マイクロ波協同トムソン散乱計測の高性能化によるイオン閉じ込めと損失機構の解明

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H04620
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 田中 謙治 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (50260047)
• 研究分担者: 西浦 正樹 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (60360616) ; 武村 勇輝 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (60705606) ; 久保 伸 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (80170025) ; 下妻 隆 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (80270487)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: マイクロ波 / トムソン散乱 / プラズマ / 核融合 / CO2レーザー

研究実績の概要

平成29年度の実験では核融合科学研究所の大型ヘリカル装置(LHD)において154GHzマイクロ波光源を用いた協同トムソン散乱の計測を行うと共に、過去に取得したデータについて高速イオンと乱流揺動の挙動の相関について解析を進めた。これらに関する結果については査読付論文を出版した。平成28年度末に磁場強度1.375Tで154GHzマイクロ波光源を用いた計測を行い、初期的なデータを取得した。平成29年度にはプラズマの閉じ込めが良く、高いイオン温度を達成できる2.75Ｔでの計測を行ったが、有意な信号を取得できなかった。これはマイクロ波光源の周波数が高くなると散乱信号強度が小さくなり、それに対して154GHz付近の電子サイクロトロン放射第2高調波（2nd ECE）の強度が大きく、SNR(信号体雑音比)が小さくなるためである。マイクロ波光源を周期的にON-OFF変調して信号成分の取得を試みたが、OFF時においても2nd ECE強度が大きく、2.75Ｔの実験では有意な信号を取得できなかった。ECEは第4高調波以上は劇的に小さくなるため、磁場を1.375Ｔとして、154GHzが第4高調波付近となる設定にして計測を試みた。その結果、ON-OFF変調のOFF時にはほとんどECEは計測されず十分なSNRで信号を取得することができた。重水素プラズマと軽水素プラズマで比較実験を行ったところ、同程度の温度、密度においてバルクイオンによる散乱スペクトルの拡がりが軽水素のほうが広く、散乱理論の予測と一致した。
154GHzは77GHzに比べて屈折の効果が小さく、ビーム幅も細いため空間分解能良く計測できるので、密度の高い領域では77GHzに対してSNRが十分であれば精度のよい計測が可能である。しかしながら、適用範囲はECEが小さい1.375T以下であるかとが明らかになった。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

77GHz、154GHzで共に計測システムを開発しそれぞれの周波数において計測に成功し、さらには計測適用可能領域を明らかにした。当初77GHzと154GHzの同時計測を計画していたが、信号伝送用の導波管を２系統同時に用いることができないため、目的に応じて77GHzと154GHzの協同トムソン散乱システムを使い分けることにした。
平成29年度よりLHDにおいて重水素実験を開始した。MHD揺動、乱流揺動を計測するCO2レーザーヘテロダイン干渉計、位相コントラストイメージングは、すべての計測システムがLHD実験棟にあるため、検出器の中性子損傷を防ぐためのシールドを設置する必要があり、その結果、検出光学系を大幅に変更する必要があった。平成29年度の実験では光学系の一部が計測に最適化されておらず、そのために、改良用の光学部品（凹面鏡、ミラーなど）を購入し、平成30年度の実験に備えた。
高速イオンと、MHDおよび乱流揺動の相関については平成29年度以前の実験データについて解析した。それによれば、高速イオンが損失するときに過渡的に大きな負電場が形成されて、それにより乱流揺動が過渡的に抑制されることがわかった。高速イオンの損失による電場の変化は乱流の位相速度がExB速度でほぼ決まっていることを利用して位相速度の時間変化より計測した。このときの高速イオンの挙動は残念ながら協同トムソン散乱で計測されておらず、中性粒子エネルギー分析器(NPA)より評価した。ただし、NPAは視線積分計測であること、信号の増減が高速イオンの変化だけでなく、中性粒子の変化にも影響されることからデータの解釈が難しい。平成30年度の実験では協同トムソン散乱により、これら高速イオンの損失を直接計測することを試みる。

今後の研究の推進方策

154GHzは77GHzに対して屈折の効果が小さいため特に高い密度領域での計測に適しているが、現状ではECEのノイズに対しするSNRを考慮すると1.375T以下でしか有意な信号を取得することができない。プラズマの閉じ込め性能は磁場の二乗に反比例するため磁場が高いほうがイオン温度も高く、信号強度の小さい高速イオンの計測も容易になる。また、高速イオンの成分はバルクイオンの成分より一桁以上小さいためSNRの良い計測が必要となる。よって、平成30年度の実験では2.75Tで77GHzを用いた協同トムソン散乱の高速イオンの計測に集中する。強いイオン加熱を行うと共に屈折の効果が小さい比較的低い電子密度での実験を行う。
現在のシステムではバルクイオン、高速イオン共に計測するために初段のアンプのゲインをバルクイオンの信号が飽和しないレベルに設定している。平成30年度の実験ではバルクイオンの成分はバンドリジェクトフィルターで取り除き、初段アンプのゲインを上げ、高速イオンの計測に特化し信号のSNRを向上させる。
乱流計測用のCO2レーザー位相コントラストイメージング、MHD揺動計測用のCO2レーザーヘテロダイン干渉計は光学系の改良により、安定した計測を目指す。
高速イオンの損失とMHD揺動、乱流揺動の相関は2.75Ｔで中性粒子ビームにより強いイオン加熱をしたときに観測されている。また、軽水素、重水素、ヘリウム放電では高速イオン励起の不安定性に差が見られ、イオン種が高速イオン励起不安定性に影響を及ぼしていることを示唆している。77GHz協同トムソン散乱で強イオン加熱時の高速イオンを計測し、その挙動と、CO2レーザー位相コントラストイメージング、CO2レーザーヘテロダイン干渉計で計測する微視的揺動、MHD揺動の相関を実験的に明らかにし、高速イオンの閉じ込め性能の物理機構を明らかにすることを目指す。

研究成果

• [国際共同研究] マックスプランクプラズマ物理研究所グライスバルト(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: マックスプランクプラズマ物理研究所グライスバルト
• [国際共同研究] オーストラリア国立大学(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: オーストラリア国立大学
• [雑誌論文] 154 GHz collective Thomson scattering in LHD (2018)
  • 著者名/発表者名: Tanaka K.、Nishiura M.、Kubo S.、Shimozuma T.、Saito T.、Moseev D.、Abramovic I.
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 13 ページ: C01010～C01010
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1748-0221/13/01/C01010
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Collisionality dependence and ion species effects on heat transport in He and H plasma, and the role of ion scale turbulence in LHD (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Tanaka, K. Nagaoka, S. Murakami, H. Takahashi1, M. Osakabe, M. Yokoyama, R. Seki, C.A. Michael, H. Yamaguchi, C. Suzuki, A. Shimizu, T. Tokuzawa, M. Yoshinuma, T. Akiyama, K. Ida, I. Yamada, R. Yasuhara, H. Funaba, T. Kobayashi, H. Yamada, LHD experimental group
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 ページ: 116005
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa79c6
• [雑誌論文] Role of Helium Hydrogen ratio on energetic interchange mode behaviour and its effect (2017)
  • 著者名/発表者名: C.A. Michael, K. Tanaka, T. Akiyama, T. Ozaki, M. Osakabe, S. Sakakibara, H. Yamaguchi, S. Murakami, M. Yokoyama, M. Shoji, L.N. Vyacheslavov, LHD
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 58 ページ: 046013
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/aaace0
• [雑誌論文] Suppression of Trapped Energetic Ions driven Resistive Interchange Modes with Electron-Cyclotron-Heating in a Helical Plasm (2017)
  • 著者名/発表者名: X. D. Du, K. Toi, S. Ohdachi, K. Y. Watanabe, H. Takahashi, Y. Yoshimura, M. Osakabe, R. Seki, T. Nicolas, H. Tsuchiya, K. Nagaoka, K. Ogawa, K. Tanaka, M. Isobe, M. Yokoyama, M. Yoshinuma, S. Kubo, S. Sakakibara, T. Bando, T. Ido, T. Ozaki, Y. Suzuki, Y. Takemura, and LHD experiment Group
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 118 ページ: 125001
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.125001
• [雑誌論文] Development of 300 GHz Band Gyrotron for Collective Thomson Scattering Diagnostics in the (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Saito, Y. Yamaguchi, Y. Tatematsu, M. Fukunari, T. Hirobe, S. Tanaka, R. Shinbayashi, T.
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research: Rapid Communications 巻: 12 ページ: 1206013-1 -2
  • DOI: 10.1585/pfr.12.1206013
  • 査読あり
• [学会発表] ＬＨＤにおける乱流輸送 (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Tanaka and the LHD experimental group
  • 学会等名: 第23回NEXT（数値トカマク）研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 154 GHz collective Thomson scattering in LHD (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Tanaka, M. Nishiura, S. Kubo, T. Shimozuma, T. Saito, D. Moseev、I. Abramovic
  • 学会等名: 18th International Symposium on Laser-Aided Plasma Diagnostics
  • 国際学会
• [学会発表] Isotope effects on transport and turbulence in LHD (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Tanaka, T. Ii. Tsujimura, S. Kubo, M. Nakata, Y. Ohtani, K. Nagaoka, M. Yokoyama, H. Takahashi, S. Murakami, R. Seki, S. Kamio, T. Tokuzawa, T. Akiyama, I. Yamada, R. Yasuhara, M. Yoshinuma, K. Ida, H. Yamada, M. Goto, A. Ishizawa, M. Nunami, H. Sugama, M. Osakabe, T. Morisaki1 and the LHD Experimental Group
  • 学会等名: 21st International Stellarator-Heliotron Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Characteristics of ion scale turbulence measured by two-dimensional phase contrast imaging in LHD (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Tanaka and the LHD experimental group
  • 学会等名: 3rd UNIST- Kyoto Univ. Workshop on "Physics validation and control of turbulent transport and MHD in fusion plasmas"
  • 国際学会
• [学会発表] Isotope effects on transport and turbulence in LHD (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Tanaka and the LHD Experimental Group
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Transport study in LHD deuterium experiments (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Tanaka and the LHD experimental group
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Study on a direct detection of EBW by sub-Tera-Hz gyrotron scatterin (2017)
  • 著者名/発表者名: Shin Kubo, Hiroshi Idei, Teruo Saito, Yoshinori Tatematsu
  • 学会等名: 26th International Toki Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Improvement of Millimeter-Wave Transmission Efficiency Using Beam Profile Monitors in an ECRH Transmission Lin (2017)
  • 著者名/発表者名: Takashi Shimozuma, Sakuji Kobayashi, Satoshi Ito, Yasuhiko Ito, Kohta Okada, Yasuo Yoshimura, Hiroe Igami, Hiromi Takahashi, Toru Tsujimura, Yoshinori Mizuno, Shin Kubo
  • 学会等名: 26th International Toki Conference
• [学会発表] Heating Characteristics of the 3rd Harmonic ECRH Using 154 GHz Gyrotron Power (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Shimozuma, S. Kubo, Y. Yoshimura, H. Igami, H. Takahashi, T. Tsujimura, R. Makino, R. Sakamoto, M.Osakabe
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Current Status of the LHD ECRH System and Development of Dual-Frequency Gyrotrons (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Shimozuma, S. Kubo, Y. Yoshimura, H. Igami, H. Takahashi, T. Tsujimura, R. Makino, S. Ito, Y. Mizuno, H. Takubo, S.
  • 学会等名: 2017 US-EU-JPN Workshop on RF Heating Technology & 2017 US-JPN Workshop on RF Physics
  • 国際学会
• [備考] 九州大学大学院総合理工学府先端エネルギー理工学専攻田中謙治研究室
  • URL: http://www.aees.kyushu-u.ac.jp/kenji%20tanaka/index.html