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Study on structure formation and non-steady-state dynamics of detached divertor by laboratory plasma experiments

Research Project

Project/Area Number 20H01883
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 14020:Nuclear fusion-related
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

Takahashi Hiroyuki  東北大学, 工学研究科, 講師 (30768982)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 飛田 健次  東北大学, 工学研究科, 教授 (50354569)
岡本 敦  名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (50396793)
木崎 雅志  核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (70598945)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2021: ¥8,450,000 (Direct Cost: ¥6,500,000、Indirect Cost: ¥1,950,000)
Fiscal Year 2020: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Keywords磁場閉じ込め核融合 / 非接触ダイバータ / 電子–イオン再結合 / 分子活性化再結合 / 高周波プラズマ / DT-ALPHA / 高エネルギーイオン / 励起水素原子 / 励起水素分子 / Retarding field analyzer / 体積再結合 / 高エネルギー水素イオン / イオン温度 / 高周波プラズマ源
Outline of Research at the Start

本研究はプラズマプロセスやプラズマ推進の分野で広く利用されている高周波プラズマ源をダイバータプラズマ研究に応用するものである。(1)高周波プラズマに特有である単一マックスェル分布から逸脱した電子の生成、(2)波動加熱を利用する事によるイオン温度計測の容易化、および(3)体積再結合プラズマに対するイオンビームの重畳を行う事で実環境のダイバータに近い環境を実験室プラズマ内に作り出し、非接触ダイバータの構造形成過程における粒子・エネルギーバランスや体積再結合反応率に対して高エネルギーイオン衝突が及ぼす影響を実験的に調査するものである。

Outline of Final Research Achievements

The unique behavior attributed to hydrogen molecular activated recombination (MAR) was observed in the DT-ALPHA device. A method for measuring rotational and vibrational distributions of hydrogen molecules based on the hydrogen molecular spectroscopy was developed. It was confirmed that the MAR attributed to ion conversion reaction played important role in rollover of the electron density. It was indicated that depletion of low-energy electrons due to volumetric recombination could deform electron energy distribution. By utilizing the selective ion transmission of retarding field analyzers, a method for determining parallel and perpendicular ion temperatures was proposed, and its validity was investigated experimentally. Operating conditions for improving proton ratio in an ion beam source was analyzed by combing a kinetic code simulation and rate equations for hydrogen ions. A method for measuring energetic ion beam penetrating in a bulk plasm was developed.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

高周波放電装置において,水素分子活性化再結合プラズマの生成および背景プラズマから分離した高エネルギーイオンビームの計測を可能とした.既存の装置では高エネルギーイオン衝突が引き起こす励起水素原子・分子の生成および消滅過程を研究する事は困難であったが,それを可能とする環境の構築に成功した.また,体積再結合の進展に伴い電子エネルギー分布に歪みが生じ得る事や,単一の計測器で異なる2方向のイオン温度を得る可能性を示した.得られた結果や開発したプラズマ計測手法は実験装置に制限されない成果であり,核融合エネルギーの利用実現に向けた課題であるダイバータの熱制御性能の改善のための研究に貢献しうる.

Report

(5 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (31 results)

All 2024 2023 2022 2021 2020

All Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 7 results) Presentation (24 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results)

  • [Journal Article] Determination of Parallel and Perpendicular Ion Temperatures Based on Selective Ion Transmission in a Retarding Field Analyzer2024

    • Author(s)
      Shigetaka KAGAYA, Hiroyuki TAKAHASHI, Tomohiro SEINO, Keigo YOSHIMURA, Ryota NISHIMURA, Akihiro KANNO, Yusaku TAKAHASHI, Tomoya HARA, Tetsutarou OISHI, Akinobu MATSUYAMA, Kenji TOBITA
    • Journal Title

      Plasma and Fusion Research

      Volume: 19 Issue: 0 Pages: 1201021-1201021

    • DOI

      10.1585/pfr.19.1201021

    • ISSN
      1880-6821
    • Year and Date
      2024-05-02
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Spatial Distribution Analyses of Axially Long Plasmas under a Multi-Cusp Magnetic Field Using a Kinetic Particle Simulation Code KEIO-MARC2024

    • Author(s)
      Nishimura Ryota、Seino Tomohiro、Yoshimura Keigo、Takahashi Hiroyuki、Matsuyama Akinobu、Hoshino Kazuo、Oishi Tetsutarou、Tobita Kenji
    • Journal Title

      Plasma

      Volume: 7 Issue: 1 Pages: 64-75

    • DOI

      10.3390/plasma7010005

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Impact of selective ion transmission on measurement by retarding field analyzer2023

    • Author(s)
      Takahashi H.、Seino T.、Nishimura R.、Yoshimura K.、Kanno A.、Hara T.、Takahashi Y.、Kagaya S.、Matsuyama A.、Hayashi Y.、Tobita K.
    • Journal Title

      Physics of Plasmas

      Volume: 30 Issue: 5 Pages: 1-8

    • DOI

      10.1063/5.0144798

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Impact of Selective Ion Transmission on measurement by Retarding Field Analyzer2023

    • Author(s)
      H. Takahashi, T. Seino, R. Nishimura, K. Yoshimura, A. Kanno, T. Hara, Y. Takahashi, S. Kagaya, A. Matsuyama, Y. Hayashi, and K. Tobita
    • Journal Title

      Physics of Plasmas

      Volume: -

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] On electron temperature rise in divertor relevant recombining plasma along magnetic field line2022

    • Author(s)
      Takahashi H.、Winarto M. N.、Okamoto A.、Boonyarittipong P.、Seino T.、Kusabiraki K.、Sakata Y.、Yoshimura K.、Nishimura R.、Kitajima S.、Matsuyama A.、Tobita K.
    • Journal Title

      Physics of Plasmas

      Volume: 29 Issue: 3 Pages: 032508-032508

    • DOI

      10.1063/5.0073896

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Dependence of Plasma Parameters in Hydrogen Discharges on Magnetic Field Configuration and Neutral Pressure in the DT-ALPHA Device2020

    • Author(s)
      SEINO Tomohiro、TAKAHASHI Hiroyuki、BOONYARITTIPONG Peerapat、SAIKYO Takeshi、OGASAWARA Kenta、OKAMOTO Atsushi、KITAJIMA Sumio、TOBITA Kenji
    • Journal Title

      Plasma and Fusion Research

      Volume: 15 Issue: 0 Pages: 1201056-1201056

    • DOI

      10.1585/pfr.15.1201056

    • NAID

      130007888624

    • ISSN
      1880-6821
    • Year and Date
      2020-08-06
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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Development of an ion beam measurement instrument for divertor simulation experiments in radio-frequency plasma2020

    • Author(s)
      Takahashi Hiroyuki、Okamoto Atsushi、Kitajima Sumio、Tobita Kenji
    • Journal Title

      AIP Advances

      Volume: 10 Issue: 8 Pages: 085018-085018

    • DOI

      10.1063/5.0009321

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Retarding Field Analyzerにおける速度選択性を利用した2 方向イオン温度の同時計測手法の構築2024

    • Author(s)
      加賀谷重考, 高橋宏幸, 清野智大, 西村涼汰, 吉村渓冴, 菅野耀広, 原智也, 髙橋優作, 大石鉄太郎, 松山顕之 , 飛田健次
    • Organizer
      日本物理学会2024年春季大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Analysis of atomic hydrogen density based on hydrogen visible line spectroscopy and collisionalradiative model2024

    • Author(s)
      K. Yoshimura, H. Takahashi, T. Seino, R. Nishimura, A. Kanno, Y. Takahashi, T. Hara, S. Kagaya, A. Matsuyama, T. Oishi, K. Tobita, K. Sawada
    • Organizer
      26th International Conference on Plasma Surface Interaction in Controlled Fusion Devices
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Spatial structure of helium recombining plasma around recombination front in DT-ALPHA device2024

    • Author(s)
      H. Takahashi, A. Kanno, T. Seino, K. Yoshiura, R. Nishimura, Y. Takahashi, T. Hara, S. Kagaya, T. Oishi, A. Matsuyama, K. Tobita
    • Organizer
      26th International Conference on Plasma Surface Interaction in Controlled Fusion Devices
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] KEIO-MARCコードに基づくマルチカスプ型磁場配位イオン源における水素イオン比向上方法の検討2023

    • Author(s)
      高橋宏幸, 西村涼汰, 清野智大, Boonyarittipong Peerapat, 吉村渓冴, 菅野耀広, 原智也, 高橋優作, 大石鉄太郎, 松山顕之
    • Organizer
      日本物理学会第78回年次大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] DT-ALPHAにおけるダイバータ模擬水素プラズマ中のイオン温度計測2023

    • Author(s)
      吉村渓冴, 高橋宏幸, 清野智大, 西村涼汰A, 菅野耀広, 髙橋優作, 原智也, 松山顕之, 大石鉄太郎, 飛田健次
    • Organizer
      日本物理学会第78回年次大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Evaluation of proton density ratio in a bucket-type ion source based on kinetic code plasma simulation and rate equation for hydrogen ions2023

    • Author(s)
      H. Takahashi, R. Nishimura, T. Seino, K. Yoshimura, A. Kanno, T. Hara, Y. Takahashi, T. Oishi, A. Matsuyama, K. Tobita, K. Hoshino
    • Organizer
      Global Plasma Forum in Aomori
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Analysis of Molecular Activated Recombination in Hydrogen Plasma Produced in Radio Frequency Plasma Source DT ALPHA2023

    • Author(s)
      K. Yoshimura, H. Takahashi, T. Seino, R. Nishimura, A. Kanno, Y. Takahashi, T. Hara, S. Kagaya , T. Oishi, A. Matsuyama, K. Tobita
    • Organizer
      Global Plasma Forum in Aomori
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      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 水素イオン温度計測と衝突・輻射モデルに基づくDT-ALPHAの水素プラズマにおけるIC-MAR 反応率評価2023

    • Author(s)
      吉村渓冴 , 高橋宏幸 , 清野智大 , 西村涼汰 , 菅野耀広 , 髙橋優作 , 原智也, 加賀谷重考 , 松山顕之 , 大石鉄太郎 , 飛田健次 , 澤田圭司
    • Organizer
      第40 回 プラズマ・核融合学会 年会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Retarding Field Analyzer におけるイオン選択性を用いた磁力線垂直方向イオン温度計測手法の検証2023

    • Author(s)
      加賀谷重考, 髙橋宏幸, 清野智大, 吉村渓冴, 西村涼太, 菅野耀広, 髙橋優作, 原智也, 大石鉄太郎, 松山顕之, 飛田健次
    • Organizer
      第40 回 プラズマ・核融合学会 年会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Determination of Ion Temperature Parallel and Perpendicular to Magnetic field by Retarding Field Analyzer Based on Selective Ion Transmission2023

    • Author(s)
      H. Takahashi, T. Seino, K. Yoshimura, R. Nishimura, S. Kagaya, Y. Takahashi, A. Kanno, T. Hara, A. Matsuyama, T. Oishi, K. Tobita
    • Organizer
      13th International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement
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      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Production of Hydrogen Molecular Activated Recombining Plasma in Radio Frequency Plasma Source DT ALPHA2023

    • Author(s)
      K. Yoshimura, H. Takahashi, T. Seino, R. Nishimura, A. Kanno, Y. Takahashi, T. Hara, T. Oishi, A. Matsuyama, K. Tobita
    • Organizer
      13th International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] DT-ALPHAにおける水素分子振動・回転温度の中性粒子圧力依存性2023

    • Author(s)
      吉村渓冴、高橋宏幸、清野智大、西村涼汰、菅野耀広、髙橋優作、原智也、松山顕之、飛田健次
    • Organizer
      日本物理学会 2023年春季大会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 多重極カスプ磁場を用いた直線プラズマ装置の概念研究2023

    • Author(s)
      西村涼汰, 清野智大, 吉村渓冴, 菅野耀広, 髙橋優作, 原智也, 髙橋宏幸, 松山顕之 , 星野一生 , 飛田健次
    • Organizer
      日本物理学会 2023年春季大会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Parallel and perpendicular ion temperature measurement in divertor simulating plasma produced with RF discharge2022

    • Author(s)
      H. Takahashi, Y. Sakata, T. Seino, K. Kusabiraki, W. Muhammad Naufal, K. Yoshimura, R. Nishimura, P. Boonyarittipong, S. Kitajima, K. Tobita, A. Matsuyama, A. Okamoto
    • Organizer
      25th International Conference on Plasma Surface Interaction in Controlled Fusion Devices
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      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 磁力線に対して垂直方向の速度成分を持つイオンの混入がRetarding field analyzerを用いた平行方向イオン温度計測に及ぼす影響の検証2022

    • Author(s)
      高橋宏幸, 清野智大, 吉村渓冴, 西村涼汰, 菅野耀広, 原智也, 高橋優作, 松山顕之, 飛田健次
    • Organizer
      日本物理学会 2022年秋季大会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 直線型プラズマ装置DT-ALPHAにおける水素バルマー系列線の中性粒子圧力応答2022

    • Author(s)
      吉村渓冴、高橋宏幸、清野智大、西村涼汰、菅野耀広、髙橋優作、原智也、松山顕之、飛田健次
    • Organizer
      日本物理学会 2022年秋季大会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 円形アパチャーを有したRetarding field analyzerを用いた平行および垂直方向イオン温度の同時推定2022

    • Author(s)
      高橋宏幸, 清野智大, 西村涼汰, 吉村渓冴, 菅野耀広, 原智也, 髙橋優作, 松山顕之, 飛田健次
    • Organizer
      第39回 プラズマ・核融合学会年会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 高周波プラズマ源DT-ALPHAにおける水素原子線および分子線分光を組み合わせた水素原子密度の評価2022

    • Author(s)
      高橋宏幸, 草開薫, 清野智大, 坂田裕紀, Muhammad Naufal Winarto, 吉村渓冴, 西村涼汰,Boonyarittipong Peerapat, 飛田健次, 松山顕之, 岡本敦
    • Organizer
      日本物理学会 第77会年次大会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] DT-ALPHAにおけるグリッド型エネルギー分析器を用いた磁力線方向のイオン温度計測2022

    • Author(s)
      西村涼汰, 坂田裕紀, 高橋宏幸, 清野智大, 草開薫, Muhammad Naufal Winarto, 吉村渓冴,Boonyarittipong Peerapat, 松山顕之, 飛田健次
    • Organizer
      日本物理学会 第77会年次大会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 高周波プラズマ源DT-ALPHAにおける水素分子活性化再結合の促進に向けた放電条件の最適化2022

    • Author(s)
      吉村渓冴, 高橋宏幸, 清野智大, 草開薫, 坂田裕紀, Muhammad Naufal Winarto, 西村涼汰,Boonyarittipong Peerapat, 松山顕之, 飛田健次
    • Organizer
      日本物理学会 第77会年次大会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Observation of Electron Temperature Rise in Divertor Relevant Recombining Plasma along Magnetic Field Line2021

    • Author(s)
      H. Takahashi, M. N. Winarto, P. Boonyarittipong, T. Seino, K. Kusabiraki, Y. Sakata, K. Yoshimura, R. Nishimura, S. Kitajima, K. Tobita
    • Organizer
      The 30th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research
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      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 動的なプラズマ-気相境界における衝突・輻射物理と粒子輸送2021

    • Author(s)
      高橋宏幸
    • Organizer
      日本物理学会 第76回年次大会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] DT-ALPHAにおけるヘリウム再結合プラズマの空間分布計測2021

    • Author(s)
      高橋宏幸, Muhammad Naufal Winarto, Boonyarittipong Peerapat, 清野智大, 草開薫, 坂田裕紀, 吉村渓冴, 北島純男, 岡本敦, 飛田健次
    • Organizer
      日本物理学会 第76回年次大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 高周波プラズマ源DT-ALPHAにおける水素ガスパフプラズマの原子分子線計測2020

    • Author(s)
      高橋宏幸, Boonyarittipong Peerapat, 清野智大, 草開薫, 坂田裕紀, Muhammad Naufal Winarto, 吉村渓冴, 北島純男, 岡本敦, 飛田健次
    • Organizer
      日本物理学会 2020年秋季大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2025-01-30  

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