JAEA-Technology
2010-031

JT-60U 電子サイクロトロン加熱装置の長パルス入射における問題点と対策
Measures of the Trouble on the Long Pulse in
JT-60U Electron Cyclotron Heating System
平内 慎一 鈴木 貞明 佐藤 文明 小林 貴之
長谷川 浩一 横倉 賢治 森山 伸一
Shinichi HIRANAI, Sadaaki SUZUKI, Fumiaki SATO,Takayuki KOBAYASHI
Koichi HASEGAWA, Kenji YOKOKURA and Shinichi MORIYAMA

核融合研究開発部門
トカマクシステム技術開発ユニット
Division of Tokamak System Technology
Fusion Research and Development Directorate

September 2010
Japan Atomic Energy Agency

日本原子力研究開発機構

JAEA-Technology 2010-031

ＪＴ ６０Ｕ電子サイクロトロン加熱装置の長パルス入射における問題点と対策

日本原子力研究開発機構 核融合研究開発部門
トカマクシステム技術開発ユニット
平内 慎一・鈴木 貞明・佐藤 文明・小林 貴之・長谷川 浩一・横倉 賢治・森山 伸一（2010 年 7 月 1 日 受理）

JT-60U 電子サイクロトロン加熱（ECH）装置は、周波数 110GHz の高周波により JT-60U プ
ラズマに対し局所加熱／電流駆動を行い、閉じ込め性能を向上させるものである。ECH 装置
は、大電力の高周波を発生する大電力発振系、発生した高周波を伝送する伝送系及びプラズマに入射するアンテナ等から構成される。ECH 装置の長パルス入射運転には、伝送系機器
での高周波放電を抑制して高周波を効率良く伝送させることが重要な課題である。
本報告では、実際の長パルス入射試験（0.5MW,30 秒）における、伝送系機器の放出ガスの増加、温度上昇、エージング過程で発生した真空窓での放電等の問題点と、それを解決するために行った真空排気系の改良、冷却系の整備、アーク検出装置の整備等の放電防止対策及び、新ダミーロードの導入について記載する。

那珂核融合研究所（駐在）：〒311-0193 茨城県那珂市向山 801-1

ⅰ

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Measures of the Trouble on the Long Pulse in
JT-60U Electron Cyclotron Heating System
Shinichi HIRANAI, Sadaaki SUZUKI, Fumiaki SATO,
Takayuki KOBAYASHI, Koichi HASEGAWA, Kenji YOKOKURA and Shinichi MORIYAMADivision of Tokamak System Technology
Fusion Research and Development Directorate
Japan Atomic Energy Agency
Naka-shi,Ibaraki-ken（Received

July 1, 2010）

The JT-60U electron cyclotron heating (ECH) System injects a millimeter wave at 110 GHz into
the JT-60U Plasma, and heats the plasma or drives a current locally to enhance the confinement
performance of the JT-60U plasma. The ECH System of high power gyrotrons, transmission lines
and antenna that launch millimeter wave beams toward the plasma. On the long pulse injection, oneof the most important purposes is to prevent arcing in the transmission lines and to transmit
millimeter wave beams efficiently. This report describes the problems occurred in a long pulse
injection test (0.5MW, 30s), e.g., increase in released gas, temperature rise of the transmission line
and an arcing at the vacuum window during the conditioning process. It also describes measures forthe problems, e.g., improvements in vacuum pumping system, cooling system, and arc detector andintroduction of the new dummy road system.

Keywords: JT-60U, ECH System, RF Conditioning, Millimeter Wave Transmission Line, Released
Gas, Arcing

ⅱ

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目

次

１．はじめに1

２．JT-60U ECH 装置の概要

2２．１

ミリ波大電力発振系

2２．２

ミリ波伝送系

2２．３

ECH アンテナ

2２．４

RF コンディショニング

2

３．エージングにおける問題点抽出とその対策

4３．１

真空排気系の改良による放出ガスの増加対策

4３．２

冷却系の整備による伝送系機器の温度上昇対策

6３．３

導波管型ダミーロードシステムの導入とその改良

6

４．プラズマ入射における長パルス入射試験

17

４．１

真空窓での発光・放電

17

４．２

真空窓の点検結果

17４．３

真空窓の高周波試験

18

５．まとめ

23

謝辞

24

参考文献

24

ⅲ

JAEA-T echnology 2010-031

Contents
1. Introduction ··············································································································· 1
2. Outline of the JT-60U ECH System ·········································································· 2
2.1 High-Power Millimeter Wave Generator······························································· 2
2.2 Millmeter Wave Transmission Line······································································· 2
2.3 ECH antenna ·········································································································· 2
2.4 Technique of RF conditioning ··············································································· 2
3. Measures for the trouble on the aging ······································································· 4
3.1 Improvement of Vacuum Pumping System for the increase of the released gas ··· 4
3.2 Improvement of cooling System by the temperature rise of
the Transmission Line···························································································· 6
3.3 Introduction of the Waveguide Dummy Load System and its improvement ········ 6
4. A long pulse tests in the JT-60U plasma injection··················································· 17
4.1 Arking or emission of light at the Vacuum window ············································ 17
4.2 Inspection of the Vacuum window ······································································ 17
4.3 RF test of the Vacuum window············································································ 18
5. Summary ················································································································· 23
Acknowledgments ······································································································· 24
References ··················································································································· 24ⅳ

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１．はじめにJT-60U 電子サイクロトロン加熱（ECH）装置は、周波数 110GHz の高周波により JT-60U
プラズマに対し局所加熱／電流駆動を行い、閉じ込め性能を向上させるものである。1) 現
在 JT-60U では、コイルを超伝導化してプラズマを 100 秒間維持する JT-60SA(JT-60 Super
Advanced)の設計と改造の準備が行われており、ECH 装置でもこれに対応するための設計と開発が進められている。ECH 装置で 100 秒間の長パルス入射運転を行うためには、伝送系機器での高周波放電を抑制して高周波を効率良く伝送させることが重要な課題である。
JT-60SA ECH 装置の設計では、既設の伝送系機器も使用する予定であり、長パルス入射運転に対応するために一部の機器で改造が必要不可欠となる。
今回、改造に必要なデータを得ることを目的として JT-60U での 30 秒入射を目指した長パルス入射試験を行い、エージング過程で発生した問題点への対策を施した結果、JT-60U
での最長入射記録となる 0.5MW、30 秒のプラズマへの入射に成功した。
本報告は、この長パルス入射試験において発生した問題点と対策について記したものである。次章では、JT-60U ECH 装置の概要について、３章ではエージング過程の問題点抽出とその対策について、4 章ではプラズマ入射おける長パルス試験の結果について述べ、５章にまとめを記す。

－1－

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２．JT-60U

ECH 装置の概要

JT-60U ECH 装置は、現在 4 系統で稼動しており、大電力発振系で発生させた大電力高周
波を、内部を高真空に保たれた伝送系でアンテナまで導き、JT-60U プラズマへ入射する。
図.1 に JT-60U ECH 装置のシステム構成図を示す。

２．１ ミリ波大電力発振系
大電力発振系は、周波数 110GHz、最大出力 1MW、パルス幅 5 秒の能力を持つ発振管（ジャイロトロン）とそれを発振させるためにジャイロトロンの電極に給電を行う主電源及び加速電源、ジャイロトロン周波数に対応した強力な磁場を発生させる超伝導コイル、出力高周波を低損失な高周波モードに変換する整合器、発振出力測定時に使用する模擬負荷（短パルスダミーロード）等がある。

２．２ ミリ波伝送系
伝送系は、ジャイロトロンからアンテナまでの約 60m の経路であり、内面に微細溝のあるコルゲート導波管、アルミナ分散強化銅を鏡面仕上げした鏡を用い高周波を 90 度曲げる
マイターベンド、高周波電力のモニタを行う方向性結合器、高周波の偏波（偏波角度、楕円度）を変える偏波変換器、JT-60U 真空容器と伝送系との真空境界を形成するための人工
ダイヤモンドを使用した真空窓、高周波を効率良く伝送する特殊機能を有した真空ゲート
バルブ、伝送路を電気的に絶縁する DC ブレーク、真空窓での放電を検出するアーク検出器、伝送系内部を真空排気するための真空排気導波管及びジャイロトロンエージング時に使用する模擬負荷（長パルスダミーロード）等の低損失高周波伝送機器からなる。

２．３ ECH アンテナ
JT-60U P-17（第 17 番ポート）、P-18（第 18 番ポート）斜め上ポートに 2 基のアンテナを備えている。P-17 アンテナからは 3 系統（#1 3 系統用）P-18 アンテナからは 1 系統（#4系統用）で入射される。各アンテナは、入射系導波管、焦点鏡、平面鏡、駆動機構で構成されており、入射系導波管から導かれた高周波は、焦点境で高周波のビームを収束させ、平面鏡によりその入射方向を制御する構造となっている。

２．４ RF コンディショニング
ECH 装置でプラズマへ安定した入射を行うためには、真空管であるジャイロトロンの管内－2－

JAEA-T echnology 2010-031－3－

JAEA-T echnology 2010-031

３．エージングにおける問題点抽出とその対策

JT-60SA ECH 装置では、既設の伝送系機器を一部利用する予定であり、JT-60U ECH 装置
建設時の 1MW-5 秒（5MJ）の設計目標を超えた性能を実現するため、一部の機器で改造が必要不可欠となる。今回、その改造に必要なデータを得ることを目的に JT-60U での 30 秒入射を目指した長パルス入射試験を行った。このエージング過程においてはさまざまな問題点が抽出された。第一に伝送系内の放出ガスの増加と伝送系機器の温度上昇の問題である。
長パルス入射により伝送系内の圧力が上昇し放電が発生した。また、高周波損失のあるマ
イターベンド等の伝送系機器で急激な温度上昇が観測された。第二にジャイロトロンのエージング手段の問題である。従来使用していた長パルスダミーロードは、性能に限界があった（5MJ）。また、JT-60U への真空入射エージングでは、JT-60U の計測器を保護するために 1MJ の入射制限があり、それ以上のエージングが困難であった。
以下にこれらの問題点を解決するために行った対策について記す。

３．１ 真空排気系の改良による放出ガスの増加対策
JT-60U ECH 装置の伝送系には、限られたスペースへの設置に有利なこと等から内径φ31.75mm のコルゲート導波管を使用している。一方欠点としては、排気コンダクタンスが1m あたり 4l/s と非常に小さいことがある。したがって、真空度を良好に保つためには出来るだけ多くの箇所からの排気が望ましいが、排気ポートの高周波損失、放電の可能性、コストの問題から設置箇所は限られる。#1 3 系統では伝送路に 2 箇所、ダミーロード部に 1箇所の真空排気口を設け、ジャイロトロン付近とアンテナ付近の 2 箇所にターボ分子ポンプを設置し排気した。最後に増設した#4 系統には、それまでの運転経験から伝送路の中間地点と放出ガスの多い長パルスダミーロード部の排気用にターボ分子ポンプを追加した。
図.2 に JT-60U ECH 装置の真空排気系統図を示す。
伝送系内の圧力は、導波管内の放出ガス量によって変化するが、設計では導波管材料（アルミニウム）表面からの単位面積あたりの放出ガスが理想的に小さい場合、すなわちエー
ジングが進んだ脱ガスした状態（4×10-9Pa m3/s m2）では、その圧力は 10-5 10-4Pa 台と見積もっていた。しかし、実際の導波管圧力の計測箇所では 10-4

10-3Pa 前半台を推移することが多く、高周波を伝送した場合には 10-3Pa 後半 10-2Pa 前半台に達して放電する場合があった。最も圧力が上昇する箇所では、更に一桁以上圧力上昇したと考えられる。図.3 に計算によるエージング進んだ状態の伝送系圧力と実際の圧力との比較を示す。2)
放電を防止するためには、伝送系内の圧力を低く保つことが必要であるが、これまでの－4－

JAEA-T echnology 2010-031

運転（1MW-5 秒）で高周波の軸ずれあるいは、整合器内部で発生する導波管に導かれない漏れ高周波や不要モードの高周波が導波管外に散乱して、周辺機器である DC ブレーク（絶縁セラミック）、真空ベローズ配管で温度、圧力が上昇し、放電を起こして真空リークを経験した。整合器は、ジャイロトロンから出力されるガウスモードの高周波を導波管の伝送モードである HE11 モードに変換するものであるが、変換に伴う高周波損失（ 7%）により発熱するため放出ガスの多い機器であった。図.4 に整合器の内部構造と整合器出口の高周波
出力温度分布を示す。また、高周波軸の調整にはジャイロトロンの内部ミラーと整合器の内部ミラーを高精度で調整する必要があるが、微妙な軸ずれにより正規な軸を外れて放電を起こし、機器を損傷させる恐れがある。対策として、整合器の高周波入口と出口に高周波の吸収体である SiC（炭化ケイ素）セラミックのリングを設置し、整合器底面に SiC のブ
ロックを敷き詰めた。更に DC ブレークの保護には反射板（アルミ板）を設置した。対策後に真空リークは発生してないないが、設置した SiC リングにクラックが生じたことがあった。これも整合器内の漏れ高周波や不要モードの高周波の散乱によるものと考えられる。
ECH 装置は通常の真空装置とは異なり、ジャイロトロンの交換や整合器のミラー調整等に必要な大気開放が頻繁にあり、理想的な真空を維持することが困難であった。また、その大気開放後に再排気する際、他系統を封じ切り、その系統のみ粗引排気を行う必要があり、その間の他系統の運転が出来なくなる不都合も生じていた。更に、ECH 装置の伝送系は、高周波伝送を短パルスから行い導波管温度を徐々に上昇させるエージングを主なガス出し手段としているが、そのために大気開放操作は運転効率の悪化にも繋がり問題となっていた。
これらのことを踏まえて長パルス入射運転を行うに当り、伝送系内の放出ガスが増加して放電が発生する可能性が懸念されたため、対策として放出ガスが多く体積の大きい整合器の出来るだけ近い位置（各系統 2m 付近）に真空排気系を増力し、実効排気速度の増力
及び排気の系統毎独立化を行った。
（図.5）増力した真空ポンプには、ターボ分子ポンプを使用した。これにより、配管コンダクタンス（分子流）は 5l/s（20m）から 45l/s（2m）に改善し（#3 系統）、伝送系の圧力計測箇所は、10-5Pa

10-4Pa 台となった。また、系統毎に独立した真空排気系を設置したことにより、系統毎のメンテナンスと運転を並行して出来るようになり運転効率も向上した。更に、従来から使用してきた粗引排気系のラインを分岐し、主排気系と近い場所に新たにロータリーポンプ 2 台とメカニカルブースターポンプ 1台を設置したことにより粗引排気速度を増力した結果、エージング開始までの排気時間が約 6 時間から 2 時間程度と大幅に短縮出来た。実際の長パルス入射運転（0.5MW-30 秒）でも、10-3Pa 前半台に保つことに成功し、整合器の圧力も一桁以上改善されて放電を抑制することが出来た。図.6 に改良後の整合器内圧力比較と伝送系各部圧力を示す。5)6)－5－

JAEA-T echnology 2010-031

３．２ 冷却系の整備による伝送系機器の温度上昇対策
JT-60U ECH 装置の伝送系機器は、導波管にアルミニウム、マイターベンドのミラー部に分散強化銅等を使用しているが、これまでの運転（1MW-5 秒）ではこれらの機器の急激な温度上昇は観測されず冷却は不要であった。長パルス入射運転を行うに当り、高周波損失（1%）のあるマイターベンド等の伝送系機器の温度上昇が懸念されたため、水冷却の有無で比較し冷却効果の確認を行った。7 8 秒程度のパルス幅では、冷却／非冷却共に温度上昇
は伝送系機器からの急激なガス放出をさせない温度（50℃ 100℃）の範囲内であった。しかし、冷却時にはジャイロトロンや電源機器が必要とする休止時間中に十分な温度降下が確認出来たが、非冷却時には長いショット間隔が必要となる結果となった。図.7 に伝送系
機器の冷却効果を示す。JT-60U では、デューティ 1/60 サイクルで実験放電を行っており、その間隔（15 分あるいは 30 分）で入射を行う必要があり、対策として今までの運転条件（1MW-5 秒）で冷却不必要と思われた機器についても冷却系を整備し、繰返し入射での温度上昇を防止した。実際の長パルス入射運転でも、各機器の温度上昇は高周波損失によって違いはあるが、許容範囲内に抑えることに成功した。実験運転時のデューティサイクルにも冷却効果により対応出来た。図.8 に伝送系機器の温度上昇を示す。3)4) 今後、JT-60SAで想定する 1MW、100 秒入射、デューティ 1/18 サイクルの範囲で導波管が溶ける温度（600℃）に達することはないと思われるが、急激な温度上昇による放出ガスを防ぐことが放電を防止する上でも重要であり、継続して温度監視を行う共に導波管の冷却を検討する必要がある。

３．３ 導波管型ダミーロードシステムの導入とその改良
JT-60U ECH 装置は、ジャイロトロンの発振調整及び電力測定に使用する 1MW-200ms 仕様の全金属製短パルスダミーロードと長パルスのエージングに使用する 1MW-5s 仕様のタンク型ダミーロードを模擬負荷として使用している。
タンク型ダミーロードは、内部で高周波に反射を繰返させることで抵抗損失により高周波電力を熱に変え、冷却水で除熱する構造のものである。またタンク型ダミーロードは、
1MW の高周波電力伝送時に真空排気ポートへの入力を 0.1W 以下になるようなメッシュシー
ルドを設けている。これによりコンダクタンスが 6l/s 程度になる。タンク型ダミーロード
入射運転では、反射電力が若干大きく（5%程度）ジャイロトロンの調整がしにくいという問題があったほか、圧力上昇による放電、若しくは局所的な熱入力により真空排気ポートが損傷しての真空リークを経験した。図.9 に ECH 装置のダミーロードと真空リーク時のメッシュシールド損傷を示す。
既設のタンク型ダミーロードは 5MJ 仕様で、0.5MW、30 秒の長パルス入射は性能の限界を－6－

JAEA-T echnology 2010-031

上回るため、#3 系統に新ダミーロードを導入した。新ダミーロードは、1MW-連続仕様の導波管型ダミーロードで、導波管内部の溝の深さを変えたコルゲート形状を設けて意図的に高周波損失を増加させ、高周波伝送電力の約 75%を管壁の発熱として水で除熱する構造である。これにより既設のタンク型ダミーロードと組合わせることで 20MJ までの長パルス入射を可能とした。また、導波管型ダミーロードの冷却水の流量と出入口の温度変化を計測することにより長パルスでの電力計測が可能となった。これまでの電力計測は、短パルス
ダミーロードを使用し、冷却水流量と出入口の温度変化を計測する熱量計法を用いていた。
また、ジャイロトロンから出力される高周波には 20ms 程度の無発振時間が存在するため、それを考慮して短パルスダミーロードの仕様である 200ms 以下でパルス幅を変えた電力を 4
5 ショット求め、平均化したものを電力として算出するものであった。この導波管型ダミーロードでは、無発振時間を無視出来るパルス幅の入射で計測が可能であり、1 ショットで電力算出を行う。これにより、電力計測にかかる時間も従来の短パルスダミーロードを使用した方式と比較すると 1/4 に短縮出来る。
図.10 に導波管型ダミーロードの構造図を示す。この導波管型ダミーロードの使用に当っては、熱伸びと放電防止に対する対策が鍵であった。従来熱伸びの吸収には、ベロー導波管が使用されてきたが、コストが高いことや温度上昇が懸念されることから、ダミーロー
ドのサポート架台にスライド機構を用いて低コストで熱伸びを吸収出来るようにした。また、放電防止対策にはギャップ式の真空排気導波管を接続することで、差動排気を出来るようにした。図.11 に導波管型ダミーロードの接続系統図を示す。
ギャップ式真空排気導波管は、導波管間に約 1mm のギャップを設けて（排気コンダクタ
ンスは、5l/s 程度）高周波損失を極力小さくして（約 0.01%）真空排気を可能としている。
これにより実際に導波管型ダミーロードを使用したエージングでは、放出ガスを素早く排気出来るようになり 0.5MW、30 秒までエージングを迅速にでき達成、プラズマ入射への準備を完了することが出来た。図.12 に導波管型ダミーロードへの 30 秒入射データを示す。
またその後、他系統でもこの導波管型ダミーロードが使用出来るように伝送系導波管ルートの変更を行い、長パルスエージング及び電力計測を行えるようにした。図.13 にダミー
ロード系の導波管ルートを示す。

－7－

－8－

＃３
ジャイロトロン

3838

真空排気

371.9

RF増幅室

真空排気

真空排気

真空排気

図.2 JT-60U ECH 装置真空排気系統図

1350

P-18
N-1A-aポート

P-17
斜め上ポート

真空排気導波管

真空排気10496.2

8390＃１
ジャイロトロン

真空排気

1272.1
真空排気

1522

＃４
ジャイロトロン

ダミーロード
真空排気
真空排気
整合器

＃２
ジャイロトロン

真空排気

真空排気

中性子遮蔽壁

JT-60本体室

6160.52530.112489.7

JT-60U
プラズマ

JAEA-T echnology 2010-031

JAEA-T echnology 2010-031

0.01
高周波伝送時の圧力(#3)

実際の計測箇所
での圧力(#3)

＃2

＃1

＃3

＃4

真空排気1
（R F増幅室）

真空排気2（JT-60本体室）

導波管内面から放出ガス
4×10 -9 Pa m 3 /s m 2 として計算した静特性による圧力

真空排気3（JT-60本体室）

導波管長［ｍ］

図.3 計算による伝送系圧力と実際圧力との比較
整合器出口高周波出力

ジャイロ
トロン
ジャイロ
トロン
ミラー

ダイヤ
モンド窓
補正ミラー
整合器

DCブレークRF
導波管
高周波吸収体（SiCリング）

図.4 整合器内部構造と整合器出口高周波出力温度分布－9－JAEA-T echnology 2010-031

導波管
アンテナへ

主排気ポンプ

既設真空排気系

増力した

ダミーロード

ポンプ
整合器
#3

#2

#4

#1

ジャイロトロン
ジャイロトロン

ジャイロトロン

ゲートバルブ
ターボ分子ポンプ

整合器

真空排気口

導波管

図.5 真空排気系の増力・独立化－10－

JAEA-T echnology 2010-031

10整合器排気部
ダミーロード差動排気部
ダミーロード終端部
本体室導波管排気部

10.1

改造前の整合器圧力

0.01

0.001

0.0001
0

5

10

15

20

25

30

35

パルス幅［s］

図.6 改造後の整合器内圧力比較と伝送系各部圧力

40
8秒入射

方結（冷却無）ベンド（冷却無）方結（冷却有）ベンド（冷却有）

35
7秒入射

30

25

20
0

300

600

900
時間［S］

図.7 伝送系機器の冷却効果

－11－

1200

1500

－12－

上昇温度［℃］

0

5

10

15

20

25

30

0

5

15

20

25

10

15

35

25

30

35

35

5

15

20

25

パルス幅［s］

10

30

0

5

10

15

20

25

30

35

0

5

図.8 伝送系機器の温度上昇

上昇温度［℃］
0

5

10

15

20

25

30

0

20

30

40

50

0

15

20

15

20

25

25

35

30

0

5

35

15

整合器ミラー２ΔT（℃）

35

20

25
パルス幅［s］10方向性結合器１30

整合器ミラー１ΔT（℃）

0

5

10

15

20

25

30

パルス幅［s］10

アーク検出器

パルス幅［s］

10

冷却無し

5

30

5

整合器

10 15 20 25
パルス幅［s］

方向性結合器２030導波管（方結出口）
導波管（切替器出口）
導波管（整合器出口）00
10 15 20 25
パルス幅［s］

冷却無し

5

20

パルス幅［s］

冷却無し

10

0

5

コルゲート導波管

30

0

0

0

10

15

20

25

5

上昇温度［℃］

5

10

15

20

25

真空排気導波管

上昇温度［℃］

10

20

30

40

50

パルス幅［s］

10

偏波変換器

上昇温度［℃］

上昇温度［℃］

30

上昇温度［℃］

マイターベンド

上昇温度［℃］

30

30

35

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JAEA-T echnology 2010-031－14－

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5

4

3

2

1

0

0

10

20

30

40

50

60

70

時間［s］

図.12 導波管型ダミーロード 30 秒入射データ

－15－

80

－16－

#2

アンテナへ

導波管切替器1

アンテナへ

アンテナへ

導波管切替器2図.13 ダミーロード系の導波管ルート#3

導波管型ダミーロード#4

JAEA-T echnology 2010-031

JAEA-T echnology 2010-031

４．プラズマ入射における長パルス入射試験

エージング過程において抽出された問題点は対策により改善され、これによりエージン
グが順調に進んだ 1 系統（#3 系統）がジャイロトロン発振出力 0.5MW、プラズマ入射幅 30秒（15MJ）に成功した（図.14）。しかし、実際のプラズマ入射において真空窓の放電を示
すアークが頻繁に検出され、#2 系統のパルス伸長が困難になった。
以下に、実際のプラズマ入射における真空窓の放電の問題について記す。

４．１ 真空窓での発光・放電
JT-60U ECH 装置の真空窓は、JT-60U 真空容器との真空境界として伝送系に設置しているもので高熱伝導率、低誘電体損失の人工ダイヤモンドを使用している。#1、#4 系統には、
φ83mm の大口径ダイヤモンドディスクを使用し、#2、#3 系統は据付けスペースの問題から
φ42mm のダイヤモンドディスクを使用している。図.15 に真空窓の構造図を示す。真空窓の放電検出には、高周波を 90 度曲げるマイターベンドミラー部に光ファイバーを内蔵したアーク検出器を使用している。この検出器は真空窓での放電光を検出し、その光信号を検出器に取込み高周波入射を高速で遮断する保護インターロックを整備して、真空窓に損傷を与える大きな放電を防止している。図.16 にアーク検出装置の系統図を示す。
今回、φ42mm のダイヤモンドディスクを使用した#2 系統において、プラズマ入射時に真空窓での放電を示唆する発光が頻繁に検出され、長パルス入射が困難になった。アーク検出信号には、急激な強い発光と定常的に高周波入射と同時に弱い発光を続けるものがあった。急激な強い発光を検出した場合には、圧力上昇が観測されたが、定常的な発光の場合には観測されなかった。図.17 に急激な発光時アーク検出波形を示す。アーク検出装置のイ
ンターロックレベルは、この定常的な発光を回避した設定で運転を行った。急激な発光を検出した直後は、アーク検出装置のインターロックレベルを厳しくし、伝送電力を低減する設定に変更して慎重にエージングを行った。アーク検出装置により、当面実験運転で必
要な電力設定まではエージングすることが出来たが、発光レベルは他系統と比較すると放電が再発する傾向にあったため、パルス伸長には障害となってしまった。図.18 に真空窓エージングにおけるパワーとパルス幅の進展を示す。

４．２ 真空窓の点検結果
運転休止期間を用いて内部点検を行ったが、いくつかの変色等が観測されたものの、ア－17－

JAEA-T echnology 2010-031

ーク検出装置が素早く動作したこともあり、放電の原因に繋がる大きな損傷や放電痕等は見つからなかった。図.19 に放電した真空窓を示す。

４．３ 真空窓の高周波試験
これまでの運転、点検の結果を受け、真空窓を予備品と交換して実験運転を再開することにした。これに伴い、真空窓単体での高周波試験をダミーロードを用いて行い、真空窓の健全性確認と発光・放電の原因調査を行った。単体試験は、はじめに低電力 0.5MW で行ったが、急激な圧力、温度上昇は観測されず、放電も発生することなく目標であった 5 秒を達成した。その時のアーク検出信号は検出されず正常であった。その後、高電力 0.75MW
において試験を行ったが、運転時と同様な定常的発光が見られた。その際、アーク検出装
置のインターロックが動作したこともあり、圧力上昇は観測されず放電を抑制出来た。最終的には、パルス幅を 2 秒まで伸長し終了した。次に、アーク検出器が検出した光の発生源を特定するために、真空窓を取り外して試験を行った。設定 1MW、2 秒までにおいてアー
ク検出信号は観測されなかった。よって、発光は真空窓が原因であったことが判った。単体試験において発光・放電の原因特定にまでは結び付かなかったが、交換した真空窓を使用して実験運転を再開した。実験運転再開後、パルス伸長の障害となっていた定常的発光と放電光の分離を目的に、アーク検出器の検出部に赤外線フィルタを挿入し分光測定を行った。その結果、定常的発光は放電光ではなく赤外線であることが判った。これにより、
インターロックレベルを放電光のみに照準し、慎重にパルス伸長を行い、0.95MW、5 秒入射を達成した。また、JT-60U 初となる 4 系統同時入射、4MW、5 秒に成功した。図.20 にエー
ジングの進展を示す。しかし、このエージング過程における真空窓の発光は、放電光と真空窓自体の含有不純物からとみられる発光があることが判った。JT-60SA では、実績のある
大口径真空窓を採用するが、今後更に大口径真空窓と比較した発光現象、ガス分析等実験を行う予定である。

－18－

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５．まとめ

JT-60U ECH 装置で長パルス入射運転を行うには、伝送系機器での高周波放電を抑制して高周波を効率良く伝送させることが重要な課題である。今回、エージング過程で発生した問題点の抽出とその対策を行い、JT-60U 最長記録となるジャイロトロン発振出力 0.5MW、30 秒のプラズマ入射に成功した。また、真空窓の放電を抑制し JT-60U 初となる 4 系統同時
入射 4MW、5 秒に成功した。

（１） 長パルス入射運転に伴い、真空排気能力の増力及び真空排気系の系統毎独立化を行
い、放電を抑制することが出来た。
（２） 伝送系機器冷却を整備することで、伝送系機器の温度上昇を許容範囲内に抑え、実験運転のショット間隔に対応した。
（３） 新しく導波管型ダミーロードを導入し、反射を小さくして長パルスエージングを可能とした。また、差動排気導波管を設けて放出ガスを素早く排気出来るようにし、0.5MW、30 秒までエージングすることが出来た。
（４） エージング過程で発生した真空窓での発光・放電について、アーク検出装置のインターロックにより真空窓を損傷させる大きな放電を防止し、運転することが出来た。

今後は、更に JT-60SA での 100 秒間伝送に向けて長パルス試験を行い、伝送系機器の真空排気方式と冷却方式の開発を進めると共に真空窓の改良を行う計画である。

－23－

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謝辞JT-60U ECH 装置の長パルス入射運転を行うにあたり、多くの技術的支援を頂きました
JT-60RF 開発グループ員の方々に感謝致します。また、終始ご助言、ご指導を頂きました故藤井常幸研究主席に厚くお礼申し上げます。

参考文献
１）JT-60U における 110GHz 局所加熱／電流駆動システムの高周波入射系の基本設計
Y.IkedaJAERI-Research 99-061（1999）２）JT-60U 電子サイクロトロン加熱装置の伝送系システム
K. Yokokura, et al.,JAERI-Tech 2003-047（2003）３）JT-60U における電子サイクロトロン加熱・電流駆動技術の進展
S. Moriyama, et al.,Journal of plasma and fusion Res. Vol.79, No.9, PP.935-944 (2003).
４）Performance and development of heating and current drive systems in JT-60U
T. Fujii, et al.,Proceedings of the 20th IEEE/NPSS Symposium on Fusion Engineering (SOFE 2003) (2004).
５）Development and contribution of rf heating and current drive systems to long pulse, highperformance experiments in JT-60U
S. Moriyama, et al.,Fusion Engineering and Design, 74/1-4, PP.343-349(2005).
６）日刊工業新聞社,真空技術ハンドブック(1990)－24－国際単位系（SI）
表１．SI 基本単位
SI 基本単位

基本量

名称
記号
長
さメ ートル m
質
量 キログラム kg
時
間秒s
流ア ンペア A
電
熱力学温度 ケ ル ビ ン K
ル mol
物 質 量モ光
度 カ ン デ ラ cd

表２．基本単位を用いて表されるSI組立単位の例
SI 基本単位
組立量
名称
記号
面
積 平方メートルm2
体
積 立法メートルm3
速 さ ， 速 度 メートル毎秒m/s
加速度 メートル毎秒毎秒
m/s2
波
数 毎メートルm-1
密 度 ， 質 量 密 度 キログラム毎立方メートル
kg/m3
面
積
密
度 キログラム毎平方メートル
kg/m2
比
体
積 立方メートル毎キログラム
m3/kg
電
流
密
度 アンペア毎平方メートル
A/m2
磁 界 の 強 さ アンペア毎メートル
A/m
(a)
量 濃度
， 濃 度 モル毎立方メートル
mol/m3
質量
濃度 キログラム毎立法メートル
kg/m3
輝
度 カンデラ毎平方メートル
cd/m2
1
屈
折
率 (b) （数字の） １(b)（数字の） １1
比 透 磁 率

乗数
1024
1021
1018
1015
1012
109
106
103
102
101

活

性 カタール

kat

d

Ｚ
Ｅ

10-2

セ ン チ
ミ
リ

c
m

ペ
テ

タ
ラ

Ｐ
Ｔ

µ
n

ギ
メ

ガ
ガ

Ｇ
Ｍ

マイクロ
ノ
10-9 ナコ
10-12 ピ
10-15 フェムト

キ
ロ
ヘ ク ト
デ
カ

ｋ
ｈ

ト
10-18 ア
10-21 ゼ プ ト
10-24 ヨ ク ト

a
z
y

da

d
°
’

10-3
10-6

p
f

1 d=24 h=86 400 s
1°=(π/180) rad1’=(1/60)°=(π/10800) rad1”=(1/60)’=(π/648000) rad”ha 1ha=1hm2=104m2
L，l 1L=11=1dm3=103cm3=10-3m3t
1t=103 kg

秒
ヘクタール
リットル
トン

表７．SIに属さないが、SIと併用される単位で、SI単位で表される数値が実験的に得られるもの
名称
記号
SI 単位で表される数値
1eV=1.602 176 53(14)×10-19J

電 子 ボ ル ト
ダ ル ト ン
統一原子質量単位eVDa
u

1Da=1.660 538 86(28)×10-27kg
1u=1 Da天

ua

1ua=1.495 978 706 91(6)×1011m

文

単

位

表８．SIに属さないが、SIと併用されるその他の単位
名称
記号
SI 単位で表される数値
バー
ル bar １bar=0.1MPa=100kPa=105Pa
水銀柱ミリメートル mmHg 1mmHg=133.322Pa

s-1 mol(a)SI接頭語は固有の名称と記号を持つ組立単位と組み合わせても使用できる。しかし接頭語を付した単位はもはや
コヒーレントではない。
(b)ラジアンとステラジアンは数字の１に対する単位の特別な名称で、量についての情報をつたえるために使われる。
実際には、使用する時には記号rad及びsrが用いられるが、習慣として組立単位としての記号である数字の１は明示されない。
(c)測光学ではステラジアンという名称と記号srを単位の表し方の中に、そのまま維持している。
(d)ヘルツは周期現象についてのみ、ベクレルは放射性核種の統計的過程についてのみ使用される。
(e)セルシウス度はケルビンの特別な名称で、セルシウス温度を表すために使用される。セルシウス度とケルビンの単位の大きさは同一である。したがって、温度差や温度間隔を表す数値はどちらの単位で表しても同じである。
(f)放射性核種の放射能（activity referred to a radionuclide）は、しばしば誤った用語で”radioactivity”と記される。
(g)単位シーベルト（PV,2002,70,205）についてはCIPM勧告2（CI-2002）を参照。

表４．単位の中に固有の名称と記号を含むSI組立単位の例
SI 組立単位
組立量
SI 基本単位による
名称
記号
表し方
-1
粘
度 パスカル秒
Pa s
m kg s-1
力 の モ ー メ ン ト ニュートンメートル
Nm
m2 kg s-2
表面
張力 ニュートン毎メートル
N/m
kg s-2角
速度 ラジアン毎秒
rad/s
m m-1 s-1=s-1
角
加速度 ラジアン毎秒毎秒
rad/s2
m m-1 s-2=s-2
熱 流 密 度 , 放 射 照 度 ワット毎平方メートル
kg s-3
W/m2
熱 容 量 , エ ン ト ロ ピ ー ジュール毎ケルビン
J/K
m2 kg s-2 K-1
比 熱 容 量 ， 比 エ ン ト ロ ピ ー ジュール毎キログラム毎ケルビン J/(kg K)
m2 s-2 K-1
比 エ ネ ルギ ー ジュール毎キログラム
J/kg
m2 s-2
熱伝
導率 ワット毎メートル毎ケルビン W/(m K) m kg s-3 K-1
体 積 エ ネ ル ギ ー ジュール毎立方メートル J/m3
m-1 kg s-2
電界の強さ ボルト毎メートル
V/m
m kg s-3 A-1
電荷密
度 クーロン毎立方メートル C/m3
m-3 sA
表面
電
荷 クーロン毎平方メートル C/m2
m-2 sA
電 束 密 度 ， 電 気 変 位 クーロン毎平方メートル C/m2
m-2 sA誘
電率 ファラド毎メートル
F/m
m-3 kg-1 s4 A2
透磁率 ヘンリー毎メートル
H/m
m kg s-2 A-2
モ ル エ ネ ル ギ ー ジュール毎モル
J/mol
m2 kg s-2 mol-1
モルエントロピー, モル熱容量 ジュール毎モル毎ケルビン J/(mol K) m2 kg s-2 K-1 mol-1
照 射 線 量 （ Ｘ 線 及 び γ 線 ） クーロン毎キログラム
C/kg
kg-1 sA
吸収線
量率 グレイ毎秒
Gy/s
m2 s-3放射
強度 ワット毎ステラジアン
W/srm4 m-2 kg s-3=m2 kg s-3
放射輝
度 ワット毎平方メートル毎ステラジアン W/(m2 sr) m2 m-2 kg s-3=kg s-3
酵 素 活 性濃 度 カタール毎立方メートル kat/m3
m-3 s-1 mol

記号

ゼ
タ
エ ク サ

日
度
分

表３．固有の名称と記号で表されるSI組立単位
SI 組立単位
組立量
他のSI単位による SI基本単位による
名称
記号
表し方
表し方
（ｂ）
平
面
角 ラジアン(ｂ)
rad
m/m
1
（ｂ）
2/ 2
立
体
角 ステラジアン(ｂ) sr(c)
1
m m
周
波
数 ヘルツ（ｄ）
Hz
s-1
力
ニュートン
N
m kg s-2
圧力
応
力 パスカル,Pa
m-1 kg s-2
N/m2
エ ネ ル ギ ー , 仕 事 , 熱 量 ジュールJNm
m2 kg s-2
仕 事 率 ， 工 率 ， 放 射 束 ワット
WJ/s
m2 kg s-3
電
荷
電気量 クーロン,
CsA
電 位 差 （ 電 圧 ） , 起 電 力 ボルト
VW/A
m2 kg s-3 A-1
静電
容量 ファラドF
C/V
m-2 kg-1 s4 A2
電
気
抵
抗 オーム
Ω
V/A
m2 kg s-3 A-2
コ ン ダ ク タ ン ス ジーメンス
S
A/V
m-2 kg-1 s3 A2
磁
束 ウエーバWb
Vs
m2 kg s-2 A-1
磁
束
密
度 テスラ
T
Wb/m2
kg s-2 A-1
イ ン ダ ク タ ン ス ヘンリーH
Wb/A
m2 kg s-2 A-2
セ ル シ ウ ス 温 度 セルシウス度(ｅ)℃K
光
束 ルーメンlm
cd
cd sr(c)
2
照
度 ルクス
lx
lm/m
m-2 cdBqs-1
放 射 性 核 種 の 放 射 能 （ ｆ ） ベクレル（ｄ）
吸収線量, 比エネルギー分与,
グレイ
Gy
J/kg
m2 s-2カーマ
線量当量, 周辺線量当量, 方向
Sv
J/kg
m2 s-2シーベルト（ｇ）
性線量当量, 個人線量当量
素

表５．SI 接頭語
記号 乗数
接頭語
Ｙ
シ
10-1 デ

表６．SIに属さないが、SIと併用される単位
名称
記号
SI 単位による値
分
min 1 min=60s
時h
1h =60 min=3600 s（a）量濃度（amount concentration）は臨床化学の分野では物質濃度（substance concentration）ともよばれる。
（b）これらは無次元量あるいは次元１をもつ量であるが、そのことを表す単位記号である数字の１は通常は表記しない。

酸

接頭語
ヨ
タ

オングストローム
海
里
バ
ー
ン

Å
Ｍ

１Å=0.1nm=100pm=10-10m
１M=1852m

b

ノ
ネ
ベ

ト
パ
ル

kn
Np
Ｂ

１b=100fm2=(10-12cm)2=10-28m2
１kn=(1852/3600)m/s

ル

dB

ッ
ー

デ

ジ

ベ

SI単位との数値的な関係は、対数量の定義に依存。

エ

表９．固有の名称をもつCGS組立単位
名称
記号
SI 単位で表される数値
ル
グ erg 1 erg=10-7 J

ダ
ポ

イ
ア

ス
ス

ト ー ク
チ
ル

フ
ガ

ォ

ン dyn 1 dyn=10-5N
ズ P 1 P=1 dyn s cm-2=0.1Pa s
ス St 1 St =1cm2 s-1=10-4m2 s-1
ブ sb 1 sb =1cd cm-2=104cd m-2
ト ph 1 ph=1cd sr cm-2 104lx
ル Gal 1 Gal =1cm s-2=10-2ms-2

マ ク ス ウ ｪ ルガ
ウス
エルステッド（ ｃ）

Mx
G
Oe

1 Mx = 1G cm2=10-8Wb
1 G =1Mx cm-2 =10-4T
1 Oe (103/4π)A m-1（c）３元系のCGS単位系とSIでは直接比較できないため、等号「は対応関係を示すものである。

キ
レ
ラ

名称
ュ
リ
ン

レ
ガ

ト

表10．SIに属さないその他の単位の例
記号
SI 単位で表される数値
ー Ci 1 Ci=3.7×1010Bq

ゲ

ン

ン R
ド rad
ム rem
マ γ

1 R = 2.58×10-4C/kg
1 rad=1cGy=10-2Gy
1 rem=1 cSv=10-2Sv
1γ=1 nT=10-9T
1フェルミ=1 fm=10-15m

フェルミ
メートル系カラット

1メートル系カラット = 200 mg = 2×10-4kg

気

ル Torr 1 Torr = (101 325/760) Pa
圧 atm 1 atm = 101 325 Pa

ロ

リ

ー

cal

ク

ロ

ン

µ

ト
標

準

カ
ミ

大

」

1cal=4.1858J（｢15℃｣カロリー），4.1868J（｢IT｣カロリー）4.184J（｢熱化学｣カロリー）

1 µ =1µm=10-6m（第8版，2006年改訂）

この印刷物は再生紙を使用しています