J. Plasma Fusion Res. Vol.86, No.2 (2010)１
０４‐１２１

研究技術ノート

核融合実験装置用大電力マイクロ波管の開発
林健一

東芝電子管デバイス株式会社（原稿受付：２
００
９年９月１４日，原稿受理：２
０
１
０年１月１
９日）

核融合プラズマの生成，加熱，電流駆動の高周波源として使用される大電力マイクロ波管，クライストロンとジャイロトロンについて，動作機構，設計手法，東芝電子管デバイス株式会社における開発の変遷，および今後の課題について述べる．クライストロンでは，プラズマ生成用に開発した X バンド 25 kW 連続出力管を例として，電子銃からコレクタまでの直流電子ビームの軌道計算と空胴部でのマイクロ波と電子ビームの相互作用をシ
ミュレートする計算コードを用いた設計手法を示す．また，最近開発した韓国 KSTAR 向け 5 GHz，500 kW プロ
ト管の開発の要点と成果について述べる．ジャイロトロンでは，MIG 型電子銃の設計に必要な諸量とそれらの関係，単一モード／コールドモデルに基づいたスケーリング則による基本設計を示す．大電力化と高周波数化に向けて，軸対称モード管，回廊モード管，モード変換器内蔵管，電位コレクタ搭載管と進んだ開発の歴史と各段階で発生した問題点と解決策を示すとともに，主要コンポーネントごとに開発の要点と今後の課題について述べる．
Keywords:
microwave tube, klystron, gyrotron, ECH, LHH

１．序

ジェクトに１９８０年代から協力し，共同開発により多くの成マイクロ波管は，通信やエレクトロニクス分野において果が得られた．図１（b）
は，国際熱核融合実験炉（ITER, In-

固体素子に主役の座を引き渡して以来，電子管でなければternational Thermonuclear Experimental Reactor）の電子実現できない大電力と高周波数が必要とされる分野で発展（a）してきた．衛星放送・通信用進行波管，癌治療器用マグネ（b）

トロンやクライストロン，高エネルギー物理研究用クライストロン，そして核融合研究用クライストロンとジャイロ
ト ロン で あ る．図１は，東 芝 電 子 管 デ バ イ ス 株 式 会 社（TETD, Toshiba Electron Tubes & Devices Co., Ltd．）が，最近製造した核融合実験装置用の大電力マイクロ波管である．これまで開発してきた様々なキー技術を取り入れた世界最高性能をもつマイクロ波管である．
図１（a）は，5 GHz クライストロンで，韓国の超伝導トカ
マク実験装置 KSTAR（Korea Superconducting Tokamak
Advanced Research）の低域混成波加熱（LHH, Lower Hybrid Resonance Heating）用に開発したプロト管である．
KSTAR の LHH では，5 GHz，500 kW CW クライストロンを４本使用する計画で，プロト管としての設計で 500 kW，
CW 出力を，性能で 400 kW，
１０秒動作を目標として開発した［１］．CW クライストロンとしては，比較的周波数の高い
5 GHz での連続動作を達成するために，出力空胴には進行波形３セル空胴を採用し空胴内の電界を下げることによって，ジュール損失による空胴壁の熱負荷を軽減するなどの施策を盛り込んだ結果，350 kWの連続動作，450 kWの10 s動作を達成し，510 kW，0.5 秒の最高出力を確認した．

図１

一方，ジャイロトロンについては，日本原子力研究開発
機構（JAEA, Japan Atomic Energy Agency）の開発プロ
Development of High-Power Microwave Tubes for Fusion Experimental Devices
HAYASHI Kenichi

１０４

核融合実験装置用大電力マイクロ波管（a）KSTAR 向け 5
GHz クライストロン E3762（b）ITER 用 170 GHz ジャイロ
トロン E３９９３．
author’s e-mail: kenichi1.hayashi@toshiba.co.jp!2010 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion ResearchResearch and Technology Note

Development and High‐Power Microwave Tubes for Fusion Experimental Devices

K. Hayashi

サイクロトロン共鳴加熱（ECH，Electron Cyclotron Resonance Heating）用 170 GHz，1 MW 準定常出力ジャイロト
ロンである．JAEA において ITER の目標仕様 1 MW−５００
秒動作を上回る 1 MW−８００秒の出力が達成された．ITER
用の 170 GHz ジャイロトロンは，ロシア，EU，日本の三極で開発を行っているが，ITER の目標仕様を達成したのは，この管が唯一である［２］．
このように，TETD では，JAEA，核融合科学 研 究所
（NIFS, National Institute for Fusion Science），筑波大学をはじめとする国内外の大学や研究機関からの受注や共同研
究を通して，大電力マイクロ波管の開発を精力的に続けている．TETD は，名前のとおり，X 線管，X 線イメージン
グ装置，送信管，マイクロ波管，ガス検出器などのいろい
ろな電子管の製造を生業としている．電子管製造専業メー
カーとして２００３年１０月に!東芝から独立した．１９１５年に国内 初 の X 線 管 を，１９１７年 に 送 信 管 を 製 造 し 始 め て 以
来，２００７年に X 線管製造９０周年，２００８年にはクライストロ

図２

ン製造５０周年を迎えるなど，電子管製造メーカーとしての多空胴クライストロンの構造．

歴史は古い．本稿では，７０年代後半から本格的に開発を開始した核融合実験装置用のクライストロンとジャイロトロ

れて相互作用部に入り，運動エネルギーをマイクロ波に与ンの開発を振り返り，その時々に直面した問題やブレーク

えて，最終的にコレクタで捕集される．一方，入力空胴かスルー技術について述べる．以下，両管について，基本構ら入力されたマイクロ波は，相互作用部で増幅された後，造，動作原理，設計指針，核融合実験装置用大型管として

出力空胴，出力窓を経て外部回路に出力される．
クライストロンでは，電子銃は空間電荷制限領域で動作の開発について，それぞれ，２章と３章に述べる．

する．したがって，電子ビームのビーム電圧 #%，ビーム

２．クライストロン

パービアンスを !%，効率を !とすると，マイクロ波の出力２．
１ 大電力クライストロンの基本構造，動作原理と設計"!は，#

電子ビームの形態とマイクロ波電磁界との結合の仕方に

"!#!
!%#%"

よって，いろいろなマイクロ波管が実用化されているが，「一様な密度とエネルギーをもつ電子ビームが，マイクロで表される．大電力を得るには，電子ビームの加速電圧を波電磁界によって集群（バンチング）され，集群された電上げるか，パービアンスの大きい電子ビームを発生する子群がマイクロ波電界の減速位相に入ることによって，そか，あるいは効率を高くすることが考えられる．しかし，の運動エネルギーあるいは位置エネルギーがマイクロ波にパービアンスと効率の間には，変換される」というメカニズムはどのマイクロ波管も変わ

3/2
!
（％）
）
!（μA/V#$!!"!"%

らない．主なマイクロ波管には，クライストロン，進行波（１）管と後進波管，マグネトロン，ジャイロトロンがあるが，の関係がある［４］．図３は，関係式と TETD の代表的な管これらのマイクロ波管の動作原理と実際については，本誌（後節で詳しく述べる）について示したもので，パービアン

においても武藤等による詳しい解説がある［３］．

スが大きくなると効率は低くなる．これは，パービアンス

クライストロンは，直進する電子ビームの進行方向へのの大きい（ビーム電流密度の大きい）電子ビームでは，空バンチングを利用するマイクロ波管である．クライストロ

間電荷効果によりマイクロ波による集群作用が乱されるた

ンでは，電子はまず，入力空胴に励振されているマイクロめである．

波電界によって速度変調を受け，ドリフト領域を進行する

図３において，E3730A と E3712は，線形加速器に用いらにしたがって速度の速い電子が遅い電子に追いつくことにれる S バンドのパルス管で，それぞれ，50 MW と 80 MW

よって集群する．この電子群の電荷によって，出力空胴にのパルス出力をもつ．大電力を得るために，高動作電圧

誘導電界が発生し，電子群の運動エネルギーの大部分がマ（312 kV と 400 kV）と大電流が必要で，パービアンスを大イクロ波に変換される．共振空胴を使用するため，瞬時動

きくとらざるを得ない．したがって，効率は 40 ％程度であ作帯域は狭いが高利得で高効率である．また，空胴の冷却る．これに対して，CW 管の場合は，空胴，ドリフトチューが構造上比較的簡単なので，大電力化に向いている．

ブ，コレクタ，出力窓などの熱的な問題で出力が制限され

図２に，クライストロンの基本的な構造を示す．電子銃，る．熱的な制約があまり問題とならない比較的動作周波数

複数個の共振空胴からなる相互作用部とコレクタが直線状の低いクライストロン，E3732（508.6 MHz，1.2 MW，CWに配置されている．熱陰極から放出された電子は，カソー管）や E3740A（324 MHz，3 MW，長パルス管）は，50 ％ドとボディ間の静電界により所定のエネルギーまで加速さ以上の効率が得られている．周波数の高い C バンド管 E
１０５

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.86, No.2 February 2010

図３

図４

X バンドクライストロン E3794 の直流電子ビーム軌道と外部磁場プロファイル．

図５

X バンドクライストロン E3794 の電子ビームとマイクロ波との相互作用のシミュレーション．

TETD 主要クライストロンのパービアンスと効率．

3762 や X バンド管 E3794 では，空胴やドリフトチューブでのマイクロ波あるいは電子の損失による発熱のために，効率に対して動作パラメータを最適化できない．したがって，図３において，（１）式で与えられる値よりかなり低い
動作効率となっている．
図４は，X バンド CW クライストロン E3794 の直流電子ビーム軌道を示している．電子銃は，球面状の熱陰極，
ウェネルト電極，陽極（ボディ）で構成されるピアス形の電子銃である．ウェネルト電極は，陰極と同電位の電極で，空間電荷効果よる電子ビームの発散を相殺する集束電界を形成するためのものである．相互作用部において，空間電荷効果による電子ビームの拡がりを抑えるために，集束マ
グネットにより図４のような分布の静磁界が軸方向に印加される．逆に，コレクタでは，空間電荷効果を積極的に利用し電子ビームを拡げることによって，コレクタ壁の熱負荷を平滑化している．したがって，集束磁界は，相互作用部出口で急激に減少するように構成されている．

空間電荷効果が顕著になり，電子ビームが軸方向に急激に

図５は，電子ビームとマイクロ波の相互作用のシミュ広がる様子がわかる．計算機シミュレーションを用いた多レーションで，E3794 の相互作用部である．この例のよう

空胴クライストロンの相互作用部の設計については，様々に，相互作用部は，通常５つの空胴で構成する．特に広いな研究機関で議論され，固有の設計手法が存在する［５］．

瞬時帯域あるいは高い利得が必要な場合は，６空胴構成を効率，利得，瞬時帯域幅などの要求仕様に対して，空胴の用いる場合もある．図５において，左から入力空胴（第１配置，離調周波数（動作周波数と空胴の共振周波数との空胴），第２空胴，……出力空胴（第５空胴）の順に並んで差），Q 値などのパラメータを決定するが，基本的には，電いる．入力空胴は文字通り，増幅しようとするマイクロ波

子ビームの集群をどのように形成するかということなる．

を入力する空胴，出力空胴は，電子ビームの運動エネル

例えば，周波数の高い側に離調すると集群は強くなり低い

ギーをマイクロ波のエネルギーに変換し外部回路に取り出側に離調すると集群は弱くなるので，出力空胴に近い中間

すための空胴である．それ以外の空胴，中間空胴は，外部

空胴は高い方に離調するなどである．

回路につながっておらず，共振電界は電子ビームによって

２．
２ 核融合実験装置用大電力クライストロン
表１に，TETD がこれまでに核融合実験装置用に開発し励振される．
図５は，軸対称２次元の電子ビーム軌道を 1/4 周期ごとてきたクライストロンを示す．これらの管とは別に，高エの時間間隔で追ったもので，電子ビームの集群が形成されネルギー加速器研究機構（KEK），理研のご指導を受けて，る様子，出力空胴では，電子群が減速されることによって加速器用の大電力クライストロンを開発してきた．これら

表１
開発年
１
９
７
７
１
９
８
０
２
０
０
４
２
０
０
５

型式
E３
７
６
５
E３
７
７
８
E３
７
９
４
E３
７
６
２

周波数（MHz）
６
５
０−７
５
０
１
７
０
０−２
０
０
０
８
２
０
０
５
０
０
０

TETD 開発の核融合実験装置用大電力クライストロン．
出力（kW）
５
０
１
４
０
０
２
５
４
０
０

効率
（％）

利得（dB）

５
５
１
７
５
０

４
９
４
１
４
８

１０６

パルス幅（s）
CW
１
０
１
１
０

備考
JAEA 向け
遠隔機械式同調空胴100 kW 短パルス出力
３セル進行波形出力空胴Research and Technology Note

Development and High‐Power Microwave Tubes for Fusion Experimental Devices

K. Hayashiのクライストロンの開発については，KEKトリスタンリン

表面おいて，放出された電子が二次電子をたたき出すよう

グ 用 に 開 発 し た 世 界 最 大 の 連 続 出 力 を も つ 500 MHz，に，マイクロ波の周波数と電子の移動距離がマッチすると1.2 MW クライストロン E3786（後の SPring-8, KEKB リン

放電は維持される．また，電子の往復運動中に管内ガスのグ用 E3732）と線形加速器用の 2856 MHz，100 MW S バン

電離によって発生する電子により，放電は助長される．こドパルスクラ イ ス ト ロ ン E3712 の 開 発 に 関 す る 回想録

れに対処するために，管材料の表面処理，真空処理，コンが，加速器学会誌に掲載されている［６，７］．

ディショニングの方法などの根本的技術を再検討し，４年

TETD が最初にプラズマ実験用に開発したクライスト

間の開発期間を費やして目標性能を達成した．ほぼ時期を

ロ ン E3765 は，周 波 数６５０‐750 MHz，50 kW 出 力 の CW

同じにして開発した KEK 向け CW クライストロン E3786

クライストロンで，当時量産していた UHF-TV 放送用クラとこの E3778 の開発で培った設計技術，プロセス技術，試

イストロンのアップグレードとして製作された．日本原子験評価技術が，現在の TETD の CW クライストロン開発の力研究所（原研，現 JAEA）のプラズマ加熱実験におい基本となっている．

て，４本並列運転した 200 kW 装置がプラズマ実験に供さ８０年代の後半からECHが注目されるようになり，プラズ

れた．この頃から，高周波実験用ドライバとしてクライス

マ実験用大電力管の開発の主体は，クライストロンからトロンが使われるようになり，名古屋大学プラズマ研究所

ジャイロトロンに変わった．クライストロンについては，高いでは，日本電気製の 800 MHz，200 kW 管 LD４２６２を２本並動作周波数のものが要求されるようになり，TETD で列運転した200 kW装置がプラズマ加熱実験に使用された．

は，ここ最近，X バンドと C バンドの２種類のクライスト

放送用クライストロンは８０年代半ばに全半導体送信装置

ロンを開発した．動作周波数が高くなると，波長に比例しが開発されたのを機に徐々に消えていったが，競合の日本て寸法が小さくなるため，相互作用部においては，不要電電気との性能向上に関する競争の中でクライストロンの性子ビームによるドリフトチューブの熱負荷密度の増大と出能は向上し，６０‐70 ％の効率が得られるまでになった．余

力空胴壁のジュール損失による熱負荷密度の増大の２つの談になるが，国内では UHF-TV 放送用として，現在も関西要因により，大電力化と高効率化が難しくなる．

の放送局で TETD クライストロン１AV９５が１台運用され

E3794は，動作周波数8.2 GHzの長パルスクライストロンているが，２
０１１年の地上デジタル放送への移行とともに完で，東大 RT‐１装置のプラズマ発生用の RF ドライバとして全に姿を消すことが決まっている．

２００４年 に 開 発 し た．X バ ン ド と い う こ と も あ り，全 長

E3778は，JT‐６０装置のLHH用として開発した2 GHz，長1.1 m，重さ 150 kg と長パルス管としては小型で，５空胴でパルス 1 MW クライストロンである．図６はその外観写真構成された相互作用部も長さも 250 mm 程度と短い．電子で，全長約 3 m，重さ 900 kg の大型管である［８］．１９８０年

ビームとマイクロ波との結合を強くするためには，できるに，TETD と日本電気（管名 LD４４４４）が別々に開発を進

だけ空胴ギャップ径に近い電子ビームが必要となる．電子

め，それぞれ，１９８３，８４年に，1 MW，１０秒の目標性能を達

ビームの径を大きくするほどドリフトチューブに落ちる電成した［８］．

子ビームが増え，これによる熱負荷密度も増大する．この開発の最大の課題は，出力窓の温度上昇と熱応力による管では，真空リークなどの致命的損傷を防ぐことを優先し熱的破壊である．クライストロンでは，窓材の誘電損失にて，25 kW−１秒の長パルス動作と，100 kW 出力を目標と

加え，真空側の窓表面に発生するマルチパクタ放電によして設計した．パルス幅 20 μs での動作確認試験において，り，窓の温度が上昇がする．マルチパクタ放電は，管構造

出力 100 kW，効率 37 ％，利得 41 dB を達成した．パルス材表面からの二次電子がマイクロ波電界によって往復運動

幅１秒 の 長 パ ル ス 動 作 に お い て は，出 力 25 kW，効 率をすることによって発生する．二次放出係数が１を超える

17 ％，利得 41 dB での安定動作を確認し，RT-1 装置のプラズマ発生用に使用されている．
冒頭に述べたように，E3762 は KSTAR の LHH 用のプロ
ト管として開発された．２００３年に，韓国 POSTEC（Pohang
University of Science & Technology）から開発要請を受けたが，5 GHzの動作周波数で500 kWの連続出力の仕様に対して，二の足を踏んでいた．この仕様は，ITER の第２オプションとして検討されている LHH 用マイクロ波源の仕様と同じものであり，開発のハードルは高いという認識であった．TETD はこれより前に，原研の指導のもと，5 GHzの短パルス管 E3720 を開発し，パルス幅 15 μs で 700 kWの出力を得ていたが，熱的な検討は実施していなかった．
社内において，熱的な実現可能性について検討を重ねた結果，設計目標として 500 kW 連続出力を満足することと，
400 kW 以 上 の 出 力 で 10 s 以 上 動 作 を 実 証 す る こ と でPOSTEC と合意し開発を開始した．

図６

2 GHz，1 MW 長パルスクライストロン E3778．

図１（a）に示すように電子銃は三極タイプで，定格 68 kV
１０７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.86, No.2 February 2010−15.5 A，ガンパービアンスは 1.01 μA/V1.5 である．CW

netron Injection Gun）と呼ばれる電子銃部，ビームトンネ

動作を考慮してカソードローディングが 1 A/cm2 になるよル，空胴共振器，出力導波管を兼ねるコレクタ，および出うにカソード径を選んでいる．効率を高くするためには，力窓から構成される．発振に必要な外部磁場は，電子銃部

出力空胴において集群した電子ビームが一気に高いマイクから空胴にかけて緩やかに増大し空胴で最大となる分布を

ロ波電界強度を通過する必要があるが，このためには空胴もつ．発振周波数は電子の旋回周波数とほぼ同じであるたの Q 値をある程度確保しなければならない．周波数が高く

め，高い周波数になるほど強い磁場が必要となり，一般になると空胴の寸法も波長に比例して小さくなり空胴壁の30 GHz以上のジャイロトロンでは，超伝導マグネットが使ジュール損失による熱負荷密度が増大する（空胴の熱負荷用される．

密度は周波数の 2.5 乗に比例する）．これを防ぐために，本MIG から出射した中空の旋回電子ビームは，ビームトン

クライストロンでは，３セルの進行波形空胴を採用するこ

ネル内を管軸方向の外部磁場にガイドされて次第に旋回方とによって，効率を低下させることなく空胴中のマイクロ向の速度を大きくしながら走行し空胴に入射する．空胴で波電界強度を下げるこ と を 試 み た．出 力 500 kW，効率

は，電子の旋回周波数より少し高い周波数をもつ円形 TE

50 ％において，単空胴の熱負荷 350 W/cm2 に対して，採用

モードのマイクロ波と相互作用を行い，電子の旋回エネルした空胴では 60 W/cm2 と十分に小さい値となった．ただギーの一部がマイクロ波電力に変換される．エネルギー変

し，各セルへの冷却チャネルは複雑になり，試作モデルに換を終えた電子ビームはコレクタに捕集され残りの運動エ

より，前もって実際の冷却水の流れと変形を評価した．もネルギーは熱に変わる．一方，空胴で発振したマイクロ波

う一つの課題，出力窓の誘電損失による発熱と熱応力によはテーパ導波管，コレクタを通って出力窓から取り出される破壊に対しては，２ポート出力形式を採用するとともる．

に，低誘電損失かつ高熱伝導率材としてベリリア窓を使用

ジャイロトロンは，ミリ波領域の大電力管であるとともした．

に，高調波発振によるサブミリ波領域の発振源としても注

図７は，飽和出力，効率，ドライブ電力のビーム電圧依

目されており，物性研究，イメージング，新機能性材料創存性を示す試験結果である．出力 350 kW までは連続動作，成などへの応用研究も盛んに行われているが［１０］，本稿で455 kW までは１０秒パルス（デューティ 16.7 ％），510 kW

は，大電力向きの基本波動作について述べる．以下，空胴までは 0.5 秒（デューティ 10 ％）の動作である．出力空胴での発振動作に必要な電子ビーム条件と MIG を設計するは 500 kW 出力に対して最適化しているため，効率は出力ために必要な諸量の関係を示す．次に，MIT による単一が高くなるにつれて大きくなり，設計どおりビーム電圧 68

モード／コールドモデルでの解析手順に従って，発振動作

kV において 50 ％が得られた．また，ボディ損失と出力窓の記述とスケーリングに必要な諸量（電子効率，横方向効の温度上昇も，それぞれ，300 kW 連続動作に対して 5 kW率，規格化された電界強度と空胴長，電子ビームとマイクと 0.5 deg と予測どおりの値となり，今後の 500 kW 連続動

ロ波の結合強度，発振開始電流）の関係を記述する［１１］．

作への展望を得た．本プロト管は，２００６年に韓国大田の

３．
１．
１ 電子銃
図９に 168 GHz，500 kW 管 E3980 の MIG の構造と電子

KSTAR サイトに搬入された．

ビーム軌道計算の一例を示す［１２］．MIG は，円環状のエ

３．ジャイロトロン

ミッションベルトとカソード近傍の電界を整形するための３．
１ ジャイロトロンの基本構造

ノーズと支持部から成るカソード，アノードとボディ

ジャイロトロンの基本構成を図８に示す［９］．MIG（Mag-（ビームトンネル，空胴）で構成される．図９のエミッショ
ンベルト中心での磁場を !#，電界を "#とすると，エミッションベルトから放出された電子は，磁場 !#に垂直な電界成分 "#"$%!#によって磁力線に巻きつく旋回運動を得，アノードとボディ間の電界によって所定のエネルギーまで加速され，その後，ビームトンネルから空胴にかけてのミラー磁場の断熱圧縮効果により，空胴で所定の旋回速度を得る．
空胴入口での電子の旋回速度を #!!，進行速度を #"!，

図７5 GHz，CW クライストロン E3762 の飽和出力，効率，ドライブ電力のビーム電圧依存性．

図８

１０８

ジャイロトロンの基本構成．

Research and Technology Note

Development and High‐Power Microwave Tubes for Fusion Experimental Devices

K. Hayashi

*
*%*
)
*-$
で表される．**-は電子効率と呼ばれ，電子ビームの全エネ
ルギーに対する旋回エネルギーの割合を表している．したがって，電子ビームの特性だけで決まり，
#

"
" &
*
!"" "
,
0%
)
#""&#
!
図９

（２）

で与えられる．

MIG の構造と電子ビーム軌道．

*) は横方向効率と呼ばれ，電子ビームの旋回運動成分からマイクロ波へのエネルギー変換の割合を示すもので，空ローレンツ因子を )!とすると，空胴での電子ビームのパラ

胴通過時の電子のエネルギー損失を計算することによってメータは，求められる．空胴内の電子の運動は，電子の規格化された$')!%(#

運動量 2と電子の旋回角 1に対する微分方程式（Yulpatov

, ",
(
02.,
#
1*+)
/!
! (

の方程式）
)2
0+
2
+
/1
%!#*
)0

"
#
',!% !"! #"!')!
)
!
&
,
*
)
" '#
!%"
1*+

# 0
)1
$"2#!"+
(
021
*+
%!*
! 2
)0

（３）

#
で与えられる［１３］．ここで，0%-*')!
5#++は規格化#',!+*で与えられる．ここで，(%!!#!,はミラー比，空胴磁場と電子銃磁場との比である．/(!%,!!#)!1*は空胴入口でのされた軸方向位置である．#は規格化された電界強度，$

電 子 の 旋 回 周 波 数，*'は ビ ー ム 電 圧，',!%3,!#+，

はデチューニングパラメータ（電子の旋回周波数とマイク+，,は電荷素量，1*は電子の静止質量，+は光')!%3)!#

ロ波の発振周波数のずれ）で，3,!をピッチ
速である．また，旋回速度と進行速度の比 3)!#&#%&!
%##"!!& "$ %! ")./'
+
)
!'
)!%

ファクタ（あるいはピッチ角）と呼び &で表わす．ジャイ
ロトロンでは，電子の旋回エネルギーをマイクロ波の発振/$% #"! (!"# !
/')!

と増幅に利用するから，ピッチファクタはできるだけ大きいことが望まれる．

で表わされる．また，規格化された空胴長 ,として，旋回速度はエミッションベルト上での電界 ",に比例するから，MIG は温度制限領域で動作させる．エミッション#',%-# )!$!&"',! +ベルト上の温度均一性，表面粗さ，電界の一様性，ビーム
自身の空間電荷効果などが影響して，MIG で生成した電子ビームには，旋回速度にばらつきが生じる．一般にピッチを定義する．ここで，'は空胴からのマイクロ波出力，/ファクタを大きくすることと速度分散を小さくすることはと +はマイクロ波の角周波数と波長，&は空胴長，% は空

相反するため，ピッチファクタが大きい電子ビームを得る

胴出口テーパでの反射係数で，開発当初の直線テーパを使#ことは難しい．特に，')!"*#)"!"+となる電子は，ミ!

用した空胴形状では 1.2−1.5 程度，非線形テーパを用いた

ラー磁場により反射され空胴には到達できない．このよう最近の低 Q 値空胴形状では 1.0 に近い値である．

な電子は，電子銃内の電位障壁とミラー磁場によってビー)./%

ムトンネル内に振動しながら留まることになり，ジャイロ
トロンの不安定動作の要因となる．

#
$
/ (+
*
.&" )! *#$#(./+(./!1#+*
1*

上式において，電界強度",は放電に対する耐電圧で制限

は電子ビームとマイクロ波との結合強度である．$. は第一される．したがって，一定のピッチファクタを得るには，

種ベッセル関数，(./は $4+%!の解で，円形 TE モード.*

動作周波数が高くなるにつれてミラー比を大きくする必要の固有値である．式中の &の符号はマイクロ波の回転方向がある．それだけ電子の反射条件に対するマージンがなくを示しており，電子の旋回と逆向きに回転する（＋）モーなるから，より速度分散の小さい電子ビームが必要とな

ドと同じ向きに回転する（−）モードを表している．空胴る．これらの事情から，ピッチファクタは，60 GHz 以下のに励振されるマイクロ波は動径方向（% 方向）に進行する

200 kW 級のジャイロトロンで 1.5−2.0，100 GHz 以上の波（( *31*）が存在し，旋回中心で波を展開すると，%+'.

MW 級のジャイロトロンでは 1.1−1.4 程度である．

それぞれ電子の旋回運動と共鳴するモードが存在するため

３．
１．
２ 空胴

である．結合の度合いを大きくするには，分子のベッセル関数が極値をとるようにビーム入射位置 (*を選ぶことにジャイロトロンでは，電子の旋回エネルギーがマイクロ波のエネルギーに変換されるため，発振効率 *は，なる．ベッセル関数は第１ピークが最大値をとるので，通１０９

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.86, No.2 February 2010$
常#+ & *が最大となる +'"&*#&+$#!#を満たすよう)+$# '" *$%"#$!
$%"#"&'+,% " #") ''"%'"に &*を選ぶ．しかし，前述したようにミラー比をむやみに大きくすることは難しいため，選択したモードによっては，第２，第３ピークに電子ビームを入射する．

の関係がある．
あるモードが発振するのに必要な最低のビーム電流，発入射位置の選択は発振モードを選択的に発振させることにつながるため，主モードに隣接するモードとの分離，

振開始電流は，空胴の電界強度が小さい（!が小さい）線

モード競合の抑制に重要な役割をする．開発当初に発振形領域で Yulpatov の方程式
（３）の ,と .を !で展開するモードとして使用されたTE0n モードは，空胴壁の熱負荷でことによって陽に求めることができる．規格化された発振は有利なモードであるにもかかわらず，高周波数化と大電開始電流は，
!
!
$ !#
$
!
!
- ()-(*#*
#- !
!
"
(
)
)
)
*
#
(
!()
)
*
$
&
"
#
'
.
/
!%
!
#

力化に際して発振モードとして適さなかったわけは，第１ピークへの入射が難しいことと，第２ピークあるいは第３ピークへの入射では，競合モードのTE2n モードとのモードで与えられる［１５］．ここで，(+.,は虚数部を表わす．

競合が回避できなかったからである．
),*はマイクロ波電界の軸方向のプロファイルを表わ)

３．
２ 初期の開発す関数（軸モード関数）で，与えられた空胴形状に対して

表２に，TETD がこれまで開発してきた主な核融合実験

数値的に求めることができる［１４］．しかし，コールドモデ

装置用の大電力ジャイロトロンを開発年順に示す．表に

ル，特にスケーリング則では，求めた軸モード関数を直接は，出力，パルス幅，発振モード，出力モード，放射器と用いないで，空胴長が定義できるサイン分布，ガウス分布，

出力窓の種類，および開発した管の位置づけを表すトピッ

あるいはこれらを組み合わせたプロファイルを使用する．

クを示した．大電力ジャイロトロンの開発においては，日

ここでは，

本を代表して ITER 向けジャイロトロンの開発を主導して

!
%
#
)
,*
)
#"
#
%
$

$
$
!" ,#
( *

いる JAEA の役割が大きい．JAEA は，１９８８年に 100 GHz
帯大電力ジャイロトロンの開発プロジェクトを立ち上げ!& ",%"

た．これ以来，JAEAとTETDは共同研究をすすめ，JAEA+,#-$， "",%(-.
$*の開発シナリオに沿って，ITER や JT‐６０用ジャイロトロ
ン の 開 発 を 行 っ て き た．相 当 す る 開 発 管 に つ い て は，で与えている．

JAEA での管の名称を表に示した．

横方向効率は，空胴入口で旋回位相に対して一様に分布

１９９４年に開発した電位降下形コレクタ搭載ジャイロトロ

した電子の空胴出口での横方向のエネルギー損失の平均かンにおいて，現在の大電力ジャイロトロンの形式が整っら求められ，!，*と #の関数となる．求めた横方向効率た．これ以前は，個々の開発において発生した問題，課題に対して必要となる規格化されたビーム電流 "は，空胴のと解決方法を示し，形式の変遷について述べる．それ以降$

は，各コンポーネント別に，開発の主要テーマを述べる．

定常状態のパワーバランス ! #(から求められる．規格'"
化されたビーム電流と実際のビーム電流 "'との間には，
表２
開発年
１
９
７
９
１
９
８
３
１
９
８
６
１
９
８
８
１
９
８
９
１
９
８
９
１
９
９
０
１
９
９
３
１
９
９
４
１
９
９
５
１
９
９
８
１
９
９
９
２
０
０
１
２
０
０
１
２
０
０
１
２
０
０
５
２
０
０
６
２
０
０
７
２
０
０
８

型式
E3952
E3955D
E3956
E3958
E3960
E3962
E3970
E3971
E3972
E3974
E3976
E3980
E3978E
E3990
E3992
E3955SU
E3993B
E3988
E3990E

周波数22 GHz
28
56
120
120
41
120
110
110
170
170
168
170
110
170
28
170
77
110

出力
25 kW
200
200
170
500
200
460
410
500
450
450
500
900
1000
500
500
1000
1000
1000

TETD 開発の核融合実験装置用大電力ジャイロトロン．

パルス幅
5 ms
75 ms
100 ms
10 ms
1 ms
100 ms
100 ms
1.3 s
3.5 s
50 ms
8s
1s
9s
3s
30 s
100 ms800 s
5s(100 s)

発振モード
TE01
TE02
TE02
TE03
TE12,2
TE02
TE12,2
TE22,2
TE22,2
TE22,6TE31,8TE31,8TE31,8TE22,6TE31,8TE4,2
TE31,8TE18,6
TE22,6

出力モード
TE01
TE02
TE02
TE03
TE12,2
TE02
TEM00
TEM00
TEM00
TEM00
Flat
Flat
TEM00
TEM00
TEM00
TEM00
TEM00
TEM00
TEM00

１１０

放射器
−
−
−
−
−
−
ブラソフ‐$
ブラソフ‐$
ブラソフ‐$
ブラソフ‐$
単らせん
単らせん
単らせん
単らせん
単らせん
最適化形状
最適化形状
最適化形状
最適化形状

出力窓
アルミナ
ベリリア
アルミナ
アルミナ
アルミナ
アルミナ
アルミナ
サファイヤ
サファイヤ
サファイヤ
ダイヤモンド窒化珪素
ダイヤモンド
ダイヤモンド
ダイヤモンドアルミナ
ダイヤモンド
ダイヤモンド
ダイヤモンド

備考
国産１号機
筑波大ガンマ１
０用
京大 WT-&用JA-G１
JA-G２，回廊モード
筑波大ガンマ１
０用
JA-G３，モード変換器内蔵
JA-G４，蒸発冷却コレクタ
JA-G５，CPD ジャイロトロン
I-J１
I-J２MD，ダイヤモンド窓
NIFS/LHD 用
I-J３M５，SiC ビームトンネル
JT-D1，JT‐
６
０U 用
I-J4，300 kW−60 s
筑波大ガンマ１
０用
I-J5M2，ITER 仕様達成
NIFS/LHD 用
JT-D5，JT-60SA 用

Research and Technology Note

Development and High‐Power Microwave Tubes for Fusion Experimental Devices

K. Hayashi

３．
２．
１ 国内初の封じ切りジャイロトロン E3952
TETD におけるジャイロトロンの開発は，１９７９年に京都大学理学部の指導のもと 22 GHz ジャイロトロン E3952 の試作に始まった．既に，ソ連では T‐１０トカマクの ECH
実験に 84 GHz，200 kW−100 ms ジャイロトロンが使用され，米国においては，バリアン社（現 CPI 社）が 28 GHz，
200 kW 管の開発結果を発表しており，完全に後追いの形
図１
０ 22 GHz ジャイロトロン E3952.

で開発を開始した．日本においては，１９７７年に京都大学理学部でジャイロトロンの開発が開始され，日本電気が 35
GHz 管を試作したが，組立式であったため真空度が上がら結合器には口径 37 mm のものを使用していた．放電は円形ず，安定な発振が得られていなかった．

導波管からのダウンテーパ出口付近で頻発し，径方向に電E3952 は国内初の封じ切りジャイロトロンである．図１０

界の存在する非軸対称モードの存在が疑われた．k‐スペクの外観写真において，電子銃の左側に排気管を設けてい

トロメータによるモード純度の測定結果，主モード TE02

る．排気ベーキング後に排気管を圧接・切断（チップオフ）のモード純度は 96 ％で，他の軸対称モードの TE03 が 1.5

し管を封止する．管自体に真空リークはなく管内圧力は％，TE04 が 0.5 ％，他は非軸対称モードの TE24 等であるこ

10−8 Pa 程度であるが，動作時のカソードやコレクタからとが明らかになった．m 値の異なるモードへの変換は DCのアウトガスを排気するために排気管の先端にイオンポン

ブレーク等での軸ずれによるものと考え，円筒形状の SiCプが装備されている．これにより高真空が維持できるよう製管壁で構成した不要モードフィルタをジャイロトロンのになり，最大 40 kV−3 A の電子ビームが得られた．エミッ

出力部に取り付けることによって放電を抑制した．

ションベルトには，直径 22.4 mm，幅 6 mm の TETD 製のE3956 では，ダミーロード（水負荷）が問題となった．

バリウム含浸カソードを使用した．これ以来，TETD はジャイロトロンからの出力は，最終的にダミーロードに吸ジャイロトロンのカソードの開発を続けている．その発展

収され熱として処理される．マイクロ波吸収材に水を用いについては後述のとおりである．発振モードはTE01 モード

ると，マイクロ波の入射面近くで水が沸騰する突沸というで，共振周波数 22.15 GHz，外部 Q 値は 800 である．ビーム現象が発生する．ミリ波領域では，波の吸収の深さが短く，

電圧 34 kV，ビーム電流 1.75 A で，25 kW−5 ms の出力が水の表面にマイクロ波のエネルギーが集中するためであ得られた．効率は 29 ％であった．出力は，コレクタを兼ねる．突沸の衝撃によりマイクロ波透過面に使用するセラ

た内径 28 mm の出力導波管から外部伝送系に接続され，ミックやガラスが割れることがあるが，当時このような知WT-1 トカマクの ECH 実験に使用された．

識はなく，最初に用意したガラス製の自作水負荷はパルス３．
２．
２ 軸対称モードジャイロトロン

幅数 ms 程度で使用できなくなり，次に製作した塩化ビ

１９８０年代に入ると多くのプラズマ実験装置で ECH 実験

ニール製のものも 10 ms 程度で熱により溶けて水漏れが発が計画されるようになり，TETD も本格的にジャイロトロ

生した．結局，ヘリオトロン核融合研究 セ ン タ ー か らン開発に着手した．１９８３年に筑波大学ガンマ１０装置の ECH

ヒューズ社製の長パルス水負荷を借用したが，突沸防止の用に，28 GHz ジャイロトロン E3955 の開発を開始した．さためこの水負荷には 200 l/s 程度の流量の水が必要であっらに，京大 WT-3 用 56 GHz ジャイロトロン E3956 の受注をた．

きっかけに，MIG の電子ビーム軌道解析コード，円形開口

これを機に，ダミーロードの開発にも取り組み，マイク

空胴に励振されるマイクロ波の固有周波数，外部 Q 値，軸ロ波吸収剤に SiC を使用したものや，円筒状の金属壁を覆モード関数を計算するコード，このマイクロ波中を走行すうようにテフロンチューブをコイル状に巻き，このテフロ

る電子ビームのエネルギー損失から発振効率，発振開始電ンチューブに流した水にマイクロ波を吸収させるタイプな流を計算するコードなどを整備し，設計に用いるように

ど，ジャイロトロンの出力レベルにあわせていろいろな大なった．E3955 と E3956 は，当時の標準的な性能の TE02

きさのものを製作した．SiC を使用したダミロードは，SiC

モードを発振する出力 200 kW，パルス幅 100 ms 級のジャの導電率のバラツキのため，マイクロ波の吸収が大きすぎ

イロトロンである．性能確認のための短パルス試験では，て割れることもあったが，冷却水の突沸がなく流量が少な

ほぼ設計どおりの発振周波数，出力，効率が得られ，設計

くすむという利点があり，200 kW レベルのジャイロトロ

コードの有効性を確認したが，パルス幅 100 msまでのパルンの試験で活躍した．テフロンチューブを使用したもの

ス伸長試験や伝送系と接続した実試験では，いろいろな問

は，入射マイクロ波をセンター部に設けたコーンで反射さ題が発生した．

せ，壁面に配置したテフロンチューブ内を流れる水にマイ

E3955 は，１９９１年に管の製作性の向上とモード純度の向クロ波を吸収させる．コーン形状を工夫して均等にマイク上を目的として管の空胴からコレクタまでのアップテーパ

ロ波を反射させることとマイクロ波入射面積を大きくするに非線形テーパを採用した改良管 E3955D を開発したが，ことで，現在でも，1 MW−１秒までのマイクロ波のエー

伝送系 で の 放 電 が 問 題 と な っ た．ガ ン マ１
０で は，口 径

ジングと出力測定に使用している．

62.5 mmの円形導波管を基本とするTE02 モードの伝送系を

３．
２．
３ 高周波数化と回廊モードジャイロトロン

構成していたが，モード選択性を向上させるために方向性

１９８８年に，日本原子力研究所（原研，現 JAEA）が ECH
１１１

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.86, No.2 February 2010

用の大電力ジャイロトロンを開発することを決定した．大は，コレクタの局部加熱などによりパルス伸長が進まな型プラズマ実験装置の ECH 実験に必要な周波数 100 GHz

かった．回廊モードジャイロトロンの開発で先行していた

以上，単管出力 500 kW−１秒以上のジャイロトロンの開バリアン社でも同様の認識がされていた．また，伝送系に発が，目標として掲げられた．当時，西側でジャイロトロ

複雑なモード変換器を設ける必要があるという問題もあっン開発をリードしていたバリアン社では，既に 140 GHz，た．そこでこれらを打開するために，原研がモード変換器

100 kW，CW 出力を達成し，回廊（Whispering Gallerary

内蔵形ジャイロトロンの開発を決定し，その製作を受注しMode）モードの TE22,2 モードを発振モードとして選択し，共同で開発を進めた．

110 GHz，500 kW，CW 管の開発を進めていた［１６］．

回廊モードは伝送損失が大きく，円形導波管での伝送に後述するように空胴の熱負荷密度は周波数の 2.5 乗に比適さないため，ブラソフ形放射器などで空中に放射した後例すること，TE0n モードは径方向の次数が上がると周波数ミラーで集束しながら伝送する準光学的伝送方法が，ジャが低い側に存在する TE2n モードとのモード競合が厳しく

イロトロンの開発と平行して検討されていた
［１９］
．TETD

なることから，軸対称モードジャイロトロンのスケールにおいても，原研と共同でコールド試験でのブラソフ形放アップでこの目標を達成することはできないことは明らか

射器からの放射パターンの測定，集束用の放物面鏡の構成であったが，欧米の開発レベルに追いつくことを念頭に二方法の検討，ミラー伝送の解析コードの開発を進めていた段階の開発を進めることになり，まず，150 kW までの出力が，これらを管に内蔵する放射器とミラー伝送系の設計にで高い周波数の安定動作を得ること，次に，500 kW レベル

適用した．

の発振を確認することを目標に，２種類の 120 GHz ジャイ

E3970 は西側初のモード変換器内蔵ジャイロトロンで，
図１１はその構造である［２０］．電子銃，ビームトンネルと空ロトロン E3958 と E3960 の開発を開始した．
E3958 では 150 kW−10 ms 出力を目標とした．発振モー

胴は E3960 と同じ形状で，ブラソフ形放射器の一種である

ドは TE03 モードである．初号管では，空胴入口を階段形状"-cut 形放射器と５枚の伝送鏡から成る準光学的モード変にしたため，この部分で大きなモード変換が発生し，主換器を空胴の下流に配置した．５枚の伝送鏡のうち，放射モードTE03 の安定発振が得られなかった．空胴形状を変更

器と対面する鏡と最終段の鏡は放物筒面鏡，他の３枚は平した２号管では，主モードの周波数に整合した窓では競合面鏡である．超伝導マグネットの常温ボア空間の制約かモードの反射の影響により主モードの発振が得られないこら，管軸方向に波を伝送する必要があり，３枚の平面鏡をとが明らかになり，主モードTE03 に対して反射が存在する

使用した．放射器から出力窓までの光路長は約 1 m で，管ように出力窓にアダプタを付加して，最終的に 170 kW−の測定に管軸と平行に取り付けられている出力窓の位置

10 ms の出力（効率は 24 ％）を達成した［１７］．

で，出力波ビームの強度プロファイルが円形ガウス分布に

E3960 は，500 kW の短パルス出力を目標とした回廊モー

なるように放物筒面鏡の曲率を決定した．伝送鏡の設置誤

ドジャ イ ロ ト ロ ン で，発 振 モ ー ド は TE12,2 モ ー ド で あ

差による光軸のずれを修正するために，最終放物筒面鏡に

"!!
!
"の
る．回廊モードは，円形 TEmn モードで !""!

は傾き調整用の可動機構がついている．

モードの総称である．電界が導波管（空胴壁）境界近くに伝送鏡群の設計には，Kirchhoff-Huygens のスカラ回折

集中していることが特長で，表面モードとも呼ばれている．電子ビームの入射位置が空胴壁に近い位置になるため，他の n の大きいモード（体積モード）とのモード競合が少なく，空胴を大きくできるので熱負荷が軽減できる．
さらに，ビームの電位降下が少なく，またビーム断面積が広くとれるので大きなカソードを使って大電流が得られる
ことから，大電力化に適したモードとして注目された．バ
リアン社などで既にこのモードのジャイロトロンの開発が始められていたことは上述のとおりである．TETD も，ヘリオトロン核融合研究センターの 106 GHz，500 kW ジャイ
ロトロンの調達に対応し，設計提案書を作成することから回廊モードジャイロトロンの開発を始めた．結局のところ，このジャイロトロンはバリアン社が受注したが，これが E3960 の 設 計 の も と と な っ た．製 造・試 験 に お い ては，３．
３節に述べるように，電子銃の熱絶縁の不備によって発生した不要ビームのアノード過電流やビームトンネルでの寄生発振などのいくつかの課題が発生し，最終的に３回目の作りかえで仕様の 500 kW 以上の発振を得た［１８］．
３．
２．
４ モード変換器内蔵ジャイロトロン E3970
E3960では，短パルス試験において500 kWの回廊モード
図１
１ モード変換器内蔵ジャイロトロン E3970 の構造．

出力を達成したものの，その後の長パルスエージングで
１１２

Research and Technology Note

Development and High‐Power Microwave Tubes for Fusion Experimental Devices

K. Hayashi

公式に基づいた計算コードを作成した．当時議論になったのが，波源，即ち，放射器出口での波の強度分布である．計
算コードでは，放射器の直線上の切口と管軸とで囲まれた
長方形の部分を波源とし，波源上で軸方向に一様分布，径方向には円形 TE モードの電界分布を仮定した．この仮定の妥当性が定かでなかったため，カット形状が異なるブラ
ソフ形放射器を数種類作成し，コールド試験により放射パターンを測定した．測定結果が計算結果に最も近かった !
-cut 形のカット形状を放射器形状として採用した．最終的には，管に搭載するものと同じ構造のモード変換器を製作し，出力されるマイクロ波の電界プロファイルが計算どおりに得られることを確認した．本モード変換器の伝送効率（計算値）は 80 ％で，そのうちの半分が放射器と第一放物
面筒鏡の間の回折損失，残りがそれ以降の伝送鏡での回折損失である．この回折損失は効率を低下させるだけでな
く，管内の局所加熱による損傷の原因にもなるため，その後の大電力化において，解決すべき課題の一つとなった．

図１２ 110 GHz，500 kW 長パルスジャイロトロン E3971.

E3970 では，モード変換器内蔵の実証を第一目標にしたので，電子ビームや空胴パラメータは実績のある E3960と同じにし，モード変換効率 80 ％を考慮して，目標出力をモードを選択し，外部 Q 値を低く設定すること によっ

400 kW−100 ms としたが，モード変換器を内蔵することて，空胴のピーク熱負荷を 500 kW 出力時に 1.4 kW/cm2

によって発振特性が改善され，548 kW−1 ms の短パルスと低く抑えた．３次元 ABAQUS コードによる熱解析の結発振と，450 kW−100 ms の長パルス動作を達成した．ブラ

果では，500 kW−1 s動作後の最大熱応力は240 MPaで，平ソフ形モード変換器は，カット面の形状からわかるように行して実施していた電子ビームを負荷とした空胴模擬熱負伝送モードの回転方向に選択性をもっている．主モード

荷試験結果から２０００ショット程度の繰り返し寿命を予測しTE（−）
12,2 に対して最適化したモード変換器では，回転方向が（＋）
逆の競合モードの TE（＋）
6,4 と TE9,3 は，放射器と第一ミラーていた．

において集束されず出力窓まで伝送されない．これによっを採用した．ジャイロトロンでは，スペントビームは超伝て，E3958 や E3960 で発生した出力窓からの競合モードの導マグネットで発生する磁力線にそってコレクタに入射す反射によってモード競合が悪化する現象はなくなり，本来るため，コレクタ位置で十分に磁力線を拡げることは幾何の目的である電子ビームとマイクロ波の分離によるコレク

学的に難しい．そのため，コレクタ周りに複数個のソレノ

タの大容量化に加えて，モード変換器内蔵の有力な利点でイドコイルを配置し，電子ビームを時間的に軸方向に掃引あることが明らかになった．

することによって熱負荷を軽減する方法を採用した．コレ

コレクタの冷却には，クライストロンと同様，蒸発冷却

ジャイロトロンの開発とともに原研において開発が進め

クタ壁に流れる渦電流によってコレクタ内部に発生する磁られていた100 kV−35 A−10 sの準定常定電圧電源が１９９１

界強度が減少することを防ぐために，掃引用コイルは 1 Hz

年に完成し，１９９２年に実施した 450 kW−100 ms までの長程度交流で駆動した．掃引を行わない場合は，コレクタでパルス試験が，この電源での最初の本格的な試験となっの電子ビームの広がりは 40 mm 程度で，無発振時の最大入た．これ以降，TETD から原研那珂研究所に１‐２名出張・

力電力 2.4 MW に対して 2.2 kW/cm2 の熱負荷密度となる

滞在して，原研との共同チームでジャイロトロンの実験・が，掃引によってランディング位置を 430 mm に拡げるこ

長パルス化研究を進めるスタイルが続き，その間に多くのと が で き，熱 負 荷 は 平 均 で 0.3 kW/cm2，ピ ー ク で成果が生み出された．この高周波工学試験装置は，原研に0.65 kW/cm2 に低減される．

よって改良や増強が施され，現在では日本でのジャイロト

出力窓は，サファイヤ製のダブルディスク窓である．２

ロンや ECH 用主要コンポーネントの開発において中心的枚ディスク間に低誘電損失媒体のフロリナート（FC‐７５）

役割を果たしている．

を流すことによってディスク面を冷却する方式で，円周部

３．
２．
５ 大電力化と低効率を水冷するシングルディスク窓に比べて大きなエネルギー

E3970 の成功を受けて，秒オーダの長パルス動作をめざのマイクロ波を通すことができ，長パルス管では一般的なした大型ジャイロトロンの開発を行った［２１］．図１２に E方式であった．出力窓でのマイクロ波の電界分布は，長軸3971 の外観を示す．全長 2.85 m，重量 1.5 t の大型電子管で方向 29.5 mm，短軸方向 29.2 mm ビームスポットサイズのある．JT-60U への応用を考えて，周波数は 110 GHz となっ

楕円形状のガウシアン分布となるが，この電界分布に対した．500 kW−1 s 出力の本格的な長パルス管ということで，て，500 kW−1 s 動作後においても FC‐
７５の沸騰しない温主要コンポーネントの熱負荷の低減と冷却に重点をおいた

度に抑えられ，また，熱応力もサファイヤの破壊強度の設計を行った．発振モードには高次の回廊モードの TE22,2

1/10 以下になるよう設計を行った．
１１３

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.86, No.2 February 2010

大電力発振試験と長パルス化研究のため，高周波工学試

比やコーティングする金属材料によって変化することが知験装置に新たに 5 T 超伝導マグネット，真空排気可能なコられている．ポーラスタングステンの粒径を変えること

ルゲート導波管によるHE11 モード大電力伝送系，金属製ダは，エミッタ材の表面状態を変えることになるので，二次

ミーロードなどが整備された．パルス幅 2 msの短パルス試

電子放出率が変化することはあり得ないことではないとい験において 550 kW，効率 23 ％の出力を確認した後，長パ

うのがカソード技術者の現在のコメントである．

ルスエージング試験を実施し，約１ヶ月半のエージング
３．
３ 電位降下形コレクタ搭載モード変換器内蔵ジャイロ

で，410 kW−1.3 s の長パルス動作を達成した
［２２］．

トロン

目標の秒オーダの長パルス動作は何とか達成したが，効率が低いという問題が残った．短パルス試験おいても，得E3971 の開発においては，設計ポイントとして掲げたられた最高効率は 24 ％（400 kW 出力時）である．設計でピッチファクタの高い動作は実現できず，結果として，安は，E3970 と同様の!-cut形放射器を用いたモード変換器の定動作を得るためにはピッチファクタは高くても 1.4 程度

変換効率 80 ％を考慮して，空胴の発振効率を 36 ％とした．

に設定すべきとの認識となり，さらに全体のエネルギー変

空胴壁の熱負荷軽減を優先するため外部 Q 値を低く設定

換効率を上げるための手段として，原研が CPD（Collecter

し，これによる効率低下は電子ビームのピッチファクタを

Potential Depression）の採用を決定した．図１３に示す E

1.8 と高くとることで補償することを設計のポイントとし3972 は，世界初の電位降下形コレクタ搭載ジャイロトロン

た．しかし，実際の動作においては，「ビーム異常」と呼んである．電子銃，空胴，モード変換器などの基本構造は変でいるビーム電流が突然跳ね上がる現象が発生し，ピッチ更しないで CPD 動作ができるように E3971 を改造したが，ファクタの高い動作ができなかった．

電子ビームの質や空胴での発振効率に関係する電子銃や空

最初は，電子銃の放電によるビーム過電流と認識してい胴の詳細形状については，原研が，独自に開発した計算

たが，ビーム異常発生時には，温度制限領域で動作していコードを用いて最適化設計を行った．これ以降，ジャイロ

るはずのカソードから，著しい場合，空間電荷制限領域にトロンの電気設計は原研で実施されている．

達する電流が瞬時に供給されていることが，測定により明

図１３において，出力窓の下側には，ボディとコレクタ間らかになった．また，ビーム異常は，アノード電圧が高いを絶縁するアルミナセラミック製の絶縁円筒を配置していほど出やすくなり，あるアノード電圧以上では必ず発生する．また，ボディと超伝導マグネット（接地電位）との絶ることが判明した．ビーム電源の立ち上がり時に現象が頻

縁には，樹脂系の絶縁体（黒くみえる部分）を使用した．短発していたが，ビーム電源の立ち上がり時には，浮遊容量

パルス（50 ms）で実施した CPD 検証試験で，ビーム電圧のためにアノード電圧の分圧比が設定値より高くなること

77 kV，ビーム電流 26 A で，回収電圧（ボディ−コレクタがわかり，アノード分圧器にコンデンサを付加するなどの間電圧）を最適化し，回収電圧 30 kV で出力 610 kW，効率対策を講じた．さらに，当時製造していた E3955 や E3956

50 ％を得た．長パルス動作では，ほぼ２週間のエージングなどの中出力管においてもこの現象が発生していることが判明した．当時変更したインプレカソードの製造プロセス
を疑い，エミッタ材のバリウムを含浸するポーラスタング
ステンの粒径を変更した．これに関しては，ビーム異常との関連が見出せないとのカソード技術者の見解であったが，このプロセスを見直すことで現象が緩和されたのも事実である．
これらのことから，ビーム異常にはピッチファクタとカソードが関係していると考え，現在では，以下のような発生のメカニズムを推定している．
１．電子ビームに速度分散が存在するため，旋回速度成分がしきい値より高い電子はビームトンネル内でミラー磁場によって反射され電子銃側に逆行する．高いピッチファクタでは，速度分散も大きいため，逆行する電子も多くなる．
２．逆行する電子は，ビームトンネル内に存在する寄生発振のマイクロ波からエネルギーを得て加速され，電子銃内の逆電位を乗り越えてカソード表面に入射する．
３．電子で叩かれたカソード表面から二次電子が放出され，電子ビーム電流が増加する．
図１
３ 電位降下形コレクタ搭載モード変換器内蔵ジャイロトロン
E3972.

インプレカソードの二次電子放出率は，エミッタ材の構成
１１４

Research and Technology Note

Development and High‐Power Microwave Tubes for Fusion Experimental Devices

K. Hayashi

で，350 kW−5 s の出力に到達した．CPD による電子ビー

える外部磁場とビーム電圧の安定度が必要で，ジャイロト

ムのコレクタへの入射エネルギーが減少したことにより，ロン電源には，ビーム電圧を 0.5 ％以下の安定度で定電圧

E3971 に比べてエージング時間は大幅に短縮された．効率

制御することが要求されている．また，電子銃の放電に対向上に加えて，CPD の実用上の大きな利点である
［２３，
２４］．

して，流入エネルギーを１０−30 J に抑えるための高速遮断

モード変換器の内蔵と電位降下形コレクタの搭載によっ機能も要求される．これを満足するために，初期の電源は，て，現行の大電力ジャイロトロンの形が確立した．これ以直流側に定電圧制御と管放電時の高速遮断のために EI-

降，主要コンポーネントに対して，原研を中心に改良や新

MAC 製 X2062 などのテトロードを使用した高価な大容量

しいアイテムの導入を行いながら開発を続け，２００６年末

電源であった．

に，冒頭で紹介した 170 GHz ジャイロトロンで ITER の目

CPD の 場 合，安 定 度 の 必 要 な 加 速 電 源 は 100 kV−

標仕様が達成された．また，ECH 実験用として，LHD 用

100 mA 程度の小容量電源でよいため，インバータ電源が168 GHz 管 E3980，６本を１
９９９年に，JT-60U 用の 110 GHz

使用される．また，回収電圧に多少の裕度を持たせること

管 E3990 を１９９８年以降計５本，ガンマ１
０用に 28 GHz 管 Eで電圧安定度を緩和できるので，交流側のサイリスタ電力

3955SU，３本を製作し，各研究施設に納入した．

調整装置と直流側の半導体スイッチ（GTO，IGBT など）

３．
３．
１ CPD

に，それぞれ，定電圧制御と高速遮断機能を持たせる方式

CPD ジャイロトロンでは，スペントビームの運動エネル

が，主電源に採用されている［２６，２７］．JT-60U の ECH シス

ギーをボディ―コレクタ間に印加した減速電界によって電

テムでは，JAEA で開発された IGBT スイッチを使用した

気的に回収し，総合効率を改善する．実際には，図１４に示

電源システムにおいて，110 GHz，1 MW ジャイロトロン

す構成の電源を使用する（アノードは省略）．発振に必要E3990 が運転されている．また，LHD の ECH システムでなビーム電圧#はカソード−ボディ間に接続された高イン

は，東 芝 府 中 工 場 が 製 作 し た 65 kV，126 A の 主 電 源，

ピーダンスの加速電源（ボディ電源）によって印加され，90 kV，100 mA のボディ電源，50 kV，50 mA のアノード

ビーム電流はカソード−コレクタ間の主電源（コレクタ電電源で構成された CPD 電源システムと 168 GHz，500 kW源）によって供給される．空胴で発振するマイクロ波電力

ジャイロトロン E3980 を組み合わせた．CPD ジャイロトロ

を "とすると，加速電源に電流が流れない（ボディに電子ンシステムとして初めて実用化したものである．この電源ビームが流入しない）場合は，効率 #(は，システムでは，主電源において，IGBT スイッチの保護用のインダクタによってビーム電流（アノード電源）立ち上

# "
#
# $
($
#& #!

" #
#
"! $
#
と な る．前 項 は CPD に よ る 効 率 の 向 上 分 を 表 し，#$げ時に出力電圧が一旦降下する．この電圧降下によってボ
ディ電源の出力電圧（加速電圧）が浮遊容量を介して振られることが，ジャイロトロンと電源システムとの組み合わ（$#!#%）は回収電圧（コレクタ−ボディ間電圧）である，

せ試験の最終段階で判明し，ボディ電源と主電源の接続点

回収電圧を大きくするほど効率も大きくなるが，スペントの変更やボディ電源へのインダクタの追加などの回路変更

ビームはエネルギー分布をもつため回収電圧にはしきい値を実施した．この他，上記インダクタの逆起電力防止用のが存在する．ジャイロトロンの場合は，進行方向の電子

ダイオードアレイがジャイロトロンの放電時に破損するな

ビームの運動エネルギーは発振に寄与しないから，少なくどの課題を解決し，実用運転を達成した［２８］．現在は，ともこの分だけは回収できると考えると，このしきい電圧

77 GH，1 MW ジャイロトロン E3988 が，ECH 実験に使用

は，（２）式から，概略されている．
３．
３．
２ 電子銃" !# " "#%'$##"#!
! " "$"#""!#!

電子銃開発のポイントは，エミッションベルトの熱絶縁である．図１５は，カソードアセンブリの状態で，真空加熱

で与えられる［２５］．

処理（ガス出し，温度測定など）を行っているときのもの

CPD の他の利点は，電源の 固 体 化 と コ ス ト 低 減であで，（a）は E3958 用の小型カソード，（b）は E3960 用の大型

る．発振原理からわかるように，ジャイロトロンでは安定カソードである．
（a）の小型カソードでは，エミッションな発振を得るためにはサイクロトロン角周波数に影響を与

ベルトを熱絶縁していないため，ノーズ部とスカート部もエミッションベルトとあまり変わらない温度に加熱されている．スカート部へのエミッタ材の熱拡散によって発生する不要電子ビームは，電極形状を工夫することによってアノードに流入しないようにできること，小型故に熱絶縁が難しいことが，積極的に熱絶縁をとらなかった理由である．
E3960 では，不要電子ビームのアノード流入を形状で回避できないことはわかっていたが，熱絶縁構造が不十分のまま初号カソードを製作し，アノード過電流を引き起こし

図１
４ CPD ジャイロトロンの電源構成．

た．（b）は熱絶縁対策後のもので，エミッションベルトだ
１１５

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.86, No.2 February 2010

この E3960 開発の過程で，寄生モードの発振が発生した．E3960 の発振モードは回廊モード TE12,2 であるが，最初に確認した発振は，空胴での発振ではないことが判明した．管から出力されるマイクロ波の周波数やモードパター
ンの解析から，ビームトンネルに存在する直線円筒部での発振とわかった．直線円筒部において，両側のテーパでの反射によって Q 値の高い領域を形成したため，この部分の磁場強度に対して発振条件を満足するモードが発振した．
対策として採用したテーパ形状が，これ以降のジャイロト
ロンのビームトンネル形状としてしばらく定着した．
しかし，１９９５年から周波数を 170 GHz として開発を始めた ITER 向け開発管においては，発振効率は設計値に比べて５−10 ％低い 20 ％台に止まり，また，数秒を越える長パルス運転では，ビーム電流が時間とともに増大する現象が観測された．この原因について，
１．発振効率が低いのは，ビームトンネルでの寄生発振によって，空胴に入射する前に電子ビームのエネル

図１
５ ジャイロトロンのカソードエミッションベルトの熱絶縁（a）E3958 用小型カソード （b）E3960 用の熱絶縁対策後のカソード．

ギー分散や速度分散が大きくなるため．
２．発生したマイクロ波によってカソードが加熱され，ビーム電流が増大する．

けが加熱されていることを示している．エミッション面の３．速度分散の大きくなることによってミラー磁場によ温度分布の一様性も要求されており，エミッション材を含る反射電子の量が増え，マイクロ波からエネルギー

浸するポーラスタングステン焼結体の空孔率を適切に管理を得た反射電子によるカソードの加熱によって，している．エミッタには，CW クライストロンのカソード

ビーム電流が増大する．反射電子量が多い場合は用に開発した M タイプ（Ir をエミッタ表面にコーティング「ビーム異常」を引き起こす．

したもの）を使用している．エミッタ材の酸化バリウムだけを含浸した標準タイプのエミッタに比べ，動作温度がとの推定のもと，原研が SiC による寄生発振の抑制効果を

１００度程度低いため，電子銃の放電を少なくでき，かつ長寿短パルス管において調べた．その結果，1 MW の出力にお命の利点を持っている．

いても 30 ％以上の効率が得られることがわかり，図１６にジャイロトロンのカソードは温度制限領域で動作するた

示すような内面がテーパ形状の SiC シリンダで構成しため，ビーム電流はカソード温度によって変化する．エミッビームトンネルを E3978E に搭載した［２９］．当時は，ろうタから熱電子が放出される時には仕事関数分のエネルギー

付け時の昇温降温によるクラック発生を抑える方法が見つを消費しなけらばならないため，この分カソード温度が低からず，SiC を機械的にはめ込む構造を採用したが，後に，下する．この現象をエミッションクーリングと呼んでい

SiC バルクを Cu 薄肉筒にろう付けする方法を開発した．

る．秒以上の長パルス運転では，これによるビーム電流のE3978E の試験では，短パルス試験において，最高出力低下が顕著になりマイクロ波出力も低下する．これを解決

1.2 MW（効率 27 ％）および最高効率 30 ％（出力 1 MW）をするために，ヒータ電力の増減によるカソード温度（ビー

得，このビームトンネルの効果を確認した．また，長パルム電流）の制御を試みているが，カソードの熱容量が大きス試験において，ビーム電流の時間的増大がない（エミッ

いため，カソード温度（ビーム電流）の追随が遅いのが現

ションクーリングによりビーム電流は低下する）ことを確状である．エミッタ表面温度の均一性が良く，熱容量の小認し，0.9 MW−9.2 s の動作を実証した［３０］．

さいエミッタの開発が今後の課題である．

３．
３．
４ 空胴と発振モード

３．
３．
３ ビームトンネル

表２の発振モードの推移が示すように，最近の MW 級のビームトンネルは，その名のとおり，電子銃から空胴にジャイロトロンの発振モードには，体積モードを選択して電子ビームを導くトンネルとのイメージが強く，ジャイロいる．空胴壁の熱負荷の低減に体積モードが適しているこ

トロンの開発を始めた頃は，何が問題になるのかを明確にとが最大の理由である．また，伝送あるいはモード変換が把握できていなかった．E3960 の開発において，マイクロ困難，電子ビームによるビーム電圧降下が大きい，モード

波吸収材としてダミーロードやモードフィルタに使用して競合が厳しいなどの体積モードには不都合な事項が，解決いた SiC の装荷を検討した．モリブデンの表面に SiC を蒸あるいはあまり問題とならなくなったことも理由の一つで着したものとバルク SiC についてテストピースを製作し，ある．モード競合については，後で詳しく述べるが，各項

ろう付け強度や耐熱性を評価したが，いずれも電子管製造

目については次のとおりである．

プロセスに耐えうるとの結果は得られず，マイクロ波吸収

軸対称モードは円形導波管伝送路での低損失伝送に，回材のビームトンネルへの装荷は見送った．

廊モードはブラソフ形放射器でのモード変換に適したモー
１１６

Research and Technology Note

Development and High‐Power Microwave Tubes for Fusion Experimental Devices

K. Hayashi

ドであることが，モード選択の理由の一つであった．しか

図１７は，前節に述べた規格化された電界強度 !と空胴長

し，放射器や準光学伝送系の著しい進展によって，体積'に対する横方向効率の依存性を示している．ここで，!

モードでも最終的に円形コルゲート導波管内を伝搬すると 'の各点において横方向効率が最大になるよ うにデHE１１モード（伝送ロスが最も小さいモード）に変換できる

チューニングパラメータを最適化している．また，図の灰ようになった．

色の領域はソフトスタート領域を，白色の領域はハードス

空胴に入射する電子ビームの実効的なビーム電圧は，電タート領域を示している．各動作点において定常発振に必子ビーム自身の空間電荷によって動作開始時低下する．

要な電流 "と発振開始に必要な電流 ".の大きさによって，ビーム電圧降下は，電子ビームを内側に入射するほど大きソフトスタートは "，ハードスタートは "."".#"で定義くなるため，体積モードではかなり大きな値になる．このされる．ソフトスタート領域では自励発振が可能である．

分だけ電源電圧が余分に必要となるため効率の低下を招く

一方，ハードスタート領域で発振を達成するためには，ソが，CPD の導入によって効率の低下はなくなった（図１４にフトスタート領域で発振させた後，発振を維持しながら示すようにビーム電圧を与える加速 電 源 は 仕 事 をしな

ビーム条件あるいは磁場条件を変え動作点に近づけることい）．さらに，長パルス動作においては，電子ビームと管内が必要である．

のアウトガスとの衝突で発生するスローイオンによって電

黒丸は，表２に示した主なジャイロトロンの !と 'の設子ビームが中和されるため，実効的なビーム電圧は，最初計値である．上記熱負荷条件の制約のため，横方向効率がの数 100 msで回復することが判明した．この間のビーム電

70 ％以上の領域では動作できず，横方向効率 60 ％の周り圧の振舞は，ビーム電流やアウトガス量により変化するたを三日月上に分布している．!値が大きい側では低次モーめ，エージング初期には発振動作が安定しないなどの事象

ドが，'が高い側では高次モードが選択されている．周波が発生するが，管内真空度を電子銃が放電しないくらいの数と出力が大きくなるにつれて，熱負荷条件を満たすため圧力に保ちながら，徐々にビーム電流とパルス幅を増やしに高次モードを選ぶ必要があるが，高次モードになるほどていくエージング手順によって対処している．

結合強度が小さくなるため，高効率動作を得るには 'の値

空胴壁の平均熱負荷 (（kW/cm ）は，
2を大きくしなければならない．また，ソフトスタート領域
あるいはそれに近い動作点を選択したいことから，必然的

#!
%

#"
$'
'"
% '
)*(
'(/
"
(
(#"
!
$&"
#
$%$!
&+,
%
!&#&
))

にこのような分布となる．
３．
３．
５ モード競合

で与えられる［１１］．ここで，)は空胴材料の導電率で，無発振モードが高次数になるにつれて空胴内のモード密度

酸素銅（250 ℃）では 3.0×107 S/m である．上式からわかるが大きくなる．したがって，発振周波数の違いによって，ように，熱負荷は発振周波数の 2.5 乗に比例するため，高周各々のモードの発振領域を分離することが難しくなる．即

波数化が最も厳しい要求となる．発振モードに関しては，

ち，モード競合が厳しくなる．図１８は E3958 の主モード#(は（&+,!&#）に反比例するため，同じ & の値に対しては

TE03（発振周波数 120.17 GHz）と競合モード TE23（117.76'の大きいモード（体積モード）の方が熱負荷の軽減に有GHz）の競合状態を示したもので，TE03 モードの効率と発利になる．繰り返し熱疲労などの寿命と信頼性に関する

振開始電流，TE23 モードの発振開始電流の主磁場強度へのデータの蓄積は今後の課題であり，熱負荷の許容値もこれ依存性を示している．ここで，主モードの効率は，ビームらのデータから評価すべきものであるが，現在の設計では，

電流は 6 A と 9 A の場合である．この図は，各モードが単2

1.0−1.5 kW/cm を平均熱負荷密度の上限としている．

独に発振した場合の計算結果であるが，高効率の主モードの単独発振を得ることが設計の目的であることと，多モード解析や実験結果から，２つのモードが同時に定常発振す
ることはほとんどなく，どちらかのモードが単独に発振す

図１
７ 規格化された電界強度と空胴長に対する横方向効率と主要ジャイロトロンの動作点．

図１
６ SiC シリンダを装加したビームトンネルの構造．

１１７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.86, No.2 February 2010

図１
８ E３
９
５
８での主モード TE03 の効率と発振開始電流，競合モード TE23 の発振開始電流の主磁場強度依存性．
図１
９ ２つのモードの電界強度平面での定常解と状態．

ることが大半であることが知られていることから，モード競合の議論には，この図のような計算結果を用いている．

動作時の電源制御による発振パラメータの変化に関係す

なお，２つのモードの同時発振については参考文献［３１］る．これらのパラメータが変化する時間は，ビーム電圧電などで議論されている．

流の立ち上がりの数 #秒オーダから長パルス動作時の外部

ここでの要点は，発振開始電流が小さい方のモードが定磁場制御の秒オーダで，波が成長あるいは減衰する時間

常発振するということである．最初は理論的なことで，発（減衰の時定数は数ナノ秒から数十ナノ秒）と比べると長振に必要なすべてのパラメータ（ビーム電圧，ピッチファ

い．したがって，発振パラメータの変化とともに定常発振

クタ，ビーム電流，主磁場強度）が与えられた状態で，空が連続的に変化していると考えるのが妥当で，前の定常状

胴内に波の揺らぎが生じた時に，どちらのモード（あるい態を初期値として次の定常発振状態がどう変化するかを考は両方）が発振するかという問題である．これは，２つのえることになる．

モードに対する定常状態が，揺らぎに対して安定か不安定

ビーム電源の立ち上げ時には，ビーム電流は零から立ちを解析する問題と同じである．図１９はこの状況を説明した

上がる．したがって，発振開始電流が小さいモードが先に図である．TE03 モードと TE23 モードの電界強度 #! と #"発振条件を確立する．その後，例えば，図１９の #!軸上を，平面の定常解とその状態を表わしている．丸印が定常解

ビーム電流に相当する定常解が動作点に向かって移動すで，原点は無発振状態，#!軸上の丸印は TE03 モードの単独

る，即ち，単独発振の定常状態を維持しながら目標の動作

発振状態，#"軸上の丸印はTE23 モードの単独発振状態を示点に到達するように電源の立ち上げシナリオを考える必要している．黒丸印は安定な定常解，白丸印は不安定な定常がある．

解で，矢印は，定常解の周りに生じた揺らぎによって状態

ジャイロトロンの電子ビーム電源の立ち上げ方式には，がどう遷移するかを表わしている．

ダイオード形立ち上げとトライオード形立ち上げの２つが図１８において，ビーム電圧 75 kV，ビーム電流 6 A が与えある．トライオード形立ち上げでは，加速電源でビーム電られた状態で，原点周りに揺らぎが生じた場合を考える．

圧を動作電圧まで立ち上げた後で，アノード電源によって!$"4.75 T での動作は，図１９（a）に相当する．ビーム電流

ビーム電流を立ち上げる．したがって，ビーム電圧一定

6 Aでは，TE23 モード発振開始電流8.6 Aを超えていないた（動作電圧）で，ピッチファクタとともにビーム電流が立ち

め，TE23 モードは発振せず，必ずTE03 モードの発振が得ら上がる．一方，ダイオード形立ち上げでは，ビーム電圧をれる．即ち，4.58 T!!$!4.68 T では TE23 モードが，4.74 T

抵抗などで分割してアノード電圧を与える．立ち上げ時に!!$!4.84 T では TE03 モードが必ず発振する．

は分割比が一定に保たれることになるので，この方式で4.68 T!!$!4.74 T では，初期値（揺らぎ成分の大きさ）

は，ピッチファクタ一定（動作値）で，ビーム電圧ととも次第で，どちらのモードも発振状態に到達する可能性があにビーム電流が立ち上がる．

る．図１９（b）は !$"4.70 T の状態を表している．どちらの

図１８に，高効率動作の可否が立ち上げ方式によって異なモードも発振のしきい値は超えているが，TE23 モードの閾ることを示す．ビーム電流 6 A の時の主モードの最大効率値の方が低い状態にある．図１９（b）の一点鎖線は，それぞ39.4 ％は !$"4.68 T で得られる．図中の黒丸へのビーム電れのモードが単独発振に移行する初期値の領域の境界を示

流のパスは，トライオード立ち上げ（矢印 a）とダイオード

し て お り，そ の 傾 き は，線 形 領 域 で の 波 の 成 長 率立ち上げ（矢印 b）で異なる．トライオード立ち上げでは）の比によって決まる．例えば，外部磁場が低
（#"
"
%
&!!
#"

!$"4.68 T 上を立ち上がり，先にTE23 モードの発振開始電い側 !$"4.68 T では，この傾きはより小さくなり，TE03

流を超えるため，TE23 モードの発振が維持され主モード

モードの発振は困難となる．揺らぎの成分がどちらかだけ

TE03 の発振は得られない．一方，ダイオード立ち上げでは，矢印 b のように !$も変化しながら動作点に近づくための場合はそのモードが発振する．
次は実際的なことで，ビーム電源の立ち上げや長パルス（効率や発振開始電流は，電子ビームのサイクロトロン角
１１８

Research and Technology Note

Development and High‐Power Microwave Tubes for Fusion Experimental Devices

K. Hayashi

周波数 $%!"&!%!
#'&に依存するので，!%が下がることとは，鏡の表面に反射方向の異なる多数の小さな平面鏡を配'&%#即ちビーム電圧 #$が上がることは同じ効
#""
#$!
!&

置して，入射光線の方向を個々の場所で変えることによっ果を与える），TE03 モードの閾値を先に超えることになて入射波の位相を含めた分布を整形するものである．入力

り，主モードの高効率動作が可能となる．このようなビーと出力分布を与えた場合に位相補正鏡の面形状関数を求め

ム電源の立ち上げシナリオは短パルス発振においては有効るプログラムを開発し，ミラー系の設計に使用した．

であるが，長パルス動作においては，電子ビーム自身の空

モード変換器内蔵ジャイロトロンを用いる ECH システ

間電荷による実効的なビーム電圧の変化，空胴径の熱膨張

ムでは，出力マイクロ波を伝送系に使用されているコルによる発振周波数の変化，エミッションクーリングによるゲート導波管を伝搬する HE11 モードに結合させるためのビーム電流の低下などの発振パラメータの変化が起こり，整合器（MOU, Matching Optical Unit）を，ジャイロトロン

一般に発振効率は短パルス動作に比べて低くなる．

と伝送系の間に設置している.平坦化分布をコルゲート導図１９（c）は，図１８の白丸 !%"4.66 T，"$"9 A の発振状態

波管に効率良く結合させるために，MOU にも2枚の位相補を示している．主モードTE03 の最高効率45.2 ％が得られる

正鏡を搭載した［３３］．E3980 は，168 GHz，500 kW−１秒条件であるが，"'(""$のハードスタート領域にあり，通常管として NIFS/LHD 装置に６本納入したが，６本とも設計

は TE23 モードが発振する．しかし，図１９（c）において，こ通りの出力窓上の平坦化分布は得られず，しかも，電力分の動作点（$"軸の最右点）は安定な定常解であるので，

布形状は管によりかなりの違いがあった［２８］．一方，MOU$"軸上の不安定定常解よりも大きな値を初期値として与の設計においては，出力窓上でほぼ理想的な平坦分布をしえることができれば，この点での動作は達成可能となる．

ていることを入力条件としたため，実際の出力波分布では

実際に，JAEA は，170 GHz 管において，長パルス動作中に

HE11 モードへの結合効率は，設計値 94 ％に対して管にビーム電源と外部磁場電源の制御によって，競合モードのよっては 82 ％まで低下していることが判明した．そこで，発振領域にありかつハードスタート状態にある主モード TE31,8 の出力窓から距離の異なる４つの位置で出力マイクロ波の電最大効率が得られる動作点での運転を実証した［２］．

力分布を赤外線カメラで測定し，出力窓上での電界強度と３．
３．
６ モード変換器

位相分布を求める手法を考案した［３４］．いくつかの管におモード変換器については，ジャイロトロン開発の各局面

いて，この方法で算出した出力窓上でのマイクロ波分布をにおいて要求される性能を満たすことで開発を進めたが，用いて MOU の位相補正鏡を再製作した結果，結合効率はモード変換効率の向上が最大の課題であった．モード変換

90 ％程度まで向上した．

効率は，放射器から出射したマイクロ波のミラー伝送系でしかし，これらの実験結果は，位相補正鏡を管内ミラーの回折損失によって決まる．表２において，最初のモード系に使用し出力窓上のマイクロ波プロファイルを制御する変換器内蔵管 E3970 以降，170 GHz，TE22,6 モード，500 kW

ことは事実上困難であること示唆するものであった．管製

管 E3974 までは，ブラソフ形放射器を使用したモード変換

造時のろう付けやベーキングなどの熱処理で生じるミラー器を搭載したが，放射器の矩形開口面によって発生するサ系のアライメントずれを許容できるだけの位相補正鏡の製

イドローブをなくすことができないため，モード変換効率

作・設置精度を緩和するロバストな設計結果を得ることはは 80 ％に止まっていた［１９］．

できなかった．E3980 と平行して開発を続けていた ITER

放射器出口でガウス分布をもつマイクロ波ビームを放射

向け 170 GHz 管 E3976 においても，同様に設計どおりの出する放射器として，ロシアにおいてデニソフ形放射器が開力波形状が得られなかったが，結局，改造管 E3976D への発された［３２］．この放射器は二重螺旋形とも呼ばれ，２つ人工ダイヤモンド窓の搭載により，出力窓上での平坦化はの交差する螺旋に囲まれた平行四辺形状の小さな反射鏡を必要なくなった．E3976D では，450 kW−８秒の長パルス

並べた凹凸状の内面をしている．導波管内面で反射を繰り動作を達成した．

返しながら進む光線が，放射器入口から振幅が徐々に大きモード変換効率は 91 ％まで向上したが，1 MW 級の長パくなっていく凹凸鏡によって集束と発散を繰り返しながらルス動作においては 9 ％の回折損失は大きく，後続の開発

進み，放射器出口でガウスモードに形成されるものであ

管 E3992 では，900 kW−９秒の長パルス動作が得られた

る．モード変換効率は 95 ％以上であるが，放射器長が長いが，ボディ・コレクタ間のアルミナ製の DC ブレークの熱ため電子ビームと干渉する，放射器入口付近では，凹凸が的破壊を引き起こした．また，改造管においても，最終ミ

ほとんどない長い直線部を形成するため，寄生発振を起こ

ラーの可動機構が散乱波によって局所的に加熱されることしやすい等の欠点も持っていた．そこで，円周方向への集によるガス放出により，750 kW−１
７秒で動作が制限され束だけを行う単らせん形放射器と軸方向の整形を強化した

ることが判明し，モード変換器の変換効率の向上が必須の

ミラー 系 で 構 成 し た モ ー ド 変 換 器 を 開 発 し，E3976 や課題となった．

E3980 に搭載した．モード変換効率も 91 ％まで向上した．

JAEA は，米国 CCR 社から放射器設計コードを導入し，これらの管の開発においては，モード変換効率の向上の放射器長が適度に短く，放射器入口で寄生モード発振がな

他に，管内ミラー系に２枚の位相補正鏡を組みこむことにく，出口でガウス分布をもつマイクロ波ビームを出射する

よって出力窓上のマイクロ波の強度分布を平坦化すること放射器を設計した．このコードは，放射器内面形状をフーを試みた．出力窓の電力透過能力を上げるため，誘電損失

リエ級数で展開し，放射器の入射モードに対してガウスによる熱応力を軽減することを目的とした．位相補正鏡

ビームが放射される場合の係数を数値的に計算し，最適な
１１９

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.86, No.2 February 2010

内面形状を求めるものである．これによって，モード変換

ら出力する方式など様々な方法が提案・検討されたが，結器のモード変換効率は 97 ％以上にまで向上した［３５］．

局，１９９８年に開発された人工ダイヤモンド窓によって，こ

３．
３．
７ 出力窓

の困難な課題が解決された［３６］．

出力窓は，製造工程，エージング試験，実動作において，４．まとめ

真空リークのリスクが最も高いコンポーネントである．動作状態では，伝送系側の窓ディスク表面でのマイクロ波放核融合プラズマ実験装置に使用する大電力電子管，クラ電による損傷と誘電損失による熱的破壊が真空リークの原

イストロンとジャイロトロンの TETD での開発につい因となる．ジャイロトロンの場合は，動作周波数が高いのて，年代別あるいは主要コンポーネント別に記述した．クで，クライストロンで問題となるマルチパクタ放電は発生

ライストロンにおいては，加速器向けの開発を割愛した．

しないが，伝送系内でのマイクロ波放電に誘起されて窓表

また，筆者がジャイロトロン開発者としの経験が長いこと面に強い定在波が立った場合などにアーク放電が発生すから，ほとんどの紙面をジャイロトロン関係に費やした．

る．ディスク表面が局所的に高温になり，溶けてピンホー

クライストロンは，発明以来６０年経過し，当社においてルリークにつながる．E3980 に使用している窒化珪素のシも５０年の開発と製造の歴史がある．民生用から核融合や加ングルディスク窓では，100 ms 程度のアーク放電によって速器の科学技術分野で使用される大電力管へ発展してき真空リークが発生した．MW 級伝送系では伝送系内も高真た．固体化が進む中，特に国内においては，放送や通信分空に保たれているのであまり問題にならなくなったが，野での需要がなくなり，科学技術用途が中心となっていアークセンサによる窓表面のモニタとインタロックは不可る．最近，理研 SCSS（SPring-8 Copact SASE Source）計

欠である．

画用に C バンドパルスクライストロンを開発し，現在，総熱的許容電力は，使用するディスク材料の温度上昇と熱計６４本を製造中である．また，J-PARC（Japan Proton Ac-

応力破壊で制限される．誘電体ディスクの発熱量は，周波

celerator Research Complex）計画には，324 MHz，3 MW

数，マイクロ波電力，パルス幅に比例するから，出力窓のの長パルスクライストロンを既に２３本納入し，さらに，今形式とディスク材料は，これらの値によって選択されてい後２３本使用される予定の 972 MHz 管の開発を終了し，生産る．形式については，エッジ冷却のシングルディスク窓とを開始しているところである．一方，ジャイロトロンは，面冷却のダブルディスク窓の２種類がある．ダブルディス

プラズマ実験装置用に開発され，ともに発展してきた．最

ク窓は，２枚のディスク間に FC‐
７５を流しディスク面を冷近 で は，ITER 用 170 GHz 管 の 開 発 は も ち ろ ん の こ と，却する形式である．ディスク材料では，機械的強度が強い，

NIFS/LHD 用に人工ダイヤモンド窓を搭載した 77 GHz，

熱伝導性が良い，誘電損失が小さいという窓材として本来

1 MW 管を開発し，３本がプラズマ試験に供している．

の特性に加えて，メタライズ強度が強いこと，ろう付けとこのように，クライストロンやジャイロトロンの需要は相性が良いことなどの製造プロセスから要求を考慮して，科学技術用が中心となり，民生用に比べて特殊なものと材料を決定している．さらに，手に入りやすい（価格を含なってきた．建設段階では限られた時間内に大量の数を準めて）ことが重要で，現在は，アルミナ，ベリリア，サファ

備する必要があるが，運用段階に入ると，寿命に関係してイヤ，窒化珪素，それに人工ダイヤモンドを使用している．

必要数が激減する．もちろん，企業として，安定な需要のE3955 や E3956 などの周波数が比較的低い中規模管で見込める産業分野への応用を追及し，例えば，加速器分野

は，アルミナ製のシングルディスク窓を使用している．大で発展してきた S バンド，C バンドの小型パルスクライス

電力クライストロンの開発において，純度の高いアルミナ

トロンは，癌治療，滅菌，非破壊検査などの産業分野でのディスクのろう付けに対する構造や炉の温度制御などの製応用が増大している．ジャイロトロンの産業応用に関して

造プロセスが確立され，現在では，歩留まりも安定した最は，大電力のミリ波を使用することの利点がなかなか見出も信頼性の高い窓である．100 GHz 以上の周波数で 500 kW

せない状況であるが，セラミックの焼結やESR，NMRなど

級出力ジャイロトロン用にサファイヤのダブルディスク窓の計測分野に徐々にひろがりをみせている．

を開発した．E3960 の開発時にサファイヤのろう付けなど

核融合や加速器分野のプロジェクトは，今後ますます大のプロセス技術の確立から始めたが，最初の頃は，炉の降きくなり，計画が大きくなるほど計画自体の数は少なくな

温時にサファイヤと金属部との温度差によってディスクがり，計画から運用を開始するまでの期間が長くなる．リニ

割れる事象が頻発した．E3971 において実用化し，その後，

アコライダ計画や ITER 計画は世界に１台であり，運用を

E3972 や E3974 に使用した．E3980 では，NIFS 開発の窒化含めるとさらに２０年近くの年月がかかると見込まれる．こ珪素のシングルディスク窓を使用した．機械的強度に優れのような状況において，一企業の努力だけで，製造や試験た窒化珪素と窓面上のマイクロ波分布を平坦化することに設備への投資や，エンジニアやテクニシャンの育成と維持

より，500 kW 級の長パルス出力を達成した．

をしていくことは，経済的にかなり困難なことである．確
実な実行計画の立案と遂行とともに，国家的な取組みや国

しかし，MW 級定常出力に耐える出力窓はなく，サファ

際協力によるリスクの分散をお願いする．

イヤの誘電損失が低温で小さくなる特性を利用した極低温
窓，冷却用の金属パイプとサファイヤをすだれ状に交互に配置した Distributed 窓，低誘電損失のシリコンの使用，

この研究技術ノートは，科学研究費特定領域研究「日本

モード変換器によってマイクロ波を分割し２つの出力窓かにおける技術革新」の公募研究課題「日本の技術革新が核
１２０

Research and Technology Note

Development and High‐Power Microwave Tubes for Fusion Experimental Devices

K. Hayashi［１１］K.E. Kreischer, B.G. Danly, J.B. Schutkeker and R.J. Temkin, IEEE Trans. Plasma Sci. 13, 364(1985).
［１２］M. Caplan and C. Thorington, Int. J. Electronics 51, 415(1981).
［１３］B.G. Danley and R.J. Temkin, Phys. Fluids 29, 561 (1986).
［１４］A.W. Fliflet and M.E. Read, Int. J. Electronics 51, 475 (1981).
［１５］E. Borie and B. Jodicke, IEEE Trans. Plasma Sci. 16, 364(1988).
［１６］K. Felch et al., 17th International Conference on Infrared andMillimeter Waves Digest, 184 (1992).
［１７］Y. Okazaki et al., International Electron Devices Meeting Digest, 148 (1988).
［１８］T. Sugawara et al., 14th International Conference on Infrared
and Millimeter Waves Digest, 336 (1989).
９］S.N. Vlasov, L.I. Zagryadskaya and M.I. Petelin, Radio Eng.
［１
Electron. Phys. 21, 14 (1975).
［２０］林 健一 他：プラズマ・核融合学会誌 70, 659 (1994).
［２１］林 健一 他：信学技報 ED92-107, 7 (1992).
［２２］K. Kasugai et al., Fusion Eng. Des. 26, 281 (1995).
［２３］K. Sakamoto et al., Phys. Rev. Lett. 73, 3532(1994).
［２４］K. Sakamoto et al., J. Plasma Fusion Res. 71,1029 (1995).
［２５］林 健一：信学技報 ED94-108, 35 (1994).
［２６］M. Tsuneoka et al., Fusion Eng. Des. 36, 281 (1997).
［２７］M. Tsuneoka et al., Int. J. Electronics 86, 245 (1999).
［２８］K. Hayashi et al., Fusion Eng. Des. 53, 457 (2001).
［２９］H. Syoyama et al., Jpn. J. Appl. Phys. 40, L906 (2001).
［３０］K. Sakamoto et al., Nucl. Fusion 43, 729 (2003).
［３１］K.E. Kreischer, R.J. Temkin, H.R. Fetterman and W.J. Mulligan, IEEE Trans. Microwave Theory Tech. MTT-32,
481 (1984).
［３２］G.G. Denisov et al., Int. J. Electronics 72, 1079 (1992).
［３３］Y. Hirata, Y. Mitsunaka, K. Hayashi and Y. Itoh, IEEE
Trans. Microwave Theory Tech. 45, 72 (1997).
［３４］Y. Hirata et al., IEEE Trans. Microwave Theory Tech.
47, 1522 (1999).
［３５］R. Minami et al., Int. J. Infrared Milim. Waves 27, 13 (2006).
［３６］K. Sakamoto et al., Rev. Sci. Inst. 70, 208 (1999).

融合の進展に果たした役割の研究」（代表者：松岡啓介，分
担者：西谷健夫，中村幸男）のサポートによるものであり，
プラズマ・核融合学会５０周年記念行事の一環としても位置づけられる．科研費研究の関係者との有意義な議論に感謝します．本稿に取り上げたクライストロンとジャイロトロ
ン に お い て，E3778，E3958，E3960，E3970，E3971，E
3972，E3974，E3976，E3990，E3992，E3993 は JAEA と，
E3955 と E3988 は筑波大学との共同研究に基づいて開発を実施した．特に，ジャイロトロンの開発において，現在日
本が世界のトップクラスを誇るようになったのは，JAEAの ITER 用ジャイロトロン開発研究の成果が大きい．開発のそれぞれの局面において有益な助言と心温かい励ましを頂いた大学・研究機関，産業界の研究者や技術者の方々に心から謝意を表します．また，古い写真や適切な資料の準備に協力いただいた大久保良久氏，満仲義加氏を始めとする東芝電子管デバイス株式会社電力管技術部のスタッフにお礼を申し上げます．

参考文献［１］K. Hayashi et al., Proceedings of PAC07 THIBKI03, Albuquerque, New Mexico, USA (2007).
［２］K. Sakamoto et al., Nat. Phys. 3, 411 (2007).
［３］武藤 敬，下妻 隆：プラズマ・核融合学会誌 82，376(2006).
［４］R.S. Symons, 1986 International Electron Devices Meeting,156 (1986).
［５］P.J. Tallerico, IEEE Trans. Electron Devices ED-18, 374(1971).
［６］高田耕治：加速器 1, 109 (2004).
［７］米澤 宏，三宅節雄，大久保良久：加速器 1, 63 (2005).
［８］岡本 正 他：信学技報 83, 213 (1983).
［９］V.A. Flyagin, A.V. Gaponov, M.I. Petelin and V.K. Yulpatov, IEEE Trans. Microwave Theory Tech. MTT-25, 514(1977).
［１０］斎藤輝雄 他：プラズマ・核融合学会誌 84, 853 (2008).

１２１