J. Plasma Fusion Res. Vol.93, No.3 (2017)１
４６‐１４９研究最前線

核融合炉へ向けた大電力ジャイロトロンの開発
Development of High Power Gyrotron for Nuclear Fusion Reactor
假 家 強，今 井 剛，南 龍 太 郎，津 村 康 平，江 橋 優 斗，岡 田 麻 希，
中 嶋 洋 輔，出 射 浩１），花 田 和 明１），下 妻 隆２），久 保 伸２），
小 田 靖 久３），池 田 亮 介３），坂 本 慶 司３），小 野 雅 之４）
KARIYA Tsuyoshi, IMAI Tsuyoshi, MINAMI Ryutaro, TSUMURA Kohei, EBASHI Yuto,
OKADA Maki, NAKASHIMA Yosuke, IDEI Hiroshi１）, HANADA Kazuaki１）, SHIMOZUMA Takashi２）,
KUBO Shin２）, ODA Yasuhisa３）, IKEDA Ryosuke３）, SAKAMOTO Keishi３）and ONO Masayuki４）
筑波大学プラズマ研究センター，１）九州大学応用力学研究所，２）核融合科学研究所，
３）

量子科学技術開発機構，４）プリンストン大学プラズマ物理研究所（原稿受付：２０１
６年１２月２２日）

Keywords: gyrotron, ECH, ECCD, EBW

１．はじめにサブ・テラヘルツ帯のジャイロトロンが必要とされ，量子筑波大学プラズマ研究センターでは，核融合プラズマ加科学技術開発機構（QST）と筑波大学間の共同研究とし熱研究のための多様な大電力ジャイロトロンの開発を進めて，DEMO用300 GHz帯ジャイロトロンの開発を開始した．ている．ジャイロトロンは，数１０〜数１００GHzの周波数にお現在，筑波大学では，これまでのジャイロトロン開発といて MW レベルの電磁波を発振可能な大型電子管で，電子開発したジャイロトロンを用いたプラズマ加熱研究への貢サイクロトロン加熱／電流駆動（Electron Cyclotron Heat-

献実績に基づき，28/35 GHz ２周波数ジャイロトロン，

ing: ECH/Electron Cyclotron Current Drive: ECCD），電子

154/116 GHz ２周波数ジャイロトロン，サブ・テラヘルツ

バーンシュタイン波（Electron Bernstein Wave: EBW）加帯 300 GHz ジャイロトロンの開発を精力的に進めている熱等を行う上で重要な電力源である．

［１，８‐１１］．

これまでに，筑波大学プラズマ研究センターのGAMMA

２．28/35 GHz ２周波数ジャイロトロンの開発

10/PDX（Potential control and Divertor simulator eXperiments）装 置 用 に 28 GHz-1 MW ジ ャ イ ロ ト ロ ン を 開 発

筑波大学の GAMMA10 /PDX におけるダイバータ模擬

し，最大出力 1.38 MW，長パルス運転で 0.6 MW-2 s を達成実験において，より高い熱流束を生成するために新型ジャした［１］．本ジャイロトロンは，双方向型共同研究におけイロトロンの開発を進めている．本ジャイロトロンは，共るセンター間連携研究として，九州大学の QUEST（Q-shu

同研究を有効に進めるため，九州大学の QUEST 装置，プ

University Experimental with Steady-State Spherical Toka-

リンストンプラズマ物理研究所（Princeton Plasma Physicsmak）装 置 に 適 用 され，70 kA の プ ラ ズ マ 電 流 立 上 や，Laboratory: PPPL）の NSTX-U（National Spherical Torus

8.2 GHz の カ ッ ト オ フ 密 度 よ り 高 い 1×１
０１８m‐３を 超 え るExperiment Upgrade）装置，京都大学の Heliotron J 装置でオーバーデンスプラズマの生成等の成果を得た［２，３］．

必要とされる性能（28 GHz-2 MW-3 s，28 GHz-0.4 MW‐連

また核融合科学研究所（NIFS）と筑波大学間のジャイロ

続波（Continuous Wave: CW），35 GHz-1 MW-3 s）を１機トロン開発共同研究により，２０１４年度までに開発した３機のジャイロトロンで達成することをめざした 28 GHz と 35の 77 GHz ジャイロトロンと２機の 154 GHz ジャイロトロ

GHz の両周波数で動作可能な２周波数ジャイロトロンでンは，NIFS の LHD（Large Helical Device）実験に供されある．表１に28/35 GHz ２周波数ジャイロトロンの設計目ている．全入力電力は5.4 MWに達し，高密度での高電子温標仕様，図１にジャイロトロンの構造断面図（a）と製作を度達成（10 keV，2×1019m−3），３９分の定常プラズマ保持完了したジャイロトロンの写真（b）を示す．電子銃（Mag-19（2.5 keV，1.1×10 m−3），電子系内部輸送障壁の研究の進

netron Injection Gun: MIG）は，発振に必要な電子ビームのピッチファクタ !（電子ビームの磁場に垂直な速度／平行展等に大きく貢献している［４‐７］．
一方，核融合発電に向け，原型炉 DEMO（DEMOnstra-な速度）が制御できる様に３極型である．電子銃のカソーtion power plant）の開発が検討されている．DEMO では，

ドより放射される熱電子は，アノード電極とボディ電極に高磁場中において高密度プラズマを加熱する必要があり，印加される電圧により加速され，超伝導電磁石（Supercon-Plasma Research Center, University of Tsukuba, Tsukuba, IBARAKI 305-8577, Japancorresponding author’s e-mail:kariya@prc.tsukuba.ac.jp

１４６!2017 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion ResearchFront Runner

表１

Development of High Power Gyrotron for Nuclear Fusion Reactor

28/35 GHz ２周波数ジャイロトロン設計仕様．

T. Kariya et al.

クタ間の CPD 電圧である．更に外部掃引コイルを付加し，28/35 GHz ２周波数ジャイロトロン
周波数28 GHz34.77 GHz
出力
2 MW 0.4 MW
1 MW
パルス幅
3 s CW3s
総合効率５０％（with CPD） ５０％（with CPD）
ビーム電圧
80 kV 70 kV80 kV
ビーム電流
70 A 20 A
40 A
電子銃
３極型（MIG）
発振モード
TE8,5TE10,6

電子ビーム補修位置を時間的に変えることで，熱負荷の低出力モード
出力窓動作における誘電損失に起因する窓温度上昇を抑制するたコレクタ減を行う．
28 GHz と 35 GHz 近傍の両周波数に対し，同一電子銃で良い電子ビームパラメータが得られ，同一空胴共振器で発振可能で，同一放射器で同じ放射角を持ち，同一出力窓で整合が取れ，同一コレクタで低熱負荷運転が可能な空胴発
振 モ ー ド の 組 み 合 わ せ を 検 討 し，28 GHz で ('&!
$モ ード，34.77 GHz で ('#"!
%モードを採択した．出力窓は，CWガウス状ビーム
サファイア製ダブルディスク
電位降下型（CPD）
電場掃引コイル

め，平行に配置した２枚のサファイア・セラミックス板の間に低誘電損失流体であるフルオロカーボンを流し，冷却効率を上げるダブルディスク窓を採用した．
ダブルディスク窓の周波数帯域特性は，３体の誘電体層における電磁波の伝播特性として計算されるが，誘電体の厚みや誘電率の違い，組立精度により組立構造体の反射率は設計とずれる可能性がある．そこで，ジャイロトロンへの搭載前，及び搭載後に，冷却媒体流路厚の最適化を行い，窓での電磁波反射率を２％程度に調整した．得られた反射率には，冷却媒体での吸収（計算値は１％以下），サファイ
ア板厚み精度等の製造精度，組立・調整制度等に起因する反射，測定誤差が含まれる．窓での反射波は，数秒程度の動作では問題無いが，CW 動作の場合，ジャイロトロン管内の不要加熱を引き起こす可能性がある．パルス幅伸長，出力窓性能評価の際は，電磁波伝送系からの反射も含め，留意して試験を進める必要がある．
28 GHz 帯 の２号 管 と な る２周 波 数 ジ ャ イ ロ ト ロ ン
は，２０１６年６月に製作を完了，試験を開始した．図２に出

図１

力窓に取付けた短パルス用 SiC ダミーロードにより測定し28/35 GHz ２周 波 数 ジ ャ イ ロ ト ロ ン の（a）
構 造 断 面 図，（b）
完成写真．

た，ビーム電圧 #-"80 kV における電磁波出力とビーム電流依存性を示す．図中 ● 印は，繰返し運転時における，ducting Magnet: SCM）により形成する外部磁場に沿って，ダ ミ ー 冷 却 水 の 飽 和 温 度 よ り 算 出 し た 電 力， ■印

単一円筒型の空胴共振器に入射される．空胴共振器では，は，１ショット発振時のダミー冷却水温度変化の時間積分

電子ビームのエネルギーが電磁波のエネルギーに変換さより算出した電力であ る．周 波 数 28.045 GHz に お い てれ，円 形 導 波 管 モ ー ド の 電 磁 波（('.!/）が 発 振 す る．

1.27 MW のガウス状ビーム出力が得られた．又，34.83 GHz('.!/モード電磁波は，モード変換器によりガウス状ビーにおいて，0.48 MW のガウス状ビーム出力を確認した．電ムに変換され４枚の内蔵ミラーにより伝送，出力窓より射

磁波出力ビーム位置は，28 GHz 出力と同様に窓中心にあ出される．相互作用を終えた電子ビームはコレクタによりり，電磁波伝送系に問題が無いことが確認された．更に捕集される．コレクタとボディ電位部（ビームトンネル，28 GHz発振における，電磁波出力の空胴共振器磁場強度に空胴共振器，放射器，ミラー１〜３）間に，絶縁セラミッ対する依存性，電磁波出力のアノード電圧に対する依存性

クスで構成される DC ブレーク部を設け，コレクタ―ボを取得し，大きな問題が無いことを確認した．図３に CPD

ディ間に発振相互作用を終えた後の電子ビーム（スペント電圧特性を示す．図中 !
)はアノード電極に流入する電流，ビーム）を減速する電圧を印加することで電子ビームのエ!
*はボディ電位部に流入する電流である．CPD 電圧 #+1,ネルギーを回収する（電位降下型コレクタ（Collector Po-の増加とともに総合効率 %2は増加し，#+1,=30 kV においtential Depression: CPD））．CPD により，コレクタの熱負て，目標の５０％を達成した．しかし，#+1,が高くなるほど，荷が軽減される．更に，CPD 印加時の，電源入力電力に対出力 "0は減少し，!
)と !
*は増加した．この原因としては，する電磁波出力電力で定義する総合効率 %2は，CPD を印加

電子ビームのピッチファクタの分散#$"$が悪いため，一部しない場合の電磁波出力効率 %（空胴発振効率×電磁波伝0の電子のエネルギーが空胴発振後，小さくなりすぎ，#+1,送効率）に対し，#-*"（#-+"#-*!#+1,）倍だけ改善され#-+により反射され，ボディ電位部やアノードに流入，空胴発る．ここで，#-*はカソード−ボディ間に印加される空胴振にも影響したものと考えられる．長パルス〜CW 動作を共振器に入射する電子の加速電圧，#-+はカソード−コレ行う場合には，!
"$を改善する必)，!
*を下げるために，#$クタ間の電流を供給する主電源電圧，#+1,はボディ−コレ

要があ る．#$"$の改善は，発振効率の改善にも つなが
１４７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.93, No.3 March 2017

表２LHD 用ジャイロトロンの動作実績．

管 No.
77 GHz77 GHz

１号管２号管

77 GHz

３号管154 GHz１号管154 GHz

２号管

短パルス運転アノード２段立上
1.40 MW 2.0 s
1.30 MW 2.2 s
1.87 MW 0.1 s
1.78 MW 1.0 s
1.16 MW 1.4 s
1.20 MW 1.4 s

長パルス運転0.13 MW 935 s
0.24 MW 1800 s
0.30 MW 1800 s
0.35 MW 1800 s
0.20 MW 1800 s

イロトロンの設計を開始した．電子ビームパラメータ，放射器の放射角，出力窓の整合，コレクタの熱負荷を検討し，
('#%!
'#"!
&モ ー ド で 154 GHz 発 振，($モ ー ド で 116 GHz発振の設計を進めることとした．
図２

空胴共振器の電気設計においては，154 GHz と 116 GHz．
28 GHz 出力のビーム電流依存性（Vk = 80 kV）の両周波数において，ビーム電流 !
+=70 A で，1.5 MW 以上の発振が期待される結果が得られた．電子銃の電気設計においては，154 GHz １号管と同一構造の電子銃で，両周波数の動作に対し，電子ビームのピッチファクタ%#"が，高効率発振を得る１つの指標である $%#%"5％ の低分散で得られた．このことは，部品の共通化の上で大きなメリットである．４枚の内蔵ミラーによる出力窓までの電磁波伝送効率は，154 GHz において 97.8%，116 GHz において 98.1％である．コレクタは，CPD 型とし，外部掃引コイルを付加し て い る．同 一 の コ レ ク タ コ イ ル で の 動 作 に お い て，
2.4 MW のスペントビーム入射に対するコレクタの平均熱負荷分布の計算結果は，両周波数に対し 0.5 kW/cm2 以下となり，熱応力計算や電力管の動作実績より，出力 1 MW

図３で CW 動作が可能であると考えられる．

28 GHz 発振における出力（Po），総合効率（'，アノード電t），ボディ電流（Ib）の CPD 電圧依存性（Vkb = 80 kV，流（Ia）
Ik = 25.5 A）．

４．300 GHz 帯ジャイロトロンの開発
QSTとの共同研究として，DEMO用300 GHz帯ジャイロり，目標の 1.5〜2 MW 出力達成にも必要である．$%#%劣化トロンの開発を進めている．発振試験用ジャイロトロン１の１つの要因として，ジャイロトロン軸と SCM 磁気軸の号管では，周波数 300 GHz において，500 kW‐数 ms の出力ズレが考えられる．

を目標とした．空胴共振器内壁面の平均熱負荷は，周波数今後，ダブルディスク窓の性能評価のための長パルス化の 2.5 乗に比例して大きくなる上，同じ発振モードに対しエージングを進め，電磁波出力，冷却媒体流速に対する窓て，周波数が高く（波長 (が短く）なるほど空胴共振器径温度上昇データを取得する予定である．更に，ジャイロトは小さくする必要があり，空胴共振器の熱負荷をいかに低ロンと SCM 磁場間のアライメントの再調整を行ったうえ，

く抑えるかが大電力・高周波数ジャイロトロン開発の１つビーム電流を上げ，1.5 MW 以上の出力調整を行う予定での課題である．更に，空胴共振器における入射電子ビームある．

半径"*も小さくする必要があり，電流密度が高くなること
による空間電荷効果の影響やカソード・ローディング等が問題となる．半径 #',!-モードの)の空胴共振器において (３．154/116 GHz ２周波数ジャイロトロンの設計発振を行う場合，#)と "*は，筑波大学と NIFS 間のジャイロトロン開発共同研究により，これまでに開発した 77 GHz ジャイロトロンと 154 GHz#)"ジャイロトロンの最新の達成値を表２に示す．表中，斜体
文字は，電源電圧，ビーム電流，空間電荷効果等，動作条

&,!()
#&
"*" ,!"!"()#件がある程度定常に成った段階で出力が最大となる様に，発振開始時はアノード電圧を低くし安定に立上げ，主動作時間帯でアノード電圧を上げ高出力を得る，アノード２段で与えられる．こ こ で &,!-は，ベ ッ セ ル 関 数 の 根 で あ

立上シーケンスでの達成値である．次のステップとして，る．よって，&,!-の大きい高次モードを選択することで，LHD におけるプラズマ実験領域拡大のため，154 GHz と#)と "*を大きくすることができ，空胴共振器熱負荷と電子115.5 GHz 近傍の両方の周波数で動作可能な２周波数ジャビーム電流密度を下げることができる．本ジャイロトロン
１４８Front Runner

Development of High Power Gyrotron for Nuclear Fusion Reactor

T. Kariya et al.の空胴共振器の発振モードは，将来の MW 発振における熱負荷を考慮し，空胴共振器内部壁面でのジュール損失電力の小さい高次モード )(%$!
#&を採用した．図４に 300 GHz
ジ ャ イ ロ ト ロ ン の 構 造 断 面 図（a），写 真（b）を 示 す．
13 T-SCMのボア径（#１１０）の制限により，電子銃は２極電子銃を用い，モード変換器を内蔵しない構造である．空胴共振器で発振し た，円 形 導 波 管 モ ー ド )(%$!
#&の 電磁波は，電子ビームを補収するコレクタを兼ねた伝送路を伝播し，サファイア製の出力窓より出力される．
動作性能試験は，筑波大学の試験装置において実施した．ビ ー ム 電 流 36.8 A に お い て，所 要 モ ー ド )(%$!
#&（299.84 GHz）が，出力 522 kW で得られた．また，)(%#!
#&モード（296 GHz）で 542 kW，)(%"!
#'モード（301.8 GHz）で 528 kW の発振が主モードと同程度の効率で得られた．
周波数測定は，ハーモニックミキサ出力を高速フレームオ

図４300 GHz ジャイロトロンの（a）構造断面図，（b）
概観写真．

図５

300 GHz ジャイロトロンにおける220~260 GHz帯発振試験．
（Vk = 70 kV，Ik = 21.6 A）

シロスコプで記録する方式で行った［１０］．高次モードの発振では，"*!+の値が近い根が多くなるため，発振モードのモード競合が厳しくなる．300 GHz帯における500 kWを超える ms オーダーの発振が，単純な円筒型共振器で成功したことは，DEMOに向けた300 GHz-MW-CWジャイロトロン開発に向けての大きなステップである．
更に，240 GHz 近傍の発振試験を実施し，磁場調整範囲において 300 kW 程度の７つの発振モードを確認した．１つのモードを除き，６つのモードに対しては，空胴磁場強度，電子ビーム入射位置，電磁波出力の電力ピーク半径／回転方向より発振モードを同定することで，発振周波数は226〜254 GHz であると推定され（図５），サブミリ波領域での周波数可変ジャイロトロンの基礎となる多周波数の発振を確認した．
今後の開発方針としては，電子ビームパラメータ制御のため３極型電子銃の採用，出力電磁波伝送に適したガウス

び NIFS14KUGM095，NIFS14KUGM086），NIFS‐筑波大ビームへの変換と電子ビームと電磁波伝送路を分離しコレ間ジャイロトロン開発共同研究（COD27077），科研費補助

クタを大型化し熱負荷を低減するため放射器の内蔵，大電金（２６２４９１４１，１５H０５７７０，２５２４９１３５）による．

力・長パルス運転のためダイヤモンド窓と CPD 型コレク

参考文献

タの採用等が上げられる．

［１］T. Kariya et al., Proc. 26th IAEA Fusion Energy Conf.
FIP1-6Rc (2016).
［２］H. Idei et al., Proc. 25th IAEA Fusion Energy Conf. EX/
P1-38 (2014).
［３］H. Idei et al., Proc. 26th IAEA Fusion Energy Conf. EX/
P4-491 (2016).
［４］T. Kariya et al., Trans. Fusion Sci. Tech. 55, 91 (2009).
［５］H. Takahashi et al., Trans. Fusion Sci. Tech. 57, 19 (2010).
［６］R. Minami et al., Nucl. Fusion 53, 063003 (2013).
［７］H. Takahashi et al., Phys. Plasmas 21, 061506 (2014).
［８］T. Imai et al., Proc. 25th IAEA Fusion Energy Conf. FIP/2-2Rc (2014).
［９］T. Kariya et al., Nucl. Fusion 55, 093009 (2015).
［１０］Y. Oda et al., Int. Conf. on Inf. Mill. Tera. Waves, Aug.23-28(Hong Kong)/ TS-68 (2015).
［１１］T. Kariya et al., AIP Conf. Proc. 1771, 030020 (2016).
［１２］山口敏和 他：プラズマ応用科学 23, 1 (2016).

５．おわりに筑波大学では，各大学，研究機関との共同研究により，大電力マイクロ波発振管であるジャイロトロンの研究，開発を行っている．その第一の目的は，核融合研究への適用と貢献である．ジャイロトロン出力の電磁波で電力を伝送する無線電力伝送（宇宙太陽光発電，ロケット［１２］／飛行機推進等）やレーダーへの適用も考えられ，今後，その用途が広がることを期待したい．

謝辞

本研究の遂行にあたりご助力いただいた，東芝電子管デバイス株式会社，株式会社 IDX，九州大学応用力学研究所，核融合科学研究所，量子科学技術開発機構，筑波大学プラズマ研究センターの関係各位に感謝いたします．
本研究は，NIFS 双方向型共同研究（NIFS13KUGM080，NIFS16KUGM106：筑波大‐九大間センター連携研究，及１４９