This paper presents a detailed design of the Q-shu University experimental steady state spherical tokamak's (QUEST's) high-field side (HFS) injection system for electron Bernstein wave (EBW) excitation and the results of an experimental comparison of the HFS eXtraordinary X-mode and low-field side (LFS) ordinary O-mode injection of 8.2 GHz radio frequency (RF) power. Waveguides, as an alternative to mirror polarizers for transmitting RF X-mode power from LFS to HFS for EBW conversion, were used instead of the installation of an RF mirror. Testing of LFS-to-HFS RF power transmission at 8.2 GHz, using an RG-50-type vacuum waveguide in a bench-scale device filled with SF6 gas at 0.03 Mpa, revealed that an RF power of 10.8 kW could traverse the fundamental electron cyclotron resonance layer for 60 s without breakdown. The short-length, open-ended waveguide antenna used in the HFS injection-induced wave diffraction reduced the efficiency of power delivery to the upper hybrid resonance (UHR) by approximately 7% at an electron temperature of 50 eV. The HFS injection was able to produce brighter camera images than the standard LFS injection. The location of the UHR, as estimated by measuring the density with an interferometer, agreed with its location as measured by plasma radiation low-field, side-edge positions shown by fast camera imaging. This indicates that the plasma was produced by mode-converted EBW. The HFS injection had an absorption efficiency of 96%, compared to 40% for LFS. A greater fluctuation of floating potential adjustable to the lower hybrid wave (LHW) was observed in the HFS case by installing a Langmuir probe, confirming that EBW conversion efficiency was higher in the HFS case. Moreover, after setting the poloidal field to BPF = 7.6 mT, plasma current (IP) in the HFS peaked at 1.3 kA, as opposed to 0.3 kA for LFS, despite LFS injection having a total power of 55 kW, compared to 40 kW for HFS. However, as the impurity level was comparatively high, it is believed that this IP is dominated by pressure-drive, which makes it difficult to analyze EBWCD. Finally, the line-integrated density in the HFS injection peaked at 1.6 × 1018 m−2, compared to 8 × 1017 m−2 in the LFS one.
本論文は、Q-shu大学実験定常球状トカマク（QUEST）における高磁場側（HFS）入射システムの電子バーンスタイン波（EBW）励起用詳細設計と、8.2 GHz高周波（RF）電力のHFS Xモード入射と低磁場側（LFS）Oモード入射の実験比較結果を示すものである。ミラーポラライザーの代替として導波管を用い、RFのXモード電力をLFSからHFSへ伝送し、EBW変換を行った。SF6ガスを0.03 MPaで封入したベンチスケール装置において、RG-50型真空導波管を用いたLFSからHFSへのRF電力伝送試験では、10.8 kWのRF電力が60秒間、基本電子サイクロトロン共鳴層を通過しても絶縁破壊を起こさないことが明らかになった。HFS入射に用いた短尺・開放端導波管アンテナでは、入射誘起回折により、上部混成共鳴（UHR）への電力伝達効率が電子温度50 eVにおいて約7%低下した。HFS入射は、標準的なLFS入射よりも明るいカメラ画像を生成することができた。干渉計による密度測定から推定されたUHRの位置は、高速カメラ撮像によるプラズマ放射の低磁場側・端部位置から測定された位置と一致した。これは、プラズマがモード変換されたEBWによって生成されたことを示している。HFS入射の吸収効率は96%であり、LFS入射の40%と比較して高い値を示した。ラングミュアプローブを設置して観測された低混成波（LHW）に調整可能な浮遊電位の変動は、HFS入射の場合に大きく、EBW変換効率がHFS入射で高いことを確認した。さらに、ポロイダル磁場をBPF = 7.6 mTに設定した後、HFS入射におけるプラズマ電流（IP）は1.3 kAでピークに達したのに対し、LFS入射では0.3 kAであった。ただし、LFS入射の総電力は55 kWであり、HFS入射の40 kWと比較して高い値であった。しかし、不純物レベルが比較的高かったため、このIPは圧力駆動が支配的であると考えられ、EBWCDの解析は困難である。最後に、HFS入射における線積分密度は1.6 × 10^18 m^-2でピークに達し、LFS入射の8 × 10^17 m^-2と比較して高い値を示した。