Transcript 水島龍徳, 磁気圏型プラズマRT-1の分光計測とイオン加熱, 修士論文

磁気圏型プラズマRT-1の分光計測
とイオン加熱実験
47-086078 氏名 水島 龍徳
（指導教員 吉田 善章 教授）
高いβをもつプラズマの安定閉じ込め
先進核融合では弱い磁場で高温のプラズマを閉じ込める必要がある。弱い磁場で高
温のプラズマを閉じ込めることは、プラズマのエネルギーが束縛するエネルギーに対
する割合が増えることを意味し、プラズマの安定閉じ込めを制御することが難しくなる。
βという無次元量をプラズマエネルギーが束縛するエネルギーに対する割合を評価
するものとしてもちいる。βとはβ=2pμ/B2で表わされる量でプラズマ熱圧力を磁気圧
力で規格化したものである。βが高いと少ない磁場で高温のプラズマを閉じ込めるこ
とができることを意味する。安定な高βプラズマの平衡構造は物理的にも興味深い。
磁気圏型プラズマの代表例として、木星では局所βが100%を越えるようなプラズマが
閉じ込められていることが観測されている。
プラズマの流れとイオン温度
高いβをもつプラズマは流れを作り、その流れがプラズマの圧力分布を変化させる。
[1] 特に、磁気圏プラズマでシアアルフベン速度の0.06倍程度の流れを持つ場合プ
ラズマの圧力勾配を急峻化させると計算されている。[2,3] 磁気圏型プラズマ閉じ込
め装置であるRT-1では、これまでに局所βが40%のプラズマがECRHで生成、加熱され、
0.1s間のエネルギー閉じ込め時間をもつ。イオンは直接加熱機構をもたず、電子から
のエネルギー緩和により加熱される。イオンが高いβをもつプラズマは流れを作り、そ
の流れがプラズマの平衡に与える影響を無視できなくなる。RT-1の場合はイオンのβ
は低いので、流れが平衡に与える影響は少ないが、電子は高いβをもつため電子の
流れが平衡に影響を与える。そのため、RT-1の磁場配位でのトロイダル流速の温度
依存性を調べることが重要である。
[1] ]S.M.Mahajan and Z.Yoshida, Phys.Rev.Lett.81,4863(1998)
[2]J.Shiraishi,S,Ohsaki and Z.Yoshida, Phys.Plasma 12,092901(2005)
[3]J.Shiraishi,M Furukawa, and Z.Yoshida,Plasma Fusion Res.1,050(2006)
目的
本研究では磁気圏型プラズマRT-1でイオンを高いβにすると
どれだけ流れができるかを評価するため、イオン温度とイオン流速と
の関係を求めることを目的とした実験をおこなった。
温度と流速の関係を知ることは、現在の低いβのイオンと高い
βの電子の平衡を考える上でも重要である。
今後のイオン加熱に必要なエネルギーを評価するためにイオ
ンの閉じ込め時間を評価した。
イオンが高いβをもつようなプラズマを作るためイオン加熱の
予備実験をおこなった。
磁気圏プラズマ閉じ込め装置RT-1
RT-1
ポロイダル磁場のみ
浮上コイル
電流250kAturn 電流中心r=250mm
吊上げコイル
電流30kAturn
電流中心r=600mm, z=400mm
プラズマ生成加熱
2.4GHz マグネトロン
8.2GHz クライストロン
放電時間
1s or 2s
分光計測
Heプラズマ中の
He(II)(468.58nm)
水素プラズマ中の不純物
C(II)(464.74nm)
分光器
装置幅
0.0185nm(Neランプで計測)
波長分解能0.012nm(CCDの１
pixelに対応)
コリメーションレンズ
有効径Φ2.5mm、レンズ
Φ30mm、焦点距離100mm
測定光路
r=400mm(コイルの端)
~r=650mm(ビューポートから
見える範囲)
図 コリメーションレンズ系
真空容器
ビューポート
図 測定光路
イオン加熱用アンテナ設置
イオンサイクロトロン
共鳴(ICRF)
2πf=qB/M
ICRF加熱
周波数 220kHz
共鳴面の磁場強度
0.057T(He+),
0.014T(H+)
Lアンテナ
SUS304
r=960mm,z=2４0mm
w=13mm,t=0.3mm
R=0.7Ω,L=11μH,
Lω(220kHz)=15Ω
図 RT-1断面図
図 ＣアンテナとLアンテナ
イオン加熱用電源開発
フルブリッジ回路で発振
周波数240kHz
Irms=10A
Vrms=140V
Mosfet 4×10個利用
①
②
負荷
③
図 フルブリッジ回路２
④
②
③
図 ドライバー回路
[４]”トランジスター技術３月号”
,CQ出版社,3,P170(2004)
200
図 フルブリッジ回路
電圧(V)
①
④
100
0
-100
-200
-300
-5,E-6
-1,E-20
Time (S)
図 フルブリッジ発振波計
5,E-6
RT-1にイオン分光計測を適応
Heプラズマ中の
He(II)(468.58nm,パッシェンα)
13本ーのライン
実験データ
○Highβ(3.2×10-4Pa)
○Lowβ(1.2×10-2Pa)
ドップラーブローディング
装置幅ー0.0185nm
Lowβ―0.0164nm->0eV
Highβ－0.0296nm->6.6eV
ドップラーシフト(clock wise)
Lowβ―0.0012nm->800m/s
Highβ－0.0128nm->8200m/s
発光強度の径方向分布
1800
1200
1600
1000
1200
Intnsity(a.u.)
Intnsity(a.u.)
1400
1000
800
600
800
600
400
400
200
200
0
0,4
0,5
0,6
光路の接する円の半径r(m)
図 線強度の接する円半径変化
0,7
0
0,4
0,6
0,8
半径r(m)
図 発光強度プロファイル
ビューポート
真空容器
2.45GHz 10kW
Heガス圧力 2mPa
浮上なし
1
イオンの閉じ込め時間評価
ECRH
電子加熱
電子からの緩和
イオン加熱
 e ,i  
3(40 ) M (k BTe )
2
高速電子
2 4
2
τi
(Te-Ti)/τe,i=Ti/τi
ドップラー
ブロードニング
干渉計
βが低い時
2
2  8 2 Z e m n
加熱エネルギー
と失うエネルギー
が平衡状態
βが高い時
1
3
ラングミュア
プローブ
SX
τei=2τi
イオン温度 Ti
Te=3Ti
電子密度 ne
電子温度 Te
高いβの時の
バルクの電子
温度が不明
エネルギー閉
じ込め時間の
下限値
閉じ込め時間と荷電交換の時間
dHe( II )
He( II )
 nCI II He( I )  nCII I He( II )  nCII III He( II )  nCIII II He( III ) 
0
dt
 e( II )
dHe( III )
He( III )
 nCII III He( II )  nCIII II He( III ) 
0
dt
 e( III )
レート方程式
nn
τn
反応速度係数CXXは
バルクの電子温度でのCｘ
xと10keVの高速電子のCｘ
xそれぞれに密度比をか
けて求めた。
Confinement time(s)
ne,Te,τc
1E+0
τn
τc
1E-1
1E-2
1E-3
ガス圧が低い時荷電交換の時間は0.3sで閉じ込
め時間が0.1sであった。荷電交換以外の不安定性 1E-4
等によるエネルギーロスは少なくても0.１sより長
1E-3
い。
He Gas Pressure (Pa)
Ti=3.8eV,TeL =11.4eV, TeH=10keV、
図 閉じ込め時間
nL=0.44×1016/m3, nH=1.24×1016/m3, He(I)8%,
He(II)32%, He(III)60%,8.2GHz ECH-Power 22kW,
1E-2
電界計測
70
50
Erms(V/m)
電界計測
ポッケルスセンサー
真空容器内 大気状態
f=300kHz、Irms=1.8A,
z=138mm
（アンテナz=240mm）
EΘrms/Irms=8V/mA(r=800mm)
真空容
器
60
40
30
20
アンテナ
10
0
700
900
1100
中心からの距離r(mm)
イオン加熱実験
加熱実験
ループアンテナ
f=220kHz、Irms=10A
加熱パワー２
<I(t)V(t)>=275W(plasma有り)
アンテナの抵抗で100W損失
175Wプラズマ加熱
6
rfなし
Ion Temerature(eV)
加熱パワー
W=εωErms2
=0.042Wm-3 (220kHz,10A)
7
5
4
3
2
1
0
1E-4
加熱に必要なパワー
W=ΔkTi×n/τ
=0.03Wm-3/eV
rf有り
1E-3
HeGas Pressure(Pa)
図 イオン加熱の結果
ECH2GHz 5kW
1E-2
RT-1でのドリフト速度
0.4
0.2
0
-0.2
2
mv// 2
v 
2e BR
-0.4
0
0.2
0.4
0.6
図 磁力線が曲率をもつ
mv B
 
2e B 2
0.8
1
図 磁場強度の径方向変化
2
vB
Ti (eV ) p
Ti
P
vD  

5
qnB
B
p
B
イオン温度に比例
流れの方向はコイ
ル電流と同じ方向
ーvtotal
ーvκ
ーv∇B
ーvD
図 κ+∇B+∇P drift は外側で速い(T=1eV)
イオン温度とドリフト速度の関係
10000
10000
rf無
8000
7000
rf有り
6000
VΘ（m/s)
Toroidal Flow Velocity (m/s)
9000
Vtotal(r=0.65m)
5000
Experiment
5000
vtotal(r=400mm)
4000
vtotal(r=650mm)
3000
2000
1000
0
0
0
2
4
Ion Temperature (eV)
6
0
5
10
15
20
Ti(eV)
図 流れr=0.65m(He(II),2GHz-5kW)
図 流れr=0.4m(C(II),8GHz-12kW)
イオンを直接加熱したのでなく、ガス圧を変化させてイオン温度を変えている。
外側では流れがイオン温度に比例していた。
内側でも流れの速さが外側と同程度の流れがあるが、イオン温度に比例してい
ない。
開発成果
• RT-1プラズマに分光計測を適応し、イオン温度とイ
オン流速が測定できることを確認した。
• RT-1にイオンサイクロトロン共鳴用のアンテナを設
置し、発生する電界を調べた。
• RT-1のイオン加熱電源として必要とされる数100kHz
帯のインバータをMOSFETをフルブリッジ回路で組み
立て、Irms=10A、Vrms=140V、240kHzまで発振できるこ
とを確認した。
結論
• イオン温度は放電前のガスの圧力が低い方が高く、He(II)イオンで最大
5.5eV、C(II)イオンで18eVとなった。イオンのエネルギー閉じ込め時間を決
める原因はイオンと原子の荷電交換による損失が支配的で閉じ込め時
間は0.1sであった。荷電交換以外の不安定性等によるエネルギーロスは
少なくても0.１sより長い。この閉じ込め時間でイオン加熱を考えると1eV加
熱するのに0.03Wと求まった。
• ICRFによるイオン温度上昇は0.4eV以下で統計的揺らぎの範囲であった。
• ガス圧を下げるとイオン温度が上がり、その温度変化に比例するような
流れが観測された。その流れはRT-1のカーバチャ―ドリフトと同じ方向で
コイルの上から見て時計周りに流れていた。その大きさはr=650mmで
5.5eVのイオンで6000m/sであり、計算で求めたカーバチャードリフト速度
等と一致した。カーバチャ―ドリフト等は計算では内側が外側より遅い
が、実験では内側でも外側と同程度の流れが発生していた。
運動方程式
∂v

+  (v •∇ )v = qj × B－∇ p + F
∂t
発表内容
序論
•
高いβをもつプラズマの安定閉じ込め
•
プラズマの流れとイオン温度
•
目的
実験方法
•
磁気圏プラズマ閉じ込め装置RT-1
•
分光計測
•
イオン温度とプラズマ流速計測
開発
•
イオン加熱用アンテナ設置
•
イオン加熱用電源開発
結果・考察
•
RT-1にイオン分光計測を適応
•
発行強度の径方向分布
•
イオンの閉じ込め時間評価
•
閉じこめ時間と荷電交換の時間
•
電界計測
•
イオン加熱実験
•
RT-1でのドリフト速度
•
イオン温度と流れの関係
開発成果
結論
図 RT-1で閉じ込められたプラズマ
20
τ0.16
18
16
τ0.15
Ion Temperature Ti(eV)
14
12
τ0.14
10
8
6
4
2
0
0
20
40
60
Te(eV)
80
100
圧力分布
Ti (eV ) p
Ti
P
vD  

5
qnB
B
p
B
ICRF波入射時にHe(II)の発光強度が減少
2
7
1,8
rfなし
rf有り
5
1,6
1,4
Anorf/Arf
Ion Temerature(eV)
6
4
3
2
1,2
1
0,8
0,6
1
0,4
0
0,2
1E-4
1E-3
1E-2
0
HeGas Pressure(Pa)
1E-4
1E-3
He Gas Pressure(Pa)
図 RF入射時にHe(II)の発光量が減少
図 加熱結果
プラズマが不安定
Heの発光量が減る
Gyro Radius(m)
イオンがＩＣＲＦ波を
受け壁に当たる
0,25
図 発光量現象は低ガス圧で顕著
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
10
20
30
40
Ti(eV)
図 イオン温度とGyro半径の関係
図 最外殻のプラズマが真空容器に衝突
1
1
0,9
0,9
0,7
rf
0,6
norf
0,8
ＩＣＲＦ，プラズマ有り
0,7
0,6
0,5
強度
強度
0,8
0,4
0,5
ICRF有り plasma無
0,4
0,3
0,3
0,2
0,2
0,1
0,1
0
0
100
200
300
周波数(Hz)
400
500
0
0
100
200
300
周波数(Hz)
400
500
velocity (m/s)
1E+5
vtoloidal
シアアルフベン速度×0.06
熱速度（Ｈｅ）
0E+0
0
20
40
60
Ti(eV)
80
100
径方向分布
1200
1800
1600
1000
1400
Intnsity(a.u.)
Intnsity(a.u.)
1200
1000
800
600
800
600
400
400
200
200
0
0,4
0,5
0,6
0
0,7
0,4
0,6
光路の接する円の半径r(m)
0,8
1
半径r(m)
図 発光強度プロファイル
図 線強度の接する円半径変化
7000
2,5
Ion Temperatuer(eV)
6000
Toroidal Flow(m/s)
2.45GHz 10kW
Heガス圧力 2mPa
浮上なし
5000
4000
3000
2000
1000
0
0,4
0,5
0,6
光路の接する円の半径r(m)
図 流れの径方向分布
0,7
2
1,5
1
0,5
0
0,4
0,5
0,6
光路の接する円の半径r(m)
図 イオン温度の径方向分布
0,7
Intensity(a.u)
1000
100
8G
2G
8G not float
2G H
10
1
4
6
8
radius(100mm)
図 線強度の接する円半径変化 (O(II))
1E+0
1E+19
nn'
nn
1E-1
電離度
中性粒子密度（/m3)
1E+18
1E+17
He(II)
He(III)
He(I)
1E-2
1E+16
1E-3
1E+15
1E-3
1E-2
1E-3
1E-2
Heガス圧力(Pa)
Heガス圧力(Pa)
図 Heの電離度
20
0,45
0,4
18
0,35
16
0,25
14
0,2
12
0,15
Ti(eV)
抵抗(Ω)
0,3
0,1
10
8
0,05
0
6
0
500000 1000000 1500000 2000000 2500000 3000000 3500000
4
周波数(Hz)
2
図
測定抵抗の周波数依存
0
0E+0
図
5E-3
1E-2
H Gas Pressure(Pa)
2E-2
C(II)イオンのイオン温度 8GHz-22kW
9000
7
8000
Toroidal Flow Velocity (m/s)
rf有り
Ion Temerature(eV)
rf無
rfなし
6
5
4
3
2
1
rf有り
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
1E-4
1E-3
HeGas Pressure(Pa)
1E-2
1E-4
1E-3
HeGas Pressure(Pa)
1E-2
レート方程式
He(I)+e→He(II)+2e
He(II)+e→He(III)+2e
He(II)+e→He(I)
He(III)+e→He(II)
CI->II
CII->III
CII->I
CIII->II
dHe( II )
He( II )
 nC I II He( I )  nC II I He( II )  nC II III He( II )  nC III II He( III ) 
dt
 e( II )
dHe( III )
He( III )
 nC I III He( I )  nC III I He( III )  nC II III He( II )  nC III II He( III ) 
dt
 e( III )
Rate Coefficient(cm3/s)
1E-7
1E-8
1E-9
1E-10
1E-11
1E-12
1E-13
1E-14
1E+0
1E+1
1E+2
電子温度 Te(eV)
He(I)->He(II)
He(II)->He(III)
He(II)->He(I)
He(III)->He(II)
1E+3
[4]Kato, T.Asano, E. NIFS-DATA,54(1999).
荷電交換
0.14
0.12
0.1
1E-15
E V
Cross section(cm2)
1E-14
0.08
0.06
0.04
1E-16
1E+0
0.02
1E+2
イオン温度(eV)
1E+4
Gilbody, H et al.
Proc. R. Soc. London A 238 (1956)334
[5]
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
r m
1
1.2
1.4
イオン温度
20
4,5
18
4
2G13KW
16
3
14
2,5
12
Ti(eV)
Ti(eV)
8G22KW
3,5
2
1,5
10
8
1
6
0,5
4
0
0E+0
2E-3
4E-3
6E-3
8E-3
1E-2
He gas Pressure (Pa)
コイル浮上なしでのHeプラズマ中でのHe(II)イオンのイオン温度
2GHZのECRH-Power 13KWと8GHzのECRH-Power22kW
Heプラズマ中のHe(II)イオンのドップラーブロードニングにより測定
ガス圧を下げるとイオン温度が高くなる。最大で4eV
2
0
0E+0
2E-3
4E-3
6E-3
8E-3
H Gas Pressure(Pa)
1E-2
1E-2
RT-1のコイル浮上状態、ECRH-Power 2G 20KW
水素プラズマ中の不純物イオンのC(II)のドップラーブロードニングにより測定、
Heの時より温度が高い、その原因はCとＨとの荷電交換の断面積がHe同士の荷
電交換の1/10だからである。
電子密度
1E+18
電子密度 (m-3))
8GHZ22kW
2GHz13KW
1E+17
1E+16
1E-3
1E-2
Heガス圧力(Pa)
ポッケルスセンサー
0,015
0,01
Φ(V)
0,005
-400
0
-300
-200
-100
0
100
200
300
-0,005
-0,01
-0,015
E(V/m)
y = 5E-05x + 0,0004
アンテナ抵抗
9
Z = 7.25E-05f+ 7.61E-01
8
7
Z(Ω)
6
5
4
3
2
1
0
0E+0
2E+4
4E+4
6E+4
f(Hz)
8E+4
1E+5
1E+5
遅波による加熱
n  n  E  E  0
 

   i 
 0

、
 i 

0
(   )
(    )
   
0
  
2

2
0
 p 2
 // 
   1  i , e 2
Z ( 1 )
 k z vT 2
 
(     )
2
 //  1  i , e
Z  2 1  i  exp(  1 )
2
、
vTは熱速度、Zはプラズマ分散関数でありωi~Ωの時
、
 pi 2  pi 2 
n//     1 

i  2   i
速波
2
、
n 
  n
k z vT 
遅波
 pi 2  pi 2 
n//     1 
 2
Z ( 1 )
 k z vT
i
2
i
2
Im(  ) 1  pi 

0
 0  2 k z vT
"
i
2
   
 )
 exp( 



k
v
 z T 
Wc 
 0 E 2 Im(  " )
2
0
プラズマ周波数は1×1016/m3だと5.6×109 /sとなり、装置サイズが1mなのでkz=1/m、vT=10000m/s ωi=Ωとすると
Im(  " )
 2 10 21
0
2 p
2
kz vT 2
(1   0 Z ( 0 ))
研究業績
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水島龍徳、小野督幸、柴田俊充、利根川明、河村和幸
デタッチプラズマでの磁力線方向の熱流束の空間分布測定
日本物理学会 2008年3月(近畿大学)
水島龍徳、林裕之、矢野善久、斎藤晴彦、森川惇二、吉田善章
磁気圏型プラズマ閉じ込め(RT-1)におけるトロイダル方向の流れ計測
日本物理学会 2009年3月(立教大学)
水島龍徳、小林慎也、矢野善久、斎藤晴彦、森川惇二、吉田善章
磁気圏型配位でのイオン加熱とイオン温度計測
日本物理学会 2009年9月(熊本大学黒髪キャンパス)
水島龍徳、小林慎也、矢野善久、斎藤晴彦、森川惇二、吉田善章
磁気圏型配位でのイオン加熱実験
日本物理学会 2010年3月(岡山大学)