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論文

Development of laser beam injection system for the Edge Thomson Scattering (ETS) in ITER

谷塚 英一; 波多江 仰紀; 水藤 哲*; 小原 美由紀*; 萩田 浩二*; 井上 和典*; Bassan, M.*; Walsh, M.*; 伊丹 潔

Journal of Instrumentation (Internet), 11(1), p.C01006_1 - C01006_12, 2016/01

 被引用回数:5 パーセンタイル:66.58(Instruments & Instrumentation)

In the ITER Edge Thomson Scattering, the penetration in the port plug allows the laser beams to be injected into the plasma. The penetration has to be as small as possible to reduce neutron streaming from the plasma-side. In ITER, multiple laser systems are needed for high availability of Thomson scattering diagnostics. A new type of beam combiner was developed to obtain collinear, i.e. smallest footprint because of the common path, and fixed polarization from multiple laser beams using a rotating half-wave-plate. The rotating half-wave-plate method does not induce misalignment even if the rotating mechanism defects. The combined beam is injected into plasma and is absorbed at the beam dump. The beam alignment system was designed to hit the laser beam onto the center of the beam dump. The beam position at the beam dump head is monitored by multiple alignment laser beams which are collinear with the diagnostic YAG laser beam and an imaging system installed outside the diagnostic port.

論文

Enhancement of resistance against high energy laser pulse injection with chevron beam dump

谷塚 英一; 波多江 仰紀; Bassan, M.*; Vayakis, G.*; Walsh, M.*; 伊丹 潔

Fusion Engineering and Design, 100, p.461 - 467, 2015/11

 被引用回数:3 パーセンタイル:63.46(Nuclear Science & Technology)

This paper reports our recent developments on the laser beam dump for the Edge Thomson Scattering System in ITER. The laser-induced damage on the beam dump surface is one of the most severe issues of the beam dump development to be overcome. In order to resolve the damage issue, a new type of beam dump called the chevron beam dump was proposed recently. This paper aims to verify the key concept of the chevron beam dump design. The laser irradiation tests onto flat-mirror-molybdenum sample were carried out. It was clarified that the absorbed energy density of the laser pulses should be the correct figure of the laser-induced damage. Therefore, the concept of the chevron beam dump, that minimizes the absorbed laser energy density per unit area, was validated experimentally. It was concluded that the chevron beam dump enables us to extend its lifetime drastically relative to conventional beam dumps.

論文

Progresses in development of the ITER edge Thomson scattering system

谷塚 英一; Bassan, M.*; 波多江 仰紀; 石川 正男; 嶋田 恭彦; Vayakis, G.*; Walsh, M.*; Scannell, R.*; Huxford, R.*; Bilkova, P.*; et al.

Journal of Instrumentation (Internet), 8(12), p.C12001_1 - C12001_10, 2013/12

 被引用回数:6 パーセンタイル:62.45(Instruments & Instrumentation)

In ITER, the edge Thomson scattering system (ETS) is one of the primary diagnostic systems for measuring electron temperature and electron density profiles of edge plasma. In order to provide a high throughput of scattered light against a low throughput of neutron and $$gamma$$ ray from plasma, collection optics with a labyrinthine optical path in the port plug was designed. A combination of in-situ calibration (using two lasers with different wavelengths) and periodic calibration (using a super-continuum light source illuminating shutter rear-plate covered with a diffusive material) would provide accurate measurements in ITER against the degradation of spectral transmissivity due to the harsh radiation environment and sputtering/contamination of the first mirror. Specifications of subsystems were determined from assessments of measurement error. It was confirmed that the ETS will work in ITER with the specifications achieved by present technologies.

論文

Chevron beam dump for ITER edge Thomson scattering system

谷塚 英一; 波多江 仰紀; Vayakis, G.*; Bassan, M.*; 伊丹 潔

Review of Scientific Instruments, 84(10), p.103503_1 - 103503_6, 2013/10

 被引用回数:7 パーセンタイル:58.14(Instruments & Instrumentation)

This paper contains the design of the beam dump for the ITER Edge Thomson Scattering (ETS) System and mainly concerns its lifetime under the harsh thermal and electromagnetic loads as well as tight space allocation. The lifetime was estimated from the multi-pulse laser-induced damage threshold. In order to extend its lifetime, the structure of the beam dump was optimized. A number of bent sheets aligned parallel in the beam dump form a shape called a chevron which enables it to avoid the concentration of the incident laser pulse energy. The chevron beam dump is expected to withstand thermal loads due to nuclear heating, radiation from the plasma and numerous incident laser pulses throughout the entire ITER project. Structural analysis was also carried out in case of electromagnetic loads during a disruption. Induced stress is significantly less than the yield strength. Therefore, it is expected that the chevron beam dump will work under the ITER's environment.

口頭

ITER周辺トムソン散乱計測装置の開発の現状

波多江 仰紀; 谷塚 英一; Bassan, M.*; Vayakis, G.*; Walsh, M.*; 伊丹 潔

no journal, , 

ITERの周辺トムソン散乱計測装置の設計の最近の進展について報告する。微弱なトムソン散乱光を集光する集光光学系は、ポートプラグと呼ばれる構造体に組み込まれるが、光学性能と中性子遮蔽性能の両立を目指して集光光学系の設計を行い、計測要求(空間分解能5mm)及び停止後放射線量率の目標値(100$$mu$$Sv/h未満)を同時に満足する設計を得た。ビームダンプは、真空容器内のブランケットモジュールに組み込んで設置されレーザー光を吸収する機器であり、ITERの過酷な熱負荷・電磁力環境下で、長期間のレーザー照射に耐えうる新型ビームダンプ(シェブロン型ビームダンプ)を考案した。ダイバータプラズマから発生する背景光がトムソン散乱計測に与える影響が懸念されているが、レーザー光のパルス幅を数nsにし、測定ゲート幅を短くすることで、測定誤差が大幅に低減することが分かった。

口頭

ITER周辺トムソン散乱計測装置用ビームダンプの開発

谷塚 英一; 波多江 仰紀; 北澤 真一; Vayakis, G.*; Bassan, M.*; Walsh, M.*; 伊丹 潔

no journal, , 

ITERでは出力5J, パルス幅10ns以下のレーザーパルスを$$10^{9}$$回程度ビームダンプに入射されることが見込まれている。レーザーパルスを繰り返し入射する場合、被照射面の溶融に限らず、熱膨張・収縮を繰り返すことによる材料の疲労を回避することが、長寿命化に必須であり、ITERでの長期間の実験を可能にする。一方、周辺プラズマ計測で必要となる分解能を満たすためには、ビームの径を大きくしてエネルギー密度を下げることができないため、ビームダンプを特殊な形状(シェブロン型ビームダンプと呼ぶ)にすることにより、ビームエネルギーの吸収を分散させる構造を設計した。シェブロン型ビームダンプは、3か所に屈曲を持つ薄板が平行に多数並び、その間で反射を繰り返すことにより徐々にビームエネルギーを減衰させることができる。また、シェブロン型ビームダンプは、ITERでの熱負荷及び渦電流による応力に耐えることを示した。これらにより、トムソン散乱計測用レーザービームの終端に関するITERでの実現可能性を初めて示した。

口頭

高出力・高繰り返しYAGレーザーを利用したITER周辺トムソン散乱計測装置の開発

谷塚 英一; 波多江 仰紀; Bassan, M.*; Vayakis, G.*; Walsh, M.*; 伊丹 潔

no journal, , 

レーザーは、ITER周辺トムソン散乱計測装置の開発における最重要技術の1つである。原子力機構では、ITER用に高出力の原型YAGレーザーの開発を進めている。当初、レーザーと同一の波長1064nmの光が、増幅器内部で光軸に対して垂直方向に往復してレーザーロッド内のエネルギーを損失させていたため、高出力化が困難となっていた。サマリウム添加ガラス製のフローチューブ使用により、この課題を克服し、ITERの目標を超える出力7.66J、繰り返し100Hzのレーザー開発に成功した。また、ITERでは、中性子, $$gamma$$線,ダストなどに光学機器がさらされるため、光学系の分光透過率が経時変化し、電子温度・密度に系統的な測定誤差が生じる。計測用YAGレーザーと同時にルビーレーザーを入射してトムソン散乱スペクトルを解析することによる分光透過率即時較正により、ITERで高精度な測定を常に行うことが可能であることを示した。さらに、これらの高出力レーザーは、ブランケットに据え付けたビームダンプにより、安全に吸収する。新方式のシェブロン型ビームダンプを設計し、ITERでの過酷な熱的・電磁的負荷に適合することを示した。

口頭

ITER周辺トムソン散乱計測装置用高レーザー耐力ビームダンプの開発

谷塚 英一; 波多江 仰紀; 竹山 茂治; Bassan, M.*; Vayakis, G.*; Walsh, M.*; 伊丹 潔

no journal, , 

ITERでは、20年に渡る実験期間中に、5Jのレーザーを10$$^{9}$$パルス程度入射する。従来方式のビームダンプでは、単位面積当たりの入射レーザーエネルギーが高く、損傷が生じることが懸念されていた。損傷箇所にレーザーを入射し続けると、迷光の増加により測定精度が悪化し、最悪の場合、測定不能となる。原子力機構では、吸収率の低いS偏光のレーザービームを多数回反射させることによって徐々にビームエネルギーを吸収するビームダンプを考案し、形状の改良を重ねてきた。その結果、従来型では10$$^{4}$$回(100秒)程度のレーザーパルス入射で損傷が生じると見積もられるのに対し、「くの字」型に曲げた板を多数平行に並べる新方式では、10$$^{9}$$回程度の入射に耐えられる見通しを得た。このような大幅な長寿命化設計の妥当性を確認するため、ビームダンプの材料であるモリブデン試料に対するレーザー耐力試験を行った。損傷が生じるまでの入射パルス数は、入射角及び偏光に依存し、設計時の想定通り、ビームエネルギーの吸収密度でほぼ決まっていることを確認した。さらに、ビームダンプを形成する屈曲板とシムを交互に重ねて拡散接合することにより、設計通りの形状で製作できることも分かった。

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