Study of high power terahertz gyrotorn and its oscillatio dynamics

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25249135
• Research Institution: National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology
• Principal Investigator: 坂本 慶司 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 六ヶ所核融合研究所 核融合炉材料研究開発部, 部長(定常) (90343904)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小林 貴之 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 那珂核融合研究所 ITERプロジェクト部, 研究員(定常) (10465974) ; 假家 強 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (30451678) ; 小田 靖久 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 那珂核融合研究所 ITERプロジェクト部, 研究員(定常) (60512209) ; 高橋 幸司 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 那珂核融合研究所 ITERプロジェクト部, 上席研究員(定常) (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(名誉教授), 名誉教授 (80354637)
• 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

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、目的のTE32,18モードにおいて目的である出力500kWの発振を実証した。その一方、TE32,18モードは観測されたものの、より広いパラメータ範囲で競合モードであるTE30,19モードも観測され、むしろ競合モードの方が発振領域が広いという想定外の結果も得られた。この原因として、出力窓は、TE32,18（300GHz）が反射率０％となるよう設計されている一方、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、広い範囲でTE30,19モードが優勢となり、TE32,12モードの発振が抑制されたものと考えた。
これまで出力窓はジャイロトロン軸に対して垂直に設置され、出力窓で反射される場合、同じモードで反射される。その結果、共振器と窓との間で多重反射が生じ、Q値の上昇が起こったものと考えられる。これを防ぐため、ジャイロトロンの出力窓の傾きを調整できる改造を行った。出力窓からの反射波を多くのモードの合成波とすることで、Q値の上昇を防ぐ効果が期待できる。H29年度はその改造ジャイロトロンを用いて窓の傾きを新しいパラメータとして発振特性実験を行った。ジャイロトロンの電子ビーム電圧とビーム電流を固定し、発振部の磁場（サイクロトロン周波数に対応）とビーム位置をパラメータとしてその発振依存性を調べた。出力窓の傾きを1.15度傾けたところ、これまでTE32,18モードの発振が得られなかった領域でもTE32,18モードが得られるようになり、発振効率は約21％で、目標の500kWを上回る最大620kWの出力が達成された。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Development of over-MW gyrotrons for fusion at 14 GHz to sub-THz frequencies (2017)
  • Author(s): T. Kariya, T. Imai, R. Minami, K. Sakamoto, Y. Oda, R. Ikeda, T. Shimozuma, S. Kubo, H. Idei, T. Numakura, K. Tsumura, Y. Ebashi, M. Okada, Y. Nakashima, Y. Yoshimura, H. Takahashi, S. Ito, K. Hanada, K. Nagasaki, M. Ono, T. Eguchi, Y. Mitsunaka
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 57 Pages: 066001
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa6875
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Study of High Power and High Frequency Gyrotron for FusionReactor (2017)
  • Author(s): Keishi Sakamoto, Ryosuke Ikeda, Tsuyoshi Kariya, Yasuhisa Oda, Takayuki Kobayashi, Ken Kajiwara, Kazuo Hayashi, Ryutaro Minami, Koji Takahashi, Tsuyoshi Imai, Shinichi Moriyama
  • Organizer: 42th Int.Conf.on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Status of collaborative Research of Gyrotron Development at University of Tsukuba (2017)
  • Author(s): T. Kariya, R. Minami, T. Imai, T. Numakura, Y. Ebashi, T. Shimozuma, S. Kubo, K. Sakamoto, H. Idei, K. Hanada, T. Eguchi, Y. Mitsunaka, Y. Nakashima
  • Organizer: Plasma Conference 2017
  • Int'l Joint Research