JP2611176B2 - プラズマ生成・加熱装置 - Google Patents
プラズマ生成・加熱装置Info
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/10—Nuclear fusion reactors
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、イオンサイクロトロン
高周波を用いたプラズマ生成・加熱装置において、高周
波発振器の出力回路に周波数負帰還制御整合回路を設
け、時間的に変化するプラズマ負荷抵抗に対し常時周波
数負帰還制御により整合をとり、発振器への反射電力を
極力軽減するようにしたプラズマ生成・加熱装置に関す
るものである。
高周波を用いたプラズマ生成・加熱装置において、高周
波発振器の出力回路に周波数負帰還制御整合回路を設
け、時間的に変化するプラズマ負荷抵抗に対し常時周波
数負帰還制御により整合をとり、発振器への反射電力を
極力軽減するようにしたプラズマ生成・加熱装置に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の技術を図９、図10及び図11を用い
て説明する。図９は現在稼働しているＪＥＴ（Joint Eu
ropean Torus）と呼ばれる核融合実験装置の断面図を示
す。これはトカマクと呼ばれるタイプのプラズマ閉じ込
め装置でありて世界の核融合研究のリーダー的役割を果
たしており、各国でその特徴を活かした装置を考究し、
研究が精力的に行われている。
て説明する。図９は現在稼働しているＪＥＴ（Joint Eu
ropean Torus）と呼ばれる核融合実験装置の断面図を示
す。これはトカマクと呼ばれるタイプのプラズマ閉じ込
め装置でありて世界の核融合研究のリーダー的役割を果
たしており、各国でその特徴を活かした装置を考究し、
研究が精力的に行われている。
【０００３】図９において、１は１次巻線である内部ポ
ロイダル磁場コイル、２はプラズマを閉じ込めるための
真空容器、３は外部ポロイダル磁場コイル、４は変流
器、５は機械構造物、６はトロイダル磁場コイルを示
す。図10はＪＥＴ装置におけるプラズマの位置制御によ
る電力反射率軽減実験における諸量を測定した特性図で
ある。図11は同実験装置の整合装置の概念図を示す。図
11において、７は高周波信号発生器、８は高周波発振
器、９は方向性結合器、10，11はスタブチューナー、12
はイオンサイクロトロン加熱アンテナ、13はプラズマを
示す。ジョイントユーロピアントーラス（ＪＥＴ）では
最近のＤ−Ｔ燃焼（重水素と三重水素で生成されたプラ
ズマ）実験で、プラズマに入射された電力と核融合反応
によって生み出された熱出力がほぼ同じになることを証
明した。ＪＥＴのイオンサイクロトロン高周波加熱実験
では、22ＭＷ、10秒のプラズマ加熱に成功しており物理
的に興味のある現象を提供している。このなかでも、イ
オンサイクロトロン高周波加熱実験中にプラズマ閉じ込
め時間の短いＬモードからその約２倍閉じ込め時間が長
いＨモードへの遷移が起こった。しかしながらこの遷移
によって、装置中に置かれたアンテナと発振器との整合
条件が崩れてしまい、発振器側への高周波電力反射が増
加した。これはアンテナ側から見たプラズマの負荷抵抗
が変化したためである。このような場合発振器の真空管
保護のために発振を停止するが、これを回避するためＪ
ＥＴではその外部ポロイダル磁場コイル３の電流を変化
させて、プラズマ13をアンテナ12側（外側）に近付けて
プラズマ負荷抵抗を再び前の状態に戻して高周波電力の
反射を減らすことに成功している。この時の実験データ
を図10に示す。この図10においてイオンサイクロトロン
高周波加熱の途中で、ＬモードからＨモードへの遷移が
起こっている。図10のようにプラズマを２cm程アンテナ
側へ移動させることにより、アンテナの負荷抵抗を常に
３Ωに保ち高周波電力反射が増加することを防止してい
る。この図10から分かるように、プラズマは0.3秒の時
定数で移動している。ここでは周波数も変化させている
が、これはインピーダンスの虚数部を零にするためでイ
ンピーダンスの実数部には影響を与えていない。
ロイダル磁場コイル、２はプラズマを閉じ込めるための
真空容器、３は外部ポロイダル磁場コイル、４は変流
器、５は機械構造物、６はトロイダル磁場コイルを示
す。図10はＪＥＴ装置におけるプラズマの位置制御によ
る電力反射率軽減実験における諸量を測定した特性図で
ある。図11は同実験装置の整合装置の概念図を示す。図
11において、７は高周波信号発生器、８は高周波発振
器、９は方向性結合器、10，11はスタブチューナー、12
はイオンサイクロトロン加熱アンテナ、13はプラズマを
示す。ジョイントユーロピアントーラス（ＪＥＴ）では
最近のＤ−Ｔ燃焼（重水素と三重水素で生成されたプラ
ズマ）実験で、プラズマに入射された電力と核融合反応
によって生み出された熱出力がほぼ同じになることを証
明した。ＪＥＴのイオンサイクロトロン高周波加熱実験
では、22ＭＷ、10秒のプラズマ加熱に成功しており物理
的に興味のある現象を提供している。このなかでも、イ
オンサイクロトロン高周波加熱実験中にプラズマ閉じ込
め時間の短いＬモードからその約２倍閉じ込め時間が長
いＨモードへの遷移が起こった。しかしながらこの遷移
によって、装置中に置かれたアンテナと発振器との整合
条件が崩れてしまい、発振器側への高周波電力反射が増
加した。これはアンテナ側から見たプラズマの負荷抵抗
が変化したためである。このような場合発振器の真空管
保護のために発振を停止するが、これを回避するためＪ
ＥＴではその外部ポロイダル磁場コイル３の電流を変化
させて、プラズマ13をアンテナ12側（外側）に近付けて
プラズマ負荷抵抗を再び前の状態に戻して高周波電力の
反射を減らすことに成功している。この時の実験データ
を図10に示す。この図10においてイオンサイクロトロン
高周波加熱の途中で、ＬモードからＨモードへの遷移が
起こっている。図10のようにプラズマを２cm程アンテナ
側へ移動させることにより、アンテナの負荷抵抗を常に
３Ωに保ち高周波電力反射が増加することを防止してい
る。この図10から分かるように、プラズマは0.3秒の時
定数で移動している。ここでは周波数も変化させている
が、これはインピーダンスの虚数部を零にするためでイ
ンピーダンスの実数部には影響を与えていない。
【０００４】次ぎにこの装置の動作について説明する。
イオンサイクロトロン高周波プラズマ生成・加熱では、
高周波発振器の出力インピーダンス（例えば50Ω）に対
してプラズマ生成および閉じ込め加熱装置の内部真空室
に設置されたアンテナのプラズマ負荷抵抗は高々４〜５
Ωであり、発振器とアンテナの間に整合回路が不可欠で
ある。この整合回路は図11に示すように終端を短絡した
２本のスタブチューナー10，11で構成されている。図11
において、７は高周波信号発生器、８はこれに接続した
高周波発振器である。高周波発振器８は方向性結合器
９、発振器とアンテナ側にそれぞれ設けた２本のスタブ
チューナー10，11を介してアンテナ12に接続する。13は
プラズマ、２はプラズマを取り囲む真空容器である。長
時間のプラズマ生成・加熱実験では、プラズマ13あるい
はスクレイプオフプラズマ13の密度、温度の変化等によ
り、プラズマ負荷抵抗が大きく変動し、整合条件が満た
されなくなりアンテナ12からの高周波電力反射が増え
る。このような場合には、発振管保護のため高周波発振
器８の出力を停止せねばならない。従って、長時間、安
定にプラズマの生成・加熱を行なうために、高周波発振
器８の出力停止が起こらないように負帰還制御できる整
合回路の研究開発が不可欠である。図10に示すように、
プラズマ負荷抵抗の変動には２本のスタブチューナー1
0，11を機械的に動かして、新たな整合点を見出すこと
で原理的には解決する。ここでスタブチューナーとは、
同軸管の内導体と外導体を接線して電気的に終端してい
るチューナーのことをいう。
イオンサイクロトロン高周波プラズマ生成・加熱では、
高周波発振器の出力インピーダンス（例えば50Ω）に対
してプラズマ生成および閉じ込め加熱装置の内部真空室
に設置されたアンテナのプラズマ負荷抵抗は高々４〜５
Ωであり、発振器とアンテナの間に整合回路が不可欠で
ある。この整合回路は図11に示すように終端を短絡した
２本のスタブチューナー10，11で構成されている。図11
において、７は高周波信号発生器、８はこれに接続した
高周波発振器である。高周波発振器８は方向性結合器
９、発振器とアンテナ側にそれぞれ設けた２本のスタブ
チューナー10，11を介してアンテナ12に接続する。13は
プラズマ、２はプラズマを取り囲む真空容器である。長
時間のプラズマ生成・加熱実験では、プラズマ13あるい
はスクレイプオフプラズマ13の密度、温度の変化等によ
り、プラズマ負荷抵抗が大きく変動し、整合条件が満た
されなくなりアンテナ12からの高周波電力反射が増え
る。このような場合には、発振管保護のため高周波発振
器８の出力を停止せねばならない。従って、長時間、安
定にプラズマの生成・加熱を行なうために、高周波発振
器８の出力停止が起こらないように負帰還制御できる整
合回路の研究開発が不可欠である。図10に示すように、
プラズマ負荷抵抗の変動には２本のスタブチューナー1
0，11を機械的に動かして、新たな整合点を見出すこと
で原理的には解決する。ここでスタブチューナーとは、
同軸管の内導体と外導体を接線して電気的に終端してい
るチューナーのことをいう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来のスタブチューナ
ー10，11を用いた整合回路では、上記のようにプラズマ
負荷抵抗の時間変動に対して高周波電力反射を軽減する
ために２本のスタブチューナー10，11を大電力高周波発
振器８の加熱中に動かす必要がある。しかしながらこれ
には幾つかの解決すべき課題がある。発明が解決すべき
課題をまとめると以下のようになる。
ー10，11を用いた整合回路では、上記のようにプラズマ
負荷抵抗の時間変動に対して高周波電力反射を軽減する
ために２本のスタブチューナー10，11を大電力高周波発
振器８の加熱中に動かす必要がある。しかしながらこれ
には幾つかの解決すべき課題がある。発明が解決すべき
課題をまとめると以下のようになる。
【０００６】(1)スタブチューナーの終端部可動 数ＭＷの加熱状態では、スタブチューナーの終端部に１
ｋＡ程度の高周波電流が流れており、この終端部を動か
すのは危険である。 (2)高速で応答する制御可能な整合回路 プラズマ状態の時間変化に対して高速で応答して常に電
力反射を小さく高周波発振器の負担を少なくすることが
重要である。したがって機械的に動かすシステムでは応
答時間が長い欠点がある。 (3)整合装置における高周波電力損失 整合装置では大きな定在波が発生しているためスタブチ
ューナーでの高周波電力損失が無視できない。したがっ
て損失の少ない整合装置が望まれる。
ｋＡ程度の高周波電流が流れており、この終端部を動か
すのは危険である。 (2)高速で応答する制御可能な整合回路 プラズマ状態の時間変化に対して高速で応答して常に電
力反射を小さく高周波発振器の負担を少なくすることが
重要である。したがって機械的に動かすシステムでは応
答時間が長い欠点がある。 (3)整合装置における高周波電力損失 整合装置では大きな定在波が発生しているためスタブチ
ューナーでの高周波電力損失が無視できない。したがっ
て損失の少ない整合装置が望まれる。
【０００７】本発明は、上記のような問題を解消するた
めになされたもので、スタブチューナーの終端部を動か
すことなく、高速周波数負帰還制御整合回路を設けるこ
とにより１ｍｓ程度の早い時間変動のプラズマ負荷抵抗
に対して高周波電力反射を常時軽減することを目的とす
る。本発明ではさらに整合装置における高周波電力損失
を極力小さくするようにした双子スタブチューナーを発
明したものである。
めになされたもので、スタブチューナーの終端部を動か
すことなく、高速周波数負帰還制御整合回路を設けるこ
とにより１ｍｓ程度の早い時間変動のプラズマ負荷抵抗
に対して高周波電力反射を常時軽減することを目的とす
る。本発明ではさらに整合装置における高周波電力損失
を極力小さくするようにした双子スタブチューナーを発
明したものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、高周波信号発
生器と、これに接続した高周波発振器と、その出力側に
接続した方向性結合器と、２本のスタブチューナーより
なる整合器を介して、真空容器に収納されたイオンサイ
クロトロン加熱用アンテナに接続し、プラズマに対向さ
せた前記アンテナから放射されるイオンサイクロトロン
高周波電力を用いたプラズマの生成・加熱装置におい
て、前記２本のスタブチューナーのうち前記高周波発振
器側に設けたスタブチューナーを短いスタブチューナー
と長いスタブチューナーとで構成される双子スタブチュ
ーナーとし、前記方向性結合器と前記高周波信号発生器
との間に負帰還制御電子回路を接続し、前記アンテナか
ら反射してくる高周波電力を前記方向性結合器により取
り出し、前記高周波信号発生器と負帰還制御電子回路と
で周波数負帰還制御回路を構成し、時間的に変化するプ
ラズマ負荷抵抗に対し常に前記周波数負帰還制御回路に
より周波数負帰還制御で整合を取り、前記高周波発振器
への反射電力を極力軽減するよう構成したことを特徴と
したプラズマ生成・加熱装置にある。
生器と、これに接続した高周波発振器と、その出力側に
接続した方向性結合器と、２本のスタブチューナーより
なる整合器を介して、真空容器に収納されたイオンサイ
クロトロン加熱用アンテナに接続し、プラズマに対向さ
せた前記アンテナから放射されるイオンサイクロトロン
高周波電力を用いたプラズマの生成・加熱装置におい
て、前記２本のスタブチューナーのうち前記高周波発振
器側に設けたスタブチューナーを短いスタブチューナー
と長いスタブチューナーとで構成される双子スタブチュ
ーナーとし、前記方向性結合器と前記高周波信号発生器
との間に負帰還制御電子回路を接続し、前記アンテナか
ら反射してくる高周波電力を前記方向性結合器により取
り出し、前記高周波信号発生器と負帰還制御電子回路と
で周波数負帰還制御回路を構成し、時間的に変化するプ
ラズマ負荷抵抗に対し常に前記周波数負帰還制御回路に
より周波数負帰還制御で整合を取り、前記高周波発振器
への反射電力を極力軽減するよう構成したことを特徴と
したプラズマ生成・加熱装置にある。
【０００９】
【作用】本発明にかかわる高速周波数負帰還制御整合回
路では、約10〜20倍の高周波波長のスタブチューナーと
同等の動作特性を持つ双子スタブチューナーを用いる。
路では、約10〜20倍の高周波波長のスタブチューナーと
同等の動作特性を持つ双子スタブチューナーを用いる。
【００１０】双子スタブチューナーは、従来のスタブチ
ューナーにもう一つの終端部を具備した装置である。こ
の双子スタブチューナーは管内波長の10〜20倍の長さに
匹敵する長いスタブチューナーであり、スタブチューナ
ーはこのように短いスタブチューナーと長いスタブチュ
ーナーとで構成されることを特徴とする。
ューナーにもう一つの終端部を具備した装置である。こ
の双子スタブチューナーは管内波長の10〜20倍の長さに
匹敵する長いスタブチューナーであり、スタブチューナ
ーはこのように短いスタブチューナーと長いスタブチュ
ーナーとで構成されることを特徴とする。
【００１１】
【実施例】実施例１ 図１を用いて双子スタブチューナーの動作特性を説明す
る。図１において、14は双子スタブチューナーで、14Ａ
S は短いスタブチューナー、14ＡL は長いスタブチュー
ナー、15は十字分岐同軸管、16は同軸管、17は可動終端
部を示す。この双子スタブチューナー14は短いスタブチ
ューナー14ＡS （ 0.1波長以下）と長いスタブチューナ
ー14ＡL （ 0.4〜0.5 波長）とで構成されている。この
２つのスタブチューナー 14 ＡS と14ＡL の長さの組み
合わせにより、従来のスタブチューナーとして作用する
時の合成長さ（Ａｒ）と実効的な長さ（Ａeff ）が以下
の式で与えられる。ここでＡS ，ＡL ，ＡｒとＡeff 等
の値はすべて高周波波長で規格化された数値である。
る。図１において、14は双子スタブチューナーで、14Ａ
S は短いスタブチューナー、14ＡL は長いスタブチュー
ナー、15は十字分岐同軸管、16は同軸管、17は可動終端
部を示す。この双子スタブチューナー14は短いスタブチ
ューナー14ＡS （ 0.1波長以下）と長いスタブチューナ
ー14ＡL （ 0.4〜0.5 波長）とで構成されている。この
２つのスタブチューナー 14 ＡS と14ＡL の長さの組み
合わせにより、従来のスタブチューナーとして作用する
時の合成長さ（Ａｒ）と実効的な長さ（Ａeff ）が以下
の式で与えられる。ここでＡS ，ＡL ，ＡｒとＡeff 等
の値はすべて高周波波長で規格化された数値である。
【００１２】
【数１】
【００１３】
【数２】
【００１４】図２に (1)式の計算結果が短いスタブチュ
ーナー14ＡS と長いスタブチューナー14ＡL との合成値
で与えられている。この図２（Ａ）は３次元表示になっ
ていて、この双子スタブチューナー14が従来のスタブチ
ューナーとして作用する合成長（Ａｒ）をその高さで示
している。また図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＡｒの等高線
を表している。この図２（Ａ），図２（Ｂ）で分かるよ
うに、14ＡS の短い方のスタブチューナーが短い程、Ａ
ｒの等高線が密になっている。このことは14ＡS 一定
で、14ＡL を少し変えるだけでその合成長（Ａｒ）を大
きく変化させることができることを示している。このこ
とを定量的に表すために周波数を僅かに変化させた時
に、この双子スタブチューナー14が実効的にどのくらい
長いスタブチューナー14ＡL に相当するかを (2)式を用
いて計算した結果を図３に示す。図２と同じように、図
３（Ａ）は３次元表示になっており、双子スタブチュー
ナーの14ＡS と14ＡL との値によってＡeff がどう変わ
って行くかが示されている。図３（Ａ）に示すように短
いスタブチューナー14ＡS が0.05より0.01の方に短くな
ればなるほど高周波波長が10〜20倍に相当するスタブチ
ューナーとして動作することが分かる。
ーナー14ＡS と長いスタブチューナー14ＡL との合成値
で与えられている。この図２（Ａ）は３次元表示になっ
ていて、この双子スタブチューナー14が従来のスタブチ
ューナーとして作用する合成長（Ａｒ）をその高さで示
している。また図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＡｒの等高線
を表している。この図２（Ａ），図２（Ｂ）で分かるよ
うに、14ＡS の短い方のスタブチューナーが短い程、Ａ
ｒの等高線が密になっている。このことは14ＡS 一定
で、14ＡL を少し変えるだけでその合成長（Ａｒ）を大
きく変化させることができることを示している。このこ
とを定量的に表すために周波数を僅かに変化させた時
に、この双子スタブチューナー14が実効的にどのくらい
長いスタブチューナー14ＡL に相当するかを (2)式を用
いて計算した結果を図３に示す。図２と同じように、図
３（Ａ）は３次元表示になっており、双子スタブチュー
ナーの14ＡS と14ＡL との値によってＡeff がどう変わ
って行くかが示されている。図３（Ａ）に示すように短
いスタブチューナー14ＡS が0.05より0.01の方に短くな
ればなるほど高周波波長が10〜20倍に相当するスタブチ
ューナーとして動作することが分かる。
【００１５】実施例２ プラズマ負荷の変動に対して高周波発振器の周波数を僅
か変化させて再び整合を取る方式の検討を行なった。そ
の実験装置の原理的概念図を図４に示す。この整合装置
は２本スタブチューナーシステムを用いる。発振器側と
アンテナ側にはそれぞれ８倍の長さのスタブチューナー
10Ａ１と0.1 波長以下の短いスタブチューナー11Ａ３を
使用した。これらの間隔は１／４波長に設定されてい
る。発振器側のスタブチューナー10Ａ１の長さは波長で
規格化して、Ａ１＝7.5 −α（α＜１）、アンテナ側の
スタブチューナー11Ａ３はＡ３＝0.0602である。図５は
その実験結果を示す。図５では、周波数42.5ＭＨｚで負
荷抵抗が2.2 Ωの時に、電力反射率零の整合条件を満た
している。ここで負荷抵抗を5.6 Ωにすると、電力反射
率は８％に増加する。ここで周波数を42.5ＭＨｚから下
げていくに従い反射率は減少し、42.2ＭＨｚではほとん
ど電力反射率が零になる。従って、周波数変動率0.7 ％
で2.2 Ωから5.6 Ωの負荷抵抗変動率に対して電力反射
率を零にすることができる。
か変化させて再び整合を取る方式の検討を行なった。そ
の実験装置の原理的概念図を図４に示す。この整合装置
は２本スタブチューナーシステムを用いる。発振器側と
アンテナ側にはそれぞれ８倍の長さのスタブチューナー
10Ａ１と0.1 波長以下の短いスタブチューナー11Ａ３を
使用した。これらの間隔は１／４波長に設定されてい
る。発振器側のスタブチューナー10Ａ１の長さは波長で
規格化して、Ａ１＝7.5 −α（α＜１）、アンテナ側の
スタブチューナー11Ａ３はＡ３＝0.0602である。図５は
その実験結果を示す。図５では、周波数42.5ＭＨｚで負
荷抵抗が2.2 Ωの時に、電力反射率零の整合条件を満た
している。ここで負荷抵抗を5.6 Ωにすると、電力反射
率は８％に増加する。ここで周波数を42.5ＭＨｚから下
げていくに従い反射率は減少し、42.2ＭＨｚではほとん
ど電力反射率が零になる。従って、周波数変動率0.7 ％
で2.2 Ωから5.6 Ωの負荷抵抗変動率に対して電力反射
率を零にすることができる。
【００１６】これと同じ実験を数種類の負荷抵抗で行な
った。図６（Ａ），図６（Ｂ）にその結果を示す。負荷
抵抗2.2 Ωの時に、電力反射率零の整合条件を満たして
いる。プラズマ負荷が無い状態（真空状態の負荷と推定
される）から5.6 Ωまで変化させると、反射率は負荷抵
抗の無い状態で８％、5.6 Ωで6.5 ％（白丸）と増え
る。この時それぞれのプラズマ負荷に対して最も反射の
少なくなる周波数を選ぶと、黒丸のようにプラズマ負荷
の広範囲の変動に対して反射率を１％以下に軽減でき
る。この場合の改善率（周波数制御のある時の反射率／
周波数制御の無い時の反射率、黒丸）とそれを達成する
ために必要な周波数変化率（ｄｆ／ｆ、白丸）を図６Ｂ
に示す。このように最初に設定した負荷抵抗よりも大き
な値に対しては、高周波電力の反射率を0.2 ％以下に減
らすことが可能である。このことはプラズマ負荷抵抗の
時間変化に対する周波数負帰還制御方式の原理実験がで
きたことを示している。
った。図６（Ａ），図６（Ｂ）にその結果を示す。負荷
抵抗2.2 Ωの時に、電力反射率零の整合条件を満たして
いる。プラズマ負荷が無い状態（真空状態の負荷と推定
される）から5.6 Ωまで変化させると、反射率は負荷抵
抗の無い状態で８％、5.6 Ωで6.5 ％（白丸）と増え
る。この時それぞれのプラズマ負荷に対して最も反射の
少なくなる周波数を選ぶと、黒丸のようにプラズマ負荷
の広範囲の変動に対して反射率を１％以下に軽減でき
る。この場合の改善率（周波数制御のある時の反射率／
周波数制御の無い時の反射率、黒丸）とそれを達成する
ために必要な周波数変化率（ｄｆ／ｆ、白丸）を図６Ｂ
に示す。このように最初に設定した負荷抵抗よりも大き
な値に対しては、高周波電力の反射率を0.2 ％以下に減
らすことが可能である。このことはプラズマ負荷抵抗の
時間変化に対する周波数負帰還制御方式の原理実験がで
きたことを示している。
【００１７】実施例３ 実施例２では高周波波長の８倍のスタブチューナー10を
用いて、高周波抵抗の変化に対する周波数負帰還制御方
式の原理実験を行なった。８倍のスタブチューナーでは
高周波電力損失が大きくプラズマ生成・加熱効率が低い
ので、８倍のスタブチューナー10の代りに図７に示すよ
うに双子スタブチューナー14を用いた。図７に本発明で
開発した高速周波数負帰還制御整合システムの概念図を
示す。
用いて、高周波抵抗の変化に対する周波数負帰還制御方
式の原理実験を行なった。８倍のスタブチューナーでは
高周波電力損失が大きくプラズマ生成・加熱効率が低い
ので、８倍のスタブチューナー10の代りに図７に示すよ
うに双子スタブチューナー14を用いた。図７に本発明で
開発した高速周波数負帰還制御整合システムの概念図を
示す。
【００１８】図７において、19は高周波信号発生器、20
はこれに接続した高周波発振器、21はこの高周波発振器
に接続した方向性結合器を示す。本発明においては、方
向性結合器21に双子チューナー14ＡS ，14ＡL とスタブ
チューナー11Ａ３を介してアンテナ18に接続したもの
で、この方向性結合器21よりその出力の一部を分岐して
負帰還制御電子回路29の検波器22に取り出し、反射電力
入力23を検波し、差動増幅器26Ａ，26Ｂ，27Ａ，27Ｂ，
28Ａ，28Ｂにより高周波発生器19の周波数変調部へその
出力を入力する。この装置を用いてミリセコンド（ｍ
ｓ）の時定数で高周波電力の反射率を常に最小にする高
速周波数負帰還制御整合回路の模擬実験を行なった。こ
のため高速で変化する高周波負荷抵抗31をピンダイオー
ドを用いて製作した。これを外部から電圧制御すること
により負荷抵抗を１〜７Ωの範囲で変えることができる
よう構成した。図８にその実験結果を示す。ここで用い
られた双子スタブチューナー14ＡS ，14ＡL の構成は、
14ＡS の長さＡS ＝0.025 ，14ＡL の長さＡL ＝0.465
である。図８（Ａ）において上から高周波入射電力（Ｆ
Ｐ）、高周波負荷抵抗（ＲＰ）、電力反射率（ＲＥＰ）
とを示す。高周波入射電力はほぼ一定である。高周波負
荷抵抗（ＲＰ）は２〜６Ωに３ｍｓの時定数で変化して
いる。整合は高周波負荷抵抗（ＲＰ）が２Ωの時に反射
電力率が零になるように設定している。高周波負荷抵抗
が６Ωになると、電力反射率（ＲＥＰ）は10％となる。
このとき周波数負帰還制御は行なわれていない。一方図
８（Ｂ）は周波数負帰還制御が行なわれた場合の結果を
示すものである。高周波負荷抵抗（ＲＰ）は図８（Ａ）
と同じように２〜６Ω変化している。この時電力反射率
（ＲＥＰ）は最大0.2 ％となっており、それに対応して
周波数変動は±0.05ＭＨｚである。ここで使用している
周波数は42.5ＭＨｚであるので、周波数変化率は±0.12
％である。
はこれに接続した高周波発振器、21はこの高周波発振器
に接続した方向性結合器を示す。本発明においては、方
向性結合器21に双子チューナー14ＡS ，14ＡL とスタブ
チューナー11Ａ３を介してアンテナ18に接続したもの
で、この方向性結合器21よりその出力の一部を分岐して
負帰還制御電子回路29の検波器22に取り出し、反射電力
入力23を検波し、差動増幅器26Ａ，26Ｂ，27Ａ，27Ｂ，
28Ａ，28Ｂにより高周波発生器19の周波数変調部へその
出力を入力する。この装置を用いてミリセコンド（ｍ
ｓ）の時定数で高周波電力の反射率を常に最小にする高
速周波数負帰還制御整合回路の模擬実験を行なった。こ
のため高速で変化する高周波負荷抵抗31をピンダイオー
ドを用いて製作した。これを外部から電圧制御すること
により負荷抵抗を１〜７Ωの範囲で変えることができる
よう構成した。図８にその実験結果を示す。ここで用い
られた双子スタブチューナー14ＡS ，14ＡL の構成は、
14ＡS の長さＡS ＝0.025 ，14ＡL の長さＡL ＝0.465
である。図８（Ａ）において上から高周波入射電力（Ｆ
Ｐ）、高周波負荷抵抗（ＲＰ）、電力反射率（ＲＥＰ）
とを示す。高周波入射電力はほぼ一定である。高周波負
荷抵抗（ＲＰ）は２〜６Ωに３ｍｓの時定数で変化して
いる。整合は高周波負荷抵抗（ＲＰ）が２Ωの時に反射
電力率が零になるように設定している。高周波負荷抵抗
が６Ωになると、電力反射率（ＲＥＰ）は10％となる。
このとき周波数負帰還制御は行なわれていない。一方図
８（Ｂ）は周波数負帰還制御が行なわれた場合の結果を
示すものである。高周波負荷抵抗（ＲＰ）は図８（Ａ）
と同じように２〜６Ω変化している。この時電力反射率
（ＲＥＰ）は最大0.2 ％となっており、それに対応して
周波数変動は±0.05ＭＨｚである。ここで使用している
周波数は42.5ＭＨｚであるので、周波数変化率は±0.12
％である。
【００１９】
(1)高周波波長の10〜20倍程度のスタブチューナーの代
用として双子スタブチューナーを発明した。 (2)２本のスタブチューナー整合回路システムにおい
て、発振器側に波長の８倍程度のスタブチューナーを用
いれば、プラズマの負荷抵抗が時間的に変化しても周波
数負帰還制御によって高周波電力反射を軽減する効果が
ある。 (3)双子スタブチューナーを周波数負帰還制御整合回路
に適用することにより、周波数変化率を小さくでき発振
器の負担を軽減する効果がある。また高速で負荷抵抗を
変化させても、ｍｓ程度の時定数で応答し負荷抵抗の広
い範囲にわたって電力反射率を0.2 ％以下位に小さくで
きる効果がある。
用として双子スタブチューナーを発明した。 (2)２本のスタブチューナー整合回路システムにおい
て、発振器側に波長の８倍程度のスタブチューナーを用
いれば、プラズマの負荷抵抗が時間的に変化しても周波
数負帰還制御によって高周波電力反射を軽減する効果が
ある。 (3)双子スタブチューナーを周波数負帰還制御整合回路
に適用することにより、周波数変化率を小さくでき発振
器の負担を軽減する効果がある。また高速で負荷抵抗を
変化させても、ｍｓ程度の時定数で応答し負荷抵抗の広
い範囲にわたって電力反射率を0.2 ％以下位に小さくで
きる効果がある。
【図１】図１は本発明の実施例１を実施する、双子スタ
ブチューナーの構造の詳細を示した概念図である。
ブチューナーの構造の詳細を示した概念図である。
【図２】図２は本発明の実施例１を示す図であり、双子
スタブチューナーが従来のスタブチューナーとして作用
する動作状態を示した特性図である。
スタブチューナーが従来のスタブチューナーとして作用
する動作状態を示した特性図である。
【図３】図３は本発明の実施例１において、双子スタブ
チューナーの動作特性がどのくらい長いスタブチューナ
ーに対応するかを示した特性図である。
チューナーの動作特性がどのくらい長いスタブチューナ
ーに対応するかを示した特性図である。
【図４】図４は本発明の実施例２において、周波数負帰
還制御の原理実験を行なうための整合装置の概念図であ
る。
還制御の原理実験を行なうための整合装置の概念図であ
る。
【図５】図５は本発明の実施例２において、約８倍の波
長の長いスタブチューナーを用いた場合、負荷抵抗の変
化に対し周波数の僅かな変化により再び電力反射率を零
にできることを示す特性図である。
長の長いスタブチューナーを用いた場合、負荷抵抗の変
化に対し周波数の僅かな変化により再び電力反射率を零
にできることを示す特性図である。
【図６】図６は本発明の実施例２において、色々な負荷
抵抗に対して周波数の調整による反射率最小の値とその
時の周波数変化率を示す特性図である。
抵抗に対して周波数の調整による反射率最小の値とその
時の周波数変化率を示す特性図である。
【図７】図７は本発明の実施例３の実験装置概念図であ
り、高速周波数負帰還制御を行なうための双子スタブチ
ューナーを用いた整合システムの回路図である。
り、高速周波数負帰還制御を行なうための双子スタブチ
ューナーを用いた整合システムの回路図である。
【図８】図８（Ａ）は本発明の実施例３において、周波
数負帰還制御の無い場合の電力反射率の結果を示す特性
図である。図８（Ｂ）は本発明の実施例３において、周
波数負帰還制御の有る場合の電力反射率の結果を示す特
性図である。
数負帰還制御の無い場合の電力反射率の結果を示す特性
図である。図８（Ｂ）は本発明の実施例３において、周
波数負帰還制御の有る場合の電力反射率の結果を示す特
性図である。
【図９】図９はジョイントユーロピアントーラス（ＪＥ
Ｔ）装置の概略図である。
Ｔ）装置の概略図である。
【図１０】図10はジョイントユーロピアントーラス（Ｊ
ＥＴ）装置におけるプラズマの位置制御による電力反射
率軽減実験の結果を示す特性図である。
ＥＴ）装置におけるプラズマの位置制御による電力反射
率軽減実験の結果を示す特性図である。
【図１１】図11は従来の２本スタブチューナーを用いた
整合装置の回路図である。
整合装置の回路図である。
１ １次巻線である内部ポロイダル磁場コイル ２ 真空容器 ３ 外部ポロイダル磁場コイル ４ 変流器 ５ 機械構造物 ６ トロイダル磁場コイル ７ 高周波信号発生器 ８ 高周波発振器 ９ 方向性結合器 １０ 発振器側スタブチューナー １１ アンテナ側スタブチューナー １２ アンテナ １３ プラズマ １４ 双子スタブチューナー 14ＡS 短いスタブチューナー 14ＡL 長いスタブチューナー １５ 十字分岐同軸管 １６ 同軸管 １７ 可動終端部 １８ アンテナ １９ 高周波信号発生器 ２０ 高周波発振器 ２１ 方向性結合器 ２２ 検波器 ２３ 反射電力入力 ２４ 正オフセット電源端子 ２５ 負オフセット電源端子 26A, 26B, 27A, 27B, 28A, 28B 差動増幅器 ２９ 負帰還制御電子回路 ３０ 低周波信号発生器 ３１ 高周波抵抗（ピンダイオード）
Claims (2)
- 【請求項１】 高周波信号発生器と、これに接続した高
周波発振器と、その出力側に接続した方向性結合器と、
２本のスタブチューナーよりなる整合器を介して、真空
容器に収納されたイオンサイクロトロン加熱用アンテナ
に接続し、プラズマに対向させた前記アンテナから放射
されるイオンサイクロトロン高周波電力を用いたプラズ
マの生成・加熱装置において、前記２本のスタブチュー
ナーのうち前記高周波発振器側に設けたスタブチューナ
ーを短いスタブチューナーと長いスタブチューナーとで
構成される双子スタブチューナーとし、前記方向性結合
器と前記高周波信号発生器との間に負帰還制御電子回路
を接続し、前記アンテナから反射してくる高周波電力を
前記方向性結合器により取り出し、前記高周波信号発生
器と負帰還制御電子回路とで周波数負帰還制御回路を構
成し、時間的に変化するプラズマ負荷抵抗に対し常に前
記周波数負帰還制御回路により周波数負帰還制御で整合
を取り、前記高周波発振器への反射電力を極力軽減する
よう構成したことを特徴としたプラズマ生成・加熱装
置。 - 【請求項２】 前記双子スタブチューナーは同軸管内波
長の10〜20倍の長さに匹敵するスタブチューナーとして
動作することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ生
成・加熱装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5087621A JP2611176B2 (ja) | 1993-04-14 | 1993-04-14 | プラズマ生成・加熱装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5087621A JP2611176B2 (ja) | 1993-04-14 | 1993-04-14 | プラズマ生成・加熱装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06302399A JPH06302399A (ja) | 1994-10-28 |
| JP2611176B2 true JP2611176B2 (ja) | 1997-05-21 |
Family
ID=13920048
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5087621A Expired - Lifetime JP2611176B2 (ja) | 1993-04-14 | 1993-04-14 | プラズマ生成・加熱装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2611176B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5430437B2 (ja) * | 2010-02-17 | 2014-02-26 | 三菱電機株式会社 | 点火装置および点火方法 |
| EP2928270A4 (en) * | 2012-11-30 | 2016-06-22 | Imagineering Inc | PLASMA GENERATION DEVICE |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6416102A (en) * | 1987-07-10 | 1989-01-19 | Hitachi Ltd | Stab tuner |
| JPH0774832B2 (ja) * | 1987-07-13 | 1995-08-09 | 株式会社日立製作所 | 核融合装置のランチヤ− |
| JP2642494B2 (ja) * | 1989-12-05 | 1997-08-20 | 株式会社東芝 | 直流成分阻止伝送路 |
| JP3001658B2 (ja) * | 1991-03-28 | 2000-01-24 | 日本原子力研究所 | 高周波加熱装置 |
-
1993
- 1993-04-14 JP JP5087621A patent/JP2611176B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 「放送技術」昭和４１．１２（１９６６）Ｐ．９３−９７ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06302399A (ja) | 1994-10-28 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
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| EXPY | Cancellation because of completion of term |