九州⼤学応⽤⼒学研究所 第10回QUEST研究会

TST-2における低域混成波波動計測

高瀬・江尻・辻井 研究室
Yongtae Ko
高 竜太

2019年10⽉3-4⽇

TST-2 (Tokyo Spherical Tokamak - 2)
上側アンテナTST-2aポロイダル断⾯

R0Bz

外側アンテナ
大半径 (R0)

0.36 m

小半径 (a)0.23 mトロイダル磁場 (BT)電子密度

< 0.3 T
OH: < 120 kA
LH: < 28 kA< 2×1019 m-3

電子温度< 400 eV

プラズマ電流(Ip)Bø1静電容量結合型コムラインアンテナ
Capacitively coupled combline antenna (CCCA)
外側アンテナ
上側アンテナ

290 mm
190 mm

リミター (Z = 400 mm)
外側⼊射

上側⼊射

周波数

200.1 MHz200.1 MHz

入射パワー

~ 100 kW~ 100 kW

プラズマ電流（Ip） ~ 25 kA
最大電流駆動値(オーミック加熱の1/4).

リミター (R = 575 mm)~ 27 kA

q CCC アンテナの加熱効率2低域混成波 (Lower Hybrid Wave：LHW)
LHWの特徴パラメトリック崩壊不安定性 (PDI)

q プラズマ電流の駆動効率が高い．

q PDIはプラズマの３つの波の間の非線形な相互作用．

q 周波数領域q 電流駆動効率の悪化を引き起こす．

Ω"# ≪ 𝜔 ≪ Ω"&
イオンサイクロトロン周波数

電子サイクロトロン周波数q 波動のエネルギーを粒子の運動エネルギーへ変換されるランダウ減衰を通して電子を加速．
q 波動の主成分であるLHWと加熱に寄与しない

q PDIの一つの崩壊波である
イオンサイクロトロン準モード（ICQM）はイオンサイクロトロン周波数に対応する．

速波（Fast Wave：FW）の成分からなる．
• LHW：高周波磁場成分Bz• FW ：高周波磁場成分Bø

ICQM：

計測対象

計測対象
3

研究背景と目的
q 球状トカマク型装置TST-2では，高周波波動を用いた完全非誘導のプラズマ立ち上げ，電流駆動の研究を行ってきた．
q 電流駆動効率が高い低域混成波 (LHW) を励起し高効率な電流駆動を目指している．
q 世界で唯一稼働しているCCCアンテナを上側と外側に設置し，波動とプラズマの相互作用の研究を行っている．
q 入射位置の違いによる波動伝搬，プラズマ中の波動特性と空間分布に関する研究は行われていない．
q 周辺プラズマ領域の波動を計測するために，安価で容易なシステムで構成される高周波磁気プローブ（RFMP）を作成した．
q 計13-chのRFMPを用いて低域混成波の波動伝搬と偏光特性を計測し，空間分布の観点から，その波動特性を明らかにした．
4

アンテナとRFMPの位置関係
トップビュー

センタースタック前面とポロイダル面

q トロイダル磁場 (Bt) 順転時は時計回り（上から見たとき）
q トロイダル磁場を反転させることで，上側アンテナを用いて模擬的に下側から入射 →下側模擬入射
q 外側入射，上側入射，下側模擬入射の3つの入射方式を実現

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外側と下側に設置されている高周波磁気プローブ (RFMP)
同軸セミリジッドケーブル

金属遮蔽箱(スリット ⊥ コイル面)

V
f 10 mm

磁場B

1-ターンのピックアップアンテナ𝜕Φ
𝑉 = −𝑁= −𝑖𝜔𝑁𝑆𝐵1 𝑒 345
𝜕𝑡𝑁 ∶ コイルの巻数
𝑆: コイル面積

キャップ
プローブ固定用
ボビン
セラミックカバーq プローブ表面のスリットにより波の偏光を選択的に計測
q 先行研究(1)では，外側入射時の波動の偏光はBz成分が支配的．
q Bz方向にスリットが切ってあるRFMPを外側に3-ch, 下側に2-ch設置．
(1) T.Shinya, et al., Plasma Fusion Res, 9,3402040(2014)

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内側（CS）に設置されている⾼周波磁気プローブ(RFMP)
内側RFMPに8-ch (Bz : 4 ch, Bø : 4ch )Az
BøCz

裏側Slit : 1.2 x15 mm

q 既存のCSカバーに手作業でスリットを作成
q 設置前にネットワークアナライザを用いて偏光特性を計測．

Døq プラズマ赤道面を対称にプローブを配置．

EøFøRFMPGz
Hz

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計測システム
TST-2

上側アンテナオシロスコープ①

FFT解析

外側アンテナ

オシロ②….

～～

q オシロ①：1 GS/s, 2 Mword，②：500 MS/s, 1MWordの設定で計測
q ローパスフィルタ (240 MHz) + DCブロック + 50 Ω 終端を接続
q 測定された波形をFFT解析
q 199 MHz から 201 MHzまでのパワースペクトルを積算し信号強度として算出
8異なる入射方式を用いた放電波形--外側入射--上側入射--- 下側模擬入射

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外側入射時における波動伝搬
RF magnetic power [a.u.]★: RFMPd [mm]q 赤道面を原点にとり，内側→下側→外側に沿う形で横軸を作成した．
q O / ＊のシンボルはそれぞれBø (FW), Bz (LHW)の偏光を表す．
q 縦軸は積算されたパワーをプローブの感度で校正し，入射パワーで規格化した．
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Ref：Y. Ko, et al., Plasma Fusion Res. 14, 3402107 (2019)

外側入射時における波動伝搬
RF magnetic power [a.u.]★: RFMPd [mm]q 外側アンテナから入射されたLHW成分の波はMPlow で強くなり，内側プローブでは20-30 dB 減衰．
q 内側ではFWの偏光が強く観測された．
q MPlowの信号が強いことから外側から入射された波はプラズマ下方を伝搬し，吸収されずにFWへとモード変換された波が内側のプローブで観測されたと考えられる．
11

Ref：Y. Ko, et al., Plasma Fusion Res. 14, 3402107 (2019)

上側入射時における波動伝搬
RF magnetic power [a.u.]★: RFMPd [mm]q 外側入射に比べ外側，下側プローブでは信号が10 dB程減衰するのに対し，内側プローブで〜30 dB強い．
q 内側プローブの上側でLHWが支配的である一方，下側ではFWの偏光が強くなることがわかった．

12

Ref：Y. Ko, et al., Plasma Fusion Res. 14, 3402107 (2019)

下側模擬入射時における波動伝搬
RF magnetic power [a.u.]★: RFMPq 下側模擬入射では他の入射方式よりも，内側プローブで観測されたパワーが大きい．
q 内側プローブの上側から下側へ行くにつれて，徐々にFWの成分が大きくなることがわかった．
q 上側入射時に比べて，LHWとFW成分が混合した波が伝搬していることがわかった．
13

Ref：Y. Ko, et al., Plasma Fusion Res. 14, 3402107 (2019)

パラメトリック崩壊不安定性（PDI）
本実験で得られた代表的なPDI波形
CZ励起波

励起波

CZ

df -1
df +1

df -2

df -1

q 外側プローブ（低磁場LFS）と内側プローブ（高磁場HFS）を用いて外側入射と上側入射で計測した．
q 励起波を基準にイオンサイクロトロン周波数の整数倍分ずれて現れるピークは磁場強度に依存する．
q トロイダル磁場（BT）を90-160 [mT]まで変化させ，PDIかどうかを調べるためにサイドバンドピークの変化を追った．

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実験結果7/7

H2 exp.

パラメトリック崩壊不安定性(PDI)
外側入射
HFS df-2
LFS df-2

q ICQMピークは磁場に依存し変化
q ピークからその磁場強度を推定し径方向R [m]を計出．

HFS,
df +1

df -1

q ICQMに対応するPDIはR = 400-490 [mm]で起きていることがわかった．（先行研究とも一致）

上側入射
LFS df-1
HFS df-1

LFS
df+1, df-1

q 磁場依存性を確認．
q 磁気軸より内側R= 300-340で崩壊波が生じていることがわかった．
q 強磁場側と低磁場側のプローブでICQMピーク値が異なる．
q 異なる経路を伝搬している可能性がある．

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D2 exp.

Outboard launch density scan experiment
(i)

(iii)

(ii)

(iv)

Ne ~1.0x1017
Ne ~1.8x1017

(i)
(ii)

(iv)

q アンテナ近傍のプローブでは崩壊波による広がりが大きく観測．

(iii)

q アンテナから離れた内側のプローブではスペクトルの広がりが小さくなる．
q 密度増加に伴いアンテナ近傍での波の損失が増加することが示唆．

D2 exp.

Top launch density scan experiment
(i)

(iii)

(ii)

(iv)

Ne ~2.0x1017
Ne ~2.6x1017

(i)
(ii)

(iv)

q 外側入射と同様にアンテナ近傍のプローブでスペクトルの広がりが確認(iii)

q 外側のプローブではスペクトルの広がりが減少
q 上側入射時，重水素実験ではICQMに対応するピークが観測されなくなった．

まとめと今後の予定
まとめ
q 外側入射，上側入射，下側模擬入射の３つの入射方式でそれぞれ，波の伝搬とLHWの偏光を計測した．
• 外側入射→ プラズマ下方を伝搬し内側でFWが支配的．
• 上側入射→ 内側上部でLHWが強く，下方ではFWが支配的になる．
• 下側模擬入射→内側領域でLHWとFWが混合した波が伝搬．
q 外側入射，上側入射時にPDIピークを観測．ICQMサイドバンドピークは磁場に依存．
q 外側入射では外側で，上側入射では磁気軸よりも内側でPDIが発生．ただし，上側入射では異なる２カ所でPDIが起きていることが示唆．
q 密度増加に伴いアンテナ近傍で崩壊波によるスペクトルの広がりが大きくなる．
q 上側入射時，重水素実験ではICQMに対応するPDIピークが観測されなくなった．

今後の予定
q より詳細に波の偏光を計測するために新たに設計したRFMP（右図）を導入．
q 数値計算によるモデリングを行い双方向から波の伝搬を検討．
q 波動物理の観点からの考察．

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質問

• tst-2 で低域混成波を使う利点，電流駆動効率が⾼いのとは別に• モード変換の仕組み• なぜ他の周波数の波動を使わないのか．
• PDIに関して詳しく．
• 理論値と実験値で予想と違ったこと．
• 波動伝搬は実際にはトロイダル⽅向にぐるぐるしながら伝搬しているが，その過程で吸収されているのではないか．
→ FWに関しては吸収される前にモード変換され計測されていると思う．

補足

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まとめと今後の予定
まとめ
q 外側入射，上側入射，下側模擬入射の３つの入射方式でそれぞれ，波の伝搬とLHWの偏光を計測した．
• 外側入射→ プラズマ下方を伝搬し内側でFWが支配的．
• 上側入射→ 内側上部でLHWが強く，下方ではFWが支配的になる．
• 下側模擬入射→内側領域でLHWとFWが混合した波が伝搬．
q 外側入射，上側入射時にPDIピークを観測．それぞれサイドバンドピークは磁場に依存することがわかった．外側入射では外側で，上側入射では磁気軸よりも内側でPDIが発生．

今後の予定
q より詳細に波の偏光を計測するために新たに設計したRFMP（右図）を導入．
q 内側には波数を計測するためのプローブを導入し，高磁場側での波数を計測．
q PDIの発生条件，特性を調べるべく入射パワースキャン等，様々パラメータ領域で実験を行う．

プラズマ波動物理の理解の進展

23

核融合研究とプラズマの閉じ込め

プラズマの閉じ込め⼿法
コイル

プラズマ

コイル電流

コイル電流 磁⼒線
磁⼒線

損失が⼤きく閉じ込められない

トロイダル
トーラス コイル容器

荷電粒⼦のドリフト運動によって容器外側へとプラズマが逃げ出し閉じ込められない
トロイダルコイルが作る磁場と、中⼼ソレノイドコイルの誘導電場を⽤いてプラズマ中に電流を流して作る磁場によって螺旋状の磁場を作るトカマク⽅式

最も有⼒な磁場閉じ込め⽅式
図：高度情報科学技術研究機構 ATOMICA・
Wikimedia Commonsより

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核融合研究とプラズマの閉じ込め

トカマク⽅式のプラズマ閉じ込めによって、核融合研究は⼤きく進展
国際熱核融合実験炉 ITER
30 m
Ø 実際の燃料を⽤いた核融合反応で、⼊⼒エネルギーの10倍以上の出⼒エネルギーを得る
Ø 核融合に必要な⼯学技術の実証
Ø 核融合反応で得られたエネルギーの取り出しと、燃料であるトリチウムの増殖の試験などを⽬的とした国際プロジェクト

予算が数兆円規模と極めて⾼価であり、経済性の向上が課題
図：ITER機構Webサイトより

25

トカマク型の経済性向上を⽬指した研究
トロイダル 𝛽値 ＝ プラズマの圧⼒と磁場の圧⼒の⽐

効率の指標● 𝛽値が⾼いほど⾼効率なプラズマ閉じ込め

アスペクト⽐ A ＝ プラズマの⼤半径 𝑅 と⼩半径 𝑎 の⽐

経済性の指標● アスペクト⽐が低いほど強い磁場を作りやすくコンパクト
トロイダルコイル

真空容器
プラズマ

センターソレノイド
コイル（CS）

𝑅𝑎𝑅𝑎

⾼ 𝛽・低アスペクト⽐のプラズマを実現することで経済性を向上できる

26LHW polarization(corresponding to-＊- symbol in plot)

LHW polarization(corresponding to-＊- symbol in plot)

FW polarization(corresponding to-o- symbol in plot)

FW polarization(corresponding to-o- symbol in plot)

LHW polarization(corresponding to-＊- symbol in plot)

FW polarization(corresponding to-o- symbol in plot)27

上側⼊射の場合はプラズマの内側で波数が上昇し強く吸収される
GENRAY(Raytracing) / CQL3D(Fokker-Planck) による計算

Top launch CCW

Z[m]N|| = c k || /ωZ[m]Top launch CW

Z[m]

磁場⽅Nの屈折率
規格化パワーOutboard launch CW28

New probe assemble

Fragile29

Shinya Probe v.s new probe• noise test was held using 1 loop antenna• There is a possibility noise intrude inside ofthe probe metal shield at the tale of probe30

H2 exp.

(i)

Outboard launch density scan experiment

(iv)

(i)

(iii)

(ii)

(iv)

(ii)

Spectral broadening was observed in outer probes located near
Outboard antenna with increasing density.
• Spectral broadening is weaken under 150 MHz during gas puff in everyprobe.
• In contrast, spectral broadening and ICQM peak is weaken on inboardprobes.
•(iii)

H2 exp.

(i)

Top launch density scan experiment

(iv)

(i)

(iii)

(ii)

(iv)

(ii)

(iii)

Spectral broadening was observed in upper inboard probes located near Top
antenna with increasing density ( similar behavior with outboard case ).
• Spectral broadening is weaken under 150 MHz during gas puff in every probe.
•Frequency characteristics on the RFMP transmission line
Transmission
5.5 dB
5.5 dB•••The resonance noise was observed on the transmission line from probe to 5DFB cable
Power seems to decay rapidly under 50 MHz
This tendency can be seem on the measurement data.

33

Frequency characteristics on the RFMP transmission line
Reflection

34

PDI位置計算

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内側（CS）に設置されている⾼周波磁気プローブ(RFMP)
内側RFMPに8-ch (Bz : 4 ch, Bø : 4ch )Az

裏側Slit : 1.2 x15 mm

BøCz

Dø
EøFøRFMPGz
HzAngle [degree]q 既存のCSカバーに手作業でスリットを作成 → プローブの感度は一様でない
q 設置前にネットワークアナライザを用いて偏光特性を計測．
q プラズマ赤道面を対称にプローブを配置．

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