2018 Fiscal Year Research-status Report
Advanced Thomson scattering diagnostic using novel polychromator
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18K03586
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
山田 一博 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (80222371)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | トムソン散乱 / ポリクロメーター / 核融合計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では，近年の核融合プラズマの研究において重要視されるようになってきた電子運動の異方性に着目した研究を行います。核融合研のLHDプラズマの電子運動の異方性を実験的に検証するために，LHDトムソン散乱装置において後方散乱計測と前方散乱計測の両者に対して測定温度領域Te=100 eV - 20 keVの範囲で計測誤差がともに10 %以下となるように最適化したポリクロメーターを製作します。
ポリクロメーターの設計では，波長チャンネルのフィルターの選定，光検出器(APD)の選定の3つが特に重要になります。平成30年度では次の「現在までの進捗状況」で述べますように，筐体の設計，フィルターの選定と試験，光検出器(APD)の選定と試験，プリアンプと高圧電源回路の設計と製作の5点を進め，いくつかの予備試験も経て，最終的な仕様と設計を決定しました。
波長チャンネルのフィルターの選定においては，波長チャンネル数10のポリクロメーターを模擬するシミレーションプログラムを製作し，種々の最適化の方法を検討しました。
APDの選定においては，実際のAPDを試験するためにテストベンチを製作し，感度，ノイズ，S/N比のチェックを行い，本研究で最適な製品を選定しました。当初は予定していた浜松ホトニクス社製のAPDは長波長側で高感度であるという長所がありますが，想定以上に熱ノイズも大きく，S/N比として見ると他社製品の方が優れることがわかりました。このような基本的な性能と最終的な計測結果に及ぼす影響（実験誤差）をいろいろなパターンで評価し，本研究課題で最適と考えられるAPDを選定しました。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
◯ 筐体の設計：本研究で製作するポリクロメーターの筐体の設計を進めました。本研究で必要な性能を得るために内部の光学部品の選定とその配置を一つ一つ最適化するために、レイトレーシングのプログラムを製作し、内部で生じる各種の収差やそれに起因する実験誤差の評価を行いました。最終案は当初の案と異なるものとなりますが、当初案とほぼ同等かそれ以上の性能が期待できる設計が完了しました。
◯ フィルターの選定と試験：本研究で製作するポリクロメーターは10の波長チャンネルを持ちますが、後方散乱計測計測と前方散乱計測の両方で、測定温度領域Te=100 eV - 20 keVの範囲で計測誤差がともに10 %以下となるフィルターの設計、最適化を行いました。また、筐体の設計と関連し、フィルターの使用方法や組み付け誤差などに起因する性能の劣化を評価し、問題ないことを確かめました。
◯ 光検出器(APD)の選定と試験：当初は10の波長チャンネル全てにおいて浜松ホトニクス社製のAPDを用いる計画でしたが、検出感度、ノイズ、S/N比を丁寧に調べたところ、短波長側のチャンネルは他社のAPDの方がより良い性能を期待できることがわかりましたので、短波長側のチャンネルはこれを用いることにしました。
◯ プリアンプと高圧電源回路の設計と製作：上記のAPDからの信号を増幅するためのプリアンプとAPDを駆動するための高圧電源回路を製作し、その試験を行いました。いづれも問題なく動作することを確認しました。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和元年度は平成30年度に設計したポリクロメーターを製作し，令和元年度のLHDプラズマ実験において基本的な動作，性能に過誤がないことの検証を第一の目標とした研究を行います。本研究で目標とする測定温度領域Te=100 eV - 20 keVの範囲で後方散乱計測の測定結果と前方散乱の計測結果の計測誤差がともに10 %以下となることの検証を目標とします。本研究では電子温度の測定が首都なり，電子密度の測定は目的とはしておりませんが，可能であれば，電子密度の絶対測定についても同時に進めたいと考えています。この場合，これまでのレイリー散乱ではなく，ラマン散乱を利用した較正を検討しております。
実際のプラズマ計測において問題がなければ同じポリクロメーターを追加で2台製作します。問題点や改良すべき項目が見つかれば，それを修正したものを製作します。令和2年度は合計3台のポリクロメーターを使用したプラズマ計測を行う予定です。
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| Causes of Carryover |
平成30年度に予定していた国際会議出席を次年度の国際会議へ先送りすることとしたため，主に旅費分が次年度使用額として残りました。これまでの成果は令和元年度の国際会議（Laser Aided Plasma Diagnostics 2019, USA）にて報告予定で，次年度使用額はこの旅費として使用予定です。
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