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論文

A development of 1 kHz, 50A, 100 kV IGBT switch with 420A breaking current capacity

恒岡 まさき; 今井 剛; 中山 伸好*; 飯山 俊光*

電気学会論文誌,D, 123-D(2), p.170 - 171, 2003/02

本レターは核融合用ジャイロトロンの出力を変調運転するために、-100kV電源の電流をスイッチングすることのできる直流遮断器に関するものである。また、スイッチングによる変調と同時にジャイロトロンの管内アーク発生時に、10Joule以下の許容エネルギーで負荷であるジャイロトロンを保護できる能力を併せ持つものである。ここでは100素子のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)素子を直列にして直流-100kV,60Aの遮断器を構成した。さらに実験結果として短絡遮断器試験の結果及び500KJouleのダミー抵抗器を用いてduty1%で1kHzのスイッチング試験を10秒間実施し、遮断器に異常がなかったことを報告した。

論文

Development of gyrotron and JT-60U EC heating system for fusion reactor

坂本 慶司; 春日井 敦; 池田 佳隆; 林 健一*; 高橋 幸司; 梶原 健; 森山 伸一; 関 正美; 假家 強*; 満仲 義加*; et al.

Proceedings of 19th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2002) (CD-ROM), 5 Pages, 2002/10

ITERで要求される周波数170GHzにおいて、準連続運転となる0.9MW$$times$$9秒,0.75MW$$times$$17秒,0.5MW$$times$$30秒,0.3MW$$times$$60秒,0.2MW$$times$$133秒等を達成し、連続出力ジャイロトロン開発に大きな見通しを得た。(パルス幅は内部の冷却強化によりさらに延長可能である。)JT-60U用110GHzジャイロトロンで1.2MW$$times$$4秒の出力を得た。ジャイロトロン4本からなるECRHシステムを建設し、3MW$$times$$2秒のプラズマ入射に成功し、JT-60Uでの電子温度26keVの達成に貢献した。これら、EC技術のKey要素(ジャイロトロン)とシステム統合の双方で大きな進展を示し、ミリ波帯のECシステムの核融合炉への適用に大きな見通しを与えた。

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:22 パーセンタイル:16.72(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

高周波ノイズ減衰用接地線の基礎実験

岡田 健一*; 恒岡 まさき; 村野 佳大*; 大川 慶直

電気設備学会誌, 22(2), p.151 - 158, 2002/02

従来、電気器の接地は人身に対する保安を中心に設計されてきた。しかし、高周波化が進んだ電力機器が誘電ノイズを増加させる一方、電子機器は高周波化,低電圧化及び微細化が進んでノイズに対するイミュニテイが低下する傾向にある。このような背景の中で接地線が介在する導電ノイズの伝搬・並列共振・放射問題を考える必要が次第に増してきて電気・電子機器の誤動作,破損を起こすケースが出てきた。本論文は商用周波数帯のインピーダンスに影響することなく、先の高周波の導電ノイズを減衰させる高域減衰器のついた接地線の提唱を行うとともに、基本的モデル実験を行った結果について述べたものである。

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:23 パーセンタイル:30.74(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:16 パーセンタイル:22.12

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:33 パーセンタイル:7.93

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

非共振形DC-DCコンバータ用高周波昇圧変圧器の開発

恒岡 まさき; 浅香 敏夫*; 中山 伸好*; 飯山 俊光*

電気学会論文誌,D, 119(11), p.1424 - 1425, 1999/11

非共振形DC-DCコンバータを用いた低圧-特別高圧変換直流電源は特高側の蓄積エネルギーを最小化でき、かつ高効率のため高速遮断性能を持つ大容量電源に適している。筆者等は核融合炉用電子サイクロトロン共鳴加熱のジャイロトロン加速電源にこの方式を採用してきた。この方式の課題点に昇圧変圧器の寄生共振対策がある。これは変圧器の漏れインダクタンスと巻線容量とで形成されるものである。特に巻線容量を抑える対策が必要となる。そこで、筆者等はこの巻線の低容量化のため、2次巻線を多ブロック化し、巻線に蓄積する静電エネルギーを小さくする方法を用いた。これにより従来行われてきたレイヤー巻に対し、およそ100分の1の静電容量にすることに成功した。また、共振周波数も10kHz~200kHzにし、キャリア周波数5kHzに対してシフトした変圧器とする方法を確立した。

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

Recent RF activities on JT-60U

池田 佳隆; 藤田 隆明; 濱松 清隆; 井手 俊介; 今井 剛; 諫山 明彦; 岩瀬 誠; 春日井 敦; 近藤 貴; 草間 義紀; et al.

AIP Conference Proceedings 485, p.279 - 287, 1999/09

最近のJT-60Uにおける高周波実験の成果を報告する。低域混成波(LHCD)では、閉じ込めの良い負磁気シア配位を、4.7秒定常的に保持することに成功した。またLHCD単独による中心電子温度11keVを越える高温プラズマ加熱を確認した。イオンサイクロトロン波(ICRF)では、負磁気シア配位での、ICRFによる高速イオンの閉じ込め減少の原因を明らかにするとともに、粒子補給の少ない状態での負磁気シア特性を調べた。電子サイクロトロン波(ECH)では、大型トカマクとして初めて、入射に成功するとともに、局所加熱制御及び中心加熱において、5.5keVの高温プラズマ加熱に成功した。

論文

High power 170 GHz gyrotron with synthetic diamond window

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

Review of Scientific Instruments, 70(1), p.208 - 212, 1999/01

 被引用回数:64 パーセンタイル:4.81(Instruments & Instrumentation)

大型の人工ダイヤモンドを用いたジャイロトロン用大電力電磁波出力窓を開発し、170GHzジャイロトロンへの搭載に成功した。人工ダイヤモンドは、熱伝導が1800W/mK以上と非常に大きく(銅の約5倍)、電磁波の吸収係数も従来材料に比べ低い。このため、従来、出力窓の急激な温度上昇により制限されていたジャイロトロン出力の大幅な向上が期待できる。ここで用いた出力窓の口径は83mm、厚みは2.23mmである。除熱構造は、熱伝導が高いため、周辺を水で冷却する方式とし、従来除熱のため窓を2枚用いて間に冷却材を流していたいわゆる表面冷却構造に比べ、大幅に簡素化され、信頼性が向上した。この窓を用いたことにより、ジャイロトロン出力として520kWで6.2秒、450kWで8秒を得、窓温度の上昇も約5秒で安定化した。これは、170GHzジャイロトロンの長パルス動作の限界であった出力170kWを大幅に上回るものであり、同時に出力エネルギーの世界記録を更新するものである。また、実験では500kWで1秒以上の動作1300回、累積出力エネルギー1.3GJを行い、出力窓及びジャイロトロンともに問題は生じなかった。

論文

The JA home team design of the ITER ECRF power supply system

恒岡 まさき; 今井 剛; E.Bowles*; I.Benfatto*; 吉田 利夫*; 石橋 正幸*

Fusion Engineering and Design, 45(2), p.197 - 207, 1999/00

 被引用回数:1 パーセンタイル:85.45

本論文はITERの工学設計の設計タスクで行われたITER ECRF用電源システム設計において日本チームの検討をもとに述べたものである。本システムは68MWの総容量のジャイロトロンを駆動する電源である。システムは55MVAの66kVライン4線で受電し、1ラインに4ユニットのECRF電源へ給電する。1ユニット分の電源はエネルギー回収ジャイロトロン4基を駆動し、原研ですでに開発した実績のあるIGBTスイッチを保護装置として、加速電源にDC-DCコンバータ電源を採用した設計とした。主電源にはサイリスタ交流電力調整装置を採用し、急峻な負荷変動に対する電圧安定化制御を行う。本論文ではジャイロトロン保護のための許容エネルギー条件を満たすための設計と主電源の電圧安定化制御法の設計を述べ各機器のレイアウトについて述べた。

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:9 パーセンタイル:43.09(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

Chemical vapor deposition diamond window for high-power and long pulse millimeter wave transmission

春日井 敦; 坂本 慶司; 恒岡 まさき; 假家 強*; 今井 剛; Braz, O.*; Thumm, M.*; J.R.Brandon*; R.S.Sussman*; A.Beale*; et al.

Review of Scientific Instruments, 69(5), p.2160 - 2165, 1998/05

 被引用回数:59 パーセンタイル:4.82(Instruments & Instrumentation)

ITER工学R&Dのもとにドイツのカールスルーエ中央物理研究所と共同で、化学気相成長法による大口径ダイヤモンドディスクの大電力高周波実験を、原研のジャイロトロン試験装置を用いて行った。ダイヤモンドは低い高周波損失係数(0.5~2$$times$$10$$^{-4}$$)、非常に高い熱伝導率(常温において銅の約5倍)を持つので、水による周辺冷却が可能であり、ジャイロトロンなどの大電力高周波窓として最適である。実験では170GHz、110kW、10秒の高周波を、周辺と水冷却した直径96mm、厚さ2.23mmのダイヤモンド窓に入射し、中心部の温度上昇が約40Kで安定することが確認でき、計算結果とよい一致を示した。この結果からダイヤモンド窓はITER用で用いる1MWの大電力高周波窓として有望であることが確かめられた。

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