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論文

Development of a high power diplexer with short-slotted metal half mirrors for electron cyclotron current drive

三枝 幹雄*; 渥美 幸平*; 山口 智輝*; 小田 靖久; 坂本 慶司

Fusion Engineering and Design, 88(6-8), p.964 - 969, 2013/10

 被引用回数:2 パーセンタイル:18.71(Nuclear Science & Technology)

A neoclassical tearing mode (NTM) which is a resistive MHD instability driven by plasma pressure gradient in tokamak plasma is one of the key issues giving the upper limitation of plasma performance. It can be controlled by the local current drive in a magnetic island with electron cyclotron current drive (ECCD). Up to now, ECCD with pulse modulated gyrotron operation at duty of 50% have been done to drive current into only O-point. For improving a stabilizing efficiency of NTM, the fast directional switch had been developed. It makes the duty of ECCD system to 100% by switching beam direction for tracking the rotating O-point of a magnetic island of NTM. The new type diplexer as a fast switching device of high power millimeter wave was proposed and had been simulated with finite difference time domain (FDTD) method. A proposed diplexer consists of a ring corrugated circular waveguide, a pair of mitre-bends, and a pair of half mirrors. The low power switching operation of the mock-up diplexer with long-slotted metal half mirrors at the two frequency bands (137 GHz and 170 GHz) was veried. In this paper, the low power test results of the diplexer with new short-slotted metal half mirrors at a frequency band of 170 GHz is reported.

論文

Numerical estimation of Ohmic loss of high power wideband diplexer for ECCD system

渥美 幸平*; 山口 智輝*; 長嶋 浩司*; 三枝 幹雄*; 福成 雅史*; 小田 靖久; 坂本 慶司

Plasma and Fusion Research (Internet), 8(Sp.1), p.2405077_1 - 2405077_4, 2013/06

A diplexer for high power millimeter wave has been developed as a fast switching device in ECCD system for improving a stabilizing efficiency of neoclassical tearing modes. The switching operation of diplexer was confirmed with the FDTD code developed in our laboratory and low power tests using a mock-up diplexer. The cooling design of half mirror will be a key issue of this development, so that the Ohmic loss of a miter bend and a half mirror of the ring resonator was estimated by the numerical simulations.

口頭

電子サイクロトロン電流駆動用ミリ波帯広帯域高速スイッチの開発研究

渥美 幸平*; 菅原 修平*; 山口 智輝*; 三枝 幹雄*; 小田 靖久; 高橋 幸司; 梶原 健; 坂本 慶司

no journal, , 

トカマク型核融合炉ではプラズマ閉じ込めを劣化させる新古典ティアリングモードが発生するが、その安定化には電子サイクロトロン電流駆動方式による磁気島のO点への局所的な電流駆動が有効である。従来は、X点を避けてO点に電流駆動するため、ジャイロトロンの電源をON/OFFさせデューティ50%で行ってきたが、ジャイロトロンの電源をONにしたままビーム経路を高速に切り替えることができれば、ジャイロトロンの出力を100%電流駆動に生かすことが可能になる。本研究では、ジャイロトロンの高速周波数変調による大電力ミリ波帯の広帯域高速スイッチであるリング共振器型高速スイッチを提案し、FDTD法を用いた電磁界解析を行い、短パルスモデルの設計・製作を行った。

口頭

Proposal of new type diplexer for ECCD system

三枝 幹雄*; 菅原 修平*; 渥美 幸平*; 小田 靖久; 山口 智輝*; 坂本 慶司

no journal, , 

Neoclassical tearing modes (NTM) can be controlled by the local current drive in a magnetic island with electron cyclotron current drive (ECCD). For improving a stabilizing efficiency of NTM, the fast directional switch (FADIS) had been developed. In this paper, the new type diplexer as a fast switching device of high power millimetre wave is proposed for ECCD system in fusion devices. The principle is a ring resonator of oversized corrugated circular waveguide. The two half mirrors (dielectric disks or slotted antennae) are integrated in a ring resonator. The switching operation of a diplexer has been simulated with the code using finite differential time domain (FDTD) method. The switching operation of the diplexer by frequency shifting has been confirmed in the cases of dielectric disks or slotted antennae, where the loss caused by mode conversion and misalignment in a resonant ring are considered. A diplexer for 1 MW short pulse at a frequency of 170 GHz is designed and fabricated.

口頭

Development of high power wideband diplexer for ECCD system in fusion devise

菅原 修平*; 渥美 幸平*; 山口 智輝*; 三枝 幹雄*; 小田 靖久; 高橋 幸司; 梶原 健; 坂本 慶司

no journal, , 

In this paper, new type diplexer as a high power millimeter wave fast switching device is proposed for ECCD system. A new type diplexer as a high power millimeter wave fast switching device is proposed for ECCD system. After the simulations by FDTD code, the diplexer was designed. Low power mock up has been tested at wide frequency bands of 140 GHz and 170 GHz. Wide band switching operation of a diplexer has been recognized.

口頭

大電力ミリ波帯導波管リング型ダイプレクサーにおける不要高次モードに関する研究

小田 靖久; 菅原 修平*; 渥美 幸平*; 山口 智輝*; 三枝 幹雄*; 坂本 慶司

no journal, , 

リング共振器型ダイプレクサーは、電子サイクロトロン加熱で使用される大電力ミリ波ビームの出力周波数を周波数変調させることで、高速での出力方向の切り替えを実現するものであり、効率的なプラズマ加熱に必要な技術である。本研究では、導波管リングで構成される共振器構造をもったダイプレクサーの出力特性の計測を行い、特に出力ビームに含まれる不要高次モード成分の影響についての評価を行った。実験では、10mW出力低電力発振源と高感度検波システムを用いて、170.1GHzから170.3GHzの出力ビームの分布を計測し、基本伝播モード純度と不要高次モード成分を算出した。その結果、周波数が高くなるにつれ基本伝播モード純度が低下し、不要高次モード成分が増大することが確認されたが、モード純度は93%以上を確保することができた。

口頭

Numerical estimation of Ohmic loss of high power wideband diplexer for ECCD system

渥美 幸平*; 山口 智輝*; 長嶋 浩司*; 三枝 幹雄*; 福成 雅史*; 小田 靖久; 坂本 慶司

no journal, , 

The high power wide band diplexer was designed and fabricated as a fast switching device for ECCD system. The switching operation was confirmed by numerical simulations and by low power tests. The new type short slotted metal plates were adopted as half mirrors in a diplexer. The high order diffractions were observed because of the periodical slot structure in a lengthwise direction. Non-periodical short slotted metal half mirrors will be tested in near future.

口頭

Development of high power wide band switch for ECCD system

三枝 幹雄*; 渥美 幸平*; 山口 智輝*; 長嶋 浩司*; 福成 雅史*; 小田 靖久; 坂本 慶司

no journal, , 

A new type wideband diplexer as a fast switching device of high power millimeter wave has been developed for a multi-frequency electron cyclotron current drive system. The key points are design and material of half mirrors, so that sapphire disks and long slotted metal disks have been tested. The wideband (137 and 170 GHz) switching operation of the diplexer was verified using long slotted half mirrors in low power. However, long slotted mirror has poor thermal conduction, so that the short-slotted half mirror was proposed. In this presentation, the latest results of the development of wide band diplexer with new non-periodical short-slotted half mirrors is reported.

口頭

電子サイクロトロン電流駆動用ミリ波帯広帯域高速スイッチの開発研究

山口 智輝*; 渥美 幸平*; 長嶋 浩司*; 三枝 幹雄*; 小田 靖久; 福成 雅史*; 坂本 慶司

no journal, , 

本研究では、電子サイクロトロン加熱電流駆動システムに必要となる高速スイッチの開発、特に数値解析,実験により、そのキーコンポーネントである全金属ハーフミラーの最適化を行った。数値解析より、金属の割合で反射率を変えることができ、スロットの非周期構造で高次回折波を抑制できることがわかった。また、解析に基づいた実験により反射率を上げることで高速スイッチの共振のQ値を高め、非周期スロットで高次回折波の抑制に成功した。

口頭

大電力ジャイロトロンを用いたミリ波帯導波管リング型ダイプレクサー出力における不要モードに関する研究

小田 靖久; 渥美 幸平*; 山口 智輝*; 長嶋 浩司*; 三枝 幹雄*; 福成 雅史*; 坂本 慶司

no journal, , 

核融合プラズマの閉じ込め改善において、NTM制御のため磁気島中心に局所的な電子サイクロトロン電流駆動が求められる。リング共振器型ダイプレクサーは、高速での出力方向の切り替えを実現するものであり、効率的な電流駆動によるNTMの抑制を実現することができると考えられる。本研究では、導波管リングで構成される共振器構造をもったダイプレクサーの出力ビームに含まれる不要高次モード成分の影響についての評価を行った。実験では、サファイアディスクをハーフミラーに用いたダイプレクサーについて、出力ビームに含まれる基本伝播モード(HE$$_{11}$$)純度と高次モード成分を算出した。その結果、共振周波数での運転時、共振時出力ポート(P4)において、HE$$_{11}$$成分が98$$%$$程度まで向上したことが確認、本ダイプレクサーがモードフィルタとして動作することを確認した。次に、170GHz大電力ジャイロトロンを用いて、非周期スロットミラーを使用したダイプレクサーの大電力実験では、入力ビームのHE$$_{11}$$成分が86$$%$$だったのに対してP4出力は90$$%$$以上が得られ、低電力試験と同様にモードフィルタの効果が確認できた。

口頭

大電力ミリ波帯高速スイッチの高周波設計研究

長嶋 浩司*; 山口 智輝*; 滝井 啓太*; 関口 賢治*; 三枝 幹雄*; 小田 靖久; 福成 雅史*; 坂本 慶司

no journal, , 

大電力ミリ波帯高速スイッチの高周波特性について電磁界解析コードXFdtdにより数値シミュレーションを行った。その結果、共振器長を長くすれば、20MHz程度の周波数変調でスイッチが切り替わることが確認された。また、位相補正鏡の検討を行い、モード純度が切り替え特性に与える影響について評価を行った。以上を総合し、高周波特性の最適設計を行った。

口頭

大電力ミリ波帯高速スイッチの数値計算による損失評価

滝井 啓太*; 山口 智輝*; 長嶋 浩司*; 関口 賢治*; 三枝 幹雄*; 小田 靖久; 福成 雅史*; 坂本 慶司

no journal, , 

大電力ミリ波帯高速スイッチの損失評価をFDTD法に基づく電磁界解析コードを開発して行い、特に発熱が大きいハーフミラーに関して熱応力解析を行った。

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