全波長領域対応背面照射型CCD検出器の開発と応用

• 研究課題/領域番号: 12558051
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 展開研究
• 研究分野: 核融合学
• 研究機関: 文部科学省核融合科学研究所
• 研究代表者: 森田 繁 核融合科学研究所, 大型ヘリカル研究部, 助教授 (80174423)
• 研究分担者: 武藤 貞嗣 (武藤 定嗣) 核融合科学研究所, 大型ヘリカル研究部, 助手 (40260054) ; 後藤 基志 核融合科学研究所, 大型ヘリカル研究部, 助手 (00290916)
• 研究期間 (年度): 2000 – 2003
• 研究課題ステータス: 完了 (2003年度)
• 配分額: 10,800千円 (直接経費: 10,800千円); 2003年度: 2,300千円 (直接経費: 2,300千円); 2002年度: 2,200千円 (直接経費: 2,200千円); 2001年度: 2,200千円 (直接経費: 2,200千円); 2000年度: 4,100千円 (直接経費: 4,100千円)
• キーワード: CCD検出器 / 可視分光 / 真空紫外分光 / X線分光 / プラズマ計測 / 分光器 / プラズマ分光

研究概要

この4年にわたる本研究を通じて,可視,真空紫外及びX線域の分光計測に使用した背面照射型CCD検出器は順調に動作し,原理的に,使用波長領域に制約がないことを実験的に検証した.特に真空紫外域では可視光を利用した分光器の焦点調整に大きく役立ち,研究の進展に飛躍的な進歩をもたらした.本研究で検証された安定した感度特性及び良好な空間・時間分解というCCDの特性は,今後様々な研究分野で役立つものと期待される.
可視域では背面照射型CCD検出器と従来型のImage-intensifier(I.I.)+Photo-diode-array(PDA)型検出器の検出特性を比較した.光照射下での誤動作による検出器の瞬時破壊,検出感度の経時変化,スペクトルの裾野部分の切れ,位置分解能,ダイナミックレンジ,時間分解能,安定性,S/N比等全ての点で背面照射型CCD検出器は圧倒的に優れていた.
真空紫外域では背面照射型CCD検出器とMicro-channel-Plate(MCP)+PDAを真空紫外分光器に取り付け比較した.結果は可視分光の場合と同様,比較にならないほどCCD検出器は優れた性能を有していることを確かめた.特に,従来では検出器動作中の真空度悪化による検出器の破壊が常に問題であったが,CCDの応用で完全に克服された.また,可視光を用いた結像面の調整はCCDの使用で圧倒的に簡便になった.
X線領域では背面照射型CCD検出器とガス比例計数管の特性を比較した.X線領域ではプラズマの電子温度の変化によりX線スペクトルの放射強度が大きく変化する.結果として検出器のダイナミックレンジがX線領域での分光計測の限界を決定していた.X線分光に検出器としてCCDを応用した結果,従来型の比例計数管と比較して,ダイナミックレンジが1000倍以上拡大した.これまでダイナミックレンジ不足により,イオン温度計測における誤差が大きな問題となっていたが,CCDを応用することによりこれを完全に解決することに成功した.

研究成果

• [文献書誌] S.Morita, M.Goto: "Space resolved VUV spectroscopy using the 3m normal incidence spectrometer with back-illuminated CCD detector in the LHD"Review of Scientific Instruments. Vol.74. 2036-2039 (2003)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.Morita, M.Goto: "X-ray crystal spectrometer with a charge-coupled-device detector for ion temperature measurements in the Large Helical Device"Review of Scientific Instruments. Vol.74. 2375-2387 (2003)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.Morita, M.Goto et al.: "Experimental study on ion temperature behaviours in ECH, ICRF and NBI H2, He and Ne discharges of the Large Helical Device"Nuclear Fusion. Vol.43. 899-909 (2003)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.Morita et al.: "H-mode-like discharge under the presence of 1/1 rational surface arergodic layer in LHD"Journal of Plasma Fusion Research. Vol.80. 279-280 (2004)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.Goto, S.Morita et al.: "Determination of the hydrogen and helium ion densities in the initial and final stages of a plasma in the LHD by optical spectroscopy"Physics of Plasmas. Vol.10. 1402-1410 (2003)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.Muto, S.Morita et al.: "First measurement of hard x-ray spectrum emitted from high-energy electrons in electron cyclotron heated plasma of LHD"Review of Scientific Instruments. Vol.74. 1993-1996 (2003)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.Morita, M.Goto et al.: "Space-resolved VLTV spectroscopy using the 3m normal incidence spectrometer with back-illuminated CCD detector in the LHD"Review of Scientific Instruments. Vol.74. 2036-2039 (2000)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.Morita, M.Goto et al.: "X-ray crystal spectrometer with a charge-coupled-device detector for ion temperature measurements in the Large Helical Device"Review of Scientific Instruments. Vol.74. 2375-2387 (2003)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.Morita, M.Goto et al.: "Experimental study on ion temperature behaviors in ECH, ICRF and NBI H2, He and Ne discharges of the Large Helical Device"Nuclear Fusion. Vol.43. 899-909 (2003)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.Morita et al.: "H-mode-like discharge under the presence of 1/1 rational surfacear ergodic layer in LHD"Journal of Plasma Fusion Research. Vol.80. 279-280 (2003)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Goto, S.Morita et al.: "Determination of the hydrogen and helium ion densities in the initial and final stages of a plasma in the LHD by optical spectroscopy"Physics of Plasmas. vol.10. 1402-1410 (2003)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.Muto, S.Morita et al.: "First measurement of hard x-ray spectrum emitted from high-energy electrons in electron cyclotron heated plasma of LHD"Review of Scientific Instruments. vol.74. 1993-1996 (2003)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.Morita, M.Goto: "Space-resolved VUV spectroscopy using the 3m normal incidence spectrometer with back-illuminated CCD detector in the LHD"Review of Scientific Instruments. Vol.74. 2036-2039 (2003)
• [文献書誌] S.Morita, M.Goto: "X-ray crystal spectrometer with a charge-coupled-device detector for ion temperature measurements in the Large Helical Device"Review of Scientific Instruments. Vol.74. 2375-2387 (2003)
• [文献書誌] S.Morita, M.Goto, et al.: "Experimental study on ion temperature behaviours in ECH,ICRF and NBI H2,He and Ne discharges of the Large Helical Device"Nuclear Fusion. Vol.43. 899-909 (2003)
• [文献書誌] S.Morita, et al.: "H-mode-like discharge under the presence of 1/1 rational surface at ergodic layer in LHD"Journal of Plasma Fusion Research (Rapid Communication). Vol.80(To be published). (2004)
• [文献書誌] M.Goto, S.Morita, et al.: "Determination of the hydrogen and helium ion densities in the initial and final stages of a plasma in the LHD by optical spectroscopy"Physics of Plasmas. Vol.10. 1402-1410 (2003)
• [文献書誌] S.Muto, S.Morita, et al.: "First measurement of hard x-ray spectrum emitted from high-energy electrons in electron cyclotron heated plasma of LHD"Review of Scientific Instruments. Vol.74. 1993-1996 (2003)
• [文献書誌] S.Morita et al.: "Observation of ablation and acceleration of impurity pellets in the presence of energetic ions in the CHS heliotron/torsatron"Nuclear Fusion. Vol.42. 876-880 (2002)
• [文献書誌] S.Morita et al.: "Behavior of ion temperature in electron and Ion heating regimes observed with ECH, NBI and ICRF discharges of LHD"Nuclear Fusion. Vol.42. 1179-1183 (2002)
• [文献書誌] S.Morita, M.Goto: "Space-resolved VUV spectroscopy using the 3m normal incidence spectrometer with back-illuminated CCD detector in the LHD"Review of Scientific Instruments. Vol.74. 2036-2039 (2003)
• [文献書誌] S.Morita, M.Goto: "X-ray crystal spectrometer with a charge-coupled-device detector for ion temperature measurements in the Large Helical Device"To be published in Review of Scientific Instruments. Vol.74. (2003)
• [文献書誌] M.Goto, S.Morita: "Hydrogen and helium spectroscopy of initial and final stages of a plasma in the Large Helical Device Determination of the ion densities"To be published in Plasma Physics. (2003)
• [文献書誌] S.Muto, S.Morita et al.: "First measurement of hard x-ray spectrum emitted from high-energy electrons in electron cyclotron heated plasma of LHD"Review of Scientific Instruments. Vol.74. 1993-1996 (2003)
• [文献書誌] Shigeru MORITA: "Effect of carbon divertor Plates on impurities, Zeff and density limit in large helical device"Physica Scripta. T91. 48-52 (2001)
• [文献書誌] Shigeru MORITA: "Observation of ablation and acceleration of impurity pellets under existence of energetic ions in CHS heliotron/torsatron"To be published in Nuclear Fusion. 42. (2002)
• [文献書誌] Motoshi GOTO: "Determination of the line emission locations in a large helical device on the basis of the Zeeman effect"Physical Review E. 65. 026401 (2002)
• [文献書誌] Sadatsugu MUTO: "First from x-ray pulse height analyzer with radial scanning system for LHD"Peview of Scientific Instruments. 72. 1206-1209 (2001)
• [文献書誌] Shigeru Morita: "Effect of carbon divertor plates on impurities, Zeff and density limit in large helical device"Physica Scripta. (to be published).
• [文献書誌] 森田繁: "背面照射型CCD検出器を利用した可視,真空紫外,X線分光計測"プラズマ核融合学会誌. 76. 1237-1243 (2000)
• [文献書誌] Motoshi Goto: "Balmer-α intensity and particle flux in plasma edge region of LHD"Physica Scripta. (to be published).
• [文献書誌] Sadatsugu Muto: "First result from x-ray pulse height analyzer with radial scanning system for LHD"Review of Scientific Instruments. 72. 1206-1209 (2001)