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

2020 年度 実績報告書

• 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: ECH / 電子速度分布 / プラズマ分光 / 偏光 / 衝突輻射モデル / 輻射輸送

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。
最終年度である本年度は、宇宙、核融合、産業応用等の幅広いプラズマへ本手法を適用できるようにするために、ヘリウム原子以外の元素に対して偏光が観測できるかを実験的に調べた。高いS/Nでの発光強度計測が可能な水素原子バルマーα線を対象とし、ECR放電装置で圧力5-270 mPaの範囲で生成した水素プラズマに対して、ECR面に接する1視線を用いて偏光度と偏光方向を計測した。その結果、全ての圧力条件で直線偏光が観測され、偏光方向はECR面における磁場方向と垂直に近い方向であった。偏光度は、圧力50 mPa以上では約1%であり、圧力50 mPa以下では圧力の減少とともに増加し、最大で約1.5%であった。ECR面付近で生じた電子速度分布の非等方性により偏光が生じている可能性が考えられる。

研究成果

• [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
  • 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: Ishihara Hiroki、Kuzmin Arseniy、Kobayashi Masahiro、Shikama Taiichi、Sawada Keiji、Saito Seiki、Nakamura Hiroaki、Fujii Keisuke、Hasuo Masahiro
  • 雑誌名: Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 巻: 267 ページ: 107592～107592
  • DOI: 10.1016/j.jqsrt.2021.107592
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spectroscopic Measurement of Hydrogen Atom Density in a Plasma Produced with 28 GHz ECH in QUEST (2020)
  • 著者名/発表者名: Mori S.、Shikama T.、Hanada K.、Yoneda N.、Kuzmin A.、Hasuo M.、Idei H.、Onchi T.、Ejiri A.、Osawa Y.、Peng Y.、Matsuzaki K.、Kado S.、Sawada K.、Ido T.、Nakamura K.、Ikezoe R.、Nagashima Y.、Hasegawa M.、Kuroda K.、Higashijima A.、Nagata T.、Shimabukuro S.
  • 雑誌名: Atoms 巻: 8 ページ: 44～44
  • DOI: 10.3390/atoms8030044
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A tesla-order magnetic field effect on all-optical thermometry using photoluminescence spectrum of diamond NV- center (2020)
  • 著者名/発表者名: Shikama Taiichi、Watanabe Takato、Jouda Mazin、Hasuo Masahiro
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 60 ページ: 012001～012001
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abcadb
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] ヘリオトロンJにおける近赤外原子輝線のゼーマン効果計測 (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、岡田浩之、松岡雷士、小林進二、大島慎介、石澤明宏、中村祐司、木島滋、水内亨、長崎百伸、蓮尾昌裕
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会
• [学会発表] QUESTにおける水素分子d3Π準位回転温度を利用したタングステン表面温度計測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 米田奈生、四竈泰一、F. Scotti、花田和明、井口拓己、出射浩、恩地拓己、江尻晶、井戸毅、河野香、彭翊、大澤佑規、弥富豪、木谷彰宏、工藤倫大、平賀涼輔、武田康佑、R. E. Bell、A. Maan、R. Majeski、小野雅之、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、島袋瞬、新谷一朗、関谷泉
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会
• [学会発表] カスプ磁場中ECR放電を利用した強電離プラズマ源の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 四竈 泰一、蓮尾 昌裕
  • 学会等名: 第37回 プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] LTX-βにおけるリチウム壁表面温度推定のための水素分子回転温度計測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 米田奈生、F. Scotti、R. E. Bell、四竈泰一、P. E. Hughes、A. Maan、V. A. Soukhanovskii、D. P. Boyle、R. P. Majeski、花田和明、小野雅之、蓮尾昌裕
  • 学会等名: 2020年度 日本物理学会秋季大会
• [学会発表] 核融合プラズマ中原子輝線スペクトルのゼーマン効果高感度計測に向けた近赤外分光システム開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 上野陽平、四竈泰一、茶谷智樹、門信一郎、川染勇人、岡田浩之、松岡雷士、南貴司、小林進二、大島慎介、石澤明宏、中村祐司、木島滋、水内亨、長崎百伸、蓮尾昌裕
  • 学会等名: 第37回 プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] 核融合プラズマ中原子輝線スペクトルのゼーマン効果高感度計測に向けた近赤外分光システム開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 上野陽平、四竈泰一、茶谷智樹、門信一郎、川染勇人、岡田浩之、松岡雷士、南貴司、小林進二、大島慎介、石澤明宏、中村祐司、木島滋、水内亨、長崎百伸、蓮尾昌裕
  • 学会等名: 2020年度 日本分光学会年次講演会
• [学会発表] Toroidal Flow Measurements of Impurity Ions in QUEST ECH Plasmas using Multiple Viewing Chords Emission Spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoneda N., Shikama T., Hanada K., Mori S., Onchi T., Kuroda K., Hasuo M., Idei H., Nakamura K., Nagashima Y., Ikezoe R., Hasegawa M., Higashijima A., Nagata T., Shimabukuro S.
  • 学会等名: 24th PSI
  • 国際学会
• [学会発表] Measurement of Hydrogen Molecular Rotational Temperatures in LTX-beta for the Thermometry of Plasma-Facing Lithium Surfaces (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoneda N., Scotti F., Bell R., Shikama T., Hughes P., Maan A., Soukhanovskii V., Boyle D., Majeski R., Hanada K., Ono M., Hasuo M.
  • 学会等名: 62nd APS DPP
  • 国際学会
• [学会発表] Spatially resolved measurement of atomic emission line spectra using NIR Zeeman spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Shikama T., Ueno Y., Chatani T., Kado S., Kawazome H., Okada H., Matsuoka L., Minami T., Kobayashi S., Oshima S., Ishizawa A., Nakamura Y., Konoshima S., Mizuuchi T., Nagasaki K., Hasuo M.
  • 学会等名: The 11th International Symposium to Advanced Energy Science
  • 国際学会
• [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/