コンピュータトモグラフィを応用した三次元ドップラー温度・流速計の開発

2011 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11J06299
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 田辺 博士 東京大学, 大学院・新領域創成科学研究科, 特別研究員(DC1)
• Keywords: プラズマ診断 / 非接触計測 / ドップラー計測 / イオン温度 / プラズマ流 / 逆問題 / コンピュータトモグラフィ / 磁気リコネクション

Research Abstract

プラズマから放射される可視光線スペクトルがドップラー効果を受けて波長シフトすることを利用して、プラズマの熱運動や流れを線スペクトルのドップラー幅・バルクシフトから調べる手法であるドップラー分光計測にコンピュータトモグラフィを応用し、プラズマ内部の局所イオン温度・流速分布計測を目指す本計画の実施に先立ち、研究初年度となる平成23年度はシステム構築に必要なハードウェア・ソフトウェア環境の整備を行うとともに、前年度(22年度)の2次元ドップラー計測システム立ち上げ成果のまとめ(Rev.Sci.Instrum誌への投稿[査読中])および、磁気リコネクション室内実験への応用を行った(論文[1]～[3],発表[1]～[5])。ドップラー分光計測は、実験室プラズマに限らず、宇宙プラズマから核融合プラズマまで幅広いスケールのプラズマを非接触で診断できる反面、受動計測であるが故に、その計測信号は視線方向の全ての発光の重ね合わせとなってしまう問題がある。特にレーザを入射して局所的にプラズマを光らせるLIF法が難しい完全電離プラズマを対象とした核融合プラズマでは、確かな局所計測は中性粒子ビームを用いたCXRS法に限られるが、ビームが計測専用に作られることがない限りその計測領域は通常磁気軸外側の限られた位置の一次元計測となっているのが現状であり、ビームに左右されずプラズマ全体をカバーできる経済的な局所計測はいまだ不在の状況にある。実際、英国カラム研究所が有する世界最大の球状トカマク合体実験装置MASTは、2基のビームを有しながら、合体中のプラズマのコア領域のイオン温度・流速計測が実現できておらず、我々の手法はおおいに注目を受けることとなり24年度に共同実験を実施することが確定した。以上のように、本計画は現在、東大学内における新手法開拓および、大型実験における実証の二本立てで進行している。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

研究初年度となる平成23年度は新しいトモグラフィシステム開発のための、ハードウェア・ソフトウェア環境の整備および、22年度に開発済みのシステムを応用したTS-3/4装置における磁気リコネクション室内実験での成果程度を想定していたが、さらなる成果として英国カラム研究所との共同実験を軌道に乗せ、世界最大の球状トカマク実験装置MASTにおいて合体中のイオン温度診断手法として我々の手法を採用させるProposalを通すことに成功したことは特筆に値し、当初の計画以上の進展といえる。

Strategy for Future Research Activity

平成24年度は、トーラスプラズマ合体実験装置TS-3/4装置におけるベクトルトモグラフィを用いたポロイダル流速計測システム立ち上げにおいて最も重要な集光レンズ系の整備を開始するとともに、英国カラム研究所との共同実験としてMAST装置の計測系へのトモグラフィシステム導入を開始する。そして両装置共通の物理現象である磁気リコネクションに関し、TS-3/4装置では磁気エネルギーが熱化されるまでのエネルギー変換の基礎課程を明らかにしていくとともに、MAST装置では燃焼プラズマ領域を見据えたkeVオーダーの高温高ベータプラズマ立ち上げ手法としてのスケーリング則を確立するためのハイパワー実験を実施する。

Research Products

• [Journal Article] High Power Heating of Magnetic Reconnection for High-Beta ST formation in TS-3 and UTST ST Merging Experiments (2012)
  • Author(s): Y.Ono, H.Tanabe, Y.Kamino, K.Yamasaki, K.Kadowaki, Y.Hayashi, T.Yamada
  • Journal Title: J.Fusion Energy Volume: (印刷中)(掲載確定)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ion and Electron Heating Characteristics of Magnetic Reconnection in a Two Flux Loop Merging Experiment (2011)
  • Author(s): Y.Ono, H.Tanabe, Y.Hayashi, T.Ii, Y.Namshima, T.Yamada, M.Inomoto, C.Z.Cheng
  • Journal Title: Phys.Rev.Lett Volume: 107 Pages: 185001-4
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.185001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Intermittent magnetic reconnection in TS-3 merging experiment (2011)
  • Author(s): Y.Ono, Y.Hayashi, T.Ii, H.Tanabe, S.Ito, A.Kuwahata, T.Ito, Y.Kamino, T.Yamada, M.Inomoto, TS-Group
  • Journal Title: Phys.Plasmas Volume: 18 Pages: 111213-1-7
  • DOI: 10.1063/1.3662434
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Laboratory Experiment on Plasma Heating During Magnetic Reconnection in Torus Plasma Merging Device TS-3 and TS-4 (2011)
  • Author(s): Hiroshi Tanabe, et.al.
  • Organizer: Hinode5
  • Place of Presentation: Royal Sonesta Hotel (Cambridge, Massachusetts,米国)
  • Year and Date: 20111011-20111014
• [Presentation] ライトブリッジ共同実験におけるドップラー計測 (2011)
  • Author(s): 田辺博士, et.al.
  • Organizer: 第11回ひので-実験室研究会
  • Place of Presentation: 京都大学(京都府)
  • Year and Date: 2011-12-14
• [Presentation] トーラスプラズマ合体実験を用いた磁気リコネクションのイオン加熱機構の検証 (2011)
  • Author(s): 田辺博士, et.al.
  • Organizer: Plasma Conference 2011
  • Place of Presentation: 石川県立音楽堂(石川県)
  • Year and Date: 2011-11-23
• [Presentation] Ion heating characteristics of magnetic reconnection in TS-3 & TS-4 tokamak and spheromak merging experiments (2011)
  • Author(s): Hiroshi Tanabe, et.al.
  • Organizer: 3rd Annual Meeting of the American Physical Society Division of Plasma Physics
  • Place of Presentation: Salt Palace Convention Center (Salt Lake City, Utah,米国)
  • Year and Date: 2011-11-16
• [Presentation] ドップラー分光トモグラフィを用いた2次元イオン温度計システムの開発 (2011)
  • Author(s): 田辺博士, et.al.
  • Organizer: 画像計測研究会2011
  • Place of Presentation: 核融合科学研究所(岐阜県)
  • Year and Date: 2011-09-01