2023 Fiscal Year Annual Research Report
Development of ghost imaging method using structured light and measurement of phase space structure of plasma
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23H01149
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
荒巻 光利 日本大学, 生産工学部, 教授 (50335072)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大野 哲靖 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (60203890)
田中 宏彦 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 准教授 (60609981)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2027-03-31
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| Keywords | ゴーストイメージング / プラズマ分光 / 吸収分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
位相空間における粒子の分布構造は，プラズマ中の様々な現象を駆動しており，その観測はプラズマの基礎・応用・核融合に共通する重要課題の１つである．本研究は，光の空間構造を制御して利用するゴーストイメージング（GI）を用いることで，プラズマの大域的な位相空間構造を画像化する新たな分光法の開発を目的としている．令和5年度には，GIを用いた速度分布関数の測定に向けたプログラム開発および画像再構成アルゴリズムの検討を行った．これまで，ヘリコン波プラズマ源の下流終端板近傍でGI吸収分光測定を行い，準安定ヘリウム原子の空間分布の画像化に成功している．この原理実証実験では，準安定ヘリウム原子の共鳴吸収の中心波長に光源の波長を固定し，測定を行った．光源の波長を準安定ヘリウム原子の共鳴波長を中心にドップラー広がりの範囲で掃引してGI吸収分光を行うことで，GI画像の各ピクセルから速度分布関数が得られる．このTDLASとGIを組み合わせた測定により，位相空間における準安定ヘリウム原子の分布が得られる．令和5年度はこの測定方法に適したソフトウェアの開発を行った．また，GIの性能向上を目指し，さまざまな画像再構成アルゴリズムが提案されているが，これまでプラズマのように吸収率の低い吸収体を対象とした研究はほとんど行われていなかった．そのため，プラズマの吸収分光に適したアルゴリズムを検討した．Normalized GI (NGI)，Binomial GI (BGI)，Differential GI (DGI)について，コントラストが低い測定対象を仮定したシミュレーションを行い，NGIがコントラストの収束が早いことが明らかとなった．これを基に，次年度以降のプラズマ測定でさらに詳細な検討を進めることとした．
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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
本研究で目的としているプラズマの位相空間構造の測定に向けて，実験系の測定プログラムの開発および画像再構成アルゴリズムの検討を進めている．当初予定ではGIによる速度分布関数の空間構造測定は令和6年度以降であったが，本測定法の有効性を示すために前倒しで開発を進めている．一方で当初令和5年度に予定していた測定系のハードウェア変更による高速化は延期し，画像再構成アルゴリズムの検討を行った．近年，今回検討したアルゴリズムの他にも機械学習等を取り入れることで高速に画像生成を行う手法が多く提案されている．これらのソフトウェアによる高速化はハードウエアの高速化を凌駕する可能性があり，先行して検討を進めている．当初予定に対して，研究開発の優先度を調整したが，全体としては本研究の目的に向けておおむね順調に進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題ではGI吸収分光法による再結合プラズマの位相空間構造のダイナミクス解明を目標として技術開発を進めている．このためにはGIの高速化が必須の開発課題であるが，格段に高速化するには測定対象を具体的にし，それに対してハードウエアおよびソフトウェアを最適化する必要があることが明らかとなってきている．そのため，今後の研究推進の方策としては，再結合プラズマへの本測定法の適用を優先的に進め，その過程で課題を明らかにしつつハードウエアおよびソフトウェアの開発を進めることとする．
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