2018 Fiscal Year Annual Research Report
Non-inductive start-up of spherical tokamak by combination of electron beam injection and electron Bernstein heating
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18H03689
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
田中 仁 京都大学, エネルギー科学研究科, 教授 (90183863)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
前川 孝 京都大学, エネルギー科学研究科, 名誉教授 (20127137)
打田 正樹 京都大学, エネルギー科学研究科, 准教授 (90322164)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 無誘導立ち上げ / 電子バーンスタイン波 / 電子ビーム入射 / 球状トカマク |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1) 電子ビーム入射用高電圧電源を整備した。（コンデンサーバンンク 20 kV, 250 μF, 50 kJ、２つのイグナイトロンを用いたパルス幅制御、最大 99.99 ms まで 0.01 ms 毎、直列抵抗による電流制限、最大 2 kA）
(2) Mo 製のヘッドを持ち、ガス導入が可能な冷陰極型電子銃を２本試作した。そのうち、ヘッド溝間隔の短い方をLATE装置の下部ポートに取り付け、20 kV の負電圧を印加し、電気絶縁が保たれていることを確認した。次に 2.45 GHz の電子バーンスタイン波（EBW）により無誘導で立ち上げた球状トカマクに、10 kV, 2 ms の負電圧パルスを印加して、プラズマアノード法により Ik = 350 ~ 400 Aの電子ビームを入射することができた。しかし、入射前のプラズマ電流値 Ip ~ 3.7 kA 以上のプラズマ電流は流れず、電流増倍率 Ip/Ik = 9 ~ 15 であった。密度は中心で 2 x 10^18 m^-3 以上となった。ビーム入射開始後 ~1.7 ms 以降では Ip < 2.1 kA となり、閉じた磁気面がなくなっている。この時 Ip/Ik ~ 6 であり、これは入射電子が磁力線に沿って上部ポートに当たるまでにトロイダル方向に周回する回数と一致する。
(3) 熱陰極型電子銃の設計を行い、それを設置して動作試験をするためのミラー磁場型テストベンチを製作した。
(4) 32ch磁気プローブアレイの設計・製作を行い、SUSシールドパイプで覆われた時の周波数特性を計測した。また、48ch, 1Ms/sec, 16bit のA/Dコンバータと LabVIEW システムを導入し、高速データ収集系の整備を行った。
(5) 垂直磁場制御用バイポーラ電源（±1086 A, ±144 V, 100 ms）の整備を行った。
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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
研究初年度の目標としていた、冷陰極型電子銃を製作し、LATE 装置に取り付け、電子ビーム入射実験を行うことができたので、順調に進んでいると言える。冷陰極型電子銃では密度制御や安定した電子放射が難しいことも明らかとなり、熱陰極型電子銃の開発目標も具体的に設定することができた。開発のためのミラー磁場型テストベンチの準備も順調に進んでいる。また、電流チャネルの計測のための32ch磁気プローブアレイの製作、高速データ収集系の整備も行い、計測面も準備が着々と進んでいる。更に、プラズマ電流と電子ビーム電流の比（電流増倍率）Ip/Ik を高めるためには垂直磁場の制御が欠かせないが、そのための電源整備も行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) 熱陰極型電子銃を試作し、ミラー磁場型テストベンチにおいて 2.45GHz ECR プラズマを生成して電子ビームを入射するテストを行う。熱陰極におけるアーク放電を制御し、電子ビーム電流、電子ビーム電圧、残留ガス圧等のデータを取る。低ガス圧で安定した電子ビームが取り出せるような電子銃の開発が本研究の最大の課題と考えられるので、試行錯誤を繰り返して解決策を考案したい。
(2) (1) で開発した電子銃をLATE 装置に取り付け、トロイダル磁場に弱い垂直磁場を重畳して作った ECR プラズマに電子ビームを入射する実験を行う。特に、電子ビーム電流、電子ビーム電圧特性とプラズマ電流の関係を調べる。
(3) プラズマ電流と電子ビーム電流とのマージングおよびトカマク平衡の形成・維持のためには垂直磁場の制御が重要となるので、いろいろな垂直磁場の値、形状に対して電子ビームを入射して、駆動されるプラズマ電流を調べる。
(4) 高速A/Dコンバータを用いたデータ収集システムを整備し、磁気プローブアレイの信号を取り込んで解析し、電流チャネルの形成過程を調べる。また、HIBP システムを整備し、電子ビーム入射中のプラズマポテンシャルの変化を計測できるようにする。
(5) 高速 CCD カメラによる発光像変化、軟X線放射強度分布の変化、磁気計測による電流チャネルの位置変化、HIBP計測によるポテンシャル変化などを総合して、電子ビームによる電流発生の時間変化を推定する。
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Research Products
(12 results)
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[Presentation] Electron Bernstein Wave Heating and Current Drive with Multi-Electron Cyclotron Resonances During Non-inductive Start-up on LATE2018
Author(s)
H. Tanaka, Y. Nozawa, M. Uchida, R. Kajita, Y. Omura, Y. Sakai, H. Shirai, J. Ootani, K. Goto, W. Tsukamoto, T. Noguchi, X. Guo, T. Maekawa
Organizer
27th IAEA Fusion Energy Conference
Int'l Joint Research
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[Presentation] Non-inductive formation of overdense spherical tokamak plasmas by electron Bernstein waves in the LATE device2018
Author(s)
H. Tanaka, Y. Nozawa, R. Kajita, J. Ootani, K. Goto, W. Tsukamoto, T. Noguchi, T. Kuzuma, T. Nakai, S. Matsui, S. Yamagata, X. Guo, M. Uchida, T. Maekawa
Organizer
2nd Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
Int'l Joint Research
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