Megawatt-scale gyrotrons operating in the relatively low frequency range of 14–35 GHz are required for electron Bernstein wave heating, electron cyclotron heating, and electron cyclotron current drive experiments in specific low-magnetic field fusion devices. In this study, a 14 GHz 1 MW gyrotron was developed based on a design concept that incorporates direct RF beam coupling through a built-in corrugated waveguide. This approach minimizes the RF transmission path and enhances the transmission efficiency. In the initial experimental test, an output power of 1.05 MW was achieved with a pulse width of 2 ms at 14.018 GHz. This represents the first instance of a 1.05 MW output in the 14 GHz gyrotron, demonstrating its potential use in fusion reactor and devices. The study also details the development of a novel 28 GHz 0.4 MW continuous wave gyrotron designed for the Q-shu University Experiments with Steady-state Spherical Tokamak. This gyrotron utilizes a double-disk sapphire window and a depressed collector. Experimental results at the output window demonstrated a maximum power of 1.24 MW with a pulse width of 2 ms as well as a maximum total efficiency with a collector potential depression of 53.1% with a output power of 0.52 MW and a pulse width of 8 ms. Additionally, a 28/35 GHz dual-frequency gyrotron was employed to evaluate the cooling performance of the double-disk sapphire window—an essential component for high-power gyrotrons at low frequencies. By comparing the experimental data, including an output power of 0.13 MW at a pulse width of 30 s at 28 GHz, with simulation results, the feasibility of achieving 0.4 MW CW operation at 28 GHz was confirmed.
14–35 GHzという比較的低い周波数範囲で動作するメガワット級ジャイロトロンは、特定の低磁場核融合装置における電子バーンスタイン波加熱、電子サイクロトロン加熱、および電子サイクロトロン電流駆動実験に必要とされている。本研究では、内蔵コルゲート導波管を通した直接RFビーム結合を組み込んだ設計概念に基づき、14 GHz 1 MWジャイロトロンを開発した。この手法はRF伝送経路を最小化し、伝送効率を向上させる。初期の実験試験では、14.018 GHzにおいて、パルス幅2 msで出力電力1.05 MWを達成した。これは14 GHzジャイロトロンにおける1.05 MW出力の初の事例であり、核融合炉および核融合装置への応用の可能性を示すものである。また本研究では、Q-shu大学の定常球状トカマク実験のために設計された、新しい28 GHz 0.4 MW連続波ジャイロトロンの開発について詳述する。このジャイロトロンは、二重ディスクサファイア窓とディプレストコレクタを採用している。出力窓における実験結果では、パルス幅2 msでの最大出力1.24 MWを実証し、ならびに、出力電力0.52 MW、パルス幅8 msにおいて、コレクタ電位降下による最大総合効率53.1%を実証した。さらに、低周波数における高出力ジャイロトロンに不可欠な部品である二重ディスクサファイア窓の冷却性能を評価するため、28/35 GHzデュアル周波数ジャイロトロンを用いた。28 GHzにおけるパルス幅30 s、出力電力0.13 MWを含む実験データをシミュレーション結果と比較することにより、28 GHzでの0.4 MW CW動作の実現可能性が確認された。