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金中性粒子ビームプローブを用いた 低周波揺動の特性研究 Characteristic Study of Low-Frequency Fluctuations by the Use of a Gold Neutral Beam Probe 宮田 良明、 小澤 博樹、吉川 正志、水口 正紀、大野 洋平、小笠原 尚樹、 谷口 文彬、中嶋 洋輔、今井 剛 筑波大学プラズマ研究センター Plasma Research Center, University of Tsukuba 1.概要 制御熱核融合の実現のためには、高温プラズマを一定の空間内に、ある時間だ け閉じ込めておく必要があるが、プラズマ中の熱力学的な力や不安定性による乱 流揺動が原因となってプラズマ粒子やその熱エネルギーは閉じ込め磁場を横切っ て逃げて行く。このようなプラズマの拡散あるいは対流現象をプラズマ輸送と呼ば れており、このような新古典拡散理論では説明できない輸送を異常輸送と呼んで いる。異常輸送はプラズマの様々な微視的揺動がその原因として考察されてきた が、未だに実験を説明し得る状況にはない。エネルギー閉じ込め時間の改善に繋 がるプラズマ異常輸送の解明は、現在の緊急の研究課題の一つである。 例として、揺動による輸送としては揺動が発生される粒子束に起因しており、静 電揺動による粒子束Grは密度揺動、電位揺動及びそれらの位相差により発生す る。 2 ~ f~ sin d , ~ f~ sin P sin Gr k g n g n nf q nf e nf nf e nf nf Bz ~ (kq,gnfは方位角方向の波数、密度と電位揺動のコヒーレンス、Pnf / ne g nf n~ef / ne ) 金中性粒子ビームプローブでは、コアプラズマにおける電位揺動、密度揺動が 同時計測可能なため、揺動輸送の評価、輸送機構が検討できる。 GAMMA 10における電位形成研究 GAMMA 10ではプラグ部、 バリア部、セントラル部に 電子サイクロトロン加熱 (ECH)を印加することにより、 電位形成、及び閉じ込め改 善を行っている。 P-ECH B-ECH B-ECH P-ECH potential with ECRH potential without ECRH magnetic field strength C-ECH ●イオン閉じ込め電位 fC=ΦP-ΦC プラグ電位 Φp 影響する セントラル電位 Φ C φC ●サーマルバリア電位 fB=ΦC-ΦB バリア電位 ΦB φB ELECA OMT IMT CMT Central 金中性粒子ビームプローブ(Gold Neutral Beam Probe) ビーム電流量 ⇒ 電子密度 I / I ne / ne ビームエネルギー ⇒ プラズマ電位 E f 電位、密度揺動測定原理 ●電位揺動測定原理 GNBPにおいて較正実験より導出した以下の電位計算式を用い、電位の算出を 行っている。2次ビームにはプラズマ内部の電位情報が分析器内での飛距離とし て現れるため、飛距離(Pch)の微小変動から電位揺動を得ることができる。 Pch (14.01 0.037866 R 0.010597 R 2 ) Eb (0.014833 2.6082 105 R 7.3043 106 R 2 ) R: 径方向位置(cm) Pch: 分析器内における2次ビームの飛距離 位置エネルギー 加速エネルギー アナライザー プラズマ Fc E イオン源 ●密度揺動測定原理 GNBPにおいてイオン源から入射された金中性粒子の1次ビームは、プラズマ中 で電子との電離反応により、金の正イオンの2次ビームが生成され、分析器内部 に到達する。その電子とのイオン化効率はLotzの経験則より、以下の式で与えら れ、MCPで検出されるシグナル量は100[eV]近傍の電子温度領域ではイオン化 係数はほぼ密度に依存しているため、密度揺動を得ることができる。 n S (Te ) ne v n Q e 3.0 10 12 e vb vb vb N i 1 exp[ x] Z: 等価電子数 -1 [m ] 1 x U: イオン化ポテンシャル Ui 2 (Te [eV]) U i T N: 原子殻数 e Zi 電位揺動、密度揺動に起因する径方向粒子束 密度揺動、電位揺動の相関に起因する径 <GNBPの特徴> ・セシウム添加スパッタリング型 方向粒子束Grは以下のように定義できる。 金負イオン源の使用 ~~ ~~ ・負イオンを利用した高中性化効率 Gr NVr NEq / Bz , ・中性粒子ビームにより漏洩磁場の影響を軽減 ~ ~ ~ 密度、電位、電場の揺動成分 N , F, Eq は、 ・ビーム入射角、ビームエネルギーの変更に ~ ~ よる二次元計測 N n exp( i (k r t n )) d 36 ° 0.2 37 °38 ° 39 ° 40 ° X-Axis (m) 41 ° 静電揺動による径方向粒子束は、 Gr 0 11.783kV 0 Y-Axis (m) 2 ~ Re ikq gn~f exp( i nf )d , Bz nf=n-fは密度揺動と電位揺動の位相 ~ f と のコヒーレンスである。 差、gは n~ よって、径方向粒子束は、 13.783kV 9.783kV -0.2 0.2 ~ ~ F f exp( i (k r t f )) d ~ ~ ~ Eq q f ikf exp( i (k r t f )) d -0.2 Gr 2 ~f~ sin d. k g n q nf Bz 位相差は粒子束の方向、大きさを決める重要なパラメータである。 電位、密度揺動の位相差に起因する径方向粒子束の観測(1) 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 50 100 150 200 Time[ms] 250 セントラル部電子線密度と反磁性量 #202663 5 4.5 Line Density Diamagnetism 4 0.7 3.5 3 120 0.75 130 140 Time[ms] Diamagnetism[10-4Wb] Heating Sequence 3.5 202663 Sequence RF1East RF2 C-ECH B-ECH P-ECH Line Density[10-19m-2] 加熱シーケンス 0.65 150 GNBPでは電位揺動、密度揺動の同時計測ができるため、その相関により発生 する径方向粒子束が観測できる。#202663実験において、イオンサイクロトロン加 熱(ICH)時間帯でセントラル部反磁性量が約100~150[Hz]で大きく増減するショッ トが観測されている。ICH時間帯では、一定の加熱を行っているにも関わらず、プ ラズマの状態が大きく変化しており、この要因をGNBPを用いて検討した。反磁性 量の減少と共に、電子線密度が変動していることが観測された。 Spectrum Potential Fluctuation #202663 near the Center t=140.1(ms) Potential Fluctuation 10 1 0.1 0 40000 80000 120000 160000 Frequency[Hz] 密度揺動スペクトル コヒーレンス Spectrum Density Fluctuation Spectrum Coherence #202663 near the Center t=140.1(ms) #202663 near the Center t=140.1(ms) 1 0.1 Density Fluctuation Coherence 0.8 0.01 Coherence Potential Fluctuation Level[rel.unit] 電位揺動スペクトル Density Fluctuation Level[rel.unit] 電位、密度揺動の位相差に起因する径方向粒子束の観測(3) 0.001 0.0001 0.6 0.4 0.2 0 0 40000 80000 120000 160000 Frequency[Hz] 0 20000 40000 Frequency[Hz] 60000 左図から順に、#202663におけるセントラル部中心近傍の電位揺動スペクトル、 密度揺動スペクトル、それらのコヒーレンスを示す。電位揺動スペクトル、密度揺動 スペクトルは共に12[kHz]近傍に強い強度を持った揺動が観測された。また、電位、 密度揺動のコヒーレンスにおいて、上記の12[kHz]近傍の揺動に強いコヒーレンス が観測された。 電位、密度揺動の位相差に起因する径方向粒子束の観測(4) ●静電プローブによる揺動特定 [静電プローブ配置図] ESP2 2 Frequency[Hz] ESP4 約3.6(rad) Phase Difference コヒーレントな揺動を特定する上で、周方 向に設置されている静電プローブ(ESP)を 用いて解析を行った。今回、ESP2で計測し た揺動に対して/2ずれて設置してある ESP4で計測された揺動は約3.6[rad]の位 相差を持つことから、観測された揺動は m=+2のドリフト型揺動であることを特定した。 Diamag[10-4Wb] Diamag[10-4Wb] 電位、密度揺動の位相差に起因する径方向粒子束の観測(5) 0.75 Diamagnetism 0.7 0.75 Diamagnetism 0.7 0.65 0.65 Density Fluctuation Frequency[Hz] Frequency[Hz] Potential Fluctuation 電位揺動解析 Time[ms] 密度揺動解析 Time[ms] プラズマ蓄積エネルギーである反磁性量が減少する時、電位、密度揺動が存在 していることが分かる。 電位、密度揺動の位相差に起因する径方向粒子束の観測(6) 東エンドプレート#1~4 エンドプレート電圧時間変化 East #1 East #2 East #3 East #4 EastEndPlate Potential[V] #202663 EastEndPlate -30 -35 -40 -45 -50 -55 -60 100 110 120 130 Time[ms] 140 150 エンドプレートはGAMMA 10両端部に設置されており、プラズマと直接接触して いるステンレス極板である。エンドプレートは周方向、径方向へそれぞれ4分割、6 分割されており、通常、周方向は短絡してあるため、径方向へ6分割されている。 内側より#0~5まで分割されており、それぞれから抵抗を通し、アースへ接続されて いる。通常、エンドプレート電圧は抵抗を通過する電子により負電位へ沈み込む。 →エンドプレート電圧の降下は径方向位置へのプラズマの拡散を示す。 電位、密度揺動の位相差に起因する径方向粒子束の観測(7) #1エンドプレート電圧と 反磁性量の時間変化 0.72 -45 0.7 -50 0.68 -55 -60 120 130 140 Time[ms] 0.66 150 EastEndPlate1 Potential[V] #202663 EastEndPlate1 -60 Flux #202663 near the Center 0.4 -56 0.3 -52 0.2 -48 0.1 -44 120 140 130 Time[ms] 0 150 Radial Particle Flux[rel.unit] -40 Diamagnetism Diamagnetism[10-4Wb] EastEndPlate1 Potential[V] EastEndPlate1 #1エンドプレート電圧と位相差に起 因する径方向粒子束の時間変化 左図において、反磁性量の減少と共にエンドプレート電圧の降下が確認され、 ピーキングした径方向分布の緩和と考えられる。また、右図において、密度、電位 揺動の位相差に起因する径方向粒子束の増加とエンドプレート電圧の下降の傾向 がほぼ一致しており、径方向へのプラズマ拡散は揺動に起因する径方向粒子束に 起因していると推測される。 電位、密度揺動の位相差に起因する径方向粒子束の観測(8) ●中速カメラによるプラズマ挙動解析(400fps) 中速カメラ視線 電位、密度揺動の位相差に起因する径方向粒子束の観測(8’) Diamagnetism[10 -4Wb] Diamagnetism[10-4Wb] ●中速カメラによるプラズマ挙動解析(400fps) #202663 Diamagnetism 0.76 X軸 セントラル部リミター #202663 標準的なプラズマ径 Diamagnetism 0.74 0.72 0.7 0.68 0.66 0.7 60 80 100 120 140 160 Time[ms] #201272 Diamagnetism X軸 セントラル部リミター #201272 標準的なプラズマ径 Z軸 Diamagnetism 0.65 0.6 0.55 80 120 160 Time[ms] 200 Z軸 電位、密度揺動の位相差に起因する径方向粒子束の観測(8’’) #202663 ●中速カメラによるプラズマ挙動解析 (A) セントラル部に設置されている中速カメラ によるプラズマ挙動解析において、径方向 粒子束の存在と共にプラズマが拡散(膨張)、 リミターへの接触による発光が観測された。 (B) (C) (D) (A)→(B) 径方向粒子束の発生と共にプラズマが拡 散(膨張)し、プラズマ半径が増大する。 (B)→(C) プラズマ半径の増大によりリミターへの接 触と共にリミター、及びプラズマの発光が増 加する。 (C)→(D) 発光の増加と共にプラズマ半径が縮小し、 (A)の状態に戻る。上記を繰り返す。 まとめ ・ #202663実験において、イオンサイクロトロン加熱(ICH)時間帯でセントラル部反磁性 量が約100~150[Hz]の周期で大きく増減するショットが観測された。反磁性量の減少と 共に、電子線密度の変動が観測された。 ・約12[kHz]付近の低周波領域に間欠的な揺動を観測し、他計測器からの計測結果から ドリフト波不安定性に起因するm=+2を持つ揺動であることを特定した。 ・今回、新たにエンドプレート電圧を用いた径方向分布解析から、間欠的な反磁性量の 減少と共にエンドプレート電圧の降下が観測され、ピーキングした径方向分布が緩和さ れたと考えられる。密度、電位揺動の位相差に起因する径方向粒子束の増加とエンドプ レート電圧の下降の傾向が一致しており、径方向へのプラズマ拡散は揺動に起因する径 方向粒子束に起因していると推測される。 ・中速カメラによるプラズマ挙動の直接観測において、径方向粒子束の発生、反磁性量 の減少と共にプラズマ径が膨張、リミターに接触していることが観測された。 →低周波揺動に起因する径方向粒子束がプラズマ拡散を引き起こす様子が観測された。