オーバーデンスプラズマにおけるBXOモード変換を用いた電子温度分布計測

2013 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 25420885
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 長崎 百伸 京都大学, エネルギー理工学研究所, 教授 (20237506)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 電子バーンスタイン波 / 電子温度計測 / モード変換

Research Abstract

核融合プラズマにおいて、電子サイクロトロン波の吸収と放射は電子加熱・非誘導電流駆動や電子温度分布計測等に広く応用されている。従来、正常波（O-mode）や異常波（X-mode）といった電磁波が用いられているが、電磁波にはカットオフ密度と呼ばれるアクセス密度上限が存在し、カットオフ密度以上での電磁波の利用は困難である。高密度領域における電子温度分布計測の手法の一つとして、電子密度に関係なくプラズマ中を伝搬できる電子バーンシュタイン波（Electron Bernstein Waves, EBW）の利用が提案されている。本研究は、プラズマ実験装置においてEBWを用いた電子温度分布計測を行い、高密度領域電子温度分布計測法としての可能性を探ることを目的とする。
今年度は、BXOモード変換を用いた電子温度分布計測に向け、XOモード変換によってプラズマから放射されるO-modeの放射方向を理論的に同定するために、3次元磁場配位を考慮に入れたレイトレーシング計算コードを開発した。その結果、現状のアンテナシステムでOXモード変換効率が100%またはそれに近い値が得られることが得られた。
また、電子温度計測に向けて多チャンネルラジオメータシステムを構築した。28-42GHz帯域マイクロ波をGunn発振器（24GHz, 13dBm）出力とバランス型ミキサー（LO 24 GHz, RF 2-18 GHz）でミキシングし中間周波数へとダウンコンバートし、中間周波数信号をRF低ノイズアンプ（20 dBm）、ステップ減衰器（0-60 dB）を用いて増幅・出力調整し、パワーディバイダ、バンドバスフィルター（周波数バンド幅1 GHz）によって最終的には8チャンネルに分割し、RF検出器によって検出する。今年度は4チャンネルの検出システムまで構築し、模擬信号を用いて1nWレベルの信号を測定できることを確認した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

電子温度計測のためのラジオメータシステムの構築は約80%完了しており、おおむね順調に進展している。今後、出力信号の8チャンネル化、ロータリージョイントとPINスイッチの導入により、システムの構築を完了する。

Strategy for Future Research Activity

ラジオメータシステムの構築完了後、ヘリオトロンJ装置においてEBE計測を開始する。特に、NBIプラズマにおいてEBWを用いた電子温度分布計測を試みる。理論解析結果を基にXOモード変換窓範囲を探索し最適受信角を実験的に求め、反磁性ループを用いた蓄積エネルギー、トムソン散乱計測による電子温度分布の結果等と比較し、得られた電子温度分布の妥当性を明らかにする。
受信アンテナは設定精度がトロイダル角、ポロイダル角共に0.1度ある既存の70GHz ECH/ECCDアンテナを用いる。また、受信波の伝送も既存のコルゲート導波管を用いて90%以上の効率でラジオメータまで伝送する。最適角まで絞り込むには1度以下の精度でアンテナを設定しなければならないこと、プラズマパラメタが変化することなどから、100%に近いモード変換効率を得るまでには至らない可能性はある。この場合は、5度程度ある50 %以上のモード変換窓の範囲内で電子温度分布を計測する。
オーバーデンスプラズマとして、電子密度1-5×1019m-3のプラズマをNBIによって生成・維持する。直交する2つの電場成分を同時計測し、O-mode成分受信のため偏波を最適化する。2.45GHzマイクロ波アシストによるNBIプラズマ生成では磁場を0.5-1.5Tと広範囲に設定できることから、EBW放射分布の磁場依存性、電子密度依存性を実験的に調べることが可能である。高密度領域におけるエネルギー閉じ込め改善時での電子温度分布を解析し、EBWによる電子温度分布計測の妥当性を検証するとともに、ラジオメータシステムの長所である高時間分解能（1usec）によって得られる時間発展から高密度領域における閉じ込め・輸送解析を行う。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

ラジオメータシステムのコンポーネントである、ロータリージョイントとPINスイッチの製造に時間がかり、次年度に納入となったため。
測定する偏波方向を180度回転可能とするロータリージョイント、及び、直交偏波成分を1放電中に同時計測できるPINスイッチを購入し、伝送系に組み込む。

Research Products

• [Journal Article] Stabilization of energetic-ion-driven MHD modes by ECCD in Heliotron J (2013)
  • Author(s): K. Nagasaki, S. Yamamoto, S. Kobayashi, et al.
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 53 Pages: 113041
  • DOI: 10.1088/0029-5515/53/11/113041
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of a Laser Timing Controller for the High Time-Resolution Nd:YAG Thomson Scattering System in Heliotron J (2013)
  • Author(s): N. Kenmochi, T. Minami, S. Arai, C. Takahashi, T. Mizuuchi, S. Kobayashi, K. Nagasaki, Y. Nakamura, H. Okada, S. Yamamoto, S. Konoshima, S. Ohshima, K. Mukai, H. Y. Lee, L. Zang, Y. Nagae, M. Sha, Y. Ohtani, K. Kasajima, T. Harada, H. Watada, H. Fukushima, Y. Sugimoto, Y. Nakamura, K. Hashimoto, F. Sano
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 8 Pages: 2402117
  • DOI: 10.1585/pfr.8.2402117
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observation of Edge Filamentary Structure Motion during Supersonic Molecular-Beam Injection Using a Fast Camera in Heliotron J (2013)
  • Author(s): L. Zang, N. Nishino, T. Mizuuchi, S. Ohshima, M. Takeuchi, K. Kasajima, M. Sha, K. Mukai, H. Y. Lee, K. Nagasaki, H. Okada, T. Minami, S. Kobayashi, S. Yamamoto, S. Konoshima, Y. Nakamura, F. Sano
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 8 Pages: 1402066
  • DOI: 10.1585/pfr.8.1402066
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gas fueling effect on plasma profile in Heliotron J (2013)
  • Author(s): T. Mizuuchi, H.Y. Lee, K. Mukai, K. Yamamoto, S. Kobayashi, H. Okada, S. Yamamoto, S. Ohshima, L. Zang, K. Nagasaki, et al.
  • Journal Title: Journal of Nuclear Materials Volume: 438 Pages: S453-S458
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2013.01.092
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observation of Edge Plasma Fluctuations with a Fast Camera in Heliotron J (2013)
  • Author(s): L. Zang, M. Takeuchi, N. Nishino, T. Mizuuchi, S. Ohshima, K. Kasajima, M. Sha, K. Mukai , H. Y. Lee, K. Nagasaki, H. Okada, T. Minami, S. Kobayashi, S. Yamamoto, K. Hanatani, Y. Nakamura, S. Konoshima, F. Sano
  • Journal Title: Plasma Science and Technology Volume: 15 Pages: 213
  • DOI: 10.1088/1009-0630/15/3/04
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of magnetic field configuration on parallel plasma flow during neutral beam injection in Heliotron J (2013)
  • Author(s): H Lee, S Kobayashi, M Yokoyama, T Mizuuchi, T Minami, T Harada, K Nagasaki, H Okada, T Minami, S Yamamoto, S Murakami, Y Nakamura, S Konoshima, S Ohshima, L Zang and F Sano
  • Journal Title: Plasma Physics and Controlled Fusion Volume: 55 Pages: 035012
  • DOI: 10.1088/0741-3335/55/3/035012
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Issues of Plasma Start-up in Stellarator/Heliotron Devices (2014)
  • Author(s): K. Nagasaki
  • Organizer: 13th Co-ordinated Working Group Meeting
  • Place of Presentation: Kyoto University
  • Year and Date: 20140226-20140228
• [Presentation] ヘリオトロンJ における電子バーンスタイン放射計測システムの開発 (2013)
  • Author(s): 長崎百伸、F. Volpe、中村祐司、藤田直己、坂本欣三、水内亨、岡田浩之、南貴司、門信一郎、小林進二、山本聡、大島慎介、史楠、木島滋、L. Zang、釼持尚輝、伊神弘恵、吉村泰夫、N. Marushchenko、佐野史道
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第30回年会
  • Place of Presentation: 東京工業大学
  • Year and Date: 20131203-20131206
• [Presentation] Heating and Diagnostic Using Electron Bernstein Waves in Heliotron J (2013)
  • Author(s): K. Nagasaki, N. Fujita, Y. Nakamura, F. Volpe, K. Sakamoto, T. Mizuuchi, H. Okada, T. Minami, S. Kado, S. Kobayashi, S. Yamamoto, S. Ohshima, N. Shi, S. Konoshima, L. Zang, N. Kenmochi, H. Igami, Y. Yoshimura, N. B. Marushchenko, F. Sano
  • Organizer: Joint 19th ISHW and 16th IEA-RFP workshop
  • Place of Presentation: Padova University, Italy
  • Year and Date: 20130916-20130920