ビームプローブを用いた

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。
Tandem Mirror GAMMA10
Pancake Coils
①
②
ECH
ICRH
③
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）
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
Gold Neutral Beam Probe
アナライザー
イオン源
GAMMA10本体
中性化セル
偏向電圧
MCP(Micro Channel Plate)
一次ビームエネルギー：11.781[keV]
偏向電圧：9.117[kV]
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
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。
#208970-77 Diamagnetism
6
12
5
10
Diamagnetism[10 -5 Wb]
Line Density[10 13 cm -2 ]
#208970-77 Line Density
4
3
2
1
0
50
#208970(sweep)
#208971(R=0cm)
#208977(R=12cm)
100
150
Time[ms]
200
RF1：51–240[ms]
RF2：53–240[ms]
8
6
4
2
0
50
#208970(sweep)
#208971(R=0cm)
#208977(R=12cm)
100
150
Time[ms]
Barrier-ECH：155-205[ms]
Plug-ECH：160–190[ms]
200
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。
#208970（スイープ）
#208971-77（固定計測）
450
400
400
350
Potential[V]
Potential[V]
450
150.0-151.5[ms]
164.0-165.5[ms]
300
250
350
300
250
200
200
150
150
-5
100
-5
0
5
x[cm]
10
15
164.6[ms]
150.4[ms]
0
5
x[cm]
10
15
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。
径方向電位揺動強度比較
低周波電位揺動強度（スイープ）
900
850
800
750
700
650
600
-5
150.4-152.4[ms]
164.6-166.6[ms]
0
5
x[cm]
10
15
Potential Fluctuation Level[rel.unit]
Potential Fluctuation Level[rel.unit]
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。
低周波電位揺動強度（固定計測）
900
850
800
750
700
650
600
-5
150.4[ms]
164.6[ms]
0
5
x[cm]
10
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。
15
径方向密度揺動強度比較
低周波密度揺動強度（スイープ）
2.2
2
150.4-152.4[ms]
164.6-166.6[ms]
1.8
1.6
1.4
1.2
1
-5
0
5
x[cm]
10
15
Density Fluctuation Level[rel.unit]
Density Fluctuation Level[rel.unit]
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。
低周波密度揺動強度（固定計測）
2.2
2
150.4[ms]
164.6[ms]
1.8
1.6
1.4
1.2
1
-5
0
5
x[cm]
10
15
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。
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。
#209820-22 Line Density
#209820-22 Diamagnetism
10
5
4
3
2
#209820
#209821
#209822
1
0
50
100
150
Time[ms]
200
RF1：51-240[ms]
RF2：53-240[ms]
Diamagnetism[10 -5 Wb]
Line Density[10 13 cm -2 ]
6
8
6
4
2
0
50
#209820
#209821
#209822
100
150
Time[ms]
Barrier-ECH：150-200[ms]
Plug-ECH：155-180[ms]
200
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。
#209820-22 Radial Potential
600
550
150.0[ms]
160.8[ms]
Potential[V]
500
450
400
350
300
250
200
-5
0
5
x[cm]
10
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。
15
250
200
150
100
Plug-ECH
50
0
50
150
100
Time[ms]
200
#209820(R=0cm) 密度揺動強度
0.4
Den. Flu. Level
0.35
0.3
R=0cm
0.25
0.2
0.15
0.1
50
Plug-ECH
100
150
Time[ms]
200
350
300
Pot. Flu. Level
R=6cm
250
200
150
100
Plug-ECH
50
0
50
150
100
Time[ms]
200
#209821(R=6cm) 密度揺動強度
0.4
Den. Flu. Level
0.35
0.3
R=6cm
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
50
Plug-ECH
100
150
Time[ms]
200
Potential Fluctuation Level[rel.unit]
R=0cm
300
#209821(R=6cm) 電位揺動強度
400
Density Fluctuation Level[rel.unit]
Pot. Flu. Level
350
Potential Fluctuation Level[rel.unit]
#209820(R=0cm) 電位揺動強度
400
Density Fluctuation Level[rel.unit]
Density Fluctuation Level[rel.unit]
Potential Fluctuation Level[rel.unit]
電位・密度揺動積算値
#209822(R=12cm) 電位揺動強度
400
Pot. Flu. Level
350
R=12cm
300
250
200
150
Plug-ECH
100
50
0
50
200
150
100
Time[ms]
#209822(R=12cm) 密度揺動強度
0.4
Den. Flu. Level
0.35
0.3
R=12cm
0.25
0.2
0.15
0.1
50
Plug-ECH
100
150
Time[ms]
200
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。
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。
ドリフト型密度揺動周波数変化
10
10
8
8
Frequency[kHz]
Frequency[kHz]
ドリフト型電位揺動周波数変化
6
4
2
#209820(x=0cm)
#209821(x=6cm)
#209822(x=12cm)
0
90 100 110 120 130 140 150 160
Time[ms]
6
4
2
#209820(x=0cm)
#209821(x=6cm)
#209822(x=12cm)
0
90 100 110 120 130 140 150 160
Time[ms]
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。
#209821(R=6cm)
#209820(R=0cm)
15
10
5
0
5
10
Frequency[kHz]
20
15
10
5
0
15
150.0[ms]
160.8[ms]
25
m=1
ドリフト型揺動
20
0
#209820(R=0cm)
150.0[ms]
160.8[ms]
0.01
0.005
0
5
10
Frequency[kHz]
25
20
15
10
5
0
15
0
15
15
0.025
150.0[ms]
160.8[ms]
0.02
0.015
0.01
0.005
0
5
10
Frequency[kHz]
#209822(R=12cm)
0.025
0.015
0
5
10
Frequency[kHz]
150.0[ms]
160.8[ms]
#209821(R=6cm)
0.025
0.02
#209822(R=12cm)
30
Pot. Flu. Level[rel.unit]
Pot. Flu. Level[rel.unit]
150.0[ms](ICRF時間帯)
160.8[ms]（閉じ込め電位形成）
25
0
30
Den. Flu. Level[rel.unit]
30
Den. Flu. Level[rel.unit]
Density Fluctuation Level[rel.unit]
Potential Fluctuation Level[rel.unit]
スペクトル解析
0
5
10
Frequency[kHz]
15
150.0[ms]
160.8[ms]
0.02
0.015
0.01
0.005
0
0
5
10
Frequency[kHz]
15
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。
結論
・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。
電位の時間変化
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。
#208970(sweep)
#208971(R=0cm)
500
500
Potential
Potential
400
Potential[V]
Potential[V]
400
300
200
100
0
50
300
200
100
100
150
Time[ms]
200
0
50
100
150
Time[ms]
200
BPCC較正実験概説
Fc
電位
加速エネルギー
アナライザー
GAMMA10
E
イオン源
E
仮想電位
加速エネルギー
アナライザー
GAMMA10
イオン源
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。
仮想電位400(V)
偏向電圧
仮想電位0(V)
32ch
18ch
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。
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。
0[V]
200[V]
400[V]
600[V]
34
32
較正実験フィッティング
Pch = (21.752 + 0.085766r - 0.010647r 2)
+ (0.015251 - 2.2157e -5r - 1.538e -6r2)E b
( Pch  (21.752 0.085766R  0.010647R 2 ))
Eb 
(0.015251 2.2157e 5 R  1.538e 6 R 2 )
30
Peak Channel
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。
28
Eb：仮想電位
R：径方向位置
Pch：ピークチャンネル
26
24
22
20
-5
0
5
R[cm]
10
15
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。
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。
アナライザー偏向電圧較正
アナライザー偏向電圧較正平均値
3
3
200[V],0[cm]
200[V],5[cm]
200[V],10[cm]
400[V],0[cm]
400[V],5[cm]
400[V],10[cm]
2
2
1
ΔPch
ΔPch
1
Pch-Va直線
0
-1
-2
0
-1
Eb,Rによる変化は
ほとんどない
-3
-150 -100
-50
0
50
-2
100
150
ΔPch = 0.045778 - 0.020408ΔVa[V]
-3
-150 -100
ΔVa[V]
-50
0
50
100
150
ΔVa[V]
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、
Pch  0.045778 0.020408Va
データからのずれは最大約0.1ch（許容範囲）
ノイズレベル
Intensity Standard Deviasion[V]
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。
50
10
Time[ms]
100
150
200
ノイズ較正時
通常実験時（#208736）
1
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)
0.1
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。
0.01
0.001
209050
209055
209060
shot number
209065
揺動解析に用いたショットの電位分布
#209820-22 Potential
600
Potentail[V]
500
400
300
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。
200
100
0
50
#209820(R=0cm)
#209821(R=6cm)
#209822(R=12cm)
100
150
Time[ms]
200

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