筑波大学技術報告
26: 52-55 , 2006

GAMMA10 セントラル部における多チャンネルマイクロ波干渉計によるプラズマ計測
嶋頼子 1
筑波大学プラズマ研究センター〒305-8577 茨城県つくば市天王台 1-1-1

ピニオン式になっており、ホーンの位置を水平方向に動かすことができる。電子密度分布を計測するにプラズマ研究センターでは磁場によるプラズマ閉 は、電子線密度の分布を実測し、その分布を計算機
じ込め装置 GAMMA10 においてプラズマ閉じ込めの で電子密度の分布に変換する。現状のシステムでは、実験を行っている。磁場により閉じ込められたプラ 電子線密度の分布計測は、加熱条件を一定に保ったズマの電子密度分布を計測する為、セントラル部に まま、-9cm～+15cm の間で 10 プラズマショットを使おいては可動式のマイクロ波干渉計を用いた電子密 い 3cm ごとにホーンを移動させて電子線密度の分布度分布計測が行われている。このシステムによる電 を計測している。電子密度の計算は計算プログラム
子密度分布計測は約 10 プラズマショットを要する。 を用意してあり分布計測終了とほぼ同時に行うことこれを改善する為昨年度より、より少ないショット ができる。
この方式では平均 10 プラズマショット程度のデーでの電子密度分布計測を目標に多チャンネルマイクロ波干渉計の開発を行っている。今年度、多チャン タが必要で、ショットによるプラズマ生成の再現性ネルのマイクロ波干渉計をセントラル部に設置し、 の影響を受けやすい。1 プラズマショットで電子密度可動型の干渉計のデータと組み合わせることにより、 分布を求められるようになれば、密度測定精度が上
１プラズマショットで電子密度分布計測を行うこと がるとともに、プラズマ揺動の径方向分布計測にもができるようになった。今回は多チャンネルマイク つながりプラズマ閉じ込めの改善に役立つようになる。
ロ波干渉計とその計測結果について報告する。
昨年度、多チャンネル干渉計設計を行い、システムの検証行った[2]。本年度は、3チャンネルにて稼１．はじめに動し更に 12 月には 6 チャンネルに増設し 1 プラズマ
プラズマの電子密度の計測は、プラズマの状態をショットにて電子密度分布計測を行うことができる知る上で大変重要な値であり、マイクロ波をプラズ ようになった。
マ内部に透過させてその位相の変化を計測する干渉法は、プラズマの内部を乱すことなく測定でき、２．多チャンネル化
GAMMA10 においてもアップコンバータをもちいた[1]ヘテロダイン型干渉計 を導入している。
セントラル部においては可動式のマイクロ波干渉 2.1 システム計を用いた電子密度分布計測が行われている。図１
多チャンネル化に当たり、入射するマイクロ波のに可動式のマイクロ波干渉計を示す。真空容器内部 ビームをプラズマ中心部で集光させるようレンズをに上下に設置されたホーンアンテナはラックアンド 設計したが、ベンチテストの段階でうまく集光して概要

図１. 可動型干渉計
1E-mail: yoriko@prc.tsukuba.ac.jp; Tel: 029-853-7464

いることが確認できず、レンズ無しで稼動させた。
このため、送信側のホーンは 1 つにし、ビームの広がりを利用し下部に受信ホーンを並べた。測定位置
は、受信ホーンの位置と真空容器中心までの距離と光線追跡計算から割り出すことにした。
部品等の到着の関係から最初は 3 チャンネルにて計測することにし、3 チャンネルから 6 チャンネルに増設する予定とした。図 2 に多チャンネル干渉計のシステム図を示す。青で示しているのが、6 チャンネ
ルに増設時に必要な物品である。
チャンネル数を増やす場合には発振器の出力が十分に大きければ、出力を分割し受信側を増設すればよく、発振器とアップコンバータの増設は必要ない。
設置するホーンの位置はセントラル部中央 z=0cm で、真空容器外部の上下にホーンを取り付ける。セントラル部の上・下部にはテフロン真空窓があり、その外側の y 方向に 6 ポート設置する。

図 2. システム図

coaxial cablewaveguide

waveguide(over size)

ATT

ATT

ATT

ATT

ATT

ATT

ATT

6dB

6dB

6dB

ATT

6dB

ATT

6dB

Lo:10-17dBm
IF:-5-+10dBm*Lo+IF<20dBm
Lo:14-15dBm
RF:+5dBm

ATT

6dB

3dB

6dB

up-convertor

10dB

AMP

AMP

AMP

BPF

BPF150MHz

BPF

phase
detectionsystemphase
detectionsystemphase
detectionsystemdivider

Impatt 40V,0.86A

BPF

divider70GHz,30dBm

gunn 10V,0.25A

IMPATT
OSCILLATOR

A/D今 回 使 用 し た 発 振 器 は 70GHz, 出 力 30dBm のンネルから得られた線密度の時間変化を示す。
IMPATT 発振器である。IMPATT 発振器で高出力発75msec 以降にデータ飛びが見られるが、全 6 チャン振させ GUNN ダイオード発振器と組み合わせ周波数 ネルとも線密度が計測できているのが分かる。
を安定化させている。
位相検出回路の出力はサンプリング時間 0.2ms のLine Denticy #198575
A/D 変換機にて取り込み計算機にて線密度を計算さ
x 101315せる。現在設置してあるセントラル部の可動ホーン
y=6cm型干渉計は z=60cm であり、二つの干渉計を利用し、y=3cm
より詳細な分布計測も可能になる。
y=1cm
102.2 多チャンネル化の実際レンズの設計がうまくいかない状況と、物品納入のトラブルなどにより、3 チャンネルで計測を続けていたが、12 月の実験にあわせビームの広がりを利用して送信ホーン 1 個にて 6 チャンネル化を行った。
6 チャンネル化のときに判明したトラブルで、納入された導波管の規格違いがある。本システムで使うマイクロ波は 70GHz で導波管は E-band、フランジは一部を除いて UG387 の規格である。３チャンネル時に受信部に用いた直線導波管（本年度納入品）をチャンネル増設時に外したところ、フランジはあっていたが、導波管の規格が違っていることが分かった。
図 3 の左が納入された直線導波管である。右が E-bandの導波管であり、太い導波管が付けられているのがわかる。返品交換となったが、マイクロ波コンポーネントはほとんど輸入品のため、納入までに数ヶ月要することになった。そのため、大部分の直導波管を素材とフランジとを半田付けして作成した。
このように、足りないパーツは既存品で代用するなどして、多チャンネル化を行った。

y=-2cmy=-4cmy=-7cm5050556065707580859095100time [ms]図 4. 多チャンネル干渉計で得られた線密度

3.2 電子密度分布の導出
得られた多チャンネルのデータにZ=60cmで計測しているy=0cmのデータを組み合わせた７箇所の線密度から半径方向の線密度分布を出し、更にそこから電子密度分布を計算した。得られる電子線密度の分布は中心軸がずれている為それを補正する。その補正値が図 5 (a)のr0 である。データの補間をし、電子線密度の分布を 8 次関数で算出する。8 次関数で近似した結果が実線である。その結果をアーベル変換し電子密度の分布を求める。求めた電子密度分布が図 5(b)である。多チャンネルのデータと既存の干渉計のデータを組み合わせることにより 1 プラズマショットで電子密度の分布が計算できている。プラズマの中心部で電子密度は約 4.5x1012cm-3になっていることが分かった。
13x 1014(a) NLcc profile t = 74 ms
12 (#198575)

observed datainterpolated data
inverse abel transfomed

108r0=
ans1 =
ans2 =
ans3 =
ans4 =
ans5 =

64

図 3. 直線導波管

３．実験結果2(b)0-20-15-10-5x 1012
53.1 計測

4.5

上部に送信ホーン１個を設置し下部に受信ホーン6 個を設置しプラズマ計測を行った。測定位置は、受信ホーンの位置と真空容器中心までの距離、光線追跡計算から、6cm,3cm,1cm,-2cm,-4cm,-7cm と算出した。
本システムで重要なのは透過波、参照波、低周波発振器パワーのバランスであり、アテネータやアンプなどを使いアップコンバータや位相検出回路の特性に合わせるようにした。 得られたデータをサンプリ
ング時間 0.2ms の A/D 変換機にて取り込み線密度の計算を行った。図 4 に多チャンネル干渉計の各チャ

3.5

4321.5
10.5-2005

Radius [cm]101520101520

NEcc profile t = 74 ms(#198575)

2.50-0.78889
1.1468148e+14-4.5103835e+11-2.1263062e+082438357.4-2276.5004-15

ans1 =

4.4663497e+12

ans2 =-7.2477521e+09

ans3 =-54613475

ans4 =

152181.41

ans5 =-99.71553-10-505Radius [cm]図 5. 密度分布の計算

3.3 データ解析

参考文献

計測することができた 60ms～74ms 間の電子線密度を用いてこの間の電子密度分布の時間変化を0.02ms 毎に求めた。図 6 にその結果を示す。電子線密度分布を出す際に補正した半径方向のずれも反映させ、横軸に真空容器内の位置を取っている。(a)が電子線密度の時間変化で(b)は電子密度の時間変化である。このように解析することによりプラズマの局所的な揺らぎを見ることができる。
[cm-2](a)

NLcc #198575

x 1074131273.8

10873.6

673.4
473.2

27320

10010vaccum vessel Radius [cm](b)200[cm-3]
x 10 125NEcc #198575

744.573.8

43.573.6

32.573.4

21.573.2

10.573 20

10010vaccum vessel Radius [cm]200図 6. 線密度と密度の時間変化

４．まとめ
多チャンネル干渉計を６チャンネルで稼動することができ、１プラズマショットで電子密度分布を計測することができた。今後はレンズを取り付け更に精度を上げ、定常的にデータを提供できるようにしたい。またプラズマ揺動の径方向分布についても解析を行っていきたい。

謝辞
本報告書を作成するに当たりご協力ご助言頂いた
板倉先生、吉川先生、またマイクロ波グループの皆様に感謝申し上げます。

[1]嶋 頼子:ヘテロダイン型干渉計の製作と GAMMA10への適用, 筑波大学技術報告 (2000) 29-34.
[2] 嶋 頼子: GAMMA10 セントラル部におけるマイクロ波干渉計の多チャンネル化, 筑波大学技術報告 (2005)
50-53.