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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
1
Introduction
Edge Region in H mode Plasma
ELMy H mode is a standard
operational scenario for ITER.
Pressure
Before ELM
ELM Crash
Heat Load to Divertor
Pedestal height
~kPa
After ELM
Pedestal width~cm
Current
Bootstrap Current by P
r/a
0.7
0.8
0.9
1.0
•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.
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,
NEW Lithium Beam Probe is developed.
2
Background and Objective
0.15
 Toroidal rotation vary ELM size and
frequency.
→Why and How do ELMs change?
small(co)
small(bal)
small(ctr)
middle(co)
middle(bal)
middle(ctr)
large(co)
large(bal)
large(ctr)
q95~4
DWELM/Wped
Background:
Type I ELM behaviors have been
investigated with tangential NBIs (co and
counter directions) in JT-60U.
PSEP~6 MW
e*~0.25
0.1
ITER Maximum
tolerable ELM size
0.05
Ctr
0
-100
-50
Co
0
50
100
VT,ped [km/s]
Ref: K. Kamiya PFR. 2, 005 (2007).
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 control
ELM affected area ~ ELM size DWELM
3
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
4
Lithium beam probe development on JT-60U.
 Edge diagnostics using LiBP
edge ne from beam emission profile
edge j from Zeeman polarimetry
resolutions of 1ms and 1cm are desired.
 Development of Li ion gun
Low beam energy ~ 10keV
optimum penetration in neped=1~3x1019m-3
small Doppler broadening is a merit for
Zeeman spectroscopy (0.08nm splitting@4T)
Long Beam
Line
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
5
Test stand of Lithium Beam System
Li Ion
Source
HVT
Na Vapor Neutralizer
Ion Gun
70cm
XY beam monitor (2.3m)
b eucryptite (Li2O・2SiO2・Al2O3)
soaking to porous tungsten
disk(50mm)
Neutralizer
+
Li0
Li
Electron Beam Heating
~1500degC
diagnostic region
(6.5m)
300degC
6
Li ion gun using EB heated ion source is developed.
Li0
Li+
b eucryptite
Porous W
EB Heating~1500℃
Na
heater
~300℃
Mo
50mm
7Li,
Beam Current [mA]
porosity 30%, Temp~1500℃
Life time~3.5 A・sec (1g)
10kV
50mm EBIS (DIII-D 30keV)
10
JT-60U 10keV, 10mA, 50sec
6mm IS (CHS 15keV)
0.1
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).
15mm IS (ASDEX-U 70keV, LHD 20keV)
1
-20kV (Strong Extraction)
 10mA, 50sec operation is demonstrated.
0
-10
-20
V extractor [kV]
-30
7
A. Kojima, et al 2008 Rev. Sci. Instrum. 79 093502.
3mA, 0.2deg, FWHM=0.05nm Li0 beam is obtained at 6.5m.
Effective Beam Intensity ~3mA
FWHM of Beam Emission ~0.05nm
Intentsiy [a.u]
Li0 intensity
at 6.5m [mA]
4
3
2
1
0
0
2
4
6
8
10
Extracted Ion Beam Current [mA]
12
1 Vacc=10keV
Iacc=3.5mA
0.5 FWHM
=0.05nm
0
668.8
w/o Bt, gas injection
E48867 3.9T OH plasma

+
669.2
669
Wave length [nm]
 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 (DlFWHM=0.08nm) and interference
(DlFWHM=1nm) filters are utilized.
8
Density profile (L to H mode) is successfully reconstructed.
Ip=1.6MA, Bt=3.95T, d=0.34, q95=4.3
ELM free H
H
Signal [a.u]
0.2
E49228-t4.6 L mode
Emission
BG
E49228-t5.25 H mode
Li0
Li0
0.1
Li signal
0
0.7
0.8
0.9
Z along Beam Line [m]
1 0.7
0.8
0.9
Z along Beam Line [m]
3
Beam Chop
Density [x1019 m-3]
L
0.3
LiBP
Thomson
H mode
2
1
0
-0.2
L mode
-0.15
-0.1 -0.05
R-Rsep [m]
0
 Edge density measurement (DR~1cm,
Dt~0.5ms) is demonstrated.
Not Reconstructed
Density profile during ELM cycle can be
investigated.
9
1
Density loss fraction (type I ELM) is 30% at pedestal region.
Ip=1.6MA, q95=4.3, d=0.34, PNB=11.7MW,
bp=0.85, li=0.83, e*= 0.29
recovery
20
Density pedestal recovers in 10ms
after ELM crash.
-3
m ]
e
0
10
time relative to ELM [ms]
After ELM
1
t=-1~0ms
t=1.5~2ms
pivot
0.4
1.6MA Co
Thomson
~30%
e
0
-10
2
0
0.6
Type I ELM (fELM=37Hz)
2
neped
Before ELM
e
0.5sec ELM averaging
0
4
-Dn /n
DDiv [a.u]
e
n [10
1
3
19
5cm
4cm
3cm
2cm
1cm
n [10
2
19
-3
m ]
E49228 t6.5-7.0
0.2
0
-10
-8
-6
-4
R-Rsep [cm]
-2
0
• Density pedestal shoulder is 4cm from separatrix.
• At pedestal region, density loss fraction due to type I ELM is 30%.
10
Density loss fraction of Ctr-rotation is smaller than Co-.
-3
m ]
2
Ip=1.6MA, q95=4.3, d=0.34, fELM=45Hz,
PNB=12.9MW, bp=0.81, li=0.83, e*=0.33
1
neped
Co
e
1
pre-ELM (Co)
t=-1~0ms (Ctr)
t=1.5~2ms (Ctr)
V [100km/s]
n [10
19
Ctr
pivot
t
0
0.6
0.4
1.6MA Ctr
0
-0.5
-1
-20
Co:30%
Ctr:20%
Vtped~20km/s
Vtped~-60km/s
-15
-10
-5
R-Rsep [cm]
0
e
-Dn /n
e
1.6MA Co
0.5
E49228
E49229
0.2
0
-10
0.4
-8
-6
-4
R-Rsep [cm]
-2
• Density pedestal width is similar.
4cm~4.5cm from separatrix
neped : Co > Ctr
0
• Ctr-rotating plasmas have
smaller density loss fraction,
30% (Co) > 20% (Ctr)
smaller affected area.
YAG Thomson
0.2
0
-15
-10
-5
R-Rsep [cm]
0
11
Ctr-Rotating plasmas have weaker gradient.
E49228-Co
ion
ion
0
200
P
Co-rotation
-DP /Dr [kPa/m]
P
2
100
t= -2.5~0ms
t= 10~12.5ms
t= 2.5~3ms
4
2
0
200
Ctr-rotation
100
ion
ion
(CO) >
(CO) >
0
Piped (CTR)
DPiped/Dr (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.
-4
-2
R-Rsep [cm]
0
8
[kPa]
-4
-2
R-Rsep [cm]
FWHM=2.3cm
0
-6
i
•
• Piped
DPiped/Dr
FWHM=2.6cm
ped
0
-6
P
-DP /Dr [kPa/m]
t= -2.5~0ms
t= 10~12.5ms
t= 2.5~3ms
4
E49229-Ctr
6
[kPa]
[kPa]
6
6
4
2
0
-10
Co
Ctr
-5
0
5
10
15
time relative to ELM [ms]
12
20
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.
13
Behavior of edge plasma is obtained during ELM cycle.
Edge Diagnostics on JT-60U
E49228 t6.8s  ne dl1  ne dl2
4
ELM onset
E49228
3
Wdia [MJ]
LiBP
(DR~1cm, D t=0.5ms)
2
CXRS
(DR~0.6cm,D t=2.5ms)
0
ECE
3
(DR~1.2cm, D t=20ms)
86kJ
89kJ
fELM=37Hz
2.9
2.8
DaDiv [a.u]
2.7
neped (r/a~0.9) [1019m-2]
recovery
Thomson
2
1
2.4
2.2
Edge ne, Te, Ti during ELM are
measured simultaneously with high
time and spatial resolutions.
Teped (r/a~0.86) [keV]
Tiped (r/a~0.88) [keV]
2
1.8
6.8
6.81
6.82
6.83
Time [sec]
6.84
14 6.85
15
ne and Ti loss fractions have different Ip dependence.
Ip=1.0MA, q95=4.1, d=0.39, fELM=75Hz ,
PNB=10.9MW, bp=1.3, li=0.83, e*= 0. 45
1.5
e
3
neped
1 1MA Co
0.5
0
0.6
t= -1~0ms(1MA)
t= 2~2.5ms(1MA)
0.4
0
-10
1
1MA Co
1.6MA Co
0.3
0.2
Tiped
1.6MA Co
2
0
0.4
e
-Dn /n
1.6MA Co
Ti [keV]
2
-DTi/Ti
e
n [10
19
-3
m ]
2.5
t= -2.5~0ms (1MA)
t= 3~5.5ms (1MA)
t= -2.5~0ms (1.6MA)
t= 3~5.5ms(1.6MA)
1MA Co
1MA Co
1.6MA Co
0.2
0.1
-8
-6
-4
R-Rsep [cm]
-2
0
0
-10
-8
-6
-4
R-Rsep [cm]
-2
0
• Density pedestal width is ~1cm wider than high Ip case. (bp=0.85->1.3)
n/Dn and T/DT have different Ip dependence.
Increases of ne and DT (conductive component) is dominant in high Ip case.
(DWELMconv~TDn, DWELMcond~nDT)
16
Density Loss due to Grassy ELM is smaller than Type I ELM.
fELM=200Hz
D
0.2
0.5
2
5
5.02
5.04
5.06
100msec
Time [sec]
5.08
-0.6
5.1
0.5
1.5
0
1
-0.5
0.5
0
6.4
fELM=500Hz
6.41
6.42
50msec6.43
Time [sec]
6.44
6.45
-3
1
0.5
e
-0.4
m ]
-0.2
19
0
1
t= -0.5~0ms (grassy)
t= 0.5~1ms (grassy)
t= -1~0ms (Type I)
t= 2~2.5ms (Type I)
1.5
n [10
1.5
0
(Ip=1.0MA, q95=4.3, d=0.54, PNB=9.4MW)
0.4
0
0.6
-Dne/ne
Density [x10
2
D [a.u]
Density [x1019 m-3]
R-Rsep= -6cm
-4cm
-2cm
0cm
D [a.u]
19
-3
m ]
large grassy and small type I ELMs (E48999)
Grassy (200Hz)
Grassy (500Hz)
Type I (75Hz)
0.4
0.2
0
-10
-8
-6
-4
R-Rsep [cm]
-2
0
• 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 -Dne/ne~30%, 10cm~)
17
• Grassy ELM with higher frequency has smaller crash (<5%~noise level).
ion
max(-DP /Dr) [kPa/m]
3-2. Evolution of pressure gradient are different.
250
1.6MA Co
200
1.6MA Ctr
1MA Co
150
37Hz
75Hz
100
50
0
45Hz
10
20
time relative to ELM [ms]
30
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
18
stability limit.
2-1-2. Reduction of Ion Temperature in Ctr-Rotation is also smaller than
Co-Rotation.
2
1
0
-10
0
10
time relative to ELM [ms]
3
Tiped
Ti [keV]
Ti [keV]
3
E49228 t6.5-7 Co
7cm
6cm
5cm
4cm
3cm
Type I ELM (fELM=37Hz) 2cm
2
Ctr
1
20
• 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.
t= -2.5~0ms (Co)
t= 3~5.5ms(Co)
t=-2.5~0ms (Ctr)
t= 3~5.5ms (Ctr)
0
0.4
pedestal Ti increases monotonically.
Co
Ctr
i
0.3
i
-DT /T
• Ti pedestal shoulder is located at
4cm~5cm, and the difference is unclear.
Co
0.2
0.1
0
-10
-8
-6
-4
R-Rsep [cm]
<DWELM/Wped>
(Co,Ctr)=(8.2%, 6.1%)
-2
19
0
1. Pedestal ne and Ti are observed by newly developed diagnostics
(Lithium Beam Probe, Charge eXchange Recombination Spectroscopy).
20
Line density and pedestal density behave different.
FIR interferometer
(U1 port)
 ne dl1
 n dl
e
2
ELM collapse
t :crash ~200ms
E49228
3
2.5
Density crash and recovery in ELM cycle
are observed by profile measurement.
FIR interferometer
(U2 port)
time delay
neped [1019m-3]
5.5
Enhanced recycling
time delay
increase of nesep
increase of ∫nedl1
5.3
1.5
∫nedl2 [1019m-2]
U2 port
1
2
5.2
6
∫nel1 [1019m-2]
U1 port
5
1
4
nesep [1019m-3]
0
6.8
Flux to divertor
5.4
2
decrease of neped
decrease of ∫nedl2
6.81
6.82
6.83
Time [sec]
6.84
3
6.85
increase of neped
Relaxation and
Pedestal recovery decrease of nesep
t :recover ~10ms
Time delay between neped and ∫nedl2
has information of pedestal recovery.
21
Core density recovers the lost density
nelIN+OUT
19
Density [10
2
1
-2
m ]
0.2
19
nelIN = -0.15m~pivot point
(recovery from crash)
DnelIN+OUT
nelOUT
nelOUT = pivot point~+0.1m
(decay of enhanced recycling)
DNeL
nelIN ~ nelOUT
pivot
0
-10
Dnl [10
t=6.810
t=6.812
t=6.815
Before ELM
nelIN
-3
m ]
3
-5
0
R-Rsep [cm]
ELM
DDNeL
 ne dl22 = DnelIN + DnelOUT+DNeL
5
=DnelIN+OUT+DNeL
0
core region
ELM
0.1
Dn l
IN+OUT
e
Dn l
IN
0
e
Dn l
OUT
e
Dn
D  lne dl2
core
-0.1
-0.2
6.8
e
6.81
6.82 6.83
Time [sec]
6.84
6.85
core indicates core density
DDn
 neeldl
2
behavior!
drop of D  ne dl2 corresponds to
2% density reduction of core
region.
It may recovers the lost
pedestal density.
22
10mAを引き出し、良い温度分布を持つLiイオン源の開発に成功した。
モリブデンマウント
接触面の熱伝導が
悪く、温度が上がら
ない
電子ビーム設計
タングステン温
度(℃)
加熱パワー(kW)
設計値
1386.0
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
イオン源温度分布
2007年式
電子ビーム加熱
電子ビームで直接加
熱(最大5kW)
1400
H19式>1400℃
2007年式
H18式
>10mA
イオン源温度 [℃]
2006年式タングステンディスク
ヒーター加熱(市販品)
1200
5000倍
1000
800
2006年式 <900℃
<2μA
ポーラスタングステン
電子ビーム
600
-40
-20
0
X
[mm]
フィラメント
20
40
【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。
23
新型イオン銃で10mA大電流Liビームの50秒間引出を達成した。
10mA、50秒間の長時間引き出し
中性化効率
Na蒸気圧
1
50
0.1
運転温度
280度95%
0
150
200
250
300
中性化セル温度 [℃]
0.01
電子ビームパワー
3
10mA, 50sec
10
2
5 プレ加熱(40秒)
0
-20
0
20
40
Time[sec]
1
60
0
80
【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
10
Na飽和蒸気圧 [Pa]
中性化効率 [％]
100
ビーム電流 [mA]
【特徴・工夫】
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 Ref. Plasma Fusion Res. 2, S1104 (2007)
ビーム電流
電子ビームパワー [kW]
15
0.001
350
【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。 24
(ビーム電流を制御できる。計測に便利)
到達ビーム電流3mA、0.2度の高輝度・低発散Liビームを実現した。
1
中性化セル0m ビームモニター2.3m
0.1
1
6.5m
Li0
670
670.5
671
波長 [nm]
ビームの発光スペクトル
Li7
Li6
Total
Emission
Center=
670.0nm
0.5 FWHM=
0.055nm
0
669.9
671.5
670
波長 [nm]
670.1
6.5m到達ビーム電流 [mA]
Li+
0.01
669.5
放射強度 [a.u]
LiI (670.78)
ビーム成分
放射強度 [a.u]
10
4
到達ビーム電流
到達ビーム電流
3mA
~3mA
3
ビーム径 5cm
発散角 0.2度
2
1
目標値1mA
0
0
2
4
6
8
10
イオンビーム電流 [mA]
12
【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。
25
⇒世界最大のリチウムビームプローブ To be published to Rev. Sci. Instrum.
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。
リチウムイオン銃
比透磁率
飽和磁束密度
SS400(C～
0.16%)
1000
2T
パーマロイ
20000
0.9 T
ビーム幅方向の
3ch
プロファイルモニ
ター
22mm
磁気シールド設計計算外部磁場300ガウス
SS400 mm
中性リチウムビー
ム
磁束密度 gauss
10.1
パーマロイ mm
2
磁束密度
パーマロイ mm
ビームライン
40
磁束密度
1.03
2
0.185
S1
30
S2
34
S(二層)
S3
S(三層)
291
35
162
1
【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。
XYビームモニター
JT-60
【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
26
マ計測に成功した。
1.1MA / 2.5T, d=0.18
3
2
1
0
2
1
0
5.24
2
密度 [x1019 m-3]
Da
ペデスタル密度
ダイバータ部D
ペデスタル密度 [x19 m-3]
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。
5.26
Time [s]
5.28
ELMによる
周辺密度崩壊
1
SOL
ペデスタル
0
-10
-5
0
セパラトリクスからの距離 [cm]
5
【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。
27
イオン銃をJT-60に移設し、JT-60プラズマ入射に成功した。
透磁率
真空排気設備
SS400
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
S2
34
磁束密度[T]
厚さ(パーマロイ)
磁気
シールド
飽和磁束密度
1000
厚さ(パーマロイ)
磁束密度[T]
10
2mm
1.03e-4
2mm
1.85e-5
S(二層)
S3
S(三層)
291
35
1621
イオン銃
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。
ビームライン
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
28
グ中。
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。
11
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。
29
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。
S
y
I3 ( f1 )   f 1 3 J1( )
PEM pair
2
x
S S
I3 (2 f1)   2 f 1 1 2 J2 ( )
22.5o
2 2
入射光
S S
I3 (2 f 2 )   2 f 2 1 2 J2 ( )
–22.5o
2 2
PEM1
 I3(2f1)とI3(2f2)の比から偏光角g
0o
PEM2
が分かる。
Polarizer
 I3(f1)、I3(2f1)、 I3(2f2)から円偏
光と直線偏光の比
tan(2c)=S3/(S12+S22)1/2が分かる。
透過光
I3
z
バンドパスフィル
ター（+エタロン）
検出器30
(PMT)
1 10
19
0.1
2
0
1
0
4.74
4.76
4.78
Time [s]
4.8
ペデスタル
0
-0.1
-0.05
0
セパラトリクスからの距離 [m]
0.05
Etalon+Filter
0.2
偏光成分強度 [a.u]
密度 [m-3]
小振幅ELM
3
1
Liビームの発光スペクトルBt~4T
σ-
π
1
σ+
0.5
0.5
フィルター特性
0
0.2
0
円偏光成分
直線偏光成分
Li Beam Emission
19
Da
ペデスタル密度
ダイバータ部D
2 10
ペデスタル密度 [x19 m-3]
小振幅ELM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。
これらの比が磁
場のピッチ角に
相当する
0.1
0
-0.1
加速電圧による
ドップラーシフト
-0.2
-0.3
669.9
10keV
670
7.8keV
670.1
波長 [nm]
670.2
670.3
【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】
31
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。
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。
【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。
エタロン、フィルター
Etalon+Filter
の透過率
エタロン、フィルター
の透過率
Etalon+Filter
＜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。
1
0.75
0.5
0.5
0.25
0
669
669.5
1
670
670.5
波長 [nm]
0
671
1
0.75
0.5
σ-
π
σ+
0.5
0.25
0
669.9
0.2
670
670.1
670.2
円偏光成分
直線偏光成分
0
670.3
Li Beam Emission
光ファイバー
偏光成分強度 [a.u]
レンズ
PEM
1
Li Beam Emission
観測窓
Li Beam Emission
Etalon+Filter
直線偏光器
これらの比が
磁場のピッチ
角に相当する
0.1
0
-0.1
加速電圧による
ドップラーシフト
-0.2
-0.3
669.9
10keV
670
7.8keV
670.1
波長 [nm]
670.2
670.3
32
Liビーム(7.8keV)
視線
5
4
IP
Ne
D
NBI
10
3
D
2
1
ne
5
Ip
0
直線偏光成分
15
0
NBI Power [MW]
0.8MA/3.8T, q95=7.5, d=0.5,
Ne average [1019 m -3]
IP [MA], D [a.u]
L,Hモードでのゼーマン偏光成分信号の検出に成功した。
L,H(12MW),H(15MW)
R20, R46 [a.u]
0.005
LiビームOFF
0
-0.005
【目的】
大・小振幅ELM発生時の周辺電流を観測し、
L-Hモードの差~周辺電流?
円偏光成分
周辺電流とELMの関係をからELMの物理機
構を解明する。
-0.01
0
3
6
9
12
Time [sec]
Lモード
【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。
Hモード12MW
Hモード15MW
33

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