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論文

Neutron scintillators with high detection efficiency

小島 孝弘*; 片桐 政樹; 筒井 紀彰*; 今井 幸治*; 松林 政仁; 坂佐井 馨

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 529(1-3), p.325 - 328, 2004/08

 被引用回数:31 パーセンタイル:11.67(Instruments & Instrumentation)

中性子イメージ検出器の高検出効率化を目指して蛍光体/中性子コンバータシンチレータの開発を進めた。その結果、市販のシンチレータに比較して$$^{6}$$Liの含有量が2倍のZnS:Ag/$$^{6}$$LiFの検出効率が43.5%であることがわかった。この検出効率は市販の同種シンチレータに比較して約1.6倍の検出効率である。また、中性子コンバータとして$$^{10}$$B$$_{2}$$O$$_{3}$$を用いたZnS:Ag/$$^{10}$$B$$_{2}$$O$$_{3}$$シートシンチレータ及びZnS:Ag/$$^{10}$$B$$_{2}$$O$$_{3}$$ガラスシンチレータを開発し、約30%の検出効率を示すことを確認した。本ZnS:Ag/$$^{10}$$B$$_{2}$$シンチレータは熱中性子以上の中性子エネルギーの領域で高検出効率が得られる。

論文

核融合炉用電子サイクロトロン波加熱電流駆動のための先進アンテナとダイアモンド窓開発

高橋 幸司; 春日井 敦; 南 龍太郎; 坂本 慶司; 池田 幸治; 小林 則幸*; 今井 剛

電気学会原子力研究会資料(NE-03-1), p.1 - 6, 2003/09

核融合炉プラズマの加熱電流駆動,MHD不安定性の制御に必要な先進アンテナとして遠隔駆動型ECアンテナの開発を、ジャイロトロン出力窓及びアンテナとジャイロトロン,伝送系をトリチウムや放射性ダストを内包する真空容器から分離する真空窓としてダイヤモンド窓の開発を行っている。遠隔駆動アンテナのRF伝送実験において、放射角度の設計仕様範囲(-12$$^{circ}$$$$leq$$$$theta$$$$leq$$+12$$^{circ}$$)でガウス状ビームが所定方向に放射され、かつ、伝送効率95%以上でRFパワーが放射されることを実証し、遠隔駆動型ECアンテナの実用化へ向けた重要な結果である。ダイヤモンド窓開発では、実規模のダイヤモンド窓の製作及び大電力伝送実験により、ITERで要求されている1MW,CWの伝送性能及び0.2MPa耐圧力性能を実証し、ダイヤモンド窓がITERで使用可能であることを示した。

論文

The 110-GHz electron cyclotron range of frequency system on JT-60U; Design and operation

池田 佳隆; 春日井 敦; 森山 伸一; 梶原 健*; 関 正美; 恒岡 まさき*; 高橋 幸司; 安納 勝人; 濱松 清隆; 平内 慎一; et al.

Fusion Science and Technology (JT-60 Special Issue), 42(2-3), p.435 - 451, 2002/09

 被引用回数:23 パーセンタイル:17.74(Nuclear Science & Technology)

JT-60Uにおける局所加熱と電流駆動を目的として、電子サイクロトロン周波数(ECRF)加熱装置を設計,開発し、運転を行った。周波数は、弱磁場側からの基本波Oモードを入射する110GHzを採用した。本システムは、単管出力1MWレベルのジャイロトロンを4本,その大電力を伝送する4本の伝送系,さらに2基のアンテナから構成される。エネルギー回収機構とダイヤモンド出力窓が、ジャイロトロンの特徴である。エネルギー回収機構を利用するとともに、その発振動作を考慮して高圧電源の改造を行うことにより、主電源が一定電圧制御の無いJT-60高周波加熱設備においてもジャイロトロンの発振を可能とした。またダイヤモンド出力窓の採用により、伝送系の伝搬モードに効率よく変換できる出力モードを実現し、低損失導波管の採用とあわせ、60mの長距離伝送においても約75%の高効率伝送を実現した。2基のアンテナは、高周波の入射方向をプラズマ放電中に制御可能であり、これにより局所的な加熱/電流分布制御を実現した。2000年には3系統によりプラズマ総入射パワー1.5~1.6MW,3秒までの運転を行い、電子温度15keVの達成や、MHD制御等の実験に用いられた。2001年には4系統のシステムが完成し、約3MWレベルの運転が実施された。

論文

High-efficiency oscillation of 170GHz high-power gyrotron at TE$$_{31.8}$$ mode with depressed collector

庄山 裕章; 坂本 慶司; 林 健一*; 春日井 敦; 恒岡 まさき; 高橋 幸司; 池田 幸治; 假家 強*; 満仲 義加*; 今井 剛

Japanese Journal of Applied Physics, Part 2, 40(8B), p.L906 - L908, 2001/08

 被引用回数:26 パーセンタイル:28.1(Physics, Applied)

170GHz大電力ジャイロトロンを用いて安定な1.1MWの発振を達成した。発振モードはTE$$_{31.8}$$であり、CW運転可能なモードである。発振効率は32%であり、減速コレクター運転により総合効率として57%に達した。発振効率を低下させるビームトンネル(電子銃とキャビティの間の電子ビームが通過する筒)での寄生発振をRF吸収体を装備することにより抑制した。この結果は核融合装置に求められる1MW長パルスジャイロトロンの開発に大きなインパクトを与えるものである。

論文

1 MW and long pulse operation of Gaussian beam output gyrotron with CVD diamond window for fusion devices

春日井 敦; 坂本 慶司; 高橋 幸司; 梶原 健; 庄山 裕章; 池田 幸治; 恒岡 まさき; 池田 佳隆; 藤井 常幸; 假家 強*; et al.

Fusion Engineering and Design, 53(1-4), p.399 - 406, 2001/01

 被引用回数:17 パーセンタイル:22.58(Nuclear Science & Technology)

原研ではITER R&Dのもとで、ITER用170GHzジャイロトロンの開発を行っている。これまでに、ダイヤモンド窓の開発などにより、世界のトップデータとなる出力約0.5MWで8秒間の出力を達成した。次のステップとしてジャイロトロンのビームトンネルを改良し、発振効率を28%まで改善させた。さらに、1MW-10秒を目標とした次期170GHzジャイロトロンを製作し、現在発振実験を行っている。また170GHzジャイロトロンの開発をベースに、JT-60Uでの電子サイクロトロン加熱/電流駆動のための、周波数110GHz、ダイヤモンド窓搭載ガウシアンビーム出力ジャイロトロンを製作し、プラズマへの応用を開始した。これまでに出力1MWで0.6秒の発振が得られている。

論文

Initial results of electron cycloton range of frequency (ECRF) operation and experiments in JT-60U

池田 佳隆; 春日井 敦; 高橋 幸司; 梶原 健; 諫山 明彦; 井手 俊介; 寺門 正之; 篠崎 信一; 横倉 賢治; 安納 勝人; et al.

Fusion Engineering and Design, 53(1-4), p.351 - 363, 2001/01

 被引用回数:34 パーセンタイル:8.62(Nuclear Science & Technology)

JT-60Uの高周波加熱として、電子サイクロトロン(EC)波による局所加熱/電流駆動の初期運転及び実験結果を報告する。本システムは、固体電流スイッチと高安定加速電源を従来の高周波加熱装置に付加することによりEC波を発振させるものであり、現在まで発振出力1MW,2秒,プラズマ入射電力0.75MW,2秒に成功した。局所加熱においては、アンテナの準光学可動鏡により、プラズマ中心から端まで、約15cmの中で加熱位置を制御できることを確認するとともに、入射の偏波条件を最適化することで、0.75MW,0.3秒の入射で中心電子温度を4.4keV上昇することに成功した。さらにNBIによる高$$beta_{p}$$ HモードプラズマにEC波を入射し、中心電子温度を約10keVに維持することを確認した。

論文

大電力100GHz帯ジャイロトロンの開発

庄山 裕章; 坂本 慶司; 林 健一*; 春日井 敦; 高橋 幸司; 恒岡 まさき; 池田 幸治; 假家 強*; 満仲 義加*; 今井 剛

信学技報, 100(506), p.39 - 44, 2000/12

ITER,JT-60U等の大型核融合装置における電子サイクロトロン共鳴加熱及び電流駆動装置の発振源として大電力、長パルス、高効率の100GHz帯ジャイロトロンの開発を行い、これまでにエネルギー回収運動による効率50%発振、超高次モードを用いた1MW発振、数MW/連続出力で使用可能な人工ダイヤモンド出力窓の開発等の成果を得てきた。最近では、長パルス化に向けてさらなる発振効率の向上を図るために、SiCビームトンネル付170GHzジャイロトロンを開発し、1.1MW/57%の発振を達成した。

論文

ECH用大電力ジャイロトロンの開発

今井 剛; 坂本 慶司; 春日井 敦; 恒岡 まさき; 高橋 幸司; 庄山 裕章; 池田 幸治; 池田 佳隆; 梶原 健; 藤井 常幸; et al.

平成12年度電気学会原子力研究資料(NE-00-4), p.19 - 24, 2000/09

原研が、ITER及びJT-60U用に開発しているミリ波(100-200GHz帯)の大電力、長パルス、高効率ジャイロトロンの開発成果について報告する。人工ダイヤモンド窓により、大電力、長パルスが可能となり、また、エネルギー回収により、高効率が可能となった。これらの技術を最適化して、170GHz、1MWで50%の発振を達成し、また、長パルスでは、110GHzで、1MW,3秒,170GHzでは、約500kWで8秒の出力を得ている。

論文

Development of 110GHz band gyrotrons and its application for JT-60U and ITER

坂本 慶司; 春日井 敦; 庄山 裕章; 林 健一*; 高橋 幸司; 恒岡 まさき; 池田 幸治; 池田 佳隆; 梶原 健; 森山 伸一; et al.

25th International Conference on Infrared and Millimeter Waves Conference Digest, p.11 - 12, 2000/00

110GHzジャイロトロンは、JT-60UでITERの物理R&Dとなる加熱電流駆動や、新古典論テアリング不安定性の抑制、プラズマの立ち上げに使用されるもので、これまでに短パルスで1.2MW,1MWでは3秒、0.5MWでは6秒までの発振を得た。これまで3本のジャイロトロンを製作しJT-60UのECH加熱電流駆動装置に装着した。約50mの伝送系にジャイロトロンを接続して実際に1MW発振でのプラズマ入射にも成功し、最大15keVの電子温度上昇を得ている。RFの抵抗損失による最も熱負荷の厳しい空胴共振器は、設計通り1秒で定常状態に落ち着いた。出力窓の中心部の温度上昇は、1MW出力に対し約25度で定常状態になっており、設計値と良く一致する。この結果は、170GHzの場合、約45度の温度上昇に対応する。また、コレクタも設計通りの温度上昇を示しており、約5秒で定常状態に達する。このようにジャイロトロン内の主要コンポーネントについて長パルス化に関する見通しが得られた。ITER用ジャイロトロン開発では、これまで世界で初めて低損失人工ジャイヤモンド窓を装着して0.5MWで8秒の出力に成功しているが、新たに電子ビームの不安定性を抑制する機構を設けることにより、出力1.2MW、発振効率33%、エネルギー回収を含めた総合効率で52%を達成した。現在、これらの成果を取り入れ、連続出力を目指した長パルス化研究を継続している。

論文

Development of long pulsed gyrotron for fusion device

庄山 裕章; 春日井 敦; 坂本 慶司; 高橋 幸司; 恒岡 まさき; 池田 幸治; 梶原 健; 池田 佳隆; 藤井 常幸; 假家 強*; et al.

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.3, p.368 - 371, 2000/00

電子サイクロトロン周波数領域の電磁波源は核融合炉の定常運転にとって最も有望なツールの一つである。国際熱核融合実験炉(ITER)には、100GHz帯、1MWにおいて電子サイクロトロン加熱/電流駆動及びMHD安定化のために定常運転可能なジャイロトロンが必要とされている。ITER用ジャイロトロン開発の一環としてJT-60U用に110GHz、1MWの長パルスジャイロトロンの開発をおこない、基礎特性の検討と秒オーダーの長パルス運転時に問題となる不要RFによるジャイロトロンを構成する誘電体部品の加熱の評価と対策の検討を行った。

論文

原研における大電力ジャイロトロン開発

坂本 慶司; 春日井 敦; 庄山 裕章; 高橋 幸司; 恒岡 まさき; 池田 幸治; 梶原 健; 池田 佳隆; 假家 強*; 満仲 義加*; et al.

信学技報, 99(498), p.37 - 42, 1999/12

原研では、ITERやJT-60U等の大型トカマクの電子サイクロトロン共鳴及び電流駆動(ECH/ECCD)装置の発振源として、100GHz帯のジャイロトロン開発を行っている。これまでに、エネルギー回収を行い、ジャイロトロンで初めてとなる効率50%の達成、超高次モードを用いた1MW発振の成功、人工ダイヤモンドを用いた数MW、連続出力で使用可能な真空封じ窓の開発、及びこれを用いたジャイロトロンの開発等の成果を得てきた。

論文

Operation and control of JT-60U ECRF system

篠崎 信一; 下野 貢; 寺門 正之; 安納 勝人; 平内 慎一; 池田 佳隆; 池田 幸治; 今井 剛; 春日井 敦; 森山 伸一; et al.

Proceedings of the 18th IEEE/NPSS Symposium on Fusion Engineering (SOFE '99), p.403 - 406, 1999/10

JT-60Uにおける局所的な加熱及び電流駆動を目的として試作開発してきた110GHz,1MWのECRFシステムの構成・機能及び運転・制御について述べる。本システムはジャイロトロン、高圧電源、全長60mにおよぶ伝送系、駆動ミラーを有するアンテナから構成される。これらの機器すべてを統括し、その運転を制御する制御設備はシーケンサ、VME、タイミング制御板等から構成される。これらの内、特に重要な構成機器はタイミング制御板であり、ジャイロトロンの運転に欠かせない高圧電源の入・切制御を行うためのものである。これによりブレークダウン等の発生から数$$mu$$秒以内に高圧電源を遮断し、ジャイロトロンを保護することができる。また、ジャイロトロン、伝送系等の操作のために、マンマシンインターフェイス部分にタッチパネルを導入した。これにより、起動、停止やパラメータ入力等の運転操作が大幅に簡素化され、容易な運転を可能とした。

論文

Development of high efficiency and crowbar switchless dc power supply for 1MW CW CPD gyrotron

恒岡 まさき; 春日井 敦; 池田 幸治; 坂本 慶司; 今井 剛; 藤田 秀男*; 浅香 敏夫*; 上岡 伸好*; 安田 昌弘*; 飯山 俊光*; et al.

Int. J.Electronics, 86(2), p.233 - 243, 1999/00

 被引用回数:10 パーセンタイル:42.24(Engineering, Electrical & Electronic)

本論文は原研で開発したエネルギー回収型ジャイロトロン用主電源システムに関するものである。この電源容量は5MWで最大100KV,50Aの直流電源である。ジャイロトロン用電源では負荷であるジャイロトロンの異常発生時に10J以下の許容エネルギーで遮断しなくてはならない。従来はクローバスイッチを用いて電源を高速短絡して保護していたが、本電源には直流100KV,100A,360A遮断のIGBTスイッチを開発し採用した。また、ジャイロトロンは高速にビーム電源が立ち上がるため、直流電圧を制御する交流サイリスタスイッチの制御に状態フィードバック制御と負荷電流フィードフォワード制御を採用した。この電源はシリーズレギュレータ等の高ロス機器を採用せずに実現化された電源であり、効率も95%以上を確保している。

論文

High power operation of Gaussian beam gyrotron with CVD diamond window for JT-60U

春日井 敦; 高橋 幸司; 坂本 慶司; 假家 強*; 満仲 義加*; 池田 幸治; 池田 佳隆; 恒岡 まさき; 今井 剛

Proc. of 13th Topical Conf. on Applications of Radio Frequency Power to Plasmas, p.449 - 452, 1999/00

ITER R&Dで得られた技術をもとに、JT-60Uでの電子サイクロトロン加熱/電流駆動のための、周波数110GHz、ダイヤモンド窓搭載ガウシアンビーム出力ジャイロトロンを試作した。ダイヤモンド窓の優れた性質のため大電力で長パルスの動作が可能である。このジャイロトロンの目標値は、1MWで10秒の動作であるが、これまでにガウスビーム出力で1.1MW、0.1秒、効率40%(エネルギー回収時)の動作が得られた。ガウスビーム出力のため、HE11モードへの高い結合効率94%が得られ、さらに偏波器を含む8個のマイターベンドで構成された内径1.25インチ、距離40mの伝送系で、計算値とほぼ一致する89%の伝送効率を達成することができた。

論文

Development of high power gyrotron and transmission line for ECH/ECCD system

高橋 幸司; 坂本 慶司; 春日井 敦; 恒岡 まさき; 池田 幸治; 今井 剛; 假家 強*; 満仲 義加*

Fusion Technology 1998, 1, p.415 - 418, 1998/00

最近、高周波伝送時の誘電損失が従来の窓材と同レベル、あるいは最大1/10以下、高熱伝導率(1800W/m/K)のCVDダイアモンドで大口径ディスク製作が可能となり、そのダイアモンド(周辺水冷却)搭載の170GHz大電力ジャイロトロンを開発し実験を行い、0.52MW-6.2sec,0.45MW-8.0secの発振に成功した。また、0.52MW-6.2sec時の窓の中心温度は150$$^{circ}$$Cまで上昇したが、その上昇は飽和状態にあり、周辺冷却で除熱可能ということを実験的に確かめ、1MW、cwジャイロトロン開発に向け大きく進歩した。また、D-T炉用ECH/ECCDシステムでは、安全上、真空及びトリチウム隔壁が必要で、真空窓及びゲートバルブがその役目を担う。ITERでは0.5MPaの圧力上昇に耐え得る隔壁の設計が要求されており、そのデータベース蓄積を目的とした真空窓(黒ダイアディスク)の圧力破壊試験を行った。ディスク厚0.8mm、有効径71mmで破壊圧力0.474MPaという結果が得られた。実際の窓の厚さ、有効径はそれぞれ2mm、50mm程度であり、隔壁の設計条件を満たすことが期待できる。

論文

Development of 170GHz high power gyrotron and transmission line for ECH in JAERI

坂本 慶司; 春日井 敦; 恒岡 まさき; 池田 幸治; 今井 剛; 假家 強*; 林 健一*; 満仲 義加*; 平田 洋介*; 岡崎 行男*; et al.

Proc. of 17th IEEE/NPSS Symposium Fusion Engineering (SOFE'97), 1, p.441 - 444, 1998/00

ITER等の次期核融合装置において、プラズマの加熱や定常化に必要とされている電子サイクロトロン加熱・電流駆動(ECH/ECCD)の高周波発振源として、ITER/EDA,R&D Taskの元に170GHz,1MW,定常動作(cw)を目標としたジャイロトロン開発と伝送系の開発を行っている。特に、ジャイロトロン開発においては発振部における空洞共振器と高周波を取り出す真空窓の開発が需要で、そこでの熱負荷を抑制すべく高次モード(TE31,8)の発振特性の解明や窓における発熱の指標となる誘電損率(tan$$delta$$)の低いCVDダイアモンドでの真空窓開発が進行中である。それらの結果を基に、CVDダイアモンド窓を搭載した170GHz,1MWレベル、長パルスジャイロトロンを製作した。また、HE11モードを伝送させるコルゲート導波管や偏波変換をするコーナー導波管等のコンポーネントを用いて伝送系を組み、長距離伝送の実証や伝送モードの純度や伝送損失の測定を行って改良点をなどを見出し、今後の伝送系設計に役立てる。講演では、進行中の170GHzジャイロトロン開発を中心に発表する。

論文

Development of high power 170GHz gyrotron for ITER

坂本 慶司; 春日井 敦; 恒岡 まさき; 高橋 幸司; 池田 幸治; 今井 剛; 假家 強*; 林 健一*; 満仲 義加*; 平田 洋介*; et al.

22nd International Conference on Infrared and Millimeter Waves Conference Digest, p.106 - 107, 1997/00

原研におけるITER用170GHzジャイロトロンの開発の現状を報告する。このジャイロトロンは、ITER/EDAのR&D項目として開発を行っているもので、発振モードは1MW出力に対応したTE31,8体積モードを採用し、出力窓として耐熱衝撃に優れたチッ化珪素を採用している。これまでの実験で、0.4ミリの短パルス実験で出力750kW(効率22%)を得た後、エネルギー回収実験を行い500kW/36%/50ミリ秒また、470kW/40%/50ミリ秒を得た。さらに長パルス化運転を行い、出力175kWながら電源要領の限界である10秒出力を達成した。出力エネルギーとして、170GHzでは世界最高の1.75MJを得た。最大出力はウインドウの高周波損失による温度上昇で制限されており、今後1MW、長パルス運転を行うためにより低損失のウインドウ材料を用いて開発を行う予定である。

特許

中性子用ガラスシンチレータ

片桐 政樹

小島 孝広*; 今井 幸治*; 筒井 紀彰*

特願 H16-005483  公開特許公報  特許公報

【課題】リチウム6(6LI)及びホウ素10(10B)を中性子コンバータとして含有したガラスシンチレータで、CEドープ量が5%以下で良く蛍光を発する中性子用シンチレータを提供する。 【解決手段】リチウム6(6LI)を95%以上濃縮したリチウムと、ホウ素11(11B)を99%以上濃縮したしたホウ素(B)と、リン(P)から構成され、リチウム6(6LI)の構成比がモル%で45%であり、ホウ素(B)の構成比がモル%で20%であり、リン(P)の構成比がモル比で35%であるガラスにセリウム(CE)をモル%比で1%加えた中性子用ガラスシンチレータを作製した。発光波長は345NMであった。製作した中性子用シンチレータの中性子に対する波高スペクトルを測定し、ピークが電気的ノイズと十分分離できることを確認した。

特許

濃縮ボロンを用いた中性子用シンチレータ

片桐 政樹

小島 孝広*; 今井 幸治*; 筒井 紀彰*

特願 H16-005463  公開特許公報  特許公報

【課題】接着剤を用いず、ホウ酸(H3BO3)あるいは無水ホウ酸(B2O3)が適当な温度条件で溶融することを利用して接着し、粒子のエネルギーの損失無く蛍光体を蛍光させる中性子用シンチレータを提供する。 【解決手段】ホウ素10(10B)を96%含有したホウ素を原料としたホウ酸(H3BO3)に、ZNS:AGを重量%で30%混合し、650℃の温度で電気炉内で溶融し、24時間溶かして混合した状態を維持し、室温に温度を下げる。製作した中性子用シンチレータは熱中性子に対して42.6%の検出効率を持つ。

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