立体造形アレイアンテナを用いた周波数走査型ミリ波散乱計測によるプラズマ乱流研究

• 研究課題/領域番号: 19H01880
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分14020:核融合学関連
• 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): 2019-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 16,640千円 (直接経費: 12,800千円、間接経費: 3,840千円); 2022年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円); 2021年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円); 2020年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円); 2019年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
• キーワード: 立体造形 / 3Dプリンタ / アンテナアレイ / 散乱計測 / ドップラーレーダー / プラズマ乱流 / ３Dプリンタ / ３Dプリンター

研究開始時の研究の概要

本研究では、将来の核燃焼炉心内部のような低衝突プラズマにおいてその特性に大きな影響を及ぼすことが予想されている微視的乱流の観測システムを確立するため、(1)3Dプリンターを用いた立体造形によって複雑な三次元構造のアレイアンテナを精密かつ安価に製作し、(2)機械駆動機構が無く高速かつ堅牢に様々な角度にミリ波ビームをスキャンすることのできる周波数走査型のレーダー散乱計測システムを構築し、(3)高温プラズマ実験装置に適用してプラズマの微視的乱流の計測を行い、予測理論研究との比較を行うことにより、新しい乱流物理の知見を得ることを目的とする。

研究成果の概要

核融合発電のための磁場閉じ込めプラズマの性能を向上させるためには高温プラズマ中の乱流の特性を理解して抑制することが重要であり、将来の高負荷環境下に置いても適用可能な、乱流特性を詳細に観測する手法を開発する必要があった。本研究によって、駆動機構が無く金属筐体のみで構築できるフェーズドアレイアンテナを３D金属プリンタ―で造形する技術が確立し、これを送受信アンテナとして用いるドップラーレーダーシステムを構築することによって、乱流の空間構造や回転速度、エネルギースペクトルを観測する手法を開発することができた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

フェーズドアレイアンテナは社会において通信や防衛など様々な分野で活用されている。本研究で開発を行った漏れ波アレイアンテナは従来からある技術に最新の金属３Dプリンタ―を用いた造形技術を組合わせることによって、初めて実現することができた。立体造形ならではの構造物の実現化とそれによる科学的成果の現実化を示した例であると言える。プラズマ物理研究においてもこの新しいアンテナを用いた観測技法によりこれまでに観測することができなかった乱流のエネルギースペクトルの時空間構造変化を調べられることとなり、これから新たな物理的な知見が得られると期待できる。

研究成果

• [雑誌論文] 3D metal powder additive manufacturing phased array antenna for multichannel Doppler reflectometer (2022)
  • 著者名/発表者名: Tokuzawa T.、Nasu T.、Inagaki S.、Moon C.、Ido T.、Idei H.、Ejiri A.、Imazawa R.、Yoshida M.、Oyama N.、Tanaka K.、Ida K.
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 93 号: 11 ページ: 113535-113535
  • DOI: 10.1063/5.0101723
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Application of Dual Frequency Comb Method as an Approach to Improve the Performance of Multi-Frequency Simultaneous Radiation Doppler Radar for High Temperature Plasma Diagnostics (2022)
  • 著者名/発表者名: Tokuzawa Tokihiko、Inagaki Shigeru、Inomoto Michiaki、Ejiri Akira、Nasu Tatsuhiro、Tsujimura Toru Ii、Ida Katsumi
  • 雑誌名: Applied Sciences 巻: 12 号: 9 ページ: 4744-4744
  • DOI: 10.3390/app12094744
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Receiver circuit improvement of dual frequency-comb ka-band Doppler backscattering system in the large helical device (LHD) (2022)
  • 著者名/発表者名: Nasu T.、Tokuzawa T.、Tsujimura T. I.、Ida K.、Yoshinuma M.、Kobayashi T.、Tanaka K.、Emoto M.、Inagaki S.、Ejiri A.、Kohagura J.
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 93 号: 11 ページ: 113518-113518
  • DOI: 10.1063/5.0101588
  • 査読あり
• [雑誌論文] Preceding propagation of turbulence pulses at avalanche events in a magnetically confined plasma (2022)
  • 著者名/発表者名: Kenmochi N.、Ida K.、Tokuzawa T.、Yasuhara R.、Funaba H.、Uehara H.、Den Hartog D. J.、Yamada I.、Yoshinuma M.、Takemura Y.、Igami H.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 6979-6979
  • DOI: 10.1038/s41598-022-10499-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development of the Q-band ECE imaging system in the large helical device (2022)
  • 著者名/発表者名: Goto Y.、Tokuzawa T.、Kuwahara D.、Ichinose K.、Tsuchiya H.、Nishiura M.、Shimizu T.、Kubo S.、Yamada I.
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 17 号: 01 ページ: C01016-C01016
  • DOI: 10.1088/1748-0221/17/01/c01016
  • NAID: 120007191889
  • 査読あり
• [雑誌論文] Correlation Analysis between Density and Magnetic Field Low Frequency Fluctuations in Improved Confinement Mode on LHD (2021)
  • 著者名/発表者名: HU Wenqing、KOBAYASHI Tatsuya、SUZUKI Yasuhiro、YOSHINUMA Mikiro、TOKUZAWA Tokihiko、IDA Katsumi
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 16 号: 0 ページ: 2402031-2402031
  • DOI: 10.1585/pfr.16.2402031
  • NAID: 130008028410
  • ISSN: 1880-6821
  • 年月日: 2021-03-19
• [雑誌論文] W-band millimeter-wave back-scattering system for high wavenumber turbulence measurements in LHD (2021)
  • 著者名/発表者名: Tokuzawa T.、Tanaka K.、Tsujimura T.、Kubo S.、Emoto M.、Inagaki S.、Ida K.、Yoshinuma M.、Watanabe K. Y.、Tsuchiya H.、Ejiri A.、Saito T.、Yamamoto K.、LHD Experiment Group
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 92 号: 4 ページ: 043536-043536
  • DOI: 10.1063/5.0043474
• [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 effect in transient electron thermal transport property and its impact on the electron internal transport barrier formation in LHD (2020)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi T.、Ida K.、Tanaka K.、Yoshinuma M.、Tsujimura T.Ii、Inagaki S.、Tokuzawa T.、Tsuchiya H.、Tamura N.、Igami H.、Yoshimura Y.、Itoh S.-I.、Itoh K.、Experiment Group LHD
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 60 号: 7 ページ: 076015-076015
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ab9005
  • NAID: 120007116690
  • 査読あり
• [雑誌論文] Extended investigations of isotope effects on ECRH plasma in LHD (2019)
  • 著者名/発表者名: Tanaka K、Nakata M、Ohtani Y、Tokuzawa T、Yamada H、Warmer F、Nunami M、Satake S、Tala T、Tsujimura T、Takemura Y、Kinoshita T、Takahashi H、Yokoyama M、Seki R、Igami H、Yoshimura Y、Kubo S、Shimozuma T、Akiyama T、Yamada I、Yasuhara R、Funaba H、Yoshinuma et al
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 62 号: 2 ページ: 024006-024006
  • DOI: 10.1088/1361-6587/ab5bae
  • NAID: 120007126855
  • 査読あり / 国際共著
• [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
• [学会発表] Development plan and status of phase-space diagnostics in high temperature plasma (2022)
  • 著者名/発表者名: Tokihiko Tokuzawa, K. Ida, M. Yoshinuma, T. Kobayashi, M. Nishiura, N. Kenmochi, R. Yanai, T. I. Tsujimura, I. Yamada, and N. Tamura
  • 学会等名: The 31st International Toki Conference on Plasma and Fusion Research
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 3D Metal Powder Additive Manufacturing Phased Array Antenna for Multichannel Doppler Reflectometer (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Tokuzawa, T. Nasu, S. Inagaki, C. Moon, T. Ido, H. Idei, A. Ejiri, R. Imazawa, M. Yoshida, K. Tanaka, and K. Ida
  • 学会等名: High-Temperature Plasma Diagnostics 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Characteristics of 3D metal powder additive manufacturing waveguides and antenna for microwave Doppler reflectometry and trial experiments at PANTA (2022)
  • 著者名/発表者名: Tokihiko Tokuzawa, T. Nasu, S. Inagaki, C. Moon, T. Ido, H. Idei, A. Ejiri, R. Imazawa, M. Yoshida, N. Oyama, K. Tanaka, and K. Ida
  • 学会等名: 15th International Reflectometry Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Edge turbulence excitation experiments in LHD (2022)
  • 著者名/発表者名: Tokihiko Tokuzawa, T. Tsujimura, M. Nishiura, H. Igami, S. Inagaki, T. Nasu, K. Ida, T. Kobayashi, M. Yoshinuma, K. Tanaka, Y. Takemura, I. Yamada, and LHD Experiment Group
  • 学会等名: 18th International Workshop on H-mode Physics and Transport Barriers
  • 国際学会
• [学会発表] Electron scale turbulence responses in deuterium and hydrogen plasmas in LHD (2021)
  • 著者名/発表者名: Tokihiko Tokuzawa, K. Tanaka, T. Tsujimura, S. Kubo, M. Emoto, S. Inagaki, K. Ida, M. Yoshinuma, H. Yamada, K. Y. Watanabe, A. Ejiri, and LHD Experiment Group
  • 学会等名: 47th EPS Conference on Plasma Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Turbulence spreading controlled by edge ECH heat deposition ? (2021)
  • 著者名/発表者名: Tokihiko Tokuzawa, S. Inagaki, K. Ida, T. Tsujimura, K. Tanaka, T. Kobayashi, M. Yoshinuma, M. Nishiura, H. Igami, Y. Goto, Y. Takemura, A. Ejiri, I. Yamada, and LHD Experiment Group
  • 学会等名: Asia-Pacific Transport Working Group Meeting, US-EU Transport Task Force Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Introduction to LHD diagnostics (2021)
  • 著者名/発表者名: Tokihiko Tokuzawa
  • 学会等名: International Conference on DIAGNOSTICS FOR FUSION REACTORS
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Controlled turbulence excitation in LHD plasma edge region (2021)
  • 著者名/発表者名: Tokihiko Tokuzawa, T. Tsujimura, M. Nishiura, H. Igami, S. Inagaki, K. Ida, T. Kobayashi, M. Yoshinuma, K. Tanaka, Y. Goto, Y. Takemura, A. Ejiri, I. Yamada, and LHD Experiment Group
  • 学会等名: 5th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics, Remote e-conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] シンポジウム「高周波技術と核融合」 マイクロ波計測Microwave Diagnostics for fusion plasma (2021)
  • 著者名/発表者名: 徳沢 季彦
  • 学会等名: 第38回 プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] Developments of Millimeter and Sub-Millimeter Wave Backscattering Systems for Fusion Plasma Turbulence Diagnostics (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Tokuzawa, K. Tanaka, K. Y. Watanabe, S. Kubo, A. Ejiri, S. Inagaki, J. Kohagura, K. Yamamoto, T. Saito, H. Idei, R. Imazawa, N. Oyama, and LHD Experiment Group
  • 学会等名: 45th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves IRMMW-THz 2020
  • 国際学会
• [学会発表] W-band millimeter-wave back-scattering system for high wave number turbulence measurements in LHD (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Tokuzawa, K. Tanaka, T. Tsujimura, S. Kubo, M. Emoto, S. Inagaki, K. Ida, M. Yoshinuma, K. Y. Watanabe, H. Tsuchiya, A. Ejiri, T. Saito, K. Yamamoto, and LHD Experiment Group
  • 学会等名: 23rd High-Temperature Plasma Diagnostics 2020
  • 国際学会
• [学会発表] JT-60SAへのマイクロ波ドップラー反射計適用に向けた詳細設計研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 徳沢 季彦, 江尻 晶, 稲垣 滋, 出射 浩, 田中 謙治, 吉田 麻衣子, 今澤 良太, 大山 直幸
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] 乱流抑制配位創成に向けたミリ波帯計測器群の検討 (2020)
  • 著者名/発表者名: 徳沢季彦, 永岡賢一, 仲田資季, 井戸毅, 小林達也, 西本守, 藤原大, 沼波政倫, 田中謙治, 大館暁, 林祐貴、坂本隆一, 村瀬尊則
  • 学会等名: 第37回 プラズマ・核融合学会 年会
• [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] Observation of turbulence response from attached to detached phases 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: 27th ITPA meeting of TG SOL and divertor physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [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