導波管

導波管とは、電磁波を開放空間に放射させることなく、管内の定在モードとして低損失に伝送する中空または誘電体充填の管路である。マイクロ波・ミリ波帯の電磁波は自由空間では回折で広がってしまうため、高出力のマイクロ波をジャイロトロン(gyrotron)などの発生源からプラズマ装置まで運ぶ手段として導波管は不可欠であり、核融合研究では電子サイクロトロン加熱の伝送路、下部混成波加熱・電流駆動用のアンテナ、さらにレーザープラズマ加速では「プラズマ導波管」と呼ばれるレーザー自身を閉じ込めるチャネルとして、形を変えて繰り返し現れる。以下では、導波管の基本原理から、核融合炉への応用、プラズマを導波管として使う発想、そして運転上の限界までを述べる。

導波管とは何か：モード、遮断周波数、過剰モード伝送

中空金属導波管の最も単純な形は矩形導波管である。管内の電磁場はマクスウェル方程式と壁の境界条件(壁面で接線電場が零)を満たす固有モードの重ね合わせとして書け、各モードには固有の遮断周波数がある。遮断周波数は管の寸法が波長に対して十分大きい場合にのみ伝搬が許される下限であり、代表的な TE10 モードでは遮断波長が管の幅方向寸法のほぼ 2 倍に相当する。周波数が遮断を超えると位相定数が実数となり波は伝搬するが、位相速度は光速を超え群速度はそれより遅いという分散特性を持つ。管の寸法を波長より十分大きくすると伝搬可能なモードの数が急増する。これを過剰モード(オーバーモード)伝送と呼び、高出力ミリ波の長距離伝送では壁面損失を下げるためにむしろこの状態を積極的に利用する。ただし複数のモードが混在すると、各モードの位相速度が異なるために伝送効率が乱され、曲がり部や軸ずれで基本モードから高次モードへの変換損失が生じる。このため過剰モード伝送では、モード変換を抑えるための直線性・軸合わせの管理が設計の中心課題となる。円形導波管では壁面にらせん状の溝(コルゲーション)を刻んだコルゲート導波管が広く用いられる。溝は壁面に電気的に「滑らかでない」条件を作り、TE11 等のモードを壁電流の少ない低損失モードに近づけるとともに、偏波を保持しやすくする。ITER の電子サイクロトロン上流起動アンテナで検討された四壁コルゲート方形導波管は、このコルゲート構造の結像性質を利用して、入射端のミラー角度に応じて出射ビーム方向を遠隔で制御する「遠隔操舵アンテナ」として機能する。低出力実験により、電子サイクロトロン電流駆動に必要な楕円偏波を偏波を崩さずに伝送でき、少なくとも 20 度の操舵範囲が得られることが示されている。

電子サイクロトロン加熱のための真空過剰モード伝送路

電子サイクロトロン加熱(ECRH)では、100 GHz を超えるミリ波をからトカマク内の共鳴面まで運ぶ必要がある。この周波数帯では、大気中の導波管伝送では窓や継手での損失・放電が問題となり、準光学系(ミラーとビーム導路)との比較の上で、内部を真空に保った過剰モード円形導波管が最適とされた経緯がある。 の ECRH 増強計画で設計された系はその典型で、直径 63.5 mm の導波管 6 本で 113.3 GHz・計 6 MW(10 秒)を伝送する想定で、1 本あたり平均 72 m、曲がり(ミターベンド)9 個を含み、伝送効率は約 90% と見積もられた。系には出力監視用のミターベンド、熱量計負荷への切替スイッチ、直流分離部、ポンプ用ティー、そしてトーラス直近の CVD ダイヤモンド窓が組み込まれる。設計上の要点は三つある。第一に、導波管のたわみや軸ずれによる高次損失を抑えるため、支持点の位置を最適化すること。第二に、トーラスはディスラプションや熱サイクルで動くため、最終区間がその変位を吸収できる構造とすること。第三に、閉じ込めの観点から、窓とゲートバルブを遮断壁として機能させることである。これらは の 170 GHz 系にもそのまま共通する設計課題であり、高に耐える窓材やフランジ継手のシール特性の評価が炉設計の一部として行われている。高磁場側に設置される反射計の導波管区間のように、加熱系以外でもミリ波伝送路の熱解析が炉環境を想定して行われる。