Interaction between high-energy electron and whistler wave in tokamak plasma

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K03511
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 池添 竜也 九州大学, 応用力学研究所, 准教授 (70582849)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 高エネルギー電子 / 波動粒子相互作用 / 自発励起波動 / 硬X線 / 位相空間ダイナミクス / ディスラプション / 非誘導プラズマ立上げ / 球状トカマク

Outline of Annual Research Achievements

非熱的な高エネルギー電子は，電子サイクロトロン波による非誘導プラズマ電流立上げや，ディスラプション後の逃走電子ビーム発生過程で支配的な役割を果たすことが分かってきている一方，位相空間での非線形ダイナミクスが介在して波動との相互作用が本質となっていること，また高エネルギー電子束自体の計測手法が確立されていないことなどから，十分な理解が得られていない．本研究では，電子サイクロトロン波により比較的容易に高エネルギー電子を生成できるQUEST球状トカマクにおいて，入念な波動計測と共に，高エネルギー電子の位相空間での情報を新しく高精度に得て，自発励起波動を含めた高エネルギー電子の位相空間ダイナミクスを実験的に調べる．
高エネルギー電子をピッチ角弁別して直接計測する挑戦的な高エネルギー粒子プローブ（EPP）が完成し，実機実験を通して原理実証を行った．直接計測で最大の懸念であったプローブ衝突電子による高強度の制動X線に対しても，時定数2nsの超高速応答の検出器と高スループットの処理システムにより，数M cpsまで処理でき，QUESTプラズマの周辺領域において狙いの計測が可能なことが確かめられた．粒子軌道を制限するピンホールと二組の等価な検出器の差を用いて，硬X線と高エネルギー電子の信号を切り分けることができ，SOL領域における高エネルギー電子のピッチ角分布が得られた．また，SOL領域において最外殻磁気面を逸脱して広い空間領域にわたって高エネルギー電子が存在していること，QUESTではその到達限界が外側局所リミターでなく，トロイダル方向に連続して存在する上下の高温壁であることが示唆された．さらに，高エネルギー電子起因の硬X線放射強度を高速に測れたことで，高エネルギー電子束が自発励起の高周波と同じ周波数で揺らいでいることを世界で初めて見い出し，波動粒子相互作用の実験的証拠を得た．

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

挑戦的な高エネルギー粒子プローブが完成し，SOL領域における高エネルギー電子束のピッチ角分布が世界で初めて得られ，また超高速での硬X線計測という副産物から，高エネルギー電子束自体が高周波数で揺らいでいることが発見された．当初予定していなかった新しい研究展開が見いだされたため，計画を超える研究を推進できる．

Strategy for Future Research Activity

これまでに整備された革新的な高エネルギー粒子プローブと念入りな波動計測システムを用いて，物理実験をQUESTにおいて進める．ツールとして，非誘導でプラズマを立ち上げた後にセンターソレノイドコイルを用いてトロイダル電場を加える．これにより位相空間での発展を能動的に変化させる．また，垂直方向エネルギーの指標として，ECE計測も新たに追加する．視野を絞った高速の硬X線検出器も別途整備できたので，これを用いて相互作用領域の特定を目指す．

Research Products

• [Journal Article] Initial testing of ohmic heating through double flux swing during electron cyclotron start-up in the QUEST spherical tokamak (2023)
  • Author(s): ZHANG Yifan、ONCHI Takumi、NAKAMURA Kazuo、YUE Qilin、NAGATA Takahiro、KAWASAKI Shoji、KURODA Kengoh、HASEGAWA Makoto、IKEZOE Ryuya、IDO Takeshi、HANADA Kazuaki、IDEI Hiroshi
  • Journal Title: Plasma Science and Technology Volume: 25 Pages: 055104～055104
  • DOI: 10.1088/2058-6272/acafc2
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 8.56-GHz quasi-optical launcher system with incident-mode selectivity on the QUEST spherical tokamak (2023)
  • Author(s): Idei H.、Sakaguchi M.、Mishra K.、Onchi T.、Ikezoe R.、Watanabe O.、Tanaka Y.、Saito T.、Ido T.、Hanada K.
  • Journal Title: Fusion Engineering and Design Volume: 189 Pages: 113479～113479
  • DOI: 10.1016/j.fusengdes.2023.113479
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Adaptive Capon beamforming for lensless electron cyclotron emission imaging with high spatial resolution (2022)
  • Author(s): Idei H.、Fukuyama M.、Sakai S.、Mishra K.、Nishimura K.、Ikezoe R.、Onchi T.、Ido T.、Hanada K.
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 93 Pages: 103531～103531
  • DOI: 10.1063/5.0101632
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Probing of fast electrons and corresponding kinetic modes on QUEST (2023)
  • Author(s): Ryuya IKEZOE
  • Organizer: 11th Int. QUEST WS "RF startup and sustainment in Spherical Tokamak"
• [Presentation] 球状トカマク装置QUESTにおける高周波モードと高エネルギー電子ダイナミクスのプロービングに向けた進展 (2022)
  • Author(s): 池添竜也, 出射 浩, 恩地拓己, 黒田賢剛, 王 洋, 張 逸凡, 坂井聖也, 宮田陸矢, 山口貴大, ZENNIFA Fadilla, 関谷 泉, 長谷川 真, 永島芳彦, 井戸 毅, 花田和明
  • Organizer: 第39回プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] 球状トカマク中の高エネルギー電子観測用 二次元硬X線計測器開発と初期結果 (2022)
  • Author(s): 王 洋, 恩地拓己, 花田和明, 張 逸凡, 関谷 泉, 池添竜也, 出射 浩
  • Organizer: 第39回プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] Sudden change events of plasma current during electron-cyclotron current start-up on the QUEST spherical tokamak (2022)
  • Author(s): R. Ikezoe, K. Takeda, K. Kuroda, T. Onchi, T. Nagata, I. Sekiya, H. Idei, F. Zennifa, Y. Zhang, S. Sakai, R. Miyata, T. Yamaguchi, M. Hasegawa, Y. Nagashima, T. Ido, K. Hanada
  • Organizer: 31st Int. Toki Conf.
  • Int'l Joint Research