2022 Fiscal Year Research-status Report
消えゆくプラズマの空間構造と電子エネルギー分布の歪みとの関わり
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22K18699
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
高橋 宏幸 東北大学, 工学研究科, 講師 (30768982)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2024-03-31
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| Keywords | 非接触ダイバータ / 体積再結合 / 電子エネルギー分布 / DT-ALPHA |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は分光計測と静電プローブ計測を駆使する事で、消えゆくプラズマ(再結合/非接触プラズマ)の空間構造と電子エネルギー分布との関わりを明らかにするものである。本研究を遂行するために必要となる要素は(1)再結合/非接触プラズマの生成、(2)再結合/非接触プラズマ診断手法の確立、(3)磁力線に沿った再結合/非接触プラズマの空間分布計測の3つに大別する事ができる。このうち(1)と(2)については研究代表者のこれまでの研究によって完了しているため、今年度は主に(3)の項目に取り組んだ。
本研究は東北大学のDT-ALPHA装置で行うが、DT-ALPHAの再結合プラズマ生成領域近傍には中性粒子のコンダクタンスを制限するためにオリフィスが3組設置されている(再結合領域の上流側に2組、再結合領域と後述する下流エンドプレートとの間に1組)。また、装置下流端のエンドプレートの中心部にはイオンビーム計測を目的としたファラデーカップが設置されている。生成した再結合プラズマの沿磁力線分布を計測するためには1組のオリフィスを通過し、再結合領域周辺および再結合領域下流側の計測が可能な静電プローブを新規に設計・製作する必要がある。本年度は静電プローブおよびその周辺機器の設計を行った。静電プローブとしてはシングルプローブに比べて耐ノイズ性が優れるダブルプローブを採用する事とした。さらに、オリフィスを貫通するための幾何的な形状として直線型を採用する事とした。直線型よりもプラズマへの擾乱の少ないL字型も検討したが、プローブを通過させるための空隙をオリフィスに設ける必要がある事や、プローブとオリフィスとの衝突を防止する対策が必要となる事から、直線型を優先させる方針とした。加えて、検討した直線型プローブを挿入するために最適な構造のエンドプレートとフランジの設計も行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究を遂行する上での課題の一つは、再結合領域から装置下流端までの約0.5 mの領域におけるプラズマの沿磁力線分布計測をどのように行うかである。DT-ALPHA装置における再結合プラズマの生成領域は装置の下流端に近く、側面ポートから計測器を挿入して磁力線方向の分布を計測する事はできない。そのため、装置下流端のエンドプレートから計測器を挿入する方法を採用する事にした。しかし再結合プラズマの生成を補助するために装置内部にはオリフィスが3組設置されており、磁力線に沿ったプローブの挿入・計測とオリフィスの設置を両立させる工夫が必要となる。そこで直線型とL字型の2つの幾何形状に対して、それぞれの形状を採用した際の利点などを検討した。L字型プローブはプラズマへの擾乱の少なさや径方向分布計測が可能という点で直線型より優れるものの、オリフィスを通過させるためにはオリフィス全体に空隙を設ける必要がある事が判明した。また、磁力線方向や径方向にプローブを駆動する際にオリフィスへの衝突が懸念される事も分かった。そこで、そのような問題を回避するために直線型のプローブを設計する事としプローブの寸法を検討した。並行して直線型のプローブの挿入に適したエンドプレートとフランジの設計も進めた。プローブ等の設計は順調に進んでおり、今後は速やかに設計を完了して製作および実験の段階に移行する。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の計画に沿って研究を実施する。引き続き直線型プローブ・エンドプレート・フランジの設計を進めるとともに速やかに製作の段階へ移行する。並行して、今年度は見送ったL字プローブについても検討を続ける予定である。直線プローブ等の製作を速やかに完了させDT-ALPHA装置への取り付けを行う。まずはオリフィスに衝突する事なくプローブを再結合領域まで挿入できる事を確認する。その後、プラズマの沿磁力線分布の計測を開始する。電離進行プラズマの計測を行い、プローブの健全性を確認するとともに再結合プラズマ実験の比較対象となるデータを取得する。その後、再結合プラズマを生成して同様の計測を行う。再結合領域から装置下流端(エンドプレート)にかけて電子温度と電子密度の分布を取得する。ここで、再結合プラズマ生成領域では適切なプローブ計測が行えない事が知られている。そのため再結合プラズマ生成領域でのプラズマ診断は分光によって行う。放射再結合によって生じる連続光から電子温度・電子密度を取得する。プローブによる沿磁力線分布計測では再結合領域から装置下流端に向けて電子温度が増加する結果が得られるものと予想しているが、以下の流れで電子温度の上昇と電子エネルギー分布との歪みを関連づける。分光法で得られた電子温度に基づいて電子エネルギー分布を定め(マックスウェル分布)、その電子エネルギー分布に対してある閾値を設定し、閾値以上の電子が再結合領域下流に到達した際の見かけの電子温度を計算する。この閾値の決定には衝突・輻射モデルを利用する。計算した見かけの電子温度と静電プローブの計測結果を比較する事によって、マックスウェル分布の歪みと磁力線に沿った電子温度の増加を関連づける。
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| Causes of Carryover |
本年度に計上した予算の多くは物品費である。主たる用途としては(1)下流端フランジ・下流エンドプレート・静電プローブの新規製作費、および(2)新しく整備するエンドプレートおよびプローブ計測のための計測器の購入を想定していた。このうち(1)については大幅な遅れは無いものの設計にやや時間を要した。設計は概ね完了しているため、次年度は速やかに設計を完了して製作の段階に移行する計画である。当初円盤状のエンドプレートは複数枚に分割する事を想定しており、分割数に対応して新しい計測器を整備する計画であった。しかし、(1)においてエンドプレートの形状を詳細に検討したところ分割せずに1枚とする方針となったため、現在所有している計測器で計測を行う事が可能となった。計測器を新しく購入する必要性は無くなったが、本研究課題を大学院生の研究テーマとする事になったため、次年度は成果発表(学会発表および論文投稿)などに予算を用いる計画である。
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[Journal Article] Impact of Selective Ion Transmission on measurement by Retarding Field Analyzer2023
Author(s)
H. Takahashi, T. Seino, R. Nishimura, K. Yoshimura, A. Kanno, T. Hara, Y. Takahashi, S. Kagaya, A. Matsuyama, Y. Hayashi, and K. Tobita
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Journal Title
Physics of Plasmas
Volume: -
Pages: -
Peer Reviewed / Open Access
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