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
： 筑波大学・プラズマ研究センター
図子秀樹, 花田和明, 出射 浩
： 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
久保 伸, 下妻 隆, 吉村泰夫, 伊神弘恵, 高橋裕巳
： 核融合科学研究所
江口 濯, 中澤和寛, 河原崎遼
： 筑波大学大学院・数理物質科学研究科

１． 研究目的
２． 28GHz-1MWジャイロトロンの改造と28、35GHz発振試験
３． 28GHzジャイロトロンのQUEST実験への適用
４． 14GHzジャイロトロンの設計検討筑波大学におけるジャイロトロン開発状況
ジャイロトロン①数10～数100GHzで、MW出力が得られる大電力発振管②電子ビーム（80kV-50A）のエネルギーをマイクロ波に変換
NIFSとのジャイロトロン開発共同研究①77GHzジャイロトロン (#1～#3)
1.9MW-0.1s
0.22MW-75min
LHD入射 ： 3.4MW
電子温度20ekVの達成②154GHzジャイロトロン (#1)
1.16MW-1s
LHD入射 ： 1MW-1s
第2高調波加熱の効果確認

77GHz-Wジャイロトロン

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)を生成・維QUESTにおける加熱検証を効率良く実施
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プラズマの高QUESTのEBWアンテナ開発と加熱基礎研究
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筑波大学 28GHz-１ＭＷ-１ｓ ジャイロトロン
28GHz 1MW 1s Gyrotorn for PRC(Tsukuba)
Frequency
28GHz
Output Power1MW
Pulse Width1s
Output Efficiency
35% (W/O CPD)
Beam Voltage
80kV
Beam Current
40A
MIG
triodeCavity 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

2413mmElectorn Beam

Mode Converter
CavityBeam Tunnel
Electron Gun

これまでの試験結果① 1.05MW-1ms② 0.54MW-2s （試験電源とダミーロード容量により制限）③ サファイア窓温度上昇 9K（0.45ＭW-2s)→ tanδ～3.3×10-5 （at 28GHz)→ サファイア・シングル窓で、2MW-数秒出力可能
試験結果、共同研究を踏まえた改良、開発指針① RF伝送系の高効率化改良② CW動作設計 ： QUEST③ 1.5～2MWへの大電力化 ： GAMMA 10、NSTX-U④ 2周波数動作(28、35GHz) ： Heｌiotron J (35GHz)、⑤ 14GHz発振 ： QUEST、GAMMA 10

28GHz-1MWジャイロトロンの改造と性能評価試験
35GHz発振検証 → 2周波数(28,35GHz)ジャイロトロン開発 → Heliotron J,GAMMA10共用

電子銃改造
部品の共通化のため、NIFS 77 GHz Gyrotronと同一形状設計

Anode

28GHz, TE8,3

電力反射率 [%]

10%→10%→軸方向位置 [cm]0.5GHz
径方向位置 [cm]

電力反射率 [%]

出力窓改造

CathodeBodyElectronBeam
電子ビーム・ラミナー性の改善

軸方向位置 [cm]0.5GHz

カソード前面での電子ビームラミナー性の改善
大電流領域でのピッチファクターαの低下、35.45GHz, TE9,4

α分散劣化の抑制
出力飽和傾向の改善を期待28GHz-1MWジャイロトロンの改造と性能評価試験

大電流領域（Ik＞40A）で効率改善
1.25MW出力（IK=50A)確認
筑波大学試験電源の制限
短パルス ： Ik<50A
長パルス ： Ik<25A
ダミーロードの制限
600kW-2s

28GHz-1MWジャイロトロンにおける35GHｚ発振試験（Heliotron Jへの適応を見込んだ2周波数ジャイロトロン開発）
35.45GHz TE9,4モード

f=35.46GHz

放射器-出力窓間伝送効率＝72%
Pｏ=0.869MW → Po=1.21MW
η=25.%→ η=35.1%
設計、製作手法に問題無し

窓フランジ

28GHz-1MW-1sジャイロトロンのQUEST実験への適用
ジャイロトロン動作確認①QUEST電源定格（Vk=70kV, I=25A)以内での動作、出力確認
600kW-2s (Vk=70kV, I=24A)

伝送系設計・製作①伝送系製作完了②QUEST本体真空関連部分 → QUESTに取付済み（ランチャー／絶縁フランジ／ベローズ／真空窓）
ランチャー/絶縁フランジ/ベローズ/真空窓（サファイア）ジャイロトロン

コルゲート導波管

QUEST
本体真空窓

整合器

超電導電磁石2013/3/末 ： ジャイロトロン、SCM等九大搬入～： 試験準備、調整
2013/6/中 ： QUEST入射実験～： ～270kW-1.7s
プラズマ電流、密度の大幅な増加

ジャイロトロン

14GHzジャイロトロンの設計検討
14GHz, 28GHz 2周波数動作の検討

1) 発振周波数による窓の反射
2) 放射角の違い若干有り・・・RF伝送損出3) 電子銃部磁場が小さく電子銃動作不可
14GHz 単独発振ジャイロトロンの検討を行う

14GHz-TE5,2

14GHzジャイロトロンの設計検討

14GHz-TE4,2

空胴共振器

電子銃

既設28GHz用電子銃使用可
電子ビーム径大
ミラー位置外に出す
コレクタ入口DCコイル

電子銃部の磁場を強くし、カソード径を小さくする必要あり
カソード径Φ95→Φ75
電流密度1.28倍

放射器放射電力分布

伝送効率(M1)(M1)：98.7%

伝送効率(M1)(M1)：97.8%

ガウシアン成分：99.52%

ガウシアン成分：99.47%

まとめ、今後の予定
1) 高効率化、2周波数発振試験のための28GHzジャイロトロンの改造を行った。
大電流領域での発振効率を改善し、1.25MW（Ik=50A)の出力を得た。
600kW-2s動作を確認。
35GHz発振を確認、設計から予想される結果と一致。
2) QUESTにおけるEBW/ECCD実験への適用を目的に、筑波大28GHzジャイロトロンの移設を行い、QUEST実験に適応、プラズマパラメータの大幅な改善が得られた。
QUESTでの実験を進める
3) GAMMA 10、NSTX-U、QUEST、Heliotron J： 28GHz大電力化、CW動作設計開始
28、35GHz-2周波数動作設計開始
QUEST、GAMMA 10(Central Cell midplane)： 14GHzジャイロトロン設計開始
設計を詰めていく”双方向型共同研究”(NIFS11KUGM050, NIFS11KUGM053）による。