立体造形アレイアンテナを用いた周波数走査型ミリ波散乱計測によるプラズマ乱流研究

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H01880
• Research Institution: National Institute for Fusion Science
• Principal Investigator: 徳沢 季彦 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (90311208)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 立体造形 / ３Dプリンタ / アンテナアレイ / 散乱計測 / プラズマ乱流

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、将来の核燃焼炉心内部のような低衝突プラズマにおいてその特性に大きな影響を及ぼすことが予想されている微視的乱流の観測システムを確立するため、(1)3Dプリンターを用いた立体造形によって複雑な三次元構造のアレイアンテナを精密かつ安価に製作し、(2)機械駆動機構が無く高速かつ堅牢に様々な角度にミリ波ビームをスキャンすることのできる周波数走査型のレーダー散乱計測システムを構築し、(3)高温プラズマ実験装置に適用してプラズマの微視的乱流の計測を行い、予測理論研究との比較を行うことにより、新しい乱流物理の知見を得ることを目的としている。
本年度は、特に将来の核燃焼炉のような低衝突プラズマにおいて顕著な閉じ込め劣化を引き起こすことが懸念されている電子温度勾配不安定モードなどの微視的乱流をミリ波の散乱計測で観測ができるのかを1億５千万度を超す大型ヘルカル装置プラズマを用いて実証実験を行った。入射・受光角度の最適化、およびミリ波回路の変調方法を工夫することによって、十分に高いS/N比で観測することが可能であることを明らかにした。その成果は国際会議で招待講演を行った。
３次元構造のアンテナアレイのサイズ・周波数帯・放射角度領域等の基本設計パラメータを明らかにした。製造に関しては、そのデザインの最適化を図るためには３次元CADによるデザイン設計と３次元モデルに合わせたシミュレーション技法の知識が必要であり、その技術に習熟した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

研究開始後に、当初予定していた製造方法による３次元構造のミリ波帯アンテナアレイを製造できる世界唯一のメーカが、業務変更を行ったため、この製造方法の活用はできなくなった。これに対応するため、異なる製造方法とその開発スキームの構築を行う必要が発生した。
一方、プラズマ実験に関しては、ミリ波散乱法が適用できることを明らかにすることができ、こちらは順調に進捗している。

Strategy for Future Research Activity

本研究では、ミリ波ビームの放射角度を電子式にスキャンする手法として、周波数走査式のフェーズドアレイアンテナの適用を図っており、このためには、アレイ状に並べたアンテナ間を導波路で接続するという立体構造のアンテナアレイの製作がキーとなる。
2020年度は、周波数走査により、アレイアンテナからビームを任意の方向に放射できることを確認する。具体的には、(1)アンテナアレイを設計・製作し、(2)高時間応答が必要なプラズマ計測のために、多周波数のミリ波成分を同時に入射するシステムを構築し、(3)製作したアレイアンテナを用いて同時に複数方向へ放射されることを確認する。多周波数化した際の最適デザインの指針として、全ての周波数にとって最も良いと考えられる、すなわち「平均パワー」の大きくなるデザインのアンテナを設計・製作し、特性試験を行う。

Research Products

• [Journal Article] Isotope effects on energy, particle transport and turbulence in electron cyclotron resonant heating plasma of the Large Helical Device (2019)
  • Author(s): K. Tanaka, Y. Ohtani, M. Nakata, F. Warmer, T. Tsujimura, Y. Takemura, T. Kinoshita, H. Takahashi, M. Yokoyama, R. Seki, H. Igami, Y. Yoshimura, S. Kubo, T. Shimozuma, T. Tokuzawa, T. Akiyama, I. Yamada, et al.
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 59 Pages: 126040-1-13
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ab4237
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Isotope effect on energy confinement time and thermal transport in neutral-beam-heated stellarator-heliotron plasmas (2019)
  • Author(s): H. Yamada, K. Tanaka, R. Seki, C. Suzuki, K. Ida, K. Fujii, M. Goto, S. Murakami, M. Osakabe, T. Tokuzawa, M. Yokoyama, M. Yoshinuma
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 123 Pages: 185001-1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.185001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Impact of a resonant magnetic perturbation field on impurity radiation, divertor footprint, and core plasma transport in attached and detached plasmas in the Large Helical Device (2019)
  • Author(s): M. Kobayashi, R. Seki, S. Masuzaki, S. Morita, H.M. Zhang, Y. Narushima, H. Tanaka, K. Tanaka, T. Tokuzawa, M. Yokoyama, T. Ido, I. Yamada, and the LHD Experimental group
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 59 Pages: 096009-1-11
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ab3a13
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spatial Structure of Low-Frequency Fluctuations throughout the Transition of Poloidal Flow Velocity in Edge Plasmas of LHD (2019)
  • Author(s): C. Moon, T. Kobayashi, K. Ida, T. Tokuzawa, C. Hidalgo, M. Yoshinuma, K. Ogawa, K. Itoh, A. Fujisawa, and LHD Experiment Group
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 26 Pages: 092302-1-6
  • DOI: 10.1063/1.5098954
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Dual-Comb Microwave Doppler Reflectometer System in LHD and Feasibility Study for a JT-60SA Doppler Reflectometer (2019)
  • Author(s): T. Tokuzawa, S. Inagaki, A. Ejiri, H. Idei, R. Imazawa, N. Oyama, M. Yoshida, K. Tanaka1, H. Tsuchiya, K. Ida, K. Y. Watanabe, and H. Yamada
  • Organizer: 14th International Reflectometry Workshop (IRW14)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observation of turbulence response from attached to detached phases in LHD (2019)
  • Author(s): T. Tokuzawa, M. Kobayashi, S. Masuzaki , S. Inagaki, K. Ida, H. Tsuchiya, H. Yamada, K. Y. Watanabe, K. Tanaka, I. Yamada, and LHD Experiment Group
  • Organizer: 27th ITPA meeting of TG SOL and divertor physics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Study of isotope effects from the viewpoint of turbulence observation in LHD (2019)
  • Author(s): T. Tokuzawa, K. Tanaka, H. Yamada, S. Inagaki, K. Ida, M. Nakata, T. Tsujimura, M. Yoshinuma, K. Y. Watanabe, H. Tsuchiya, A. Ejiri, and LHD Experiment Group
  • Organizer: 22nd International Stellarator & Heliotron Workshop 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Observation of turbulence response in detach transition and similarity to H-mode transition in LHD (2019)
  • Author(s): T. Tokuzawa, M. Kobayashi, S. Masuzaki, S. Inagaki, K. Ida, H. Tsuchiya, H. Yamada, K. Y. Watanabe, K. Tanaka, I. Yamada, and LHD Experiment Group
  • Organizer: 17th International Workshop on H-mode Physics and Transport Barriers
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] プラズマ乱流計測から見た水素同位体効果検証実験 (2019)
  • Author(s): T. Tokuzawa, K. Tanaka, H. Yamada, S. Inagaki, K. Ida, M. Nakata, T. Tsujimura, M. Yoshinuma, K. Y. Watanabe, H. Tsuchiya, A. Ejiri, and LHD Experiment Group
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
  • Invited