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

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25249135
• Research Institution: National Institute of Radiological Sciences
• Principal Investigator: 坂本 慶司 国立研究開発法人放射線医学総合研究所, 六ヶ所核融合研究所 核融合炉材料研究開発部, 部長 (90343904)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 假家 強 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (30451678) ; 小田 靖久 国立研究開発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, 研究職 (60512209) ; 高橋 幸司 国立研究開発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, 研究主幹 (70354644) ; 南 龍太郎 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (70370476) ; 今井 剛 筑波大学, 数理物質系, 教授 (80354637) ; 小林 貴之 国立研究開発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, 研究職 (10465974)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: テラヘルツジャイロトロン / 300GHz / TE32,18モード / 500kW

Outline of Annual Research Achievements

テラヘルツジャイロトロンの発進特性の研究を進めた。前年度までの研究で、周波数300GHz(0.3テラヘルツ)で、高次モードTE32,18モードにおいて目的である出力500kWの発進を実証した。今回広いパラメータ範囲でその発進特性を研究した。空洞共振器の磁場をスキャンすることにより発振モードを制御するとともに、電子銃磁場を制御し、電子ビーム位置とピッチファクタを最適化することにより、発振出力と効率の最大化を図った。電力測定は、ジャイロトロン出力窓外部に取り付けた、炭化ケイ素（SiC）をRF吸収体としたダミーロードの冷却水温度上昇から同定した。周波数測定は、スペクトルアナライザーおよびハーモニックミキサーを用いたヘテロダイン測定によって同定した。また、出力窓上に感熱紙を置くことにより、出力モードパターンを測定した。出力窓は300GHzで反射率が０％となるよう設計されている。実験の結果、目的のTE32,18モードは観測されたものの、より広い範囲で競合のTE30,19モードが観測された。これは、TE30,19モードは窓で23%のRF電力が反射されるため、共振器と窓の間でRFが閉じ込められた結果、共振器におけるQ値が上昇し、より強い電子ビームとTE30,19モードの相互作用が生じ、TE32,12モードの発振が抑制されたものと考えられる。そこで、出力窓上にSiO2製のディスクを乗せた。これにより、逆に競合モードTE30,19の反射が2%に抑えられ、目的モードの反射が23%となる。この結果、目的モードの発振領域が大きく拡大した。これまでに得られた各モードの最大電力は、299.84GHz(TE32,18)で522kW、295.65GHz(TE31,18)で542kW、301.8GHz (TE30,19)で528kW であり、20%を超える発振効率が得られた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

計画していた空胴共振器における共鳴磁場と電子ビーム位置をパラメータとした発振マップを取得した。モード間の競合は確認されたが、それぞれのモードで単独発振を維持していることを実証した。複数のモードで出力500kWを達成し、TE32,18モードなどの高次モードを発振モードとしたジャイロトロンの、大電力テラヘルツ源としての実用化に見通しを得た。

Strategy for Future Research Activity

今回の研究で、出力窓にSiO2ディスクを置くことにより、発振領域の大きな変化が見られた。これは、出力窓が軸と垂直であるために、反射波が同じモードを維持して共振器に戻り、さらに共振器で反射される結果、出力窓と共振器の間でこのモードが補足され、共振器のQ値が変化し、発振に影響を与えたものと考えられる。そこで、今後はこの出力窓からの反射波の影響を抑えた実験を行う。そのために、反射窓を傾ける機構を設けて反射波のモードを変化させ、特定モードが閉じ込められる現象を避ける実験を行う。これによりジャイロトロン共振器のQ値が変化しない状況を作り、本来のQ値を持つ共振器条件における発振特性の研究を行う予定である。

Research Products

• [Journal Article] Development of gyrotrons for fusion with power exceeding 1 MW over at wide frequency range (2015)
  • Author(s): T. Kariya, T. Imai, R. Minami, T. Numakura, T. Eguchi, T. Kato, Y. Endo, M. Ichimura, T. Shimozuma, S. Kubo, H. Takahashi, Y. Yoshimura, H. Igami, S. Ito, T. Mutoh, K. Sakamoto, H. Idei, H. Zushi, K. Nagasaki, F. Sano, M. Ono, Y. Mitsunaka
  • Journal Title: Nucl. Fusion Volume: 55 Pages: 093009
  • DOI: 10.1088/issn.0029-5515
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] ＤＥＭＯ炉用３００ＧＨｚジャイロトロンの開発 (2015)
  • Author(s): (3)假家強, 小田靖久, 南龍太郎, 津村康平, 池田亮介, 梶原健, 高橋幸司, 林一生, 今井剛, 坂本慶司
  • Organizer: 第32回プラズマ・核融合学会 年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学東山キャンパス
  • Year and Date: 2015-11-24 – 2015-11-27
• [Presentation] Progress of 300 GHz high order mode gyrotron development (2015)
  • Author(s): (1)Yasuhisa Oda, Tsuyoshi Kariya, Ryutaro Minami, Ryosuke Ikeda, Ken Kajiwara, Koji Takahashi, Kazuo Hayashi, Tsuyoshi Imai, Keishi Sakamoto
  • Organizer: 40th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2015) (Hong Kong, 23 - 28 August 2015) TS-68
  • Place of Presentation: 香港
  • Year and Date: 2015-08-23 – 2015-08-28
  • Int'l Joint Research