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2015 年度 実施状況報告書

勾配および曲率を直読する計測器の開発と空間構造の時間発展の研究

研究課題

研究課題/領域番号 26630474
研究機関核融合科学研究所

研究代表者

徳沢 季彦  核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (90311208)

研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2017-03-31
キーワードプラズマ計測 / ミリ波 / 勾配 / 曲率 / 時空間構造
研究実績の概要

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、前年度のプラズマ実験において得られた初期データに対する解析手法の開発をまず行った。すなわち、勾配や曲率に比例した信号を得るために、新しく開発を行った2つの計測器システム(電子温度勾配を計測するための局発波周波数掃引型ヘテロダインラジオメータ、および電子密度勾配に関与する情報を得るためのW-band FM-CWミリ波反射計)のデータはいずれも時間的にデータの周波数成分が変動する。その変動する周波数を実時間で数量化することによって、時間変動に伴う空間構造の変化を可視化するのが本研究の目的であるので、そのデジタル回路設計のための基礎データを取得することを試みた。結果としては、まだ信号/雑音比が十分ではないことが明らかになったため、より明瞭な信号を得るための受信光学系を新たに設計・製作しその特性を調べた。それによりこれまでよりも約3倍の信号強度が得られるという予測が得られた。また、高速アナログーデジタル変換器の全体システムを設計・製作した。現在これのデジタル回路出力用のプログラムを製作中である。
これらシステム全体は次年度の大型ヘリカル装置でのプラズマ計測実験に適用する。双方のミリ波計測器の信号からデジタル信号処理を施した時間変動を伴う基準周波数変動量出力、すなわち時空間構造に関する情報を実験的に確認するためのハードウエア準備が整えられたことが本年度の主要な成果である。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

当初計画では、本年度もプラズマ実験を大型ヘリカル装置で行い、初期データからさらに多くの実験データを取得する予定であったが、装置トラブルによって、実験がキャンセルされてしまったため。一方、この時間を用いて計測システムの性能向上を進めることができたため、次期実験で最終目標に向かって挽回できると考えられ、大幅ではなくわずかな遅れであると判断している。

今後の研究の推進方策

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FPGA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、現在これを行っている。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は十分ではないが得られており、予想されたプラズマからの信号成分以外の外来ノイズや多重反射の影響などを除去するデジタルフィルタを作成し、プラズマ実験前にノイズソースを用いて試験する。
テストベンチにおけるプラズマを模擬した開発試験では、周波数掃引速度の最適化や、信号レベルの遠隔調整手法の開発などを施す。その後、核融合科学研究所の大型ヘリカル装置に適用し、実証試験を実施する。プラズマ実験においては、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。

次年度使用額が生じた理由

大型ヘリカル装置におけるプラズマ実験を予定していたが、装置トラブルのため次年度に延期した。そのため電気回路部品などの消耗品の購入を差し控えたため。

次年度使用額の使用計画

大型ヘリカル装置におけるプラズマ実験での本研究の原理実証を行うために、信号レベルや変調周波数の最適化などを施す。その現場適用に際し、必要となる物品を購入し、計画を遂行する。

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2016 2015

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 3件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Developments of frequency comb microwave reflectometer for the interchange mode observations in LHD plasma2016

    • 著者名/発表者名
      R. Soga, T. Tokuzawa, K.Y. Watanabe, K. Tanaka, I. Yamada, S. Inagaki and N. Kasuya
    • 雑誌名

      Journal of Instrumentation

      巻: 11 ページ: C02009-1-7

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1088/1748-0221/11/02/C02009

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Observation of electron temperature turbulence with a correlation electron cyclotron emission radiometer on LHD2016

    • 著者名/発表者名
      Y. Kogi, T. Higashi, N. Tamura, H. Tsuchiya, D. Kuwahara, Y. Nagayama, A. Mase, K. Takehara and T. Tokuzawa
    • 雑誌名

      Journal of Instrumentation

      巻: 11 ページ: C01072-1-8

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1088/1748-0221/11/01/C01072

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] 磁場閉じ込めプラズマの周辺部ポロイダル速度の時空間構造変化の観測2016

    • 著者名/発表者名
      徳沢季彦,曽我良太,竹原啓太,稲垣滋,小波蔵純子,吉川正志,居田克巳, 渡邊清政,武村勇輝,土屋隼人,LHD実験グループ
    • 学会等名
      日本物理学会 第71回年次大会
    • 発表場所
      東北学院大学 泉キャンパス
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] 高空間分解ECE計測のためのLHD真空容器内に設置する金属レンズアンテナの開発2016

    • 著者名/発表者名
      竹原啓太 , 徳沢季彦, 渡邉清政, LHD実験グループ
    • 学会等名
      日本物理学会 第71回年次大会
    • 発表場所
      東北学院大学 泉キャンパス
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] Turbulence in edge and core transport barriers, new experimental results and modeling2015

    • 著者名/発表者名
      T.Tokuzawa
    • 学会等名
      15th International Workshop on H-mode Physics and Transport Barriers
    • 発表場所
      Garching, Germany
    • 年月日
      2015-10-19 – 2015-10-21
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Application study for magnetically confined fusion plasma diagnostics using pulsed terahertz waves2015

    • 著者名/発表者名
      T. Tokuzawa, Y. Kadoya, M. Tani, K. Yamamoto,M. Hangyo, H. Kitahara, J. Kohagura, M. Yoshikawa, H. Idei, M. Nishiura, K. Tanaka, I. Yamada, and K. Kawahata
    • 学会等名
      17th International Symposium on Laser-Aided Plasma Diagnostics
    • 発表場所
      Sapporo, Japan
    • 年月日
      2015-09-27 – 2015-10-01
    • 国際学会
  • [学会発表] Upgraded Frequency Comb Reflectometer System Utilizing Both Ka-band and U-band Microwave in LHD2015

    • 著者名/発表者名
      T. Tokuzawa, R. Soga, S. Inagaki, K. Y. Watanabe, K. Tanaka, I. Yamada, N. Kasuya, K. Ida, K. Itoh, A. Ejiri, K. Kawahata, and LHD Experiment Group
    • 学会等名
      12th International Reflectometry Workshop
    • 発表場所
      Jülich, Germany
    • 年月日
      2015-05-18 – 2015-05-20
    • 国際学会

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公開日: 2017-01-06  

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