研究課題
本研究では、将来の核燃焼炉心内部のような低衝突プラズマにおいてその特性に大きな影響を及ぼすことが予想されている微視的乱流の観測システムを確立するため、(1)3Dプリンターを用いた立体造形によって複雑な三次元構造のアレイアンテナを精密かつ安価に製作し、(2)機械駆動機構が無く高速かつ堅牢に様々な角度にミリ波ビームをスキャンすることのできる周波数走査型のレーダー散乱計測システムを構築し、(3)高温プラズマ実験装置に適用してプラズマの微視的乱流の計測を行い、予測理論研究との比較を行うことにより、新しい乱流物理の知見を得ることを目的としている。本年度は、切削工法による３次元構造のアンテナアレイを試作した。プラズマ実験による実証試験を初めに行うことを予定している九州大学の小型トカマク装置のプラズマパラメータに合わせ、周波数15GHz近傍のKu-bandと呼ぶ周波数帯域で広帯域活広範囲にミリ波ビームを放射できるように、3次元CADを用いて設計し製作した。アンテナからの放射ビームの指向性を調べた結果、想定通り周波数により放射方向を変化させうることを確認できた。これにより、本デザインによるビームステアリングの手法およびその設計方法が有効であることが明らかになった。製作したモデルを3次元FDTDシミュレーションにも落とし込み解析手法を開発し、実験との比較検討を行えるようになった。また高温プラズマ中の微視的乱流の空間構造をアンテナをスキャンする方法でビームをステアリングすることによって測定可能であることを実験的に明らかにした。これにより現在開発中のステアリング機構の不要なアンテナアレイにより高時間分解能で同様の測定が可能となると期待できる結果を得られた。
3: やや遅れている
当初計画では、実績のある製造メーカ―と協力することで、3次元プリンタによる立体構造アンテナを2年目の今年度に製作する予定であったが、メーカーの都合により困難になったため、昨年の報告書に記載した様に研究計画をアレンジし、3次元プリンタによる造形については他メーカーと技術的な検討を進め、現在、試作段階まで進んでいる。一方、今後実施する計画であるプラズマ測定の実証試験に向けては着実に準備が進んでおり、アンテナの試作から実証まではスムーズに進められると考えている。
本研究では、ミリ波ビームの放射角度を電子式にスキャンする手法として、周波数走査式のフェーズドアレイアンテナの適用を図っており、このためには、アレイ状に並べたアンテナ間を導波路で接続するという立体構造のアンテナアレイの製作がキーとなる。2021年度は、3次元プリンタによる造形したアンテナを製作し、周波数走査により、アレイアンテナからビームを任意の方向に放射できることを確認する。具体的には、(1)アンテナアレイを設計・製作し、(2)高時間応答が必要なプラズマ計測のために、多周波数のミリ波成分を同時に入射するシステムを構築し、(3)製作したアレイアンテナを用いて同時に複数方向へ放射されることを確認する。既に製作した切削加工により造形したアンテナとの性能比較を行い、3次元プリンタ造形の特性を明らかにする。
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すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 2件)
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