An Optical design and accuracy estimation for a JT-60SA edge Thomson scattering diagnostic

東條 寛; 波多江 仰紀; 濱野 隆; 佐久間 猛; 伊丹 潔

Journal of Instrumentation (Internet), 8(12), p.C12025_1 - C12025_13, 2013/12

https://doi.org/10.1088/1748-0221/8/12/C12025

For collection optics for the edge measurements in a JT-60SA Thomson scattering diagnostic, a compact Petzval-like lens system with smaller lenses (200 mm in diameter) is designed so that the stop position is the middle area of the system, which is effective to miniaturize the lens size. Use of two flat mirrors placed in the middle area enables preventing interferences with the space limit. Generally, the angle () between the scattering plane determined from the collection optics position and the laser polarization angle should be equal to 90. Otherwise the measured intensity of scattered light decays with . We optimized the angle so that enough intensity is provided for both collection optics positions for the edge and core measurements. It was found that the minimum error in was given at a condition with for edge optics ( for core optics).

Fatal damages due to breakdown on a diagnostic mirror located outside the vaccum vessel in JT-60U

梶田 信*; 波多江 仰紀; 佐久間 猛; 高村 秀一*; 大野 哲靖*; 伊丹 潔

Plasma and Fusion Research (Internet), 7(Sp.1), p.2405121_1 - 2405121_4, 2012/09

https://doi.org/10.1585/pfr.7.2405121

Recently, enhancement of the initiation of arcing on divertor surfaces has been pointed out due to the surface morphology change and transient heat loads, such as ELMs and disruptions. Inside the vacuum vessel, it seems that the arcing has been frequently observed, and the existences are more or less recognized. However, it is likely that arcing or breakdown phenomena take place not only inside the vessel, but also outside the vessel. In this study, we will report that a diagnostic mirror in JT-60U, which was located outside the vacuum vessel, for Thomson scattering measurement optics in JT-60U has been seriously damaged by some discharge phenomena. Because the damages were so fatal that the mirror had to be replaced after the breakdown. Details of the characteristics of the damage are revealed from the observation of the trails. Furthermore, the mechanism to cause the damages is discussed based on the observation. Many fine trails were found on the surface. The trails could be categorized into two different types with respect to the trail width. It is thought that surface discharge was initiated on the mirror. The mechanisms to lead the damages were discussed based on the observation. This study issues warning on the components to be installed in ITER and future fusion devices both inside and outside the vacuum vessel.

Conceptual design of polychromator for Thomson scattering system in JT-60SA

東條 寛; 波多江 仰紀; 佐久間 猛; 濱野 隆; 伊丹 潔

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.9, p.288 - 293, 2010/08

http://www.jspf.or.jp/JPFRS/PDF/Vol9/jpfrs2010_09-288.pdf

トムソン散乱計測用の光伝送ファイバー透過率の大幅な損失がJT-60Uの18年間の運転後に確認された。よって、JT-60SAにおいて高温の電子温度を計測するために、ポリクロメータ内のフィルター構成の最適化が必要である。そのために光ファイバーの中性子や線からの影響を評価する必要がある。本発表では、ポリクロメータ内のフィルター構成の最適化をJT-60SAのプラズマパラメータを対象に行った。計測における電子温度()や電子密度の誤差(相対誤差)の時間発展を、耐放射線ファイバーの使用した場合での見積もりを行い、同時に、JT-60Uにおいて使用された放射線耐性のない光ファイバーを採用した場合の相対誤差も算出し、耐放射線ファイバーとの比較を行った。耐放射線ファイバーでの10keVにおける平均相対誤差の時間発展は運転開始から11年程で35%から1%程度しか増加しない。しかし、JT-60Uでのファイバーを使用した場合、平均相対誤差は78%程度で、特に温度によっては相対誤差が10%を超える場合もあり測定が困難になりうることがわかった。

Applications of stimulated brillouin scattering phase conjugate mirror to Thomson scattering diagnostics in JT-60U and ITER

波多江 仰紀; 内藤 磨; 北村 繁; 佐久間 猛*; 濱野 隆*; 中塚 正大*; 吉田 英次*

Journal of the Korean Physical Society, 49, p.S160 - S164, 2006/12

誘導ブリルアン散乱位相共役鏡を応用し、トムソン散乱計測の測定性能改善を図った。液体フロン化合物を用いた位相共役鏡はレーザー平均出力145W(50Hz)の入力で95%以上の反射率を示した。トムソン散乱への直接的な応用としては、位相共役鏡によりレーザービームを往復させ、迷光を著しく増加させることなく散乱光を倍増させる手法(ダブルパス散乱)を開発した。初期実験ではJT-60に位相共役鏡を取り付けダブルパス散乱させた結果、散乱光を1.6倍に増加させることができた。ダブルパス散乱を発展させ、一対の位相共役鏡間にレーザー光を閉じ込め、数倍以上の散乱光を発生することができるマルチパス散乱も考案した。また、散乱光のS/N改善のため、位相共役鏡を既存のレーザー装置に組み込み、レーザー装置の高出力化を行った。位相共役鏡は高出力増幅器で誘起される波面歪みが効果的に補正し、レーザー出力が当初の8倍を超える368W(7.4J50Hz)に到達した。この結果からITERの周辺トムソン散乱用レーザーで必要とされる5J, 100Hzの出力を得る見通しがついた。これらを踏まえ位相共役鏡を搭載した、最適化されたITER用レーザーシステム、さらに高空間分解型LIDARトムソン散乱用レーザーシステムの設計・検討を行った。

How many wavelength channels do we need in Thomson scattering diagnostics?

内藤 磨; 吉田 英俊; 北村 繁; 佐久間 猛*; 小野瀬 義秋*

Review of Scientific Instruments, 70(9), p.3780 - 3781, 1999/09

https://doi.org/10.1063/1.1149994

プラズマ中の電子温度、密度の測定に用いるトムソン散乱計測では、散乱された光を多数の波長チャンネルで検出した方が精度が上がるが、その分コストもかかる。このため本論文では現実的な測定条件下において妥当な波長チャンネル数の指針を与えた。まずチャンネル数の如何に依らない測定誤差の理論的下限が存在することを示した。次に与えられたチャンネル数において測定誤差を最小にする波長チャンネルの配置を求め、この時の誤差が理論的下限値にどれくらい近いかによって最適性の判断を行った。通常の測定では理論限界の90%程度の測定精度を持っていれば十分と考えられる。以上のことから、400-700nmの波長領域を測定する典型的なルビーレーザー散乱システムにおいては、0.01-10keVの温度領域の測定には7チャンネル、0.1-10keVでは5チャンネルあれば良いことを明らかにした。

A Compact and high repetitive photodiode array detector for the JT-60U Thomson scattering diagnostic

吉田 英俊; 内藤 磨; 佐久間 猛*; 北村 繁; 波多江 仰紀; 長島 章

Review of Scientific Instruments, 70(1), p.747 - 750, 1999/01

https://doi.org/10.1063/1.1149435

コンパクトで高い繰返し計測が可能な2次元型検出器をJT-60Uトムソン散乱測定装置用に開発した。機器構成は、短波長で高い量子効率を持つ光電面、指向性を重視した近接型一段加速のマイクロチャンネルプレート、高速応答できる蛍光面、空間分割20でスペクトル分割12の240chフォトダイオードアレイ、1ミリ秒以内にデータ読み込みやA/D変換、メモリーへの転送・書き込みを行うパラレル/シリアルデータ処理ユニットである。上述した短波長で高い分光感度を持つ本検出器の特性を生かし、長波長側で高い透過率を持つように分光光学系で使用するレンズ類の無反射コーティング等の設計に留意した結果、広いスペクトル帯域幅でトムソン散乱光の測定を可能にし、10keVを越す炉心プラズマの超高温電子温度測定にも本検出器は安定かつ高い信頼性で適用できることを、JT-60Uトムソン散乱測定装置で実証した。

JT-60トムソン散乱計測における蒸着膜形成による観測窓の透過率低下と電子温度・密度測定値へ及ぼす影響

三浦 良和*; 吉田 英俊; 佐久間 猛*; 山下 修; 長島 章; 的場 徹

JAERI-M 90-167, 44 Pages, 1990/09

JAERI-M-90-167.pdf:1.15MB

JT-60トムソン散乱計測において、レーザー散乱光を観測する窓がプラズマからのスパッター等で汚れることにより、電子温度及び電子密度の測定値に影響を及ぼすことを明らかにした。本報告書は、1987~1989年の4期に渡るJT-60実験期間において、蒸着膜が付着した観測窓の分光透過率測定と蒸着膜の成分分析及び原因調査を行い、電子温度及び電子密度に与える影響を定量的に評価し、実験運転との対応について検討した結果をまとめたものである。

JT-60SAトムソン散乱計測における集光光学系と計測ポートプラグの概念設計

東條 寛; 波多江 仰紀; 佐久間 猛; 濱野 隆; 篠原 孝司; 伊丹 潔; 相田 善明*; 水藤 哲*; 藤江 大二郎*

no journal, , 

JT-60SAのトムソン散乱計測の集光光学系の概念設計を行った。計4種のガラス材を含んだ7-9枚のレンズからなる屈折系光学系を採用し、色収差を抑制した(解像度は1mm以下)。また集光光学系を計3つのポート(P1, P2, P5)に設置することで、径方向ほぼ全域の計測が可能になる見込みを得た。集光光学系はクライオスタットから真空容器ポートまでアクセスするポートプラグ内に収納する必要がある。プラズマ電流が5MA/8msの時間スケールで減少するディスラプションを想定した場合、板厚30mmで、ポートプラグ先端部から500mm程度の領域まで0.1MA/mのオーダーの渦電流が生じると考えられている。先端部の板厚を20mmにすることで、渦電流が流れにくく、最大主応力が設計応力以下に抑える設計が可能となった。

Development of a Thomson scattering diagnostic design for JT-60SA

東條 寛; 波多江 仰紀; 佐久間 猛; 濱野 隆; 伊丹 潔

no journal, , 

In JT-60SA, electron temperature () and density will be provided by Thomson scattering diagnostic. A YAG laser ( 3J) will be injected tangentially to the toroidal direction on the equatorial plane so that the whole radial profile can be measured. However, space for collection optics is limited by port-plug accessing to the vacuum vessel. For the core measurements, refraction collection optics using nine large lenses (400 mm diameter) with four glass materials was suggested. However, some large lenses were too large to fabricate. To avoid this problem, a triplet lens system within 200 mm diameter was designed. Design of the port-plug head including shutter and heat sink has been also performed. Severe radiation condition changes transmissivities of optical components and cause wrong estimations in . Use of a double-pass scattering system makes possible in-situ relative calibration among the spectral channels and correct estimations.

トムソン散乱計測のための先端レーザーの開発研究

波多江 仰紀; 谷塚 英一; 吉田 英次*; 藤田 尚徳*; 椿本 孝治*; 中塚 正大*; 安原 亮*; 東條 寛; 佐久間 猛

no journal, , 

大阪大学レーザーエネルギー学研究センターとの共同研究成果として、ITERの周辺トムソン散乱計測装置で用いるYAGレーザー装置の開発の進展について発表する。ITERの要求を満たすためには、繰り返し100Hzで出力エネルギー5JのYAGレーザー装置が必要である。これを実現するために、レーザー発振器から出力されるビームを2分岐し、それぞれのビームを口径14mmのレーザーロッド4本で増幅するレーザーシステムを設計し、レーザー増幅器をはじめとする主要機器の製作と、組立てを行った。レーザー増幅器では、フラッシュランプによる強い励起によって、レーザー結晶内で発生するASEやフラッシュランプ光中のレーザー波長と同じ波長の光が増幅率を低下させる原因となるが、サマリウムを添加したガラスを用いたフローチューブで増幅器内のそれらの光を選択的に吸収させることによって、小信号利得が最大2.8倍向上することを明らかにした。結果として、2つのビームラインを同時運転することにより、ITERの要求性能を越える、100Hz, 最大7.66Jのレーザー光を発射できるレーザー装置の開発に成功した。