加熱機構解明のためのサブテラヘルツ波散乱による電子バーンシュタイン波動の直接検出

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H03514
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 久保 伸 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (80170025)
• 研究分担者: 立松 芳典 福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 教授 (50261756) ; 出射 浩 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (70260049) ; 斉藤 輝雄 福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 特命教授 (80143163)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 電子バーンシュタイン波 / サブテラヘルツ波 / 散乱計測 / グレーティングミラー / スーパーヘテロダイン受信器

研究実績の概要

九州大学Quest装置における 8.5GHz クライストロンを用いた電子バーンシュタイン加熱の加熱機構解明のために、福井大学サブテラヘルツジャイロトロンの出力を用いた散乱計測を行うことを前提に検討を開始した。この結果、次の方針
(1)散乱源としてのサブテラヘルツジャイロトロンは福井大学で開発された395GHzパルスジャイロトロンが当面の目的においては最適であること。　(2)このサブテラヘルツジャイロトロンの出力をガウスビームに変換して、Quest装置に準光学的ビーム伝送を行う。　(3)Quest装置内に設置する可動ミラーシステムにより、入射ビームの角度を可変として、広い範囲での散乱位置、散乱波数による散乱計測を可能とする。(4)水平面内内側に大きな波数成分を持つと考えられる電子バーンシュタイン波による散乱を計測するために、Questの主半径方向外側から入射したビームを中心ポスト上に配置したグレーティングミラーによって集光反射させ入射ビームとする。(5)散乱波も中心ポスト上に配置したグレーティングミラーによって集光反射させて受信可動ミラーに導く 。(6)受信可動ミラーから凖光学伝送した散乱波を入射波の一部と共に受信器に導入する。(7)散乱波と入射波の一部及び加熱波の一部をスーパーヘテロダイン方式によって混合し 超高感度受信器を構成することで励起された電子バーンシュタイン波動の強度と位相測定を可能にする。を決定した。
(1),(2)に関しては、発振の確認とモード変換器の検討を行い、導波管直結型簡易モード変換器を設計した。(3)(4)(5)に関しては、中心ポストに設置するグレーティングミラーの設計と入射・受信可動ミラーの設計を行った。(6)(7)に関してはスーパーヘテロダイン方式高感度受信器の必要部品をを購入した。

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

Quest装置における8.5GHzで励起される電子バーンシュタイン波の波数領域が10^6から10^5 m^-1となること、また、可能な計測配位を検討した結果、散乱源としてのサブテラヘルツジャイロトロンは3年前に福井大学で開発された395GHzパルスジャイロトロンが当面の目的においては最適であることから、しばらく運転が行われていなかったこのジャイロトロンの動作確認を2017年度に福井大学において行った。この結果、正常に動作していることが確認されたが、詳細な動作確認は2018年度にジャイロトロンの出力と周波数を再確認した(概要の(1))。これと同時にこのサブテラヘルツジャイロトロンの出力をガウスビームに変換して、Quest装置に準光学的ビーム伝送を行うためのコードの整備を行い、ジャイロトロンの出力確認結果を用いてモード変換器及び伝送ミラーの設計をおこなった(概要の(2),(6),(7))。　Quest装置内で水平面内内側に大きな波数成分を持つと考えられる電子バーンシュタイン波による散乱を計測するために、Questの主半径方向外側から入射したビームを中心ポスト上に配置したグレーティングミラーによって集光反射させ入射ビームとし、散乱波も中心ポスト上に配置したグレーティングミラーによって集光反射させて受信可動ミラーに導く 方針決定(概要(3),(4),(5))に沿って、2017年度にグレーティングミラーの設計手法を確立し、2018年度にQUEST装置に設置できるよう具体設計を行った。散乱波と入射波の一部及び加熱波の一部をスーパーヘテロダイン方式によって混合し 超高感度受信器を構成する(概要の(7))ことにしたことにより、必要な部品である高感度サブハーモニックミキサーを2017年度に、これに用いる局部発信器としてインテグレートアンプマルチプライアチェーンを2018年度に購入した。

今後の研究の推進方策

概要(1),(2)に関しては、福井大学において発振領域の確認、モード変換器の製作と性能確認を行い、2019年度9月ごろに福井大学から九州大学にサブテラヘルツジャイロトロン一式(電源を含む)移設する。これと並行して、準光学ミラーの製作と設置を行い、Questの入射、受信ポートまでの準光学伝送系も設置する。
今後(6)(7)の受信システムに関しては不足コンポーネントの補充を行い、受信器としての感度の較正を行って、電子バーンシュタイン波動の検出可能レベルの評価を行う。(3)(4)(5)に関しては、2018年度中にグレーティングミラーと入射・受信ミラーの設計・製作を終え、2019年秋のQuest大気解放中に内部のミラーシステムを設置し、これに続くQuestのマシンタイム中に最初の電子バーンシュタイン波計測をトライし、必要ならば、受信システムの見直しを行い、様々なプラズマパラメータにおける電子バーンシュタイン波動の検出を行って、加熱・電流駆動の最適化に役立てる。

研究成果

• [雑誌論文] Effect of Electron Cyclotron Current Drive on the Ion Temperature in the Plasma Core Region of the Large Helical Device (2018)
  • 著者名/発表者名: YOSHIMURA Yasuo、EJIRI Akira、SEKI Ryosuke、SAKAMOTO Ryuichi、NAGAOKA Kenichi、SHIMOZUMA Takashi、IGAMI Hiroe、TAKAHASHI Hiromi、TSUJIMURA Toru I.、WARMER Felix、YANAGIHARA Kota、GOTO Yuki、IDA Katsumi、YOSHINUMA Mikiro、KOBAYASHI Tatsuya、KUBO Shin、OSAKABE Masaki、MORISAKI Tomohiro、the LHD Experiment Group
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 13 ページ: 1402124～1402124
  • DOI: https://doi.org/10.1585/pfr.13.1402124
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Realization of high T i plasmas and confinement characteristics of ITB plasmas in the LHD deuterium experiments (2018)
  • 著者名/発表者名: Takahashi H.,Nagaoka K., Mukai K., Yokoyama M., Murakami S., et al.
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 58 ページ: 106028～106028
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/aad87e
  • 査読あり
• [雑誌論文] Heat flux reconstruction and effective diffusion estimation from perturbative experiments using advanced filtering and confidence analysis (2018)
  • 著者名/発表者名: van Berkel M.、Kobayashi T.、Vandersteen G.、Zwart H.J.、Igami H.、Kubo S.、Tamura N.、Tsuchiya H.、de Baar M.R.、The LHD Experiment Group
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 58 ページ: 096036～096036
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/aad13e
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of the Grating Mirror for the High Power Transmission System and Its General Theory (2018)
  • 著者名/発表者名: GOTO Yuki、KUBO Shin、TSUJIMURA Toru Ii
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 13 ページ: 3405089～3405089
  • DOI: https://doi.org/10.1585/pfr.13.3405089
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Real-time control of electron cyclotron wave polarization in the LHD (2018)
  • 著者名/発表者名: Ii Tsujimura T.、Mizuno Y.、Tokuzawa T.、Ito Y.、Kubo S.、Shimozuma T.、Yoshimura Y.、Igami H.、Takahashi H.、Ejiri A.
  • 雑誌名: Fusion Engineering and Design 巻: 131 ページ: 130～134
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2018.04.062
  • 査読あり
• [雑誌論文] Analysis Technique of Millimeter-Wave Propagating Modes in an Oversized Corrugated Waveguide Using Developed Beam Profile Monitors (2018)
  • 著者名/発表者名: SHIMOZUMA Takashi、KOBAYASHI Sakuji、ITO Satoshi、OKADA Kohta、ITO Yasuhiko、YOSHIMURA Yasuo、IGAMI Hiroe、TAKAHASHI Hiromi、TSUJIMURA Toru、MIZUNO Yoshinori、KUBO Shin
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 13 ページ: 3405036～3405036
  • DOI: https://doi.org/10.1585/pfr.13.3405036
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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
• [学会発表] Study of sub-Tera-Hz gyrotron scattering for a direct detection of EBW in QUEST (2018)
  • 著者名/発表者名: Shin Kubo, Hiroshi Idei, Teruo Saito, and Yoshinori Tatematsu
  • 学会等名: 20th Joint Workshop on Electron Cyclotron Emission and Electron Cyclotron Resonance Heating (EC-20)
  • 国際学会
• [学会発表] Research of the Electron Cyclotron Emission with Vortex Property from Multi Electrons (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. GOTO S. KUBO, and T. II.TSUJIMURA
  • 学会等名: 20th Joint Workshop on Electron Cyclotron Emission and Electron Cyclotron Resonance Heating (EC-20)
  • 国際学会
• [学会発表] Extension of a ray tracing for polarized diffracting wave beams description in inhomogeneous magnetized plasmas (2018)
  • 著者名/発表者名: Kota Yanagihara, Shin Kubo, Toru Ii Tsujimura and Hiroaki Nakamura
  • 学会等名: 20th Joint Workshop on Electron Cyclotron Emission and Electron Cyclotron Resonance Heating (EC-20)
  • 国際学会
• [学会発表] Recent progress of the applications of ECRH/ECCD and the supportive technologies in the LHD (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Igami, S. Kubo, T. Shimozuma, Y. Yoshimura, H. Takahashi, T. I. Tsujimura, S. Kobayashi, Y. Mizuno H. Takubo, K. Tanaka, M. Yokoyama, R. Seki, I. Yamada, R. Yasuhara, H. Tsuchiya, K. Ida, M. Yoshinuma, T. Kobayashi, S. Ohdachi, M. Osakabe, T. Morisaki and LHD experiment group
  • 学会等名: 20th Joint Workshop on Electron Cyclotron Emission and Electron Cyclotron Resonance Heating (EC-20)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electron Bernstein Wave Detection By Sub-Tera-Hz Scattering In The QUEST (2018)
  • 著者名/発表者名: Shin Kubo, Hiroshi Idei, Yoshinori Taematsu, Teruo Saito, Moe Iizawa
  • 学会等名: 43rd International Conference on InfraRed -MilliMeterWave and Telahertz Waves (IRMMW-THz 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Developments Of Equipment For Sub-THz Collective Thomson Scattering In LHD (2018)
  • 著者名/発表者名: Teruo Saito, Shunsuke Tanaka, Ryuji Shinbayashi, Takumi Hirobe, Yuusuke Yamaguchi, Masafumi Fukunari, Yoshinori Tatematsu, Kunizo Ohkubo, Shin Kubo, Takashi Shimozuma, Kenji Tanaka, Masaki Nishiura
  • 学会等名: 43rd International Conference on InfraRed -MilliMeterWave and Telahertz Waves (IRMMW-THz 2018)
  • 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: Tokihiko Tokuzawa, Kazuki Oguri, Shin Kubo, Kenji Tanaka, Hiroshi Yamada, Kiyomasa Watanabe, Akira Ejiri, Shigeru Inagaki, Teruo Saito, Junko Kohagura
  • 学会等名: 43rd International Conference on InfraRed -MilliMeterWave and Telahertz Waves (IRMMW-THz 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Electron Bernstein wave detection by far-infrared wave scattering in QUEST (2018)
  • 著者名/発表者名: Shin KUBO, Hiroshi IDEI, Teruo SAITO, Yoshinori TATEMATSU
  • 学会等名: 27th International Toki Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Mode purity of electron cyclotron waves after their passage through the peripheral plasma in the Large Helical Device (2018)
  • 著者名/発表者名: Kota YANAGIHARA, Shin KUBO, Toru I. TSUJIMURA, and Ilya Y. DODIN
  • 学会等名: 27th International Toki Conference
  • 国際学会