金中性粒子ビームプローブを用いた GAMMA10 セントラル部の低周波領域の揺動解析

金中性粒子ビームプローブを用いたGAMMA10 セントラル部の低周波領域の揺動解

析筑波大学プラズマ研究センター　水口正紀　米田良隆

１．背景と目的２． GAMMA10 概念図３． GNBP 概念図４．実験結果１（スイープ計測及び固定計測の比較）５．実験結果２（閉じ込め電位形成によるドリフト型揺動抑制）６．結論

背景と目的

・背景タンデムミラー型プラズマ閉じ込め装置 GAMMA10 では、高周波加熱（ ICRF ）時間帯でドリフト型の静電揺動が様々な計測装置で観測されている。ドリフト型揺動は、異常輸送を引き起こす一因でもあり、径方向閉じ込めを改善するために理論的、実験的に研究が行われている。最近の実験では、電子サイクロトロン加熱（ ECH ）の入射パワーを制御することで、電位分布・径方向電場を容易に制御できるミラー装置の利点を生かし、プラズマ中の揺動が高電位生成によって抑制されることが分かってきた。

・目的GAMMA10 主要閉じ込め部（セントラル部）の電位及び揺動を解析し、閉じ込め電位形成時における揺動減衰について知見を得ることを目的とした。金の中性粒子ビームプローブ法（ GNBP ）によってセントラル部プラズマの測定を行い、測定されたプラズマ電位及びビーム電流量を FFT 解析し、電位揺動及び密度揺動スペクトルの解析を行った。

① 　 GNBP CC System （セントラル部ビームプローブ）② 　 GNBP EB System （東バリア部ビームプローブ）

①②

③ 　 Barrier-ECH ：負の閉じ込め電位形成　　 Plug-ECH ：正の閉じ込め電位形成

③

ECH ICRH

Tandem Mirror GAMMA10

Pancake Coils

イオン源

中性化セル

GAMMA10 本体

アナライザー

イオン源：ビームの生成、加速・軌道調整中性化セル：荷電交換反応によるビームの中性化アナライザー：二次ビーム検出

一次ビームエネルギー： 11.781[keV]偏向電圧： 9.117[kV]

MCP(Micro Channel Plate)

偏向電圧

Gold Neutral Beam Probe

0

1

2

3

4

5

6

50 100 150 200

#208970-77 Line Density

#208970(sweep)#208971(R=0cm)#208977(R=12cm)

Line Density[1013cm

-2]

Time[ms]

実験結果 1

・スイープ計測と固定計測によって得られたデータ、及びその解析結果を比較した。

0

2

4

6

8

10

12

50 100 150 200

#208970-77 Diamagnetism

#208970(sweep)#208971(R=0cm)#208977(R=12cm)

Diamagnetism[10-5Wb]

Time[ms]

RF1 ： 51–240[ms]RF2 ： 53–240[ms]

Barrier-ECH ： 155-205[ms]Plug-ECH ： 160–190[ms]

100

150

200

250

300

350

400

450

-5 0 5 10 15

#208971-77（固定計測）

164.6[ms]150.4[ms]

Potential[V]

x[cm]

径方向電位分布比較左図は特定の時間帯における径方向電位分布をスイープ計測から算出したものであり、右図は固定計測から算出したものである。

両図の径方向電位分布を比較すると、各径方向位置において電位の値はほぼ一致している。以上から、電位解析に関してはスイープと固定計測に違いはない。

150

200

250

300

350

400

450

-5 0 5 10 15

#208970（スイープ）

150.0-151.5[ms]164.0-165.5[ms]

Potential[V]

x[cm]

径方向電位揺動強度比較スイープ、固定計測それぞれのデータを FFT 解析し、径方向電位揺動分布を求めた。図中の揺動強度は 1 - 20kHz の周波数帯で積算した数値である。 ICRF 時間帯及び閉じ込め電位形成時において両者を比較した。

両図を比較すると、各径方向位置における電位揺動強度の値・傾向は一致しない。

600

650

700

750

800

850

900

-5 0 5 10 15

低周波電位揺動強度（スイープ）

150.4-152.4[ms]164.6-166.6[ms]

Potential Fluctuation Level[rel.unit]

x[cm]

600

650

700

750

800

850

900

-5 0 5 10 15

低周波電位揺動強度（固定計測）

150.4[ms]164.6[ms]


x[cm]

径方向密度揺動強度比較前項と同様に、スイープ、固定計測それぞれのデータを FFT 解析し、径方向密度揺動分布を求めた。

電位揺動と同様、各径方向位置における密度揺動強度の値・傾向は一致しない。以上より、スイープ計測による揺動解析は難しいと考えられる。以降の実験は固定計測結果を用いる。

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

-5 0 5 10 15

低周波密度揺動強度（スイープ）

150.4-152.4[ms]164.6-166.6[ms]

Density Fluctuation Level[rel.unit]

x[cm]

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

-5 0 5 10 15

低周波密度揺動強度（固定計測）

150.4[ms]164.6[ms]


x[cm]

0

1

2

3

4

5

6

50 100 150 200

#209820-22 Line Density

#209820#209821#209822

Line Density[1013cm

-2]

Time[ms]

0

2

4

6

8

10

50 100 150 200

#209820-22 Diamagnetism

#209820#209821#209822

Diamagnetism[10-5Wb]

Time[ms]

RF1 ： 51-240[ms]RF2 ： 53-240[ms]

Barrier-ECH ： 150-200[ms]Plug-ECH ： 155-180[ms]

実験結果 2

本研究で用いたプラズマショットを示す。この時 GNBP では 1 ショット毎にビームの入射位置を x 方向に 6cm ずつずらして測定しており、径方向の電位、揺動分布の解析が可能である。

200

250

300

350

400

450

500

550

600

-5 0 5 10 15

#209820-22 Radial Potential

150.0[ms]160.8[ms]

Potential[V]

x[cm]

径方向電位分布・ R=0cm の電位分布、及び径方向電位分布を以下に示す。

ICRF 時間帯における電位分布は中心近傍が低く、外側が高くなっている。Plug-ECH （正の閉じ込め電位形成）の印加によって、プラズマ電位は全体的に

上昇し、特に中心近傍の高い電位分布が形成される。

電位・密度揺動積算値

0

50

100

150

200

250

300

350

400

50 100 150 200

#209820(R=0cm) 電位揺動強度

Pot. Flu. Level


Time[ms]

R=0cm

Plug-ECH

0

50

100

150

200

250

300

350

400

50 100 150 200


Pot. Flu. Level


Time[ms]

R=6cm

Plug-ECH

0

50

100

150

200

250

300

350

400

50 100 150 200


Pot. Flu. Level


Time[ms]

R=12cm

Plug-ECH

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

50 100 150 200

#209820(R=0cm) 密度揺動強度

Den. Flu. Level


Time[ms]

Plug-ECH

R=0cm

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

50 100 150 200


Den. Flu. Level


Time[ms]

Plug-ECH

R=6cm

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

50 100 150 200


Den. Flu. Level


Time[ms]

Plug-ECH

R=12cm

電位スペクトル 3 次元プロット

各位置において測定された電位に FFT を用いて周波数解析を行った。一例として左図に、 x = 0cm 近傍における低周波領域の電位揺動強度を、縦軸を周波数、横軸を時間で示す。

ICRF 時間帯において 6-7kHz の領域に特徴的な揺動が発生している。静電プローブによるスペクトル解析の結果から、この揺動は m = 1 のドリフト型揺動であることが分かった。

0

2

4

6

8

10

90 100 110 120 130 140 150 160

ドリフト型電位揺動周波数変化

#209820(x=0cm)#209821(x=6cm)#209822(x=12cm)

Frequency[kHz]

Time[ms]

0

2

4

6

8

10

90 100 110 120 130 140 150 160

ドリフト型密度揺動周波数変化

#209820(x=0cm)#209821(x=6cm)#209822(x=12cm)

Frequency[kHz]

Time[ms]

電位・密度揺動周波数変化

・前項の m = 1 のドリフト型揺動の周波数変化を示す。

電位・密度揺動共に、ほぼ一定値を推移しており、 m = 1 のドリフト型揺動は径方向位置に依らず同一の周波数帯に発生することが分かる。

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15

#209820(R=0cm)

150.0[ms](ICRF )時間帯160.8[ms]（閉じ込め電位形成）


Frequency[kHz]

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15

#209821(R=6cm)

150.0[ms]160.8[ms]

Pot. Flu. Level[rel.unit]

Frequency[kHz]

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15

#209822(R=12cm)

150.0[ms]160.8[ms]

Pot. Flu. Level[rel.unit]

Frequency[kHz]

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0 5 10 15

#209820(R=0cm)

150.0[ms]160.8[ms]


Frequency[kHz]

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0 5 10 15

#209821(R=6cm)

150.0[ms]160.8[ms]

Den. Flu. Level[rel.unit]

Frequency[kHz]

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0 5 10 15

#209822(R=12cm)

150.0[ms]160.8[ms]

Den. Flu. Level[rel.unit]

Frequency[kHz]

スペクトル解析

m = 1ドリフト型揺動

径方向揺動強度解析各径方向位置での ICRF 時間帯と閉じ込め電位形成時のドリフト型揺動強度の違いを示す。

図中の揺動強度は、 120 – 145ms の時間帯からドリフト型揺動強度のピーク値を取り、平均したものを使用した。電位・密度揺動共に径方向位置に依らず大きく減衰していた。

・スイープ・固定計測による解析を比較した結果、電位解析に関してはスイープ計　測でも可能だが、周期の速いスイープ計測の場合、揺動解析は難しいと考えられる。　よって、揺動の解析には固定計測のデータを用いた。

・ ICRF 時間帯において、径方向電位分布は外側が高い分布をしているが、　 Plug-ECH の印加によって全体的に上昇、さらに中心部が高い分布へ変化す　る。この時の電位・密度揺動の積算値を解析したところ、 Plug-ECH 印加と同時　に各径方向位置で減少が見られた。

・電位・ビーム電流量を FFT 解析し、電位・密度揺動を求めた。 ICRF 時間帯にお　いて m = 1 のドリフト型揺動が確認され、閉じ込め電位形成時には、電位・密度　揺動共に径方向位置に依らず、バックグラウンドレベルまで減衰することが分　かった。

結論

0

100

200

300

400

500

50 100 150 200

#208970(sweep)

Potential

Potential[V]

Time[ms]

0

100

200

300

400

500

50 100 150 200

#208971(R=0cm)

Potential

Potential[V]

Time[ms]

ディフレクター電圧に三角波を印加し、 1 ショットで径方向分布を計測（スイープ計測）したデータと、加熱系の出力・印加時間を固定し、数回に分けて各径方向位置を計測（固定計測）したデータを比較する。左図がスイープ計測による電位、右図が固定計測による電位の時間変化の一例である。

電位の時間変化

アナライザー　　 GAMMA10 　　イオン源

電位加速エネルギー

cE

仮想電位 400(V)

仮想電位 0(V)

32ch 　 18ch 　

偏向電圧

加速エネルギー仮想電位

E

BPCC 較正実験概説

アナライザー　　 GAMMA10 　　イオン源

較正実験ではイオン源において、通常実験時の加速電位に、予め一定値の電位を加えておく。この電位を仮想的なプラズマ電位（仮想電位）として較正を行う。

通常実験時では、ビームの最終エネルギーは加速エネルギーとポテンシャルエネルギーの和。ここから加速エネルギーの分を引いて、電位を算出している。

20

22

24

26

28

30

32

34

-5 0 5 10 15

較正実験フィッティング

0[V]200[V]400[V]600[V]

Peak Channel

R[cm]

Pch = (21.752 + 0.085766r - 0.010647r 2)

+ (0.015251 - 2.2157e -5r - 1.538e-6r2)Eb

電位計算式導出仮想電位、径方向位置をそれぞれ変化させ、各々のピークチャンネルをとったものが下図。

図のフィッティング曲線から、仮想電位、径方向位置、ピークチャンネルの関係式（電位計算式）は以下のようになった。

)538.12157.2015251.0(

))010647.0085766.0752.21((265

2

ReRe

RRPE chb

Eb ：仮想電位R ：径方向位置Pch ：ピークチャンネル

フィッティング曲線とデータのずれは最大で約 0.2ch 。電位換算で10 数 V 程度なので、十分測定に耐えうる範囲である。

-3

-2

-1

0

1

2

3

-150 -100 -50 0 50 100 150

アナライザー偏向電圧較正

200[V],0[cm]200[V],5[cm]200[V],10[cm]400[V],0[cm]400[V],5[cm]400[V],10[cm]

ΔPch

Δ Va[V]

-3

-2

-1

0

1

2

3

-150 -100 -50 0 50 100 150

アナライザー偏向電圧較正平均値

Pch-Va直線

ΔPch

Δ Va[V]

Δ Pch = 0.045778 - 0.020408Δ Va[V]

アナライザー偏向電圧較正仮想電位、径方向位置、さらにアナライザー偏向電圧 Va をそれぞれ変化させ、各々のピークチャンネルをとったものが下図。

Eb,R による変化はほとんどない

以上より、得られたアナライザー偏向電圧依存性関係式は、

VaPch 020408.0045778.0 データからのずれは最大約 0.1ch （許容範囲）

ノイズレベル較正実験において、ビームが中性化していない時間帯、つまりビームが MCP に到達しない時間帯を取り、 MCP が検出した電流量の標準偏差を求めた。

ビームが検出されない時間帯での電流量標準偏差なので、GNBP 固有のノイズと考えることが出来る。

Average SD ： ~0.015(V)Max SD ： ~0.025(V)

すなわち、通常実験時の計測において、このノイズレベルを超える振幅のビーム電流量の変動は、揺動によるものであると言える。これより、 GNBP による揺動解析が可能であることが分かる。

0.001

0.01

0.1

1

10

209050 209055 209060 209065

50 100 150 200

ノイズ較正時#208736通常実験時（）

Intensity Standard Deviasion[V]

shot number

Time[ms]

0

100

200

300

400

500

600

50 100 150 200

#209820-22 Potential

#209820(R=0cm)#209821(R=6cm)#209822(R=12cm)

Potentail[V]

Time[ms]

揺動解析に用いたショットの電位分布

Barrier-ECH 印加での電位の変化はほとんどなく、Plug-ECH の印加時には電位が大きく上昇する。

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金中性粒子ビームプローブを用いた GAMMA10 セントラル部の低周波領域の揺動解析