複数EC高調波による加熱電流駆動で生成される高エネルギー電子の制動放射計測

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 21K03510
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 恩地 拓己 九州大学, 応用力学研究所, 助教 (00727216)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 球状トカマク / 電流駆動 / 電子サイクロトロン加熱 / 制動放射X線

研究実績の概要

磁場の勾配が強い球状トカマクでは，プラズマ加熱高周波の周波数を選択することで，プラズマ中心部に高調波共鳴層が複数存在する状態を作り出せる．九州大学の球状トカマク実験装置QUESTにおける電子サイクロトロン加熱では，高エネルギー電子の影響で第二－四高調波共鳴がプラズマの広域で起きる．高エネルギー電子が生成されると，相対論的ドップラーシフトが起きて高周波の共鳴条件が変化し，電流駆動方向に運動する電子が逆方向に運動する電子よりも加熱されて正味の電流が流れる．
球状トカマクの電子サイクロトロン加熱電流立ち上げ実験において，その電流駆動機構を明らかにするためには高エネルギー電子のダイナミクスを理解することが鍵になる．そこで高エネルギー電子に起因する制動放射X線の空間分布観測を行っている．本研究では広い視野を持つX線ピンホールカメラを開発している．検出器は80 x 80のCdTe（カドミウム・テルル）アレイ素子を有するHEXITECを利用した．この検出器は5 kHzのフレームレートで200 keV以下のX線スペクトルを取得出来る． ピンホール部はX線遮蔽効果に優れたタングステン合金（ヘビーアロイ）製とし，HEXITEC検出器の正面に設置した．視野角は68°となる．またHEXITEC側面のX線遮蔽部は鉛製とした．
開発したピンホールカメラをQUEST装置に設置し，プラズマ電流50 kAを超える球状トカマクの観測に適用した．実験ではプラズマが生成される約2秒間にわたって硬X線の二次元分布を測定し，トカマクプラズマ観測としての初期データを得た．

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

タングステン合金（ヘビーアロイ）及び鉛を使ったピンホール付きX線遮蔽ボックスの設計・製作が順調に進み，球状トカマク実験装置に設置可能になった．遮蔽ボックスは中のスペースを十分取ることで様々な検出器が設置可能である．
研究計画策定時はHEXITECを使った実験は二年目以降の予定であったが，前倒しで実施できた．ピンホールカメラはトカマク装置のセンターポストを中心として両側を見込む視野を持つため，順／逆電流駆動方向に運動する電子からの制動放射X線を同時観測可能である．二次元分布の対称性が破れていることが予想されていたが，実験でもその傾向があることが観測された．更にリミターなどプラズマに接する金属体が強いX線源となっていることがわかった．二年目以降の実験では，これらの知見を元にして新しいX線検出器の開発や実験における観測を行うことができる．

今後の研究の推進方策

HEXITECを使った観測データはX線放射スペクトルの二次元分布を時間的に蓄積したもので，そのデータ解析を進める．プラズマ電流立ち上がり時やトカマク形成後などプラズマの状態によるX線の変化を調べる．また磁気計測などの他の実験データとの比較も行う．
二年目以降は，計画時にHEXITECよりも先に導入する予定であったシンチレータを使ったピンホールカメラを開発する．ピンホールカメラ内に設置するシンチレータプレートを選定し，トカマク実験に適用してX線観測を行う．このときシンチレータの発光を高速カメラで撮影し，X線の二次元分布を高速・高解像度で観測する予定である．

研究成果

• [雑誌論文] Overview of coordinated spherical tokamak research in Japan (2022)
  • 著者名/発表者名: Takase Y.、Ejiri A.、Fujita T.、Hanada K.、Idei H.、Nagata M.、Onchi T.、Ono Y.、Tanaka H.、Tsujii N.、Uchida M.、Yasuda K.、Kasahara H.、Murakami S.、Takeiri Y.、Todo Y.、Tsuji-Iio S.、Kamada Y.
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 62 ページ: 042011～042011
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ac29cf
  • 査読あり
• [雑誌論文] Initial Results from High-Field-Side Transient CHI Start-Up on QUEST (2021)
  • 著者名/発表者名: KURODA K.、RAMAN R.、HASEGAWA M.、ONCHI T.、NELSON B. A.、ROGERS J.、MITARAI O.、HANADA K.、ONO M.、JARBOE T.、NAGATA M.、IDEI H.、IDO T.、IKEZOE R.、KAWASAKI S.、NAGATA T.、HIGASHIJIMA A.、SHIMABUKURO S.、NIIYA I.、KOJIMA S.、KIDANI A.、MURAKAMI T.、NAKAMURA K.、TAKASE Y.、MURAKAMI S.
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 16 ページ: 2402048～2402048
  • DOI: 10.1585/pfr.16.2402048
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Overview of recent progress on steady state operation of all-metal plasma facing wall device QUEST (2021)
  • 著者名/発表者名: Hanada K.、Yoshida N.、Hasegawa M.、Oya M.、Oya Y.、Takagi I.、Hatayama A.、Shikama T.、Idei H.、Nagashima Y.、Ikezoe R.、Onchi T.、Kuroda K.、Kawasaki S.、Higashijima A.、Nagata T.、Shimabukuro S.、Nakamura K.、Murakami S.、Takase Y.、Gao X.、Liu H.、Qian J.
  • 雑誌名: Nuclear Materials and Energy 巻: 27 ページ: 101013～101013
  • DOI: 10.1016/j.nme.2021.101013
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Observation of second harmonic electron cyclotron resonance heating and current-drive transition during non-inductive plasma start-up experiment in QUEST (2021)
  • 著者名/発表者名: Kojima S.、Hanada K.、Idei H.、Onchi T.、Ikezoe R.、Nagashima Y.、Hasegawa M.、Kuroda K.、Nakamura K.、Higashijima A.、Nagata T.、Kawasaki S.、Shimabukuro S.、Elserafy H.、Fukuyama M.、Ejiri A.、Shikama T.、Yoneda N.、Yoneda R.、Kariya T.、Takase Y.、Murakami S.、Bertelli N.、Ono M.
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 63 ページ: 105002～105002
  • DOI: 10.1088/1361-6587/ac1838
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] MHD Equilibrium Reconstruction Using the Visible Light Tomographic Method with Laplacian Eigenfunction (2021)
  • 著者名/発表者名: SUZUKI Kosuke、MURAKAMI Sadayoshi、OHDACHI Satoshi、IDEI Hiroshi、KURODA Kengoh、IKEZOE Ryuya、ONCHI Takumi
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 16 ページ: 2402090～2402090
  • DOI: 10.1585/pfr.16.2402090
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Quaternion Analysis of a Direct Matrix Converter Based on Space-Vector Modulation (2021)
  • 著者名/発表者名: NAKAMURA Kazuo、ZHANG Yifan、ONCHI Takumi、IDEI Hiroshi、HASEGAWA Makoto、TOKUNAGA Kazutoshi、HANADA Kazuaki、MITARAI Osamu、KAWASAKI Shoji、HIGASHIJIMA Aki、NAGATA Takahiro、SHIMABUKURO Shun
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 16 ページ: 2405037～2405037
  • DOI: 10.1585/pfr.16.2405037
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Designing an upgrade of ohmic heating system for the QUEST spherical tokamak (2021)
  • 著者名/発表者名: Zhang Yifan、Onchi Takumi、Nakamura Kazuo、Kidani Akihiro、Yue Qilin、Kuroda Kengoh、Hasegawa Makoto、Ikezoe Ryuya、Idei Hiroshi
  • 雑誌名: Fusion Engineering and Design 巻: 168 ページ: 112362～112362
  • DOI: 10.1016/j.fusengdes.2021.112362
  • 査読あり
• [学会発表] Plasma Current Ramp-Up with 28 Ghz Second Harmonic Electron Cyclotron Wave in the Quest Spherical Tokamak (2021)
  • 著者名/発表者名: ONCHI, Takumi
  • 学会等名: 28th IAEA Fusion Energy Conference (FEC2020)
  • 国際学会
• [学会発表] 球状トカマクQUESTにおける電子サイクロトロン加熱/電流駆動へのトロイダル電 場の影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: 恩地拓己, 出射浩, 福山雅治, 渡邉理, 武田康佑, Y. Zhang, 池添竜也, 長谷川真, 黒田賢剛, 井戸毅, 花田和明, 中村一男, 江尻晶, Y. Peng, 假家強, 福山淳
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] 球状トカマクQUESTにおけるEC高調波加熱／電流駆動へのトロイダル電場の 影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: 恩地拓己 , 出射浩 , 福山雅治 , 渡邉理 , 武田康佑 , Y. Zhang , Y. Wang , 池添竜也 , 長谷川真 , 黒田賢剛 , 井戸毅 , 花田和明 , 中村一男 , 江尻晶 , Y. Peng , 假家強 , 福山淳
  • 学会等名: 第38回 プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] 球状トカマクの高エネルギー電子空間分布観測を目指した二次元硬 X 線計測 シ ステムの設計 (2021)
  • 著者名/発表者名: 王洋 , 恩地拓己 , 花田和明 , 岳其霖 , 池添竜也 , 出射浩
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 九州・沖縄・山口支部 第25回 支部大会
• [備考] 九州大学ー研究者情報
  • URL: https://hyoka.ofc.kyushu-u.ac.jp/search/details/K005161/index.html
• [備考] 国立大学法人 九州大学応用力学研究所 高温プラズマ理工学研究センター
  • URL: http://www.triam.kyushu-u.ac.jp/QUEST_HP/index.html