1

Development of lithium beam probe and measurement of edge density profile on JT-60U

Atsushi Kojima, 小島有志 JAEA

2009/2/18 　 at ASIPP

2

Introduction

Understandings of Edge plasma physics improves ELM controls and pedestal performance.

Edge density profile during ELM cycle was not obtained in JT-60U.To investigate behaviors of edge density and edge current profiles with high time and spatial resolutions,

Lithium Beam Probe is developed.NEW

ELMy H mode is a standard operational scenario for ITER.

•Short lifetime of divertor target due to type I ELM is a critical problem.=>ELM control techniques (RMP, pellet pacing) and small ELM operations (grassy ELM) are developed.

Edge Region in H mode Plasma

r/a

Pre

ssur

e

Pedestal height~kPa

After ELM

ELM CrashHeat Load to Divertor

Before ELM

Pedestal width~cm

Cur

rent Bootstrap Current by P

0.7 0.8 0.9 1.0

3

Background and Objective

Objective: Development of LiBP with high resolutions (1ms, 1cm) for ELM dynamics Experimental observation of edge density profile during ELM cycle

→Understanding of physics for ELM controlELM affected area ~ ELM size WELM

Ref: K. Kamiya PFR. 2, 005 (2007).

0

0.05

0.1

0.15

-100 -50 0 50 100

small(co)small(bal)small(ctr)middle(co)middle(bal)middle(ctr)large(co)large(bal)large(ctr)

WEL

M/W

ped

VT,ped [km/s]

ITER Maximumtolerable ELM size

PSEP~6 MWe*~0.25q95~4Background:

Type I ELM behaviors have been investigated with tangential NBIs (co and counter directions) in JT-60U.

Toroidal rotation vary ELM size and frequency.→Why and How do ELMs change?

Ctr Co

4

Outline

Outline:1. Development of LiBP on JT-60U

• Development of large-current and low-divergence Li beam

• Edge density profile measurement using LiBP

2. Type I ELM Dynamics• ELM affected area in Co- and Ctr rotating plasmas

3. Summary

5

Lithium beam probe development on JT-60U.

Long BeamLine

Edge diagnostics using LiBPedge ne from beam emission profileedge j from Zeeman polarimetryresolutions of 1ms and 1cm are desired. Development of Li ion gunLow beam energy ~ 10keVoptimum penetration in ne

ped=1~3x1019m-3

small Doppler broadening is a merit for Zeeman spectroscopy (0.08nm splitting@4T)

large beam current ~ 10mA extraction more than 1mA at 6.5m (effective beam intensity)

low divergence angle ~ 0.4 degree long beam line, Zeeman spectroscopy

Challenging diagnostic Li0 beam⇒design study by beam simulation

6

Ion Gun

Beam Line 6.5m

HVT

XY beam monitor (2.3m)

diagnostic region(6.5m)

Na Vapor Neutralizer

70cm

Electron Beam Heating~1500degC 300degC

Li+ Li0Neutralizer

eucryptite (Li2O・ 2SiO2・ Al2O

3)　 soaking to porous tungsten disk(50mm)

Test stand of Lithium Beam SystemLi Ion

Source

7

Li ion gun using EB heated ion source is developed.

0.1

1

10

-30-20-100

Bea

m C

urre

nt [m

A]

V extractor [kV]

6mm IS (CHS 15keV)

15mm IS (ASDEX-U 70keV, LHD 20keV)

50mm EBIS (DIII-D 30keV)

JT-60U 10keV, 10mA, 50sec

50mm

Porous W

Mo

eucryptite

7Li, porosity 30%, Temp~1500℃Life time~3.5 A・ sec (1g)

Li ion gun is newly developed. 50mm EBH Ion source has capability to extract 10mA Li ion beam. Extractor enables low energy (10keV) large current extraction (10mA). 10mA, 50sec operation is demonstrated.

10kV -20kV (Strong Extraction)

Li+

heater~300℃

Li0

NaEB Heating~1500℃

A. Kojima, et al 2008 Rev. Sci. Instrum. 79 093502.

8

3mA, 0.2deg, FWHM=0.05nm Li0 beam is obtained at 6.5m.

0

0.5

1

668.8 669 669.2

w/o Bt, gas injectionE48867 3.9T OH plasma

Inte

ntsi

y [a

.u]

Wave length [nm]

Vacc=10keVIacc=3.5mA

+-FWHM=0.05nm

3mA, 0.2deg Li0 beam is obtained at plasma edge (6.5m from neutralizer) small divergence angle corresponds to good spectrum resolutions.

FWHM of spectrum ~0.05nm< Zeeman splitting ~0.08nm@4T

Etalon (FWHM=0.08nm) and interference (FWHM=1nm) filters are utilized.

0

1

2

3

4

0 2 4 6 8 10 12

Li0 in

tens

ityat

6.5

m [m

A]

Extracted Ion Beam Current [mA]

Effective Beam Intensity ~3mA FWHM of Beam Emission ~0.05nm

9

Density profile (L to H mode) is successfully reconstructed.

L ELM free H H

Ip=1.6MA, Bt=3.95T, =0.34, q95=4.3

Beam Chop

0

1

2

3

-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0

LiBPThomson

Den

sity

[x10

19 m

-3]

R-Rsep [m]

H mode

L mode

0.7 0.8 0.9 1

E49228-t5.25 H mode

Z along Beam Line [m]

0

0.1

0.2

0.3

0.7 0.8 0.9 1

E49228-t4.6 L mode

EmissionBG

Sig

nal [

a.u]

Z along Beam Line [m]

Li signal

Edge density measurement (R~1cm, t~0.5ms) is demonstrated.

Density profile during ELM cycle can be investigated.Not Reconstructed

Li0Li0

10

Density loss fraction (type I ELM) is 30% at pedestal region.

Ip=1.6MA, q95=4.3, =0.34, PNB=11.7MW, p=0.85, li=0.83, e*= 0.29

• Density pedestal shoulder is 4cm from separatrix.• At pedestal region, density loss fraction due to type I ELM is 30%.

0

1

2

3

t=-1~0mst=1.5~2msn e [1

019 m

-3]

0

0.2

0.4

0.6

-10 -8 -6 -4 -2 0

1.6MA CoThomson

-n e/n

e

R-Rsep [cm]

pivot

neped

0

1

2

E49228 t6.5-7.0

n e [1019

m-3

]

5cm4cm3cm2cm1cm

0

2

4

-10 0 10 20

D

Div [a

.u]

time relative to ELM [ms]

recovery

Type I ELM (fELM=37Hz)

0.5sec ELM averaging

Density pedestal recovers in 10ms after ELM crash.

~30%

Before ELM

After ELM

11

0

1

2

pre-ELM (Co)t=-1~0ms (Ctr)t=1.5~2ms (Ctr)n e [1

019 m

-3]

0

0.2

0.4

0.6

-10 -8 -6 -4 -2 0

1.6MA Co

1.6MA Ctr

-n e/n

e

R-Rsep [cm]

Density loss fraction of Ctr-rotation is smaller than Co-.Ip=1.6MA, q95=4.3, =0.34, fELM=45Hz, P

NB=12.9MW, p=0.81, li=0.83, e*=0.33

-1

-0.5

0

0.5

1

-20 -15 -10 -5 0

E49228E49229

Vt [1

00km

/s]

R-Rsep [cm]

Vtped~20km/s

Vtped~-60km/s

Co:30%Ctr:20%

pivot

nepedCo

Ctr

• Density pedestal width is similar.4cm~4.5cm from separatrixne

ped : Co > Ctr

• Ctr-rotating plasmas havesmaller density loss fraction,

30% (Co) > 20% (Ctr) smaller affected area.

0

0.2

0.4

-15 -10 -5 0R-Rsep [cm]

YAG Thomson

12

Ctr-Rotating plasmas have weaker gradient.

0

2

4

6

8

-10 -5 0 5 10 15 20

CoCtrP

iped [k

Pa]

time relative to ELM [ms]

• Piped (CO) > Pi

ped (CTR) • Pi

ped/r (CO) > Piped/r (CTR)

Wider gradient profile cause radial expansion of eigen function of unstable mode.

⇔ Small and narrow crash of ctr-rotating plasma may be caused by weaker gradient profile.

0

2

4

6 E49228-Co

t= -2.5~0mst= 10~12.5mst= 2.5~3ms

P ion [k

Pa]

0

100

200

-6 -4 -2 0

-P io

n/r [

kPa/

m]

R-Rsep [cm]

Co-rotation0

2

4

6 E49229-Ctr

t= -2.5~0mst= 10~12.5mst= 2.5~3ms

P ion [k

Pa]

0

100

200

-6 -4 -2 0

-P io

n/r [

kPa/

m]

R-Rsep [cm]

Ctr-rotation

FWHM=2.6cm FWHM=2.3cm

13

4. SUMMARY

1. Development of lithium beam probe system• 10mA-class lithium beam is developed.• Edge density measurement is successfully demonstrated.

2. Edge density measurement• Edge density profile during type I ELM is observed for the first time. • Small normalized ELM energy loss of ctr-rotating plasma is caused

by different pressure profile.• Now, we try to carry out the stability analysis to explain the different

ELM size by toroidal rotations.

14

1

2

30

2

4

2.7

2.8

2.9

3

89kJ 86kJ

DaDiv [a.u]

Wdia [MJ]

neped (r/a~0.9) [1019m-2]

Teped (r/a~0.86) [keV]

Tiped (r/a~0.88) [keV]

E49228

1.8

2

2.2

2.4

6.8 6.81 6.82 6.83 6.84 6.85Time [sec]

1

2

30

2

4

2.7

2.8

2.9

3

89kJ89kJ 86kJ86kJ

DaDiv [a.u]

Wdia [MJ]

neped (r/a~0.9) [1019m-2]

Teped (r/a~0.86) [keV]

Tiped (r/a~0.88) [keV]

E49228

1.8

2

2.2

2.4

6.8 6.81 6.82 6.83 6.84 6.85Time [sec]

Behavior of edge plasma is obtained during ELM cycle.

fELM=37Hz

recovery

Edge ne, Te, Ti during ELM are measured simultaneously with high time and spatial resolutions.

ELM onset

Thomson

E49228 t6.8s 2dlne 1dlne

CXRS(R~0.6cm, t=2.5ms)

ECE(R~1.2cm, t=20s)

LiBP(R~1cm, t=0.5ms)

Edge Diagnostics on JT-60U

15

16

ne and Ti loss fractions have different Ip dependence.

• Density pedestal width is ~1cm wider than high Ip case. (p=0.85->1.3)n/n and T/T have different Ip dependence.Increases of ne and T (conductive component) is dominant in high Ip case.

(WELMconv~Tn, WELM

cond~nT)

00.5

11.5

22.5

t= -1~0ms(1MA)t= 2~2.5ms(1MA)

n e [1019

m-3

]

0

0.2

0.4

0.6

-10 -8 -6 -4 -2 0

1MA Co

1.6MA Co

-n e/n

e

R-Rsep [cm]

1MA Co

1.6MA Co neped

0

1

2

3

t= -2.5~0ms (1MA)t= 3~5.5ms (1MA)t= -2.5~0ms (1.6MA)t= 3~5.5ms(1.6MA)

Ti [k

eV]

0

0.1

0.2

0.3

0.4

-10 -8 -6 -4 -2 0

1MA Co1.6MA Co

-Ti

/Ti

R-Rsep [cm]

Tiped

1MA Co

1.6MA Co

Ip=1.0MA, q95=4.1, =0.39, fELM=75Hz , PNB=10.9MW, p=1.3, li=0.83, e*= 0. 45

17

0

0.5

1

1.5

2

-0.6

-0.4-0.2

0

0.2

0.4

5 5.02 5.04 5.06 5.08 5.1

R-Rsep= -6cm-4cm-2cm0cm D

Den

sity

[x10

19 m

-3]

D [a.u]

Time [sec]

Density Loss due to Grassy ELM is smaller than Type I ELM.

• Difference of grassy and type I ELMs is small Increase of nesep.

=>Enhanced recycling from divertor is small.

• Grassy ELM (1MA, fELM~200Hz, grassy ELM in mixture ELMs) affects 20% of density, and radial extent is 5cm. (Type I -ne/ne~30%, 10cm~)

• Grassy ELM with higher frequency has smaller crash (<5%~noise level).

0

0.5

1

1.5t= -0.5~0ms (grassy)t= 0.5~1ms (grassy)t= -1~0ms (Type I)t= 2~2.5ms (Type I)

n e [1019

m-3

]

0

0.2

0.4

0.6

-10 -8 -6 -4 -2 0

Grassy (200Hz)Grassy (500Hz)Type I (75Hz)

-n e/n

e

R-Rsep [cm]

(Ip=1.0MA, q95=4.3, =0.54, PNB=9.4MW)

large grassy and small type I ELMs (E48999)

fELM=200Hz

100msec

0

0.5

1

1.5

2

-0.5

0

0.5

6.4 6.41 6.42 6.43 6.44 6.45

Den

sity

[x10

19 m

-3]

D [a.u]

Time [sec]50msec

fELM=500Hz

18

50

100

150

200

250

0 10 20 30

1.6MA Co1.6MA Ctr1MA Co

max

(-P

ion/

r) [k

Pa/

m]

time relative to ELM [ms]

3-2. Evolution of pressure gradient are different.

Evolutions of ion pressure gradient in each case show

• Pressure gradient of 1.6MA ctr-rotations (fELM~45Hz) and 1MA co-rotation (fELM~75Hz) cases is not saturated.

Pressure gradient may have limit and trigger ELM.

•1.6MA co-rotations (fELM~37Hz) case is unclear.pressure gradient and edge current may play a role for the ELM trigger.

• Stronger pressure gradient of co-rotation case suggest rotation effect on stability limit.

45Hz75Hz37Hz

19

0

1

2

3

t= -2.5~0ms (Co)t= 3~5.5ms(Co)t=-2.5~0ms (Ctr)t= 3~5.5ms (Ctr)

Ti [k

eV]

0

0.1

0.2

0.3

0.4

-10 -8 -6 -4 -2 0

CoCtr

-T i/T

i

R-Rsep [cm]

2-1-2. Reduction of Ion Temperature in Ctr-Rotation is also smaller than Co-Rotation.

pedestal Ti increases monotonically.

• Ti pedestal shoulder is located at 4cm~5cm, and the difference is unclear.

• ELM loss fraction of ne and Ti is small in ctr-rotation.Observed small normalized ELM energy loss is caused by small loss fraction profile.

Tiped

0

1

2

3

-10 0 10 20

E49228 t6.5-7 Co

Ti [k

eV]

time relative to ELM [ms]

7cm6cm5cm4cm3cm2cm

WELM/Wped> (Co,Ctr)=(8.2%, 6.1%)

Co

Ctr

Type I ELM (fELM=37Hz)

20

1. Pedestal ne and Ti are observed by newly developed diagnostics (Lithium Beam Probe, Charge eXchange Recombination Spectroscopy).

210

1

2

3

4

5

6

6.8 6.81 6.82 6.83 6.84 6.85Time [sec]

1

1.5

2

2.5

3

5.2

5.3

5.4

5.5

FIR interferometer(U2 port)

2dlne 1dlne

FIR interferometer(U1 port)

Line density and pedestal density behave different.

Time delay between neped and ∫nedl2 h

as information of pedestal recovery.

ELM collapse

Flux to divertor

Enhanced recycling

Relaxation andPedestal recovery

decrease of neped

decrease of ∫nedl2

increase of nesep

increase of ∫nedl1

increase of neped

decrease of nesep

Density crash and recovery in ELM cycle are observed by profile measurement.

:crash ~200s

:recover ~10ms

time delayne

ped [1019m-3]

nesep [1019m-3]

∫nel1 [1019m-2]U1 port

E49228time delay

∫nedl2 [1019m-2]U2 port

22

nelIN+OUT

NeL

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

6.8 6.81 6.82 6.83 6.84 6.85

nelIN+OUT

nelIN

nelOUT

nelcoren

l [10

19 m

-2]

Time [sec]

ELM ELM

Core density recovers the lost density

0

1

2

3

-10 -5 0 5

t=6.810t=6.812t=6.815Before ELM

Den

sity

[1019

m-3

]

R-Rsep [cm]

nelIN

nelOUT

pivot

nelIN+OUT

nelIN = -0.15m~pivot point (recovery from crash)

nelOUT = pivot point~+0.1m (decay of enhanced recycling)

nelIN ~ nelOUT

NeL2 = nelIN + nelOUT+NeL=nelIN+OUT+NeL 0 core region

nelcore indicates core density behavior! drop of corresponds to 2% density reduction of core region.It may recovers the lost pedestal density.

2dlne

2dlne

2dlne

2dlne

23

【課題】 ビーム開発はイオン源が命 !!大電流 ( タングステン表面積・表面温度 ) 、収束性 ( タングステン表面温度分布・表面形状 ) 、長寿命 ( タングステン空孔率 ) 、制御性 ( 電子ビームパワー ) 、メンテナンス性 ( イオン源構造 ) 、耐熱性 ( 構造材 ) 、加熱効率 ( 加熱パワー、放射冷却対策 ) の要求全てを満たすイオン源【工夫】　•　 1400 度を超える電子ビーム加熱イオン源を独自に設計・製作•　フィラメント形状で温度分布を制御し、収束性の良い中心ピーク分布を実現•　イオン放出面を凹状にして収束性の向上【結果】2007 年式電子ビーム加熱イオン源で設計値通りの高性能を得た。

モリブデンマウント

2006 年式ヒーター加熱 ( 市販品 )2007 年式電子ビーム加熱

ポーラスタングステン

600

800

1000

1200

1400

-40 -20 0 20 40

イオン源温度分布

H19式H18式

[℃]

イオン源温度

X [mm]

電子ビーム

2006 年式 <900℃<2μA

接触面の熱伝導が悪く、温度が上がらない電子ビームで直接加熱 ( 最大 5kW)

タングステンディスク10mA10mAを引き出し、良い温度分布を持つを引き出し、良い温度分布を持つ LiLiイオン源の開発に成功しイオン源の開発に成功し

た。た。2007 年式 >1400℃

>10mA

5000 倍

フィラメント電子ビーム設計 設計値タングステン温度 (℃) 1386.0

加熱パワー(kW) 1.5

電子加速電圧(V) 1500.0

ビーム電流 (A) 1 温度制限電流(A/m2) 1360.0

フィラメント温度 (℃) 2096.0

24

0

5

10

15

0

1

2

3

-20 0 20 40 60 80

ビーム電流 電子ビームパワー

ビーム電流

[mA

]

電子ビームパワー

[kW]

Time[sec]

0

50

100

0.001

0.01

0.1

1

10

150 200 250 300 350

中性化効率 Na蒸気圧

[]

中性化効率％

Na [Pa]

飽和蒸気圧

[℃]中性化セル温度

【課題】　Na が電極・セラミックスに付着し、急激な絶縁劣化が問題化【工夫】•　 Na フラックスが絶縁用セラミックスを見込まないように対策•　中性化効率 95% での最適な運転【結果】　 10keV 、 10mA の大電流 Li ビームを 50 秒間安定に引き出すことに成功。 ( 電子ビームによる温度分布の緩和時間 ~10 秒程度 )

•　引出電極が低エネルギー大電流ビーム引出の鍵。　　 ( ビーム電流を制御できる。計測に便利 )

1. 収束性　中心ピークの温度分布、凹状放出面、 　電極形状の最適化2. 低エネルギー・大電流　引出電極で強引出電場

【特徴・工夫】

新型イオン銃で新型イオン銃で 10mA10mA大電流大電流 LiLiビームのビームの 5050秒間引出を達成した。秒間引出を達成した。

運転温度280 度 95%

プレ加熱 (40 秒 )

Ref. Plasma Fusion Res. 2, S1104 (2007)

10mA 、 50 秒間の長時間引き出し10mA, 50sec

25

到達ビーム電流到達ビーム電流 3mA3mA、、 0.20.2度の高輝度・低発散度の高輝度・低発散 LiLiビームを実現しビームを実現した。た。

Li+ Li0

中性化セル 0m 　ビームモニター 2.3m 　　 6.5m

0.01

0.1

1

10

669.5 670 670.5 671 671.5

[a.u]

放射強度

[nm]波長

ビーム成分

LiI (6

70.78

)

0

0.5

1

669.9 670 670.1

Li7Li6TotalEmission [a

.u]放射強度

[nm]波長

Center=670.0nmFWHM=0.055nm

ビームの発光スペクトル

【課題】　 6.5m 先でのビーム径を抑え、発散角がゼーマン偏光計測 (0.08nm) に有効なビーム生成・維持。 6.5m 先で 60mm の計測器に合わせるコントロール。【工夫】　ビームモニター ( 十字型のワイヤープローブ ) によるビーム位置確認【結果】発散角 0.2 度 ( 目標値 0.4 度 ) 、ビーム径 5cm 、到達ビーム電流3mA( 目標値 1mA)He ガス入射でゼーマン分離よりも小さいスペクトル幅を得て、 JT-60 に移設した。⇒ 世界最大のリチウムビームプローブTo be published to Rev. Sci. Instrum.

0

1

2

3

4

0 2 4 6 8 10 126.5m

[mA]

到達ビーム電流

[mA]イオンビーム電流

1mA目標値

到達ビーム電流~3mA到達ビーム電流　 3mAビーム径 5cm発散角　 0.2 度

26

漏れ磁場を低減し、ビーム制御手法を確立し、プラズマ計測に成功漏れ磁場を低減し、ビーム制御手法を確立し、プラズマ計測に成功した。した。

【課題】　JT-60 のポロイダルコイルによる漏れ磁場 (300 ガウス ) を 1/1000 低減する。6.5m 先の 22mm 幅にビーム中心を合わせるビームコントロール。【工夫】　•　三層式の磁気シールド ( 設計では 0.2 ガウスに低減 ) を設計・製作•　プラズマ表面にビーム幅方向の分布・位置計測チャンネルを設置【結果】　ポロイダルコイル通電時も漏れ磁場の影響なく、 XY ビームモニターでビームラインの通過を確認し、プロファイルモニターでさらに詳細に位置を決め、プラズマ計測に成功した。

リチウムイオンリチウムイオン銃銃

JT-60JT-60

ビームラインビームライン

中性リチウムビー中性リチウムビームム

ビーム幅方向の3chプロファイルモニター

22mm

XY ビームモニター

　 比透磁率 飽和磁束密度SS400(C ～0.16%) 1000 2 Tパーマロイ 20000 0.9 T磁気シールド設計計算　外部磁場 300 ガウスSS400 　 mm 40 S1 30 磁束密度 gauss 10.1 　パーマロイ　mm 2 S2 34

磁束密度 1.03S( 二層 ) 291

パーマロイ　mm 2 S3 35

磁束密度 0.185S( 三層 )

1621

27

0

1

2

3

012

5.24 5.26 5.28

ペデスタル密度Da

ペデスタル密度

[x19

m-3

]

Dダイバータ部

Time [s]

0

1

2

-10 -5 0 5 [x

10密度

19 m

-3]

[cm]セパラトリクスからの距離

世界で初めて周辺局在モードによる密度分布の崩壊を詳細に捉えた。世界で初めて周辺局在モードによる密度分布の崩壊を詳細に捉えた。

ELM による周辺密度崩壊

【結果】世界で初めて周辺局在モード (ELM) による周辺密度分布の崩壊を高時間・空間分解能で SOLからペデスタル領域にわたり詳細に捉えた。時間分解能 <0.5msec 、空間分解能 <1cm【意義】周辺プラズマの構造形成の理解に繋がり、 ELM による粒子・熱流束の定量評価から ITER におけるダイバータ設計に大きく貢献できる。

ペデスタル

1.1MA / 2.5T, =0.18

SOL

28

イオン銃を JT-60 に移設し、 JT-60 プラズマ入射に成功した。

イオン銃磁気シールド

ビームライン

真空排気設備

　 JT-60 の漏れ磁場 (300G) を 0.1G 程度に抑える磁気シールドを設計した。　 Li イオン銃、高電位テーブルを JT-

60 に移設し、初期調整後プラズマ入射に成功した。10mA 引出に向けて現在コンディショニング中。

10

　 透磁率 飽和磁束密度SS400 1000 2Tパーマロイ 20000 0.9T外部磁場 [T] 3.0e-2 シールド効果厚さ (SS400) 40mm S 30 磁束密度 [T] 1.01e-3 　厚さ ( パーマロイ ) 2mm S2 34

磁束密度 [T] 1.03e-4S( 二層 ) 291

厚さ ( パーマロイ ) 2mm S3 35

磁束密度 [T] 1.85e-5S( 三層 ) 1621

29

設計した入射光学系を JT-60 に設置し、計測システムを整えた。

　計測点ペデスタル計測に特化し、スポット 6mmペデスタル 10ch、 Δch=9.5mmコア /SOL10ch、 Δch=16mm

ビーム幅を含めた分解能は 1cm程度　データ収集系　20ch 、 1MHzサンプリングの高速データ収集系を利用し、密度揺動計測にも備えている。

11

30

PEMによる偏光測定2つの PEM（光弾性変調器）とポラライザーとを組み合わせて、特定波長の偏光成分を光強度の周波数成分へ変換する。下図の配置の場合、透過光 I3 の周波数成分は以下で与えられる（ f1 =

20 kHz, f2 = 23 kHz）。 J1(•), J2(•) は１次、２次のベッセル関数。 f1, 2f1, 2f2 は比例定数。

I3( f1) f 1S3

2J1( )

I3(2 f1) 2 f1S1 S2

2 2J2( )

I3(2 f2) 2 f 2S1 S2

2 2J2( )

I3(2f1)と I3(2f2)の比から偏光角が分かる。I3(f1)、 I3(2f1)、 I3(2f2)から円偏光と直線偏光の比 tan(2)=S3/(S1

2+S22)1/

2 が分かる。

x

y

22.5o

0o

–22.5o

I3

入射光

透過光

検出器(PMT)

PEM pair

PEM1

PEM2

Polarizer zバンドパスフィルター（+エタロン）

31

小振幅小振幅 ELMELMによる密度分布の崩壊、ゼーマン偏光成分の計測に成功した。による密度分布の崩壊、ゼーマン偏光成分の計測に成功した。

【結果】世界で初めて小振幅 ELM による周辺密度分布の崩壊を高時間・空間分解能で捉えた。加速電圧をスキャンしてドップラーシフトを変更し、ゼーマン偏光成分の基礎データ取得に成功した。⇒この手法では加速電圧を変更しても、引出電極によりビーム電流が制御できることが大きく生かされた。【意義】ELM による粒子・熱流束の定量評価から、 ITER におけるダイバータ設計に大きく貢献できる。

0

1 1019

2 1019

-0.1 -0.05 0 0.05

[m密度

-3]

[m]セパラトリクスからの距離

0

1

2

3

0

0.1

0.2

4.74 4.76 4.78 4.8

ペデスタル密度 Da

[x19

mペデスタル密度

-3]

Dダイバータ部

Time [s]

小振幅 ELM

ペデスタル

0

0.5

1

0

0.5

1

Eta

lon+

Filte

r

Li Beam

Em

ission

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

669.9 670 670.1 670.2 670.3

円偏光成分直線偏光成分

偏光成分強度

[a.u

]波長 [nm]

σ- π 　　 σ+

加速電圧によるドップラーシフト10keV 7.8keV

これらの比が磁場のピッチ角に相当する

フィルター特性

Li ビームの発光スペクトル Bt~4T

32

0

0.5

1

0

0.25

0.5

0.75

1

669 669.5 670 670.5 671

Etalon+Filter Li Beam Emission

Etal

on+F

ilter

Li Beam E

mission

波長 [nm]

0

0.5

1

0

0.25

0.5

0.75

1

669.9 670 670.1 670.2 670.3

Etal

on+F

ilter

Li Beam E

mission

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

669.9 670 670.1 670.2 670.3

円偏光成分直線偏光成分

偏光成分強度

[a.u

]

波長 [nm]

周辺電流計測に利用するゼーマン偏光成分の検出に成功した。周辺電流計測に利用するゼーマン偏光成分の検出に成功した。

σ- π 　　 σ+＜ゼーマン偏光による周辺電流計測＞2つの PEM（光弾性変調器）と直線偏光器を組み合わせて、偏光成分（ σ-）を光強度の周波数成分へ変換する。【結果】半値幅 1nm の干渉フィルターと 0.1nm のエタロンフィルターを組み合わせて用いることにより Li ビームのゼーマン偏光成分 (半値幅0.06nm) のみを取り出すことに成功した。【特徴】加速電圧を下げても信号強度 ( ビーム電流 ) を保つ事ができるため、 加速電圧をスキャンしてエタロンフィルターの調整が効率的に行える。

PEMレンズ直線偏光器

光ファイバー

観測窓

加速電圧によるドップラーシフト

エタロン

、フィル

ターの透

過率エタ

ロン、フ

ィルター

の透過率

10keV 7.8keV

これらの比が磁場のピッチ角に相当する

33

0

1234

5

0

5

10

15IPNeD

NBI

Ne

aver

age

[1019

m-3

]IP

[MA

], D

[a.u

] NB

I Pow

er [MW

]

Ipne

D

-0.01

-0.005

0

0.005

0 3 6 9 12

R20

, R46

[a.u

]

Time [sec]L モードH モード 12MWH モード 15MW

円偏光成分 L-H モードの差 ~ 周辺電流 ?

Li ビーム OFF

L,H(12MW),H(15MW)

L,HL,Hモードでのゼーマン偏光成分信号の検出に成功した。モードでのゼーマン偏光成分信号の検出に成功した。0.8MA/3.8T, q95=7.5, =0.5,

直線偏光成分

【目的】大・小振幅 ELM 発生時の周辺電流を観測し、周辺電流と ELM の関係をから ELMの物理機構を解明する。【結果】周辺電流計測の基礎データとなるゼーマン偏光成分の L,H モードでの違いを得ることができ、現在解析中である。

Li ビーム (7.8keV)

視線