研究課題
本研究は、プラズマの閉じ込めや輸送に大きな影響を与える空間構造の変化すなわち勾配や曲率の詳細な時間変動データを取得し、プラズマ性能に及ぼす空間構造の影響を解明することを目的としている。特にプラズマの電子密度および電子温度の空間分布の勾配及び曲率を直接計測するシステムを開発し、大型ヘリカル装置プラズマにおける実験を通して原理実証を行う。本年度は、勾配や曲率に比例した信号を得るための、計測器システムの構築を進め、プラズマ実験への適応を行い、初期データの取得に成功した。電子温度勾配を計測するために、局発波周波数掃引型ヘテロダインラジオメータを構築し適用した。プラズマからのミリ波(D-band)帯電子サイクロトロン放射光は連続スペクトルを持ち、その周波数スペクトル強度が局所電子温度に対応する。この周波数スペクトル構造を局発波の周波数を周期10msで掃引して周波数弁別し計測するシステムを構築し、プラズマ追加熱に対応するスペクトルの変化すなわち構造の変化を観測することができた。また、電子密度勾配に関与する情報を得るため、W-band FM-CWミリ波反射計を構築した。これは、プラズマへの入射電磁波の周波数を短時間に変化させながら、その周波数に対応する密度層からの反射波を観測するもので、燃料水素ペレット入射に伴う高密度化プラズマの生成とその構造変化に伴う初期データを取得した。双方の計測システム共に初期アナログデータを取得できたことから、本研究の目的であるデジタル信号処理を行う際に必要となる時間変動を伴う基準周波数の推定に関する情報を実験的に確認することができたことが本年度の主要な成果である。
2: おおむね順調に進展している
当初計画では初年度まず高速処理ボードを購入し、それから勾配に比例した出力、曲率に比例した出力を得るためのデジタル信号処理部の設計プログラミングを行い、その後プラズマ実験での改良という手順で行うことを予定していたが、プラズマ実験スケジュールおよび執行予算との兼ね合いから、まず計測システムの実験適用による初期データ取得を優先した。順番は逆となったが、研究計画上、遂行すべき試験データが取得できたこと、またこれによりデジタル処理の周波数帯域を確定できたことから、順調に進展していると判断した。
プラズマ実験で得られる観測信号をもとに、勾配・曲率に比例した信号を求めるための実時間高速信号処理を行う。そのために250MHzの周波数帯域をもつ高速ADC/DACプログラマブルボードを適用する。デジタル信号処理システムの設計においては、そのアルゴリズム設計が重要であり、これを二年度目に実施する。初年度に得られた実験データから、このアルゴリズムの確定に寄与する周波数情報などを得た。計画段階における予想通り、信号にはプラズマ以外の外来ノイズや多重反射の影響などが観測されている。これらノイズはデジタルフィルタを実験データを基に設計する。想定信号処理プログラムのためには、テストベンチにおいてプラズマを模擬した開発試験を行い、特に、周波数混合器からの出力信号の周波数特性を詳細に調べ、プログラム改善に生かす。合わせて、周波数掃引速度の最適化、信号レベルの調整などを施し、核融合科学研究所の大型ヘリカル装置に適用して、初期データを取得する。また、既設の計測器との比較、特に電子密度・電子温度分布計測器であるトムソン散乱計測器の空間分布測定データとの比較を行い、本方式の特長を明確化する。またプラズマ実験条件によっては、本計測器の適用可能領域に制限が生じることも予想されるが、この適用限界を明確にするということも、本計測器の仕様を確定する上で重要であり、これを実施する。
当初計画では今年度高速信号処理ボードを購入する予定であったが、実際にプラズマ実験を行い、それに最適なスペックのものを用意した方が研究遂行および予算活用に有意義であると判断し、基礎実験遂行を優先しこれに必要な物品の購入を優先して執行した。そのため年度予算の未使用金が発生した。
繰り越しとなった額と次年度助成金を合わせて、当初より計画していた信号処理の最適化に必要となる物品の購入を行い、計画を遂行する。最適化には初期実験結果の解析から得られたデータを元として実施することができ、確度の高い設計が可能となった。
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