ミラー磁場配位における自発励起アルベン波動の境界条件および非等方性緩和の研究

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K17797
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 池添 竜也 筑波大学, 数理物質系, 助教 (70582849)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: アルベンイオンサイクロトロン波動 / 温度非等方性 / ICRF波動 / ICRF加熱 / ミラー磁場 / マイクロ波反射計 / 波動粒子相互作用 / 非線形波動結合

Outline of Annual Research Achievements

アルベンイオンサイクロトロン(AIC)波動の境界条件を同定するためには、高温プラズマ内部の詳細な波動計測（特に磁力線方向）が必要である。そこで、昨年度に有効性を実証した2chマイクロ波反射計をアップグレードさせた。大きな改良点は、マイクロ波ホーンアンテナアレイの増設とPINダイオードスイッチの導入である。アンテナを高速でスイッチングすることにより、同一プラズマ放電において、アンテナを設置している全てのプラズマ断面内の測定が可能になる。スイッチング速度は、波動の解析に必要な時間幅と特徴的な波動構造の変化の時間スケールとのバランスにより、1-5kHz程度とした。PINダイオードスイッチの応答時間は1nsであり、スイッチング前後で無駄となる時間はほとんど生じない。この手法では、高価な高速デジタイザーや、多数のRF部品で構成されるマイクロ波反射計を複数台用意する必要がなく、多点計測化が容易である。この特徴を活かし、磁力線方向における合計5点の計測が可能なシステムを構築した。これにより、課題解決に必要な波動計測手法が確立された。
同一プラズマ放電における磁力線方向の多点計測により、波動強度が励起領域からミラー磁場端に向かって平均的には減衰している様子が観測された。また、複数励起されるAIC波動が、波動間で有意に異なる磁力線方向の構造を有していることが初めて明らかになった。
波動計測の高度化と並行して、高エネルギーイオン輸送を計測するイオン検出器を新しく設置した。これは、AIC波動による温度非等方性緩和機構を解明する上で、AIC波動と相互作用をした後の高エネルギーイオンの振る舞いを調べるためである。複数励起されるAIC波動間の差の周波数での周期的バースト様損失が観測され、昨年度反射計により明らかにしているAIC波動間の差周波揺動の非線形励起が損失過程に寄与していることが示唆された。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

PINダイオードスイッチを用いた高速アンテナスイッチングにより、マイクロ波反射計で磁力線方向5点の同一プラズマ放電における計測が可能になった。その結果、複数励起されるAIC波動間で有意に異なる磁力線方向の構造が見出されるなど、境界条件に繋がる計測結果が得られた。AIC波動による温度非等方性の緩和に対しては、複数励起されるAIC波動間の差周波揺動との相互作用を反映する端損失高エネルギーイオン信号が得られ、非等方性の緩和における新しい機構の理解の進展が得られた。新設したイオン検出器と既存の検出器との比較により、今後、相互作用するイオンのエネルギー帯や径方向依存性、方位角依存性に関する議論が見込める。さらに、AIC波動とは別の外部から励起させる波動を用いた能動的な実験により、高エネルギーイオンがドップラー効果を含めたサイクロトロン共鳴によりピッチ角散乱される過程が明瞭に観測された。このように、当初計画になかった関連する成果も得られており、本研究課題の解決に向けた研究が順調に進展した。

Strategy for Future Research Activity

これまでにICRF加熱スキームを様々に変えることにより達成されたプラズマ放電の知見を活かして、AIC波動の境界条件を大きく変える実験に引き続き取り組みながら、取得済みデータの物理解釈に必要なデータを追加で取得する。計測器はこれまでに整備された物を主に使用するが、イオン検出器については、イオンリペラーグリッドの高耐圧化を行い、より高いエネルギー領域のイオンまで含めた波動との相互作用を調べることも行う。最終年度であるため、年度後半に向けて学術論文誌への投稿や学会発表を行い、成果の公開を積極的に行う。

Research Products

• [Journal Article] Multi-point measurement using two-channel reflectometer with antenna switching for study of high-frequency fluctuations in GAMMA 10 (2017)
  • Author(s): R. Ikezoe, M. Ichimura, T. Okada, J. Itagaki, M. Hirata, S. Sumida, S. Jang, K. Izumi, A. Tanaka, M. Yoshikawa, J. Kohagura, M. Sakamoto, and Y. Nakashima
  • Journal Title: Rev. Sci. Instrum. Volume: 88 Pages: 033504
  • DOI: 10.1063/1.4978323
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Development of internal ICRF wave detection using microwave reflectometry on GAMMA 10 (2016)
  • Author(s): R. Ikezoe, M. Ichimura, J. Itagaki, M. Hirata, S. Sumida, S. Jang, M. Yoshikawa, J. Kohagura, M. Sakamoto, and Y. Nakashima
  • Journal Title: AIP Conference Proceedings Volume: 1771 Pages: 050002
  • DOI: 10.1063/1.4964196
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] ICRF heating in the plug/barrier region to control end-loss ions on GAMMA 10/PDX (2016)
  • Author(s): S. Jang, M. Ichimura, S. Sumida, M. Hirata, R. Ikezoe, M. Sakamoto, T. Okada, Y. Iwamoto, Y. Onodera, J. Itagaki, K. Ichimura, and Y. Nakashima
  • Journal Title: AIP Conference Proceedings Volume: 1771 Pages: 030011
  • DOI: 10.1063/1.4964167
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct Observation of Electron Heating by Electron Landau Damping of Alfven Ion Cyclotron Waves Using Thomson Scattering System in the Tandem Mirror GAMMA 10/PDX (2016)
  • Author(s): M. Yoshikawa, R. Ikezoe, K. Ohta, X. Wang, J. Kohagura, Y. Shima, M. Chikatsu, K. Ichimura, M. Sakamoto, M. Ichimura, T. Imai, R. Minami, K. Tsumura and Y. Nakashima
  • Journal Title: Plasma Fusion Res. Volume: 11 Pages: 2402051
  • DOI: 10.1585/pfr.11.2402051
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spatial Structure of Spontaneously Excited ICRF Waves and Relevant High-Energy Ion Loss in the GAMMA 10 Tandem Mirror (2016)
  • Author(s): R. Ikezoe, M. Ichimura, M. Hirata, T. Okada, S. Sumida, S. Jang, J. Itagaki, M. Yoshikawa, J. Kohagura, M. Sakamoto, Y. Nakashima
  • Journal Title: Proceedings of 26th IAEA-FEC Volume: - Pages: P8-43
  • Acknowledgement Compliant
• [Presentation] GAMMA 10/PDXにおける高速イオンの軸方向輸送解明に向けた波動計測の高度化 (2017)
  • Author(s): 池添竜也，市村真，板垣惇平，泉昂希，平田真史，隅田脩平，ジャンソウォン，田中温人，坂本瑞樹，中嶋洋輔
  • Organizer: 仙台プラズマフォーラム 『プラズマ流の基礎と応用に関する研究会』 電気通信研究所共同プロジェクト研究会 『プラズマ流中マルチスケール構造形成による新規反応場の開拓に関する研究会』
  • Place of Presentation: 東北大学工学研究科（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2017-03-02 – 2017-03-03
• [Presentation] アンテナスイッチグを用いた反射計による多点 ICRF波動計測 (2016)
  • Author(s): 池添竜也，市村真，板垣惇平，平田真史，隅田脩平，ジャンソウォン，泉昂希，田中温人，吉川正志，小波蔵純子，坂本瑞樹，中嶋洋輔
  • Organizer: 第6回ICRF研究会「ICRF加熱装置の高性能化と将来応用」
  • Place of Presentation: 核融合科学研究所（岐阜県土岐市）
  • Year and Date: 2016-12-27 – 2016-12-27
• [Presentation] アンテナスイッチングを用いた反射計による高温プラズマ内部アルベン波動の径方向と磁力線方向の構造計測 (2016)
  • Author(s): 池添竜也，市村真，板垣惇平，平田真史，隅田脩平，ジャンソウォン，泉昂希，田中温人，吉川正志，小波蔵純子，坂本瑞樹，中嶋洋輔
  • Organizer: 第33回プラズマ・核融合学会年会
  • Place of Presentation: 東北大学青葉山キャンパス（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-11-29 – 2016-12-02
• [Presentation] Probing of high-frequency coherent fluctuations by using a two-channel microwave reflectometer with antenna switching (2016)
  • Author(s): R. Ikezoe, M. Ichimura, J. Itagaki, M. Hirata, S. Sumida, S. Jang, K. Izumi, A. Tanaka, M. Yoshikawa, J. Kohagura, M. Sakamoto, Y. Nakashima
  • Organizer: 58th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • Place of Presentation: San Jose, USA
  • Year and Date: 2016-10-31 – 2016-11-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spatial Structure of Spontaneously Excited ICRF Waves and Relevant High-Energy Ion Loss in the GAMMA 10 Tandem Mirro (2016)
  • Author(s): R. Ikezoe, M. Ichimura, M. Hirata, T. Okada, S. Sumida, S. Jang, J. Itagaki, M. Yoshikawa, J. Kohagura, M. Sakamoto, Y. Nakashima
  • Organizer: 26th IAEA Fusion Energy Conference
  • Place of Presentation: Kyoto International Conference Center, Kyoto city, Japan
  • Year and Date: 2016-10-17 – 2016-10-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of internal ICRF wave detection using microwave reflectometry on GAMMA 10 (2016)
  • Author(s): R. Ikezoe, M. Ichimura, J. Itagaki, M. Hirata, S. Sumida, S. Jang, M. Yoshikawa, J. Kohagura, M. Sakamoto, Y. Nakashima
  • Organizer: 11th International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement
  • Place of Presentation: Novosibirsk, Russia
  • Year and Date: 2016-08-08 – 2016-08-12
  • Int'l Joint Research