高周波数ジャイロトロンにおける周波数連続可変性と高性能化の研究

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23760307
• 研究機関: 独立行政法人日本原子力研究開発機構
• 研究代表者: 池田 亮介 独立行政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, 任期付研究員 (80533364)
• キーワード: ジャイロトロン / ジャイロBWO / 周波数連続可変 / 動的核偏極

研究概要

蛋白質構造解析にて用いられる600MHz核磁気共鳴分光の動的核偏極による高感度化光源として，394GHz近傍にて周波数可変幅2GHz以上，発振出力100W程度の周波数連続可変ジャイロトロンの実現を目指した．幅広い周波数連続可変を実現するには，設計発振モードの強磁場側で発振するモードとの競合を避けることが不可欠である．電子銃と空胴共振器間の距離，電子銃のカソード径に対して空胴共振器へ入射可能な電子ビーム径などを考慮し，最終的にTE7,3,qモード(q:軸方向モード次数)を選択した．発振性能の低下を抑えるには，空胴共振器へ入射する電子ビームの速度分散を低く抑えることが重要である．電子軌道計算コードEGUNを用いて電子銃形状の最適化設計を行い，磁力線に垂直方向の電子速度と平行方向の速度比が1.0～2.5の高い領域においても，その分散が5%以下となる設計を実現した．空胴共振器は空胴半径2mm，空胴長25mmとし，Q値（Q～11500）を高めることで発振開始電流を下げ，周波数連続可変性を生み出す高q次数の軸方向モードの励起を狙った．製作したジャイロトロンは15T超伝導マグネットにセットし，実験はビーム加速電圧15kV，電子ビーム電流0.4A条件で行った．共振器の磁場強度掃引試験では，10次までの軸方向モードが励起することで14.25Tから14.8Tまで連続発振し，発振周波数は393.5GHzから397.4GHzまでの幅広い周波数連続可変を実現した．発振出力は50W以上が得られ，最高では170Wに達した．また，電子銃のカソードとアノード間の電圧を変化させ電子の平行速度を変化させることでも0.9GHzの周波数連続可変を得ることに成功した．本研究で達成した3.9GHzに亘る周波数可変幅は，過去に報告された400GHz帯のジャイロトロンやジャイロBWOにおける結果を大きく上回る成果である．

研究成果

• [雑誌論文] Broadband Continuously Frequency Tunable Gyrotron for 600MHz DNP-NMR Spectroscopy (2014)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke IKEDA, Yuusuke YAMAGUCHI, Yoshinori TATEMATSU, Toshitaka IDEHARA, Isamu OGAWA, TeruoSAITO, Yoh MATSUKI and Toshimichi FUJIWARA
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 9 ページ: 1206058-1, -3
  • DOI: 10.1585/pfr.9.1206058
  • 査読あり
• [雑誌論文] 460 GHz second harmonic gyrotrons for a 700 MHz DNP-NMR spectroscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Idehara, Y. Tatematsu, Y. Yamaguchi, R. Ikeda, I. Ogawa, T. Saito, Y. Matsuki, K. Ueda, T. Fujiwara and M. Toda
  • 雑誌名: Proceedings of the 38th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves 巻: 2013 ページ: Mo1-4
  • DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2013.6665482
• [雑誌論文] Progress Of High Power Long Pulse Gyrotron For Fusion Application (2013)
  • 著者名/発表者名: Keishi Sakamoto, Ken Kajiwara, Yasuhisa Oda, Kazuo Hayashi, Ryosuke Ikeda, Koji Takahashi, Takayuki Kobayashi and Shinichi Moriyama
  • 雑誌名: Proceedings of the 38th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves 巻: 2013 ページ: Mo5-1
  • DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2013.6665527
• [雑誌論文] Experiment For Over 200 kW Oscillation Of A 295 GHz Pulse Gyrotron (2013)
  • 著者名/発表者名: Teruo Saito, Yuusuke Yamaguchi, Shinji Ikeuchi, Yoshinori Tatematsu, Ryosuke Ikeda, Isamu Ogawa, Toshitaka Idehara, Shin Kubo, Takashi Shimozuma, Masaki Nishiura, Kenji Tanaka and Jun Kasa
  • 雑誌名: Proceedings of the 38th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves 巻: 2013 ページ: Mo5-3
  • DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2013.6665528
• [雑誌論文] Experimental Verification Of A Self-Consistent Calculation For Continuous Frequency-Tune With A 400 GHz Band Second Harmonic Gyro-BWO (2013)
  • 著者名/発表者名: Yuusuke Yamaguchi, Yoshinori Tatematsu, Teruo Saito, Taiki Kuwahaha, Ryosuke Ikeda, Isamu Ogawa, Toshitaka Idehara and Olgierd Dumbrajs
  • 雑誌名: Proceedings of the 38th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves 巻: 2013 ページ: Mo P1-53
  • DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2013.6665445
• [雑誌論文] Application Of A Potential Profile For Controlling The Beam Laminarity in A Magnetron Injection Gun (2013)
  • 著者名/発表者名: Yuusuke Yamaguchi, Yoshinori Tatematsu, Teruo Saito, Ryosuke Ikeda, Isamu Ogawa and Toshitaka Idehara
  • 雑誌名: Proceedings of the 38th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves 巻: 2013 ページ: Mo P1-54
  • DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2013.6665446
• [雑誌論文] Long Pulse Operation Of A Dual Frequency Gyrotron For JT-60SA (2013)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Kobayashi, Masayuki Sawahata, Masayuki Terakado, Shinichi Hiranai, Kenji Wada, Yoshikatsu Sato, Jun Hinata, Kenji Yokokura, Katsumichi Hoshino, Ken Kajiwara, Yasuhisa Oda, Koji Takahashi, Ryosuke Ikeda, Shinichi Moriyama and Keishi Sakamoto
  • 雑誌名: Proceedings of the 38th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves 巻: 2013 ページ: Tu1-3
  • DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2013.6665554
• [雑誌論文] Power Improvement On Gyrotron FU CW GIII (2013)
  • 著者名/発表者名: Yoshinori Tatematsu, Tatsuru Kawase, Ryoichi Ichioka, Yuusuke Yamaguchi, Isamu Ogawa, Ryosuke Ikeda, Toshitaka Idehara and Teruo Saito
  • 雑誌名: Proceedings of the 38th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves 巻: 2013 ページ: Tu1-5
  • DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2013.6665556
• [雑誌論文] Development Of Broadband Frequency Tunable Gyrotron Operating At The Fundamental Resonance For 600 MHz DNP-NMR Spectroscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke Ikeda, Toshitaka Idehara, Yoshinori Tatematsu, Isamu Ogawa, Yuusuke Yamaguchi, Tomohiro Kanemaki and Teruo Saito
  • 雑誌名: Proceedings of the 38th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves 巻: 2013 ページ: We P2-80
  • DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2013.6665701
• [雑誌論文] Progress of development for 170GHz gyrotron and 5kHz modulation power supply for ITER (2013)
  • 著者名/発表者名: Ken Kajiwara, Yasuhisa Oda, Ryosuke Ikeda, Koji Takahashi and Keishi Sakamoto
  • 雑誌名: AIP Conference Proceedings 巻: 1580 ページ: p.554-557
  • DOI: 10.1063/1.4864611
• [学会発表] Progress on Development of Mega-Watt Multi-Frequency Gyrotron in JAEA (2014)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke Ikeda, Ken Kajiwara, Yasuhisa Oda, Koji Takahashi, Takayuki Kobayashi, Shinichi Moriyama and Keishi Sakamoto
  • 学会等名: The 5th International Workshop on Far-Infrared Technologies 2014
  • 発表場所: University of Fukui, Japan
  • 年月日: 20140305-20140307
• [学会発表] Development of 170 GHz / 1MW Gyrotron system for ITER in JAEA (2014)
  • 著者名/発表者名: R. Ikeda, K. Kajiwara, Y. Oda, K. Takahashi, T. Kobayashi, S. Moriyama and K. Sakamoto
  • 学会等名: Japan-Korea Workshop on Physics and Technology of Heating and Current Drive
  • 発表場所: Awara, Japan
  • 年月日: 20140120-20140122
• [学会発表] ITER 電子サイクロトロン波加熱・電流駆動用 170 GHz / 1MWジャイロトロン開発の進展 (2013)
  • 著者名/発表者名: 池田 亮介，梶原 健，小田 靖久，高橋 幸司，青木 貴志， 大島 克己，坪田 直明，小林 貴之，森山 伸一，坂本 慶司
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 第30回年会
  • 発表場所: 東京工業大学
  • 年月日: 20131203-20131206
• [学会発表] Development Of Broadband Frequency Tunable Gyrotron Operating At The Fundamental Resonance For 600 MHz DNP-NMR Spectroscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke Ikeda, Toshitaka Idehara, Yoshinori Tatematsu, Isamu Ogawa, Yuusuke Yamaguchi, Tomohiro Kanemaki and Teruo Saito
  • 学会等名: The 38th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves
  • 発表場所: Maintz, Germany
  • 年月日: 20130901-20130906