6 筑波大におけるジャイロトロン開発

筑波大学におけるジャイロトロンの開発
假家 強, 今井 剛, 南龍太郎, 沼倉友晴,上原 真, 津村康平
： 筑波大学・プラズマ研究センター
下妻 隆, 久保 伸, 吉村泰夫, 伊神弘恵, 高橋裕巳
： 核融合科学研究所
出射 浩, 図子秀樹, 花田和明
： 九州大学・高温プラズマ力学研究センター
長崎百伸
： 京都大学・エネルギー理工学研究所
斉藤輝雄, 立松芳典, 山口裕資
： 福井大学・遠赤外領域開発研究センター
坂本慶司, 小田靖久,池田亮介
： 日本原子力研究開発機構・那珂核融合研究所
１． 28GHzジャイロトロン開発とQUEST実験への適用 (九大）
２． 28/35GHz 2周波数ジャイロトロンの開発
(筑波大、九大、京大、プリンストン大）
３． 14GHzジャイロトロンの設計検討 (筑波大、九大）
４． 77/154GHz ジャイロトロンの開発とLHD実験への適用 (NIFS)
５． 300GHｚジャイロトロンの開発 (JAEA)
筑波大学 28GHz-１ＭＷ-１ｓ ジャイロトロン
28GHz 1MW 1s Gyrotorn for PRC(Tsukuba)
Frequency
28GHz
Output Power
1MW
Pulse Width
1s
Output Efficiency
35% (W/O CPD)
Beam Voltage
80kV
Beam Current
40A
MIG
triode
Cavity Oscillation mode
TE8,3
Built-in Mode Converter
with
Output mode
Gaussian like
Output Window
Sapphire Single Disk
Aperture diameter 112mm
Collector
W/O CPD
Sweeping coils
Collector Coils
Collector
Mirror4
Output Window
RF Beam
Mirror3
Mirror1
Mirror2
2413mm
Electorn Beam
電子銃の性能改善により
①大電流領域（Ik＞40A）で効率改善
1.25MW出力（IK=50A)確認
（試験電源制限）
Mode Converter
Cavity
Beam Tunnel
Electron Gun
② 長パルス動作 600ｋW-2s
（電源、ダミーロードの制限）
双方向型共同研究目的
28GHz第2倍高調波共鳴が、プラ
ズマ内側に存在。
高密度ECH/EBW用 ジャイロトロン開発研究
28GHzジャイロトロンを用い
カットオフ密度以下の適度な密度
のプラズマ（2-3x1018m-3)を生
QUESTにおける加熱検証を効率良く実施
成・維持し、
九州大学（高温プラズマ力学研究センター） 8.5GHz-EBW加熱/電流駆動の
実証をおこない、QUESTプラズ
QUESTのEBWアンテナ開発と加熱基礎研究
マの高性能化と定常化を目指す。
筑波大学（プラズマ研究センター）
京都大学（エネルギー複合機構研究センター）
Heliotron-JでのEBW加熱/電流駆動研究
（例 ＳＤＣ型原型炉等）
SDC等高密度プラズマ加熱・制御
（大型高密度プラズマ炉）
核融合科学研究所LHD
定
常
環
状
プ
ラ
ズ
マ
型
核
融
合
炉
QUESTプラズマ入射実験(2013/6～）
①～270kW-1.7s 等
②プラズマ電流、密度の大幅な増加
EC-driven plasma current of 66 kA
1×1018 m-3 (＞cut-off density of 8.2 GHz)
ジャイロトロン
28/35GHz 2周波数ジャイロトロンの開発
(GAMMA 10, QUEST, Heliotron J, NSTX-U)
発振モード28GHz-TEm1,m2、35GHz-TEm2,n2
空胴共振器 (rc : 空胴半径)
 m 1, n 1
 m 2 ,n 2


rc 
2
2
35
 m 2 , n 2 14 GHz    m 1, m 2 28 GHz 
28

モード変換器 （放射角)






m2
  cos  1 
cos  1   m 1


 



m
1
,
n
1
m 2 ,n 2









 MIN
同じ空胴共振器半径rcで発振し、
モード変換器の放射角が近い28GHz -TEm1,n1、（35±α）GHz –TEm2,n2
モードの組合せ (  m 1, m 1 ,  m 2 , n 2 ) を選択
電子銃 （空胴における電子ビーム入射半径)
 m 1,1

re 
2
28GHz -TEm1,n1、35GHz –TEm2,n2の発振に必要な位
置に電子ビームを入射できるか。必要なピッチファ
クタαが得られるか。
出力窓
t
c
2  f1
N1 
c
2  f2
N2
両周波数に対し、マッチング取れるか
28GHz-TE8,5、34.8GHｚ-TE10,6 ２周波数ジャイロトロン開発
空胴共振器
電子銃
放射器
伝送ミラー
出力窓
コレクタ
部品製作中 → 2016/3 真空排気完了
→ 2016/7 試験開始予定
→ 外装、試験設備準備
14GHzジャイロトロンの設計検討 (GAMMA10, QUEST)
①14/28GHz-2周波数ジャイロトロンの検討 → 14GHz 単独発振の検討
②14GHz TE4,2モード、TE5,2モードの比較検討 → TE4,2モードに決定
③14GHz-TE4,2モードで詳細設計開始
電子銃
電子銃部の磁場を強く、
カソード径を小さくする
必要 有り
カソード径Φ95→Φ75
(電流密度1.28倍)
空胴共振器
放射器放射電力分布
伝送効率(M1)
：97.8%
ガウシアン成分
：99.47%
77GHｚ、154GHｚジャイロトロンの開発 (LHD)
77GHz-Wジャイロトロン
154GHzジャイロトロン
ＬＨＤにおけるジャイロトロンの適用
①LHD入射 ： 4.4MW
②電子温度20ekVの達成
③準定常プラズマ維持
154/116GHz-2周波数ジャイロトロンの開発 (LHD)
①カソード径(電子ビーム入射位置）を変更しないように、154GHz-TE28,nとの組み合わせ検討
②154GHz-TE28,nモード空胴径で115.5GHz近傍周波数で発振、かつ、放射角が近い115.5GHｚ近傍のサブモードを探す
同一SCMで電子銃動作可能か、電子ビーム軌道問題無いか、窓反射問題ないか確認
③154GHz-TE28,9(Re=9.125)と116.017GHz-TE21,7(-0.13°, Re=9.139)
154GHz-TE28,9
116GHz-TE21,7
300GHzジャイロトロンの開発 (DEMO炉)
Output Window
Collector
(Wave guide)
Cavity
Diode Gun
（－）モード
まとめ、今後の予定
1) 14GHzジャイロトロン ： GAMMA 10, QUEST
設計中
2) 28/35GHz 2周波数ジャイロトロン ： GAMMA 10, NSTX-U, QUEST, Heliotron J
部品製作中、2016年6月頃試験開始予定
3) 116/154GHｚ 2周波数ジャイロトロン ： LHD
設計検討開始
４） 300GHzャイロトロン ： DEMO炉
テスト管試験, 改造計画検討中
NIFS双方向型共同研究 ： NIFS11KUGM050, NIFS11KUGM053,
NIFS13KUGM080
ジャイロトロン技術開発共同研究(NIFS,筑波大) ： COD26128
科学研究費助成事業 ： 23560997, 25249135
による。