真空紫外偏光分光計測による核融合プラズマ中の電子・陽子の非等方的速度分布の研究

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26287148
• Research Institution: National Institute for Fusion Science
• Principal Investigator: 後藤 基志 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (00290916)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 偏光プラズマ分光 / 非等方的速度分布 / 真空紫外分光

Outline of Annual Research Achievements

LHD実験で利用している既存の真空紫外分光器の入り口スリット後方に回転可能な1/2波長板を設置し、発光線の偏光状態に変調を与えられるようにするとともに、検出器直前に偏光分離光学素子を設置し、決まった直線偏光成分のみを検出できるよう改造を施した。
1/2波長板を回転させると、プラズマからの光の偏光状態が回転し、45度回転したところで鉛直と水平の偏光成分が入れ替わる。ブリュースター反射を利用した偏光選択光学素子により、常に鉛直方向の直線偏光成分のみ検出しているので、波長板を連続的に回転させることにより、水平および鉛直の偏光成分を交互に観測することができる。
これら偏光光学系を分光器に組み込み、実際のプラズマからの光の観測を試みた。水素原子ライマンα線（121.6nm）および3価の炭素イオンの発光線（155nm）に対して観測を行った。1/2波長板はDCモーターに印加する電圧を調整することにより約2Hzで回転させた。モーターからのエンコーダ出力を記録し、計測後に回転速度および回転位置を確認できるようにした。
検出器のデータ取得タイミングを波長板の回転に同期させ、波長板が22.5度回転する毎にスペクトルの計測を行なうようにした。この結果、フレーム毎に異なる直線偏光成分を検出することが可能となった。直交する直線偏光成分間で発光線プロファイルに有意な差異が見られているが、現在のところ信号対ノイズ比が十分でなく、発光線の偏光を断定するには至っていない。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

光学素子の挿入および引出し機構については不具合修正のため予定よりも測定開始が遅れたが、最終的には問題なく動作するようになり、構築した機器の性能を確認するために必要なデータは取得できた。
偏光選択光学系を用いた場合の信号強度は、それを用いない場合と比べても著しい低下はなく、設計通りの性能が出ていると考えている。波長板の回転機構は、DCモーターの回転速度が不安定なため、10秒程度の比較的長い時間計測を続けていると、検出器のデータ取得タイミングとの同期が失われることがあった。また、DCモーターはエンコーダ出力を記録することにより結果として回転数を知ることはできるが、正確に回転数を決めて運転することが難しいため、パルスモーターを用いた回転制御系への改造が望ましいことも明らかとなった。
偏光を考慮に入れた原子モデルの構築に関しては、水素原子ライマンα線の解析に必要な電子衝突励起断面積データは入手できたが、機器の不具合修正に集中する必要があったため、原子モデルの構築には至っていない。

Strategy for Future Research Activity

1/2波長板の回転機構の改造を優先して行う。具体的には、パルスモーターを用いた正確な回転角度制御を可能とし、また、検出器のデータ取得タイミングとの同期を確実にする。
これまでに取得したデータを解析し、目標とする0.1%の精度での偏光度測定のために必要な露光時間もしくは光子量を明らかにし、次回のLHD実験において計測に最適な放電条件を調査し、実験の提案を行う。具体的には、水素原子ライマンα線および三価の炭素イオン発光線について、さまざまな角度の直線偏光スペクトルを計測し、それらの差から0.1%の精度でストークスプロファイルを求める。
実験開始までに、上記の計測機器の改善および調整を行うとともに、原子モデル構築に着手する。水素原子ライマンα線の解析のための断面積データは入手できているので、最初に同発光線解析のためのモデル構築を行う。平行して炭素イオン発光線用モデルも整備し、実験で得られたストークスパラメータを再現する電子の速度分布関数の非等方性を定量的に求める。

Causes of Carryover

配分予算内で当初計画したCCD検出器の購入は性能が十分でないことが判明したため断念し、旧式の検出器を取り付け調整するための取り合いフランジの製作を行った。また、他の光学素子駆動機構については当初予定していなかった機能の追加により制作費が上昇し、それらの差額を次年度使用することとなった。

Expenditure Plan for Carryover Budget

次年度使用とした額は1/2波長板回転機構の変更のための経費として使用する。翌年度分として請求した研究費はレンズホルダなどの光学部品、銅ガスケットなどの真空部品、および国内・国際学会の旅費等として使用する予定である。