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小田 靖久*; 小紫 公也*; 高橋 幸司; 春日井 敦; 今井 剛*; 坂本 慶司
電気学会論文誌,A, 126(8), p.807 - 812, 2006/08
周波数170GHz,MW級出力ジャイロトロンを用いたマイクロ波プラズマ生成実験とマイクロ波推力に関する研究を行っている。パラボラ型推進器モデルにマイクロ波を入射すると、収束点においてプラズマが生成され、そのプラズマは追随するマイクロ波エネルギーを吸収しながら伝搬していく。その伝搬速度は、マイクロ波エネルギー密度が75kW/cm
以上になると音速程度になることや、運動量結合係数(マイクロ波エネルギーの推力への変換係数)が、プラズマの伝搬速度が音速に近くなるにつれて増加していくことを明らかにした。これは、音速程度のプラズマ伝搬が衝撃波を作り出している可能性を示唆している。
坂本 慶司; 高橋 幸司; 春日井 敦; 南 龍太郎; 小林 則幸*; 西尾 敏; 佐藤 正泰; 飛田 健次
Fusion Engineering and Design, 81(8-14), p.1263 - 1270, 2006/02
被引用回数：6 パーセンタイル：36.38(Nuclear Science & Technology)本論文は、炉システム研究室が提示した発電実証炉の仕様をベースに、DEMO炉の電子サイクロトロン共鳴加熱(ECH/ECCD)システムを検討したものである。具体的には、発電実証炉のトロイダル磁場から、周波数の第一候補を300GHzとし、これに対応する超高次モード(TE31, 20)を用いた300GHz帯エネルギー回収型ジャイロトロンの設計,300GHz帯ダイヤモンド窓,伝送系,遠隔ミラー制御型結合系の概念設計を行った。併せて、必要な技術開発の方向を明らかにした。
小田 靖久*; 牛尾 正人*; 小紫 公也*; 高橋 幸司; 春日井 敦; 坂本 慶司
AIP Conference Proceedings 766, p.297 - 302, 2005/04
マルチパルスによるマイクロ波ビーミング推進実験が大電力ミリ波発振器ジャイロトロンを用いて行われた。さまざまな直径と角度の円錐型推進器モデルを用いて飛行実験が行われ、第1パルスと第2パルスの運動量結合係数が、レーザー距離計を用いた飛行軌跡の計測から評価された。その結果、運動量結合係数は第2パルスの方が小さくなり、第1パルスと第2パルスの運動量結合係数の比は、パルス間隔と推進器のサイズに大きく依存することが確かめられた。60Hzのパルス間隔では、推進器サイズが小さいモデルのとき第1パルスと第2パルスの運動量結合係数はほぼ同じになり、モデルサイズが大きくなると第2パルスの運動量結合係数は減少した。また100Hzの場合では、小さい推進器モデルでも第2パルスの運動量結合係数は減少することが確認された。
坂本 慶司; 春日井 敦; 南 龍太郎; 高橋 幸司; 小林 則幸*
Journal of Physics; Conference Series, 25, p.8 - 12, 2005/00
日本原子力研究所で行っているITER用170GHzジャイロトロン開発の最新結果を報告する。これまで、0.5MWで100秒の発振に成功したが、時間とともにビーム電流が低下する、ジャイロトロン内にもれRFが多いなどの問題が確認された。前者は、電流引出しによるヒーターの温度低下が原因であり、この対策として、ヒーターの入力を時間的にプレプログラム制御する手法を導入し電流の一定化を行った。また、後者には放射器の内面形状を、回折損失が最小となるよう数値計算にて最適化し、従来の損失を1/5に低減する設計に成功した。ビーム電流出力実験において、約1.6MWの電子ビームを1000秒間安定に制御できることを実証した。今後、実際のRFを出力させ、長時間発振を行う。
春日井 敦; 南 龍太郎; 高橋 幸司; 小林 則幸*; 假家 強*; 満仲 義加*; 林 健一*; 坂本 慶司
信学技報, 104(520), p.37 - 42, 2004/12
日本原子力研究所では核融合に必要な電子サイクロトロン加熱/電流駆動のための大電力ミリ波発振管ジャイロトロンの開発に取り組んでいる。日本,EU等6極が共同で建設を計画している国際熱核融合実験炉ITER用170GHzジャイロトロンにおいては、0.9MW/9秒,0.75MW/17秒,0.5MW/30秒等の成果を数年前に達成したものの、発振管内部の局所的な発熱とそれに起因するアウトガスがパルス幅を制限した。局所的な発熱部分の同定と冷却の強化等の対策により0.5MW/100秒の準定常動作を達成し、連続動作化の見通しを得るとともに、さらに安定した発振と連続動作化のための課題を明らかにした。
小田 靖久*; 小紫 公也*; 高橋 幸司; 春日井 敦; 坂本 慶司
電気学会研究会資料,原子力研究会(NE-04-11
15), p.19 - 22, 2004/09
日本原子力研究所と東京大学は、核融合プラズマ加熱用に開発された1MWクラスの大電力ジャイロトロンから発生する大電力マイクロ波を、ロケットのビーミング推進に適用する協力研究を行っている。推進器としてパラボラ型の反射鏡を用いることにより大電力マイクロ波ビームはフォーカスされ気中放電によるプラズマを生成すると同時に、衝撃波を発生させる。その衝撃波により推進器(ロケット)は推進力を得る。実験において測定された運動量結合係数は、最短のパルス幅であった100マイクロ秒において最も高くなり、400N/MWを記録した。この値はこれまでのレーザー推進器の性能に比肩する性能であり、19gのロケット型推進器を2m打ち上げることに成功した。
南 龍太郎; 小林 則幸*; 坂本 慶司; 春日井 敦; 高橋 幸司; 今井 剛
JAERI-Research 2004-006, 17 Pages, 2004/03
JAERI-Research-2004-006.pdf:1.37MB
ITER用大電力ジャイロトロンの秒レベルの長パルス運転時には、5A/sの電子ビーム電流の減少が生じ、正常な発振条件のミスマッチに起因する発振モードの移行のため、パルス幅が制限された。この電流減少の物理機構について検討し、その改善のための方法について報告する。電子ビーム電流の定量的な評価は、電子銃部陰極における熱移動のモデルを考え、パワーバランス方程式を解くことにより行い、このモデルが、実験結果をよく説明できることを明らかにした。また、ジャイロトロンの安定高性能な運転を維持するために、ショット中に電子銃部のヒーター電圧を上げ、電子ビーム電流を補償する実験を行った。これにより、電子ビーム電流の減少が抑制され、連続運転に向けた発振の安定化への見通しが得られた。
梶原 健; 池田 佳隆; 坂本 慶司; 春日井 敦; 関 正美; 森山 伸一; 高橋 幸司; 今井 剛; 満仲 義加*; 藤井 常幸
Fusion Engineering and Design, 65(4), p.493 - 499, 2003/07
被引用回数：11 パーセンタイル：33.33(Nuclear Science & Technology)JT-60の電子サイクロトロン(ECRF)加熱装置において、110GHzジャイロトロンの1.2MW
4秒大電力運転を実現した。この加熱装置では、ジャイロトロンを発振させるために電圧一定制御の無い主電源と電圧制御を有する加速電源を組合せている。ジャイロトロンの特徴はダイヤモンド出力窓と寄生発振抑制用の高周波吸収体を内蔵していることであり、JT-60プラズマを負荷として運転を行った。ジャイロトロンの動作条件の最適化等により、従来の高周波吸収体を内蔵しないジャイロトロンでの最大値1MW2秒を大幅に越え、世界最高レベルの発振に成功した。また長パルス運転においては、ジャイロトロンのビーム電流が減少するものの、発振中は出力減少がなく、その間、発振効率が上昇することを明らかとした。今後、プラズマを用いた運転パラメータの最適化により、さらなる進展が期待できる。
寺門 正之; 下野 貢; 五十嵐 浩一*; 高橋 正己*; 石井 和宏*; 関 正美
平成14年度東京大学総合技術研究会技術報告集, 3 Pages, 2003/03
JT-60電子サイクロトロン加熱(ECH)装置は、周波数110GHz,出力約1MWの大電力電子管(ジャイロトロン)を使用した発振器を4系統有している。ECH装置は、局所的な加熱・電流駆動によるプラズマの安定性改善や予備電離の実験に使用されている。現在使用しているジャイロトロンは3電極を持ち、ビーム加速電源から分圧されたアノード電圧を変調することで、その発振パワーを可変できる。すなわち、アノード電圧を分圧するために使用しているツェナーダイオードの数を制御することによって、数十数百Hzで変調制御できるようにした。これにより、ジャイロトロンの出力を変調できる運転を実現した。
平田 洋介*; 満仲 義加*; 林 健一*; 伊藤 保之*; 坂本 慶司; 今井 剛
IEEE Transactions on Plasma Science, 31(1), p.142 - 145, 2003/02
被引用回数：11 パーセンタイル：34.28(Physics, Fluids & Plasmas)ジャイロトロン内蔵用準光学型モード変換器の計算に関する論文である。大電力ジャイロトロンでは、発振電力を、発振モードからガウス型電磁ビームに変換して、出力窓より放射させるが、しばしば電磁波放射器内で不要RFの発振が発生し、局所的な温度上昇が観測された。これを解決するため、モード変換器をテーパー型にして電磁波の蓄積を防ぐことが考えられる。本論文では、テーパー形状をしたモード変換機構を有する放射器の計算を、伝播定数の変化を取り入れたモード展開法を用いて行ったものである。
小田 靖久*; 中川 樹生*; 松井 信*; 小紫 公也*; 高橋 幸司; 坂本 慶司; 今井 剛
第47回宇宙科学技術連合講演会講演集 (CD-ROM), p.1067 - 1069, 2003/00
近年、低コスト打ち上げシステムへの要求がますます高まっており、外部からエネルギーを供給するビーミング推進機はその有力な候補の一つである。中でもパルスビームにより大気をプラズマ化し、生じた衝撃波により推力を得る大気吸込型パルスビーミング推進は盛んに研究されている。本研究ではパルスビーム源として100GHz帯1MW出力ジャイロトロンから出力されるマイクロ波を用い、アルミ製パラボラ型模型機の飛行試験を行い、初速度,最高到達高度から力積及び運動量結合係数(Cm値)を求めた。その結果、マイクロ波パワー及びパルス幅がそれぞれ730kW, 0.1msecのときCm値は440N/MWとなり、これまでに報告されているパラボラ集光型レーザー推進機の250N/MWを超えている。
松井 信*; 三原 与周*; 中川 樹生*; 森 浩一*; 小紫 公也*; 高橋 幸司; 坂本 慶司; 今井 剛
宇宙輸送シンポジウム(平成14年度)講演集, p.300 - 303, 2003/00
100GHz帯1MW級マイクロ波を用いたパルス型マイクロ波推進機の運動量結合係数Cmをロードセル測定、及びフライト試験により測定した。ロードセル測定,フライト試験ではそれぞれ最大でCm=28, 130N/MWが得られた。この違いはプラズマ着火過程,周波数の違いによるものだと考えられ、パルス幅,推進機形状を改良することでさらに高いCmが得られると考えられる。
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0.9MW9秒,0.75MW17秒,0.5MW30秒,0.3MW60秒,0.2MW133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1.2MW4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、3MW2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。
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：26 パーセンタイル：82.31(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。
下野 貢; 関 正美; 寺門 正之; 五十嵐 浩一*; 石井 和宏*; 梶原 健; 安納 勝人
NIFS-MEMO-36, p.382 - 385, 2002/06
臨界プラズマ試験装置(JT-60)では、局所的な加熱・電流駆動によるプラズマの安定性改善や予備電離の実験を行うため、平成10年度から電子サイクロトロン加熱装置(ECH)を導入してきた。JT-60 ECHは、周波数110GHzで高周波出力1MWの発振管(ジャイロトロン)を4本持ち、内径31.75mmのコルゲート導波管約60mにて高周波電力を伝送して、入射角度を変えられるミラー型のアンテナ(2基)からJT-60 プラズマへ入射するシステムである。電源の最適化やジャイロトロンの改良、伝送系の敷設精度の改善を実施して、2.8MW-3.6s(-10MJ)の世界最高レベルの入射を実現できた。本研究会では、ECHの運転おいて発生した問題(ノイズよる誤動作等)とその対策、ジャイロトロン寄生発振の抑制による長パルス時のビーム電流安定化と準定常運転化、さらに、モニター系の充実によって運転の省力化を試みたことなどを述べる。また、今後の課題についても報告する。
関 正美; 森山 伸一; 梶原 健; 池田 佳隆; 坂本 慶司; 今井 剛; 藤井 常幸
Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.5, p.337 - 341, 2002/00
JT-60U用ECRFシステムは、プラズマ加熱や電流駆動を目的として、大電力の高周波(110GHz)を入射する装置である。大電力の高周波は、主電源の安定性が1%程度でも、エネルギー回収型のジャイロトロンにより効率良く発振できていた。しかし、1MW以上の大電力の発振のために、加速電圧を高くすると過渡的に高くなったボディー電圧により加速電源での過電流が発生し運転の障害となっていた。そこで、加速電圧の立ち上がり速度を10から50msへ最適化することにより、安定な発振を得た。1MWの発振を2秒程度に伸ばす場合には、寄生発振によるビーム電流の急激な増加が問題であった。寄生発振対策として、RF吸収体をジャイロトロン内部に取付ける改良を行い、1.1MW-3.2秒の発振に成功した。アンテナへと導く伝送系は、約60mの円形導波管からなり伝送効率は約60%と低かったが、導波管の敷設を精度良く再度実施することで、80%の高い伝送効率を達成できた。これらの成果により、2.8MWの大電力入射による負磁気シアプラズマの加熱を実施し、約13keVの高電子温度の発生に成功した。
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：28 パーセンタイル：71.93(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。
今井 剛; 小林 則幸*; Temkin, R.*; Thumm, M.*; Tran, M. Q.*; Alikaev, V.*
Fusion Engineering and Design, 55(2-3), p.281 - 289, 2001/07
被引用回数：52 パーセンタイル：94.92(Nuclear Science & Technology)ITERの加熱電流駆動装置の主要候補の一つである電子サイクロトロン加熱・電流駆動装置の実現に不可欠な170GHzの1MWジャイロトロンと真空窓の開発に関して、ITER・EDA期間中に得られた、4極(日本,EU,ロシア,米国)の開発成果をまとめたものである。EDA前には、困難と考えられていた性能を、エネルギー回収技術や人工ダイヤモンド窓技術等の開発により、EC加熱電流駆動装置に必要な1MW,連続の170GHzの発振・伝送技術を可能にした。
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：74.85(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。
諫山 明彦; 池田 佳隆; 井出 俊之; 鈴木 隆博; 森山 伸一; 高橋 幸司; 梶原 健; 及川 聡洋; 濱松 清隆; 鎌田 裕; et al.
AIP Conference Proceedings 595, p.267 - 274, 2001/00
JT-60Uでは1999年よりECRF実験を開始し2000年には入射装置を3ユニットに増強した。各ユニットは、CPDジャイロトロン,計2枚のダイアモンド窓,可動鏡,偏波偏光器,コルゲート導波管等から構成されている。入射パワー・入射時間とも着実に進展し2000年には3ユニットから3秒間入射することに成功した。このECRF装置を用いて次の結果が得られた。(1)新古典テアリング不安定性の完全な抑制に成功した。最適な入射角は放電中の可動鏡スキャンにより決定した。また、実時間で不安定性を検出しEC波を入射する制御システムを構築して安定化実験も行った。(2)EC波による駆動電流分布を実験的に評価し計算コードの結果とよく一致することを示した。(3)EC波の入射方向や入射位置を変えることにより鋸歯状振動が制御できることを示した。
