Development of a high-precision modulation-based plasma polarization spectroscopic system for the measurement of the electron velocity distribution

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K03576
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 四竈 泰一 京都大学, 工学研究科, 准教授 (80456152)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: ECH / 電子速度分布 / プラズマ分光 / 偏光 / 衝突輻射モデル / 輻射輸送

Outline of Annual Research Achievements

等方なマクスウェル分布からずれた非等方な電子の速度分布が関連するプラズマ現象が、近年、宇宙プラズマから産業応用プラズマまで数多く報告されている。これらの報告は、3次元の電子速度分布を基礎パラメータとして把握することが、プラズマ科学を発展させる鍵となることを示している。
電子速度分布の計測法は、従来、静電プローブ、アクチノメトリー、トムソン散乱、ホイッスラー波の吸収、制動X線や電子サイクロトロン放射等が開発されてきた。しかし、これらの方法では、速度分布の非等方性の情報まで得ることは容易ではなく、また、接触計測の必要性やプラズマへの擾乱、レーザーや波動の入射・出射ポートの確保、計測可能なエネルギーや密度の制限といった課題がある。そこで本研究では、原子から放射される発光線の偏光を利用し、宇宙から実験室までの幅広いパラメータのプラズマに適用可能な手法を開発することを目的とする。
最終年度である本年度は、宇宙、核融合、産業応用等の幅広いプラズマへ本手法を適用できるようにするために、ヘリウム原子以外の元素に対して偏光が観測できるかを実験的に調べた。高いS/Nでの発光強度計測が可能な水素原子バルマーα線を対象とし、ECR放電装置で圧力5-270 mPaの範囲で生成した水素プラズマに対して、ECR面に接する1視線を用いて偏光度と偏光方向を計測した。その結果、全ての圧力条件で直線偏光が観測され、偏光方向はECR面における磁場方向と垂直に近い方向であった。偏光度は、圧力50 mPa以上では約1%であり、圧力50 mPa以下では圧力の減少とともに増加し、最大で約1.5%であった。ECR面付近で生じた電子速度分布の非等方性により偏光が生じている可能性が考えられる。

Research Products

• [Journal Article] Toroidal flow measurements of impurity ions in QUEST ECH plasmas using multiple viewing chords emission spectroscopy (2021)
  • Author(s): Yoneda N.、Shikama T.、Hanada K.、Mori S.、Onchi T.、Kuroda K.、Hasuo M.、Ejiri A.、Matsuzaki K.、Osawa Y.、Peng Y.、Kawamata Y.、Sakamoto S.、Idei H.、Ido T.、Nakamura K.、Nagashima Y.、Ikezoe R.、Hasegawa M.、Higashijima A.、Nagata T.、Shimabukuro S.
  • Journal Title: Nuclear Materials and Energy Volume: 26 Pages: 100905～100905
  • DOI: 10.1016/j.nme.2021.100905
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Investigation of radial distribution of atomic hydrogen flux to the plasma facing components in steady state discharges in QUEST tokamak (2021)
  • Author(s): Kuzmin A.、Kobayashi M.、Hanada K.、Idei H.、Onchi T.、Mori S.、Yoneda N.、Shikama T.、Hasuo M.、Ido T.、Nagashima Y.、Ikezoe R.、Hasegawa M.、Kuroda K.、Kono K.、Matsuo S.、Nagata T.、Shimabukuro S.、Higashijima A.、Niiya I.、Zushi H.
  • Journal Title: Nuclear Materials and Energy Volume: 26 Pages: 100872～100872
  • DOI: 10.1016/j.nme.2020.100872
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ro-vibrational population distribution in the ground state of hydrogen isotopologues in LHD peripheral plasmas deduced from emission spectroscopy (2021)
  • Author(s): Ishihara Hiroki、Kuzmin Arseniy、Kobayashi Masahiro、Shikama Taiichi、Sawada Keiji、Saito Seiki、Nakamura Hiroaki、Fujii Keisuke、Hasuo Masahiro
  • Journal Title: Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer Volume: 267 Pages: 107592～107592
  • DOI: 10.1016/j.jqsrt.2021.107592
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spectroscopic Measurement of Hydrogen Atom Density in a Plasma Produced with 28 GHz ECH in QUEST (2020)
  • Author(s): Mori S.、Shikama T.、Hanada K.、Yoneda N.、Kuzmin A.、Hasuo M.、Idei H.、Onchi T.、Ejiri A.、Osawa Y.、Peng Y.、Matsuzaki K.、Kado S.、Sawada K.、Ido T.、Nakamura K.、Ikezoe R.、Nagashima Y.、Hasegawa M.、Kuroda K.、Higashijima A.、Nagata T.、Shimabukuro S.
  • Journal Title: Atoms Volume: 8 Pages: 44～44
  • DOI: 10.3390/atoms8030044
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A tesla-order magnetic field effect on all-optical thermometry using photoluminescence spectrum of diamond NV- center (2020)
  • Author(s): Shikama Taiichi、Watanabe Takato、Jouda Mazin、Hasuo Masahiro
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 60 Pages: 012001～012001
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abcadb
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] ヘリオトロンJにおける近赤外原子輝線のゼーマン効果計測 (2021)
  • Author(s): 茶谷智樹、四竈泰一、上野陽平、門信一郎、川染勇人、南貴司、岡田浩之、松岡雷士、小林進二、大島慎介、石澤明宏、中村祐司、木島滋、水内亨、長崎百伸、蓮尾昌裕
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] QUESTにおける水素分子d3Π準位回転温度を利用したタングステン表面温度計測 (2021)
  • Author(s): 米田奈生、四竈泰一、F. Scotti、花田和明、井口拓己、出射浩、恩地拓己、江尻晶、井戸毅、河野香、彭翊、大澤佑規、弥富豪、木谷彰宏、工藤倫大、平賀涼輔、武田康佑、R. E. Bell、A. Maan、R. Majeski、小野雅之、蓮尾昌裕、中村一男、永島芳彦、池添竜也、長谷川真、黒田賢剛、東島亜紀、永田貴大、島袋瞬、新谷一朗、関谷泉
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] カスプ磁場中ECR放電を利用した強電離プラズマ源の開発 (2020)
  • Author(s): 四竈 泰一、蓮尾 昌裕
  • Organizer: 第37回 プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] LTX-βにおけるリチウム壁表面温度推定のための水素分子回転温度計測 (2020)
  • Author(s): 米田奈生、F. Scotti、R. E. Bell、四竈泰一、P. E. Hughes、A. Maan、V. A. Soukhanovskii、D. P. Boyle、R. P. Majeski、花田和明、小野雅之、蓮尾昌裕
  • Organizer: 2020年度 日本物理学会秋季大会
• [Presentation] 核融合プラズマ中原子輝線スペクトルのゼーマン効果高感度計測に向けた近赤外分光システム開発 (2020)
  • Author(s): 上野陽平、四竈泰一、茶谷智樹、門信一郎、川染勇人、岡田浩之、松岡雷士、南貴司、小林進二、大島慎介、石澤明宏、中村祐司、木島滋、水内亨、長崎百伸、蓮尾昌裕
  • Organizer: 第37回 プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] 核融合プラズマ中原子輝線スペクトルのゼーマン効果高感度計測に向けた近赤外分光システム開発 (2020)
  • Author(s): 上野陽平、四竈泰一、茶谷智樹、門信一郎、川染勇人、岡田浩之、松岡雷士、南貴司、小林進二、大島慎介、石澤明宏、中村祐司、木島滋、水内亨、長崎百伸、蓮尾昌裕
  • Organizer: 2020年度 日本分光学会年次講演会
• [Presentation] Toroidal Flow Measurements of Impurity Ions in QUEST ECH Plasmas using Multiple Viewing Chords Emission Spectroscopy (2020)
  • Author(s): Yoneda N., Shikama T., Hanada K., Mori S., Onchi T., Kuroda K., Hasuo M., Idei H., Nakamura K., Nagashima Y., Ikezoe R., Hasegawa M., Higashijima A., Nagata T., Shimabukuro S.
  • Organizer: 24th PSI
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Measurement of Hydrogen Molecular Rotational Temperatures in LTX-beta for the Thermometry of Plasma-Facing Lithium Surfaces (2020)
  • Author(s): Yoneda N., Scotti F., Bell R., Shikama T., Hughes P., Maan A., Soukhanovskii V., Boyle D., Majeski R., Hanada K., Ono M., Hasuo M.
  • Organizer: 62nd APS DPP
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spatially resolved measurement of atomic emission line spectra using NIR Zeeman spectroscopy (2020)
  • Author(s): Shikama T., Ueno Y., Chatani T., Kado S., Kawazome H., Okada H., Matsuoka L., Minami T., Kobayashi S., Oshima S., Ishizawa A., Nakamura Y., Konoshima S., Mizuuchi T., Nagasaki K., Hasuo M.
  • Organizer: The 11th International Symposium to Advanced Energy Science
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 京都大学大学院工学研究科機械理工学専攻 光工学研究室
  • URL: http://oel.me.kyoto-u.ac.jp/