コルゲート導波管によるメガワット定常ミリ波伝送での反射ミリ波の低減研究

• 研究課題/領域番号: 19K03799
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分14020:核融合学関連
• 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): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2021年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円); 2020年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2019年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: ジャイロトロン / サイクロトロン共鳴加熱 / プラズマ加熱 / 円形コルゲート導波管 / 反射波フィルタ / 単向管 / 大電力ミリ波 / 反射電磁波 / コルゲート導波管 / 電子サイクロトロン共鳴加熱 / 導波管ギャップ / 不要反射波フィルタ / モードジャンプ / 反射波 / 反射波フィルター / プラズマ / マイクロ波 / ミリ波 / オーバーサイズコルゲート導波管

研究開始時の研究の概要

核融合プラズマ中の電子を加熱する電子サイクロトロン共鳴加熱システムにおいては、高い周波数の電磁波（ミリ波）を長距離（百メートル以上）、安定に伝送し、効率的にプラズマに入射する必要がある。メガワット級のミリ波発振源であるジャイロトロン装置の安定な運転のためには、プラズマや伝送路からのミリ波の反射を極力抑える必要がある。そのためには、不要な反射ミリ波を低減するフィルター構造が必要であり、これを開発する。この実現により安定なジャイロトロンの運転ができ、プラズマを安定に長時間生成、加熱、維持できるようになる。

研究成果の概要

所有ジャイロトロンのもう一つの周波数帯154GHz帯用として、不要反射波フィルター装置を設計し、製作を行った。本154GHz用不要反射波フィルター装置の設計においては、このフィルター装置で使用している対向した２本の円形コルゲート導波管間のギャップ間隔を、さらに長く取ることができ、高周波数帯での不要モードフィルターとしての性能を向上できるように設計、製作した。対向する円形コルゲート導波管のギャップ間隔は、300mmとした。この場合、HE_11モードでの入射波に対して、導波管ギャップでの損失は、約２%と計算で予測されている。不要反射波フィルターとしての性能評価を行ってゆく。

研究成果の学術的意義や社会的意義

将来の電力源として有望な核融合反応による発電炉では、高温プラズマの生成、加熱、制御が不可欠である。プラズマの加熱方法として、波長がミリメートル級の電磁波を使った電子サイクロトロン共鳴加熱(ECH)によるプラズマの電子加熱が有望である。高パワーの電磁波をLHD装置まで伝送する際に、伝送電磁波の一部は、導波管壁やプラズマから反射等により、発振器のジャイロトロン動作に悪影響を与え、発振の停止などが起こる。本研究では、不要反射電磁波の低減フィルタ装置の開発、性能評価を行った。

研究成果

• [雑誌論文] Improved performance of electron cyclotron resonance heating by perpendicular injection in the Large Helical Device (2020)
  • 著者名/発表者名: Tsujimura T.I.、Yanai R.、Mizuno Y.、Tanaka K.、Yoshimura Y.、Tokuzawa T.、Nishiura M.、Sakamoto R.、Motojima G.、Kubo S.、Shimozuma T.、Igami H.、Takahashi H.、Yoshinuma M.、Ohshima S.、The LHD Experiment Group
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 61 号: 2 ページ: 026012-026012
  • DOI: 10.1088/1741-4326/abc977
  • NAID: 120007180024
  • 査読あり
• [雑誌論文] Real-time control of the deposition location of ECRH in the LHD (2020)
  • 著者名/発表者名: Ii Tsujimura T.、Mizuno Y.、Yanai R.、Tokuzawa T.、Ito Y.、Nishiura M.、Kubo S.、Shimozuma T.、Yoshimura Y.、Igami H.、Takahashi H.、Tanaka K.、Yoshinuma M.、Ohshima S.
  • 雑誌名: Fusion Engineering and Design 巻: 153 ページ: 111480-111480
  • DOI: 10.1016/j.fusengdes.2020.111480
  • 査読あり
• [雑誌論文] Collective Thomson scattering with 77, 154, and 300 GHz sources in LHD (2020)
  • 著者名/発表者名: Nishiura M.、Tanaka K.、Kubo S.、Saito T.、Kenmochi N.、Nuga H.、Seki R.、Shimozuma T.、Yoshimura Y.、Igami H.、Takahashi H.、Tsujimura T.I.、Yanai R.、Tatematsu Y.
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 15 号: 01 ページ: C01002-C01002
  • DOI: 10.1088/1748-0221/15/01/c01002
  • NAID: 120007180034
  • 査読あり
• [雑誌論文] Oscillation Characteristics of a High Power 300 GHz Band Pulsed Gyrotron for Use in Collective Thomson Scattering Diagnostics (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Saito, S. Tanaka, R. Shinbayashi, Y. Tatematsu, Y. Yamaguchi, M. Fukunari, S. Kubo, T. Shimozuma, K. Tanaka and M. Nishiura
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 14 号: 0 ページ: 1406104-1406104
  • DOI: 10.1585/pfr.14.1406104
  • NAID: 130007672322
  • ISSN: 1880-6821
  • 年月日: 2019-06-19
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of the calibration method for a fast steering antenna for investigating the mode conversion window used in EBW heating in the LHD plasma (2019)
  • 著者名/発表者名: Goto Yuki、Kubo Shin、Igami Hiroe、Nishiura Masaki、Shimozuma Takashi、Yoshimura Yasuo、Takahashi Hiromi、Tsujimura Toru Ii
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 58 号: 10 ページ: 106001-106001
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab3e58
  • NAID: 120007098357
  • 査読あり
• [雑誌論文] Isotope effects on energy, particle transport and turbulence in electron cyclotron resonant heating plasma of the Large Helical Device (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Tanaka, Y. Ohtani, M. Nakata, F. Warmer, T. Tsujimura, Y. Takemura, T. Kinoshita, H. Takahashi, M. Yokoyama, R. Seki, H. Igami, Y. Yoshimura, S. Kubo, T. Shimozuma, T. Tokuzawa, T. Akiyama, I. Yamada, R. Yasuhara, H. Funaba, M. Yoshinuma, K. Ida, M. Goto, et al
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 59 号: 12 ページ: 126040-126040
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ab4237
  • NAID: 120007126859
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Development of high power gyrotrons for advanced fusion devices (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Kariya, R. Minami, T. Imai, M. Okada, F. Motoyoshi, T. Numakura, Y. Nakashima, H. Idei, T. Onchi, K. Hanada, T. Shimozuma, Y. Yoshimura, H. Takahashi, S. Kubo, Y. Oda, R. Ikeda, K. Sakamoto, M. Ono, K. Nagasaki, T. Eguchi, Y. Mitsunaka
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 59 号: 6 ページ: 066009-066009
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ab0e2c
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] LHD-ECRHシステムにおけるコルゲート導波管ミリ波伝送系での不要反射波フィルタ装置の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 下妻 隆, 伊藤 哲, 吉村泰夫, 西浦正樹, 伊神弘恵, 高橋裕己, 辻村 亨, 矢内亮馬, 剣持尚輝, 水野嘉識, 竹内俊貴
  • 学会等名: 第38回 プラズマ・核融合学会年会, 22P-5F-11
• [学会発表] Electron Bernstein wave Emission Measurement in Ka-band for high b discharges in LHD (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Igami, K. Nagasaki, Y. Kato, A. Fukuyama, T. Shimozuma, Y. Yoshimura, M. Nishiura, H. Takahashi, T. Tsujimura, N. Kenmochi, and R. Yanai
  • 学会等名: The 30th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research
  • 国際学会
• [学会発表] HD低磁場放電における電子バーンシュタイン波放射計測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 伊神弘恵, 長崎百伸, 加藤悠, 福山淳 ,下妻隆 ,吉村泰夫, 西浦正樹, 高橋裕己, 辻村享, 釼持尚輝, 矢内亮馬
  • 学会等名: 第38回 プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] Improved Performance of ECRH by Real-Time Deposition Location Control and Perpendicular Injection in LHD (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Tsujimura, R. Yanai, K. Tanaka, Y. Yoshimura, T. Tokuzawa, M. Nishiura, R. Sakamoto, G. Motojima, S. Kubo, T. Shimozuma, H. Igami, H. Takahashi, M. Yoshinuma, S. Ohshima, LHD Experiment Group
  • 学会等名: 28th IAEA Fusion Energy Conference
  • 国際学会
• [学会発表] 協同トムソン散乱計測により得られた散乱スペクトルの速度空間トモグラフィー法 (2021)
  • 著者名/発表者名: 西浦正樹,釼持尚輝,奴賀秀男,關良輔,久保伸,田中謙治,足立迅，下妻隆，矢内亮馬,斉藤輝雄，Moseev D.,Salewski M.，LHD experiment group
  • 学会等名: 76th 日本物理学会(春) 13pB2-11 (2021)
• [学会発表] ECCDによる回転変換分布制御が電子系内部輸送障壁を伴う電子温度分布に与える影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Igami, K. Tanaka, K. Ida, M. Yoshinuma, T. Tsujimura, T. Kobayashi, R. Yanai, N. Kenmochi, M. Nishiura, Y. Yoshimura, T. Shimozuma, and Shin Kubo
  • 学会等名: 76th 日本物理学会(春)2021
• [学会発表] Design and Construction of a Filter Device of Unwanted Reflected Waves in Oversize Corrugated Waveguides for ECRH (2020)
  • 著者名/発表者名: Takashi SHIMOZUMA, Satoshi ITO, Yasuo YOSHIMURA, Masaki NISHIURA, Hiroe IGAMI, Hiromi TAKAHASHI, Toru TSUJIMURA, Ryoma YANAI, Naoki KENMOCHI, Toshitaka TAKEUCHI, Yoshinori MIZUNO, Sakuji KOBAYASHI, and Shin KUBO
  • 学会等名: 29th International Toki Conference Ceratopia Toki ,Poster-3-F405 (2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Improved heating efficiency of ECH near cut off density with a new injection scheme in the LHD (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Nishiura, S. Kubo, Y. Yoshimura, R. Yanai, S. Ito, H. Igami, T. II. Tsujimura, T. Shimozuma, H. Takahashi, N. Kenmochi
  • 学会等名: 62nd Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics November 9 CP19.00027 (2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Sensitivity calibration of a receiver for Collective Thomson scattering in the LHD (2020)
  • 著者名/発表者名: Shun Adachi, Masaki Nishiura, Kenji Tanaka, Shin Kubo, Naoki Kenmochi, Takashi Shimozuma, Ryoma Yanai, Teruo Saito, LHD experiment group
  • 学会等名: 29th International Toki Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Time evolution of electron and ion temperatures in electron-heated long pulse discharges in LHD (2020)
  • 著者名/発表者名: Yasuo YOSHIMURA, Ryosuke SEKI, Hiroshi KASAHARA, Tetsutaro OISHI, Kenichi NAGAOKA, Katsumi IDA, Mikiro YOSHINUMA, Ichihiro YAMADA, Tokihiko TOKUZAWA, Takashi SHIMOZUMA, Hiroe IGAMI, et al
  • 学会等名: 29th International Toki Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Upgrading LHDGauss code by including obliquely propagating wave absorption effect for ECH (2020)
  • 著者名/発表者名: Ryoma Yanai,Toru Tsujimura,Shin Kubo,Ryota Yoneda,Yasuo Yoshimura,Masaki Nishiura,Hiroe Igami,Hiromi Takahashi,Takashi Shimozuma
  • 学会等名: 29th International Toki Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Improuandpved performance of ECRH by real-time deposition location control and perpendicular injection in LHD (2020)
  • 著者名/発表者名: T. I. Tsujimura, R. Yanai, K. Tanaka, Y. Yoshimura, T. Tokuzawa, M. Nishiura, R. Sakamoto, G. Motojima, S. Kubo, T. Shimozuma, H. Igami, H. Takahashi, M. Yoshinuma, S. Ohshima, and the LHD Experiment Group
  • 学会等名: 28th IAEA Fusion Energy Conference
  • 国際学会
• [学会発表] LHDにおける協同トムソン散乱のための受信機感度較正 (2020)
  • 著者名/発表者名: 足立 迅,西浦 正樹,田中 謙治,久保 伸,釼持 尚輝,下妻 隆,矢内 亮馬,斉藤 輝雄,LHD実験グループ,
  • 学会等名: 37th プラズマ・核融合学会 年会(JSPF Annual Meeting) (2020)
• [学会発表] LHDにおける遮断密度近傍の電子サイクロトロン加熱の高加熱効率化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 西浦正樹，久保伸，吉村泰夫，矢内亮馬，伊藤哲，伊神弘恵，辻村亨， 下妻隆，高橋裕己，釼持尚輝
  • 学会等名: 37th プラズマ・核融合学会 年会(JSPF Annual Meeting) 01Cp01 (2020)
• [学会発表] 協同トムソン散乱計測により得られた散乱スペクトルの速度空間再構成：非熱化速度分布への拡張 (2020)
  • 著者名/発表者名: 西浦正樹,釼持尚輝,奴賀秀男,關良輔,久保伸,田中謙治,足立迅，下妻隆，矢内亮馬,斉藤輝雄，Moseev Dmitry，Salewski Mirko，LHD実験グループ
  • 学会等名: 日本物理学会(秋）2020
• [学会発表] Present Status of the LHD-ECRH System and Activities of Gyrotron and Transmission-line Improvement (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Shimozuma, S. Kubo, Y. Yoshimura, M. Nishiura, H. Igami, H. Takahashi, T. Tsujimura, R. Yanai, S. Ito, Y. Mizuno, H. Takubo, S. Kobayashi, T. Numakura, R. Minami, T. Kariya, M. Sakamoto
  • 学会等名: US-EU-JPN RF Heating Technology Workshop Freiburg, Germany September 8-12 T09 (2019).
  • 国際学会
• [学会発表] Real-time injection control of electron cyclotron resonance heating power in LHD (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Tsujimura, S. Kubo, T. Shimozuma, Y. Yoshimura, H. Igami, H. Takahashi, R. Yanai, K. Yanagihara
  • 学会等名: Topical Conference on Radio Frequency Power in Plasmas
  • 国際学会
• [学会発表] ECRH用コルゲート導波管ミリ波伝送系における不要高次反射波モードフィルター装置の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 下妻 隆, 伊藤 哲, 水野 嘉識, 田窪 英法, 小林 策治, 吉村 泰夫, 伊神 弘恵, 高橋 裕己, 辻村 亨, 矢内 亮馬, 久保 伸
  • 学会等名: 第36回 プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] 協同トムソン散乱計測における高速イオンの速度空間と計測スペクトルの関係 (2019)
  • 著者名/発表者名: 西浦正樹,釼持尚輝,奴賀秀男,關良輔,久保伸,田中謙治,下妻隆,斉藤輝雄,LHD実験グループ
  • 学会等名: 第36回 プラズマ・核融合学会 年会
• [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: 74th 日本物理学会(春)