2022 Fiscal Year Research-status Report
磁力線方向流れがもたらす磁化プラズマ乱流構造形成を３次元非接触計測で解き明かす
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20K14443
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
山崎 広太郎 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 助教 (00782468)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 磁化プラズマ乱流 / トモグラフィ計測 / 流速シア |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，磁化プラズマ内部で生じる乱流が引き起こす構造形成と磁力線方向の流れシアの関係をレーザー計測やイメージング計測などの非接触計測を用いて明らかにすることを目的としている．本年度は計測により得られた投影行列からトモグラフィシステムで計測できる空間構造の制限を明らかにする手法の開発を行った．
トモグラフィは線積分量などの空間的に積分したデータの集合から元の分布を推定する手法である．トモグラフィに用いる投影行列は，観測領域内の空間点における物理量と計測データの写像関係を与える表現行列である．本研究で扱うプラズマ乱流計測トモグラフィで用いる投影行列は，観測領域で発せられたアルゴンイオンの発光分布を入力として受け取り，その際に得られる視線積分発光量データを出力する写像を表す表現行列と考えることができる．したがって観測できる空間構造は投影行列の写像の性質に制限されると考えられる．そこで本年度行った研究では，観測領域で生じる発光の空間分布を表現する基底関数を写像したベクトル同士の一次独立性を用いて空間構造の分解能を評価する手法を考案した．
この手法を用いることで，再構成画像のピクセル同士の独立性および任意の二次元上の直交関数系の観測領域内における独立性を判定することが可能になった．各ピクセルにおいてピクセル同士の独立性を判定した結果，計測器近傍では空間分解能が1cm程度と高く，観測領域内で計測器から最も離れる位置では3cm程度に低下することが明らかになった．また，周方向にフーリエ級数，径方向に矩形関数を用いたFRF基底関数同士の独立性を判定することで計測領域中心部(r<1cm)では周方向モード数m=3程度まで観測することができ，それより外側ではm=5程度まで観測できることが明らかになった．
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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
今年度の研究目的としてトモグラフィ計測システムで観測できる空間構造の制限を定量的に示し，得られた結果を元に計測視線の設計を行うことを掲げていた．研究実績の概要に記載したとおり，投影行列の写像の性質を利用することで二次元上の任意の基底関数に対してトモグラフィシステムが感度を持つか否かを判定することが可能になった．磁化プラズマ中の乱流を特徴づける重要な物理量として周波数の他に断面内の波数が挙げられる．特に本研究で対象とする円筒プラズマでは周方向モード数および径方向波数の正確な値を取得することが乱流の分類を行う上で必要である．本年度開発した手法は，観測領域の各径方向位置で観測できる周方向モード数の限界を明らかにするとともにその周方向モード数を持つ空間構造の径方向の分解能を明らかにできたため，本研究遂行にあたって重要な進展であると考える．しかし本研究で対象とする現象をプラズマ中心部から周辺部にわたって観測する上で必要な視線配置の改良には至らなかった．対象とする現象を観測する上で必要な空間分解能を達成できる視線配置を決定するためには，現在用いている計測視線よりも観測領域の狭い光学系が必要であることが明らかになった．
本研究で必要となるトモグラフィシステム実現に必要な光学系の開発を本研究最終年度に行うことを予定している．
一方で，トモグラフィ計測で観測されたデータから揺動同士の非線形結合が示す時空間構造を明らかにする手法を確立することに成功した．
このトモグラフィデータ解析手法に関する内容は論文としてまとめ終えており，現在communications physicで査読中である．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度までの研究により，磁化プラズマ中の乱流計測を行うトモグラフィシステムの特性が定量的に明らかになった．本研究で最終目的として掲げている磁化プラズマ乱流の実験的分類を実現するためには，r>1 cmの領域でm=4の空間構造を観測できることが要求される．対象とする現象を観測する上で必要な空間分解能を達成できる視線配置を決定するためには，現在用いている計測視線よりも観測領域の狭い光学系が必要であることが明らかになった．そのため次年度は本研究で必要となるトモグラフィシステム実現に必要な光学系の開発を行う．現在用いている計測視線はコリメータを用いて計測領域を制限しているため，計測視線の間隔がコリメータ直径に制限されている．したがって，トモグラフィの空間分解能を高めるためにはこれまで以上に計測領域が狭く計測視線を密に配置できる光学系が必要である．そこで次年度は口径の大きいレンズとファイバーバンドルを用いたトモグラフィ計測視線の開発を行う．ファイバーバンドルを用いることで計測視線を1mm以下の間隔で配置することが可能になる．
十分な空間分解能を達成できる計測視線設計を実際に装置に導入し，2箇所の断面における乱流の空間構造を同時計測する．トモグラフィ計測データを解析するために我々が開発した手法を拡張し，2箇所で得られた再構成データから乱流の3次元波数スペクトルを抽出する手法を開発する．
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| Causes of Carryover |
本年度は本研究遂行にあたって最も重要であるトモグラフィシステムの空間分解能に関する解析手法開発に注力したため物品購入の執行が遅れている．本年度の研究により上記解析手法が確立したため，次年度はこの手法を活用して計測視線設計を行い真空部品等購入をすすめる．
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