2017 Fiscal Year Annual Research Report
Investigation of ion confinement and its loss mechanism by the microwave collective Thomson scattering
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16H04620
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
田中 謙治 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (50260047)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西浦 正樹 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (60360616)
武村 勇輝 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (60705606)
久保 伸 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (80170025)
下妻 隆 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (80270487)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | マイクロ波 / トムソン散乱 / プラズマ / 核融合 / CO2レーザー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成29年度の実験では核融合科学研究所の大型ヘリカル装置(LHD)において154GHzマイクロ波光源を用いた協同トムソン散乱の計測を行うと共に、過去に取得したデータについて高速イオンと乱流揺動の挙動の相関について解析を進めた。これらに関する結果については査読付論文を出版した。平成28年度末に磁場強度1.375Tで154GHzマイクロ波光源を用いた計測を行い、初期的なデータを取得した。平成29年度にはプラズマの閉じ込めが良く、高いイオン温度を達成できる2.75Ｔでの計測を行ったが、有意な信号を取得できなかった。これはマイクロ波光源の周波数が高くなると散乱信号強度が小さくなり、それに対して154GHz付近の電子サイクロトロン放射第2高調波（2nd ECE）の強度が大きく、SNR(信号体雑音比)が小さくなるためである。マイクロ波光源を周期的にON-OFF変調して信号成分の取得を試みたが、OFF時においても2nd ECE強度が大きく、2.75Ｔの実験では有意な信号を取得できなかった。ECEは第4高調波以上は劇的に小さくなるため、磁場を1.375Ｔとして、154GHzが第4高調波付近となる設定にして計測を試みた。その結果、ON-OFF変調のOFF時にはほとんどECEは計測されず十分なSNRで信号を取得することができた。重水素プラズマと軽水素プラズマで比較実験を行ったところ、同程度の温度、密度においてバルクイオンによる散乱スペクトルの拡がりが軽水素のほうが広く、散乱理論の予測と一致した。
154GHzは77GHzに比べて屈折の効果が小さく、ビーム幅も細いため空間分解能良く計測できるので、密度の高い領域では77GHzに対してSNRが十分であれば精度のよい計測が可能である。しかしながら、適用範囲はECEが小さい1.375T以下であるかとが明らかになった。
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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
77GHz、154GHzで共に計測システムを開発しそれぞれの周波数において計測に成功し、さらには計測適用可能領域を明らかにした。当初77GHzと154GHzの同時計測を計画していたが、信号伝送用の導波管を２系統同時に用いることができないため、目的に応じて77GHzと154GHzの協同トムソン散乱システムを使い分けることにした。
平成29年度よりLHDにおいて重水素実験を開始した。MHD揺動、乱流揺動を計測するCO2レーザーヘテロダイン干渉計、位相コントラストイメージングは、すべての計測システムがLHD実験棟にあるため、検出器の中性子損傷を防ぐためのシールドを設置する必要があり、その結果、検出光学系を大幅に変更する必要があった。平成29年度の実験では光学系の一部が計測に最適化されておらず、そのために、改良用の光学部品（凹面鏡、ミラーなど）を購入し、平成30年度の実験に備えた。
高速イオンと、MHDおよび乱流揺動の相関については平成29年度以前の実験データについて解析した。それによれば、高速イオンが損失するときに過渡的に大きな負電場が形成されて、それにより乱流揺動が過渡的に抑制されることがわかった。高速イオンの損失による電場の変化は乱流の位相速度がExB速度でほぼ決まっていることを利用して位相速度の時間変化より計測した。このときの高速イオンの挙動は残念ながら協同トムソン散乱で計測されておらず、中性粒子エネルギー分析器(NPA)より評価した。ただし、NPAは視線積分計測であること、信号の増減が高速イオンの変化だけでなく、中性粒子の変化にも影響されることからデータの解釈が難しい。平成30年度の実験では協同トムソン散乱により、これら高速イオンの損失を直接計測することを試みる。
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| Strategy for Future Research Activity |
154GHzは77GHzに対して屈折の効果が小さいため特に高い密度領域での計測に適しているが、現状ではECEのノイズに対しするSNRを考慮すると1.375T以下でしか有意な信号を取得することができない。プラズマの閉じ込め性能は磁場の二乗に反比例するため磁場が高いほうがイオン温度も高く、信号強度の小さい高速イオンの計測も容易になる。また、高速イオンの成分はバルクイオンの成分より一桁以上小さいためSNRの良い計測が必要となる。よって、平成30年度の実験では2.75Tで77GHzを用いた協同トムソン散乱の高速イオンの計測に集中する。強いイオン加熱を行うと共に屈折の効果が小さい比較的低い電子密度での実験を行う。
現在のシステムではバルクイオン、高速イオン共に計測するために初段のアンプのゲインをバルクイオンの信号が飽和しないレベルに設定している。平成30年度の実験ではバルクイオンの成分はバンドリジェクトフィルターで取り除き、初段アンプのゲインを上げ、高速イオンの計測に特化し信号のSNRを向上させる。
乱流計測用のCO2レーザー位相コントラストイメージング、MHD揺動計測用のCO2レーザーヘテロダイン干渉計は光学系の改良により、安定した計測を目指す。
高速イオンの損失とMHD揺動、乱流揺動の相関は2.75Ｔで中性粒子ビームにより強いイオン加熱をしたときに観測されている。また、軽水素、重水素、ヘリウム放電では高速イオン励起の不安定性に差が見られ、イオン種が高速イオン励起不安定性に影響を及ぼしていることを示唆している。77GHz協同トムソン散乱で強イオン加熱時の高速イオンを計測し、その挙動と、CO2レーザー位相コントラストイメージング、CO2レーザーヘテロダイン干渉計で計測する微視的揺動、MHD揺動の相関を実験的に明らかにし、高速イオンの閉じ込め性能の物理機構を明らかにすることを目指す。
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Research Products
(18 results)
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[Journal Article] Collisionality dependence and ion species effects on heat transport in He and H plasma, and the role of ion scale turbulence in LHD2017
Author(s)
K. Tanaka, K. Nagaoka, S. Murakami, H. Takahashi1, M. Osakabe, M. Yokoyama, R. Seki, C.A. Michael, H. Yamaguchi, C. Suzuki, A. Shimizu, T. Tokuzawa, M. Yoshinuma, T. Akiyama, K. Ida, I. Yamada, R. Yasuhara, H. Funaba, T. Kobayashi, H. Yamada, LHD experimental group
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Journal Title
Nuclear Fusion
Volume: 57
Pages: 116005
DOI
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[Journal Article] Role of Helium Hydrogen ratio on energetic interchange mode behaviour and its effect2017
Author(s)
C.A. Michael, K. Tanaka, T. Akiyama, T. Ozaki, M. Osakabe, S. Sakakibara, H. Yamaguchi, S. Murakami, M. Yokoyama, M. Shoji, L.N. Vyacheslavov, LHD
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Journal Title
Nuclear Fusion
Volume: 58
Pages: 046013
DOI
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[Journal Article] Suppression of Trapped Energetic Ions driven Resistive Interchange Modes with Electron-Cyclotron-Heating in a Helical Plasm2017
Author(s)
X. D. Du, K. Toi, S. Ohdachi, K. Y. Watanabe, H. Takahashi, Y. Yoshimura, M. Osakabe, R. Seki, T. Nicolas, H. Tsuchiya, K. Nagaoka, K. Ogawa, K. Tanaka, M. Isobe, M. Yokoyama, M. Yoshinuma, S. Kubo, S. Sakakibara, T. Bando, T. Ido, T. Ozaki, Y. Suzuki, Y. Takemura, and LHD experiment Group
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Journal Title
Physical Review Letters
Volume: 118
Pages: 125001
DOI
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[Presentation] Isotope effects on transport and turbulence in LHD2017
Author(s)
K. Tanaka, T. Ii. Tsujimura, S. Kubo, M. Nakata, Y. Ohtani, K. Nagaoka, M. Yokoyama, H. Takahashi, S. Murakami, R. Seki, S. Kamio, T. Tokuzawa, T. Akiyama, I. Yamada, R. Yasuhara, M. Yoshinuma, K. Ida, H. Yamada, M. Goto, A. Ishizawa, M. Nunami, H. Sugama, M. Osakabe, T. Morisaki1 and the LHD Experimental Group
Organizer
21st International Stellarator-Heliotron Workshop
Int'l Joint Research
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[Presentation] Improvement of Millimeter-Wave Transmission Efficiency Using Beam Profile Monitors in an ECRH Transmission Lin2017
Author(s)
Takashi Shimozuma, Sakuji Kobayashi, Satoshi Ito, Yasuhiko Ito, Kohta Okada, Yasuo Yoshimura, Hiroe Igami, Hiromi Takahashi, Toru Tsujimura, Yoshinori Mizuno, Shin Kubo
Organizer
26th International Toki Conference
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[Presentation] Current Status of the LHD ECRH System and Development of Dual-Frequency Gyrotrons2017
Author(s)
T. Shimozuma, S. Kubo, Y. Yoshimura, H. Igami, H. Takahashi, T. Tsujimura, R. Makino, S. Ito, Y. Mizuno, H. Takubo, S.
Organizer
2017 US-EU-JPN Workshop on RF Heating Technology & 2017 US-JPN Workshop on RF Physics
Int'l Joint Research
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