AbstractElectron cyclotron heating (ECH) is one of the major candidates for heating and current drive on ITER (170 GHz) and W7-X (140 GHz). ECH is extremely attractive from physics and reactor engineering points of view, offering start-up assist, efficient and localized power deposition, simple and compact launching structures with high injected power density, and a simple interface with shielding and blanket. High unit power (1 MW or greater) and high efficiency (35% or greater) single-mode continuous-wave (CW) gyrotron oscillators are under development in order to reduce significantly the systems costs by reducing the size of the auxiliary support systems. 140 GHz gyrotrons with 0.55 MW output power in the Gaussian free-space TEM0,0 mode with a pulse length τ up to 3.0 s and efficiency η of 42% are already commercially available (Gycom). Improved internal quasi-optical mode transducers generate the TEM0,0 output mode with efficiencies of 90–95% and separate the electron beam from the r.f. beam, thus allowing the use of large CW relevant depressed collectors for energy recovery. Tube efficiencies around 50% have been already achieved at JAERI and KfK. Face cooled double-disk sapphire windows, cryogenically edge-cooled single-disk sapphire windows (liquid-nitrogen, liquid-neon or liquid-helium cooling), distributed windows (metal or ceramics) as well as diamond and silicon windows are under investigation in order to solve the window problem. Long-distance high-power millimeter wave transmission from the source to the plasma device with very low ohmic losses and high mode purity can be accomplished by (1) a closed, highly overmoded, circumferentially corrugated or dielectrically lined, tubular HE1,1 -hybrid mode waveguide and (2) open quasi-optical TEM0,0 transmission through a gaussian beam waveguide using focusing reflectors as phase-correcting elements.This paper reports the state of the art in gyrotron, window, transmission line and antenna development and discusses possibilities of ECH systems cost reduction.
電子サイクロトロン加熱（ECH）は、ITER（170 GHz）およびW7-X（140 GHz）における加熱および電流駆動の主要な候補の一つである。ECHは、物理学および原子炉工学の観点から極めて魅力的であり、立ち上げ支援、効率的かつ局所的なパワー沈着、高い入射パワー密度を備えた単純かつコンパクトな入射構造、ならびに遮蔽体およびブランケットとの単純なインターフェースを提供する。システムコストを大幅に低減するため、1 MW以上かつ35%以上の高効率を有する単一モード連続波（CW）ジャイロトロンの開発が進められている。ガウス自由空間TEM₀,₀モードで0.55 MWの出力パワー、パルス長τが3.0秒まで、効率ηが42%の140 GHzジャイロトロンは、すでに市販されている（Gycom社）。改良された内部準光学モード変換器は、90〜95%の効率でTEM₀,₀出力モードを生成し、電子ビームと高周波ビームを分離することで、エネルギー回収のための大型CW対応コレクタの使用を可能にする。約50%の管効率は、すでにJAERIおよびKfKで達成されている。水冷式二重円板サファイア窓、極低温エッジ冷却式単一円板サファイア窓（液体窒素、液体ネオン、または液体ヘリウム冷却）、分散窓（金属またはセラミック）、ならびにダイヤモンドおよびシリコン窓が、窓問題の解決に向けて研究中である。プラズマ装置への長距離高パワーミリ波伝送は、極めて低いオーミック損失と高いモード純度を実現する方法として、(1) 周方向コルゲーションまたは誘電体ライニングを施した高次オーバーモード管状HE₁,₁ハイブリッドモード導波管、および(2) 位相補正反射鏡を用いたガウスビーム導波管による開放型準光学TEM₀,₀伝送の2つの方法で達成できる。本論文は、ジャイロトロン、窓、伝送線路、およびアンテナ開発の最新技術を報告し、ECHシステムのコスト削減の可能性について考察する。