QUEST研究会
九州大学応用力学研究所
2018.7.20

GAMMA10/PDXにおける高温ターゲット実験-QUEST実験への期待坂本瑞樹、GAMMA10/PDXグループ
筑波大学プラズマ研究センター

粒子制御におけるプラズマ対向壁温度の重要性
maxTwall～120℃

max
Twall～55℃

Wall Inventory
Γwall ~ 8.6x1016 H m-2 s-1

86420

真空容器温度が壁の役割（Sink, Source）

76675

Γwall ~ - 8x1015 H m-2 s-1

0.30.2max

低温壁（ Twall ~55℃ ）0.1

Γwall ~ 2.4x1016

Sink

H m-2 s-1

0-0.1

150

Temperature ( oC)

Wall temperature
10050001234Time (h)τD ~ 5 h 16 min

5max

高温壁（ Twall ~120℃ ）15080103

oTemperature ( C)Wall Inventory

0.4

Wall Inventory (10 21 H)

Wall Inventory (10 21 H)

106

Wall temperature

76675

Source100

これまで吸蔵した水素を放出する。

5000123Time (h)τD ~ 3 h 10 min

4

Sink-Source transition高温壁実験
第一壁全体の温度を高温（300℃から500℃）で維持し、静的リテンション量、共堆積および動的リテンションを大きく低減した状態で、ダイバータ排気を活用し定常運転の可能性を実証する。
Pump
Pump

②①Plasma

Pump
Pump

Features of GAMMA 10/PDX
for PSI & Boundary Plasma Researchφ

GAMMA10/PDXで行われているダイバータ模擬実験の特徴のひとつは、バックグラウンドの真空度が高い状態で、ターゲットにプラズマを照射することができるので、リサイクリング水素の状態が見やすい。
 There exists the plasma confinement region. (core-edge coupling) High Ion and electron temperatures (Te: ~50eV, Ti: 50~400eV)
 Low neutral pressure (~ 1 x 10-7 Torr) High magnetic field (0.15 ~ 1.5 T) Large plasma size (0.1~ 0.3 m)
 ELM simulation can be done by control of the thermal barrier.

Divertor Simulation Experimental Module(D-module)
Side view of GAMMA 10 end-mirror vacuum vessel

D-module rectangular parallelepiped boxPlasma
Inlet hole
φ 0.2 mWidth: 0.5 m
Hight: 0.48 m
Length: 0.7 m
Inside the vacuum vessel
Outside the vacuum vessel

D-module drive unit
Stroke: 0.85 m
Driving speed: 4 mm/s
Elevating system

Divertor Simulation Experimental Module(D-module)
Inlet hole
φ 0.2 mV-shapedTarget

V shaped target

Inlet hole

H2GH2 supplyTC V字ターゲットの開き角は遠隔操作で15o から 80oまで変更可能
 プラズマ流入口からV字ターゲットに向けて水素ガス供給することが可能 ターゲット板は573 Kまで昇温することが可能

heater350300

 タングステン製V字型ターゲット板(0.3 m x 0.35 m x 0.2 mm).

A heater is attached on
the backside of the target.

水素リサイクリングのターゲット温度依存性
573K

14523KHα Intensity (a.u.)12 ターゲット板温度を573K からプラズマ照射を開始。383Kまで下げた後、再び573Kまで昇温させた。

(a)1086 The Hα 線強度は、ターゲット温度の上昇とともに、２倍に増加。

4

open of a back door
2Hα_down
Hα_up

増加率の違いの原因は？

2.4

 これらの結果は、ターゲット温度とともに水素リサイクリングが促進したことを示唆している。

2.2

2.0

ne_down

open of a back door

ne_up

1.840

2.55(c)383634
Te_down (eV)400450500

T target (K)

550

Hα1.5

32Hβ1.00.5
Hβ1線強度もHα線強度と同様の変化

Te_up (eV)

32350

2.04

Hβ Intensity (a. u.)

Electron Temperature (eV)423K

383K(b)2.6 一方、電子密度の増加は、約20%。
電子温度は、ターゲット板温度に依存しない。

Hα Intensity (a. u.)

473KElectron Density (1016 m-3)

02.8

600

0250

300

350

400

450

Ttarget (K)5005500.0600

振動温度はターゲット温度に依存せず高温（~3400K）
回転温度はターゲット温度とともに上昇
5000

Fulcher-αバンドスペクトル(Ttarget=573 K)

振動励起準位が高い

Tvib (K)

4500
4000
3500
3000
2500
2000
250

Vibrational temperature
300

350

400

450

500

550

600

Ttarget (K)550

Trot (K)

500

450

400

Rotational temperatureℎ𝑐𝑑𝑣′ 𝑗 ′𝐼𝑎𝑣“𝑗” = 𝑑𝑣′ 𝑗′ × 𝑛𝑒 ∑𝑣,𝑗
𝜆𝑎𝑣“𝑗”

𝑑𝑣′ 𝑗 ′𝑗𝑅𝑋𝑣𝑗 𝐶𝑣 2𝑗 + 1 𝑔𝑎𝑠 𝑒𝑒𝑥𝑝

−𝐹𝑥 (𝑗,𝑣)
𝑥𝑘𝑇𝑟𝑜𝑡B. Xiao, et al., Plasma Phys. Control. Fusion 46 653-668, (2004).

−𝐺𝑥 𝑣 −𝐺𝑥 (0)𝑥𝑘𝑇𝑣𝑖𝑏350
250300350

400450500550600

Ttarget (K)A. Terakado et al., PFR (2018) to be published.

水素分子密度はターゲット温度とともに増加

Intensity of
Q branch (a.u.)

Qbranch発光強度(IQ1) のターゲット温度依存性
800

Q1(v=0-0)Q1(v=1-1)
Q1(v=2-2)
Q1(v=3-3)

600
400
200
0300
400
500
Target temperature (K)600 ターゲット温度を室温から573 Kまで上昇させると、Fulcher-α band
Q1-branch の発光強度(IQ1)は2倍程度上昇
 IQ1は電子温度と水素分子振動温度が一定のときは水素分子密度に比例
A. Terakado et al., PFR (2018) to be published.

分子の解離度はターゲット温度が変化しても一定
IHβ/IQ1のターゲット温度依存性
×10-3

I /I
HβQ1(v=0-0)
I /I
HβQ1(v=1-1)
I /I
HβQ1(v=2-2)
I /I

7.55HβQ1(v=3-3)

I

Hβ/I

Q1

102.5
0300
400500Target temperature (K)600 ターゲット温度の変化に対して、IQ1 / IHβはほぼ一定
 IQ1 / IHβ は電子温度、振動温度が一定で、分子の解離度相対変化の良い指標となる。 S. Kado et al., Journal of Nuclear Materials 337–339 166–170 (2005).

A. Terakado et al., PFR (2018) to be published.

観測結果のまとめと考察
ターゲット温度の増加とともに
 Hα 線強度は２倍に増加したが、電子密度の増加は約20% （電子温度は一定）
 ターゲットから放出された分子の振動励起準位はほとんど変化せず、その準位は高い
 水素分子密度がターゲット温度とともに増加。分子の解離度は変化せず材料表面で何が起きているのか？
ERプロセス

LHプロセス

ERとLHの中間領域として
Hot atom recombination
Hot atom recombination により生成された水素分子は高い振動準位を有する
Sabina Markelj, and Iztok Čadež, J. Chem. Phys. 134, 124707 (2011)励起原子（n=3, Hα線強度）のルーツ
n=3

電子衝突解離n=2

𝐻𝐻2 𝑋𝑋 1 Σg+ ; 𝑣𝑣 + 𝑒𝑒 → 𝐻𝐻2∗ 𝐵𝐵1 Σ𝑢𝑢+ + 𝑒𝑒

電子衝突励起電子衝突励起の断面積は振動励起準位とともに増加
Hot atom recombination
による振動励起分子の生成

壁温度の増加励起原子の生成
イオン化の促進燃料補給効率の増大

QUEST実験への期待境界プラズマ及びプラズマ・壁相互作用研究の空間スケール
各空間スケールでの現象に関して、巨視的観点と微視的観点の双方から総合的に理解することが重要

10m

1m10cmスケール

1cm1µm1nm

ダスト
粒子バランス
局所リサイクリング
中性粒子輸送局所熱負荷
壁直近での原子分子過程、不純物輸送

再堆積
微細構造
スパッタリング
材料表面でのナノ、ミクロスケールの現象、 照射損傷をマクロスケールでの理解に繋げる