A high-power pulse gyrotron was developed to generate a probe wave for 300 GHz-band collective Thomson scattering (CTS) diagnostics in the Large Helical Device. In this frequency range, avoiding mode competition is critical to realizing high-power and stable oscillation with a narrow frequency bandwidth. A moderately over-moded cavity was investigated to ensure sufficient isolation of a desired mode from neighbouring modes, and to achieve high power output simultaneously. A cavity with the TE14,2 operation mode, a triode electron gun with an intense laminar electron beam, and an internal mode convertor were designed to construct a prototype tube. It was experimentally observed that oscillation of the TE14,2 mode was strong enough for mode competition, and provided high power with sufficient stability. The oscillation characteristics associated with the electron beam properties were compared with the numerical characteristics to find an optimum operating condition. As a result, single-mode operation with maximum output power of 246 kW was demonstrated at 294 GHz with 65 kV/14 A electron beam, yielding efficiency of ∼27%. The radiation pattern was confirmed to be highly Gaussian. The duration of the 130 kW pulse, which is presently limited by the power supply, was extended up to 30 µs. The experimental results validate our design concept and indicate the potential for realizing a gyrotron with higher power and longer pulse toward practical use in 300 GHz CTS diagnostics.
高出力ジャイロトロンは、大型ヘリカル装置における300 GHz帯の協同トムソン散乱（CTS）計測用のプローブ波を生成するために開発された。この周波数帯では、モード競合を回避することが、狭い周波数帯域幅で高出力かつ安定した発振を実現する上で重要である。適度な過大モードの空洞が、所望のモードを隣接モードから十分に分離しつつ、同時に高出力出力を達成するために検討された。TE14,2動作モードを有する空洞、高輝度の層流電子ビームを備えた三極電子銃、および内部モード変換器が設計され、試作管を構築した。実験により、TE14,2モードの発振がモード競合に対して十分に強く、高い出力と十分な安定性を提供することが観測された。電子ビーム特性に関連する発振特性は、数値計算による特性と比較され、最適な動作条件が見出された。その結果、294 GHzにおいて65 kV/14 Aの電子ビームで最大出力246 kWの単一モード発振が実証され、効率は約27%に達した。放射パターンは高いガウス性を示すことが確認された。130 kWパルスの持続時間は、現在は電源供給によって制限されているが、30 µsまで延長された。これらの実験結果は設計概念を検証し、300 GHz帯CTS計測の実用化に向けて、より高出力かつ長パルスのジャイロトロンを実現する可能性を示している。