平成25年度合同会合：
第1回プラズマ物理クラスター・スクレープオフ層とダイバータサブクラスター
第3回炉工学クラスタ ブランケットサブクラスタ
第3回炉工学クラスター・ブランケットサブクラスター
第1回炉工学クラスター・ダイバータサブクラスター
筑波大学プラズマ研究センターシンポジューム
双方向型共同研究「磁化プラズマ中の壁不純物粒子挙動とプラズマ特性への影響」
平成25年8月29日(木) -30日(金) @つくばサイエンスインフォメ@つくばサイエンスインフォメーションセンタ−ションセンタ

先進マイクロ波計測器の開発と高温プラズマ実験への適用に関する研究
徳沢季彦、小波蔵純子1 、吉川正志1 、嶋頼子1、長山好夫、川端一男、間瀬淳2

National Institute for Fusion Science
1 University of Tsukuba
2 Kyushu
Kh U
Universityii
1

本研究課題における「先進」の意味¾技術的「先進」性のみを意図するものではなく、むしろ¾将来の装置においてマイクロ波計測適用を行うために必要となる要素を「先進」としている。（「先取？」）¾「素」でかつ「堅牢」な計測手法の原理実証¾素」でかつ 堅牢」な計測手法の原理実証¾マイクロ波パルス計測手法の適用¾周波数領域の拡大：「マイクロ波からテラヘルツ波へ」「¾シミュレーションの高精度化¾ドップラー反射計の適用
Î原理実証をGAMMA10プラズマを用いて行う。

2FERP
Fusion Engineering
Research Projectin NIFS

mirror

φ70 mmDiagnostics
components

9All components are located outside neutron /radiation
protection (similar to ITER: Æ We will be able to study
and use the experience in ITER)

マイクロ波‐テラヘルツ波計測
FFHR-d1炉心プラズマにおける想定される特性周波数の半径方向分布。正常波カットオフ(O-mode)、異常波カットオフ(X-mode)およびサイクロトロン周波数を示している。また想定される電子温度（10keV）における相対論効果による周波数変化を点線で示している。

Ref: A. Sagara et al., Rev. Fusion Eng.
Des. 87 (2012) 594.
相対論効果は（トカマクで懸念されているより）小さいEmission and Detection of THz Waves
Terahertz Time-Domain Spectroscopic System
Output current signal is proportional(THz-TDS)
to electric field of THz wave.

Detector

Time delay stage

G pulseGatel
Time (ps)Excitation
pulse

Femtsecond laser

J(t)E (t )∝Sample∂J (t )∂tE(t)EmitterDeveloped mainly by Grischkowsky’s group (IBM)Time (ps)M.Hangyo (ILE, Osaka Univ.)Plan of THz pulsed radar reflectometer¾ テラヘルツ時間領域分光法(THz-TDS)のプラズマ計測への適用
Photocurrent

DC bias- V +Femtosecond
Laser

J(t)

Emitter

RadiatedfieldE(t)E (t )∝∂J (t )∂J∂t
PLASMATime (ps)LT - GaAs

PhotoCondutive
Antenna

Delay line

Hyper-hemispherical

Si lens

Optical Fiber

W ave GuideDetector
ACurrent amp.
Time (ps)Laser Room

Plasma Experimental Room

¾テラヘルツ波の（長距離）伝送¾励起レーザー光のファイバー伝送

step16

THz TDS system layout
Hamamatsu Photonics K.K.
model: G10620-12 (bow-tie)

Spectrum

λ=780nm+/-4.8nm
Poutput=79.3mW
PulseWidth=120fs

NT60/65stroke : 65mm
resolution : 0.1um
speed : 1000mm/s

Test system of THz-TDS on the optical bench

7

Example ofTHz-TDS signal• Lock‐in : 10mV, 10ms
• Current amp: 10^6
• Chopper : 3.193kHz• Stage speed: 20m/s• Sampling : 0.2kHz

FFTmeasured signal

実測値

Generation of THz
wave (0.1~2THz)(0 1~2THz)
can be obtained8

Test of Teflon
Example of TDS measurement by teflon

Δφ = Δkμ dd

Width of Teflon can be estimated9Estimation of DEMO-like plasmap•••

カットオフ周波数よりも高いプローブyy周波数を用いたDelayometry計測から
線平均密度 ne広帯域周波数をプローブすることで、Delay timeが最大となる周波数からピーク密度 ne _ max
最大カットオフ周波数以下の信号による反射計測から密度分布 ne ( ρ )10Delayometryyy ((Refractometry)y)
プラズマを透過したことによる遅れ時間はれ時間は、
a2τ pe = ∫c−a1

ω ( x)
21−

T. Tokuzawa et al., RSI 72, 328 (2001)− 1 dxpe

ω02となり、カットオフ周波数よりも高いプローブ光の場合、線平均密度は次式のように記述できる。
ne ≅マイクロ波を用いたパルスレーダ方式
によるＬＨＤプラズマ計測での実証例
による
プラズ 計測での実証例

青線は干渉計データから求めた値

τ pe cnc
2aメリット：・原理的に位相トビがない。
・計測値の履歴が不要。
11

Impulse & Frequency spectrum
Microwave range
00.8-14015C+5208-2Signal [a.u.]
S-3
518ps

Frequency
qy spectrap1

PSD [arb. units]

23ps

Signnal [a.u.]

10-54016+5206

0.64015C+5208
0 5C 5 08

04
0.4

U

0.2

4016+5206

X
ku

-10
100-150s (t ) =50

100
time [ps]150⎛ t2 ⎞
1⎟exp⎜ −2 ⎟⎜2π σ⎝ 2σ ⎠

200

F.T.

0ka
20

4060
80
qy[]
frequency[GHz]⎛ ω 2σ 2 ⎞⎟⎟S (ω ) = exp⎜⎜ −2 ⎠⎝100

128-60GHz Ultra-short Pulsed Radar Reflectometer
40-60GHzPSPL 4016 & 5206
Impulse:18ps
Amplitude: -1.5V

26-40GHz

PD

plasmaPD
4 f0

8-18GHz
Detector
LPF<18GHzclock

42GHz(+/-0.5)

f0

2 f0

Mixer

BPF
26-40GHz
pre Amp
2-18GHz
SW

BPF
40-60GHz

Mixer

pre Amp
8-18GHz
BPF
12.0,18.0+/- 0.2GHz
0 2GHzpre Amp
2-18GHzBPF
9.0,11.0+/- 0.2GHz

CFD

PC
E/O

E/O

BPF
3.0, 5.0,7.0, 9.0,11.0,13.0 +/- 0.5GHz
4.0,6.0,8.0,10.0,12.0,14.0 +/- 0.2GHz

start
TAC

O/E

CFD
E/O

0.01-1.5GHz

36GHz

0.01-1.5GHzstop
Aurora14
PXI

0.1-2.2GHz

TOF measurement
waveguide

semirigid cable

co-axial to waveguide adaptor• インパルス電圧を光源としたパルスレーダシステム• マイクロ波スイッチを利用して、空間28点を100kS/sで計測。

13

Density Profile Measurement#75908 USPR

554GHz4Time of flight

Density profile

55Time of Flight [nns]48GHz

432135GHz

29GHz

1020 30 40 50
frequency [GHz]r (ω )

31GHz

20033GHz

31037GHz324
ne [x1019m-33](a)

TOF [ns]

62 c 0τ p (ω0 ) =c ∫ra11−ω 2pe (x )60dx0rc (ω0 ) =ω02

10.2x [m]0.3ω0τ (ω )cπ ∫0

ω02 − ω 2n e[10 19m -3]

Density
Dy profile
p f4(b)322
100.5 00.4 00.3 0]mx[e19-3

n__bar [10 m ]

40

1

1.5

2

time [s]

2.5

3x[m]

0.4

Abel Inversion

9GHz00.1

0.2 0

0.10
0.00 1.0

1.5

2.0 [s]
time

2.5

3.0dω

ToF measurement trial
in GAMMA-10
GAMMA 10ne~2x1018m-3

plasmablack: w/ plasma
pinkk : w/o/23ps
p impulse
p+ 30dB amp(6-18GHz)p()
ToF measurements was tested in GAMMA10 plasma

16

ToF measurement

17

Doppler Back Scattering (DBS)の目的¾ITG領域乱流密度揺動の周方向回転速度 および¾径電場(E )の半径方向分布の計測¾径電場(Er)の半径方向分布の計測¾他の計測（BP,分光）との比較による計測手法の適用領域の理解¾回転速度のイオン種依存性¾径電場形成物理機構¾マイクロ波計測シミュレーションコードの高精度化のための比較実験¾時間変動する密度揺動を与えたプラズマ場におけるFDTDシミュレ ション
るFDTDシミュレーション¾セントラルセル部のモデル化が(比較的容易な)円形プラズマを対象とした実験
18

Principle of Doppler Reflctometerfor poloidal velocity / density fluctuation measurements• wave number is decided bygg condition:
Braggθ
m=-1k ⊥ = 2 ⋅ k 0 sin (θ )m=0 : reflectionmf• Wave number resolution isdecided by a beam width:m=+1⎛ w2 k0 ⎞2 2
⎟Δk ⊥ =1+ ⎜⎜ ρ eff ⎟w⎝⎠

2• Doppler
pp shifted frequency:
qyk⊥

Ν =0

Ν = sinθv⊥

St o g poStrongpoints：
ts
9 Wave number is selectable in theITG/TEM range
9Nd f
ifiil

ω D = −k ⋅ υ≈ −k ⊥υ ⊥υ ⊥ = υ phase + υ E×B

Principle of Doppler Reflctometerfor poloidal velocity / density fluctuation measurements• wave number is decided bygg condition:
BraggωDk ⊥ = 2 ⋅ k 0 sin (θ )• Wave number resolution isdecided by a beam width:⎛ w2 k0 ⎞2 2⎟
Δk ⊥ =1+ ⎜⎜ ρ eff ⎟w⎝⎠

2• Doppler
pp shifted frequency:qy‐123.2+/‐2.6kHz

St o g po
Strongpoints：
ts
9 Wave number is selectable in theITG/TEM range
9Nd fifiil

ω D = −k ⋅ υ≈ −k ⊥υ ⊥υ ⊥ = υ phase + υ E×B

Targetg pparameters of Doppler
pp RM①

pp shifted frequencyqyDoppler→ poloidal velocity②Integration in frequency domain→ wave number spectrum③

ωDω D = −k ⋅ υ≈ −k ⊥υ ⊥S(ki)S(ki)kTemporal behavior of Doppler shift frequency→ velocity / frequency of background plasma (zonal flow, GAM, etc.)

ωDtimeRadial Electric Field Force Balance

main ion
impurity

AUG : J.Schirmer, NF(2006) S780

22

2D FDTD (Finite-difference time-domain) simulation•••••

プラズマ周辺部領域での２次元計算空間
プラズマ放電で観測された電子密度分布を用いた計算
マイクロ波光源からガウスビームを斜め入射し、プラズマ中を伝搬する電磁波成分をMaxwellの方程式から求める。（FDTD法）
カットオフ層に密度揺動成分を与え、これによる散乱波成分について調べる。
密度揺動成分は、振幅・空間変動・波数・位相をパラメータとして与え、これらの依存性を見た。

Source / detection

ＦＤＴＤシミュレーション空間（Ｒ－ｚ空間）の電子密度分布のコンター図。左端の線が40GHz O-modeのカットオフ層。

23

FDTD simulation results• 揺動成分の空間変動を1/3 ～ 1 ～ 3 と変化させた例。
Δr : 3.0

Δr : 1.0

Δr : 0.33

密度変動の増大に伴い、合成散乱波への影響も大きくなる様子が見えるる様子が見える。
24

Flow simulation


流速を持つ乱流成分の伝搬をシミュレート
密度揺動の位相の変化に伴う散乱波信号を逐次計算
π/4毎の位相変化に伴う、マイクロ波検出器に戻った散乱波電界強度
ポロイダルフローにしたがって、散乱波信号の位相変化、散乱波信号 位相変を確認
今後、より複雑な乱流モデルを用いて 実在プラズマを模を用いて、実在プラズマを模擬しうる計算を行う。

密度揺動の位相伝搬に伴う、検出器信号
密度揺動の位相伝搬に伴う検出器信号位置における散乱波電界強度の変化

25

GAMMA10 Homodyne DBS system

加熱条件：高周波（RF3）印加による西アンカー部の加熱

電子線密度~5×1017 m-2
Source : synthesizer
11.5 - 18 GHz
polarization : X-mode
DAC : Oscilloscope (5MS/s)

Frequency ((GHz)

2520fr15

fce

10flfppe

500510r (cm)152026

Experimental example
Complex frequency spectrum
0.007#225880 t=160 ms(a)0.006

PSDD (a.u.)

0.005+18°0.004
0.0030.0020.0010-4000.015

0Frequency (kHz)400#225894 t=160 ms

((b))

0.01
PSD
D (a.u.)9イオン反磁性ドリフト方向に回転している。
9ドップラーシフト周波数から、径方向のプラ
ズズマ回転速度は、それぞれ転速度は それぞれ (a)~2.2( )kkm/s、/(b)~3.6 km/sと推定。
9径方向電場は、~1 kV/mと見積もられる。
今後他の計測との比較。

-12°

0.005

0-400

0
Frequency (kHz)40027

New antenna design

9入射角度可変9ガウシアンビーム
9集光光学系28まとめ将来の核融合炉への実装を視野において、マイクロ波計測器の開発を行っている。
計測器の開発を行っている
位相とびのない電子密度線積分値計測＋密度分布計
測の同時計測の実証のため、G MM測の同時計測の実証のため、GAMMA-10装置に超短装置 超短パルス計測システムを適用し、初期データを得た。実証に向けて、データ数を増やすこと、また周波数空間を広げる とが課題げることが課題。
径電場計測が可能なDBSシステムを適用し、比較可能な種々の計測器があるGAMMA 10装置において 電な種々の計測器があるGAMMA-10装置において、電場形成機構の解明に向けた実験を行う。
 イク 波シミ レ ションの高精度化のため、計測実マイクロ波シミュレーションの高精度化のため、計測実験データとの比較を行うことを目指して、新しく集光光学系のアンテナを導入する。
29