メタマテリアルを利用したミリ波ドップラーレーダ用フェーズドアレイアンテナの開発

• 研究課題/領域番号: 17K18773
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: プラズマ学およびその関連分野
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 徳沢 季彦 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (90311208)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円); 2019年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2018年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円); 2017年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
• キーワード: メタマテリアル / ドップラーレーダ / フェーズドアレイ / 周波数コム / プラズマ計測

研究成果の概要

核融合を目指す高温プラズマ中の電子密度揺動や流速を計測することが可能なミリ波帯ドップラーレーダを高性能化して、流速の多次元ベクトル測定ができるようにするため、照射ミリ波ビームを同時に任意の方向へ放射できる革新的なアンテナを開発することを目的として、以下の2つの課題に取り組んだ。(1)走査時間の無いフェーズドアレイシステム：同時に複数の周波数を用いることで、ビームを多方向へ同時に照射できることを実証した。(2)メタマテリアルを用いた広帯域位相器：アンテナ素子毎に正確な位相差を広帯域に付与するためメタマテリアルを反射型メタサーフェース移相器として適用することを検討・評価し、その広帯域性を確認した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

核融合発電炉の早期実現による安定した電力供給は社会に良い影響を与えることが期待できるが、性能の良い核融合炉実現のためには高温プラズマの物理を理解し制御する必要がある。特に乱流の特性を理解する上で、本研究によりドップラーレーダの同時多方向照射が広帯域性をもって実現できることを示したこと、これによって多次元ベクトル計測が可能となることは、核融合プラズマ閉じ込め研究において非常に高い意義を持つ。また、新しい領域の研究素材であるメタマテリアルの応用事例の一つとして、核融合プラズマ分野が新たに加わったことはその広い可能性を示したこととして意義がある。

研究成果

• [雑誌論文] Non-Contact and Non-Invasive Driver's Monitor Using Microwave Reflectometer (2020)
  • 著者名/発表者名: A. Mase, Y. Kogi, T. Maruyama, T. Tokuzawa, M. Kunugita, T. Koike, and H. Hasegawa
  • 雑誌名: Progress In Electromagnetics Research M 巻: 90 ページ: 81-88
  • DOI: 10.2528/pierm20010103
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Non-contact and real-time measurement of heart rate and heart rate variability using microwave reflectometry (2020)
  • 著者名/発表者名: A. Mase, Y. Kogi, T. Maruyama, T. Tokuzawa, F. Sakai, M. Kunugita, T. Koike, H. Hasegawa
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 91 号: 1 ページ: 014704-014704
  • DOI: 10.1063/1.5128959
  • NAID: 120007180025
  • 査読あり
• [雑誌論文] Isotope effects on energy, particle transport and turbulence in electron cyclotron resonant heating plasma of the Large Helical Device (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Tanaka, Y. Ohtani, M. Nakata, F. Warmer, T. Tsujimura, Y. Takemura, T. Kinoshita, H. Takahashi, M. Yokoyama, R. Seki, H. Igami, Y. Yoshimura, S. Kubo, T. Shimozuma, T. Tokuzawa, T. Akiyama, I. Yamada, R. Yasuhara, H. Funaba, M. Yoshinuma, K. Ida, M. Goto, et al
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 59 号: 12 ページ: 126040-126040
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ab4237
  • NAID: 120007126859
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Isotope effect on energy confinement time and thermal transport in neutral-beam-heated stellarator-heliotron plasmas (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Yamada, K. Tanaka, R. Seki, C. Suzuki, K. Ida, K. Fujii, M. Goto, S. Murakami, M. Osakabe, T. Tokuzawa, M. Yokoyama, M. Yoshinuma
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 123 号: 18 ページ: 185001-185001
  • DOI: 10.1103/physrevlett.123.185001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Impact of a resonant magnetic perturbation field on impurity radiation, divertor footprint, and core plasma transport in attached and detached plasmas in the Large Helical Device (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Kobayashi, R. Seki, S. Masuzaki, S. Morita, H.M. Zhang, Y. Narushima, H. Tanaka, K. Tanaka, T. Tokuzawa, M. Yokoyama, T. Ido, I. Yamada, and the LHD Experimental group
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 59 号: 10 ページ: 109601-109601
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ab3a13
  • NAID: 120007116720
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spatial structure of low-frequency fluctuations throughout the transition of poloidal flow velocity in edge plasmas of LHD (2019)
  • 著者名/発表者名: Moon C.、Kobayashi T.、Ida K.、Tokuzawa T.、Hidalgo C.、Yoshinuma M.、Ogawa K.、Itoh K.、Fujisawa A.、and LHD Experiment Group
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 26 号: 9 ページ: 092302-092302
  • DOI: 10.1063/1.5098954
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Microwave frequency comb Doppler reflectometer applying fast digital data acquisition system in LHD (2018)
  • 著者名/発表者名: Tokuzawa T.、Tsuchiya H.、Tsujimura T.、Emoto M.、Nakanishi H.、Inagaki S.、Ida K.、Yamada H.、Ejiri A.、Watanabe K. Y.、Oguri K.、Akiyama T.、Tanaka K.、Yamada I.、LHD Experiment Group
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 89 号: 10
  • DOI: 10.1063/1.5035118
  • NAID: 120007029204
  • 査読あり
• [雑誌論文] Developments of Millimeter Wave Backscattering Systems for Fusion Plasma Turbulence Measurements (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Tokuzawa, K. Oguri, S. Kubo, K. Tanaka, H. Yamada, K. Y. Watanabe, A. Ejiri, S. Inagaki, J. Kohagura, T. Saito, and LHD Experiment Group
  • 雑誌名: Proceedings of 43rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves
• [学会発表] 流れベクトル量測定のためのマイクロ波センシング技術の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 徳沢季彦
  • 学会等名: 応用力学研究所研究集会“波・流れ・乱流のセンシング・マイニング・モデリング”
• [学会発表] Dual-Comb Microwave Doppler Reflectometer System in LHD and Feasibility Study for a JT-60SA Doppler Reflectometer (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Tokuzawa, S. Inagaki, A. Ejiri, H. Idei, R. Imazawa, N. Oyama, M. Yoshida, K. Tanaka1, H. Tsuchiya, K. Ida, K. Y. Watanabe, and H. Yamada
  • 学会等名: 14th International Reflectometry Workshop (IRW14)
  • 国際学会
• [学会発表] Feasibility study of Doppler Reflectometry (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Tokuzawa, S. Inagaki, H. Idei, A. Ejiri, R. Imazawa, N. Oyama, M. Yoshida, H. Tsuchiya, and K. Tanaka
  • 学会等名: 8th JT-60SA Research Coordination Meeting (RCM-8)
  • 国際学会
• [学会発表] Study of isotope effects from the viewpoint of turbulence observation in LHD (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Tokuzawa, K. Tanaka, H. Yamada, S. Inagaki, K. Ida, M. Nakata, T. Tsujimura, M. Yoshinuma, K. Y. Watanabe, H. Tsuchiya, A. Ejiri, and LHD Experiment Group
  • 学会等名: 22nd International Stellarator & Heliotron Workshop 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Observation of turbulence response in detach transition and similarity to H-mode transition in LHD (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Tokuzawa, M. Kobayashi, S. Masuzaki, S. Inagaki, K. Ida, H. Tsuchiya, H. Yamada, K. Y. Watanabe, K. Tanaka, I. Yamada, and LHD Experiment Group
  • 学会等名: 17th International Workshop on H-mode Physics and Transport Barriers
  • 国際学会
• [学会発表] プラズマ乱流計測から見た水素同位体効果検証実験 (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Tokuzawa, K. Tanaka, H. Yamada, S. Inagaki, K. Ida, M. Nakata, T. Tsujimura, M. Yoshinuma, K. Y. Watanabe, H. Tsuchiya, A. Ejiri, and LHD Experiment Group
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
  • 招待講演
• [学会発表] ミリ波後方散乱計測によるLHDプラズマ微視的乱流揺動計測 (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Tokuzawa、K. Tanaka, H. Yamada, S. Inagaki, K. Ida, M. Nakata, T. Tsujimura, M. Yoshinuma, K. Y. Watanabe, H. Tsuchiya, A. Ejiri, and LHD Experiment Group
  • 学会等名: 閉じ込め輸送研究会2019
• [学会発表] Developments of sub-THz wave camera and application for plasma diagnostics (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Tokuzawa, A. Tanabe, T. Tsujimura, S. Kubo, H. Tsuchiya, K. Yamamoto, T. Saito, M. Tani, and H. Kitahara
  • 学会等名: The 7th International Workshop on Far-Infrared Technologies
  • 国際学会
• [学会発表] Microwave frequency comb Doppler reflectometer applying fast digital data acquisition system in LHD (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Tokuzawa, H. Tsuchiya, T. Tsujimura, M. Emoto, H. Nakanishi, S. Inagaki, K. Ida, H. Yamada, A. Ejiri, K. Y. Watanabe, K. Oguri, T. Akiyama, K. Tanaka, I. Yamada, and LHD Experiment Group
  • 学会等名: 22nd Topical Conference on High Temperature Plasma Diagnostics (HTPD2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Turbulence rapid reduction in the stable detached LHD plasma with magnetic perturbation application (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Tokuzawa, M. Kobayashi, S. Masuzaki, S. Inagaki, K. Ida, H. Tsuchiya, H. Yamada, K. Y. Watanabe, K. Oguri, K. Tanaka, I. Yamada, and LHD Experiment Group
  • 学会等名: 8th Asia-Pacific Transport Working Group (APTWG) International Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Developments of Millimeter Wave Backscattering Systems for Fusion Plasma Turbulence Measurements (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Tokuzawa, K. Oguri, S. Kubo, K. Tanaka, H. Yamada, K. Y. Watanabe, A. Ejiri, S. Inagaki, J. Kohagura, T. Saito, and LHD Experiment Group
  • 学会等名: 43rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves
  • 国際学会
• [学会発表] Rapid Radial Propagation of Momentum Change and Flow Oscillation Associated with the Pellet Injection (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Tokuzawa, S. Inagaki, N. Tamura, R. Sakamoto, K. Ida, T. Tsujimura, M. Emoto, C. Suzuki, H. Tsuchiya, A. Ejiri, H. Yamada, K. Y. Watanabe, K. Oguri, K. Tanaka, G. Motijima, I. Yamada, and LHD Experiment Group
  • 学会等名: 27th IAEA Fusion Energy Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Observation of damped oscillating flow and momentum change associated with a pellet injection (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Tokuzawa, S. Inagaki, N. Tamura, R. Sakamoto, K. Ida, T. Tsujimura, M. Emoto, C. Suzuki, H. Tsuchiya, A. Ejiri, H. Yamada, K. Y. Watanabe, K. Oguri, K. Tanaka, G. Motojima, I. Yamada, and the LHD Experiment Group
  • 学会等名: Observation of damped oscillating flow and momentum change associated with a pellet injection
  • 国際学会
• [学会発表] Microwave comb reflectometry for micro turbulence measurements (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Tokuzawa, S. Inagaki, N. Tamura, R. Sakamoto, K. Ida, H. Tsuchiya, A. Ejiri, H. Yamadaa,c, K.Y. Watanabe, T. Akiyama, K. Tanaka, H. Nakanishi and I. Yamada
  • 学会等名: 18th International Symposium on Laser-Aided Plasma Diagnostics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fast Radial Propagation of Momentum Associated with the TESPEL Injection (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Tokuzawa, S. Inagaki, N. Tamura, R. Sakamoto, K. Ida, H. Tsuchiya, A. Ejiri, H. Yamada, K.Y. Watanabe, K. Tanaka, T. Akiyama, and I. Yamada
  • 学会等名: 21st International Stellarator-Heliotron Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Rapid momentum propagation associated with the TESPEL injection (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Tokuzawa, S. Inagaki, N. Tamura, R. Sakamoto, K. Ida, A. Ejiri, H. Yamada, K. Y. Watanabe, I. Yamada , and LHD Experiment Group
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
  • 国際学会
• [備考] 卵が先かニワトリが先か －乱流発生・抑制の因果律を調べる－
  • URL: http://www.nifs.ac.jp/lhdreport/mailinfo_303.html
• [備考] 千々に乱れる流れの構造を櫛を使って測定する －周波数コムを用いた計測器の開発－
  • URL: http://www.nifs.ac.jp/lhdreport/mailinfo_296.html