Direct measurement of ions in a high-density plasma with collective Thomson scattering diagnostics

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H03509
• Research Institution: University of Fukui
• Principal Investigator: 斉藤 輝雄 福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 特命教授 (80143163)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 立松 芳典 福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 教授 (50261756) ; 久保 伸 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (80170025) ; 田中 謙治 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (50260047)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: プラズマ計測 / 協同トムソン散乱 / サブテラヘルツ帯ジャイロトロン

Outline of Annual Research Achievements

2018年度早期にジャイロトロンを核融合研に移設・加熱装置室所定の場所にジャイロトロンを設置、必要な配管・配線を行い、発振特性および放射形状を確認した。並行して、加熱装置室からLHD本体室に配管されている3.5インチコルゲート導波管にジャイロトロン出力結合するためのミラー伝送系、導波管真空窓および導波管切替器を製作した。さらに、高感度受信系の動作確認も行った。これらは、斉藤、久保、田中、下妻，西浦に加え、福井大学工学研究科の大学院生2名とともに進めた。以上を平成30年11月までに完了し、12月以降のLHD実験期間中にサブテラヘルツ帯ジャイロトロンを用いた世界で初めてのCTS実験を試行した。
LHDにおけるCTS実験装置の開発の成果を国際会議20th Joint Workshop on Electron Cyclotron Emission and Electron Cyclotron Resonance Heating (EC20)および43 International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Wavesで発表するとともに国内会議でも報告した。また、これらを学術論文にまとめて投稿した。さらに、2017年度のジャイロトロン特性測定実験で発見した多周波数発振現象を国際共同研究として解析し、理論的な解釈を得ることに成功した。この成果を2019年9月に開催される国際会議44 International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Wavesに投稿した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

2017年度は、目標であったパルス幅を100マイクロ秒まで延伸すること、二重真空窓効果や周波数スペクトルデータの蓄積、ジャイロトロン出力の長距離伝送のための3.5インチコルゲート導波管伝送試験等を順調に完了し、2018年年度のCTS実験のための準備を完了した。
2018年度は、ジャイロトロンを核融合研に移転し、発振特性の再確認・ジャイロトロン出力の3.5インチコルゲート導波管系への結合・LHDのプラズマ発生のタイミングに合わせたトリガー系およびデータ取り込み系の整備を行い、CTS実験を試行した。2018年度中にCTS信号を得るには至らなかったが、サブテラヘルツ帯ジャイロトロンを用いたCTS実験の成功の一歩手前まで到達することができた。

Strategy for Future Research Activity

CTS信号が見えない原因として、ジャイロトロン出力がLHDまでうまく伝送されていない可能性、受信系の感度不足、ジャイロトロンの出力不足等が考えられる。このうち、ジャイロトロン出力の伝送に関しては、LHD真空容器の入射窓直前でコルゲート導波管のマイターベンドを取り外して、伝送ビームの品質と電力を確認する。問題がある場合は、ミラー伝送系およびコルゲート導波管への結合部の光軸を再調整する。受信系は2018年度のCTS実験の試行中、LHDプラズマからの電子サイクロトロン放射が受信できていることから大きい問題はないと思われるが、アンプの最適化等を検討する。ジャイロトロンは，可能な限り、出力上昇とパルス幅延伸を図る。これらの調整をLHD実験サイクル開始までに終了する。これは、斉藤、久保、田中、西浦と研究協力者で進める。
この準備によりCTS信号を受信する。さらに、LHD実験サイクル中、可能な限りCTS実験を実施して，イオン温度・高エネルギーイオンの情報を解析できるデータを蓄積する。
以上の結果を国内外会議で発表するとともに学術論文にまとめ、本課題を完了する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Saratov State University(ロシア連邦)
  • Country Name: RUSSIA FEDERATION
  • Counterpart Institution: Saratov State University
• [Journal Article] Developments for collective Thomson scattering equipment with a sub-THz gyrotron in LHD (2019)
  • Author(s): Saito Teruo、Tatematsu Yoshinori、Yamaguchi Yuusuke、Fukunari Masafumi、Hirobe Takumi、Shinbayashi Ryushi、Tanaka Shunsuke、Ohkubo Kunizo、Kubo Shin、Shimozuma Takashi、Tanaka Kenji、Nishiura Masaki
  • Journal Title: EPJ Web of Conferences Volume: 203 Pages: 03012～03012
  • DOI: https://doi.org/10.1051/epjconf/201920303012
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Subterahertz Wireless Power Transmission Using 303-GHz Rectenna and 300-kW-Class Gyrotron (2018)
  • Author(s): Mizojiri Sei、Shimamura Kohei、Fukunari Masafumi、Minakawa Shunsuke、Yokota Shigeru、Yamaguchi Yuusuke、Tatematsu Yoshinori、Saito Teruo
  • Journal Title: IEEE Microwave and Wireless Components Letters Volume: 28 Pages: 834～836
  • DOI: 10.1109/LMWC.2018.2860248
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Frequency Stability of a High Power Sub-THz Gyrotron (2019)
  • Author(s): Teruo Saito, Shunsuke Tanaka, Ryuji Shinbayashi, Yoshinori Tatematsu, Yuusuke Yamaguchi and Masafumi Fukunari
  • Organizer: The 7th International Workshop on Far-Infrared Technologies 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] LHDにおける協同トムソン散乱計測により 得られた散乱スペクトルの評価 (2019)
  • Author(s): 西浦正樹，久保伸，田中謙治，飯澤萌，釼持尚輝，下妻隆，高橋裕己，斉藤輝雄，LHD実験グループ
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] 154 GHz Collective Thomson Scattering (CTS) diagnostic for H and D plasmas in LHD (2018)
  • Author(s): M. Nishiura, K. Tanaka, S. Kubo, N. Kenmochi, K. Nakamura, T. Shimozuma, T. Saito, D. Moseev, LHD experiment group
  • Organizer: 22nd Topical Conference on High Temperature Plasma
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Developments for collective Thomson scattering equipment with a sub-THz gyrotron in LHD (2018)
  • Author(s): T. Saito, Y. Tatematsu, Y. Yamaguchi, M. Fukunari, T. Hirobe, R. Shinbayashi, S. Tanaka, K. Ohkubo, S. Kubo, T. Shimozuma, K. Tanaka and M. Nishiura
  • Organizer: 20th Joint Workshop on Electron Cyclotron Emission (ECE) and Electron Cyclotron Resonance Heating
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] LHDの水素と重水素プラズマにおける協同トムソン散乱計測 (2018)
  • Author(s): M. Nishiura, K. Tanaka, S. Kubo, N. Kenmochi, K. Nakamura, T. Shimozuma, T. Saito, D. Moseev, LHD experiment group
  • Organizer: 第１２回核融合エネルギー連合講演会
• [Presentation] Developments of Equipment for Sub-THz Collective Thomson Scattering in LHD (2018)
  • Author(s): T. Saito, S. Tanaka, R. Shinbayashi, T. Hirobe, Y. Yamaguchi, M. Fukunari, Y. Tatematsu, K. Ohkubo, S. Kubo, T. Shimozuma, K. Tanaka and M. Nishiura
  • Organizer: 43 International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] LHDにおけるサブテラヘルツ帯協同トムソン散乱計測のための機器開発と準備 (2018)
  • Author(s): 斉藤輝雄, 田中俊輔, 新林竜志, 山口裕資, 福成雅史, 立松芳典, 大久保邦三 , 久保伸,下妻隆,田中謙治, 西浦正樹
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第35回年会
• [Presentation] LHD における CTS 計測用 300 GHz 帯ジャイロトロンの発振特性 (2018)
  • Author(s): 田中俊輔, 斉藤輝雄,新林竜志, 山口裕資, 福成雅史, 立松芳典, 久保伸,下妻隆, 田中謙治, 西浦正樹
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第35回年会
• [Presentation] LHDにおける300GHz帯CTS計測用ジャイロトロン出力ビームの整形と3.5インチコルゲート導波管伝送試験 (2018)
  • Author(s): 新林竜志, 田中俊輔, 斉藤輝雄, 大久保邦三, 山口裕資, 福成雅史, 立松芳典, 久保伸, 下妻隆, 田中謙治, 西浦正樹
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第35回年会