マイクロ波協同トムソン散乱計測の高精度化と高速イオン物理の新展開

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24360385
• 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, 准教授 (50260047)
• 研究分担者: 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) ; 西浦 正樹 東京大学, 新領域創成科学研究科, 准教授 (60360616)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: プラズマ / 核融合 / マイクロ波 / 高速イオン

研究概要

本研究は高出力マイクロ波光源（マイクロ波ジャイラトロン）を用いた協同散乱計測による高速イオンの速度分布関数の計測である。高速イオンの計測を行うシステムの開発のためにマクスウェル分布に緩和し、熱化したバルクイオン成分も計測対象にしている。熱化したイオンの速度分布関数は速度空間等方性を持つが、熱化していない高速イオンの速度分布関数は速度空間的に異方性を持つため、複数の実空間視線で計測することにより精密な計測を目指す。
平成25年度は平成24年度に引き続き、1視線のシステムで実験データを取得するとともに、2視線システムの設計に取り組んだ。計測データは取得したが今後計測精度の向上が課題として残る 。また、計測精度の向上のためにジャイラトロンの発振の最適化およびマイクロ波の伝播の最適化に取り組んだ。
マイクロ波ジャイラトロンの発振不安定により、プローブビーム中に寄生発振が存在することを高速サンプルデータ収集により明らかにした。これらの寄生発振は、スペクトル解析の障害となるとともに、アンプ、検出器の飽和、または破損を起こすことがあり、問題となっていた。これらの寄生発振を抑えるためのマイクロ波ジャイラトロンの運転パラメーター（発振管へのアノード印加電圧、共振器磁場コイル電流など）を最適化した。寄生発振は、マイクロ波ジャイラトロンの出力変調オン、オフ時に現れるため、寄生発振が現れる時間のみに受信システムの入力を閉じるPINスイッチを適用することにより、寄生発振が発生しても、受信機へのノイズ混入を遮断することができた。
マイクロ波のプラズマ中での伝播を屈折の効果も含めて評価するために光線追跡計算を行い、プラズマ中での詳細なマイクロ波の伝播を明らかにした。これにより計測散乱体積の正確な評価が可能になった。

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

計測した協同トムソン散乱信号が空間的に局所信号であることを確認するためのアンテナ駆動装置を開発した。一定条件のプラズマで受信アンテナをスキャンさせ、送信アンテナの視野と受信アンテナの視野が重なる散乱体積をスキャンし、信号の変化を計測した。その結果、散乱体積が最大となるアンテナ位置で信号が最大となり主要な成分は局所散乱体積の信号であることがわかったが、散乱体積がゼロとなるアンテナ位置でも強度は弱いが信号が残ってしまうことがわかった。これらの背景信号は入射ビームが真空容器内で反射し、その反射光による散乱光による可能性が高い。これらの多重散乱の低減は十分でなく対策が必要である。
計測信号については熱化したバルクイオンの温度、熱化していない高速イオンともに取得し、バルク、高速イオンの定性的な変化に対応していることを示した。具体的にはバルクのイオン温度が上昇すると、バルクイオンの熱運動が寄与する+-5GHz以下の成分のスペクトル幅が広がり、高速イオンを入射する中性粒子ビームを入射すると高速イオンの熱運動が寄与する+-5GHz以上の信号成分を検出した。ただし、これら信号からのバルクイオン、高速イオンの定量評価には至っておらず、今後実験条件の最適化、および分光計測との比較により、定量評価する必要がある。これら、今までの計測結果に基づき、2視線目の受信システムの設計の指針を得た。
また、今までに計測解析した結果について論文化し出版した。

今後の研究の推進方策

計測を行う大型ヘリカル装置では平成28年度から始まる重水素実験の準備のため平成27年度は実質的に実験がほとんどできないため、物理データは平成26年度に取得を終了し、平成27年度は取得済みのデータの解析に集中する。
平成26年度に第2視線の154GHzの計測装置を設定する。154GHzのマイクロ波光源はマイクロ波加熱用にすでに整備されているものを用いる。154GHzのマイクロ波を計測に用いることにより今まで用いてきた77GHzと比べてプラズマ中での屈折の効果が大きく、また、ノイズ源となるプラズマからの電子サイクロトロン放射光強度が小さいため、計測精度の向上が期待できる。検出システムは当初予定していた77GHzのシステムでヘテロダイン検波に必要な発振機と、迷光を除去するためのノッチフィルタを交換するだけで対応できる。すでにシステムは設計済みで、主要なマイクロ波コンポーネントは発注済である。第二視線のシステムは高速イオン成分を計測することに特化する。
77GHzの第一視線のシステムは、バルクイオンの計測で計測精度の定量的な評価を行う。バルクについての計測の困難は今まで取得したデータの実験領域では中心イオン温度は2keV程度であり、バルク成分のスペクトルの広がりが小さく主要な成分はノッチフィルタの信号遮断領域であった。平成26年度の実験ではイオン加熱主体の放電でスペクトル幅の広がりが十分な5keV以上のイオン温度でのバルクイオンの計測を行う。
77GHzの第一視線のシステムでも高速イオンが精度よく計測できる場合は77GHzと154GHzの同時二視線計測を行う。77GHzの第一視線システムが迷光、多重散乱、屈折、電子共鳴放射光によるノイズのため計測が困難な場合は、再現性のあるプラズマで第二視線のアンテナの視線をプラズマ放電ごとに変えることにより高速イオンの詳細な速度分布関数の計測を試みる。

次年度の研究費の使用計画

平成26年度に本研究計画の基幹計画である154GHzマイクロ波を用いた第二視線のトムソン散乱計測システムの政策に着手する。システムにおいてヘテロダイン検波のために必要な154GHzのミキサーは納期が6－8ヶ月程度かかる。平成26年度の大型ヘリカル装置の実験は平成26年度11月より開始することが決まっている。平成26年の10月までには第二視線のシステムを完成させる必要があり、実験に間に合わせるために154GHzのミキサーを先行発注することにした。
ベガテクノロジー株式会社に下記の仕様の逓倍器付きミキサーを発注する。
信号取得バンド幅が 154±3GHz, ヘテロダイン検波帯域0-6GHz,ヘテロダイン検波用周波数151GHz、conversion loss 9-11dB程度．Mixerと逓倍器は分離して使用可能なこと．RF入力とLo入力は導波管フランジ．IF出力はSMAコネクタであること．アンリツのシンセサイザー発振機,MG37022Aを逓倍器に入力予定である。シンセサイザー発振機の出力は最大17dBmですが余裕を見て10-15dBmでも動作可能なこととする。

研究成果

• [雑誌論文] Recent Progress of Collective Thomson Scattering Diagnostic for LHD and Design Study for JT-60SA (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Nishiura, S. Kubo, K. Tanaka, R. Seki, S. Ogasawara, T. Shimozuma, K.
  • 雑誌名: Proceedings of The 5th International Workshop on Far-Infrared Technologies 2014(IWFIRT2014) 巻: 1 ページ: 5p-3, 1-7
• [雑誌論文] Spectrum response and analysis of 77-GHz band collective Thomson scattering diagnostic for bulk and (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Nishiura, S. Kubo, K. Tanaka, R. Seki, S. Ogasawara, T. Shimozuma, K.
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 54 ページ: 023006, 1-10
  • DOI: 10.1088/0029-5515/54/2/023006
  • 査読あり
• [雑誌論文] The effects of resonant magnetic perturbation on particle transport in LHD (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Tanaka, M. Jakubowski, A. Dinklage, Y. Suzuki, M.Goto, T. Morisaki, S. Sakakibara, Y. Narushima, T. Akiyama, T. Tokuzawa, K. Kawahata, R. Yasuhara, I. Yamada, S. Masuzaki, M. Yoshinuma, K. Ida, L.N. Vyacheslavov, C.A. Michael, D. Mikkelsen, T. Evans
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 8 ページ: 2402141 -,8
  • DOI: 10.1585/pfr.8.2402141
  • 査読あり
• [雑誌論文] High Harmonic ECH Experiment for Extension of Heating Parameter Regime in LHD (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Shimozuma, H. Takahashi, S. Kubo, Y. Yoshimura, H. Igami, M. Nishiura, S. Ogasawara, R. Makino, H. Idei,
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 8 ページ: 2402073-1 -5
  • DOI: 10.1585/pfr.8.2402073
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optimization of Megawatt 77-GHz Gyrotron operation for Application to Collective Thomson (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Ogasawara, S. Kubo, M. Nishiura, Y. Tatematsu, T. Saito, K. Tanaka, T.
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 8 ページ: 2402069, 1-4
  • DOI: 10.1585/pfr.8.2402069
  • 査読あり
• [雑誌論文] 70 GHz range notch filter for microwave plasma diagnostics (2013)
  • 著者名/発表者名: Masaki NISHIURA, Shin KUBO, Kenji TANAKA, Sakuji KOBAYASHI, Kohta
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 8 ページ: 2402027, 1-4
  • DOI: 10.1585/pfr.8.2402027
  • 査読あり
• [学会発表] Recent Progress of Collective Thomson Scattering Diagnostic for LHD and Design Study for JT-60SA (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Nishiura, S. Kubo, K. Tanaka, R. Seki, S. Ogasawara, T. Shimozuma, K.
  • 学会等名: The 5th International Workshop on Far-Infrared Technologies 2014(IW-FIRT2014)
  • 発表場所: Univ. Fukui, Fukui, Japan
  • 年月日: 20140305-20140307
  • 招待講演
• [学会発表] Diagnostic development and recent results of transport study in LHD (2014)
  • 著者名/発表者名: K.Tanaka
  • 学会等名: KSTAR Conference 2014
  • 発表場所: Gangwon-do, Korea
  • 年月日: 20140224-20140226
  • 招待講演
• [学会発表] Response of turbulence associated with the change of density profiles in LHD heliotron and JT-60U tokamak (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Tanaka , H. Takenaga, K. Muraoka, M. Yoshida, C. Michael, L. N. Vyacheslavov, D.R. Mikkelsen , M. Yokoyama , N. Oyama , H. Urano , Y. Kamada , T. Tokuzawa , T. Akiyama , K. Kawahata , M. Yoshinuma, K. Ida, I. Yamada, K. Narihara
  • 学会等名: 23rd International Toki Conference (ITC-23) on Large-scale Simulation and Fusion Science
  • 発表場所: Ceratopia Toki, Toki-city, Gifu, JAPAN
  • 年月日: 20131118-20131121
• [学会発表] Improvement of 3D multi-ray-tracing Code ”LHDGauss (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Kubo, H. Igami, T. Shimozuma, H. Takahashi, Y. Yoshimura, M. Nishiura, R. Makino, R. Seki, M. Yokoyama, C. Suzuki, Y. Suzuki, K. Ida, S. Ogasawara, and T. Mutoh
  • 学会等名: 23rd International Toki Conference (ITC-23) on Large-scale Simulation and Fusion Science
  • 発表場所: Ceratopia Toki, Toki-city, Gifu, JAPAN
  • 年月日: 20131118-20131121
• [学会発表] Experimental and Ray-Tracing Study of the Third Harmonic Electron Cyclotron Resonance Heating in LHD (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Shimozuma, H. Takahashi, S. Kubo, Y. Yoshimura, H. Igami, M. Nishiuraa, S. Ogasawara, R. Makino, M. Osakabe, K. Nagasaki, N.B. Marushchenko, Y. Turkin and T. Mutoh
  • 学会等名: 23rd International Toki Conference (ITC-23) on Large-scale Simulation and Fusion Science
  • 発表場所: Ceratopia Toki, Toki-city, Gifu, JAPAN
  • 年月日: 20131118-20131121
• [学会発表] Characteristics of microturbuelnce and its impact on particle and momentum transport in LHD (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Tanaka, K. Nagaoka, D.R. Mikkelsen, I. Yamada, R. Yasuhara, M. Yoshinuma, K. Ida, T. Tokuzawa, T. Akiyama, M.Yokoyama, L.N. Vyacheslavov, C.A. Michae
  • 学会等名: 14th International Workshop on H-mode Physics and Transport Barriers
  • 発表場所: Kyushu University, Fukuoka, Japan
  • 年月日: 20131002-20131004
• [学会発表] Characteristics of transport and turbulence with resonant magnetic perturbation in LHD (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Tanaka, M Jakubowski, A. Dinklage, M. Kobayashi, Y. Narushima, Y. Suzuk
  • 学会等名: 14th International Workshop on H-mode Physics and Transport Barriers
  • 発表場所: Kyushu University, Fukuoka, Japan
  • 年月日: 20131002-20131004
• [学会発表] Upgrade of Mega-Watt ECRH System and Its Contribution to Performance Improvement of LHD Plasmas (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Shimozum, H. Takahashi, S. Kubo, Y. Yoshimura, H. Igami, M. Nishiura, S. Ogasawara, R. Makino, S. Ito, Y. Mizuno, K. Okada, S. Kobayashi, T. Mutoh, R. Minami, T. Kariya and T. Imai
  • 学会等名: US-EU-JPN RF Heating Technology Workshop "Workshop on RF Heating Technology of Fusion Plasmas 2013"
  • 発表場所: Speyer, Germany
  • 年月日: 20130909-20130911
• [学会発表] Installation of a 154 GHz Mega-Watt Gyrotron and Its Contribution to the Extension of Plasma Parameter Regime in LHD (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Shimozumaa, H. Takahashia, S. Itoa, S. Kuboa, Y. Yoshimuraa, H. Igamia, M. Nishiuraa, S. Ogasawarab, R. Makinob, Y. Mizunoa, K. Okadaa, S. Kobayashia, T. Mutoha, R. Minamic, T. Kariyac and T. Imai
  • 学会等名: The 38th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves IRMMW-THz 2013
  • 発表場所: Mainz, Germany
  • 年月日: 20130901-20130906
• [学会発表] Progress on collective Thomson scattering diagnostic in the Large Helical Device (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Nishiura, S. Kubo, K. Tanaka, R. Seki, S. Ogasawara, T. Shimozuma, K.
  • 学会等名: 40th European Physical Society Conference on Plasma Physics
  • 発表場所: Espoo, Finland
  • 年月日: 20130701-20130705