recent Progress of the ECRH System and Experiment in the Large Helical Device (2014)
  • Author(s): T. Shimozuma, S. Kubo, Y. Yoshimura, H. Igami, H. Takahashi, T. Ii, M. Nishiura, R. Makino, S. Ito, Y. Mizuno, K. Okada, S. Kobayashi, T. Mutoh, R. Minami, T. Kariya and T. Imai
  • Organizer: 2014 US-EU-JPN Workshop on RF Heating Technology
  • Place of Presentation: Sedona,AZ,USA
  • Year and Date: 2014-09-22 – 2014-09-24
• [Presentation] Development of a High Power 300 GHz Band Gyrotron for Collective Thomson Scattering Diagnostics in LHD (2014)
  • Author(s): T. Saito, Yamaguchi, Y. Tatematsu, J. Kasa, M. Kotera, T. Idehara, S. Kubo, T. Shimozuma, K. Tanaka , M. Nishiura
  • Organizer: The 9th Int. Workshop “Strong Microwaves and Terahertz Waves: Sources and Applications
  • Place of Presentation: Nizhny Novgorod, Russia
  • Year and Date: 2014-07-24 – 2014-07-30
• [Presentation] Development of a Millimeter-Wave Beam Position and Profile Monitor for Transmission Efficiency Improvement in an ECRH System (2014)
  • Author(s): T. Shimozuma, S. Kobayashi, S. Ito, Y. Ito, S. Kubo, Y. Yoshimura, M. Nishiura, H. Igami, H. Takahashi, Y. Mizuno, K. Okada, and T. Mutoh
  • Organizer: 18th Workshop on Electron Cyclotron Emission and Electron Cyclotron Resonance Heating
  • Place of Presentation: Nara, Japan
  • Year and Date: 2014-04-22 – 2014-04-25