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

2022 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、これまでに製造方法についての知見を得た、金属パウダーをレーザで溶融しながら積層して造形するタイプの金属３Dプリンターを使用したフェーズドアレイアンテナの造形に関する知見および、九州大学の直線型プラズマ実験装置PANTAにおいて世界で初めてプラズマ実験に適用した結果、プラズマ中の揺らぎによって生じた散乱信号を観測することに成功した事例について、研究内容をまとめて、その成果を学会および論文にて発表した。さらに、これまでよりも低周波数帯のマイクロ波用のフェーズドアレイアンテナの造形も行った。これは、九州大学の球状トカマクプラズマへの適用を前年度にKu-bandのマイクロ波用アンテナで挑戦した際に、より低周波数帯のマイクロ波を用いる必要が明らかとなったためである。これまでに経験のない大きいサイズのアンテナを製作する必要が生じ、これは３D造形時に変形が生じる懸念を伴ったが、注意深い設計と製作の工夫により、内部構造も問題なく造形できた。これにより、アルミ材を用いた同タイプのフェーズドアレイアンテナを用いたミリ波散乱計測を、プラズマ計測で利用しそうなほぼ全ての周波数帯で構築する目途が立った。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] 3D metal powder additive manufacturing phased array antenna for multichannel Doppler reflectometer (2022)
  • Author(s): Tokuzawa T.、Nasu T.、Inagaki S.、Moon C.、Ido T.、Idei H.、Ejiri A.、Imazawa R.、Yoshida M.、Oyama N.、Tanaka K.、Ida K.
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 93 Pages: 113535～113535
  • DOI: 10.1063/5.0101723
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Application of Dual Frequency Comb Method as an Approach to Improve the Performance of Multi-Frequency Simultaneous Radiation Doppler Radar for High Temperature Plasma Diagnostics (2022)
  • Author(s): Tokuzawa Tokihiko、Inagaki Shigeru、Inomoto Michiaki、Ejiri Akira、Nasu Tatsuhiro、Tsujimura Toru Ii、Ida Katsumi
  • Journal Title: Applied Sciences Volume: 12 Pages: 4744～4744
  • DOI: 10.3390/app12094744
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Receiver circuit improvement of dual frequency-comb ka-band Doppler backscattering system in the large helical device (LHD) (2022)
  • Author(s): Nasu T.、Tokuzawa T.、Tsujimura T. I.、Ida K.、Yoshinuma M.、Kobayashi T.、Tanaka K.、Emoto M.、Inagaki S.、Ejiri A.、Kohagura J.
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 93 Pages: 113518～113518
  • DOI: 10.1063/5.0101588
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Preceding propagation of turbulence pulses at avalanche events in a magnetically confined plasma (2022)
  • Author(s): Kenmochi N.、Ida K.、Tokuzawa T.、Yasuhara R.、Funaba H.、Uehara H.、Den Hartog D. J.、Yamada I.、Yoshinuma M.、Takemura Y.、Igami H.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Pages: -
  • DOI: 10.1038/s41598-022-10499-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Development plan and status of phase-space diagnostics in high temperature plasma (2022)
  • Author(s): Tokihiko Tokuzawa, K. Ida, M. Yoshinuma, T. Kobayashi, M. Nishiura, N. Kenmochi, R. Yanai, T. I. Tsujimura, I. Yamada, and N. Tamura
  • Organizer: The 31st International Toki Conference on Plasma and Fusion Research
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 3D Metal Powder Additive Manufacturing Phased Array Antenna for Multichannel Doppler Reflectometer (2022)
  • Author(s): T. Tokuzawa, T. Nasu, S. Inagaki, C. Moon, T. Ido, H. Idei, A. Ejiri, R. Imazawa, M. Yoshida, K. Tanaka, and K. Ida
  • Organizer: High-Temperature Plasma Diagnostics 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Characteristics of 3D metal powder additive manufacturing waveguides and antenna for microwave Doppler reflectometry and trial experiments at PANTA (2022)
  • Author(s): Tokihiko Tokuzawa, T. Nasu, S. Inagaki, C. Moon, T. Ido, H. Idei, A. Ejiri, R. Imazawa, M. Yoshida, N. Oyama, K. Tanaka, and K. Ida
  • Organizer: 15th International Reflectometry Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Edge turbulence excitation experiments in LHD (2022)
  • Author(s): Tokihiko Tokuzawa, T. Tsujimura, M. Nishiura, H. Igami, S. Inagaki, T. Nasu, K. Ida, T. Kobayashi, M. Yoshinuma, K. Tanaka, Y. Takemura, I. Yamada, and LHD Experiment Group
  • Organizer: 18th International Workshop on H-mode Physics and Transport Barriers
  • Int'l Joint Research