実験室プラズマで解き明かす非接触ダイバータの構造形成過程と非定常ダイナミクス

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H01883
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 高橋 宏幸 東北大学, 工学研究科, 講師 (30768982)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 飛田 健次 東北大学, 工学研究科, 教授 (50354569) ; 岡本 敦 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (50396793)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 非接触ダイバータ / 分子活性化再結合 / 高周波プラズマ / DT-ALPHA / 励起水素原子 / 励起水素分子 / Retarding field analyzer

Outline of Annual Research Achievements

静電プローブによる電子温度・電子密度計測および水素分子線分光による振動・回転温度計測に基づき，DT-ALPHAで生成した水素プラズマ中のイオン交換(IC)と解離性付着(DA)の反応率を評価した．水素イオン(H+)温度をDT-ALPHAで想定される値に仮定すると，イオン交換の反応率が解離性付着の反応率を大きく上まること，また，電子密度がロールオーバーする圧力付近でイオン交換の反応率が高い値となる事が分かった．更に理解を深めるため，信州大学で開発された水素分子衝突・輻射コードによる解析を実施した．電子温度とイオン温度をパラメータとした感度解析を行い，IC-MAR(イオン交換に由来する分子活性化再結合)・DA-MAR(解離性付着に由来する分子活性化再結合)・解離性励起などの反応率を計算した．DT-ALPHAで電子密度のロールオーバーが観測された電子温度・イオン温度領域では，原子・分子過程全体の反応率に対してIC-MARの占める割合が数十%程度である一方， DA-MARの割合が数%程度である事が分かった．これにより，前年度までの研究で観測されていた電子密度のロールオーバー，すなわち電子の消滅に対してIC-MARが大きな寄与を持つ事が確かめられた．
DT-ALPHAではRetarding field analyzer (RFA) を用いてプラズマのイオン温度を計測している．従来のRFAはプラズマ径と同程度の直径を持つことや，空間電荷効果の影響により高い密度のプラズマの計測が困難であったことが課題であった．そこでこれまでのRFAと比べてアパチャー径が1/2程度，奥行きが1/4程度の小型RFAを設計・製作してDT-ALPHA装置へと設置した．従来のRFAと比べて低擾乱かつ空間電荷効果の影響を回避した計測環境を整えた．

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Spatial Distribution Analyses of Axially Long Plasmas under a Multi-Cusp Magnetic Field Using a Kinetic Particle Simulation Code KEIO-MARC (2024)
  • Author(s): Nishimura Ryota、Seino Tomohiro、Yoshimura Keigo、Takahashi Hiroyuki、Matsuyama Akinobu、Hoshino Kazuo、Oishi Tetsutarou、Tobita Kenji
  • Journal Title: Plasma Volume: 7 Pages: 64～75
  • DOI: 10.3390/plasma7010005
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Determination of parallel and perpendicular ion temperatures based on selective ion transmission in retarding field analyzer (2024)
  • Author(s): Shigetaka KAGAYA, Hiroyuki TAKAHASHI, Tomohiro SEINO, Keigo YOSHIMURA, Ryota NISHIMURA, Akihiro KANNO, Yusaku TAKAHASHI, Tomoya HARA, Tetsutarou OISHI, Akinobu MATSUYAMA, Kenji TOBITA
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 19 Pages: -
  • DOI: 10.1585/pfr.19.1201021
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Impact of selective ion transmission on measurement by retarding field analyzer (2023)
  • Author(s): Takahashi H.、Seino T.、Nishimura R.、Yoshimura K.、Kanno A.、Hara T.、Takahashi Y.、Kagaya S.、Matsuyama A.、Hayashi Y.、Tobita K.
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 30 Pages: 1-8
  • DOI: 10.1063/5.0144798
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Retarding Field Analyzerにおける速度選択性を利用した2 方向イオン温度の同時計測手法の構築 (2024)
  • Author(s): 加賀谷重考, 高橋宏幸, 清野智大, 西村涼汰, 吉村渓冴, 菅野耀広, 原智也, 髙橋優作, 大石鉄太郎, 松山顕之 , 飛田健次
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] Analysis of atomic hydrogen density based on hydrogen visible line spectroscopy and collisionalradiative model (2024)
  • Author(s): K. Yoshimura, H. Takahashi, T. Seino, R. Nishimura, A. Kanno, Y. Takahashi, T. Hara, S. Kagaya, A. Matsuyama, T. Oishi, K. Tobita, K. Sawada
  • Organizer: 26th International Conference on Plasma Surface Interaction in Controlled Fusion Devices
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spatial structure of helium recombining plasma around recombination front in DT-ALPHA device (2024)
  • Author(s): H. Takahashi, A. Kanno, T. Seino, K. Yoshiura, R. Nishimura, Y. Takahashi, T. Hara, S. Kagaya, T. Oishi, A. Matsuyama, K. Tobita
  • Organizer: 26th International Conference on Plasma Surface Interaction in Controlled Fusion Devices
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] KEIO-MARCコードに基づくマルチカスプ型磁場配位イオン源における水素イオン比向上方法の検討 (2023)
  • Author(s): 高橋宏幸, 西村涼汰, 清野智大, Boonyarittipong Peerapat, 吉村渓冴, 菅野耀広, 原智也, 高橋優作, 大石鉄太郎, 松山顕之
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] DT-ALPHAにおけるダイバータ模擬水素プラズマ中のイオン温度計測 (2023)
  • Author(s): 吉村渓冴, 高橋宏幸, 清野智大, 西村涼汰A, 菅野耀広, 髙橋優作, 原智也, 松山顕之, 大石鉄太郎, 飛田健次
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] Evaluation of proton density ratio in a bucket-type ion source based on kinetic code plasma simulation and rate equation for hydrogen ions (2023)
  • Author(s): H. Takahashi, R. Nishimura, T. Seino, K. Yoshimura, A. Kanno, T. Hara, Y. Takahashi, T. Oishi, A. Matsuyama, K. Tobita, K. Hoshino
  • Organizer: Global Plasma Forum in Aomori
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analysis of Molecular Activated Recombination in Hydrogen Plasma Produced in Radio Frequency Plasma Source DT ALPHA (2023)
  • Author(s): K. Yoshimura, H. Takahashi, T. Seino, R. Nishimura, A. Kanno, Y. Takahashi, T. Hara, S. Kagaya , T. Oishi, A. Matsuyama, K. Tobita
  • Organizer: Global Plasma Forum in Aomori
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 水素イオン温度計測と衝突・輻射モデルに基づくDT-ALPHAの水素プラズマにおけるIC-MAR 反応率評価 (2023)
  • Author(s): 吉村渓冴 , 高橋宏幸 , 清野智大 , 西村涼汰 , 菅野耀広 , 髙橋優作 , 原智也, 加賀谷重考 , 松山顕之 , 大石鉄太郎 , 飛田健次 , 澤田圭司
  • Organizer: 第40 回 プラズマ・核融合学会 年会
• [Presentation] Retarding Field Analyzer におけるイオン選択性を用いた磁力線垂直方向イオン温度計測手法の検証 (2023)
  • Author(s): 加賀谷重考, 髙橋宏幸, 清野智大, 吉村渓冴, 西村涼太, 菅野耀広, 髙橋優作, 原智也, 大石鉄太郎, 松山顕之, 飛田健次
  • Organizer: 第40 回 プラズマ・核融合学会 年会
• [Presentation] Determination of Ion Temperature Parallel and Perpendicular to Magnetic field by Retarding Field Analyzer Based on Selective Ion Transmission (2023)
  • Author(s): H. Takahashi, T. Seino, K. Yoshimura, R. Nishimura, S. Kagaya, Y. Takahashi, A. Kanno, T. Hara, A. Matsuyama, T. Oishi, K. Tobita
  • Organizer: 13th International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Production of Hydrogen Molecular Activated Recombining Plasma in Radio Frequency Plasma Source DT ALPHA (2023)
  • Author(s): K. Yoshimura, H. Takahashi, T. Seino, R. Nishimura, A. Kanno, Y. Takahashi, T. Hara, T. Oishi, A. Matsuyama, K. Tobita
  • Organizer: 13th International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement
  • Int'l Joint Research