2018 Fiscal Year Annual Research Report
中性粒子・輻射輸送に伴う非接触ダイバータプラズマ中のエネルギー輸送機構の解明
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16H02440
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
大野 哲靖 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (60203890)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
梶田 信 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 准教授 (00455297)
澤田 圭司 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (40262688)
荒巻 光利 日本大学, 生産工学部, 教授 (50335072)
田中 宏彦 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (60609981)
河村 学思 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (70509520)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | プラズマ・核融合 / ダイバータ / 非接触プラズマ / 体積再結合課程 / 中性粒子温度 / レーザートムソン散乱計測 / プローブ計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
非接触プラズマ中の電子温度分布関数が非マクスウェル分布となっている原因を明らかにするために，レーザートムソン散乱(LTS)計測，2次元駆動プローブ計測システムの改良をさらに進め，条件付き平均法を用いた電子温度，電子密度，空間電位の時空間分布計測を行った。プラズマ揺動をLTS計測を用いて観測するため、静電プローブと同期させて計測を行い、数 μsという高い時間分解能でのLTS計測信号の再構成と電子温度・電子密度評価に，非接触プラズマでは初めて成功した。さらに，非接触プラズマにおけるダブルプローブ計測の信頼性を明らかにするために， 電流電圧特性に対するプラズマ電位変動、プラズマ抵抗率、電子密度変動の影響を考慮して定量的に評価した。 最適化されたダブルプローブ法で測定された電子温度とLTS計測で測定された電子温度はほぼ一致した。上記の計測システムを用いて，電離フロント近傍のプラズマ揺動と非マクスウェル電子温度分布の関係を明らかにした。
また，多チャンネルのマイクロ波干渉計，高速カメラならびに2次元駆動プローブ計測システムを用いて，再結合フロント近傍のプラズマ揺動の同時多点計測を行い，揺動の構造とそれに伴う非拡散的粒子輸送現象を調べた。その結果，プラズマの径方向放出に関連した密度揺動は，周波数10-20 kHz程度，周方向モード数mが1であり，磁力線方向のE×B方向の回転速度の減少に伴って，螺旋状の3次元構造を形成していることが明らかになった。さらに，螺旋状のプラズマ放出の前後にはプラズマコラム中心付近に低周波揺動（m=0）が観測され，プラズマ放出現象のトリガーとなっていることが示唆された。
さらに，LTS計測の光学系の変更になりプラズマ上流部でのプラズマパラメータ計測が可能となり，プラズマ上流に擾乱を与えること無しに，磁力線方向の非接触プラズマの構造変化を系統的に計測した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
レーザートムソン散乱計測，2次元駆動プローブ計測システム（ダブルプローブ）の改良を行い，条件付き平均法を用いた電子温度，電子密度，空間電位の時空間分布計測を実現し，非接触プラズマ中の電子温度分布関数が非マクスウェル分布となっている原因について研究を進めた。その結果，発生機構として，中性粒子密度上昇に伴い再結合フロント近傍で発生するプラズマ揺動と関連が明らかになった。また，プラズマ揺動の構造が，レーザートムソン散乱計測，プローブ計測システム，マイクロ波干渉計，高速度カメラを用いた同時多点計測により解明された。さらに，下流部のレーザートムソン散乱計測を拡張し，光学系を新たに設計・製作することにより，上流部の計測も可能とした。実験結果とシミュレーション結果との比較研究に関しては少し遅れが見られるものの，以上の成果は前年度の研究推進方策で記述された研究計画をほぼ達成しており，Plasma Physics and Controlled Fusion誌などの当該分野において主要な学術論文誌に，７報の査読付学術論文，PSI2018における招待講演を含む12件の学会発表して公表されている。
以上より，当該研究は概ね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
開発した高時間分解のレーザートムソン散乱計測，2次元駆動プローブ計測システムを駆使して，非接触プラズマ再結合フロント近傍の非接触プラズマの時空間変化の系統的な計測を更に進め，非接触プラズマ中の粒子輸送・エネルギー輸送過程を明らかにする。特に，定点レーザートムソン散乱計測と軸方向の可視分光計測を組み合わせることにより，再結合フロント領域の減衰長を明らかにする。
また，最新の原子分子過程データを取り入れた流体コードを用いたシミュレーションを実施し，実験結果との比較を行うことにより，輻射や中性粒子挙動が非接触プラズマ生成に与える影響を明らかにする。
さらに，非接触プラズマ再結合フロント近傍の沿磁力線方向の電位分布が非接触プラズマの安定性に与える影響を，電子放出プローブを用いた実験により明らかにする。
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