平成23年度 筑波大学プラズマ研究センターシンポジューム	  於：つくばサイエンス・インフォーメーションセンター大会議室	  日時：2011年7月20日‐22日	

双方向型共同研究H22年度	  「タンデムミラーGAMMA 10における	  トムソン散乱計測による電子温度計測」	
筑波大学プラズマ研究センター 吉川正志	
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研究組織	  研究の目的	  GAMMA10トムソン散乱計測	  電子温度計測結果	  H22年度のまとめとH23年度の計画	

１．研究組織	
氏名	

吉川正志
今井 剛
市村 真所属	

筑波大学・大学院数理物質科学研究科・准教授
筑波大学・大学院数理物質科学研究科・教授

水口正紀

筑波大学・大学院数理物質科学研究科・教授
筑波大学・大学院数理物質科学研究科・准教授
筑波大学・大学院数理物質科学研究科・講師
筑波大学・プラズマ研究センター・博士研究員
筑波大学・大学院数理物質科学研究科・D2

今井寧央

筑波大学・大学院数理物質科学研究科・D1

大野洋平

筑波大学・大学院数理物質科学研究科・D1

谷口文彬

筑波大学・大学院数理物質科学研究科・M2

川端一男

核融合科学研究所･教授

山田一博

核融合科学研究所･准教授

安原 亮

核融合科学研究所・助教

舟場 久芳

核融合科学研究所･助教

南 貴司

京都大学・エネルギー理工学研究所･准教授

中嶋洋輔
小波蔵純子
宮田良明

２．目的	•GAMMA 10における電子温度計測を目的として、トムソン散乱計測システムを導入した。
•GAMMA 10では、C-ECH入射による電子直接加熱、P/B-ECH入射による揺動の抑制研究などが行われており、電子温度、密度の径方向分布の測定は重要である。
•GAMMA 10のプラズマ密度は、トーラス型核融合プラズマの周辺プラズマに相当しており、低電子密度領域での電子温度計測は、コアから周辺領域までのプラズマを詳細に調べるために重要である。

3-­‐1.	  GAMMA	  10トムソン散乱計測	

ne 〜 2×1012	  cm-­‐3	  Te 〜100eV	  Ti	   〜数keV	  トムソン散乱システム	3-2．GAMMA10トムソン散乱計測" 集光ミラー" ファイ
バーホルダー

ポリクロメーター
バンドル光ファイバーNA=0.47φ = 600mm
R = 1200mm
f = 873mm" レーザー

Nd:YAG Laser

λ=1064nm
2J/Pulse
10Hz

計測可能範囲±20cm Δd=5cm	

ミラー

レンズ
ミラー

ミラー

3-­‐3. ＧＡＭＭＡ１０におけるトムソン散乱システム	
集光ミラー	ＹＡＧレーザー	
光ファイバー	

取り込みPC	
オシロスコープ	
ポリクロメータ	
トリガーシステム	3-4．Raman散乱光の観測と迷光の見積もり
散乱体として窒素(N2)ガスを用いた。 GAMMA 10内の窒素ガスの圧力を変化させてX=-10, 0, 10 [cm]におけ

APDの出力	

散乱光強度は	  粒子数に比例する	る散乱信号のデータを取得した。
迷光の影響が小さい。実際にトムソン散乱計測を行う際には迷光の影響を無視できる。	

迷光	
粒子数(ガス圧)	

3-5．初期実験結果#216285 t = 211ms

2010年6月の実験でThomson散乱光が初めて観測された。Ch.1とCh.3のみでしか観測できなかったため、電子温度を算出することは困難であった。

3-6．光ファイバーの改良

S/N比が悪く、全てのチャンネルで散乱光を観測することはできなかった。電子温度を算出することは困難であった。これを解決するにはS/N比を上げる必要がある。

2mm

2mm

ノイズの大きさは既に数mVレベルまで低減されているので、ノイズをこれ以上大きく低減することは困3.5mm

難である。そこで光ファイバーの受光面積を2倍にすることで信号強度の増加を試みた。

受光面

7mm

3-7．新光ファイバーにより信号量増加#216641 t = 141ms

光ファイバーを改良したことによりS/N比を2~4まで上げることに成功し、4つのチャンネルで散乱信号を得ることに成功した。

G10	  sequence	  Laser	  sequence	  G10-­‐Thomson	  exp.	  Mme	  table	Delay	  	  0	  ms	  →	  110	  ms	  210	  ms	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  10	  ms	  →	  100	  ms	  200	  ms	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  20	  ms	  →	  	  	  90	  ms	  190	  ms	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  30	  ms	  →	  	  	  80	  ms	  180	  ms	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  40	  ms	  →	  	  	  70	  ms	  170	  ms	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  50	  ms	  →	  	  	  60	  ms	  160	  ms	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  60	  ms	  →	  	  	  50	  ms	  150	  ms	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  70	  ms	  →	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  140	  ms	  240	  ms	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  80	  ms	  →	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  130	  ms	  230	  ms	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  90	  ms	  →	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  120	  ms	  220	  ms	We	   can	   successfully	   measure	   electron	  temperature	   by	   using	   Thomson	   scaSering	  system	  shot	  by	  shot.	

4-2．電子温度計測結果
理論散乱光強度	
積分値	

以下の式を用いてある電子温度
626.72±31.22	の時の各チャンネル間の信号強度比を求める。	

522.52±33.09	
B(λ) : 較正曲線	

679.48±36.93	
864.60±82.06	

電子温度： 40	  eV	

4-3．電位と電子温度の関係
単純ミラーに閉じ込められた電子とイオンは、Pastukhov likeの閉じ込めでは、軸方向のイオンと電子の閉じ込め時間(τi, τe)は	

Z1=Z2=M=1、ne=niの下で両極性条件τe=τiを解くとここでφはセントラル部とエンドプレート間の電位差である。セントラル部の電位はGNBPにより求めている。このグラフを見ると、電位差は電子温度の約6.6倍となり、誤差の範囲内で上で求めた式に一致することが分かった。	  4-4．電子温度分布
ICRF時間帯	P/B-­‐ECH時間帯	
中心部	  40eV → 80eV	  周辺部	  Electron density[ x 1018 m-3 ]	

ほぼ変化なし	  Radius [ x 10-2 m ]5．H22年度のまとめとH23の計画• H22年度までに空間1点、1時刻の電子温度計測が可能となった。	  
• トムソン散乱計測によるプラズマ中心部の電子温度は、ECH印加前で~40	  eV、ECH印加中では~	  80	  eVであった。	  

• GAMMA10-­‐トムソン散乱計測システムの性能：	  	   	  計測電子温度範囲：0.02	  ~	  1	  keV（ΔTe	  ~	  10	  eV）	  	   	  計測可能範囲：±200	  mm（Δd	  ~	  15	  mm、50	  mm間隔）	  	   	  測定可能電子密度範囲： ~	  5×1011	  cm-­‐3程度以上	  • H23年度は、空間3点、2時刻の電子温度計測が可能となるように、ポリクロメーターを後2台製作する。また、空間多点計測のため、ADC(CAEN)の設定を行う。	  
• マルチパストムソン散乱計測システムの構築を行う。（LHD計画共同研究）	  これまでの研究成果	
＜査読付論文＞	  • M.	  Yoshikawa,	  et	  al.,	  “Measuring	  Electron	  Temperature	  in	  the	  Tandem	  Mirror	  GAMMA	  10	  Plasma	  Using	  a	  YSrium-­‐Aluminum-­‐Garnet	  Thomson	  ScaSering	  System,	  Plasma	  and	  Fusion	  Research,	  	  Volume	  6,	  1202095	  (2011)	  ＜査読無論文＞	  • M.	  Yoshikawa,	  et	  al.,	  “InstallaMon	  of	  Thomson	  ScaSering	  System	  in	  GAMMA	  10”,	  Annual	  Report	  of	  NIFS,	  April	  2009-­‐March	  2010,	  Nov.	  2010,	  p.	  489.	  
＜学会発表等＞	  • 吉川正志、他 「GAMMA10におけるThomson散乱計測システムによる電子温度計測 I」第27回プ
ラズマ・核融合学会年会、北海道大学学術交流会館（北海道）、2010年11月30-­‐12月3日[01P06].	  
• 谷口文彬、他 「GAMMA10におけるThomson散乱計測システムによる電子温度計測 II」第27回プ
ラズマ・核融合学会年会、北海道大学学術交流会館（北海道）、2010年11月30-­‐12月3日[01P07].	  
• 森本真人、「ガンマ１０におけるトムソン散乱計測による電子温度計測」、平成22年度 研究会「原子分子光の素過程とプラズマ分光の研究フロンティア」、平成23年2月2日（水）13:30〜2月4日（金）、核融合科学研究所管理棟4階 第1会議室	  • 吉川正志、他 「タンデムミラーGAMMA	  10におけるトムソン散乱計測システムの導入」プラズマ・核融合学会、第26回年会、京都府京都市国際交流会館、2009年12月1‐4日、2aD02P	  • 谷口文彬、「GAMMA10	  におけるトムソン散乱計測システムの導入」、平成21	  年度核融合科学研
究所共同研究 46th	  Annual	  MeeMng	  on	  Atomic	  Processes	  in	  Plasmas 「原子分子光の素過程とプラズマ分光の研究フロンティア」研究会、平成22	  年1	  月18	  日（月）‐19	  日（火）、核融合科学研究所シミュレーション科学研究棟
102	  会議室（1F）	  ＜学位論文＞	  • 修士（理学）論文 谷口文彬 「GAMMA	  10におけるThomson散乱計測システムの導入と電子温度計測」