コルゲート導波管内メガワットミリ波分布の可視化とモード分析に基づく伝送効率の向上

• 研究課題/領域番号: 16K06940
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 核融合学
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 下妻 隆 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (80270487)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円); 2018年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円); 2017年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2016年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
• キーワード: 核融合 / プラズマ加熱 / 大電力ミリ波 / ジャイロトロン / コルゲート導波管 / 伝搬モード分析 / マイターベンド / ペルチェ素子 / モード分析 / フィードバック制御 / プラズマ・核融合 / プラズマ対向機器・加熱機器 / 電子サイクロトロン共鳴加熱

研究成果の概要

プラズマ加熱のため、メガワット級のミリ波を低損失で長距離（100メートル以上）伝送できる真空化されたコルゲート導波管系において、伝送されるミリ波のパワー分布を、ほぼリアルタイムで計測できる装置を開発した。それは、導波管系の90度マイターベンド部の反射板部の大気側に、ペルチェ素子アレイを構成し、それらを直列接続して定電流駆動することにより、マイターベンド反射板を冷却すると同時に、各素子の電圧変化からその温度変化の情報を得るものである。さらにペルチェ素子の電圧信号の変化より分布を構成するモード成分の分析する方法を提案し、人為的に合成された伝搬波を使って、モード分析が可能であることを実証した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

将来の核融合発電炉において持続的な発電を達成するためには、水素プラズマを１億度以上まで加熱する必要がある。大きなパワーを持つ高周波数の電磁波（ミリ波）を用いるプラズマの加熱方法では、ミリ波発生装置を核融合炉から十分離れた場所に設置できる利点がある。本研究は、大電力のミリ波を核融合炉から十分離れた場所から低損失で伝送できるコルゲート導波管で、パワー減衰の小さいガウス分布の電界分布を保ったまま100メートル以上伝送するために、導波管系を精密に設置、調整でき、真空化された伝送系内を伝搬するミリ波の状態をほぼリアルタイムで計測できるモニターシステムと伝搬モード分析法を構築することにある。

研究成果

• [雑誌論文] Effect of Electron Cyclotron Current Drive on the Ion Temperature in the Plasma Core Region of the Large Helical Device (2018)
  • 著者名/発表者名: YOSHIMURA Yasuo、EJIRI Akira、SEKI Ryosuke、SAKAMOTO Ryuichi、NAGAOKA Kenichi、SHIMOZUMA Takashi、IGAMI Hiroe、TAKAHASHI Hiromi、TSUJIMURA Toru I.、WARMER Felix、YANAGIHARA Kota、GOTO Yuki、IDA Katsumi、YOSHINUMA Mikiro、KOBAYASHI Tatsuya、KUBO Shin、OSAKABE Masaki、MORISAKI Tomohiro、the LHD Experiment Group
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 13 号: 0 ページ: 1402124-1402124
  • DOI: 10.1585/pfr.13.1402124
  • NAID: 130007543160
  • ISSN: 1880-6821
  • 年月日: 2018-12-20
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Analysis Technique of Millimeter-Wave Propagating Modes in an Oversized Corrugated Waveguide Using Developed Beam Profile Monitors (2018)
  • 著者名/発表者名: SHIMOZUMA Takashi、KOBAYASHI Sakuji、ITO Satoshi、OKADA Kohta、ITO Yasuhiko、YOSHIMURA Yasuo、IGAMI Hiroe、TAKAHASHI Hiromi、TSUJIMURA Toru、MIZUNO Yoshinori、KUBO Shin
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 13 号: 0 ページ: 3405036-3405036
  • DOI: 10.1585/pfr.13.3405036
  • NAID: 130007404693
  • ISSN: 1880-6821
  • 年月日: 2018-05-10
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Real-time control of electron cyclotron wave polarization in the LHD (2018)
  • 著者名/発表者名: Ii Tsujimura T.、Mizuno Y.、Tokuzawa T.、Ito Y.、Kubo S.、Shimozuma T.、Yoshimura Y.、Igami H.、Takahashi H.、Ejiri A.
  • 雑誌名: Fusion Engineering and Design 巻: 131 ページ: 130-134
  • DOI: 10.1016/j.fusengdes.2018.04.062
  • NAID: 120007180021
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of 300 GHz Band Gyrotron for Collective Thomson Scattering Diagnostics in the Large Helical Device (2017)
  • 著者名/発表者名: Teruo SAITO, Yuusuke YAMAGUCHI, Yoshinori TATEMATSU, Masafumi FUKUNARI, Takumi HIROBE, Shunsuke TANAKA, Ryuji SHINBAYASHI, Takashi SHIMOZUMA, Shin KUBO, Kenji TANAKA and Masaki NISHIURA
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 12 号: 0 ページ: 1206013-1206013
  • DOI: 10.1585/pfr.12.1206013
  • NAID: 130006897721
  • ISSN: 1880-6821
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of over-MW gyrotrons for fusion at 14 GHz to sub-THz frequencies (2017)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 号: 6 ページ: 066001-066001
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aa6875
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 核融合炉へ向けた大電力ジャイロトロンの開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 假 家 強，今 井 剛，南 龍 太 郎，津 村 康 平，江 橋 優 斗，岡 田 麻 希， 中 嶋 洋 輔 ， 出 射 浩， 花 田 和 明， 下 妻 隆， 久 保 伸，小 田 靖 久， 池 田 亮 介， 坂 本 慶 司， 小 野 雅 之
  • 雑誌名: J. Plasma Fusion Research 巻: 93 ページ: 146-149
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Comparison between Full Wave and Ray-Tracing Calculations to Examine Scenarios for Electron Bernstein Wave Heating in LHD (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Igami, A. Fukuyama, H. Idei, K. Nagasaki, Y. Goto, S. Kubo, T.Shimozuma, Y. Yoshimura, H. Takahashi, T. Tsujimura, R. Makino
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 11 号: 0 ページ: 2403098-2403098
  • DOI: 10.1585/pfr.11.2403098
  • NAID: 130005395268
  • ISSN: 1880-6821
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Experimental Study on W-Band (75 - 110 GHz) Oversized Surface Wave Oscillator Driven by Weakly Relativistic Electron Beams (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Thu San, K. Ogura, K. Yambe, Y. Annaka, S. Gong, J. Kawamura, T. Miura, S. Kubo, T. Shimozuma, S. Kobayashi, K. Okada.
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 11 号: 0 ページ: 2406085-2406085
  • DOI: 10.1585/pfr.11.2406085
  • NAID: 130005401653
  • ISSN: 1880-6821
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Evaluation of collective Thomson scattering spectra in the LHD (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Nishiura, S. Kubo, K. Tanaka, M. Iizawa, N. Kenmochi, T. Shimozuma, H. Takahashi, T. Saito, LHD experiment group
  • 学会等名: 第74回 日本物理学会(春)
• [学会発表] ECRHミリ波伝送系の伝送効率改善に向けたミリ波ビーム分布モニターの高性能化 (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Shimozuma, S. Kobayashi, S. Ito, Y. Ito, Y. Mizuno, Y. Yoshimura, H. Igami, H. Takahashi, T. Tsujimura, S. Kubo
  • 学会等名: 35th プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] LHDにおける電子サイクロトロン共鳴加熱の最適入射 (2018)
  • 著者名/発表者名: 辻村 亨, 久保 伸, 下妻 隆, 吉村 泰夫, 伊神 弘恵, 高橋 裕己, 長壁 正樹
  • 学会等名: 35th プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] LHDにおける入射EC波の偏波のリアルタイム制御 (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Tsujimura, Y. Mizuno, T. Tokuzawa, Y. Ito, S. Kubo, T. Shimozuma, Y. Yoshimura, H. Igami, H. Takahashi, A. Ejiri, the LHD Experiment Group
  • 学会等名: 第12回 核融合エネルギー連合講演
• [学会発表] Recent progress of the applications of ECRH/ECCD and the supportive technologies in the LHD (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Igami, S. Kubo, T. Shimozuma, Y. Yoshimura, H. Takahashi, T. I. Tsujimura, S. Kobayashi, Y. Mizuno, H. Takubo, K. Tanaka, M. Yokoyama, R. Seki, I. Yamada, R. Yasuhara, H. Tsuchiya, K. Ida, M. Yoshinuma, T. Kobayashi, S. Ohdachi, M. Osakabe, T. Morisaki
  • 学会等名: 20th Joint Workshop on Electron Cyclotron Emission and Electron Cyclotron Resonance Heating
  • 国際学会
• [学会発表] Attenuation of Hybrid Modes in Corrugated Waveguides at Frequencies above the Bragg Frequency (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Ohkubo1, T. Saito, Y. Yamaguchi1, Y. Tatematsu, J. Kasa, S. Kubo, T. Shimozuma, K. Tanaka,
  • 学会等名: The 6th International Workshop on Far-Infrared Technologies (IW-FIRT 2017)
  • 発表場所: Fukui, Japan)
  • 年月日: 2017-03-07
  • 国際学会
• [学会発表] Improvement of Millimeter-Wave Transmission Efficiency Using Beam Profile Monitors in an ECRH Transmission Line (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Shimozuma, S. Kobayashi, S.i Ito, Y. Ito, K. Okada, Y. Yoshimura, H. Igami, H. Takahashi, T. Tsujimura, Y. Mizuno, S. Kubo
  • 学会等名: 26th International Toki Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Heating Characteristics of the 3rd Harmonic ECRH Using 154 GHz Gyrotron Power (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Shimozuma, S. Kubo, Y. Yoshimura, H. Igami, H. Takahashi, T. Tsujimura, R. Makino, Ryuichi S., M.Osakab
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of ECCD on the ion temperature at the plasma core region (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Yoshimura, T. Shimozuma, H. Igami, H. Takahashi, T. I. Tsujimura, R. Makino, K. Yanagihara, Y. Goto, K. Ida, M. Yoshinuma, T. Kobayashi, K. Nagaoka, R. Sakamoto, S. Kubo, M. Osakabe, T. Morisaki
  • 学会等名: International Stellarator/Heliotron Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Study of optimum injection of ECH for high electron temperature plasmas in the Large Helical Device (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Tsujimura, S. Kubo, T. Shimozuma, Y. Yoshimura, H. Igami, H. Takahashi, and R. Makino
  • 学会等名: Topical Conference on Radio Frequency Power in Plasmas
  • 国際学会
• [学会発表] Current Status of the LHD ECRH System and Development of Dual-Frequency Gyrotrons (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Shimozuma, S. Kubo, Y. Yoshimura, H. Igami, H. Takahashi, T. Tsujimura, R. Makino, S. Ito, Y. Mizuno, H. Takubo, S. Kobayashi, R. Minami, T. Kariya , T. Imai
  • 学会等名: 2017 US-EU-JPN Workshop on RF Heating Technology & 2017 US-JPN Workshop on RF Physics
  • 国際学会
• [学会発表] メガワット定常 ECH 伝送系における伝搬モード分析と それに基づく伝送効率の改善法の開発 (2016)
  • 著者名/発表者名: 下妻 隆, 小林 策治, 伊藤 哲, 岡田 宏太, 伊藤 康彦, 吉村 泰夫, 伊神 弘恵, 高橋 裕己, 辻村 亨, 牧野 良平, 水野 嘉識, 久保 伸
  • 学会等名: 第33回プラズマ・核融合学会年会
  • 発表場所: 東北大学青葉山キャンパス
  • 年月日: 2016-11-29
• [学会発表] 核融合炉へ向けた大電力ジャイロトロンの開発研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 假家強,今井剛,南龍太郎,津村康平,江橋優斗,中嶋洋輔,出射浩,花田和明,下妻隆,久保伸, 小田靖久,池田亮介,坂本慶司,小野雅之
  • 学会等名: 第33回プラズマ・核融合学会年会
  • 発表場所: 東北大学青葉山キャンパス
  • 年月日: 2016-11-29
• [学会発表] Development of Over MW Gyrotrons for Fusion at Frequencis from 14 GHz to Sub-terahert (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kariya, T. Imai, R. Minami, T. Numakura, T. Shimozuma, S. Kubo, et.al.
  • 学会等名: 26th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2016)
  • 発表場所: Kyoto, Japan
  • 年月日: 2016-10-17
  • 国際学会
• [学会発表] Transmission Test of 300 GHz Band Gyrotron Power by Corrugated Waveguides (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Saito, Y. Yamaguchi, Y. Tatematsu, T. Hirobe, J. Kasa, K. Ohkubo, S. Kubo, T. Shimozuma, K. Tanaka, and M. Nishiura
  • 学会等名: IRMMW-THz 2016
  • 発表場所: Denmark,Copenhagen
  • 年月日: 2016-09-25
  • 国際学会
• [学会発表] Present Status of the ECRH System in LHD and Development of a New Gyrotron and the Related Components (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Shimozuma, S. Kubo Y. Yoshimura, H. Igami, H. Takahashi, T. Tsujimura, R. Makino, S. Ito, Y. Mizuno, K. Okada, S. Kobayashi, R. Minami, T. Kariya and T. Imai
  • 学会等名: Workshop on RF Heating Technology of Fusion Plasmas 2016 US-EU-JPN RF Heating Technology Workshop
  • 発表場所: Leinsweiler, Germany
  • 年月日: 2016-09-21
  • 国際学会