2019 Fiscal Year Research-status Report
非接触ダイバータ研究のための高感度プラズマ輻射イメージング計測の実現
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19K14689
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
向井 清史 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (90632266)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 非接触ダイバータ / 非接触プラズマ / ボロメータ / 輻射計測 / イメージング / 真空蒸着 / プラズマ計測 / 核融合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、非接触ダイバータのエネルギーバランスの解明に必要な輻射2次元分布計測器である、赤外イメージングボロメータ（IRVB）の高感度化である。IRVBはピンホールカメラと赤外線カメラとをつなげた構造を持つため、高感度化には両者の検討が必要となる。令和元年度は、筑波大学GAMMA10/PDX装置のIRVB計測を対象として以下の検討を行い、要求される5倍を上回る約7倍の感度改善が得られる見通しを得た。
(1)赤外線カメラについて、ピンホールカメラ部の薄膜検出器を見込む画素数（有効画素数）が最大となる機種を選定した。視野角の狭い赤外線カメラ及びレンズを用いれば有効画素数は増えるが、同時に最短焦点距離が伸びるため、赤外線カメラと薄膜検出器との距離が離れ、有効画素数が減少する。したがって有効画素数には最大値が存在する。検討の結果、FLIR社製Tau2（35mm, 9.3°×7.1°)を導入した。有効画素数は、従来のGAMMA10/PDXでの汎用赤外線カメラを用いた計測の113×88ピクセルに対し、7.3倍の306×238ピクセルとなり、IRVBの感度を1.7倍に向上できた。
(2)薄膜検出器の材質について、従来の炭素（厚さ0.16ミクロン）－白金（2.5ミクロン）－炭素（0.16ミクロン）の三層構造を、炭素（0.16ミクロン）－金（0.1ミクロン）－カプトン（5.2ミクロン）へと変更した。高感度化には、金属層の厚さを薄くしその温度上昇を大きくする必要がある。しかし、GAMMA10/PDXでの計測に適した0.1ミクロンまで薄くすると膜として保持できない。そこで、カプトン膜（東レ・デュポン社製20EN）の上に真空蒸着の容易な金を成膜することとした。ANSYSによる伝熱解析の結果、IRVBの感度を4倍、(1)の結果と合わせると約7倍に向上できることが分かった。
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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
当初の計画通り、IRVBの高感度化について、赤外線カメラの有効画素数や薄膜検出器の材質の面から検討を行い、要求を上回る感度改善ができる見通しが得られたため。研究実績の概要で述べた内容以外にも、薄膜検出器のカプトンの代わりにPET膜（東レ社製ルミラー、厚さ2ミクロン）が使える可能性があることが分かった。また、各素材に対して、既存の設備を用いて金や炭素が真空蒸着可能であることが確認できた。さらに、薄膜検出器の構造について、薄膜検出器の小型分割することで熱伝導損失を減らす可能性を検討した。ANSYSによる伝熱解析の結果、薄膜検出器1画素の大きさを8 mm×8 mm、各画素間に2 mmのギャップを設けることで各画素間の熱伝導損失（クロストーク）を抑えられるものの、受光面積が減少するためIRVB感度の改善は見られなかった。ただし、薄膜検出器を小型分割できれば、薄膜検出器の温度分布からプラズマ輻射分布を得る際に必要な2次元熱拡散方程式を解くプロセスが不要になるため、計測誤差低減やフィードバック制御への応用の観点から有益な知見である。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度は、IRVB薄膜検出器について、(i)真空蒸着による成膜手法の確立、(ii)入射エネルギーによる検出器の温度上昇の評価を行う。具体的には、以下のとおりである。
(i)金蒸着における蒸着装置の膜厚計の補正係数を明らかにする。成膜厚さの異なるサンプルを作製、その断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察し、膜厚計表示値の補正係数を求める。
(ii)入射される輻射のエネルギーに対して、薄膜検出器の温度がどの程度上昇するかを明らかにする。小型の検出器サンプルを作製し、放電時間の約1/10に相当する10 ms程度の短パルスのHe-Neレーザーを照射して、温度上昇値を赤外線カメラで計測する。また、薄膜検出器の小型分割化について、複数のサイズのサンプルを作製し、ANSYSによる伝熱解析結果を実験的に検証する。
なお、研究発表の手法について、令和2年6月に開催される23rd Topical Conference on High-Temperature Plasma Diagnostics (HTPD2020)や第13回核融合エネルギー連合講演会での学会発表を計画していたが、新型コロナウィルス問題により延期及び中止となったことから、Review of Scientific Instruments等の学術雑誌への投稿を中心に行う。
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| Causes of Carryover |
令和元年度の使用額について、特に真空蒸着装置の電極改造が安価にできたため、未使用額が生じた。令和２年度は当初の計画に加え、複数パターンの真空蒸着を試みるため、パターンマスクの作製等主に物品購入費として使用する計画である。
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