シュタルク・ゼーマン効果の高感度計測を利用した磁場閉じ込めプラズマ診断法の開発

• 研究課題/領域番号: 21H01054
• 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14010:プラズマ科学関連
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 四竈 泰一 京都大学, 工学研究科, 准教授 (80456152)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 18,070千円 (直接経費: 13,900千円、間接経費: 4,170千円); 2023年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2022年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2021年度: 14,040千円 (直接経費: 10,800千円、間接経費: 3,240千円)
• キーワード: 近赤外分光 / 周辺プラズマ / 逆変換 / マイクロ波 / ECH / シュタルク効果 / ゼーマン効果 / 分光

研究開始時の研究の概要

磁場閉じ込め核融合炉の開発では、今後、ITERやDEMOをはじめとする強磁場・大電力加熱の実験が中心となり、電磁場を利用したプラズマ診断の重要性が高まると考えられる。電磁場を利用した診断は、分光ではシュタルク・ゼーマン効果による輝線の波長分裂を用いて行われるが、標準的な可視分光の場合、これらの分裂は線幅に隠されてしまい精密計測が難しい。そこで本研究では、シュタルク・ゼーマン効果と線幅の波長依存性の違いに着目し（前者は2乗、後者は1乗以下に比例）、近赤外分光を使ってシュタルク・ゼーマン効果を高感度で計測する。この結果得られる精密な電磁場情報を利用することで、2種類の革新的プラズマ診断を実現する。

研究成果の概要

近赤外の水素・ヘリウム原子輝線スペクトルを用いてシュタルク・ゼーマン効果を高感度計測することで，2種類のプラズマ診断法：課題1：ゼーマン効果の高感度計測による原子輝線スペクトル空間分解法，課題2：ACシュタルク効果の高感度計測によるマイクロ波電場ベクトル診断法，を実現するための研究を行った．高波長分解・高スループットの近赤外分光システムを構築し，課題1では，ヘリウム原子輝線を対象として実験を行い，1視線の受動分光のみによる空間分解法を実現した．課題2では，重水素原子輝線を対象として実験を行い，ACシュタルク効果の可能性があるスペクトル形状変化を観測した．

研究成果の学術的意義や社会的意義

課題1では，可視輝線を用いて行われた先行研究と比較して空間分解能が向上し，磁場が弱い装置でも計測を行うことが可能となった．今後，計測対象を水素原子や不純物原子・イオン（希ガス，酸素，タングステン等）の輝線に広げることができれば，原型炉や商用炉への実装につながることが期待される．課題2では，大電力マイクロ波を用いたドレスト原子生成はこれまでほとんど研究例がなく，新たな試みである．今後，検出を確定できれば，新たなドレスト原子応用分野を開拓できる可能性がある．

研究成果

• [雑誌論文] Evaluation of the Electron Temperature of the Ablation Cloud for the Small-Size Hydrogen Pellet Using Paschen Series in Heliotron J (2024)
  • 著者名/発表者名: IWATA Akihiro、KADO Shinichiro、MOTOJIMA Gen、SHIKAMA Taiichi、MURAKUMO Minato、MORI Atsuki、OKADA Hiroyuki、MINAMI Takashi、OHSHIMA Shinsuke、INAGAKI Shigeru、KIN Fumiyoshi、KOBAYASHI Shinji、ISHIZAWA Akihiro、NAKAMURA Yuji、KONOSHIMA Shigeru、MIZUUCHI Tohru、NAGASAKI Kazunobu
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 19 号: 0 ページ: 1402017-1402017
  • DOI: 10.1585/pfr.19.1402017
  • ISSN: 1880-6821
  • 年月日: 2024-03-25
  • 査読あり
• [雑誌論文] Comparison of electron temperature and density measured by helium line intensity ratio and Thomson scattering methods in ECH spherical tokamak plasma (2024)
  • 著者名/発表者名: Komiyama Takumi、Shikama Taiichi、Hanada Kazuaki、Ido Takeshi、Onchi Takumi、Kono Kaori、Ejiri Akira、Hasegawa Makoto、Inoue Satoshi、Hasuo Masahiro、Idei Hiroshi、Yue Qilin、Kuroda Kengo、Higashijima Aki、Prapan Pakkapawn
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 66 号: 4 ページ: 045018-045018
  • DOI: 10.1088/1361-6587/ad2c2a
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spectroscopic measurement of increases in hydrogen molecular rotational temperature with plasma-facing surface temperature and due to collisional-radiative processes in tokamaks (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoneda N.、Shikama T.、Scotti F.、et al.
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 63 号: 9 ページ: 096004-096004
  • DOI: 10.1088/1741-4326/acd4d1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Atomic and ionic hydrogen flux probe for quantitative in-situ monitoring of hydrogen recycling (2023)
  • 著者名/発表者名: Kuzmin A.、Miura K.、Kobayashi M.、Hanada K.、Fujii K.、Shikama T.、Hasuo M.、Zushi H.
  • 雑誌名: Fusion Engineering and Design 巻: 189 ページ: 113462-113462
  • DOI: 10.1016/j.fusengdes.2023.113462
  • 査読あり
• [雑誌論文] Near-infrared Stokes spectropolarimetry of fusion-related toroidal plasmas (2022)
  • 著者名/発表者名: Shikama Taiichi
  • 雑誌名: Reviews of Modern Plasma Physics 巻: 6 号: 1 ページ: 39-39
  • DOI: 10.1007/s41614-022-00098-w
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spatially resolved measurement of helium atom emission line spectrum in scrape-off layer of Heliotron J by near-infrared Stokes spectropolarimetry (2022)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Chatani, Taiichi Shikama, Yohei Ueno, Shinichiro Kado, Hayato Kawazome, Takashi Minami, Ryota Matoike, Minato Murakumo, Shinji Kobayashi, Shinsuke Ohshima, Akihiro Iwata, Tetsutaro Oishi, Akihiro Ishizawa, Yuji Nakamura, Hiroyuki Okada, Shigeru Konoshima, Tohru Mizuuchi, Kazunobu Nagasaki, Masahiro Hasuo
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 15567-15567
  • DOI: 10.1038/s41598-022-19747-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Measurement of <b>Pa</b>_<i>α</i> line from pellet ablation cloud in Heliotron J (2022)
  • 著者名/発表者名: Iwata A.、Kado S.、Murakumo M.、Shikama T.、Motojima G.、Mori A.、Feng C.、Okada H.、Minami T.、Ohshima S.、Kobayashi S.、Ishizawa A.、Nakamura Y.、Konoshima S.、Mizuuchi T.、Nagasaki K.
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 93 号: 11 ページ: 113537-113537
  • DOI: 10.1063/5.0101885
  • 査読あり
• [雑誌論文] All-optical thermometry using a single multimode fiber endoscope and diamond nanoparticles containing nitrogen vacancy centers (2022)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa Lisa、Shikama Taiichi、Kakuno Takayuki、Watanabe Takato、Jouda Mazin、Hasuo Masahiro
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 93 号: 8 ページ: 083705-083705
  • DOI: 10.1063/5.0102531
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 表面分析と分光計測によって明らかになった 水素原子分子の炉内分布と輸送 (2022)
  • 著者名/発表者名: 花田和明，四竈泰一，藤井恵介，KUZMIN Arseniy，米田奈生，蓮尾昌裕，後藤基志，小林政弘
  • 雑誌名: プラズマ・核融合学会誌 巻: 98 ページ: 20-32
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Toroidal flow measurements of impurity ions in QUEST ECH plasmas using multiple viewing chords emission spectroscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoneda N.、Shikama T.、Hanada K.、Mori S.、Onchi T.、Kuroda K.、Hasuo M.、Ejiri A.、Matsuzaki K.、Osawa Y.、Peng Y.、Kawamata Y.、Sakamoto S.、Idei H.、Ido T.、Nakamura K.、Nagashima Y.、Ikezoe R.、Hasegawa M.、Higashijima A.、Nagata T.、Shimabukuro S.
  • 雑誌名: Nuclear Materials and Energy 巻: 26 ページ: 100905-100905
  • DOI: 10.1016/j.nme.2021.100905
  • NAID: 130007648858
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Investigation of radial distribution of atomic hydrogen flux to the plasma facing components in steady state discharges in QUEST tokamak (2021)
  • 著者名/発表者名: Kuzmin A.、Kobayashi M.、Hanada K.、Idei H.、Onchi T.、Mori S.、Yoneda N.、Shikama T.、Hasuo M.、Ido T.、Nagashima Y.、Ikezoe R.、Hasegawa M.、Kuroda K.、Kono K.、Matsuo S.、Nagata T.、Shimabukuro S.、Higashijima A.、Niiya I.、Zushi H.
  • 雑誌名: Nuclear Materials and Energy 巻: 26 ページ: 100872-100872
  • DOI: 10.1016/j.nme.2020.100872
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ro-vibrational population distribution in the ground state of hydrogen isotopologues in LHD peripheral plasmas deduced from emission spectroscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Ishihara , Arseniy Kuzmin, Masahiro Kobayashi, Taiichi Shikama, Keiji Sawada , Seiki Saito , Hiroaki Nakamura, Keisuke Fujii , Masahiro Hasuo, the LHD Experiment Group
  • 雑誌名: Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 巻: 267 ページ: 107592-107592
  • DOI: 10.1016/j.jqsrt.2021.107592
  • NAID: 120007184719
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Overview of recent progress on steady state operation of all-metal plasma facing wall device QUEST (2021)
  • 著者名/発表者名: Hanada K.、Yoshida N.、Hasegawa M.、Oya M.、Oya Y.、Takagi I.、Hatayama A.、Shikama T.、Idei H.、Nagashima Y.、Ikezoe R.、Onchi T.、Kuroda K.、Kawasaki S.、Higashijima A.、Nagata T.、Shimabukuro S.、Nakamura K.、Murakami S.、Takase Y.、Gao X.、Liu H.、Qian J.
  • 雑誌名: Nuclear Materials and Energy 巻: 27 ページ: 101013-101013
  • DOI: 10.1016/j.nme.2021.101013
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] JT-60SAの視線積分近赤外D原子輝線スペクトルにおける主プラズマ制動放射の影響計算 (2024)
  • 著者名/発表者名: 守田常裕，四竈泰一，仲野友英，他
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] ヘリオトロンJプラズマ中のヘリウム原子近赤外輝線の直線・円偏光分光 (2023)
  • 著者名/発表者名: 守田常裕，四竈泰一，村雲南斗，他
  • 学会等名: 日本物理学会 第78回年次大会
• [学会発表] プラズマ発光計測用高速・高波長分解空間ヘテロダイン分光器のスループット最適化 (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Xu，四竃泰一，村雲南斗，他
  • 学会等名: 日本物理学会 第78回年次大会
• [学会発表] QUEST ECH放電の温度・密度分布計測におけるヘリウム線強度比法とトムソン散乱法の比較 (2023)
  • 著者名/発表者名: 四竈泰一，小宮山拓海，花田和明，他
  • 学会等名: 日本物理学会 第78回年次大会
• [学会発表] 核融合プラズマ中水素ペレットプラズモイドのパッシェンα線偏光分光 (2023)
  • 著者名/発表者名: 村雲南斗，四竈泰一，門信一郎，他
  • 学会等名: 2023年度 日本分光学会年次講演会
• [学会発表] JT-60SAダイバータの近赤外輝線スペクトル視線積分計算によるプラズマ診断の検討 (2023)
  • 著者名/発表者名: 守田常裕，四竈泰一，仲野友英，他
  • 学会等名: 第40回 プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] 高時間・波長分解プラズマ分光に向けた空間ヘテロダイン分光器の性能評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Xu，四竃泰一，村雲南斗，他
  • 学会等名: 第40回 プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] 磁場閉じ込めプラズマの近赤外分光 (2023)
  • 著者名/発表者名: 四竈泰一
  • 学会等名: NIFS 研究会「プラズマの分光診断と原子分子素過程の研究フロンティア」
  • 招待講演
• [学会発表] へリオトロンJ 中水素ペレット溶発プラズマのパッシェンα線ゼーマン効果計測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 村雲南斗, 四竈泰一, 門信一郎, 大島慎介, 鈴木琢土, 茶谷智樹, et al.
  • 学会等名: 日本物理学会 2023年春季大会
• [学会発表] 磁場閉じ込めプラズマからの近赤外輝線に対する空間ヘテロダイン分光法の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Xu, 四竃泰一, 村雲南斗, 門信一郎, 蓮尾昌裕
  • 学会等名: 日本物理学会 2023年春季大会
• [学会発表] Spectroscopic measurement of a compact helium ECR discharge produced in a simple cusp field (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Shikama, T. Komiyama, M. Oki and M. Hasuo
  • 学会等名: 75th APS GEC Sendai, Japan 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Development of a polarization-resolved spatial heterodyne spectrometer for high wavelength resolution and high throughput measurement of near-infrared atomic emission lines in magnetically confined toroidal plasmas (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Xu, T. Shikama, M. Murakumo, S. Kado and M. Hasuo
  • 学会等名: 75th APS GEC Sendai, Japan 2022
  • 国際学会
• [学会発表] へリオトロンJ 中水素ペレット溶発プラズマのパッシェンα線ゼーマン効果計測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 村雲南斗, 四竈泰一, 茶谷智樹, 門信一郎, 大島慎介, 鈴木琢土, et al.
  • 学会等名: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [学会発表] 小型カスプ磁場配位ECR放電装置におけるヘリウムプラズマの多視線分光計測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小宮山拓海, 四竈泰一, 大木幹也, 蓮尾昌裕
  • 学会等名: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [学会発表] QUESTの電子温度・密度分布計測におけるHe I線強度比法とトムソン散乱法の比較 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小宮山拓海, 四竈泰一, 花田和明, 井戸毅, 恩地拓己, 河野香, et al.
  • 学会等名: 核融合科学研究所 「原子分子過程研究の最先端と先進的プラズマ分光計測」「原子分子データ応用フォーラムセミナー」合同研究会
• [学会発表] Near-infrared Stokes spectropolarimetry as a novel local measurement method of atomic line emission in SOL and divertor plasmas (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Shikama, S. Kado, Y. Ueno, T. Chatani, H. Kawazome, T. Minami, et al.
  • 学会等名: AAPPS-DPP2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of a near-infrared Stokes spectropolarimetry system for the spatially resolved measurements of atomic emissivity and velocity distribution in the scrape-off-layer of Heliotron J (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Shikama, S. Kado, Y. Ueno, T. Chatani, H. Kawazome, T. Minami, et al.
  • 学会等名: ITC30
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ヘリウム原子輝線のゼーマン効果高感度計測を利用した分光と輸送計算の局所比較 (2021)
  • 著者名/発表者名: 茶谷智樹, 四竈泰一, 上野陽平, 門信一郎, 川染勇人, 南貴司, et al.
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋期大会 2021
• [学会発表] プラズマ対向壁近傍の水素分子d3Π準位回転温度に影響を与える素過程の検討 (2021)
  • 著者名/発表者名: 米田奈生, 四竈泰一, F. Scotti, 花田和明, R. E. Bell, A. Maan, et al.
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋期大会 2021
• [学会発表] QUESTにおけるネオントロイダルECRプラズマの多視線可視分光計測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 井口拓己, 四竈泰一, 小宮山拓海, 福本正勝, 花田和明, 恩地拓己, et al.
  • 学会等名: 第38回 プラズマ・核融合学会 年会 2021
• [備考] 京都大学プレスリリース「水素分子の回転温度を予測し、プラズマ再結合を効果的に起こす」
  • URL: https://www.t.kyoto-u.ac.jp/ja/research/topics/20230728
• [備考] EurekAlert! "Fusion model hot off the wall"
  • URL: https://www.eurekalert.org/news-releases/996755
• [備考] 京都大学 光工学研究室
  • URL: http://oel.me.kyoto-u.ac.jp/
• [備考] 京都大学プレスリリース
  • URL: https://www.t.kyoto-u.ac.jp/ja/research/topics/k6l1jw
• [備考] 京都大学大学院工学研究科機械理工学専攻 光工学研究室
  • URL: http://oel.me.kyoto-u.ac.jp/