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2018 年度 実施状況報告書

偏光変調法を用いたプラズマ偏光分光の高精度化と電子速度分布計測の実証

研究課題

研究課題/領域番号 18K03576
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) 2018-04-01 – 2021-03-31
キーワードプラズマ分光 / プラズマ計測 / 偏光 / ECH / ヘリウム原子 / 衝突輻射モデル / 変調分光
研究実績の概要

等方なマクスウェル分布からずれた非等方な電子の速度分布が関連するプラズマ現象が,近年,宇宙プラズマから産業応用プラズマまで数多く報告されている.これらの報告は,3次元の電子速度分布を基礎パラメータとして把握することが,プラズマ科学を発展させる鍵となることを示している.
電子速度分布の計測法は,従来,静電プローブ,アクチノメトリー,トムソン散乱,ホイッスラー波の吸収,制動X線や電子サイクロトロン放射等が開発されてきた.しかし,これらの方法では,速度分布の非等方性の情報まで得ることは容易ではなく,また,接触計測の必要性やプラズマへの擾乱,レーザーや波動の入射・出射ポートの確保,計測可能なエネルギーや密度の制限,といった課題がある.そこで本研究では,原子から放射される発光線の偏光を利用し,宇宙から実験室までの幅広いパラメータのプラズマに適用可能な手法を開発することを目的とする.
初年度のH30年度は,可視から紫外域の原子発光線の偏光を高精度で計測するための計測器開発を行った.光弾性変調器を用いた100 kHz程度の時間変調方式(ロックイン検波)を採用し,実験機器とプラズマに由来するノイズを低減することによって,1%以下の偏光度を検出できることを確認した.さらに,開発した計測器を用いて小型ヘリウムECRプラズマ中の原子発光線を計測し,ECR面付近に磁場に垂直な直線偏光が存在すること,偏光度がガス圧力とともに単調減少すること,電子衝突偏光の感受性が異なる2本の発光線について偏光度の大小関係が理論予測と整合すること,を明らかにした.これらの事実から,電子速度分布の非等方性に由来する原子発光線の偏光を検出できたと考えられる.

現在までの達成度 (区分)
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

研究計画に沿って,①高精度なプラズマ偏光分光技術の確立(計測器開発),および,②電子速度分布計測の実証の一部を実施した.②では,ヘリウムECRプラズマ中で原子21P-31D(波長668 nm)および23P-33D(波長588 nm)の2本の発光線の偏光度を空間分解計測し,「研究実績の概要」内に記載した事項を明らかにした.

今後の研究の推進方策

本年度の実験結果から,研究に使用しているヘリウムECRプラズマ中の原子発光線の偏光度は,視線積分値で最大3-4%程度であることが分かった.視線対面には反射低減のためのビューイングダンプを設置しているが,わずかな反射光によって1%弱の機器偏光が生じている可能性が考えられる.機器偏光の影響を低減した系統誤差が小さい実験結果を得るために,偏光度ができるだけ大きくなる放電条件を探すことを計画している.具体的には,制御可能な放電条件のうち,ガス圧力と放電電力については確認済みのため,磁場配位の最適化により偏光度を向上できないか検討する.
放電条件を最適化した後に,当初の研究計画に沿って複数のヘリウム原子発光線の偏光度を計測し,ヘリウム原子の磁気副準位まで分離した衝突輻射モデル計算を行って3次元の電子速度分布形状を推定する.また,ヘリウム原子以外のイオン・原子・分子発光線についても偏光計測を行い,本手法を適用可能な原子種と発光線を探索する.

次年度使用額が生じた理由

金額に端数が生じたため.少額のため翌年度の使用計画への影響は無い.

  • 研究成果

    (20件)

すべて 2018 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 7件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 5件、 招待講演 3件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] PIIM/Aix-Marseille University(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      PIIM/Aix-Marseille University
  • [雑誌論文] Helium atom line-intensity ratios as an integrated diagnostic tool for low-pressure and low-density plasmas2018

    • 著者名/発表者名
      Ueda Akira、Shikama Taiichi、Teramoto Tatsuya、Higashi Takanori、Iida Yohei、Hasuo Masahiro
    • 雑誌名

      Physics of Plasmas

      巻: 25 ページ: 054508~054508

    • DOI

      10.1063/1.5027167

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Detection of anisotropy in the electron velocity distribution produced by electron cyclotron resonance heating using the polarization of helium atom emission lines2018

    • 著者名/発表者名
      Teramoto Tatsuya、Shikama Taiichi、Ueda Akira、Hasuo Masahiro
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 112 ページ: 214101~214101

    • DOI

      10.1063/1.5031051

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Near-infrared Zeeman spectroscopy for the spatially resolved measurement of helium emission spectra in Heliotron J2018

    • 著者名/発表者名
      Shikama Taiichi、Kado Shinichiro、Okada Hiroyuki、Yamamoto Satoshi、Matsuoka Leo、Mizuuchi Toru、Minami Takashi、Kobayashi Shinji、Nagasaki Kazunobu、Oshima Shinsuke、Nakamura Yuji、Ishizawa Akihiro、Konoshima Shigeru、Hasuo Masahiro
    • 雑誌名

      Plasma Physics and Controlled Fusion

      巻: 61 ページ: 025001~025001

    • DOI

      10.1088/1361-6587/aaebdf

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Characteristics of an under-expanded supersonic flow in arcjet plasmas2018

    • 著者名/発表者名
      Namba Shinichi、Shikama Taiichi、Sasano Wataru、Tamura Naoki、Endo Takuma
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 57 ページ: 066101~066101

    • DOI

      10.7567/JJAP.57.066101

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Spectroscopic Measurements of Impurity Ion Toroidal and Poloidal Flow Velocities and Their Dependence on Vertical Magnetic Field in QUEST Toroidal ECR Plasmas2018

    • 著者名/発表者名
      YONEDA Nao、SHIKAMA Taiichi、ZUSHI Hideki、HANADA Kazuaki、FUJIKAWA Akinobu、ONCHI Takumi、KURODA Kengoh、NII Kuniaki、HASUO Masahiro、HASEGAWA Makoto、IDEI Hiroshi、NAKAMURA Kazuo、NAGASHIMA Yoshihiko、HIGASHIJIMA Aki、NAGATA Takahiro
    • 雑誌名

      Plasma and Fusion Research

      巻: 13 ページ: 3402087~3402087

    • DOI

      10.1585/pfr.13.3402087

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Spatially Resolved Measurements of Metastable Atom Density and Electric Field Strength in a Microhollow Cathode Helium Plasma by Laser Absorption Spectroscopy2018

    • 著者名/発表者名
      UENO Keisuke、KAMEBUCHI Kenta、KAKUTANI Jiro、MATSUOKA Leo、NAMBA Shinichi、FUJII Keisuke、SHIKAMA Taiichi、HASUO Masahiro
    • 雑誌名

      Plasma and Fusion Research

      巻: 13 ページ: 3406070~3406070

    • DOI

      10.1585/pfr.13.3406070

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Measurements of the Impurity Flow Velocity and Temperature in Deuterium and Hydrogen Plasmas in the Divertor Legs of the Stochastic Layer in LHD2018

    • 著者名/発表者名
      KUZMIN Arseniy、KOBAYASHI Masahiro、NAKANO Tomohide、HASUO Masahiro、FUJII Keisuke、GOTO Motoshi、SHIKAMA Taiichi、MORISAKI Tomohiro、the LHD Experiment Group
    • 雑誌名

      Plasma and Fusion Research

      巻: 13 ページ: 3402058~3402058

    • DOI

      10.1585/pfr.13.3402058

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] ヘリウム原子発光線の偏光を利用したECRプラズマ中の電子速度分布異方性検出2018

    • 著者名/発表者名
      四竈 泰一,寺本 達哉,上田 明,長崎 意尚,蓮尾 昌裕
    • 学会等名
      日本物理学会 2018秋季大会
  • [学会発表] 発光線強度比法を用いたカスプ磁場配位ヘリウムECRプラズマの電離度空間分布計測2018

    • 著者名/発表者名
      上田 明,四竈 泰一,寺本 達哉,東 孝紀,飯田 洋平,蓮尾 昌裕
    • 学会等名
      第79回 応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Detection of anisotropy in the electron velocity distribution produced by electron cyclotron resonance heating using the polarization of helium atom emission lines2018

    • 著者名/発表者名
      Taiichi Shikama, Tatsuya Teramoto, Akira Ueda, and Masahiro Hasuo
    • 学会等名
      71st Annual Gaseous Electronics Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Spectroscopic measurement of plasma parameters in a helium ECR discharge produced under a simple cusp field2018

    • 著者名/発表者名
      Akira Ueda, Taiichi Shikama, Tatsuya Teramoto, Takanori Higashi, Yohei Iida, and Masahiro Hasuo
    • 学会等名
      71st Annual Gaseous Electronics Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] 近赤外原子発光線の高波長分解分光によるリサイクリング束局所計測2018

    • 著者名/発表者名
      四竈 泰一,門 信一郎,岡田 浩之,山本 聡,松岡 雷士,水内 亨,南 貴司,小林 進二,長崎 百伸,大島 慎介,中村 祐司,石澤 明宏,木島 滋,蓮尾 昌裕
    • 学会等名
      第12回核融合エネルギー連合講演会
  • [学会発表] 近赤外原子発光線のゼーマン効果を利用した 境界プラズマの原子放射率分布計測2018

    • 著者名/発表者名
      四竈 泰一
    • 学会等名
      核融合科学研究所「原子分子過程研究と受動・能動分光計測の高度化のシナジー効果によるプラズマ科学の展開」,「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] QUESTにおける不純物イオントロイダル回転の発光分光計測2018

    • 著者名/発表者名
      四竈 泰一
    • 学会等名
      RIAMフォーラム2018
    • 招待講演
  • [学会発表] Measurement of the ion species dependence of the intrinsic edge rotation in spherical tokamak QUEST2018

    • 著者名/発表者名
      T. Shikama, K. Hanada, K. Nii, A. Fujikawa, H. Zushi, T. Onchi, M. Hasegawa, N. Yoneda, S. Mori, M. Hasuo, H. Idei, K. Nakamura, Y. Nagashima, K. Kuroda, A. Higashijima, and T. Nagata
    • 学会等名
      23rd Plasma Surface Interaction in Conotrolled Fusion Devices
    • 国際学会
  • [学会発表] Near-infrared Zeeman Spectroscopy for the Spatially Resolved Measurement of Helium Emission Spectra2018

    • 著者名/発表者名
      Taiichi Shikama
    • 学会等名
      9th international symposium of advanced energy science, topical Seminar on Beam Emisson and Advanced Spectrometries for Fusion Plasmas
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Zeeman Spectroscopy for the Tomographic Measurement of Magnetically Confined Plasmas2018

    • 著者名/発表者名
      Taiichi Shikama
    • 学会等名
      9th international symposium of advanced energy science
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] QUEST ECHプラズマにおける不純物イオントロイダル流れの磁場配位依存性2018

    • 著者名/発表者名
      米田 奈生,四竈 泰一,花田 和明,藤川 祥亘,森 暁,出射 浩,恩地 拓巳,新居 邦亮,図子 秀樹,蓮尾 昌裕,中村 一男,永島 芳彦,池添 竜也,長谷川 真,黒田 賢剛,東島 亜紀,永田 貴大
    • 学会等名
      第35回 プラズマ・核融合学会 年会
  • [備考] 京都大学 光工学研究室

    • URL

      http://oel.me.kyoto-u.ac.jp/

URL: 

公開日: 2019-12-27  

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