11

CPDCPD 装置における装置における Li Beam Emissiom Li Beam Emissiom SpectroscopySpectroscopy をを用いた電子密度揺動計用いた電子密度揺動計

測測

図子研究室図子研究室　　　　　　　　　　 M2M2 　了戒　　了戒　智文智文

２００８．４　月例発表

22

目　次目　次1.1.研究背景研究背景

2.2.目的目的

3.3.実験装置実験装置 (CPD)(CPD)

4.4.計測装置計測装置

5.5.揺動とは（フルートモード・ドリフト揺動とは（フルートモード・ドリフト波）波）

6.6.解析方法解析方法

7.7.解析結果解析結果

8.8.まとめまとめ

•annular plasma での揺動特性•Bz （垂直磁場）印加による揺動変化

3

Komori’s experiment

実験 1

end-plate を直線状放電管の終端に設置し揺動特性を計測する

結果

イオン電流揺動の Drift wave を 5.9kHz に確認

R=3.5cm

60cm

実験方法

hot-plate を約 2500℃ まで加熱し熱電子を放出し、アースである end-plate と加速し、カリウムプラズマを生成

計測装置

ラングミュラープローブを P1,P2,P3 に設置し揺動を計測している。

実験 2

end-plate を曲率のある放電管の終端に設置し揺動特性を計測する

結果

イオン電流揺動の Drift wave を 5.9kHz に確認し、 7.4kHz にレイリーテイラー不安定性の揺動を確認

badgood

実験装置研究背景研究背景

4

Sharman’s experiment実験装置

研究背景研究背景

good bad

Cross power

phase

coherence

good bad

Drift modeFlute mode

実験方法トーラス状の放電管内に RF を利用してプラズマを生成、プローブを利用し揺動計測を行った

5

ECR

ECW

CS

R

研究目的研究目的過去の研究では、局率のある放電管で、特徴的な揺動が計測された。

ST である CPD の annular plasma では、どの様な特徴的揺動が存在していのか調べる　1) 　トーラス配位で　 ECRH( 1kW@8.2GHz) 　　　　　　Annular plasma 生成•密度分布

•揺動特性

2) 垂直磁場印加での揺動特性•揺動特性変化

（垂直磁場印加による、揺動の安定化）

CS

6

実験装置（実験装置（ CPCPDD ））

Φ3

Li Li OvenOven

Fiber camera

CPD outline chartCPD outline chart

annularannularplasmaplasma

Fiber camera

7

FiberFiber

FilterFilter

LensLens

ADCADC（（ analogue digital converteranalogue digital converter ））

Sampling frequency 300kHzSampling frequency 300kHzPCPC

光電子増倍管 (R928)

Li Li BeamBeam

25 ｍｍ

５４ｍｍ

計測装置（計測装置（ 11 ））

アンプ特性500kHz

フィルター特性 Band width

50 ％　1.44nm

10 ％　2.11nm

1 ％　 3.18nm

(23. ０℃ )Hα=656nm

670.8nm

8

R928( サイドオン型 )

単位（ｍｍ）

photonphoton

Outline chartOutline chart

electron

cathodecathode

anodeanode

dinodedinode

二次電子放出比 :2 の場合

UV glass

図１

図２ 図１，２：　浜松ホトニクス（株）ＨＰより

計測装置（計測装置（ 22 ））

9

計測原理計測原理Sheet Li beam emission spectroscopyLi 　 + 　 e- → 　 Li* + e-→ Li + hν+e-

670.8nm

exceLieLiI vxnxnxI )()(

)(xne ： 電子密度

excev ： 励起の反応速度係数

： リシウム原子密度)(xnLiI

I

n

n~~

　　　　　　　　 /s なので、電子と衝突した位置の密度情報を正確に捉えることができる

kmvLi 3.1

10

DriftDrift

boundaryboundary

Magnetic fieldMagnetic field

accelerationacceleration+ -+ + +- - -

a×B drifta×B drift

E×B driftE×B drift

electronelectronionion

Electric fieldElectric field

E×B driftE×B drift

+

-

2)( B

BEv BEd

2)( qB

Bamv Bad

boundaryboundary

nnii>n >n ee

nnii<n <n ee

フルート不安定性　イメージ図

11

Drift WaveDrift Wave

0n

Magnetic field

濃 淡

等密度線k

E

＋＋

--

高速カメラ動画 or 画像

nBeB

Tkv iBDi

2

nBeB

Tkv eBDe

2

Drift wave Drift wave イメージ図イメージ図

フルートモード不安定性との大きな違いは、イメージ図のように、 θ 方向に有限の波長が存在していることである（ねじれが存在している）

θ 方向

12

解析方法解析方法（１）（１）

ir xx ,パワースペクトルを求める

　 Wave （ 300kHz ）データを読み込み、小領域で区切りデータの平滑化を行う

FFT を利用してスペクトルを求める

T

fYfXEfSxy

)()(2)(

*

T

fXfXEfSxx

)()(2)(

*

ir yy ,

クロスパクロスパワーワー

オートパオートパワーワー

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

0.50.40.30.20.10.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

83.082.582.081.581.080.580.0x10-3　

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

0.120.110.100.090.08

1024points

Sun

FFTFFT （高速フーリエ変換）（高速フーリエ変換）

太陽光などをプリズムに通すと、太陽光などをプリズムに通すと、それ含まれている様々な光を周波それ含まれている様々な光を周波数ごとに分解することができる。数ごとに分解することができる。この操作を数学的手法を利用してこの操作を数学的手法を利用して行う方法をフーリエ変換と言い、行う方法をフーリエ変換と言い、特に特に FFTFFT は有限離散データを高速は有限離散データを高速でフーリエ変換する方法である。でフーリエ変換する方法である。

dtetxfX fti

0

2

13

コヒーレンスコヒーレンス

fsfs

fscoh

yyxx

xy

2

2

コヒーレンスは干渉のしやすコヒーレンスは干渉のしやすさを示す度合いであり、コさを示す度合いであり、コヒーレンスの発生のしやすさヒーレンスの発生のしやすさは波長の位相の揃い方によっは波長の位相の揃い方によって左右される て左右される

解析方法解析方法（２）（２）　 Wave （ 300kHz ）データを読

み込み、小領域で区切りデータ小領域で区切りデータの平滑化を行うの平滑化を行う

FFT を利用してスペクトルを求める

フェイズを求める

信号間の位相差を周波数ごとに示信号間の位相差を周波数ごとに示すす

コヒーレンスを求める

２つの信号間のある周波数におけ２つの信号間のある周波数における相関性を示する相関性を示す

パワースペクトルを求める

ある信号において、どの周波数成ある信号において、どの周波数成分が支配的であるかを示す分が支配的であるかを示す

)(

)(tan)( 1

fK

fQf

xy

xyxy

フェイズフェイズ

フェイズはフェイズは X(X(ｆｆ )) 、 、 Y(Y(ｆｆ )) のの位相角を表しており距離と位位相角を表しており距離と位相角より波の伝達速度が求め相角より波の伝達速度が求め

られる。られる。

xy

sv

14

解析結果解析結果

1.1. annular plasmaannular plasma での揺動での揺動1.1.密度分布密度分布

2.2.密度揺動密度揺動

3.3.揺動特性揺動特性

2.2. 垂直磁場印加による揺動特性変化垂直磁場印加による揺動特性変化1.1.発光強度と相対振幅発光強度と相対振幅

2.2. Coherence modeCoherence mode の安定化の安定化

15

1. 1. annularannular plasma plasma と密度揺動と密度揺動

•プラズマ幅は約 10cm 。•1kW で生成したスラブプラズマの揺動相対振幅は約 30% 　•プラズマ幅は約 10cm 。•1kW で生成したスラブプラズマの揺動相対振幅は約 30% 　

Prf = 1kW 　　共鳴層は 194 mm

0.50.40.30.20.10.0

LiI

(a.u

.)

0.1200.1100.1000.090

507903

0.50.40.30.20.10.0

I/<

I>

0.1200.1100.1000.090

time(s)

　rel_amp_ch1_507903_

Li PMTLi PMT 信号の時間変化　信号の時間変化　

揺動相対振幅　揺動相対振幅　

Li CCDLi CCD カメラ強度分布カメラ強度分布

Bad curvature

10cm10cm

16

1.1.22 annularannular plasma plasma の密度分布の密度分布

5x1017

4

3

2

1n

(m-3

)240200

R(mm)-170

-160

-150

-140

-130

Z(m

m)

240220200180R (mm)

500400300200100

x1015

•n~ 　 6×1017(m-3)•Ln~2.5cm

•　 Slab　plasma　 は共鳴層に沿って垂直方向の密度等高線分布を示す。•　 Ln　~　2　cm•　 1kW程度でプラズマカットオフ密度の ~70% を生成。

•　 Slab　plasma　 は共鳴層に沿って垂直方向の密度等高線分布を示す。•　 Ln　~　2　cm•　 1kW程度でプラズマカットオフ密度の ~70% を生成。

Prf = 1kW 　　共鳴層は 164mm

２） R 方向密度分布１） 2 次元密度分布

17

1.3 Slab plasma の揺動特性

17

•　低周波領域の揺動が支配的で、　低周波領域の揺動が支配的で、 broad broad なな coherent coherent モードが存在　モードが存在　•　　 RR 方向相関長 方向相関長 > 5 cm > 5 cm 、、 zz 方向相関長方向相関長 >> 2.5 cm>> 2.5 cm•　　 RR 方向に位相速度　方向に位相速度　 400400 m/sm/s程度で伝播程度で伝播

•　低周波領域の揺動が支配的で、　低周波領域の揺動が支配的で、 broad broad なな coherent coherent モードが存在　モードが存在　•　　 RR 方向相関長 方向相関長 > 5 cm > 5 cm 、、 zz 方向相関長方向相関長 >> 2.5 cm>> 2.5 cm•　　 RR 方向に位相速度　方向に位相速度　 400400 m/sm/s程度で伝播程度で伝播

-0.145-0.140-0.135-0.130-0.125

Z(m

)

0.240.230.220.210.200.19R(m)

7795_20_180_200_1kHz

-40

-20

0

20

40

-0.145-0.140-0.135-0.130-0.125

Z(m

)

0.240.230.220.210.200.19R(m)

7795_20_180_200_1kHz1.0

0.8

0.6

0.4

信号間位相差の 2 次元分布

２乗相関係数の 2 次元分布低周波 (~1kHz)

1

10

100

Sp

ower

(a.u

.)

6 8

103

2 4 6 8

104

2

frequency[Hz]

ch21_507795_0.18_0.2#507795

'fft_ch45_507795_0.18_0.2'

パワースペクトルとコヒーレンス

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

coh

eren

ce2

6 8

103

2 4 6 8

104

2

f(Hz)

507795_45_20_180_200ms

18

2.1 垂直磁場印加による揺動特性の変化

• BzBz 印加により印加により slab slab 位置は若干内側にシフト（密度の減少？）　位置は若干内側にシフト（密度の減少？）　• BzBz 印加により揺動相対振幅が印加により揺動相対振幅が 0.3-0.50.3-0.5 からから 0.1-0.20.1-0.2程度に減少する。程度に減少する。•ただし、揺動振幅そのものはむしろ増大ただし、揺動振幅そのものはむしろ増大

• BzBz 印加により印加により slab slab 位置は若干内側にシフト（密度の減少？）　位置は若干内側にシフト（密度の減少？）　• BzBz 印加により揺動相対振幅が印加により揺動相対振幅が 0.3-0.50.3-0.5 からから 0.1-0.20.1-0.2程度に減少する。程度に減少する。•ただし、揺動振幅そのものはむしろ増大ただし、揺動振幅そのものはむしろ増大

Rres = 194mm 　　 Bz = 50G / Bt=0.29 T 　　 Prf~1kW

Li CCD映像の R 分布への Bz 効果 相対振幅への Bz 効果

19

2.2 　 Bz による coherent mode の安定化

•　パワースペクトルでは、　パワースペクトルでは、 BzBz 印加により低周波成分が低下し印加により低周波成分が低下したた•　　 BzBz 印加により低周波揺動の２乗相関係数は急激に低下した。印加により低周波揺動の２乗相関係数は急激に低下した。•　　 coherent coherent モードの安定化が考えられる。モードの安定化が考えられる。

•　パワースペクトルでは、　パワースペクトルでは、 BzBz 印加により低周波成分が低下し印加により低周波成分が低下したた•　　 BzBz 印加により低周波揺動の２乗相関係数は急激に低下した。印加により低周波揺動の２乗相関係数は急激に低下した。•　　 coherent coherent モードの安定化が考えられる。モードの安定化が考えられる。

Rres = 194mm 　　 Bz = 50G / Bt=0.29 T

２乗 Coherence spectrapower spectra2000

1500

1000

500

0

au

to p

ow

er(a

.u.)

50004000300020001000f(Hz)

　8G16G　22G　30G　40G

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0co

her

ence

^2

50004000300020001000f(Hz)

8G 16G 22G 30G 40G

20

ピッチ角による安定化効果ピッチ角による安定化効果

-1.2-0.8-0.40.0

Pit

ch a

ngl

e(d

eg.)

300250200150R(mm)

Bz=50G Bz=40G Bz=32G Bz=24G Bz=15G

R に対するピッチ角変化2乗 Coherenceへの Bz 効果

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

coh

^2

-40 -30 -20 -10 0Bz(G)

•　　 coherent coherent モードの安定化が考えられる。モードの安定化が考えられる。•　垂直磁場を強くすることでピッチ角が大きくなっている。　垂直磁場を強くすることでピッチ角が大きくなっている。•　　 coherent coherent モードの安定化が考えられる。モードの安定化が考えられる。•　垂直磁場を強くすることでピッチ角が大きくなっている。　垂直磁場を強くすることでピッチ角が大きくなっている。

21

まとめ

１） ECR で生成した初期 slab プラズマは揺動相対振幅 30% 、低周波にコヒーレントモードが存在する。

R 方向への位相速度が約 400m/sで観測した。

２）平衡のために印加した垂直磁場は相対振幅を下げ、揺動を安定化する

400m/s

22