療解説　㌧　、

遠赤外領域光源一超高周波ジャイロトロンの開発と応用

　　　　　出　原　敏孝

（福井大学遠赤外領域開発研究センター）

　　　　　　　　Development　and　Applications　of

Far－lnfrared　Ra（iiation　Sources－Ultra－High　Frequency　Gyrotrons

　　　　　　　　　　　　　　IDEHARA　Toshitaka

R8s6αroh　C召彫αJbr　D6v610p規6nオ｛ザFαr－1ψα7ε4R68’on，F畝麗’Un’vεrs妙，F畝躍910－8507，／卯αn

　　　　　　　　　　　　　（Received110ctober2000）

Abstract

Highfreq．uency，medium　power，harmonic　gyrotronswhichcover　awi（lefrequencyFrange　in　the　millimeter

an（lsubmillimeterwavelengthregionare　being（levelopedasfar－infrare（iradiationsourcesandappliedinthe

areasofplasma（1iagnostics，Electron　Spin　Resonance（ESR）spectroscopyandsoon．Th．epresentstatusofthe

development　an（i　applications　ofhighfrequency　gyrotrons　is　summarized．

Keywords：

gyrotron，millimeter　wave，submillimeter　wave，far－infrared，plasma（iiagnostics，ESR　spectroscopy

1．はじめに

　ジャイロトロンは，相対論的効果による電子の質量変

化を利用した「サイクロトロンメーザー作用」を発振原

理とする高周波光源である．その動作の特長として，1）

ビーム効率30－50％に至る高効率動作が可能であるこ

と，2）高エネルギー大電流電子ビームの注入による高

出力動作が可能であること，および3）サイクロトロン

周波数の設定を変えることにより波長可変性を達成でき

ること，があげられる．現在までに，世界的規模の開発

研究が進展し，単管出力が2MWを超える超高出力ミリ

波帯ジャイロトロンが開発され［1－3］，プラズマ加熱の

ための高出力源として応用されている．他方，ジャイロ

トロンの超高周波化の研究も並行して行われ，ITHz

をめざした周波数可変のジャイロトロンが実現してい

る．MIT（米国），IAP（ロシァ），シドニー大学（オース

トラリア〉および福井大学では，後者の超高周波ジャイ

ロトロンの開発が行われ，遠赤外領域の開発のための光

源として応用されている［4－6］．

　本稿では，ジャイロトロンの超高出力化と超高周波化

の現状を概観した後，特に，後者の遠赤外領域光源とし

ての超高周波ジャイロトロンの開発と応用について述べ

る．具体的には，福井大学で開発しているサブミリ波ジャ

イロトロン（Gyr6tronFU　Series）を中心にその特長，お

よびジャイロトロンを光源として応用するとき必要とな

る出力の変調と安定化およびジャイロトロンの具体的な

応用例について述べる．

2．ジャイロトロン開発の現状（超高出力化と　　超高周波化）

現在，ジャイロトロンは，ミリ波からサブミリ波領域

側∫ho〆s8一溺α∫1ゴ46hα70＠溺α測6Z乙α卯h』y卿た配∫一砿αcゆ

3

プラズマ・核融合学会誌　第77巻第1号　　2001年1月

の高出力で安定に動作する光源として有望視され，精力

的に開発研究が行われている．ジャイロトロン開発の研

究は，2つの方向に分かれている．すなわち，サイクロ

トロン基本波における高効率動作と大電力電子ビームの

注入による「超高出力ジャイロトロン」の開発と，サイ

クロトロン高調波でなお高効率を維持し，高磁場超伝導

マグネットを用いることによる「超高周波ジャイロトロ

ン」の開発である．

　前者の「超高出力ジャイロトロン」の開発では，ドイ

ッ，日本，ロシア，米国等がしのぎをけずり，現在，単

管出力が2MW，周波数170GHz，パルス幅l　msecのジャー

イロトロンがカールスルー工研究センター（FZK，ドイ

ツ）で開発され，日本原子力研究所，核融合科学研究所，

東芝（日本），GYCOM社（ロシア），CPI社（米国），

Thomson　CSF社（フランス）でも，これに匹敵する高出

力ジャイロトロンの開発が行われている．これらの高出

カミリ波ジャイロトロンは，核融合プラズマの電子サイ

クロトロン共鳴加熱（ECRH）のための光源として応用さ

れている．Table1に，「超高出力ジャイロトロン」の開

発の現状を示す．

　一方，　「超高周波ジャイロトロン」の開発は，大学等

の研究機関を中心に行われている．すなわち，MIT（米

国），IAP（ロシア），福井大学（日本），シドニー大学

（オーストラリア），等で精力的に行われている．サイク

ロトロン基本波を用いたIAPのジャイロトロンは，周波

数650GHz，出力40kWを達成し，サイクロトロンニ次

高調波を用いた福井大学のジャイロトロンは，周波数

890GHz，出力0．l　kWを達成している．Table2は，こ

れら「超高周波ジャイロトロン」の開発の現状を示して

いる．いずれのジャイロトロンも，サブミリ波分光用光

源としての応用が考えられ，核融合プラズマの計測［7］，

電子スピン共鳴［8，9］，等へ適用されている．Fig．1は，

ミリ波サブミリ波領域の従来の光源（BWO，EIO，分子

レーザー）と，高周波ジャイロトロンの出力を比較して

いる．従来，小出力の光源しかなかったこの波長領域に

桁はずれに高出力の光源が出現したことをうかがうこと

ができる．ジャイロトロンは，この顕著な特長のゆえに，

大幅に遅れている遠赤外領域の開発研究を促進するため

の原動力として嘱望されている．

　最近のトピックとしては，ミリ波のCWジャイロトロ

ンがGYCOM社（ロシア），三菱電機（日本），CPI社

（米国），等で開発され，工業用のミリ波光源として応用

されていることである［10］．Table3にこれら工業用

ジャイロトロンのリストを示す．現在，これらのミリ波

ジャイロトロンを用いた高品質セラミックの焼結技術の

開発研究が行われている．

　ジャイロトロンの開発研究は，このように順調に進展

してきたが，今後は出力2MWでCW動作するジャイロ

トロンの開発と核融合プラズマ加熱のための出力40～

50MWのシステムの構築に向かう研究およびサブミリ

波帯を覆い尽くす（最高周波数3THz）の高安定化光源

としてのジャイロトロンの開発研究が進展するものと思

われ，ミリ波からサブミリ波の有効な光源として応用さ

れるであろう．

3．遠赤外光源としての超高周波ジャイロトロ

　　ンーGyrotronFUSeries　遠赤外領域は，高出力で安定に動作する光源および高

感度受信器の欠如のため，開発の遅れた唯一の電磁波領

域であり，　「電磁波の谷間」とされている．遠赤外光源

としてのジャイロトロンは，高次サイクロトロン高調波

動作を高磁場のもとで行うことにより，開発することが

できる．その結果，遠赤外領域に高出力で安定に動作す

る光源を実現することができる．

　福井大学では，四次におよぶサイクロトロン高調波動

作と最高磁場強度17Tの超伝導マグネットを用いて，

ジャイロトロンの高周波化の研究を行ってきた．現在ま

でに，8台のジャイロトロンからなる超高周波ジャイロ

トロンシリーズ（Gyrotron　FU　Series）を開発している

［11］．Table4は，このSeriesに含まれる各ジャイロト

ロンの周波数領域およびジャイロトロンの開発とその応

用分野で果たした役割を纏めたものである．以下に，Gy－

rotronFUSeriesが達成した主な成果について述べる．

3．1　ミリ波からサブミリ波にわたる周波数可変性

　Fig．2に，GyrotronFUSeriesに含まれる5台のジャイ

ロトロンの発振周波数を磁場強度の関数として示してい

る．サイクロトロン基本波動作（∫＝五）および二次

（∫＝2五）および三次（∫瓢3丑）の高調波動作で，広い

周波数範囲（38GHz～889GHz）を覆う光源が実現してい

る．最高周波数である889GHzは，現状のジャイロトロ

ンの最高周波数記録である．

3．2　高出力，安定化サブミリ波光源

　サブミリ波領域で安定に動作する高出力光源は少な

い．GyrotronFUSeriesは，サイクロトロン基本波動作で

l　kW～10kW，二次高調波動作でも0．1～l　kWの高出力

を発振し，しかも実用に耐える安定性を保持している．

将来，さらなる安定化の方策を講ずることにより，真に，

サブミリ波光源としての有用性が高まる．

4

解　説

Table1

遠赤外領域光源一超高周波ジャイロトロンの開発と応用一 出原

Presentstatusofdevelopmentofultra－high　powergyrotrons（AfterM、Thumm，State－of－the－ArtofHigh　PowerGyro－Devicesand

Free　Electron　Masers　Update1999，Karlsruhe　Research　Center　Report　FZKA6418，Feb．2000）．

Institution Frequency　［GHz］

　　　Mode　　　　Powercavity　output　［MW〕

Efficiency　Puiselength　　［％］　　　　［s］

FZK1），PHILIPS2）

FZK，Karlsruhe

140．8

140．2

14，0．2

140．5

140．i

162．3

GYCOM－N（SALUT，IAP）　　140N並hny　Novgorod

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　158．5

GYCOM－M（TORIY，IAP）　　140Moscow，N，Novgorod

JAERI，TOSHIBAN畝a，Otaw冴a

MFS，TOSHIBAToki，OtawaraCPI3》，

Palo　Alto

170

170

170。17

170

170．1

170

．168

140140

TEo3　　TEo3　　　　　0．12

TElo，4　TElo，4　　　0・69

T：Elo，4TEMoo　O．60　　　　　　　　　　　　　　0．50

　　　　　　　　　　　　　　0．50

TElo，4TEMoo　O，46

TE22，6TEMoo　L6　　　　　　　　　　　　　　1．6

　　　　　　　　　　　　　　2．1

　　　　　　　　　　　　　　2．1

TE25．7TEMoo　L48　　　　　　　　　　　　　　1．48

TE22，6TEMoo　O，8　　　　　　　　　　　　　　0．88

　　　　　　　　　　　　　　0．55

TE2鴻，7TEMoo　O，5

TE22，6TEMoo　1．0　　　　　　　　　　　　　　0．96

　　　　　　　　　　　　　　　0．735

　　　　　　　　　　　　　　　0．54

　　　　　　　　　　　　　　　0．26

　　　　　　　　　　　　　　　0。1

dua1－beam　output2xO．37　　　　　　　　　　　　　　　2xO．3

　　　　　　　　　　　　　　　2xO．165

TE28，7TEMoo　LOTE2s．10TEMoo　L4

　　　　　　　　　　　　　　　1．O

TE2s，10TEMoo　1。03　　　　　　　　　　　　　　　0．50

　　　　　　　　　　　　　　　0．27

　　　　　　　　　　　　　　　0．65

T£22，6TEMoo　O。45　　　　　　　　　　　　　　　0．25

　　　　　　　　　　　　　　　0．25

TE31，8　TE31．8　　　LI　S

TE31。8TEMoo　O．75　　　　　　　　　　　　　　　0．75

　　　　　　　　　　　　　　　0．52

　　　　　　　　　　　　　　　0．45

　　　　　　　　　　　　　　　0．175

TE31．8TEMoo　O．52　　　　　　　　　　　　　　　0．52

TEo2／03TEo3　　　　0．1

　T£15，2　TE15，2　　　LO4

　　　　　　　　　　　　　　　0．32

　　　　　　　　　　　　　　　0．26

　　26

　　28

　　27

　　32

48（SDC）

51（SDC）

　　36

60（SDC）

　　34

S3（SDC》

　　35

50（SDC）

　　3250．5（SDC）

　　33

　　30

　　36

　　36

　　36

　　36

　　36

　　35

　　30　　　29

　　　28

0．2｛0．4）

　32．5

　3562（SDC）

　32　　27

　　20

45（SDC）　　19

　　19

32（SDC）　　29

　　22

40（SDC｝

32（SDC）

32（SDC）

30（SDC）　　19

30（SDC）　　27

　　38

　　31

　　31

　　31

　0。4

　0．005

　0．012

　0．03

　0．03

　0．2

　0．007

　0．007

　0．001

　0．001

　0．007

　0．007

　0．8

　1．0

　2．O

　O．75

　1．0

　1．2

　1．5

　3．0

10．0

80．0　3．0

　5。5

10．0

　0。0001　0．0001

　0．0001　1．0

　5．0

10．0

　1．0

　0．OS

　O．4

　0．4

　0．0004　0．0004　0。0004，

　6．2

　8．Oi　o．0

　1．0

　1．O

　CW　　O。0005

　　3．6

　　5．O

avg．（peak）

5

プラズマ　核融合学会誌　第77巻第1号　　2001年1月

Table2 Presentstatusofdevelopmentofultra－highfrequencygyrotrons（AfterM．Thumm，State－of－the－ArtofHighPowerGyro－Devices

and　Free　Electron　Masers　Update1999，Karlsruhe　Research　Center　Report　FZKA6418，Feb．2000）．

Instit登tion Frequen£y　［GHz］

Mode Power　Efficiency［kW］　　［％］

Pulse互ength　　［ms］

CPI1》，Palo　Alto

IAP，N．Novgorod

MIT，Cambridge

UNIVERSITY，Fukui

25’0

157

250250326

209241

302339

363

4174S7467503

383

402S76

TE11，1／TE11，2

　　TEo3　　丁正io2

　　TE65　　T：E23

TEg2TE11．2

TE34TElo，2

TE11，2

TElo．3

TEls，2

TE12，3

TE17，2

TE26TEssTE26

10

2．4

4．3

11．s

1S

25　4

　4

　7

15

　7

22

10

321

3．4

9．S

18

S6．2

3．S

6．S

1．5

32．5

623．5

S．5

3．7

32．S

0．1

CWCWCWCW0．001

0．001

0．001S

O．0015

0．001S

O．001S

O．0015

0．0015

0．0015

110．5

TabIe3 Presentstatusofdevelopmentofindustrialgyrotrons（AfterM．Thumm，State－of－the－ArtofHighPowerGyro－DevicesandFreeElectron　Masers　Update1999，Karlsruhe　Research　Center　Report　FZKA6418，Feb．2000）．

Institution Frequency　　Mode　　　Power　Efficiency　［GHz］　cavity　output［kW］　　［％］

Voltage　Magnet［kV］

GYCOMIIAPNセ㎞y　Novgorod，

MITSU：BISHI，

Amagasaki

CPI1），Palo　Alto

CPI，N【FS

Palo　Alto，Toki

　　15　　　TEo1　　24，．15　　TE32

　23（2Ωc）　TE12

30（2Ωc）　TEo2

28。25（2Ωc》TE12

31。8－34．8　TE11

35・5－37・5　TEo1

　　3S・15　TEo2　　35　　　TI…02

　　37・5　　　TE62

　68－72　　　T〕E13

　　83　　　TEg3

　　150　　　TEo3160（2Ωc）　TEo3191．5（2Ωc）

250（2Ωc）

326（2Ωc》

　28（2Ωc）　TEo2

　　28

28（2Ω）　　　　　C

　　60

　　84

TEo2TEo2TEo2TE15，3

TEo1　　　4TE32　　　36TE12　　　13　　　　　　　　28

TEo2　　　10　　　　　　　　30

TE12　　　12TE11　　　　1。2

TEo1　　　0．5TEo2　　　9．7

TEMoo　1040TEMoo　　20TE13　　　　1。4

TEMoo　10－40TEo3　　　22TEo3　　　　2．4　　　　　　　　　0。55

　　　　　　　　　1

　　　　　　　　　1．5

TEo2　　　10

TEo2TEo2TEo2TEM　　　　OO

15

10．83050

　50

　50

　SO

　32

　42

　35　24，

　40　15．3

　43

30－40

　3S

　22

30－40

　30　　9．5

　　6．2

　　5

　　6　38．7

3833．6

3814

　15

　33

　25

　25

　26

　26

　25

　12

　16

　25

25－30

　30　17．S

25－30

　40

　18

　22

　20

　20

　21

4030

4080

roomtemp．roomtemp。roomtemp．

roomtemp．roomtemp。roomtemp．

PM，68kgmech。tun．

mech．tun。

Cす0・mag・

C「yo・mag・

Cη0・mag・

mech．tun．

C「yo・mag・

cryo・mag・

C「yo・mag・

Cす0・mag・

C可O・mag・

C1γ0・mag・

PM，600kgtaperedB

roomtemp。roomtemp。Cη0・mag・

cryo。mag・

6

~~ ~~ x~*=~l~~~^~~t-~~~i~ - ~:~;~~J~~~/ ~ 4 1~r h ~~ ~(~) f*~~; ~ L~:t~;fl - l~~i'.~i:

~ ~ ~ a~

4)~

~ ~~'*

~ ~:s

o

108

l O(

l O9

l 02

10

l

l O-t

Gyrotron

/ ¥ a XYOT.O MIT ~, O r O ~~1'f ~ r FUKUl

MIT ~~~rl. e

BWO EIO

/<~o/ SOVIET '

/

SYDNEY G yrolron

H~H ¥

/

~l / /

Gyrotton rU 11JA

~~ I O (J)~I l

~ ~J Gy~o'ron rLJ V

Gyrotron rU VI

Al /

/ /

~:/

Al / Moiecuiar

Laser

/

~ /

3 3 ~~'･~Kh~~'~1;~~~hf~eCJ~:~~:,~1;~~4b

~~ ~~ ~5J;~~~ll.~~~~"""--*~~17~~~f~i ~~~:~I~~4~~)

~~*7i~~~, Gyrotron FU Series ~)~~~=~~;~J~~~~~~f 890 GHZ

~ ~~r~= ~)~ ~ ~ ~iTT~~ec Lf*.-. Fig.3 eCi~, ~j~ 4 1:1 h

rl ~ d~)J ~t 7 7 ~ ') ~:~lrT~･~~.,.-'"=t~t~~lv*C~~~~ Lt,_-,~"~+*~;~~

~~~. ;~~~;~~~~~~f'F, ~)~~~~]~~~~4~~ ~ ~ec, Ei)~~~:~J

~~~~4'~~~~~~~U~tLCv+;~. ~~ec, ~~f~~f~~~.f~~)*=~*~+ni ~

~ , E:)~~~~;~~1~~~)Jf~~f~L~~jc'4~~~T~)~~~ ~ ~ ~~T~*~~)

~.

3.4 ~;~4~l hE:1:/eC~Stt:~~:- h'~i~i~i･~:- F~~,bO)

~~~~ [12, 13]

-')~ 4 ~ h ~lt ~j~. ~;~?~~~~~~~~~)ih~ii~~- ~~i~i~~t '.

~ ~ ~ ic~ .C;~5~3*tii~~,4~~~~~, F~~* ~~~~ ~~tf~~~- ~a))~l

7~~'~~~7L~ff~~t~~~~~~~e l~ ~ ~~~~)~:~~~icJ~~, ;~~13*t~i~

1 ooo

~ ::

O ~h

~ C,D 500

5~

t

lo l02

Frequency

l Q'

f (GHz)

l 04

O G),rolron FU 1 31-163 GHZ e Gyro[ron FU n 76-402 GHz I GylOITOn FU Bl 145-636 OHZ v Gyrotron FU IV 159-847 GHZ 1' Oyrolron FU nr A 168-730 GHZ

f = f* : fundamental

f =2f* :second harmonic

f =3f* :third harmonic

Fig. 1

l

ll

f =3 f*

f =2 f.

f= fc

Comparison of gyrotron powers with powers of conven-

tional sources.

Fig. 2

o

Frequenc y

achieve.

10

Magnetic field Bo (T)

tunability which Gyrotron

15

FU Series has

Table 4 Status of each gyrotron included in Gyrotron FU Series .

7

プラズマ・核融合学会誌　第77巻第1号　　2001年1月

Gy閃轍》nFU皿

3d）』

030α

℃〇一〇〇一〇

〇

　　　　　　O　　　　　　l　　　　　　　　O　　　　　　　　　　　　　ロ　　　　　　　　　　　　　1　　　　　　ム　　　　　　　　　　　　　［　　　　　　ぺ　　　　　　　　　　　　　ロBo＝4．57T　　　I・　　　　　　　　　　l

lb＝880mA　l…　△　l　　　　　　！　　l　　！　△

　　1×㌧1君　1．乱しノ試ノLし訊嶋 E0 1　　　　　　　2

　Di就ance　d（mm）

3

Fig，3　Measurement　of　wavelength　using　a　Fabry－Perot　inter－

　　ferometer，　O：fundamental，△：second　harmonic，×：

　　third　harmonic．

12

10

多ぎ　8ユ

おタ

0　6色

ポコαゲコ

0　4

2

O

一一一fundqmentql（TE2訓mode）

　　　　　　　　　　　　　／／！一2劇㎞m㎝ldTE2αm・d旬／ラ／／

　　　　　　　　　　　　／／／！　　　　　　　　　　　　／1！！　　　　　　　　　　　　’！　1／　　　　　　　　　　　　！1　！！　　　　　　　　　ノイ

　　　　　　　　　／／／／／　　／　　　　　　　　／／／／！　／　！　　　　　　　　！！／　　／　　／　　　　　　　／！！／・　／　／　　　　　　／／7／／／

　　　　　／／！！！　！　1　　　　　／！　！　／　1　　！　　　　／！11　，　1　　1　　　　　　ず　　　　／11，’　”　　1　　　、4！1／／761718／

論藷賂　　”∠　1／、！／ノ驚736T745房賂，1！、・低！！’

Body

Anode

Cathode

Em詮ting　area

Heater

Fig．5　Magnetron　Injection　Gun（MIG）instaIled　in　Gyrotron　FU

　　　IV、

0 1 2Beqm　current　Ib（A）

3

Fig。4　Competition　between　the　fundamental　and　the　second

　　harmonic　operations．

の効率の低下や複合モードの発振が起こり，光源として

好ましくない．このため，空洞共振器の径を小さくして

モード分離の向上をはかることにより，競合を避けて，

単独モードの発振を行う方法が取られる．Fig．4は，基本

波動作と二次高調波動作の競合の様子を磁場強度をパラ

メータとして示している．ビーム電流の増加に伴って，

二次高調波での単独動作から基本波動作との競合を経

て，基本波での単独動作に移る様子がわかる．一方，動

作条件の選択により，モード協力により，発振効率の向

上や発振開始電流の改善が可能となることも確かめられ

た．

　「ジャイロトロン出力の変調と安定化」については，今

後の応用面での鍵を握る課題であるので，節を改めて述

べることにする．

4．ジャイロトロン出力の変調と安定化

　ジャイロトロンの発振は，磁力線のまわりを旋回運動

するビーム電子の磁場に垂直方向のエネルギー成分瓦

が，高周波電磁界とのサイクロトロン共鳴によって，高

周波電磁界に供給されることによって起きる（サイクロ

トロン共鳴メーザー作用）．したがって，E⊥を変調する

ことにより，高周波電磁界へのエネルギー変換効率を変

調して，出力振幅の変調（AM）を行うことができる．ま

た，サイクロトロン共鳴メーザー作用は，高周波電磁界

8

解　説 遠赤外領域光源一超高周波ジャイロトロンの開発と応用一 出原

TE621modef：＝349GHz（f望fc）

Bo＝13，45T

Vk＝一4αOkV

VaO＝24．7kV

Ib＝0．30A

Modulation　mode；Square　waveCathode　pulse・width900μsecAnode　pulse　wldth　1200ドsec

葦modu＝5kHz

a）

2

　　　　　　一1∠JP／Pouし＝1．5x10

　　　　　　＿2』Va1VaO＝1，1x10

0 1

b）

　　　　　　＿2－P’R双＝4，0x10」Va1Va。＝Z7x10－2

0 馨

c）

　　1　　　　　　2Time　t（msec）

∠3PIPou琶＝1．O

　　　　　　＿2∠IVa1VaO篇7．6x10

0

Fig．6　Amplitude　modulation　due　to　the　modulation　of　anode

　　　voltageofMIG．Ineachfigure，anuppertraceshowsahigh　　　voltage　pulse、／議appUed　tQ　the　anode　and　a［ower　trace

　　　an　output　pulseρ．

の周波数∫が電子のサイクロトロン周波数五二8B／規07

に等しいとき（∫瓢五）に起きるので，ビーム電子のエネ

ルギーを変調して，相対論ファクタ7を変調することに

より，発振周波数∫を変調（FM）することができる．

4．1　ジャイロトロン出力の振幅変調（AM）［14］

　ジャイロトロンの電子銃はMagnetron　Injection　Gun

（MIG）と呼ばれ，Fig．5に示すように，砲弾状の陰極と

これを取り囲む陽極およびコレクタからなる．陰極と陽

極の間には，磁場とほぼ垂直な方向に電界がかかるの

で，この電界によって，電子は磁場に垂直方向のエネル

ギーE⊥を得る．このE⊥が，空洞共振器中で高周波電磁

界のエネルギーに変換して発振が起きる．したがって，

陰極一陽極間の電圧yl。を変調することにより出力の振

幅変調を達成することができる．Fig．6は，振幅変調の

　　　　　　　　　　口　日　●　●　0　1，0ぢooα、

3　　　　　　　　　　　　●亀Q8　　　　　　　　　　　　　　　0　　　　　　　　　口　　●ぢ

9　　　　　　　　　　　　　0コ

o　Q6豊

二　　　　　　　口の

　　　　　　口　　　　　　　　●50。4　　　　　　　　口己

一　　　　　口●　　　　　　　　0の

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Fig．7　Modulation　Ievel　ofoutput　powerversus　modulation　leveI

　　of　anode　voltage，

團

一一Window

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一一C甲ostat

　Liq，Helayer

　CollecIor

　Vacuumiayer

　12T　superconducting／magnet

㎜『Cavity

　　　Guncoil

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　　　m♂ectlon

　　　gunGYROTRON　FU　IV

W目

C

B／

Aワ

K

一

～

Fig．8　Ablockdiagram　oftheapparatusforfrequency　modulation　　of　gyrotron　and　a　cross　section　of　Gyrotron　FU　IV．

代表的な実験例を示している．出力電力Pの変調が％

の変調によって起こっているのがわかる．％の数％の

変調によってPの100％変調が達成されている．Fig．7

は，出力電力Pの変調度を％の変調度に対してプロット

している．両者は，ほぼ比例しており，良質の振幅変調

が可能なことを保証している．有効変調周波数は，最高

600kHzに達する．最近，この方法により，音声による変

調に成功し，サブミリ波帯での通信に目途が得られてい

る．

4．2　ジャイロトロン出力の周波数変調（FM）口5］

　GyrotronFUSeriesの中のGyrotronFUIVを用いて，

9

プラズマ・核融合学会誌　第77巻第1号　　2001年1月

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Fig．9　FrequencyModulation（FM）duetothemoduIationofbody　　　potentiai．

O 　　　1

Tlmet（msec〉2

Bo39．55丁

協＝一29。OkVf1＝257GHz

V2讐一24，0kV　f2＝260GHz

Fig．10　Switching　of　frequency　by　switching　of　cathode　voltage．

周波数変調の実験的検証を行った。Fig．8に，実験装置の

ブロック図と用いたジャイロトロンの断面図を示す．空

洞共振器を含むボディ部（B）に低周波発振器を接続して

ボディ部電圧耽を変調するごとにより，電子銃から共振

器に入射されるビーム電子のエネルギーを変調する．

Fig．9に，耽の変調に伴う出力周波数の変調の様子が

示されている．耽の変調振幅∠耳bが約120Vのとき，約

30MHzの周波数変調振幅∠∫が観測されている．周波数

変調の繰り返し周波数畑の範囲10～40kHzにわたっ

て，周波数変調効率∠∫／∠7b＝0247MHz／Vが実験的に得

られ，計算機シミュレーションでも，ほぼ実験に一致す

る結果が得られている．

4．3　ジャイロトロン周波数の高速切り替え［16］

　ビーム電子のエネルギーまたは磁場の強度を切り替え

ることにより，電子サイクロトロン周波数を切り替える

ことができる．その結果，隣接する空洞共振器の共振

モードを切り替えることができれば，周波数を高速で切

り替えることができる．Fig．10は，電子銃の陰極電圧を

昭とレ12の間で切り替える（エネルギーを切り替える）

ことにより，周波数をハとゐの問で切り替えることがで

きることを示している．基本波動作と二次高調波動作を

切り替えることにより，ほぼ2倍の周波数の間での切り

替えにも成功している．

　この技術は，最近，高出力ジャイロトロンにも応用さ

れ，高出力周波数可変ジャイロトロンが開発されている

［17］．

4．4　ジャイロトロン出力の安定化

　ジャイロトロンの振幅および周波数の変調の原理か

ら，％およびレibを制御することにより，ジャイロトロ

ン出力の振幅および周波数の安定化を達成することがで

きる．このため，液体ヘリウムフリーの超伝導マグネッ

トを用いたGyrotron　FU　VによるCW動作を試みた

［18］．Fig。11は，約15時間にわたるcw動作における出

力電力Pの変化と陰極電圧名，の変化を示している．P

は職の変化を反映して変化するので，Pの変化を

フィードバックして，職を制御することにより，出力の

安定化を達成することができる．

5．ジャイロトロンの応用

　2MWを超えるミリ波ジャイロトロンの高出力，周波

数可変と安定動作の特長をもつサブミリ波ジャイロトロ

ンの高周波出力を活かしたジャイロトロンの応用とし

て，多分野の開発研究が進展している．ここでは，ジャ

イロトロンの応用の現状と将来の発展について概観す

る．

5．1核融合工学への応用

　ジャイロトロンは，その開発の当初からプラズマの電

子サイクロトロン共鳴加熱（ECRH）のための電力源とし

ての応用を指向していたが，その流れは引き継がれ，現

10

解　説 遠赤外領域光源一超高周波ジャイロトロンの開発と応用一 出原

0～54000sec

48000～49000sec

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Fig．11　FIuctuations　of　output　power　and　cathode　voltage　during　cw　operation．

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婁酵14gyro量ronS　on　each

C㎞㎝larwaveguide28Φ

　Quasゆdα症an紀ma幻

Fig、12　ECRH　system　for　ITER

side　view

在，核融合工学分野でプラズマ加熱およびプラズマ計測

のための光源として応用されている．Fig。12は，単管出力

1MWの高出力ミリ波ジャイロトロン28台を用いた総出

力20MWを超えるECRH加熱システムが，将来のトカ

マク装置ITERに装備される様子を示す．この加熱シス

テムによって，一気に核融合の発火点に到達する強力な

加熱を行うことが計画されている．Fig．13は，超高周波

ジャイロトロンを光源とするサブミリ波散乱計測システ

ムが，核融合科学研究所のヘリカルプラズマ装置に装備

されいる様子を示す［7］．プラズマは，1億度を超える高

Gyroむon

FU■

Fig．13

　　　Plasma　　　　　　　　　　伽↑朕

　　　　　　　　　　　　　蜘

Submi”imeter　wave　scattering　measurement　system

usingahighfrequencygyrotronasaradiationsource．

温の状態にあるため，いかなる物質も挿入することがで

きないため，サブミリ波等の電磁波よる計測が唯一の手

段である．プラズマ中の不安定性の検出，プラズマ加熱

のための電磁波の進入経路の測定，イオン温度の計測

等，核融合を達成するために直接必要な測定がジャイロ

11

プラズマ・核融合学会誌　第77巻第1号　　2001年1月

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ESR　System

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Gyτotron　FU　IV

Fig，14　ESR　spectrometer　using　asubmiIlimeterwave　gyrotron

　　　and　apulse　magnet。

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1 Gyrotron

Sinter　i　ng　cha旧ber

Controlunit

Fig、15　Ceramic　sinterlng　device　using　an　industrial　gyrotron．

トロンを光源とするシステムで可能となる．

5．2　物質研究への応用（電子スピン共鳴研究への応用）

　ジャイロトロンから出力されるミリ波およびサブミリ

波領域の電磁波は，分子の回転エネルギーおよび振動エ

ネルギーのレベル間遷移を促すエネルギーを有している

ため，オゾン，各種汚染物質，水分等の分子種を特定す

ることが可能である．また，ジャイロトロンは，物質の

内部構造を調べるために有効な手段となる電子スピン共

鳴（ESR）の測定のための格好の光源となる［8，9］．Fig．

14は，福井大学で開発したサブミリ波ジャイロトロンを

光源とし，パルスマグネットによって発生する強磁場を

用いたESR分光計測装置を示す．この装置を用いた研究

が進行中であり，各種磁性体の新たな特性の解明が進展

している．

Ceram霧cwindOW

〕q－HeIayer

Cavity

12TS．C。M

Magηetr◎n

而ectロongun

Elc

28φWaveguideWe

図Thermometer

一

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Sampel

Fig．16

一Tapered　waveguide

＿　Antenna

《〉r

　　Gamera

Gyrotron　FU　IV

lrradiation　system　forliving　bodies　using　acwgyrotron．

5．3　新機能性材料開発への応用

　高出力ミリ波サブミリ波の加熱効果を利用した，高品

位セラミックの開発が，工業用ジャイロトロン（Table

3）を光源として行われている．Fig．15は，ジャイロトロ

ンによるセラミック焼結装置の概略図である．波長の短

いミリ波による一様な加熱により，緻密な構造をもつ，

高強度のセラミックの焼結が可能となり，将来，幅広い

領域での利用が期待されている．また，CVDのためのプ

ラズマを発生するために，ジャイロトロン出力を用いれ

ば，従来の2．45GHz（波長10cm以上）のマグネトロン

出力を用いる場合に比べて，一様で高密度のプラズマが

発生するので大面積で一様な薄膜を短時間に生産するこ

とができるとされている．特に，最近注目されているダ

イヤモンドディスクの製造にも有効となるであろう．

5、4　新医療技術の開発への応用

　超高周波ジャイロトロンの出力は，短波長・高出力で

あり，水分に吸収されやすいという特長を有するので，

内径玉mm程度の細管で伝送して，体内の患部の表面だ

けを局所的に加熱することができる．これを利用して，

副作用のない癌治療，等新医療技術に応用できる．Fig．16

は，この応用を実現するためのジャイロトロンを用いた

実験装置を示している．卵白，レバー，精肉，ラットヘ

のサブミリ波照射実験により，新医療技術の開発への応

用の可能性が実証されつつある［19］．

5、5　大気圏・環境リモートセンシングヘの応用

　「物質研究への応用」の項で述べたように，ミリ波サ

ブミリ波領域は，分子のエネルギーレベルの遷移を促す

ためのエネルギーを有しているので，高出力ジャイロト

ロンの出力を大気圏・環境リモートセンシングに用いる

ことにより，分子種を特定した測定が可能であるため，

汚染物質の分布，水分の分布をリアルタイムで追跡する

ことができる［20］．公害の予防，天気予報のための資料

として提供できる．Fig。17は，ジャイロトロンを光源と

12

解　説 遠赤外領域光源一超高周波ジャイロトロンの開発と応用一 出原

する大気圏リモートセンシングの概念図を示している．

5．6　新たな周波数資源の開発への応用

　21世紀の高度情報化社会を支えるためには，現状の周

波数資源では不十分であり，周波数資源の枯渇が懸念さ

れている．このため，郵政省の電気通信技術審議会（電

技審）からも，テラヘルツ領域に至る高周波電磁波を新

才，⑱

囮旺］Detection　points　on　the　earth

　　　（80to260GHz）

日High　power　submillimeter

　wave　gyrOtrOn E匹EL　　　　　f　　　　　　　fLaunched　wave　　Received　wave

Fig．17　Conceptual　design　for　remote　sensing　of　atmosphere

　　　USing　a　gyrOtrOn．

たな周波数資源として開発することが緊急に必要である

旨の提言がなされている．「4．ジャイロトロン出力の

変調と安定化」の章で述べたように，ジャイロトロンは，

振幅変調（AM）および周波数変調（FM）が可能であり，

高出力である点を勘案して，新周波数資源の開発のため

の光源として，有効利用が可能である．

5．7高分解能レーダーの開発への応用

　サブミリ波領域の電磁波は，直進性に優れているの

で，遠方にある物体の識別が高精度でできるため，高分

解能レーダーへの応用が可能である．Fig．18は，ジャイ

ロクライストロン（ジャイロ増幅器）を用いたレーダー

の概念図である．1，000kmの距離にあるl　cmの物体ま

で識別できる高性能のレーダーが可能となる．

5．8　同位体分離技術の開発への応用

　同位体元素を含む物質をジャイロトロンの高出力電磁

波で電離して，プラズマを発生し，イオンサイクロトロ

ン共鳴加速によって，一種類の元素のみを選択的に加速

することにより，分離することが可能となる．ジャイロ

トロンが発生する電磁波が，高周波であるため，プラズ

マの生成段階から高磁場が印加されている．このため，

イオンサイクロトロン共鳴加速による分離が高性能で行

える．

Spaoe　Debris　Monitoring　RADAR

PhaseShi樋ersReceiue『

　　、Eコー呼

露飼

露

、翻

，騨サ舘o翻s

RF－Mo｛盟朗a電or

一蘭麗豊e『響03群i陥

Gyroklystro闘：　　　f＝35GHz（λ：＝8，6mm）750kW，100μs

　　　A翻tennaRadlusRa　　　　　　：　10m

　　　Sig“aトto・湘olseRatioS♂N。　：15GB（32：1）

　　　NoiseFactorFn　　　　：10dB（10：1）

　　　TotalLosso晋SystemLs　　　：　10dB

Power（requlred）P　　　　　　　　　　　：　10MW

Combina量iono1　14Gyrok書Vstrons　l　P論ased胴Array

　　　　　　l　Gyrok匪ystron　　　　＝　　D譜4cm

Fig。18　　Conceptual　design　for　high　resoIution　radar　using　a

　　　gyro－klystron　amplifier．

6．むすび　遠赤外領域光源としての超高周波ジャイロトロンの開

発の今後の展望として，サブミリ波帯を覆い尽くす高周

波化（最高周波数3THz）とともに出力振幅および周波

数の安定化があげられる．しかる後，真に有効なサブミ

リ波光源としての応用が可能となり，遠赤外領域開発研

究の推進力としての役割を果たすことが可能となる．

　ジャイロトロンの応用として，核融合プラズマの加

熱・計測，電子スピン共鳴計測による物質構造の解明，

新医療技術開発への応用，高品位セラミックの焼結技術

開発への応用，大気圏・環境リモートセンシングヘの応

用等，すでに実施され成果を上げつつある分野と，宇宙

観測等への応用，サブミリ波情報通信への応用，同位体

分離への応用等，今後開発が進むであろう多くの分野が

ある．

　今後，超高出力ジャイロトロンおよび超高周波ジャイ

ロトロンの開発と相まって，これら広い分野への応用の

拡大と成果が期待される．

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