2015 Fiscal Year Annual Research Report
高出力サブテラヘルツジャイロトロンの実現－新規高効率発振機構の適用－
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25247094
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| Research Institution | University of Fukui |
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Principal Investigator |
斉藤 輝雄 福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 教授 (80143163)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山口 裕資 福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 特命助教 (10466675)
立松 芳典 福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 准教授 (50261756)
久保 伸 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (80170025)
田中 謙治 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (50260047)
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| Project Period (FY) |
2013-10-21 – 2017-03-31
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| Keywords | ジャイロトロン / テラヘルツ / プラズマ計測 / 協同トムソン散乱 / LHD / 国際研究者交流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究を開始した平成25年度において、製作済みのプロトタイプジャイロトロンを用いて、前半の200 kW以上の出力確認に続いて、後半では、ジャイロトロンの設置位置調整と運転条件の最適化により、ビーム電圧65 kV、ビーム電流11 Aにおいて最高出力234 kWを達成した。さらに内蔵モードコンバータの動作と狭帯域な発振周波数スペクトルを確認した。平成26年度には、ビーム電圧65 kV、ビーム電流14 Aにおいて最高出力246 kWを達成した。これにより、サブテラヘルツ帯において高出力ジャイロトロンを実現するための設計コンセプトの妥当性を実証した。この結果を学術論文として公表した。また、平成26年度では目標のCTS計測に適用するための実機ジャイロトロンの設計・製作を完了した。
平成27年度早期から発振試験を行い、出力290 kWを達成して、世界のジャイロトロン研究者の多くが参加する国際会議で発表するとともに、学術論文として公表した。さらに高出力化試験を行い、320 kW以上の出力実証に成功した。しかも、モード競合なく効率30%以上で単独発振が得られている。300 kW以上の0.3 THz帯のジャイロトロンにおいて、この高効率を達成した意義は大きい。
CTS計測には、光源とともに伝送系が必要であり、核融合研で設置済みのコルゲート導波管を使用予定である。平成27年度も伝送試験を継続した。しかし、既存の導波管系では伝送効率が低くなることがわかった。そこで、300 GHz 帯に最適化したコルゲート導波管を設計・導入し、平成28年度早期に伝送試験を行える準備を完了した。また、核融合科学研究所との共同研究を通して受信系の保護に不可欠のノッチフィルターを設計・製作した。
以上により、CTS計測実現に向けた年次計画を進める。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究実績の概要欄で示したように、プロトタイプ管において約250 kW以上を達成し、サブテラヘルツ帯ジャイロトロンにおいて安定な高出力発振を得るための設計概念の妥当性を実証した。この知見に基づいて実機ジャイロトロンを設計・製作し、発振試験において目標出力300 kWを超える結果を得た。次年度では、さらに高出力を目指す実験や長パルス・高繰り返し試験可能になっている。伝送系の準備にも着手し、初期結果に基づいて、300 GHz帯に最適化したコルゲート導波管の設計・製作も完了している。当初困難が予想されたノッチフィルターは、核融合科学研究所との共同研究を通して製作することができた。
発振試験において、懸念されたモード競合なく、高効率発振条件が実現出来ている。これはサブテラヘルツ帯の高出力ジャイロトロンとして、極めて良好な特性である。ジャイロトロンの設計時は、パルスの立ち上がり時の陰極電圧は瞬時に定格値まで上がると仮定して計算していたが、実際には有限時間で定格値まで上昇する。そこで、国際共同研究を通して有限時間で電圧が上昇する効果を取り入れた理論・シミュレーション計算を行い、実験結果が説明できることを示し、学術論文として公表した。これは、本課題の目的の1つに挙げている、高出力サブテラヘルツジャイロトロンにおけるモード間相互作用・発振の動的過程など、本研究でしか得られない学術的知見の集積と、これらの結果の普遍化に向けた成果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初のロードマップに沿って研究を進める。
平成27年度においてすでに300 kW以上の出力・発振効率30%以上を達成しているが、平成28年度は、更なる高出力化および長パルス・高繰り返し試験を行い、CTS計測への適用性を確認する。特に、発振パルス幅中の周波数変化を計測する。ここで重要なことは、単に高出力達成の確認ではなく、高出力サブテラヘルツ帯ジャイロトロンの物理と設計手法の学術的知見への貢献である。更なる高出力化時のモード競合の有無の見極め、発振の安定度、複数モード発振に対する2重真空窓の効果実証などである。さらに、本研究では、サブテラヘルツ帯ジャイロトロンの高出力安定発振実現のために必要な高品質電ビームを実現する電子銃を独自の手法に基づいて設計している。ジャイロトロンの特性試験を通して、電子銃の動作解析を行う。これらの研究を通して、高出力サブテラヘルツ帯ジャイロトロンのモード間相互作用・発振の動的過程などの学術的知見の集積・普遍化と、高効率・高出力サブテラヘルツ帯ジャイロトロンの系統的設計手法確立の目的を達成する。
CTS計測には、光源とともに伝送系が必要であり、コルゲート導波管を使用する。平成27年度は、300 GHz 帯の最適パラメーターを決定して試験用導波管を導入した。平成28年度はジャイロトロンを用いて伝送試験を行う。また、受信系の保護用ノッチフィルターの特性試験も行う。LHD装置においては、CTS実験に対するノイズ源である電子サイクロトロン放射強度の測定を試みる。
現時点で、当初計画の再検討や変更する必要はない。最終年度である平成28年度には、ジャイロトロンの詳細特性試験、伝送系の準備を進めて、LHDにおいてCTS計測装置を構築するための基盤を確立する。
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[Presentation] High power 303 GHz gyrotron for CTS in LHD2015
Author(s)
Y. Yamaguchi, J. Kasa, T. Saito, Y. Tatematsu, M. Kotera, S. Kubo, T. Shimozuma, K. Tanaka and M. Nishiura
Organizer
17th International Symposium on Laser-Aided Plasma Diagnostics
Place of Presentation
北海道大学（北海道・札幌市）
Year and Date
2015-10-01
Int'l Joint Research
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