JPS6097291A - Stabilizer for plasma - Google Patents

Stabilizer for plasma

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JPS6097291A
JPS6097291A JP58204682A JP20468283A JPS6097291A JP S6097291 A JPS6097291 A JP S6097291A JP 58204682 A JP58204682 A JP 58204682A JP 20468283 A JP20468283 A JP 20468283A JP S6097291 A JPS6097291 A JP S6097291A
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magnetic
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frequency
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健 吉岡
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10Nuclear fusion reactors

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  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、トカマク型核融合装置[17+す、グラメマ
放IIL中に発生するプラズマ電流[、や新現象を防止
するだめの制御装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Application of the Invention] The present invention relates to a control device for preventing new phenomena such as a plasma current generated during a tokamak-type nuclear fusion device [17+], or a plasma current [IIL].

〔発明の背景〕[Background of the invention]

トカマク型核融合装置においては、メイジャーデイスラ
フーショノと呼ばれるプラズマ電流のしゃ新現象が発生
することがある。この現象が起こるとプラズマの持って
いた熱および電磁エネルギーがすべてプラズマ外に放出
され、周辺のコイルや真空容器壁等の損傷に結びつく危
険性もある。このため、該現象を未然に防止する必要性
が生じている。
In tokamak-type fusion devices, a plasma current disruption phenomenon called major disruption may occur. When this phenomenon occurs, all of the heat and electromagnetic energy possessed by the plasma is released outside the plasma, which may lead to damage to surrounding coils, vacuum vessel walls, etc. Therefore, there is a need to prevent this phenomenon.

従来、このようなプラズマ電流のしゃ新現象を防止する
手段として、プラズマ周辺にヘリカル伏のコイルを配し
、趣断現象の前兆現象が発生した時点で、ヘリカルコイ
ルに′電流を流すことによって、そのしゃ新現象を防止
する技術が提案されている。(例えばNuclear 
Fusion 198020/9)しかしこの従来技術
は、真空容器周辺にヘリカルコイルを配するため、核融
合装置の構造が複雑になるという欠点を有していた。
Conventionally, as a means to prevent such a plasma current interruption phenomenon, a helical coil is arranged around the plasma, and when a precursor phenomenon of the interruption phenomenon occurs, a current is passed through the helical coil. Techniques have been proposed to prevent this new phenomenon. (For example, Nuclear
(Fusion 198020/9) However, this conventional technique had the drawback that the structure of the nuclear fusion device was complicated because the helical coil was arranged around the vacuum vessel.

っき゛に、もう一つの従来技術として、電子サイクロド
ロア波加熱装置を設置し、しゃ新現象の前兆現象が生起
した時点で、プラズマ中の前兆現象の起っている部分を
、局所的に集中加熱することによって、しゃ断現象を防
止する技術が提案されている。(例えばNuclear
 Fusion 198222/272)この方法は、
炉構造を複雑にしなくて済むが、プラズマを加熱し、そ
′nによって前兆現象部位の鞠辺のプラズマ電流分布を
局所的に変化させることにより、前兆現象を押えるとい
う間接的な方法であるため、とくにプラズマがIKey
以上の高温となる大型核融合装置では、その防止効果が
充分に作用しないという欠点を有する。
As another conventional technology, an electron cyclodrore wave heating device is installed to locally concentrate the part of the plasma where the precursor phenomenon occurs when a precursor phenomenon occurs. A technique has been proposed to prevent the cutoff phenomenon by heating. (For example, Nuclear
Fusion 198222/272) This method is
Although it does not require a complicated furnace structure, it is an indirect method of suppressing the precursor phenomenon by heating the plasma and locally changing the plasma current distribution at the edge of the precursor phenomenon region. , especially plasma is IKey
Large-scale nuclear fusion devices that reach such high temperatures have the disadvantage that the prevention effect is not sufficiently effective.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明の目的は、高温プラズマにおいても有効に作用し
、炉構造も複雑にしないで、プラズマ電流しゃ断現象を
未然に防止する装置を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an apparatus that works effectively even in high-temperature plasma and prevents plasma current cutoff phenomena without complicating the furnace structure.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

上記目的を達成するために、本発明では、低域混成波帯
域WLITの発振器を用い、プラズマ電流を尚周波で強
制的に駆動することによって、前兆現象を抑え、しゃ断
現象を防止する。
In order to achieve the above object, the present invention uses an oscillator in the low mixed wave band WLIT and forcibly drives the plasma current at a constant frequency, thereby suppressing the precursor phenomenon and preventing the cutoff phenomenon.

すなわち、本発明は、プラズマ内の前兆現象全検知し、
高回数を発振略せプラズマ内に強制的に′+4う:流を
駆動せしめ、かつそのプラズマ内VC6けるぼ流の駆動
部位が、前兆現象を抑制するのに最も効果的となるよう
に、発振高周波の位相あ・よひ振幅を調整し、これによ
り、プラズマ′屯流のしゃ断を未然に防止する構成分と
る。
That is, the present invention detects all precursory phenomena in plasma,
The high frequency oscillation is forced into the plasma to drive the VC6 current in the plasma, and the driving part of the VC6 current in the plasma is most effective in suppressing the precursory phenomenon. The phase and amplitude of the plasma are adjusted to prevent the plasma flow from being cut off.

本発明は、以下に述べる知見をもとてして、なされたも
のである。
The present invention has been made based on the findings described below.

プラズマ”II流のしゃ断現象は、砥抗性MHD(磁気
流体力学的)不安定性に起因して起こる。
The plasma II flow cutoff phenomenon occurs due to abrasive MHD (magnetohydrodynamic) instability.

この不安定性は、いわゆるm=2テアリノグモードと称
される状態である。この不安定性は、比較的緩かなもの
であり、紀1図に示すような磁気島を形成しつつτ=η
/ lto 程度の時定数で成長す/1゜ここでηはプ
ラズマ抵抗率、μ、は真空透磁率である。(大型装置で
はτ〜IS程度となる。)この不安定性の成長力は、磁
気島周辺の電流分布の形状によって決まり、′自流分布
形状は、プラズマの初期放電条件や、放電中のプラズマ
中の工不ルギーバラノス等が複雑にからみ合って決する
This instability is a so-called m=2 tearing mode. This instability is relatively mild, forming a magnetic island as shown in Fig. 1, and τ = η
It grows with a time constant of about /lto/1°, where η is plasma resistivity and μ is vacuum permeability. (In a large device, it is about τ~IS.) The growth force of this instability is determined by the shape of the current distribution around the magnetic island, and the shape of the current distribution is determined by the initial discharge conditions of the plasma and the current distribution in the plasma during discharge. The decision is made by a complex intertwining of factors such as engineering, labor, baranos, etc.

なお、第1図は、プラズマの縦断面上に、等磁気面を描
いたものであり、磁気島とは、等磁気面が島状になって
いる部分を指す。等磁気面とは、1(p=ψ×PφfB
pはボワイダル磁場、Pφはトーラス方向単位ベクトル
)で定義される磁束関数ψが一定となる面を指す。また
この磁気面上では、プラズマの温度Teや電流密度Jは
、一定値となる性質がある。
Note that FIG. 1 depicts isomagnetic surfaces on a longitudinal section of plasma, and the term "magnetic island" refers to a portion where the isomagnetic surfaces are island-shaped. An equimagnetic surface is 1(p=ψ×PφfB
p refers to a surface where the magnetic flux function ψ defined by a voidal magnetic field and Pφ a unit vector in the torus direction is constant. Furthermore, on this magnetic surface, the plasma temperature Te and current density J have a property of being constant values.

この磁気島が前記の成長力により増大し、一定限界値を
越えると、プラズマの閉じ込め能力がそう失し、突如プ
ラズマ電流がしゃ断する現象に至る。
When this magnetic island increases due to the above-mentioned growth force and exceeds a certain limit value, the plasma confinement ability is lost, leading to a phenomenon in which the plasma current is suddenly cut off.

この間の磁気高中Wの動特性を記述する式は、次式で与
えられる。
The equation describing the dynamic characteristics of the magnetic high medium W during this period is given by the following equation.

ここで η、:磁気島境界上のプラズマ抵抗率〔Ωnl〕Jn’
 のプラズマ電流 [A] である。右辺第1項のΔ’ (w)は で与λ−られる量であり、磁気島周辺の電流分布Jfr
lによって定まる量である。プラズマが本来有する…:
電流分布よって磁気島全成長させる力や、従来技術のと
ころで述べた電子サイクロトロン波加熱によって周辺電
流分布を制釧するときの磁気島の減少力は、この第1項
Δ′(W)で表わさnる。
Here, η: plasma resistivity on the magnetic island boundary [Ωnl]Jn'
The plasma current is [A]. Δ' (w) in the first term on the right side is a quantity given by λ-, and the current distribution around the magnetic island Jfr
It is a quantity determined by l. Plasma originally has...:
The force that causes the entire magnetic island to grow due to the current distribution, and the force that reduces the magnetic island when controlling the peripheral current distribution by electron cyclotron wave heating as described in the prior art section, is expressed by this first term Δ' (W). Ru.

ここで、 r:プラズマ副半径方向位It [m〕rS:磁気島中
央位置 Cm) である。
Here, r: plasma secondary radial direction It [m] rS: magnetic island center position Cm).

これに対して、右辺第2項は、磁気尻上に高周波によっ
て電流全強制駆動することによって、その成長を抑える
力に対応する。J r、 iψ)は駆動電流の、磁気島
槓界での値からの増分を表わすものであり、次式で与え
られる。
On the other hand, the second term on the right-hand side corresponds to the force that suppresses the growth of the magnetic tail by driving the entire current on the magnetic tail using high frequency. J r, iψ) represents the increment of the drive current from the value in the magnetic island field, and is given by the following equation.

ここでJrf(r)は、駆動電流のr方向分布である。Here, Jrf(r) is the r-direction distribution of the drive current.

J’rf(ψ)は、Jrf(りを磁気面上で平均したも
のである。ここでVとψは、ψ=V・ψ、の関係がある
J'rf(ψ) is the average of Jrf(ri) on the magnetic surface. Here, V and ψ have a relationship of ψ=V·ψ.

第1式第1項のΔ′(W)の値は通常Δ′(W)〜0,
51程観の値を持つのに対して、J r+ / J o
〜30%とすると、第2項は約5ととなり、第1項に比
べて、約1桁、磁気島変化率に対する影響力が強くなる
The value of Δ′(W) in the first term of the first equation is usually Δ′(W)~0,
J r+ / J o
When it is set to ~30%, the second term becomes about 5, and has a stronger influence on the rate of change of the magnetic island by about one order of magnitude than the first term.

なお、第[11,(2)、 +3)式は、電磁流体の基
本式であるアノペールの法則(μ。J−×B)、ファラ
デーの法則(dB/dt−×王)2よびオームの法則(
圧=η(J−’Jrf)) より導いたものである。
Note that Equation [11, (2), +3) is based on the basic equations of electromagnetic fluids, such as Anopère's law (μ. (
Pressure=η(J-'Jrf)).

つきに、高周波駆動電流JrfCr)は、温域混成波の
周波数帯域の高周波が外部エリ印加され、トロイダル方
向に位相速度η、=C/ロア で進行波を形成している
状態のもとで、次式で表わされる。
In this case, the high-frequency drive current JrfCr) is generated under the condition that a high frequency in the temperature range hybrid wave frequency band is externally applied and forms a traveling wave in the toroidal direction with a phase velocity η, = C/lower. It is expressed by the following formula.

n。プラズマ密度 〔n′I−8〕 ′1゛。 プラズマ温度 (e、vl n7,1高周波のトロイダル方向屈折率の上限値の下限
値 n// ” // I +n// 2 ) / 2であ
る。また、筒周波の弾」遅深さreは、で与えられる。
n. Plasma density [n'I-8] '1゛. The plasma temperature is (e, vl n7, 1) The lower limit of the upper limit of the refractive index in the toroidal direction of the high frequency is n//''//I + n//2)/2.The slow depth re of the cylindrical frequency bullet is , given by .

ここで、 a プラズマ副半径 〔m) Rプラズマ主半径 〔m〕 PLH高周波全パワー 〔W〕 Prf プラズマ吸収される高周波パワー密度CWm−
”:] である。
Here, a Plasma minor radius [m] R Plasma main radius [m] PLH high frequency total power [W] Prf High frequency power density absorbed by plasma CWm-
”:] is.

さて、以上に述べた、磁気島の挙動に関する性質を利用
して、磁気島を縮小するべく、効果的な制酉1方法を実
現するには、第(3)式で定義されるJr、が大きな値
をとるように工夫する必要があゆそれには、次の3点に
ついて解決する必要がある。
Now, in order to realize an effective control method 1 to reduce the size of the magnetic island by utilizing the properties related to the behavior of the magnetic island described above, Jr defined by the equation (3) is If it is necessary to devise ways to obtain a large value, it is necessary to solve the following three points.

ます、Jrl (リ は、第(4)式で示されるとおり
Teがexp項の中に入っているために、r=reで最
大値となるするどいピーク形状を示す。しかし、(3)
式によって、磁気面上で平均操作したものが、Jrlと
なるので、JrlはJrf(r)のピーク値よりも小さ
な仙(+rr、く” J目(r、+1となり、磁気島縮
小の効率が落ちる。そこで、プラズマ全体が反磁性回転
(プラズマの圧力均配Pとトロイダル磁場BTとのロー
レンツ力による、プラズマのボロイダル方向への回転運
動)シ、ていることを利用して、J’rf(Q k反磁
性回転数ωoVc同期させて、回航させ、磁気島中央が
アンテナに接近したときにのみ高周波を発振するように
する。これによって第(3〕式第2項の磁気島境界上の
駆動電流Jrf(ψ1)を小さくすることができ、結果
として、dy としてrF 4山することになる。)つ
き゛に、畠li!11波の到達位置re を磁気島中央
弓に一致させるための工夫が必要である。これは、第(
5ン式により、トロイダル方向のJt口折率n// を
変化させることで可能である。すなわちnN全増加(減
少うさせると、Frf(n 全体が増加(減少)しPL
H一定のもとではr。が減少(増加)する。
Since Te is included in the exp term as shown in equation (4), Jrl shows a sharp peak shape that reaches its maximum value at r = re.However, (3)
According to the formula, the average operation on the magnetic surface becomes Jrl, so Jrl is smaller than the peak value of Jrf(r). Therefore, J'rf ( Qk diamagnetic rotation speed ωoVc is synchronized and rotated so that high frequency waves are oscillated only when the center of the magnetic island approaches the antenna.This causes the drive on the boundary of the magnetic island in the second term of equation (3) to occur. The current Jrf (ψ1) can be made smaller, and as a result, dy will have four peaks of rF.) Therefore, a device was devised to make the arrival position re of the 11 waves coincide with the central bow of the magnetic island. This is the first (
This is possible by changing the Jt opening refraction index n// in the toroidal direction using the 5-inch formula. In other words, when nN total increases (decreases), Frf(n total increases (decreases) and PL
Under constant H, r. decreases (increases).

最後に、(3;式により磁気島を制画しようとすると、
一般に、磁気島中央の位置r、に関する情報が必要とな
る。しかるに、火時間PTt側が可Hしで、@粗性ケ有
する計測手段としては、電磁グローブによる磁気高中W
に関する情報しか得られないのが現状である。そこで、
Wに関する情報のみで、最適電流駆動位置r0を決め得
るような方策を考えることにする。第(1)、 (3)
式より明らかなように、磁気島の減少力は、r、=r、
で最大、r、からそれに従って単調減少する性質をもつ
ので、高周波大となるような点が、最適駆動位置r、に
一致するはずである。17が最大となるnttを探索す
るには、非線形計画法(最急降下法)の考えを用いであ
るいは (7) に従って、”n’!:修正すればよい。ここで、右辺の
(dw/dt)は計測データを指す。
Finally, if you try to draw a magnetic island using the formula (3),
Generally, information regarding the position r of the center of the magnetic island is required. However, as a measuring means that has good heat on the fire time PTt side and @roughness, it is possible to use magnetic high-temperature W using an electromagnetic globe.
Currently, only information on the subject can be obtained. Therefore,
Let us consider a method that allows the optimum current drive position r0 to be determined using only information regarding W. Section (1), (3)
As is clear from the formula, the reducing force of the magnetic island is r, = r,
Since it has the property of decreasing monotonically from the maximum, r, accordingly, the point at which the high frequency is large should coincide with the optimal drive position r. To search for ntt for which 17 is the maximum, use the idea of nonlinear programming (steepest descent method) or modify “n’!: according to (7).Here, (dw/dt ) refers to measurement data.

〔発明の実゛施例〕[Embodiments of the invention]

以下、本発明を実施例にて説明する。第2図は本発明の
構成を示す図である。プラズマ1の近傍に設置された碓
、気グローブ3は、ボロイダル磁場Bθの時間変化率B
θを検出する。このiθは反磁性回転周波数ωDの正弦
波である。この振幅の二乗は磁気島2の巾Wに比例する
ので検波器4を通して磁気高中信号Wに変換し、微分器
5全通して、Wの時間変化率Wを出力する。佐は、スイ
ッチ回路6に入力し、第(7)式により、1:l// 
= −K sign (弱/ ntt )として、屈折
率の時間変化率n//をめる。nttはさらに、積分器
7に入力して、n//金時間槓分し、ntt(!−求め
る。n〃は換算器8に入力し、位相ψを出力する。換算
式は ψ L 2π λn// である。ここで ]、:2M波愉アンテナの一本尚りの巾 [mlλ:真
空波長 〔m〕 出力されたψは、移相器9a−9dK入力する。
The present invention will be explained below with reference to Examples. FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the present invention. Usui's Ki Globe 3 installed near the plasma 1 detects the time rate of change B of the boroidal magnetic field Bθ.
Detect θ. This iθ is a sine wave with a diamagnetic rotation frequency ωD. Since the square of this amplitude is proportional to the width W of the magnetic island 2, it is converted into a magnetic high-medium signal W through a detector 4, passed through a differentiator 5, and outputs the time rate of change W of W. is input to the switch circuit 6, and according to equation (7), 1:l//
The time rate of change of the refractive index n// is calculated as = -K sign (weak/ntt). ntt is further input to the integrator 7, divided by n//time, and ntt(!- is calculated. n〃 is input to the converter 8, and the phase ψ is output. The conversion formula is ψ L 2π λn // Here], : Width of one length of 2M wave antenna [mlλ: Vacuum wavelength [m] The output ψ is input to the phase shifters 9a to 9dK.

一方、磁気グローブ3の出力信号Bθは、グリッドバイ
アス回路12を逃して、直接発振器11a−1ld +
通常は発振周波数100 MHz 〜I GHzのクラ
イストロノンのグリッドに入力し、発振器出力Ea E
dVC対して、反磁性回転周波数〜100KHzで振幅
変調を行う。発振器出力Ea−Eaは、移相器9a−9
dに入力し、それぞれ0、ψ、2ψ、3ψの移相を受け
る。移相器を出た出力は、グリル型のアンテナ10a 
10dfWaveG口ide )に入力し、そこでプラ
ズマに対して、トロイダル方向屈折率n//?有する1
1磁波を放射する。
On the other hand, the output signal Bθ of the magnetic globe 3 misses the grid bias circuit 12 and is directly transmitted to the oscillator 11a-1ld+
Normally, it is input to a klystronon grid with an oscillation frequency of 100 MHz to I GHz, and the oscillator output Ea E
Amplitude modulation is performed on the dVC at a diamagnetic rotation frequency of ~100 KHz. Oscillator output Ea-Ea is output from phase shifter 9a-9.
d and undergo phase shifts of 0, ψ, 2ψ, and 3ψ, respectively. The output from the phase shifter is a grill-type antenna 10a.
10dfWaveG_ide), where the toroidal direction refractive index n//? have 1
1 emits magnetic waves.

この電磁波によって、(42式で示したような高周波駆
動′電流がプラズマ中に流れ、(1)式の動特性に従つ
1、磁気島が縮小する。
Due to this electromagnetic wave, a high-frequency driving current as shown in equation (42) flows in the plasma, and the magnetic island shrinks according to the dynamic characteristics of equation (1).

なお本例では、4本並列型のアンテナを用いる場合につ
いて説明したが、一般にn本並列型の場合も同様である
。また、検波器4から換算器8に至る処理あるいはその
一部は、制御用#算機により実現するどとが可能である
In this example, a case has been described in which four antennas are used in parallel, but the same applies generally to a case in which n antennas are used in parallel. Further, the processing from the detector 4 to the converter 8 or a part thereof can be realized by a control # calculator.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したごとく、本発明によれば、核融合鼓型本体
には、高周波アンテナを設置するだけでよく、すなわち
炉構造を複雑にすることなく、かつ、電流を高周波で直
接駆動する方式を採るので高温プラズマを閉じ込める大
m装置 VCBいても充分有効に作動することが可能と
なる。これによってプラズマの電流しゃ断現象の防止が
可能となり、よってこれを用いた核融合装置にあっては
、ベータ値を向上させ、ひいては核融合装置の建設コス
トの低凋〒期待できるものである。
As explained above, according to the present invention, it is only necessary to install a high-frequency antenna on the fusion drum-shaped main body, that is, without complicating the reactor structure, and by adopting a method of directly driving current at high frequency. Therefore, it is possible to operate sufficiently effectively even with a large m device VCB that confines high-temperature plasma. This makes it possible to prevent the plasma current cut-off phenomenon, and therefore, in a nuclear fusion device using this, it is expected that the beta value will be improved and the construction cost of the nuclear fusion device will be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

銅1図は、プラズマの縦断面に等[入面を描いた説明図
、第2図は本発明の一実施例のfijIg図である。
Figure 1 is an explanatory diagram depicting the plane of incidence on the longitudinal section of the plasma, and Figure 2 is a fijIg diagram of one embodiment of the present invention.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] ■、 プラズマ周辺に設置した電磁プローブによって、
揺動ボロイダル磁場を検出し、この検出結果から、プラ
ズマ内に発生する磁気島の巾を推定する手段と、プラズ
マの低域混成波に相当する周波数帯域の高周波を発振す
る手段と、該推定磁気高中に応じて、発振筒周波を移相
する手B2と、移相し、た高周波を、トーラス方向進行
波として、プラズマ内に放射するグリル型アンテナを有
し、これにより、メイジャーデイスラブショ/と呼ぷフ
ーラスマ電流のj−や新現象を未然に防止することを特
徴とするプラズマの安定化装置。
■, by electromagnetic probes installed around the plasma,
a means for detecting an oscillating boloidal magnetic field and estimating the width of a magnetic island generated in the plasma from the detection result; a means for oscillating a high frequency wave in a frequency band corresponding to a low-frequency hybrid wave of the plasma; It has a hand B2 that shifts the phase of the oscillating cylinder frequency according to the high temperature, and a grill-type antenna that radiates the phase-shifted high frequency wave into the plasma as a traveling wave in the torus direction. This is a plasma stabilizing device characterized by preventing the J- and new phenomena of the plasma current.
JP58204682A 1983-11-02 1983-11-02 Stabilizer for plasma Granted JPS6097291A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9089985B2 (en) 2010-12-28 2015-07-28 Sato Holdings Kabushiki Kaisha Sheet cutting device

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9089985B2 (en) 2010-12-28 2015-07-28 Sato Holdings Kabushiki Kaisha Sheet cutting device

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JPH0231359B2 (en) 1990-07-12

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