Transcript RF=1kW 円環状プラズマでのBz=0Gにおける電子密度分布と揺動特性

2008/6/16 月例発表
2次元リチウムビームプローブ法を用いた
CPD円環状プラズマにおける密度揺動計測
了戒智文1) , 図子秀樹2) , 森崎友宏3) ,,R Bhattacharyay1) , 九大CPD実験
グループ 武藤敬3)、久保伸3)、長崎百伸4）
1)九大総理工 2)九大応力研 3)NIFS 4)京大
図子研究室
M2 了戒 智文
目 次
1. 研究背景、目的
2. 実験装置
3. 計測装置
4. 解析結果
1. 垂直磁場（Bz）印加による揺動特性
2. Bzと相対振幅
1. シアー長と揺動特性
2. 連結長と揺動特性
5. まとめ
研究背景、目的
研究背景
電流立ち上げに利用するＲＦの変換効率を上げるた
めには急な密度勾配が必要である。しかし、密度勾
配は変換効率を低下させる不安定性を駆動すること
がわかっており、揺動の安定化が必要である。
研究目的
ＣＰＤ装置の円環状プラズマで垂直磁場を印加し連結
長と磁気シアーを変化させ、揺動特性を調べる
実験装置
ＣＰＤ実験装置とLiオーブンの配置
ファイバー計測位置
CPD（放電管半径
≒0.6m,高さ±0.5m）
水素ガスを用いて高周
波（8.2GHz,100kW）を
利用したECRによるプラ
ズマ生成（R～0.160.2m）
垂直磁場（～40G）を印
加し、正曲率ミラー配位
で電流駆動(～3kA)の
実験
計測装置
Li + e- → Li* + e- → Li + hν
計測装置（シートLi Beam
LiIの発光強度と電子密度揺らぎの関係式
Turbulence Spectroscopy）
アンプ
Liビーム
周波数特性
500kHz
I LiI x  ne ( x)nLi ( x)  ve exc
 ve exc ： 励起の反応速度係数
10m
nLi (x)
： リシウム原子密度
レンズ
ne (x) ： 電子密度
光電子増倍管(R928)
受光面サイズ 8＊24mm
ADC
PC
Sampling frequency
300kHz
~
n~ I

n I
関係式より、発光強度
の揺動は密度揺動と等
価である
解析結果
円環状プラズマでのBz=0Gにおける電子密度分布と揺動特性
-100
-150
180
200
R (mm)
220
240
0.34
0.3
0.28
0.24
0.32
0.32
0.4
0.42
0.34
0.38
0.36
0.34
0.26
0.32
0.36
0.17 0.18 0.19 0.20 0.21 0.22
R(m)
相対振幅分布
密度勾配（-120mm）
密度分布
507795_0.18_0.2
0.3
-130
-0.105
-0.110
-0.115
-0.120
-0.125
0.22 0.26
-3
-120
-140
n~/n=0.3
250x10
200
150
100
50
0
180 190 200 210
R(m)
ne_2d(7795)
0.3
15
15
300
ne(m )
x10
250
0.32
0.24
200
0.24
RF=1ｋW
150
0.28
0.26
-110
Z(mm)
507795
（BZ=0T
BT=0.3T）
100
Z(m)
50
Ln≒2.6cm
n~/n=0.24
ne_2d(7846)
15
-120
300
Z(m)
-130
200
100
-140
0
-150
180
200
R (mm)
220
240
180 200 220 240
R(m)
-0.105
-0.110
-0.115
-0.120
-0.125
密度勾配（-120mm）
Ln≒4.6cm
507846_0.18_0.2
0.2
0.3
15
0.3
400x10
0.24 0.22
0.26
0.28 0.32
300
0.18
250
ne(m )
x10
200
0.22
150
0.18
RF=1ｋW
100
-3
Z(mm)
507846
（BZ=0.0032
T
BT=0.3T）
50
-110
0.2
-100
0.28
円環状プラズマでのBz=32Gにおける電子密度分布と揺動特性
0.28
0.32
0.17 0.18 0.19 0.20 0.21 0.22
R(m)
•密度分布は、Z方向に等密度線が存在しており、Ｒ方向には密度勾配ががあり、
Ln≒2.6cm、4.6cm程度の差がある
•相対振幅値はＢｚ印加により20%（0.3=>0.24）低下した
円環状プラズマでのBz=0Gにおける電子密度分布と揺動特性
0.8
20
0.6
0.4
10
0.2
0.0
6 7
2
3
3
4 5 6 7
0
7795_17_180_200_1.5kHz
507795_20_45_180_200ms
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
10
パワースペクトル,コヒーレンス
2
0
-2
0.17 0.18 0.19 0.20 0.21 0.22
R(m)
コヒーレンス二次元分布(1.5kHz)
4
f(Hz)
10
2
-0.105
-0.110
-0.115
-0.120
-0.125
phase (rad)
30
Z(m)
coh_507795_20_180_20
'Save_20_507795_0.18_0.2'
power(a.u.)
coherence^2
1.0 507795_20_45_180_200ms
6 7
2
3
4 5 6 7
3
2
4
10
10
f(Hz)
フェイズスペクトル（deg）
円環状プラズマでのBz=0Gにおける電子密度分布と揺動特性
30
507846_20_45_180_200ms
coherence^2
power(a.u.)
0.8
20
0.6
0.4
10
0.2
0.0
6 7
2
3
10
3
4 5 6 7
f(Hz)
2
4
10
0
-0.105
-0.110
-0.115
-0.120
-0.125
7846_12_180_200_1.5kHz
507846_20_45_180_200ms
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.17 0.18 0.19 0.20 0.21 0.22
R(m)
phase (rad)
coh_507846_20_180_20
'Save_20_507846_0.18_0.2'
z(m)
1.0
2
0
-2
6 7
2
3
4 5 6 7
3
10
2
4
f(Hz)
10
•ﾊﾟﾜｰスペクトルは、共にf≒1.5kHzで最大値を示しＢｚ印加によりf<8kHzで低下した
• コヒーレンススペクトルは、Bz=0Gで600Hz<f<8kHzで0.8程度を示し、1.5kHzでは、Z方向
に2.5cm以上,Ｒ方向に5cm以上の相関長を確認。Bz印加により0.2まで低下し分布では、局
所的な存在を確認
•フェイズスペクトルは、低周波領域（f<7kHz）でBz=0Gで位相差はないが、Ｂｚ印加により低
周波領域で最大で2rad程度の位相差を確認
連結長（Lc）と相対振幅値
0.44
0.40
0.36
0.32
0.28
0.44
0.40
~
n /n
~
n /n
Bzと相対振幅値
0.36
0.32
0
-10
-20 -30
Bz(G)
-40
-50
相対振幅値は（垂直磁場）Bz=0Gで
0.44程度を示していたが、Bzの増加と
共に低下し49Gでは0.29程度まで低下
した。
80
120
160
Lc(m)
200
Inf.
•連結長(Lc)に対する相対振幅値
(n~/n)の変化では、 Lcの低下と共に
n~/nは低下した
•Lc>188mではn~/nの急激な低下が
見られる
-49G(Lc=61.7m)
-40G(Lc=74.1m)
-30G(Lc=99.4m)
-24.5G(Lc=125m)
-15.3G(Lc=188.6m)
-9.8G(Lc=199.9m)
0G(Lc=inf.)
15
10
06 7
2
3
coh^2
4 5 67
f(Hz)
10
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0 6 7
3
2
10
4
コヒーレンススペクトル
-49G(Lc=61.7m)
-40G(Lc=74.1m)
-30G(Lc=99.4m)
-24.5G(Lc=125m)
-15.3G(Lc=188.6m)
-9.8G(Lc=199.9m)
0G(inf.)
coh^2
5
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
14
12
10
8
6
80
2
3
10
3
4 5 67
f(Hz)
2
4
10
120 160
Lc(m)
200 Inf.
20ch_Power(a.u.)
20ch_power(a.u.)
短絡（連結長の変化）による揺動特性
（f=1.5kHz）シアー長の変化による
コヒーレンスとパワー
パワースペクトル
•パワースペクトルは、Lc=inf.では低周波領域(f<4kHz)に幅のあるピークが見られ
たが、Lc<200mは低周波領域にピークは見られない
•コヒーレンススペクトルは、Lc=199mではLc=inf.と同様に低周波領域でcoh^2≒0.8
程度を示したが、Lcを短くすると600Hz<f<20kHzでcoh^2≒0.3程度を示した
•f=1.2kHzのパワーは Lc=199mで低下が見られるが、コヒーレンス値はLc=188mで
低下がみら、その後両者共に低い値を示した
磁気シアーと揺動特性
0.50
~
n /n
相対振幅値
0.40
11/15
7/11
7/10-7/11
7/11
0.30
30
40 50 60
Ls(cm)
•相対振幅値はLs=77cmでは、0.5程度
を示していたが、Ls=30cmでは、0.3程
度まで低下した。
70
ch20_Power
ﾊﾟﾜｰスペクトル
•シアー長による大きな違いは見られない
•Ls≒27cm ,Ls≒77cm共に低周波領域に
ピークが見られる場合もある。
•ピークの最大値はLs=inf.(Bz=0)より低
2
い
(SN506612)Ls=27.9cm
(SN506636)Ls=27.8cm
(SN506622)Ls=77.5cm
(SN506623)Ls=77.5cm
(SN506619)Ls=27.9cm
12
8
4
06 7
2
3
10
3
4 5 67
f(Hz)
4
10
磁気シアーと揺動特性
1.0 506536_20_45_105_115ms
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0 6 7
2
3
(SN506536Ls=27.8cm)
(SN506612Ls=27.9cm)
(SN506619Ls=27.9cm)
(SN506522Ls=77.5cm)
(SN506523Ls=77.5cm)
3
4 5 6 7
2
10
10
8
6
4
power(a.u.)
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
30
40
50 60
Ls(cm)
•Ls≒27cm では、低周波領域
(1kHz<f<3kHz)にピークが見られる場合
がある。
•Ls=inf.(Bz=0G)に比べ、ピークの値と幅
共に低下した。
4
f(Hz)
10
coh^2
coherence^2
コヒーレンススペクトル
70
1.2kHzでのﾊﾟﾜｰとコヒーレンス
•コヒーレンス値はシアー長が短くなると低
下した
•ﾊﾟﾜｰの値は27cm<Ls<78cmでは大きな
変化は見られなかった
まとめ
•垂直磁場印加する相対振幅値が低下しﾊﾟﾜｰスペクトルでは低周
波領域(f<8kHz)のピークが消えた。
•低周波領域(f<8kHz)でのコヒーレンス値の低下も見られた。
•垂直磁場強度の増加と共に相対振幅値が低下した。
•連結長が短くなると、 Lc<188mではf=1.5kHzで相対振幅値とﾊﾟ
ﾜｰスペクトル値、コヒーレンス値の低下が見られ揺動が安定化され
たと考える
•シアー長が短くなることにより相対振幅値の低下は見られた。
•パワースペクトルでは、Bz=0Gに比べ低周波領域でのピークの低
下が見られたが、 27cm<Ls<78cmでのシアー長による変化は見
られない。
•27cm<Ls<78cmのシアー長の変化では、コヒーレンス値の低下
が見られた。