JPH06302399A - Plasma generation and heating device - Google Patents

Plasma generation and heating device

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JPH06302399A
JPH06302399A JP5087621A JP8762193A JPH06302399A JP H06302399 A JPH06302399 A JP H06302399A JP 5087621 A JP5087621 A JP 5087621A JP 8762193 A JP8762193 A JP 8762193A JP H06302399 A JPH06302399 A JP H06302399A
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tuner
negative feedback
stub
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隆平 熊澤
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KAKU YUUGOU KAGAKU KENKYUSHO
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Abstract

PURPOSE:To always alleviate high-frequency power reflection for plasma load resistance by branching a part of an oscillator output circuit with a directional coupler for connection to a negative feedback electronic circuit, and then feeding back a signal to a high-frequency signal generator via the electronic circuit. CONSTITUTION:A twin stub tuner 14 with operating characteristics equivalent to a stub tuner having approximately 10 to 20 times of high-frequency wavelength is used in a high-frequency negative feedback control and matching circuit. The twin stub tuner 14 is a device equipped with another terminal section added to a stub tuner. Also, the stub tuner 14 is a long stub tuner equivalent to length 10 to 20 times of guide wavelength, and composed of a short stub tuner 14AS and a long stub tuner 14AL. Consequently, the stub tuner 14 operates as a stub tuner having high-frequency wavelength equivalent to 10 to 20 times, according to a decrease in the length of the tuner 14AS. As a result, high-frequency power reflection can be alleviated with frequency negative feedback control, even when plasma load resistance changes with the elapse of time.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plasma generation / heating apparatus using an ion cyclotron high frequency, in which a frequency negative feedback control matching circuit is provided in an output circuit of a high frequency oscillator to constantly respond to a plasma load resistance which changes with time. The present invention relates to a plasma generation / heating device that is matched by frequency negative feedback control to minimize reflected power to an oscillator.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art A conventional technique will be described with reference to FIGS. 9, 10 and 11. Figure 9 shows the currently operating JET (Joint Eu
A cross-sectional view of a fusion experimental device called a ropean Torus) is shown. This is a type of plasma confinement device called a tokamak, which plays a leading role in the world's nuclear fusion research.
Research is done vigorously.

【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。
In FIG. 9, 1 is an internal poloidal magnetic field coil which is a primary winding, 2 is a vacuum container for confining plasma, 3 is an external poloidal magnetic field coil, 4 is a current transformer, 5 is a mechanical structure, 6 Indicates a toroidal field coil. FIG. 10 is a characteristic diagram in which various quantities are measured in a power reflectivity reduction experiment by position control of plasma in the JET device. FIG. 11 shows a conceptual diagram of the matching device of the experimental device. Figure
In 11, a high-frequency signal generator 7, a high-frequency oscillator 8, a directional coupler 9, 10 and 11 stub tuners, 12
Is an ion cyclotron heating antenna, and 13 is plasma. In the joint Europian torus (JET), the recent DT combustion (plasma produced by deuterium and tritium) experiments showed that the electric power injected into the plasma and the heat output generated by the fusion reaction were almost the same. Proved. In the JET ion cyclotron high-frequency heating experiment, a plasma heating of 22 MW for 10 seconds was successful, providing a phenomenon of physical interest. Among these, during the ion cyclotron high-frequency heating experiment, a transition occurred from the L mode having a short plasma confinement time to the H mode having a confinement time twice as long as that. However, due to this transition, the matching condition between the antenna placed in the device and the oscillator was broken, and the high frequency power reflection to the oscillator side increased. This is because the load resistance of plasma viewed from the antenna side has changed. In such a case, oscillation is stopped to protect the vacuum tube of the oscillator, but to avoid this, J
In ET, the current of the external poloidal magnetic field coil 3 is changed to bring the plasma 13 closer to the antenna 12 side (outer side) to return the plasma load resistance to the previous state and reduce the reflection of high frequency power. . The experimental data at this time are shown in FIG. In FIG. 10, a transition from the L mode to the H mode occurs during the high frequency heating of the ion cyclotron. By moving the plasma to the antenna side by about 2 cm as shown in Fig. 10, the load resistance of the antenna is always kept at 3Ω to prevent the high frequency power reflection from increasing. As can be seen from this FIG. 10, the plasma is moving with a time constant of 0.3 seconds. Here, the frequency is also changed, but this is to make the imaginary part of the impedance zero and does not affect the real part of the impedance.

【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。
Next, the operation of this device will be described.
In ion cyclotron high frequency plasma generation and heating,
The plasma load resistance of the antenna installed in the internal vacuum chamber of the plasma generation and confinement heating device is 4 to 5 at most with respect to the output impedance (for example, 50Ω) of the high frequency oscillator.
Ω, and a matching circuit is indispensable between the oscillator and the antenna. This matching circuit is composed of two stub tuners 10 and 11 whose ends are short-circuited as shown in FIG. Figure 11
In the figure, 7 is a high frequency signal generator, and 8 is a high frequency oscillator connected thereto. The high frequency oscillator 8 is connected to the antenna 12 via the directional coupler 9, the oscillator and the two stub tuners 10 and 11 provided on the antenna side. Reference numeral 13 is plasma, and 2 is a vacuum container surrounding the plasma. In a long-time plasma generation / heating experiment, the plasma load resistance fluctuates greatly due to changes in the density and temperature of the plasma 13 or scrape-off plasma 13, and the matching conditions are not satisfied, and the high frequency power reflection from the antenna 12 increases. In such a case, the output of the high frequency oscillator 8 must be stopped to protect the oscillation tube. Therefore, in order to stably generate and heat the plasma for a long time, it is essential to research and develop a matching circuit that can perform negative feedback control so that the output of the high frequency oscillator 8 does not stop. As shown in Figure 10,
Two stub tuners for changing plasma load resistance 1
The problem is solved in principle by moving 0 and 11 mechanically and finding a new matching point. Here, the stub tuner is
A tuner in which an inner conductor and an outer conductor of a coaxial tube are tangentially connected to electrically terminate.

【0005】[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。
In the conventional matching circuit using the stub tuners 10 and 11, two stub tuners 10 are provided in order to reduce the high frequency power reflection with respect to the time fluctuation of the plasma load resistance as described above. , 11 must be moved during heating of the high power high frequency oscillator 8. However, there are some problems to be solved. The problems to be solved by the invention are summarized as follows.

【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。
(1) Terminal part of stub tuner In the heating state of the movable number MW, 1 is installed at the terminal part of the stub tuner.
A high-frequency current of about kA is flowing, and it is dangerous to move this end part. (2) Controllable matching circuit that responds at high speed It is important to respond quickly to changes in the plasma state with time and to constantly reduce power reflection and reduce the burden on the high-frequency oscillator. Therefore, a mechanically operated system has a drawback that the response time is long. (3) High-frequency power loss in the matching device Since a large standing wave is generated in the matching device, the high-frequency power loss in the stub tuner cannot be ignored. Therefore, a matching device with low loss is desired.

【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。
The present invention has been made in order to solve the above problems, and by providing a high-speed frequency negative feedback control matching circuit without moving the terminating portion of the stub tuner, a time fluctuation of about 1 ms can be achieved. The purpose is to constantly reduce high frequency power reflection to the plasma load resistance. The present invention further invents a twin stub tuner which is designed to minimize the high frequency power loss in the matching device.

【0008】[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、スタブチューナーとを介してイ
オンサイクロトロン加熱アンテナに接続したイオンサイ
クロトロン高周波を用いたプラズマの生成、加熱装置に
おいて、前記方向性結合器により前記発振器の出力の一
部を分岐して負帰還電子回路を接続し、該負帰還電子回
路を介して前記高周波信号発生器に帰還するよう構成
し、これにより時間的に変化するプラズマ負荷抵抗に対
し常に周波数負帰還制御により整合を取り、発信器への
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。
The present invention is connected to an ion cyclotron heating antenna via a high frequency signal generator, a high frequency oscillator connected thereto, a directional coupler connected to the output side thereof, and a stub tuner. In the plasma generation and heating device using the ion cyclotron high frequency, a part of the output of the oscillator is branched by the directional coupler to connect a negative feedback electronic circuit, and the high frequency is generated via the negative feedback electronic circuit. It is configured to feed back to the signal generator, and by this, it is configured to always match the time-varying plasma load resistance by negative frequency feedback control and reduce the reflected power to the oscillator as much as possible. It is in the plasma generation and heating device.

【0009】[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。
The high-speed negative feedback control matching circuit according to the present invention uses a twin stub tuner having operating characteristics equivalent to those of a stub tuner having a high frequency wavelength of about 10 to 20 times.

【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。
Twin stub tuners are devices in which a conventional stub tuner is equipped with another termination. This twin stub tuner is a long stub tuner that is equivalent to a length of 10 to 20 times the guide wavelength, and the stub tuner is characterized in that it is composed of a short stub tuner and a long stub tuner.

【0011】[0011]

【実施例】【Example】

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
の化学式で与えられる。ここでAS ,AL ,ArとA
eff 等の値はすべて高周波波長で規格化された数値であ
る。
Example 1 The operating characteristics of the twin stub tuner will be described with reference to FIG. In FIG. 1, 14 is a twin stub tuner, 14A
S is a short stub tuner, 14 AL is a long stub tuner, 15 is a cross-branch coaxial tube, 16 is a coaxial tube, and 17 is a movable terminal end. The twin stub tuner 14 is composed of a short stub tuner 14AS (0.1 wavelength or less) and a long stub tuner 14AL (0.4 to 0.5 wavelength). By combining the lengths of these two stub tuners 14 AS and 14 AL, the synthetic length (Ar) and the effective length (A eff ) when acting as a conventional stub tuner are given by the following chemical formulas. Where AS, AL, Ar and A
All the values such as eff are values standardized at high frequency wavelengths.

【0012】[0012]

【数1】 [Equation 1]

【0013】[0013]

【数2】 [Equation 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。
In FIG. 2, the calculation result of the equation (1) is given as a composite value of the short stub tuner 14AS and the long stub tuner 14AL. FIG. 2A shows a three-dimensional display, and shows the combined length (Ar) at which the twin stub tuner 14 acts as a conventional stub tuner by its height. Further, FIG. 2B shows the contour lines of Ar in FIG. As can be seen in FIGS. 2 (A) and 2 (B), the shorter the stub tuner of 14 AS, the shorter the A
The contour lines of r are dense. This shows that the synthetic length (Ar) can be largely changed by slightly changing 14AL while keeping 14AS constant. In order to express this quantitatively, when the frequency is slightly changed, how long the twin stub tuner 14 effectively corresponds to the long stub tuner 14AL is calculated by using the equation (2). Shown in. Similar to FIG. 2, FIG. 3A shows a three-dimensional display, and shows how A eff changes depending on the values of 14AS and 14AL of the twin stub tuner. As shown in FIG. 3A, it can be seen that the shorter the stub tuner 14AS is from 0.01 to 0.01, the more the stub tuner has a high-frequency wavelength corresponding to 10 to 20 times.

【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。
Example 2 A study was conducted on a system in which the frequency of the high-frequency oscillator was slightly changed with respect to the fluctuation of the plasma load and the matching was performed again. The principle conceptual diagram of the experimental apparatus is shown in FIG. This matching device uses a two stub tuner system. 8 times longer stub tuner on oscillator side and antenna side
10A1 and a short stub tuner 11A3 with a wavelength of 0.1 wavelength or less were used. These intervals are set to 1/4 wavelength. The length of the stub tuner 10A1 on the oscillator side is normalized by wavelength, A1 = 7.5-α (α <1), and the stub tuner 11A3 on the antenna side has A3 = 0.0602. FIG. 5 shows the experimental results. In FIG. 5, the matching condition of zero power reflectance is satisfied when the load resistance is 2.2 Ω at the frequency of 42.5 MHz. Here, if the load resistance is 5.6 Ω, the power reflectivity increases to 8%. Here, the reflectance decreases as the frequency is lowered from 42.5 MHz, and the power reflectance becomes almost zero at 42.2 MHz. Therefore, the frequency fluctuation rate is 0.7%
Thus, the power reflectivity can be made zero for load resistance fluctuation rates of 2.2 Ω to 5.6 Ω.

【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。
The same experiment was conducted with several kinds of load resistors. The results are shown in FIGS. 6 (A) and 6 (B). When the load resistance is 2.2 Ω, the matching condition of zero power reflectance is satisfied. When changing from no plasma load (estimated to be vacuum load) to 5.6 Ω, the reflectance increases to 8% without load resistance and 6.5% (white circle) at 5.6 Ω. At this time, if the frequency with which the reflection is minimized is selected for each plasma load, the reflectance can be reduced to 1% or less with respect to a wide range variation of the plasma load as shown by a black circle. Improvement rate in this case (reflectance with frequency control /
FIG. 6B shows the reflectance when there is no frequency control, a black circle) and the frequency change rate (df / f, a white circle) required to achieve it.
Shown in. Thus, for values larger than the load resistance initially set, it is possible to reduce the reflectance of high frequency power to 0.2% or less. This shows that the principle experiment of the frequency negative feedback control system with respect to the time change of the plasma load resistance was completed.

【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。
Third Embodiment In the second embodiment, the principle experiment of the frequency negative feedback control system with respect to the change of the high frequency resistance was conducted by using the stub tuner 10 having a frequency of 8 times the high frequency. Since an 8 times stub tuner has a large high frequency power loss and low plasma generation / heating efficiency, a twin stub tuner 14 is used instead of the 8 times stub tuner 10 as shown in FIG. FIG. 7 shows a conceptual diagram of the high-speed negative feedback control matching system developed by the present invention.

【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増幅器、21はこの増幅器に接続
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,28
B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(ms)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(FP)、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(R
P)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4
2.5MHzであるので、周波数変化率は±0.12%であ
る。
In FIG. 7, 19 is a high frequency signal generator, and 20
Is a high-frequency amplifier connected to this, and 21 is a directional coupler connected to this amplifier. In the present invention, the directional coupler 21 is connected to the antenna 18 via the twin tuners 14AS, 14AL and the stub tuner 11A3. A part of the output of the directional coupler 21 is branched to control the negative feedback. The reflected power input 23 is detected by the detector 22 of the electronic circuit 29, and the differential amplifier 26A, 26B, 27A, 27B, 28A, 28 is detected.
The output of B is input to the frequency modulator of the high frequency generator 19. Using this device, a simulated experiment of a high-speed negative feedback control matching circuit that always minimizes the reflectance of high-frequency power with a time constant of millisecond (ms) was conducted. Therefore, a high-frequency load resistor 31 that changes at high speed was manufactured using a pin diode. The load resistance can be changed within the range of 1 to 7 Ω by externally voltage-controlling this. The experimental results are shown in FIG. The configuration of the twin stub tuners 14AS and 14AL used here has a length AS of 14AS = 0.025 and a length AL of 14AL = 0.465. In FIG. 8A, the high frequency incident power (FP), the high frequency load resistance (RP), and the power reflectivity (REP) are shown from the top.
The high frequency incident power is almost constant. High frequency load resistance (R
P) changes to 2 to 6Ω with a time constant of 3 ms. Matching is set so that the reflected power factor becomes zero when the high frequency load resistance (RP) is 2Ω. When the high frequency load resistance becomes 6Ω, the power reflectivity (REP) becomes 10%. At this time, the frequency negative feedback control is not performed. On the other hand, FIG. 8B shows the result when the frequency negative feedback control is performed. The high frequency load resistance (RP) changes by 2 to 6Ω as in the case of FIG. Power reflectivity (REP) at this time
Is 0.2% at maximum, and the frequency fluctuation is ± 0.05 MHz correspondingly. The frequency used here is 4
Since it is 2.5 MHz, the frequency change rate is ± 0.12%.

【0019】[0019]

【発明の効果】【The invention's effect】

(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。
(1) A twin stub tuner was invented as a substitute for a stub tuner having 10 to 20 times the high frequency wavelength. (2) In the two stub tuner matching circuit system, if a stub tuner with a wavelength of about 8 times is used on the oscillator side, high frequency power reflection is reduced by negative frequency feedback control even if the load resistance of plasma changes with time. Has the effect of (3) By applying the twin stub tuner to the frequency negative feedback control matching circuit, it is possible to reduce the frequency change rate and reduce the load on the oscillator. Even if the load resistance is changed at high speed, it responds with a time constant of about ms, and has the effect of reducing the power reflectivity to 0.2% or less over a wide range of load resistance.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【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。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing details of the structure of a twin stub tuner for carrying out Embodiment 1 of the present invention.

【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。
FIG. 2 is a diagram showing Embodiment 1 of the present invention, and is a characteristic diagram showing an operating state in which a twin stub tuner acts as a conventional stub tuner.

【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。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing how long an operation characteristic of a twin stub tuner corresponds to a long stub tuner in the first embodiment of the present invention.

【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。
FIG. 4 is a conceptual diagram of a matching device for performing a principle experiment of frequency negative feedback control in a second embodiment of the present invention.

【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。
FIG. 5 shows that in Embodiment 2 of the present invention, when a stub tuner having a wavelength of about 8 times longer is used, the power reflectivity can be made zero again by a slight change in frequency with respect to a change in load resistance. It is a characteristic view to show.

【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。
FIG. 6 is a characteristic diagram showing a minimum reflectance value by frequency adjustment for various load resistances and a frequency change rate at that time in Example 2 of the present invention.

【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。
FIG. 7 is a conceptual diagram of an experimental apparatus of Example 3 of the present invention, and is a circuit diagram of a matching system using a twin stub tuner for performing high-speed negative feedback control.

【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。
FIG. 8 (A) is a characteristic diagram showing a result of power reflectivity in the third embodiment of the present invention in the absence of frequency negative feedback control. FIG. 8B is a characteristic diagram showing the result of the power reflectivity in the case where the frequency negative feedback control is provided in the third embodiment of the present invention.

【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。
FIG. 9 is a joint europian torus (JE
T) is a schematic view of an apparatus.

【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。
FIG. 10 is a joint Europian torus (J
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the result of a power reflectivity reduction experiment by controlling the position of plasma in the (ET) device.

【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。
FIG. 11 is a circuit diagram of a matching device using a conventional two-stub tuner.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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 高周波増幅器 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) 1 Internal poloidal magnetic field coil which is a primary winding 2 Vacuum container 3 External poloidal magnetic field coil 4 Current transformer 5 Mechanical structure 6 Toroidal magnetic field coil 7 High frequency signal generator 8 High frequency oscillator 9 Directional coupler 10 Oscillator side stub tuner 11 Antenna side stub tuner 12 Antenna 13 Plasma 14 Twin stub tuner 14AS Short stub tuner 14AL Long stub tuner 15 Cross-branch coaxial tube 16 Coaxial tube 17 Movable terminal 18 Antenna 19 High frequency signal generator 20 High frequency amplifier 21 Directional coupler 22 Detector 23 Reflected power input 24 Positive offset power supply terminal 25 Negative offset power supply terminal 26A, 26B, 27A, 27B, 28A, 28B Differential amplifier 29 Negative feedback control electronic circuit 30 Low frequency signal generator 31 High frequency resistance (pin diode)

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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、
スタブチューナーとを介してイオンサイクロトロン加熱
アンテナに接続したイオンサイクロトロン高周波を用い
たプラズマの生成、加熱装置において、前記方向性結合
器により前記発振器の出力の一部を分岐して負帰還電子
回路を接続し、該負帰還電子回路を介して前記高周波信
号発生器に帰還するよう構成し、これにより時間的に変
化するプラズマ負荷抵抗に対し常に周波数負帰還制御に
より整合を取り、発信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。
1. A high frequency signal generator, a high frequency oscillator connected to the high frequency signal generator, and a directional coupler connected to the output side thereof.
In a plasma generation and heating device using an ion cyclotron radio frequency connected to an ion cyclotron heating antenna via a stub tuner, a part of the output of the oscillator is branched by the directional coupler and a negative feedback electronic circuit is connected. Then, it is configured to feed back to the high-frequency signal generator through the negative feedback electronic circuit, whereby the plasma load resistance that changes with time is always matched by the frequency negative feedback control, and the reflected power to the oscillator is adjusted. A plasma generation / heating device characterized by being configured to reduce as much as possible.
【請求項2】 前記整合回路は2本のスタブチューナー
システムを採用し、発振器側には双子スタブチューナー
を組み込んだことを特徴とする請求項1記載のプラズマ
生成・加熱装置。
2. The plasma generation / heating apparatus according to claim 1, wherein the matching circuit adopts a two-stub tuner system, and a twin stub tuner is incorporated on the oscillator side.
【請求項3】 前記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スタブチューナーとして動作
するよう構成することを特徴とする請求項1及び2の何
れかに記載のプラズマ生成・加熱装置。
3. The twin stub tuner has a tube wavelength of
The plasma generation / heating apparatus according to claim 1, wherein the plasma generation / heating apparatus is configured to operate as a stub tuner having a length equal to 10 to 20 times.
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