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論文

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

 被引用回数:1 パーセンタイル:8.02(Instruments & Instrumentation)

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 ($$phi$$) between the scattering plane determined from the collection optics position and the laser polarization angle should be equal to 90$$^{circ}$$. Otherwise the measured intensity of scattered light decays with $$phi$$. 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 $$T_{rm e}$$ was given at a condition with $$phi=57.2^{circ}$$ for edge optics ($$phi=50.0^{circ}$$ for core optics).

論文

Optical designs of reflection and refraction collection optics for a JT-60SA core Thomson scattering system

東條 寛; 波多江 仰紀; 濱野 隆; 佐久間 猛; 伊丹 潔

Review of Scientific Instruments, 84(9), p.093506_1 - 093506_8, 2013/09

 被引用回数:2 パーセンタイル:14.21(Instruments & Instrumentation)

Collection optics for the core measurements in a JT-60SA Thomson scattering have been designed. The collection optics will be installed in a limited space and have a wide field of view and a wide dynamic range. Two types of the optics are therefore suggested: refraction and reflection collection optics. The good optical resolutions for the reflection and refraction types are both sufficient for the requirements about the physics study, i.e. 0.3 mm and 0.6 mm, respectively. The efficiencies are also compared. As a result, good measurement accuracy ($$sim$$ 5%) even in high electron temperature ($$<$$ 30 keV) can be expected in the refraction type.

論文

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

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.

論文

Design of collection optics and polychromators for a JT-60SA Thomson scattering system

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

Review of Scientific Instruments, 81(10), p.10D539_1 - 10D539_3, 2010/10

 被引用回数:10 パーセンタイル:47.36(Instruments & Instrumentation)

JT-60SAにおけるトムソン散乱計測のための集光光学系の設計を行った。YAGレーザーをトロイダル接線方向に入射した場合において、4種類のガラス材を集光光学系のレンズに採用し色収差を補正することで、画角が大きく、コンパクトな集光光学系を設計した。集光光学系は3つのポートに取り付けられ、径方向ほぼ全域が計測可能である。また、高空間分解能,高精度を伴うプラズマ周辺部計測に用いるポリクロメータにおいて、使用するバンドパスフィルターの透過波長域パターンの最適化を行った。最適化にはすべての空間チャネルにおける設計パラメータ(集光立体角,散乱角,有効プラズマ長,散乱長)とダブルパスレーザーシステムを採用することが考慮されている。その結果、約5mmの空間分解能で電子温度及び一部の範囲の電子温度の計測が要求されている精度で計測できる見積もりを得た。

論文

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

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$$gamma$$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($$T_{rm e}$$)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$$T_{rm e}$$$$>$$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3$$sim$$5%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7$$sim$$8%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。

論文

Development of polarization interferometer for Thomson scattering diagnostics in JT-60U

波多江 仰紀; Howard, J.*; 海老塚 昇*; 平野 洋一*; 小口 治久*; 北村 繁; 佐久間 猛; 濱野 隆

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.8, p.680 - 684, 2009/09

フーリエ変換分光の手法をトムソン散乱計測に初めて導入し、電子温度・密度測定の測定性能を向上させる手法を確立することを目指して、トムソン散乱のための偏光干渉計を開発中である。逆磁場ピンチ装置TPE-RXにおいて、既存のYAGレーザートムソン散乱システムを利用し、本計測手法の原理実証試験を行った。既存の干渉フィルターポリクロメーターと偏光干渉計を交互に用い、空間1点(プラズマ中心近傍)の電子温度の測定を行った結果、双方でほぼ同様の電子温度を得て、本方式による有効性を実証した。次のステップとして、本方式の実用性を実証するために、JT-60Uのための多チャンネル偏光干渉計を開発中である。ルビーレーザーによるトムソン散乱光をウォラストンプリズムへ入射し、結晶内の光路長を空間的に変化させることにより、インターフェログラムをICCD検出器で測定する。各種光源を用いた較正試験では、光源の波長に応じたインターフェログラムが取得でき、FFT処理を行うことによりスペクトルの再構成を行うことができた。

論文

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(7.4J$$times$$50Hz)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。

論文

Improvement of Thomson scattering system using SBS phase conjugation mirrors in JT-60U

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

Proceedings of 29th European Physical Society Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion, 4 Pages, 2002/00

誘導ブリルアン散乱(SBS)を用いた位相共役鏡を既存のYAGレーザトムソン散乱装置に応用し、同装置の測定性能の向上を図った。すなわち、YAGレーザ装置に位相共役鏡を組込み、レーザ増幅器で誘起される波面の乱れを補正しダブルパス増幅を行った結果、YAGレーザの性能は[エネルギー:1.7J,繰り返し:30Hz,平均出力:51W]から[4.1J,50Hz,205W]となり、レーザ性能を著しく向上することができた。一方、SBS位相共役鏡は一般の全反射鏡と異なり精密な光学調整を必要とせず、比較的簡単な位置合わせを行うだけで反射光が入射光と全く同じ光路を逆進する。この性質を利用し位相共役鏡をJT-60U 装置に取り付けることにより、プラズマ中でレーザ光を往復させ散乱光量を約2倍にする原理実証試験を行った。

口頭

JT-60トムソン散乱測定装置の運転を振り返って

佐久間 猛; 波多江 仰紀; 北村 繁; 濱野 隆; 内藤 磨

no journal, , 

臨界プラズマ試験装置JT-60は、平成20年8月末を以て、23年4か月間の実験運転を終えた。トムソン散乱測定装置は、炉心プラズマの温度・密度分布の時間変化を測定する装置であり、JT-60の基幹計測として位置付けられている。JT-60では、最初にルビーレーザーを用いた装置が開発され、その後YAGレーザーを用いた装置が開発された。ルビートムソンは、2台のルビーレーザー(典型的な繰り返し0.25Hz/台)を用い、最小時間差2ミリ秒の過渡現象測定を最大60空間点まで測定可能である。一方、YAGトムソンは、最大50Hzの繰り返し発振が可能なYAGレーザーを用い、14空間点の測定を行う。トムソン散乱測定装置は、高性能プラズマの電子系の物理機構の解明など、さまざまな物理研究のために、貴重なデータを供給してきた。当装置は、レーザー発振部,伝送光学部,真空部,集光光学部,分光光学部,検出部,システム制御部からなる比較的大型の計測装置であり、高出力パルスレーザー,微弱な散乱光の分光と検出,多チャンネル化など、高度な技術を取り扱う。装置本体の開発のみならず、高稼働率,高信頼性,高精度を目標とした運転を行い、作業の合理化,省力化を目的とした調整,較正法の開発も行ってきた。長期間の運転では、装置の老朽化を含めさまざまな問題に直面、その都度対応してきた。本発表では、それぞれの開発のトピックスについて、改善・工夫の要点を述べる。

口頭

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$$^{2}$$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。

口頭

Application of SBS phase conjugate mirror to fusion plasma diagnostics

波多江 仰紀; 北村 繁; 佐久間 猛; 濱野 隆; 東條 寛; 吉田 英次*; 藤田 尚徳*; 中塚 正大*; 成原 一途*; 山田 一博*; et al.

no journal, , 

Two applications using the SBS phase conjugate mirror (SBS-PCM) have been developed to increase the intensity of scattered light for Thomson scattering diagnostics. For the first application, we have developed a new optical design to provide a double-pass scattering method with the SBS-PCM. The SBS-PCM reflects a laser beam passing through the plasma, then the reflected beam passes the plasma again via the same path by means of the phase conjugation. In JT-60U, the double-pass Thomson scattering method using the SBS-PCM has been demonstrated an increase of the scattered light by a factor of 1.6, compared with the single-pass scattering method. A multi-pass Thomson scattering method in which the laser beam can be confined between a pair of SBS-PCMs is also proposed. It is estimated that the multi-pass scattering method generates the scattered light more than five times compared to the single-pass scattering method. We prepare the multi-pass Thomson scattering system for the proof-of-principle tests in Large Helical Device (LHD). For the second application, a high average-power YAG laser system has been developed using the SBS-PCM. The SBS-PCM effectively compensated thermal degradation at two amplifier lines, and the average power was increased by $$>$$ 8 times from 45 W (1.5 J, 30Hz) to 373 W (7.46 J, 50Hz).

口頭

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 ($$T_{rm e}$$) and density will be provided by Thomson scattering diagnostic. A YAG laser ($$sim$$ 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 $$T_{rm e}$$. Use of a double-pass scattering system makes possible in-situ relative calibration among the spectral channels and correct $$T_{rm e}$$ estimations.

口頭

JT-60SAにおけるトムソン散乱計測の開発

東條 寛; 波多江 仰紀; 佐久間 猛; 濱野 隆; 伊丹 潔; 江尻 晶*; 平塚 淳一*; 山口 隆史*; 高瀬 雄一*

no journal, , 

JT-60SAでの電子温度と電子密度はトムソン散乱計測によって計測される。YAGレーザー(約3 J)を赤道面上でトロイダル接線方向に入射させ、複数の集光光学系を利用することによって、プラズマ径方向全域の分布計測が可能となる。しかし、従来のプラズマ中心部計測用集光光学系の設計は、直径400mmの大型レンズを9枚組合せたものであり、製作が困難なことが判明した。製作が容易な小型(直径200mm)の高屈折率材質レンズを3枚組合せることで、集光効率が同等となる新たな光学系を考案した。JT-60SAでは厳しい放射線環境による光学部品の劣化から、透過率変化が起き、電子温度の誤評価を招く問題点がある。本発表では、ダブルパス散乱計測を用いた透過率変化に影響されない電子温度評価手法とその原理実証実験結果についても報告する。さらに、集光光学系を収納するポートプラグに設置予定のシャッターやヒートシンクの構造についても報告を行う。

口頭

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。

口頭

Progress of diagnostics development in JAEA

河野 康則; 杉江 達夫; 小川 宏明; 東條 寛; 谷塚 英一; 今澤 良太; 波多江 仰紀; 濱野 隆; 佐久間 猛; 竹内 正樹; et al.

no journal, , 

日本原子力研究開発機構(JAEA)におけるプラズマ計測装置の開発の進展について報告する。主な内容は以下の通り。(1) ITERダイバータ赤外サーモグラフィーの設計の現状、(2) ITERダイバータ不純物モニターの設計の現状、(3) JT-60SAトムソン散乱計測装置の集光光学系の設計の改良、(4) ITER周辺トムソン散乱計測装置用レーザービームダンプの設計・解析の進展、(5)レーザー偏光法を用いた磁場、電子密度分布及び電子温度分布の同時計測法の考案

口頭

Progress of diagnostics development in JAEA

河野 康則; 竹内 正樹; 東條 寛; 北澤 真一; 山本 剛史; 竹山 茂治; 谷塚 英一; 今澤 良太; 佐久間 猛; 嶋田 恭彦; et al.

no journal, , 

日本原子力研究開発機構におけるプラズマ計測装置の開発の進展について報告する。主な内容は以下の通り。(1)ITERダイバータ赤外サーモグラフィーの開発の進展、(2)ITERダイバータ熱電対の開発の進展、(3)ITER計測装置のための計装制御系の開発の進展、(4)ダブルパストムソン散乱を用いた高精度電子温度計測法の開発の進展。

口頭

Developments of a JT-60SA Thomson scattering diagnostic

東條 寛; 波多江 仰紀; 佐久間 猛; 濱野 隆; 伊丹 潔; 水藤 哲*; 荒木 高士*; 岩本 耕平*; 武田 裕也*

no journal, , 

JT-60SA Thomson scattering diagnostic will provide profiles of electron temperature and density. This presentation shows developments of a YAG laser system and calibration methods, and designs of collection optics and vacuum windows. For the collection optics to be used for the core measurements, refraction system with five lenses is employed. Dispersing focusing power over multiple lenses enable utilizing radiation resistant lenses. Because the entrance pupil is located inside the lenses, the incident light flux can be efficiently focused using compact lens (diameter 225 mm). The resolution for the image is about 0.6 mm, which is almost the same specification of a previous lens design using four lenses. More than 50% of total transmissivity can be achieved over 480-1064 nm wavelength range: thereby making measurements of high electron temperature ($$sim$$ 30 keV) possible.

口頭

JT-60SAトムソン散乱計測システムの開発

東條 寛; 波多江 仰紀; 佐久間 猛; 濱野 隆; 伊丹 潔

no journal, , 

JT-60SAトムソン散乱計測システムの設計の進展を報告する。YAGレーザーの像伝送を行うリレー光学系の設計を行った。簡易的な光線追跡を使い、レーザービーム径を30mm程度以下に保ち、50m先までレーザーの伝送が可能であることを明らかにした。これにより、レーザーの回折効果によるエネルギー損失を効率よく抑えることができる。JT-60SAでの過酷な放射線環境に対応して、プラズマ中心計測用の集光光学系の光学設計の変更を行った。レンズ材質を新たに耐放射線性のレンズ材質に変更した。また、真空窓と、プラズマからの輻射熱を受け止めるカバーガラスの構造についても発表を行う。

口頭

JT-60SAトムソン散乱計測システムの設計

東條 寛; 波多江 仰紀; 佐久間 猛; 濱野 隆; 伊丹 潔

no journal, , 

原子力機構が開発を進めているJT-60SAトムソン散乱計測装置は、プラズマ内の電子温度と電子密度の空間分布の計測を目的とする。本講演では、同計測装置の開発の進展について以下の課題を中心に報告を行う。(1)新しい光学系の設計: プラズマからの微弱な散乱光を集光する光学系の設計を行った。エルノスター型のレンズを改良し、限られた設置空間や要求される検出波長領域に対応させることができるとともに、最大30keVの高電子温度計測を可能とした。(2)新しい電子温度計測法の開発: 厳しい放射線環境では、光学部品の劣化が懸念される。これにより、分光透過率が変化し、電子温度の誤評価が懸念される。これを解決するために、レーザーをプラズマ中に往復させ、それぞれの散乱信号の比を評価することで、光学部品の透過率変化に影響されずに電子温度を決定する手法を提案し、その有効性を実験的に示した。(3)真空容器近傍機器の設計開発: 大型真空窓やシャッターの設計開発の進展についても報告する。

口頭

Present status of Thomson scattering diagnostic design on JT-60SA

東條 寛; 波多江 仰紀; 佐久間 猛; 濱野 隆; 伊丹 潔

no journal, , 

This presentation shows present status of a JT-60SA Thomson scattering diagnostic. Two collection optics for the core and edge measurements have been designed. Optimizing Ernostar lens in a limited space enable measuring electron temperature for a wide dynamic range (0.1 - 30 keV). For the edge measurements, good radial spatial resolution ($$sim$$10 mm) can be achieved using modified Petval lens. Two additional mirrors are installed in the middle space of the lens system to satisfy the design space limited by a port-plug. A large shutter system will be utilized in front of the vacuum window to suppress adhesion of impurities. Stainless steel wires are employed to move the shutter plate (rectangular shape, 500 mm $$times$$ 300 mm) vertically. An in-situ calibration method using a double-pass laser system has been tested to cope with transmissivity (reflectivity) degradation in the refractive components in TST-2 and LHD. The results indicate the method can be applicable in JT-60SA.

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