2011.7.22

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

GAMMA 10 における高密度/高エネルギー粒子束に対する直接エネルギー変換の基礎研究研究代表者

竹野裕正（神戸大学）

研究分担者

八坂保能（神戸大学）
冨田幸博（核融合科学研究所）
石川本雄，中嶋洋輔，片沼伊佐夫（筑波大学），他

報告内容

1. DEC 研究と双方向型共同研究
2. 2010 年度の研究結果 — CUSPDEC
3. 2010 年度の研究結果 — TWDEC
4. 2011 年度の研究計画
5. まとめ筑波大学プラズマ研究センターシンポジューム— 07/22/11, P 1

1 DEC 研究と双方向型共同研究／経過と現課題（CUSPDEC: 粒子分離と熱粒子回収，TWDEC: 高速イオン回収）
96

98

00

0204

0608

10

実機対応

原理検証
TWDEC構築（京都大）
原理検証実験CUSPDEC構築（京都大）
原理検証実験
TWDEC移設（神戸大）
原理検証実験
誘導励起過程

LHD
計画共同研究 第1期

減速過程

高エネルギー 実験則CUSPDEC移設（神戸大）
実験則(GAMMA 10)

高機能／変調器改良
高機能／イオン種分離

第2期

双方向型共同研究(TWDEC)

高密度対応

高エネルギー実証
高帯域対応
発電デモンストレーション

高帯域対応(CUSPDEC)

筑波大学プラズマ研究センターシンポジューム— 07/22/11, P 2

回収電力

粒子エネルギー

1 DEC 研究と双方向型共同研究／ロードマップ

高性能分離
二次電子対策CUSPDEC

100keV高エネルギーイオン分離

1W

統合化

自励発振

外部伝送回路
高密度化
10keV

多段減速減速器
変調器

TWDEC

高帯域化

051mW

10152025

年

筑波大学プラズマ研究センターシンポジューム— 07/22/11, P 3

2 2010 年度の研究結果 — CUSPDEC
extraction
electrodeline cusp

helicon wave
excitationcoil C 2 antennacoil C 1

electron

P1

orificegascoil BP2coil A

plasma source

ion
ion

P4
P3point
cusp

electroncoil A

P3,P4

coil C 2
coil C 1line cusp
RFpumpprobepump

P2

P1,P2
電子コレクタP1V exコイル A,B
カスプ磁場形成
コイル C1,C2
プラズマ生成／ガイド

coil B

イオンコレクタ
プラズマ源
RF 生成／バイアス可能

筑波大学プラズマ研究センターシンポジューム— 07/22/11, P 4

2.1 CUSPDEC における 2 段減速のシナリオ
electroncollector

o
ctr
elen

sub ioncollector

low energyionstagnated
ions

ergy
high enion

main ion collector

cusp magnetic field coils

高密度プラズマ→ イオンコレクタ前に滞留イオン＝ 低エネルギー
イオンの障壁axis

入口の側面電極をサブコレクタに（2 段減速）
低エネルギーイオン — サブコレクタ
高エネルギーイオン — メインコレクタ
電子 — 磁場で電子コレクタに筑波大学プラズマ研究センターシンポジューム— 07/22/11, P 5

2.2 2 段減速による回収電力の増大
Pm [µW]40

滞留イオンがない／少ない場合でもイオンコレクタの電位で同様に反射2003coil B

Ps [µW]P2(a)Vex=0.6kV
Vex=0.8kV(b)21coil A
P3/4
low energy ion

P1000.2

0.4

0.60.8E
high energy ion

Vm [kV]

筑波大学プラズマ研究センターシンポジューム— 07/22/11, P 6

2.3 電極位置に対する回収電力の変化／主コレクタ
40電極位置で電界／反射位置が変化

P2

Pm [µW]

Vex=0.8kV

20
Vex=0.6kV

coil Bcoil A
P3/4
low energy ion

P1high energy ion

04080
z4 [mm]120

筑波大学プラズマ研究センターシンポジューム— 07/22/11, P 7

2.4 電極位置に対する回収電力の変化／副コレクタ(Vex = 0.6 kV)
z4=
46mm

864mm
101mm

473mm

8Pm [µW]

Ps [µW]

55mm

Vex=0.8kV

4
Vex=0.6kV

129mm

00.30.4
Vm [kV]04080
z4 [mm]120

筑波大学プラズマ研究センターシンポジューム— 07/22/11, P 8

2.5 副コレクタの改良(Vex = 0.6 kV)
z4=
46mm

30

サブコレクタの側面積を約 4 倍に拡張
Ps [µW]

73mm

20P2

coil B

101mm
129mm

10coil AP3/4
P1
low energy ion
high energy ion

00.30.4Vm [kV]

筑波大学プラズマ研究センターシンポジューム— 07/22/11, P 9

2.6 粒子軌道計算による最適条件の見積
20600.8
Vs [kV]

400.6

15100.4500.280

11.52

Vm [kV]

想定条件： GAMMA 10 端損失()√E − Esf (E) ∝ E − Es exp −kT
Es = 0.5 keV, kT = 0.35 keV
筑波大学プラズマ研究センターシンポジューム— 07/22/11, P 10

3 2010 年度の研究結果 — TWDEC
バイアス型 TWDEC における粒子束エネルギーの向上
modulationion

deceleration

FCP

electron

減速電圧の向上
伝送線路→ LC 回路に変更
ECH モードを対象
独立電子リペラ設置

HV∆φmodulation

deceleration

HV●片側 ECH の利用

筑波大学プラズマ研究センターシンポジューム— 07/22/11, P 11

3.1 normal operation への適用
TWDECRF(a)804006no ECH (RF) plasma
Tik ∼ 0.2 − 0.4 keVTe ∼ 0.1 keV
φc ∼ 0.3 − 0.5 kV(b)−2nl [10 cm ] dmcc [µWb]120

2IELA [A/m ]2080

ICVIR(c) 42400642000(d)100time [ms]VIR [kV]

2IC [µA/m ]134FCP measurement
VIR : 50Hz triangle wave
data sampling: 10 µs

200

筑波大学プラズマ研究センターシンポジューム— 07/22/11, P 12

3.2 変調器–減速器間位相差依存性
エネルギー領域を分けて評価

f (E)dE0.4keV∫ 1.2keV
fp2 = 0.8keV f (E)dE∫ 1.6keV
fp3 = 1.2keV f (E)dE<∆ fp> [%]fp1 =∫ 0.8keV

100∆fpi= fpi |withRF − fpi |w/oRF

−100

∆fpi
h∆fpi i =fpi |w/oRF

00.4−0.8 keV
0.8−1.2 keV
1.2−1.6 keV

00.5

11.5

∆φ [π radian]∆fp3 は増加∆fp1 は減少

筑波大学プラズマ研究センターシンポジューム— 07/22/11, P 13

6(a)−2nl [10 cm ]3.3 片側 ECH による流入粒子束のエネルギー向上

134no ECH

●片側プラギング
ある程度の量の粒子束を得つつ，イオンエネルギーの向上

2without plugging

IC [µA/m ]plugging

passing through2reflected

IELA [A/m ]

ECH

20(b)

80
40064200(c)100time [ms]200

筑波大学プラズマ研究センターシンポジューム— 07/22/11, P 14

3.4 片側 ECH に対する TWDEC の適用
VIR -IC を 8 次多項式近似

3π/2:
高エネルギー領域で増大→加速π:
低エネルギー領域で増大→減速

distribution function [arb.]

TWDEC RF off

2TWDEC RF on∆φ=π∆φ=π/2100.5

11.5energy [keV]

筑波大学プラズマ研究センターシンポジューム— 07/22/11, P 15

4 2011 年度の研究計画 (CUSPDEC)（高密度化に向けて）●プラズマ源引出し電極改良
extraction
electrodeline cusp

helicon waveexcitationcoil C 2 antennacoil C 1
coil Aelectron

P1orificegascoil BP2

plasma source

ionionP4P3●プラズマ源磁場増強

pointcusp

P1V exelectron

coil A

coil C 2
coil C 1line cusp

P2

coil B

RF
pump

probe

pump

（高エネルギーイオン分離）…
筑波大学プラズマ研究センターシンポジューム— 07/22/11, P 16

4 2011 年度の研究計画 (TWDEC)
delay pulser

RF1G10TRIG

CH1

PS

●ショット中の RF 位相変化
● VIR の高速掃引および位相変化との同期

PS

FG1
CH2

RF2

PS

PC
LAN

Z0

LAN/GP-IB

Z0

DC1

DC3G10DC2FG2
HV
amp→特殊ショット有効利用とデータ収集効率化

HVprobe4CH
OSCISO.
amp

DC4CAMAC（変調過程の解析研究）…

筑波大学プラズマ研究センターシンポジューム— 07/22/11, P 17

5 まとめ• 2010 年度：? CUSPDEC 模擬実験装置において，2 段減速の研究を進めた．
· 2 段減速による回収電力の向上を実験で確認した．
· 主コレクタの軸方向位置に対する回収電力の変化を調べた．
可動範囲内では，副コレクタに近いほど回収電力は増大した．
· 副コレクタの側面積の増大により，ほぼ面積比に応じた回収電力の増大を確認した．
· 主／副コレクタの最適バイアス条件を，モデル計算で算出した．
? G10 端部設置の TWDEC 模擬実験装置において，G10 端損失粒子束に対するバイアス型 TWDEC の動作を調べた．
RF 運転モード，片側 ECH 運転モードのいずれに対しても，変調器–減速器間位相差に対するエネルギー分布の変化を確認した．
• 2011 年度：CUSPDEC ではプラズマ源の高密度化を，TWDEC では，ショット中の位相変化を，それぞれ実施予定．
筑波大学プラズマ研究センターシンポジューム— 07/22/11, P 18