2014 Fiscal Year Annual Research Report
大電力テラヘルツジャイロトロンの開発と発振ダイナミクスの研究
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25249135
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
坂本 慶司 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 核融合研究開発部門 那珂核融合研究所, 研究員 (90343904)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
假家 強 筑波大学, 数理物質科学研究科(系), 准教授 (30451678)
小田 靖久 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 核融合研究開発部門 那珂核融合研究所, 研究員 (60512209)
高橋 幸司 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 核融合研究開発部門 那珂核融合研究所, 研究員 (70354644)
南 龍太郎 筑波大学, 数理物質科学研究科(系), 講師 (70370476)
今井 剛 筑波大学, 数理物質科学研究科(系), 教授 (80354637)
梶原 健 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 核融合研究開発部門 企画調整室, 研究員 (90450311)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | テラヘルツジャイロトロン / 300GHz / TE32,18モード |
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| Outline of Annual Research Achievements |
テラヘルツ帯ジャイロトロンを製作し、その発振実験を開始した。本ジャイロトロンは、円筒電子ビームを発生する電子銃、電子ビームのエネルギーをサイクロトロン共鳴をメーザーの原理でテラヘルツ波を発生させるための空洞共振器、発振相互作用を終えた電子ビームを吸収するとともに、発振したテラヘルツ波を伝送させる役割を持つコレクタ、テラヘルツ波を外部に出力するためのアルミナ製の出力窓から構成される。全長は約2mである。室温ボア径が120mmの超伝導ソレノイドコイルに挿入するため、ジャイロトロンの電子銃から空洞共振器までの外形は120mm以下となっている。空洞共振器は円筒型のオープン空洞型である。共振モードTE32,18を励起することにより300GHz帯の発振が得られる設計とした。このモードを採用することにより、共振器としての内径が31.6mmまで広がるため、300GHz／0.5MW発振において、空洞共振器への熱負荷を連続出力に耐えうるレベルまで抑制する事ができる。電子エミッターと空洞共振器の距離は520mmであり、磁場のミラー効果を利用し、共振器部で回転速度/進行速度=1.2程度の回転電子ビームを得る設計となっている。電子ビームのエネルギーは60keV~80keVを想定している。実験では、短パルスの大電力電源（電圧80kV、~電流40A、パルス幅2m秒程度）を用い、まずビームコンディショニング、精密な軸合わせを行いテラヘルツ波が発振できることを確認した。次に、空洞磁場、電子銃磁場、ビーム電圧をパラメータとして発振領域の詳細なスキャンを行なった。その結果、これまでに、周波数300GHz近傍において500kW以上の出力を得た。発振モードは周波数分析、出力パターン測定より、目的のTE32,18モードであることを同定した。このTE31,18クラスの超高次モードによる単一モード発振は世界初の成果である。
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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
TE32,18モードという前例のない高次の共振モードを用いた300GHzで500kWの発振を達成できた。これは本研究におけるジャイロトロン出力の目標を達成するものであり、順調に進展していると言える。このクラスの高次モードによるオープン空洞共振器での発振はこれまで例がなく、複数モードによる同時発振や発振の不安定性等が懸念されたが、その現象は観測されておらず、予想以上に良好な結果が得られている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、詳細な運転パラメータのスキャンによる発振特性に関するデータ取得を行なう。また、発振開始時の発振ダイナミクスに関するデータ取得を行い、シミュレーションとの比較を行なう。さらに空洞共振器の径を広げ、大電力出力可能な高次モードによる発振ダイナミクスの研究にも着手する予定である。
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Research Products
(3 results)
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[Presentation] Study of Sub-Terahertz high power gyrotron for ECH&CD system of DEMO2015
Author(s)
Keishi Sakamoto, Tsuyoshi Kariya, Yasuhisa Oda, Ryutaro Minami, Ryosuke Ikeda, Ken Kajiwara, Takayuki Kobayashi, Koji Takahashi, Shinichi Moriyama, Tsuyoshi Imai
Organizer
2015 IEEE International Conference on Plasma Science
Place of Presentation
Turkey, Antalya
Year and Date
2015-05-27
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[Presentation] Preliminary result of 300GHz short pulse high order mode gyrotron2014
Author(s)
Keishi Sakamoto, Yasuhisa Oda, Tsuyoshi Kariya, Ryutaro Minami, Ryosuke Ikeda, Ken Kajiwara, Koji Takahashi, Kazuo Hayashi, Tsuyoshi Imai
Organizer
39th International Conference on Infrared, Millimeter wave, and Terahertz waves
Place of Presentation
Tuson, USA
Year and Date
2014-09-17
