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論文

Research and development of imaging bolometers

Peterson, B. J.*; 木島 滋; Kostryukov, A. Y.*; Seo, D. C.*; Liu, Y.*; Miroshnikov, I. V.*; 芦川 直子*; Parchamy, H.*; 川島 寿人; 岩間 尚文*; et al.

Plasma and Fusion Research (Internet), 2, p.S1018_1 - S1018_4, 2007/11

イメージングボロメータの核融合炉への適用性展望と開発研究の概要を報告する。磁場閉じ込めの高温プラズマが放射や中性粒子を通じて失う損失パワーの測定は、これまで伝統的に1次元に配列した抵抗型ボロメータを用いて行われてきた。抵抗型ボロメータは、プラズマ放射を受けて変化した吸収薄膜の温度を抵抗線の抵抗値の温度依存性を利用して電気的に検出する方法である。多数の信号線を必要とする抵抗型ボロメータの場合、真空境界での取り合いや容器内の接続部で接触不良を生じる恐れのあることが核融合炉レベルの中性子照射試験により明らかとなった。一方、赤外イメージングボロメータは、金属吸収薄膜の放出する赤外放射を真空窓を経て中性子遮蔽の外まで信号を伝送する。抵抗型ボロメータ数百チャンネル分に相当する画像測定が可能で、将来の代替計測として期待される測定法である。核融合炉環境下での有効性を実証するためにイメージングボロメータを試作してJT-60Uトカマクに設置した。JT-60Uプラズマ放射の映像データと併せて核融合炉計測としての開発計画を示す。また、較正方法,トモグラフィー処理,新しい薄膜の開発やその他の応用などについても述べる。

論文

Observation of divertor and core radiation in JT-60U by means of bolometric imaging

Peterson, B. J.*; 木島 滋; Parchamy, H.*; 金子 昌司*; 大森 俊道*; Seo, D. C.*; 芦川 直子*; 助川 篤彦; JT-60チーム

Journal of Nuclear Materials, 363-365, p.412 - 415, 2007/06

 被引用回数:11 パーセンタイル:34.57(Materials Science, Multidisciplinary)

核融合科学研究所との研究協力としてJT-60Uで実施している「核燃焼トカマク実験用イメージング・ボロメータの開発」に関する最新の研究成果を報告する。この計測法は、プラズマの放射をピンホールを介して薄膜に投影し、その結果生じる薄膜上の温度変化を赤外カメラの画像として測定する方法である。接線方向に広角の視野を持つ所から、ダイバータを含む全ポロイダル断面のトーラス1/4周にわたる広い範囲の観測が可能である。昨年開始した予備試験では高加熱入力の重水素放電時に赤外カメラの誤動作が発生したため、中性子,$$gamma$$線並びに漏洩磁場に対する遮蔽をさらに強化し、併せて画像信号伝送系の改造を行った。この改造により、強磁場で高パワー加熱の重水素放電での測定が可能となり、赤外カメラのデータから薄膜上に写影された放射強度を1秒間に30コマの映像として観測できるようになった。不純物を入射して放射損失を過大にした時のプラズマ崩壊の様子を視覚的に捉える、など幾つかの初期結果を得た。感度較性,2次元放射パワー分布の算出など測定・検討結果を報告する。

論文

Detailed ${it in situ}$ laser calibration of the infrared imaging video bolometer for the JT-60U tokamak

Parchamy, H.*; Peterson, B. J.*; 木島 滋; 林 浩己*; Seo, D. C.*; 芦川 直子*; JT-60Uチーム

Review of Scientific Instruments, 77(10), p.10E515_1 - 10E515_4, 2006/10

 被引用回数:13 パーセンタイル:41.69(Instruments & Instrumentation)

JT-60Uトカマク用赤外イメージング・ボロメータは、受光部として黒化処理した厚さ2.5ミクロン,有効面積9cm$$times$$7cmの金薄膜を用いている。赤外カメラで測定した温度分布データから、プラズマの放射損失パワー分布を求めるには、薄膜各部の特性値が必要である。薄膜の各点での熱拡散係数$$kappa$$,熱伝導率kと膜厚tの積ktなどを既知とする2次元熱拡散方程式により、温度分布から入熱分布を求めることができる。われわれは2006年2月に、He-Neレーザーを用いて測定に使用した薄膜の特性値を求めるその場較正試験を行った。あらかじめ強度分布を測定しておいたレーザー光を放射源として薄膜に照射し、照射点の温度分布とその減衰時定数を赤外カメラで測定する。薄膜面上の約100点についてレーザー光照射による温度分布と減衰時定数の測定を行った。現在、有限要素法を用いて測定結果の解析を行っている。分布情報から$$kappa$$を、また時定数からktを求めることができる。また、赤外カメラ(Indigo社-Omega)の感度は、ほぼ同じ輻射率を持ち温度制御が可能な模擬薄膜を用いて較正試験を行った。赤外カメラのデータはStefan-Boltzmann則と良い一致を示している。会議ではこれら測定の詳細と解析結果を報告する。

口頭

Imaging bolometer development for application to fusion reactor diagnostics

Peterson, B. J.*; Alekseyev, A. G.*; 木島 滋; 芦川 直子*; Parchamy, H.*; 笹尾 真実子*; 三浦 幸俊

no journal, , 

プラズマの放射する広い波長範囲の電磁波や高エネルギー粒子のエネルギーを薄膜で吸収することがイメージング・ボロメータの基本原理である。エネルギー吸収の結果発生した薄膜の温度変化を真空容器の外に設けた赤外線カメラによって測定する。核融合炉に必要な放射損失や損失$$alpha$$粒子計測への適用を目指してイメージング・ボロメータの開発を行っている。放射損失計測の場合、ピンホールカメラの背後に置いた薄膜には放射損失分布の二次元画像が映し出される。損失$$alpha$$粒子の計測の場合には、薄膜の一方向で多重膜の厚さを変化させてエネルギーの弁別を行い、残る一方向でピッチ角の分解を行う。大型ヘリカル装置及びJT-60Uトカマクにおけるイメージング・ボロメータ計測,較正実験,イオンビーム装置を用いた損失$$alpha$$粒子計測検出部の予備実験、及びITER用イメージング・ボロメータと損失$$alpha$$粒子計測の設計などを中心に報告する。

口頭

Lost alpha diagnostic based on an imaging bolometer and a multi-foil thermal detector

Peterson, B. J.*; Alekseyev, A. G.*; 木島 滋; 芦川 直子*; Parchamy, H.*; 笹尾 真実子*; 磯部 光孝*; 三浦 幸俊

no journal, , 

$$alpha$$粒子の閉じ込めは核融合炉の運転を考えるうえで重要な項目の一つである。$$alpha$$粒子は燃料プラズマに対するエネルギー供給を行った後、ダイバータから安全に排気されなければならない。$$alpha$$粒子の閉じ込めが悪い場合には、閉じた磁気面からさらにスクレイプオフ層の外側に飛び出した粒子が第一壁に局所的な損傷を与える可能性がある。したがって、損失$$alpha$$粒子の測定は実験炉の安全性の観点からも重要な項目である。イメージング・ボロメータとエネルギー吸収用の多層膜を組合せた損失$$alpha$$粒子計測法が提案されている。この論文では、LHD並びにJT-60Uで現在試験中のイメージング・ボロメータ,熱源としてレーザーを用いた較正法、並びにイオンビーム加速装置による多層膜エネルギー検出器の予備実験について報告する。なお、この研究の一部は科研費の支援(課題番号16560729と16082207)により実施されている。

口頭

Observation of radiation behavior by using an IR imaging bolometer in the JT-60U tokamak

Parchamy, H.*; Peterson, B. J.*; 木島 滋; 芦川 直子*

no journal, , 

JT-60Uトカマクにおいて、黒化処理した金薄膜(厚さ2.5ミクロン,有効面積9cm$$times$$7cm)を用いた準接線方向に視野を持つ赤外イメージングボロメータによる放射損失測定が開始された。赤外カメラの時間分解能は30Hzである。薄膜の不均一は今後の較正実験によって補正が可能である。また従来は8ビットの画像信号しか得られなかったが、今回14ビットのディジタル信号が取れるよう改良を行い、さらに磁気シールド及び中性子と$$gamma$$線に対するシールドを強化した。前回の測定ではディスラプション時に最大の主プラズマからの放射が観測できた。赤外カメラの画像から放射強度の2次元分布など放射損失の多様な側面を示す情報が得られる。発表ではプラズマからの放射によって熱せられた薄膜の黒体輻射強度分布データを既存の抵抗型ボロメータの信号と比較して紹介する。なお、この研究の一部は科研費の支援(課題番号16560729と16082207)により実施されている。

口頭

Imaging bolometers for steady state fusion experiments

Peterson, B. J.*; Seo, D. C.*; 木島 滋; 川島 寿人; 芦川 直子*; Parchamy, H.*; Liu, Y.*

no journal, , 

従来から放射損失測定に用いられている抵抗型ボロメータは、長時間運転時には検出器の周囲温度変化に伴う信号ドリフトが問題になる。また多数の接続端子も温度変化の影響を受ける。定常核融合実験や核融合炉への適用にあたってはこれら課題の解決が必要である。他方、赤外イメージング・ビデオ・ボロメータ(IRVB)は大きな温度変化に対応でき、定常運転に適している。IRVBでは、プラズマ放射を薄膜の前面で受光・吸収し、加熱された薄膜の放射する赤外光を背面から赤外カメラで計測する。薄膜の温度は外枠温度に対する変化分として測定され、信号ドリフトは生じない。また使用する材料は高融点金属であり、電気信号の接続端子も必要としないため、大きな温度上昇に対応可能である。これまでLHDやJT-60Uで試験され、薄膜の較正方法やトモグラフィー処理法も開発した。JT-60Uでは、準接線方向の視野を持つ1台のIRVBで得られるトカマクプラズマの放射分布画像から、トロイダル対称性を仮定することによって放射パワー密度のポロイダル断面分布を得ている。現在KSTAR用IRVBの設計を行っており、JT-60SAにもIRVBを用いる予定である。

口頭

Design of an imaging bolometer upgrade for JT-60U

Peterson, B. J.*; 木島 滋; Kostryukov, A. Y.*; 川島 寿人; Seo, D. C.*; Miroshnikov, I. V.*; 芦川 直子*; Parchamy, H.*; Liu, Y.*; JT-60実験チーム

no journal, , 

Infrared Imaging Video Bolometers (IRVB) provide a reactor relevant alternative to conventional resistive bolometers due to the radiation durability of the used materials, the lack of wire feedthroughs and in vessel cabling and the lack of signal drift during steady state operation. An IRVB prototype has been successfully installed and operated on the JT-60U tokamak demonstrating its applicability to a reactor environment. In this paper we present the design of an upgraded version of this IRVB. The 2.5 micron gold foil will be replaced with a 5 micron tantalum foil for improved rigidity. Enlarged vacuum window and additional IR periscope with large IR lenses and mirrors will improve the optical throughput. An improvement in the sensitivity of the IRVB by at least a factor of 50 is expected.

口頭

Comparison of the Au and Ta foil parameters from laser calibration of imaging bolometer foils

Parchamy, H.*; Peterson, B. J.*; 林 浩己*; 木島 滋; 芦川 直子*; Seo, D. C.*; 川島 寿人; JT-60チーム

no journal, , 

The calibration technique of the imaging bolometer foil gives confidence in the measured values of the plasma radiation power. In this work, we improve the accuracy of the calibration by using a new IR camera (60 Hz, 320 $$times$$ 240 pixels, 7.5-13 microns) in a calibration laboratory (low noise environment) with a close-up lens which provides a spatial resolution of 0.09 mm which is nearly 7 times better than the previous in situ calibration using a different IR camera. Tantalum, Ta, is offered for improved sensitivity, foil strength, and lower neutron cross-section compared to the previously used gold foil. In this paper we report, the local foil properties (the thermal diffusivity, the thermal conductivity, and the thickness) of a single graphite-coated gold foil (a nominal thickness of 2.5 microns) compared with those of a single graphite-coated tantalum foil (a nominal thickness of 5 microns) for an imaging bolometer through calibration with a He-Ne laser.

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