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報告書

JT-60SAの計測ポートプラグ観測窓保護用シャッターの真空中動作試験

石仙 茂晴; 吉田 麻衣子; 東條 寛

JAEA-Technology 2015-041, 26 Pages, 2016/02

JAEA-Technology-2015-041.pdf:8.03MB

JT-60SAのプラズマ計測に利用されるポートプラグの観測窓の前面には、放電洗浄や調整放電時の蒸着膜形成などによる窓の汚損を防ぐため、シャッターが設置される。これまで2つのタイプのシャッターを設計してきた。一つは軽いシャッター板(0.5kg)を駆動する回転式シャッターであり、もう一つは重いシャッター板(3 kg)を駆動する上下動式シャッターである。両シャッターとも真空中で動作することから、摺動部の摩擦係数が増加して動作不良や機器の損壊を生じることが懸念される。ここでは、シャッターの開閉機構を模擬する試験機を製作し、これを真空中で繰返し動作させる試験を行って、耐久性、摺動部の磨耗状態、摩擦係数の変化を調査するとともに、現開閉機構の設計が妥当であるか評価を行った。軽いシャッター板を駆動する回転式シャッターについては、実機の想定開閉回数分(4,000回)の繰返し動作に耐え、設計が妥当であることを確認した。一方、重いシャッター板を駆動する上下動式シャッターについては、摺動部の摩擦係数が増加して試験機の駆動が困難となり、摺動部品を摩擦係数の増加を抑える素材にするか、摺動部の構造を軸棒とベアリングを組合わせたプーリ方式に変更し摺動を無くした設計にする必要があることが分かった。

論文

会議報告; 第18回若手科学者によるプラズマ研究会

福本 正勝; 宮田 良明; 東條 寛

プラズマ・核融合学会誌, 91(5), P. 371, 2015/05

2015年3月4日から6日にかけて、第18回「若手科学者によるプラズマ研究会」(日本原子力研究開発機構・核融合研究開発部門・先進プラズマ研究部主催)を那珂核融合研究所で開催した。本研究会の目的は、将来の核融合研究を担う若手科学者が分野横断的なネットワークを広げることである。今回の研究会では、異なる分野の計測・制御技術に接するため、「プラズマ計測・制御技術の結集」と題して、核融合プラズマに限らず幅広いプラズマの計測・制御技術の講演を呼びかけた。研究会では、8件の招待講演と17件の一般講演があり、活発な議論が行われた。

論文

Signal evaluations using singular value decomposition for Thomson scattering diagnostics

東條 寛; 山田 一博*; 安原 亮*; 谷塚 英一; 舟場 久芳*; 波多江 仰紀; 林 浩*; 伊丹 潔

Review of Scientific Instruments, 85(11), p.11D865_1 - 11D865_3, 2014/11

 被引用回数:1 パーセンタイル:90.91(Instruments & Instrumentation)

In incoherent Thomson scattering diagnostics, stray light of the incident laser, which is frequently generated at the vacuum windows, also causes wrong evaluations of the signal intensities. Because the laser goes through the vacuum windows many times in a double-pass (or multi-pass) scattering system, complicate temporal structures can be seen in the output signals. In this paper, Singular Value Decomposition (SVD) is applied to the output signals in a Thomson scattering diagnostic on Large Helical Device (LHD). The analyzed data were all measured signals for each one spectral channel over one plasma shot. Some noises were filtered and Te was evaluated within good accuracies especially in the second pass (forward scattering). We compared the errors in Te (0.8 - 1.3 keV) from the noise-filtered and from non-filtered data. Use of the filtered data enables suppressing the error in Te measured from the second pass by a factor of $$sim$$ 0.5 at the most.

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:0 パーセンタイル:100(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:82.4(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

Anisotropic electron temperature measurements without knowing the spectral transmissivity for a JT-60SA Thomson scattering diagnostic

東條 寛; 波多江 仰紀; 谷塚 英一; 伊丹 潔

Review of Scientific Instruments, 83(10), p.10E346_1 - 10E346_3, 2012/10

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Instruments & Instrumentation)

This paper focuses on a method to measure $$T_{rm e}$$ without knowing transmissivity using Thomson scattering diagnostic with a double-pass scattering configuration. Effect of installation errors about the scattering angle to accuracy in $$T_{rm e}$$ is discussed. Application of this method to measure anisotropic $$T_{rm e}$$, i.e. $$T_{rm e}$$ about the parallel ($$T_{rm e ||}$$) and perpendicular ($$T_{rm e perp}$$) directions for the magnetic field, is proposed. Although large statistical errors are expected because of correspondences between the scattered spectra from the first and second pass, stable accuracy appears in the area with $$T_{rm e perp}/T_{rm e ||} > 0.5$$ in the core measurements of JT-60SA.

論文

Principle of an in-situ relative calibration method using a double-pass beam for Thomson scattering diagnostics

東條 寛; 波多江 仰紀; 伊丹 潔

Journal of Instrumentation (Internet), 7(5), p.C05004_1 - C05004_11, 2012/05

 被引用回数:10 パーセンタイル:43.55(Instruments & Instrumentation)

This paper presents detailed principles of an in-situ relative calibration method that determine electron temperature ($$T_{rm e}$$) without using optical relative transmissivity and then provide the optical relative transmissivity. The method requires a double-pass scattering system and signal ratio between the two signals from the forward and back scattering in each spectral channel. Statistical simulation results indicates the method suppress a systematic error in $$T_{rm e}$$ without considering chromatic degradation in optical components due to radiation effect. In this new method, scattering angle ($$theta$$) and $$T_{rm e}$$ are important parameters to evaluate the feasibility. It is found that the method is useful in a range of $$theta > 105^{circ}$$ at $$T_{rm e}$$=10 keV. The statistical error tends to decrease in high $$T_{rm e}$$ measurements regime.

論文

Demonstration of in-situ relative calibration method for a Thomson scattering diagnostic on TST-2

東條 寛; 江尻 晶*; 平塚 淳一*; 山口 隆史*; 高瀬 雄一*; 伊丹 潔; 波多江 仰紀

Journal of Instrumentation (Internet), 7(4), p.P04005_1 - P04005_11, 2012/04

 被引用回数:3 パーセンタイル:76.27(Instruments & Instrumentation)

This paper presents experimental results of an in-situ calibration method for Thomson scattering diagnostics in the TST-2 spherical tokamak. Usage of a double-pass scattering configuration enables finding the ratio of the output signal from the first (back scattering) pass to that from the second (forward scattering) pass, which can be treated as an independent function of electron temperature. The temperature from this new method shows a good agreement with that obtained by a standard method (single pass). Relative sensitivities among spectral channels can be then obtained from the method without accessing the machines. The sensitivities from this new method correspond to the values obtained from direct measurements within 5% except for a spectral channel with a wide band-pass range. These results demonstrate feasibility of this new in-situ calibration method, which can be applied to Thomson scattering diagnostics in severe radiation condition.

論文

First measurement of electron temperature from signal ratios in a double-pass Thomson scattering system

東條 寛; 江尻 晶*; 平塚 淳一*; 山口 隆史*; 高瀬 雄一*; 伊丹 潔; 波多江 仰紀

Review of Scientific Instruments, 83(2), p.023507_1 - 023507_4, 2012/02

 被引用回数:9 パーセンタイル:46.82(Instruments & Instrumentation)

This paper presents a experimental demonstration to determine electron temperature ($$T_{rm e}$$) with unknown spectral sensitivity (transmissivity) in a Thomson scattering system. In this method, a double-pass scattering configuration is used and the scattered lights from each pass (with different scattering angles) are measured separately. $$T_{rm e}$$ can be determined from the ratio of the signal intensities without a real chromatic dependence in the sensitivity. This method was applied to the TST-2 Thomson scattering system. As a result, $$T_{rm e}$$ measured from the ratio ($$T_{rm e,r}$$) and $$T_{rm e}$$ measured from a standard method ($$T_{rm e,s}$$) showed a good agreement with $$langle |T_{rm e,r}-T_{rm e,s}|/T_{rm e,s} rangle$$= 7.3%.

論文

Identified charged hadron production in $$p + p$$ collisions at $$sqrt{s}$$ = 200 and 62.4 GeV

Adare, A.*; Afanasiev, S.*; Aidala, C.*; Ajitanand, N. N.*; 秋葉 康之*; Al-Bataineh, H.*; Alexander, J.*; 青木 和也*; Aphecetche, L.*; Armendariz, R.*; et al.

Physical Review C, 83(6), p.064903_1 - 064903_29, 2011/06

 被引用回数:127 パーセンタイル:0.69(Physics, Nuclear)

200GeVと62.4GeVでの陽子陽子の中心衝突からの$$pi, K, p$$の横運動量分布及び収量をRHICのPHENIX実験によって測定した。それぞれエネルギーでの逆スロープパラメーター、平均横運動量及び単位rapidityあたりの収量を求め、異なるエネルギーでの他の測定結果と比較する。また$$m_T$$$$x_T$$スケーリングのようなスケーリングについて示して陽子陽子衝突における粒子生成メカニズムについて議論する。さらに測定したスペクトルを二次の摂動QCDの計算と比較する。

論文

An ${it in-situ}$ relative calibration method for Thomson scattering diagnostics using a double-pass scattering system

東條 寛; 波多江 仰紀; 伊丹 潔

Plasma and Fusion Research (Internet), 6, p.1302018_1 - 1302018_3, 2011/05

本論文では、トムソン散乱計測においてダブルパス散乱法を用いた新たなその場相対較正法を提案する。第一パス,第二パスそれぞれの散乱光からの信号の比はプラズマの電子温度に依存することから、各分光チャネルの相対的な透過率を考慮せずに電子温度の評価が可能となる。また、それら各分光チャネルの相対透過率も同時に求めることも可能である。JT-60SAトムソン散乱計測の仕様パラメータに基づいてこの較正法の実現性も評価する。

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:8 パーセンタイル:53.35(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

Crystal structure and lattice vibration of proton dissolved BaZr$$_{0.8}$$Sc$$_{0.2}$$O$$_{2.9}$$

下山 智隆*; 東條 壮男*; 川路 均*; 阿竹 徹*; 深澤 裕; 井川 直樹

Solid State Ionics, 180(6-8), p.560 - 562, 2009/05

 被引用回数:5 パーセンタイル:70.72(Chemistry, Physical)

高いプロトン伝導性を有するBaZr$$_{0.8}$$Sc$$_{0.2}$$O$$_{2.9}$$中のプロトンの存在位置を粉末中性子回折実験によって測定し、Rietveld解析及び最大エントロピー法解析によって調べた。その結果、プロトンは酸素イオン近傍の12${it h}$サイトを占めることが明らかになった。このプロトンを含むBaZr$$_{0.8}$$Sc$$_{0.2}$$O$$_{2.9}$$の比熱はプロトンを含まない試料に比べて大きい。この差について水素導入による格子振動と結晶構造変化から考察する。

口頭

BaZr$$_{0.8}$$Sc$$_{0.2}$$O$$_{2.9}$$へのプロトン溶解による構造と格子振動変化

下山 智隆*; 東條 壮男*; 川路 均*; 阿竹 徹*; 深澤 裕; 井川 直樹

no journal, , 

Sc添加BaZrO$$_{3}$$は、加湿雰囲気で高いプロトン伝導性を有し、また化学的安定性も高いことから、中温型酸化物燃料電池用電解質への応用が期待されている。本報では、BaZr$$_{0.8}$$Sc$$_{0.2}$$O$$_{2.9}$$中のプロトンの位置及び伝導経路の解明を目的に、粉末中性子回折実験を行い、Rietveld法と最大エントロピー法によって結晶構造を解析した結果について報告する。

口頭

ペロブスカイト型プロトン伝導体におけるプロトン位置と構造緩和

下山 智隆*; 東條 壮男*; 川路 均*; 阿竹 徹*; 深澤 裕; 井川 直樹

no journal, , 

固相反応により合成したプロトン伝導体BaZr$$_{0.8}$$Sc$$_{0.2}$$O$$_{2.9}$$の結晶構造を中性子回折法によって決定した。重水素を含んだ試料と含まない試料について粉末中性子回折実験を行い、得られた回折線データをRietveld法及び最大エントロピー法にて解析・比較した結果、重水素は12${it h}$サイトを占めること,酸化物イオン-重水素イオン間の距離は一般的なOD間距離よりも短くなることが明らかになった。

口頭

誘導ブリルアン散乱位相共役鏡のトムソン散乱計測への応用

波多江 仰紀; 山田 一博*; 吉田 英次*; 成原 一途*; 藤田 尚徳*; 中塚 正大*; 舟場 久芳*; 南 貴司*; 梶田 信*; 東條 寛; et al.

no journal, , 

位相共役鏡による反射光は、能動的なアラインメントなしで往路と復路が全く同じ光路をたどることに着目し、最初の往路の光軸調整以外は完全アラインメントフリーで、迷光を著しく増大させることなく、散乱光を増大させるマルチパストムソン散乱法をこれまでに提案した。実証試験は大型ヘリカル装置(LHD)で行う予定であり、準備作業を進めている。マルチパストムソン散乱計測の鍵となる誘導ブリルアン散乱位相共役鏡(SBS-PCM)において、高い反射率を得るためには、誘導ブリルアン散乱のゲインを高くする必要がある。このゲインは使用するレーザーライン幅に反比例するので、SBS-PCMを高い反射率で動作させるためには、単一縦モードレーザーが必須となる。既存の市販レーザー2台を用い、1台目のレーザー(Continuum Precision II 8050,レーザーエネルギー0.55J,繰り返し50Hz)を、発振器と初段アンプとして、2台目のレーザー(Continuum Precision II 9010,レーザーエネルギー2J,繰り返し10Hz)をパワーアンプとして用い、トムソン散乱のためのジュール級の単一縦モードレーザーを開発した。後者のパワーアンプには位相共役鏡を組み込み、ダブルパス増幅を行い、高繰り返し増幅時の熱的効果の補正と、効率よい増幅を図った。結果として、10Hz動作で1.86J, 25Hz動作で1.16Jのレーザーエネルギーを得た。また、25Hz動作のとき、レーザー装置に組み込んだ位相共役鏡の反射率は96.7%に達した。

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

JT-60SAトムソン散乱計測におけるその場相対較正法の検討

東條 寛; 波多江 仰紀; 伊丹 潔

no journal, , 

JT-60SAトムソン散乱計測においては、厳しい放射線環境による光学部品(レンズ,ミラー,光ファイバー)の透過率変化が電子温度の精度に悪影響をもたらす。特に短波長の透過率損失は高電子温度が低く見積もられる系統誤差を発生させる。著者らは、散乱光スペクトルの散乱角依存性に着目し、1種類の計測レーザーをプラズマ中に往復させるダブルパス散乱において、各レーザーパスの散乱スペクトル比を求めることで、透過率損失とは独立に電子温度を求める手法を新たに考案した。また、決定した電子温度から散乱光スペクトルが確定することを利用して、透過率損失をも求めることも可能である。JT-60SAにおけるトムソン散乱計測の設計パラメータ(第一パスでは散乱角は140.2度)の下、放射線を照射された光ファイバー透過率変化(短波長領域の損失)を仮定した場合でも、電子温度は系統誤差1%未満、統計誤差は5%以下で評価できることを明らかにした。また、分光チャネルの透過率減衰も系統誤差はほとんど無視でき、長波長成分を計測するチャネルを除き、10%未満の統計誤差で求まることを明らかにした。

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