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論文

Numerical study of plasma generation process and internal antenna heat loadings in J-PARC RF negative ion source

柴田 崇統*; 西田 健治朗*; 望月 慎太郎*; Mattei, S.*; Lettry, J.*; 畑山 明聖*; 上野 彰; 小栗 英知; 大越 清紀; 池上 清*; et al.

Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02B128_1 - 02B128_3, 2016/02

BB2015-1473.pdf:4.28MB

 被引用回数:3 パーセンタイル:61.24(Instruments & Instrumentation)

J-PARC高周波(RF)イオン源のアンテナコイル熱負荷とプラズマ熱流束の関係を明らかにするため、プラズマ輸送過程と電磁場分布を同時に解析する数値シミュレーションモデルを構築した。シミュレーションから、ロッドフィルターおよびカスプ磁石により、アンテナコイル近傍で、磁束密度の絶対値が30-120Gaussの値を取る領域が生じる。このような磁場中では、イオン源内の電子が磁化されるため、コイル近傍で電子密度増加が起こる。すると、水素分子・原子のイオン化が促進されるため、局在的にプラズマ密度が増加する。このとき、アンテナ電位が負の値を取ると、イオン化で生じた水素の正イオンがアンテナに向かって加速され、アンテナの特定部位に熱負荷が集中する結果が得られた。これより、フィルター、およびカスプ磁石の配置変更により、コイル近傍の磁場構造を改変することで、熱負荷が低減されることが指摘された。

報告書

JT-60U LHRF加熱装置のアンテナ先端部の損傷対策

石井 和宏*; 関 正美; 下野 貢; 寺門 正之; 五十嵐 浩一*; 高橋 正己*

JAERI-Tech 2003-079, 22 Pages, 2003/10

JAERI-Tech-2003-079.pdf:3.01MB

JT-60Uでは、定常化運転を目指した開発研究の一つとして、低域混成波帯(LHRF)の高周波を用いた電流駆動の研究を行っている。その研究において、装置技術的課題は、LHRF加熱装置の重要な機器である大電力LHRFアンテナの開発である。LHRFアンテナは、効率的に高周波をプラズマに入射するために、プラズマから近い位置に置かれている。そのためLHRFアンテナは常にプラズマからの熱にさらされ、また大電力高周波の入射が要請されるため、先端部におけるプラズマからの熱負荷による溶融や高周波放電による溶融・変形が問題となっていた。その結果、プラズマへの入射パワーは徐々に減少してきた。この対策として、LHRFアンテナのエージングを行って、耐高周波電界性能の向上を図った。また、赤外線カメラによるLHRFアンテナの温度監視,LHRFアンテナ位置の調整,入射パワーを断続的に変調する電流駆動法の開発、そしてアークセンサによる高周波放電を検知して、LHRFアンテナ先端部の損傷を防止する保護対策を実施してきた。

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:22 パーセンタイル:17.04(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

Radiofrequency experiments in JFT-2M; Demonstration of innovative applications of a travelling wave antenna

小川 俊英; 星野 克道; 金澤 貞善*; 三枝 幹雄*; 井戸 毅*; 川島 寿人; 糟谷 直宏*; 高瀬 雄一*; 木村 晴行; 三浦 幸俊; et al.

Nuclear Fusion, 41(12), p.1767 - 1775, 2001/12

 被引用回数:20 パーセンタイル:40.42(Physics, Fluids & Plasmas)

JFT-2Mでは、世界で初めて速波電流駆動用に進行波型(コムライン)アンテナを用いた実験を行い、新しい応用の実証を行っている。電子サイクロトロン加熱中のプラズマで、方向性の高い速波入射により少なくとも10keV以上の高エネルギー電子がプラズマ中心に生成されることを確認した。電流駆動方向を変えた放電を比較したが、ループ電圧、軟X線スペクトルに顕著な差は見られず、駆動電流の評価には至っていない。2周波数同時入射によって励起されるビート波が作るPonderomotiveポテンシャルを重イオンビームプローブ計測を用いて測定することに成功した。0.4$$<$$r/a$$<$$1.0の範囲でポテンシャルの空間分布が測定でき、速波の電磁界分布の直接測定法として使える可能性を示した。コムライン・アンテナが作る高周波電界により、広いトロイダル磁場範囲でプラズマが生成できることを実証した。

論文

Upgrade of ECH system in JT-60U featuring an antenna for toroidal/poloidal beam scan

森山 伸一; 池田 佳隆; 梶原 健; 関 正美; 坂本 慶司; 高橋 幸司; 今井 剛; 藤井 常幸; JT-60チーム

AIP Conference Proceedings 595, p.322 - 325, 2001/11

JT-60Uにおける電子サイクロトロン波加熱装置は、1999年に1本の1MW電子管を用いた1系統から開始し、2000年には3本の電子管に増力された。この間、電子管としては1MW$$times$$2秒もしくは0.8MW$$times$$3.2秒の発振出力を達成するとともに、総プラズマ入射としては~1.6MW$$times$$3秒を得た。今回、よりプラズマ圧力の高い状態でMHD的な不安定性抑制を行い、プラズマ性能のさらなる向上を図るため、新型アンテナを含めた1系統の増力を行った。これにより入射電力を2MW以上を目指す。このアンテナは、プラズマ放電中に、ポロイダル/トロイダルの2方向に波の入射角度を制御できる特長を有している。本年4月に、この新系統によるプラズマ入射が実施された。講演では、新系統の設計とプラズマ加熱の初期結果を報告する。

論文

R&D of the heat-resistant LH antenna

関 正美; 前原 直; 藤井 常幸

Fusion Engineering and Design, 56-57, p.581 - 585, 2001/10

 被引用回数:2 パーセンタイル:77.59

低域混成(LH)波は、トカマクを定常運転化し閉じ込め性能を向上できる。LH波用アンテナの工学的な課題は熱負荷対策で、耐熱性材料でアンテナを構築することが重要である。現在、耐熱性に優れた炭素繊維材を用いた開発を行っており、そのひとつはプラズマや高周波放電でダメージを受けやすいアンテナ先端部のみを耐熱化する型である。特徴はボルト締により交換可能としメンテナンス性を向上できることで、アンテナ先端部劣化による入射パワーの低下を防ぐのが目的である。開発のポイントは、導波管構造を持つSUS部材と炭素繊維材との接合方法の確立で、拡散接合を用いて成功した。今後、耐電力試験等を行い健全性を確認する。もうひとつの型は次世代の長パルス用の開発である。特徴は、LHアンテナを構成する電力分岐部全体が炭素繊維材で作られることで、高周波損失低減のため炭素材表面に銅の層を確実に着ける技術が重要である。そのために、チタンを緩衝材としたメッキ法やプラズマスプレー法を開発し、約50MW/m$$^{2}$$(3.7GHz)の耐電力特性を確認した。高周波放電を持続させないことで耐熱性LHアンテナ製作の目処を得た。

論文

High-voltage test of feedthroughs for a high-power ICRF antenna

藤井 常幸; 森山 伸一

IEEE Transactions on Plasma Science, 29(2), p.318 - 325, 2001/04

 被引用回数:3 パーセンタイル:87.04(Physics, Fluids & Plasmas)

フィードスルーはイオンサイクロトロン周波数帯(ICRF)加熱装置のアンテナを構成する最重要機器の一つである。その役割はアンテナを高真空に保ちながら大電力の高周波(RF)を伝送することである。6つの異なる形状のフィードスルーを用いて、大電力伝送の鍵を握る耐電圧性能について実験的に研究した。1秒間の高周波伝送における耐電圧を評価し、4種のPPPL,MIT,ORNL,JAERI型で40~52kVの耐電圧を得た。これは、1アンテナ素子で1~1.6MWの大電力を入射できることを意味する。特に、PPPL,MIT型は最も高い耐電圧性能を示した。この結果は真空封止用のセラミックスに電界が集中しないようにした、フィードスルーの真空側フランジの形状によるものであることを明らかにした。さらに、この形状を工夫することで、高周波放電の一種であるマルチパクタ放電をも問題とならないレベルに抑制できることを示した。

論文

Coupling and heating experiments using fast wave antenna with back faraday shield on JFT-2M

小川 俊英; 三枝 幹雄*; 川島 寿人; 金澤 貞善*; JFT-2Mグループ

Fusion Technology, 39(1T), p.305 - 308, 2001/01

JFT-2Mで行ったバックファラデーシールド付速波アンテナの結合及び加熱実験について報告する。一般にアンテナ-プラズマ間隔($$delta$$)が広がるとともにアンテナ結合抵抗は減少するが、バックファラデーシールド付アンテナでは$$delta$$=5cmのダイバータ配位プラズマに対して10$$Omega$$以上の結合抵抗が得られており、同じサイズの従来型ファラデーシールド付アンテナに比べて結合性能は大幅に改善されることを確認した。トロイダル磁場2.2T、平均電子密度1$$times$$10$$^{19}$$m$$^{-3}$$のプラズマに対して250kWの速波加熱により、軟X線スペクトル測定からプラズマ中心部で0.35keV(T$$_{e}$$=1.1keV→1.45keV)の電子温度上昇を観測した。550kWまでのパワーレベルでトロイダル電解や粒子シールド効果に起因するアンテナ表面での放電等は発生しておらず耐電圧性能においても顕著な問題は発生してない。

論文

Outgassing of plasma facing antenna front for lower hybrid wave launcher

前原 直; Goniche, M.*; Kazarian, F.*; 関 正美; 池田 佳隆; 今井 剛; Bibet, P.*; Froissard, P.*; Rey, G.*

Fusion Engineering and Design, 49-50, p.269 - 273, 2000/11

 被引用回数:4 パーセンタイル:64.02

日仏協定に基づく低域混成波(LH)アンテナ先端部モジュールからのガス放出に関する共同実験効果について発表する。共同実験では、プラズマに対向するアンテナ先端部材料として耐熱特性に優れた炭素系繊維材(CFC)を採用したアンテナモジュールの開発を行い、長パルス及び高電力の高周波伝送時におけるガス放出に関するデータベースを確立した。高周波電力密度45MW/m$$^{2}$$で、1200秒の伝送試験における定常運転時のガス放出率は、10$$^{-5}$$Pam$$^{3}$$/sm$$^{2}$$以下であり、LHアンテナ独自の真空排気系が不要である結論を導いた。

論文

Direct measurement of electromagnetic field pattern of fast wave in FWCD experiments using ponderomotive potential produced by beat wave in JFT-2M

三枝 幹雄*; 金澤 貞善; 小川 俊英; 井戸 毅*; 川島 寿人; 菊池 一夫; 福山 淳*; 神谷 健作; JFT-2Mチーム

Proceedings of 2000 International Congress on Plasma Physics (ICPP 2000), Vol.3, p.844 - 847, 2000/00

トロイダルプラズマ電流駆動方式として有望な速波電流駆動方式の物理的研究をJFT-2Mにおいて行った。従来は電流が駆動されたか否かをマクロにループ電圧の減少、モーショナルシュタルク効果による電流分布解析を用いて行っていたが、より詳細な波動物理の研究を可能とするため、直接トカマクプラズマ中の高周波電界分布を測定する新しい方法を提案し、実験,理論及び数値計算により実証を行った。具体的な方法としては2つの周波数の速波を同じアンテナから励起し、そのビート波により生じるポンデロモーティブポテンシャルの振幅分布を、重イオンビームプローブで測定した結果、Full waveコードの計算結果とほぼ一致することを確認した。

報告書

JT-60ICRFアンテナの健全性と表面温度計測の開発

平内 慎一; 横倉 賢治; 森山 伸一; 佐藤 臣夫*; 石井 和宏*; 藤井 常幸

JAERI-Tech 98-006, 27 Pages, 1998/03

JAERI-Tech-98-006.pdf:1.99MB

JT-60におけるイオンサイクロトロン周波数帯(ICRF)加熱では、2基のアンテナを用いてプラズマに100MHz帯の大電力高周波を結合され、共鳴するイオンを加速することでプラズマ加熱を行う。アンテナは、高温のプラズマから近い位置に設置されるため、非常に過酷な条件下に置かれている。そのためICRFアンテナでは、プラズマ粒子の衝突によると思われる表面の溶融が問題になっており、その原因解明が重要な課題となっている。この損失の原因、機構を明らかにし、熱負荷の小さい運転条件を追究し、アンテナの健全性維持を目的で、赤外線熱画像装置を用いた「ICRFアンテナ表面温度計測装置」を開発した。これを利用し、温度計測を行い損傷を最小限に抑える運転が可能になってきた。

報告書

High RF power test of a lower hybrid module mock-up in carbon fiber composite

前原 直; 清野 公広; 関 正美; 菅沼 和明; 池田 佳隆; 今井 剛; Goniche, M.*; J.Brossaud*; V.Cano*; F.Kazarian-Vibert*; et al.

JAERI-Research 97-086, 29 Pages, 1997/11

JAERI-Research-97-086.pdf:1.33MB

炭素系繊維材(CFC)を用いて、プラズマに対向するアンテナ先端部モジュールの開発を行った。試作したモジュールの耐電圧特性、高周波特性及びガス放出特性について、準定常運転が可能なフランス・カダラッシュ研究所の高周波出力試験装置で、これらの特性評価を行った。その結果、150MW/m$$^{2}$$(設計値の約3倍)の高周波電力を伝送しても、高周波特性及び耐電力特性に問題ないことを実証した。またCFCモジュールからのガス放出率は、モジュール温度350$$^{circ}$$Cにおいて、アルミナ分散強化銅モジュールからのガス放出率の約6倍程度であることが明らかになり、先端部モジュールの材料として有力な候補である結論を得た。

論文

Development of a power divider in the $$H$$ plane using posts in a rectangular waveguide for the next generation lower hybrid current drive antenna

関 正美; 前原 直; 福田 裕実; 池田 佳隆; 今井 剛; 広川 二郎*; 新井 宏之*

Fusion Engineering and Design, 36(2-3), p.281 - 287, 1997/05

 パーセンタイル:100

次世代低域混成波電流駆動(LHCD)アンテナに用いられる、多分岐電力分配器のための高周波特性解析コードを開発した。このコードで計算された電力分配比や反射率が、無反射負荷の条件下で20分岐電力分配器の測定値とよく一致した。また、測定値との比較から、無反射負荷なのにもかかわらず、伝播可能な高次モードが高周波特性に強く影響を及ぼしていることがわかった。テーパー導波管のスロープが急なほど、高次モードの発生が多く、高周波特性がテーパー導波管の長さによって敏感に変わることが示された。

論文

Development of a power divider in the H plane using posts in a rectangular waveguide for the next generation lower hybrid current drive antenna

関 正美; 前原 直; 福田 裕実*; 池田 佳隆; 今井 剛; 広川 次郎*; 新井 広之*

Fusion Engineering and Design, 36(2-3), p.281 - 287, 1997/00

次世代の低域混成波電流駆動(LHCD)用アンテナのために、コンパクトな電力分配器を開発した。この電力分配器は、矩形導波管のH面方向に電力分配する機能を持ち、導波管内の円柱を用いて高周波特性の制御をすることで特徴付けられ、想定される使用周波数は数~10GHzである。高周波特性を解析するコードを開発し、計算結果と測定中性子を比較検討するために3分岐のH面電力分配器を製作した。このH面電力分配器内の円柱は、解析コードを用いて低反射・等分配となるような位置に設けられた。2GHz付近で測定された反射特性・電力分配特性は、解析コードの予想と一致し、H面電力分配器の最適化設計が可能であることが分かった。

報告書

Development of a new lower hybrid antenna module using a poloidal power divider

前原 直; 関 正美; 菅沼 和明; 今井 剛; Goniche, M.*; P.Bibet*; S.Berio*; J.Brossaud*; Rey, G.*; G.Tonon*

JAERI-Research 96-036, 82 Pages, 1996/07

JAERI-Research-96-036.pdf:3.08MB

ポロイダル方向へ3分配する電力分配器と3$$times$$6分割マルチジャンクションモジュールを開発し、これらの高周波特性とコンポーネントからのガス放出量について、カダラッシュ研究所の高周波出力試験装置を用いて評価試験を行った。ポロイダル電力分配器は、33$$pm$$4%の良好な電力分配比が得られ、反射係数は、1.5%の低い値であった。また3$$times$$6分割モジュールでは、1.3%以下の反射係数と1%以下の高周波損失が測定された。3$$times$$6分割モジュールに2つの電力分配器を取付けた系では、コンポーネントを水冷した時に、高周波電力300kWにて1000秒の準定常運転を実証することができた。この時のガス放出率は、10$$^{-7}$$Pam$$^{3}$$s$$^{-1}$$m$$^{-2}$$の低いレンジであった。この報告書は、ポロイダル電力分配器を用いた新しい低域混成波(LH)アンテナモジュールの実験と解析結果について、まとめたものである。

論文

Recent results on radio frequency experiments in JT-60U

木村 晴行; 内藤 磨; 三枝 幹雄; 井手 俊介; 根本 正博; 池田 佳隆; 森山 伸一; 近藤 貴; 藤井 常幸; 関 正美; et al.

AIP Conference Proceedings 355, p.81 - 88, 1996/00

少数イオンICRF加熱により高プラズマ電流領域のTAEモードが調べられ、4MA放電では13程度の高いトロイダルモード数を有するTAEモードが現れることが明らかにされる。イオンサイクロトロン高調波共鳴(第2~第4調波)によるビーム加速時のMeV領域のエネルギースペクトルが測定され、テイル温度は調波数がふえるに従って高くなることが示される。低域混成(LH)波の吸収分布は入射波動スペクトル、入射位置、安全係数、を変えることにより制御できる。誘導電流と逆方向にLH波による電流駆動を行い、電流分布の制御性が向上することが実証される。両方の波動に対してセパラトリックスとアンテナ間の大きなギャップに対するアンテナ結合が実証される。

論文

Development of a new lower hybrid antenna module using a poloidal power divider

前原 直; 関 正美; 菅沼 和明; 今井 剛; Goniche, M.*; Ph.Bibet*; S.Berio*; J.Brossaud*; Rey, G.*; G.Tonon*

Fusion Technology 1996, 0, p.637 - 640, 1996/00

LHCDアンテナ開発の課題の1つは、アンテナ構造の簡素化である。ポロイダル方向へ電力分配する方式は、この簡素化の1つの手段であり、アンテナモジュールの電力密度を低減するとともに、5GHz以上の周波数領域において、N$$_{11}$$パラメータを広くとることが可能である。このためにポロイダル方向に3分配する電力分配器を3種類開発し、3$$times$$6マルチジャンクションモジュールと組み合せて評価を行った。3種類の電力分配器では、反射比1.5%以下において分配比33$$pm$$4%が得られ。3$$times$$6マルチジャンクションモジュールでは、反射比1.3%以下において高周波損失1.0%以下が測定された。大電力の高周波電動実験では、水冷を用いて300kW-1000秒の準定常運転が達成された。この時のガス放出率は、10$$^{-7}$$Pam$$^{-3}$$S$$^{-1}$$m$$^{-2}$$オーダであった。これらの結果によりプラズマに対向するアンテナ先端部を除き、ポロイダル電力分配器を用いて定常化アンテナ設計が可能となった。

論文

Analysis of E-plane multi-junctional power divider for LHCD plasma heating

植田 裕之*; 滝沢 康博*; 新井 宏之*; 関 正美; 前原 直; 福田 裕実

Proceedings of 1996 Asia-Pacific Microwave Conference (APMC '96), 4 Pages, 1996/00

次世代の低域混成波電流駆動用(LHCD)アンテナでは、伝送系導波管数を削減できる簡素化構造アンテナの開発が必要であり、その最適化設計のためには解析コードの開発が不可欠である。原研が提案する「多分岐導波管とテーパー導波管の組み合わせ」による簡素化アンテナ内の電磁界解析を、モードマッチング法にて行った。簡素化アンテナ内に存在する電場がTE01モードのみならば、電界方向のパワー分配は一様であるが、20分岐導波管をテーパー管に接続した場合、パワー分配比の解析結果はテーパー管長により敏感に変化した。これは接続部で発生する高次モードの影響である。周波数が8GHz用の簡素化アンテナを試作し、この測定に際して、-20dB以下の終端器および-25dBの結合度を持つプロープを開発し、再現性のある高周波測定を可能とした。20分岐導波管におけるパワーおよび位相の測定結果は、解析結果との良い一致が示され、コードの妥当性が得られた。したがってこの解析コードを用いて、分岐導波管でのパワーの差や位相のズレを少なく抑えるような最適化設定が可能である。

報告書

Physics design of an ICRF system for ITER

木村 晴行; 藤井 常幸; 福山 淳*; 三枝 幹雄; 森山 伸一; 濱松 清隆

JAERI-Research 95-070, 78 Pages, 1995/11

JAERI-Research-95-070.pdf:1.94MB

ITERの二つのICRFアンテナ概念、ブランケット内アンテナ及びポート内アンテナについて速波電流駆動の性能が波動解析コードを用いて詳細に検討される。ブランケット内アンテナに対しては低周波数シナリオ(~20MHz)よりも高周波数シナリオ(~60MHz)の方がイオンへのパワー損失はあるものの、むしろ良好な電流駆動性能が得られる。高性能な電流駆動特性と保守の容易さの両立を狙った「接線アクセス」によるポート内アンテナが提案される。8素子のアンテナアレイが可能であり、電流駆動効率はITERのプラズマ平衡を取り入れた2次元コードで~0.3$$times$$10$$^{20}$$AW$$^{-1}$$m$$^{-2}$$と計算される。中心導体のリッジ導波管支持を適用した概念設計図が示される。

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