イオン温度・電子温度・ビーム成分の空間分布構造同時計測用半導体検出器開発と実用化

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12558048
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 長 照二 筑波大学, 物理学系, 教授 (80171958)
• 研究分担者: 中嶋 洋輔 筑波大学, プラズマ研究センター・物理学系, 助教授 (00188939) ; 近藤 真史(平田 真史) 筑波大学, プラズマ研究センター・物理学系, 講師 (70222247) ; 小波蔵 純子 筑波大学, プラズマ研究センター・物理学系, 講師 (60302345) ; 前澤 秀樹 高エネルギー加速器研究機構, 放射光実験施設, 教授 (40150015) ; 吉川 正志 筑波大学, 物理学系, 講師 (00272138)
• キーワード: イオン温度計測 / 電子温度計測 / イオン・電子温度同時計測 / 半導体計測器 / 荷電交換中性粒子計測 / X線計測 / プラズマX線 / プラズマ計測

研究概要

以下、平成12年度、並びに13年度の研究実績と成果について述べる。
平成12年度には先ず、「イオン温度・電子温度・イオンビーム・電子ビーム成分の空間分布構造同時計測・撮像用新型半導体検出器の開発と実用化」の為の新開発半導体検出素子の設計・製作を行った。即ち(1)我々の提唱した「半導体新感度理論」を用いた新開発半導体素子の設計・特性計算を行った。斯界で未だ先例の無い、小型半導体素子に拠る「イオン温度・イオンビーム空間分布構造計測・撮像用」荷電交換中性粒子(CX)新計測法実用化の為、米国応用物理学会誌等に発表した、新アイデアの原理実証実験実績・確立した新シミュレーション手法に拠り、新型半導体素子を設計した。
一方で、イオンと同時に「電子温度・電子ビーム空間分布構造同時計測・撮像」の為、新型半導体素子のX線計測感度への最適化を行うべく、新計測素子のCXとX線の感度差異の計算を、「新感度理論」を用いて行い、本新型小型半導体素子の設計を行った。(2)以上の新開発半導体素子の設計・特性計算に基づき、従来は計測できなかった低粒子エネルギー域にも著しく高感度を持つ新方式の新開発半導体検出素子を、我々の特許技術により作成する事に先立つ、最終デザイン決定の為の、最適素子の試作・開発試験を行った。次に、作成した新開発半導体検出素子の感度特性試験を行った。即ち、(3)荷電交換中性粒子・イオンに対する、イオンビームを用いた特性確認試験を行った。これは、荷電交換粒子エネルギー分析器較正用に設計・製作した、筑波大既設のイオン・ビーム・ラインで新開発半導体検出素子の感度試験を行った。(4)X線に対する、シンクロトロン放射光を用いた特性確認試験を、高エネルギー加速器研究機構の放射光施設で実施した。
平成13年度には、(5)以上のようにして開発し特性を設計通りに確立した「新型半導体検出器」を用いて、新しいプラズマのイオン温度・電子温度の計測を筑波大学プラズマ研究センターにて実施し、新提唱計測法の実証を行い、従来から用いられてきた標準的荷電交換中性粒子計測器・並びにX線計測器によるプラズマのイオン温度・電子温度の計測値を比較し、両者が合致する事を世界に先駆けて証明し、この新しい「イオン温度・電子温度」の同時計測法の開発に成功した。
これらの成果は、(6)欧州及び米国の学術誌に公表し、その成果を世界に広く示した。

研究成果

• [文献書誌] T. Cho, et al.: "Generalized physics scaling laws of the formation and effects of plasma-confining potentials covering over the representative tandem-mirror operations in GAMMA 10"Physical Review Letters. Vol.86,No.19. 4310-4313 (2001)
• [文献書誌] T. Cho, et al.: "Generalization and consolidation of scaling laws of potential formation and associated effects in the GAMMA 10 tandem mirror"Nuclear Fusion. Vol.41,No.9. 1161-1170 (2001)
• [文献書誌] T. Cho, et al.: "Summarized Scaling Laws of Potential Confined Plasmas in the GAMMA 10 Tandem Mirror"Transactions of Fusion Technology. Vol.39. 33-40 (2001)
• [文献書誌] M. Hirata, et al.: "Development of Novel Ion-Energy Spectrometer Using a Semiconductor Detector Collector Under a Circumstance of Simultaneously Incident Ions and Electrons with X rays"Transactions of Fusion Technology. Vol.39. 281-284 (2001)
• [文献書誌] J. Kohagura, et al.: "Characterization of X-Ray-Energy Responses of Semiconductor Detectors After Fusion Produced Neutron Exposure"Transactions of Fusion Technology. Vol.39. 159-162 (2001)
• [文献書誌] T. Cho, et al.: "A Novel Method for Simultaneous Observations of Plasma Ion and Electron Temperatures Using A Semiconductor Detector Array"Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. (In Press). (2002)