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論文

レーザアブレーション現象の理解にもとづく水中レーザ誘起ブレークダウン分光法の定量性向上

松本 歩

レーザ加工学会誌, 23(3), p.222 - 231, 2016/10

本論文は、著者の博士論文の内容をまとめた総合論文である。本研究では、水中レーザ誘起ブレークダウン分光法(LIBS)の定量性向上を目的として、レーザアブレーション現象の解明に取り組んだ。主な成果として、水中微小プラズマに対して発光スペクトルの空間分解測定を行い、ターゲット由来の元素と溶液由来の元素の空間分布を明らかにした。この結果をもとに、検出位置を最適化すれば、共鳴線の自己吸収を十分に抑制できること、検出器の時間ゲートなしで先鋭な発光線が得られることを示した。次に、溶液由来の元素は、その濃度比を維持したままプラズマに移行することを見出し、アブレーション初期過程における液体の蒸発メカニズムと溶存種の内部標準としての可能性を示した。また、電解析出とLIBSを組み合わせることで、水中重金属イオンの高感度定量分析に成功した。このとき、ロングパルス照射による電極表面の熱伝導と構成原子の蒸発速度を考慮したモデルを構築し、析出物の組成比とプラズマ中の原子密度比の違いを補正した。これらの結果は、水中レーザプラズマの生成メカニズムに新たな知見を与えるとともに、水中LIBSの精度向上のための指針となり得る。

論文

Impact of wall saturation on particle control in long and high-power-heated discharges in JT-60U

仲野 友英; 朝倉 伸幸; 竹永 秀信; 久保 博孝; 三浦 幸俊; 清水 勝宏; 木島 滋; 正木 圭; 東島 智; JT-60チーム

Nuclear Fusion, 46(5), p.626 - 634, 2006/05

 被引用回数:17 パーセンタイル:41.67(Physics, Fluids & Plasmas)

長い時間スケールにおけるプラズマ・壁相互作用を理解するため、放電時間を15秒から65秒に、中性粒子ビーム加熱時間を10秒から30秒に伸張した。長時間Hモード放電の後半ではダイバータ板が粒子飽和することが確認された。放電中にダイバータ板での粒子吸収が徐々に減少し、その後、粒子を吸収しない状態に達した。この壁飽和現象によって、ダイバータ排気を有効にしているにもかかわらず中性粒子ビーム以外の粒子供給がなくても主プラズマの密度が上昇した。また、総入力エネルギーが350MJに達したが、カーボンブルームと呼ばれる急激な炭素不純物の発生や、主プラズマの不純物による希釈は観測されなかった。

論文

Development and contribution of RF heating and current drive systems to long pulse, high performance experiments in JT-60U

森山 伸一; 関 正美; 寺門 正之; 下野 貢; 井手 俊介; 諫山 明彦; 鈴木 隆博; 藤井 常幸; JT-60チーム

Fusion Engineering and Design, 74(1-4), p.343 - 349, 2005/11

 被引用回数:7 パーセンタイル:48.7(Nuclear Science & Technology)

JT-60Uにおいて、高$$beta$$プラズマの長時間維持等を目指した最大65秒間放電を継続する実験を行っている。電子サイクロトロン(EC)装置は、加熱だけでなくリアルタイムで入射角度を制御できるアンテナを開発し、電流分布制御や新古典テアリングモードの抑制による閉じ込め性能改善に貢献している。これまでに2.8MW, 3.6秒(10MJ)の入射を達成しているが、プラズマの長パルス化にあわせて0.6MW, 30秒の入射を目指している。伝送系冷却と真空排気の増強,耐ノイズ性能を高める改造とともに導波管型の1MW定常模擬負荷を用いたジャイロトロン動作の調整を行い、8.7秒間のプラズマへの入射と16秒間(400kW/ユニット)のジャイロトロン出力に成功している。ジャイロトロンのパルス幅延伸には、長時間の電子放出でカソード温度が下がりビーム電流が減少して発振条件がずれる問題への対処が重要であり、パルス中にヒータ電力,アノード電圧を上げる制御を行うことで良好な発振条件を持続させることに成功した。一方、低域混成波(LH)電流駆動装置では長年の実験で変形したステンレス製アンテナ先端を炭素化する改造を行い、入射パワーと耐熱負荷性能の向上が期待される。これまでに5.1MJまでの入射を達成しておりエージングを継続中である。

論文

Overview of JT-60U progress towards steady-state advanced tokamak

井手 俊介; JT-60チーム

Nuclear Fusion, 45(10), p.S48 - S62, 2005/10

 被引用回数:44 パーセンタイル:14.81(Physics, Fluids & Plasmas)

本論文はJT-60Uにおける、前回のIAEA会議以降の実験研究成果について、特に先進トカマク開発に着目しつつレビューするものである。主な成果:規格化圧力$$beta$$$$_{N}$$=2.3の22.3秒間/$$beta$$$$_{N}$$=3の6.2秒間維持(どちらも電流拡散時間以上)、定常炉で望まれているような高い自発電流割合(0.75)を電流拡散時間以上の7.4秒間維持、に維持することに成功した。長時間高リサイクリングELMy H-modeプラズマ放電を得、壁飽和に関する新たな知見を得た。ECCDの早期入射が新古典テアリングモード抑制に効率的であることを示し、高$$beta$$$$_{N}$$(3)でのモード抑制を実証した。その他、MHD,高エネルギー粒子閉込め,電流ホール,Hモード等に関する研究が進展した。

論文

Actively-cooled plasma electrode for long pulse operations in a cesium-seeded negative ion source

藤原 幸雄; 渡邊 和弘; 奥村 義和; Trainham, R.*; Jacquot, C.*

Review of Scientific Instruments, 76(1), p.013501_1 - 013501_5, 2005/01

 パーセンタイル:100(Instruments & Instrumentation)

セシウム添加型の負イオン源における長パルス運転用のプラズマ電極を開発した。セシウム添加型負イオン源では、プラズマ電極の温度を負イオン生成に適する300$$^{circ}$$C程度に維持することが必要である。冷却パイプを熱絶縁のためのスペーサを介してプラズマ電極にロー付けする構造を新たに提案、3次元熱解析により設計を行い製作した。実際に負イオン源に組み込み負イオンビーム生成試験を行った結果、長パルス試験において温度が約280$$^{circ}$$Cに維持できることを確認でき、本強制冷却方式が長パルス運転用電極に有効であることを確認できた。

論文

Study of millimeter wave high-power gyrotron for long pulse operation

春日井 敦; 坂本 慶司; 南 龍太郎; 高橋 幸司; 今井 剛

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 528(1-2), p.110 - 114, 2004/08

 被引用回数:21 パーセンタイル:16.94(Instruments & Instrumentation)

原研では、核融合プラズマの加熱・電流駆動のための大電力ミリ波源ジャイロトロンの開発を行っている。これまでに世界に先駆けエネルギー回収技術,超高次モード発振技術,人工ダイヤモンド出力窓の開発を行うとともに170GHzの周波数において0.9MW-9秒,0.5MW-30秒などの成果を挙げてきた。長パルス動作時においては、散乱RFによるジャイロトロン内部の可動ミラー部ベローズの加熱に伴うアウトガスによって長パルス動作が制限されることを明らかにした。そこで、可動ミラー部ベローズの構造を散乱RFが入り込みにくい構造に変えるとともに、ステンレス製のベローズ表面に銅メッキを施し発熱を抑え、かつ熱伝導を良くすることで蓄熱を抑制することを試みた。その結果、改良を加える前と比較し、発熱は1/10以下に、熱拡散の時定数は冷却を行っていない状態において約1/3(270秒$$rightarrow$$90秒)に減少し、改良が有効であることが確かめられた。このことから、大電力において長パルス動作を達成できる見通しが得られた。さらに水冷却可能な構造にしたことから、連続運転にも対応できるものと考えられる。

報告書

JT-60U ECH装置用110GHzジャイロトロンの運転実績

高橋 正己*; 関 正美; 下野 貢; 寺門 正之; 五十嵐 浩一*; 石井 和宏*; 春日井 敦

JAERI-Tech 2003-080, 27 Pages, 2003/11

JAERI-Tech-2003-080.pdf:3.11MB

JT-60Uでは、局所的な加熱・電流駆動によるプラズマの安定性改善や予備電離の実験を行うことを目的として、電子サイクロトロン加熱(ECH)装置を導入してきた。JT-60UのECH装置は、動作周波数110GHz・高周波出力約1MWの発振管(ジャイロトロン)4基を持ち、2基の可動ミラー型アンテナを使用してJT-60Uプラズマへ入射するシステムである。110GHzを含む極めて高い周波数のミリ波帯での高出力発振は10年前まではなく、近年ITER用に開発されてきたジャイロトロンで初めて実現された。そのため、ジャイロトロンの運転にはさまざまな調整が必要である。ヒーターエージング後に、磁場調整,アノード電圧調整により1MWの発振条件を見つけ、その後、パルス幅を伸ばすエージングを行い、秒オーダーの運転を実現した。さらに、高出力,長パルスで安定な運転を行うため、ジャイロトロン管内で発生する不要高周波を吸収するRF吸収体を内蔵する改良を行った。その結果、1MW-5秒の設計目標を達成するとともに、4基のジャイロトロンでプラズマに約10MJの世界最高のミリ波エネルギーを入射できた。

報告書

JT-60U LHRF加熱装置用クライストロンの低出力・長パルス試験

下野 貢; 関 正美; 寺門 正之; 五十嵐 浩一*; 石井 和宏*; 高橋 正己*; 篠崎 信一; 平内 慎一; 佐藤 文明*; 安納 勝人

JAERI-Tech 2003-075, 29 Pages, 2003/09

JAERI-Tech-2003-075.pdf:4.62MB

第一壁洗浄に有効な電子サイクロトロン共鳴(ECR)放電洗浄(DC)をJT-60Uで実証するために、高周波源としてJT-60U低域混成波(LHRF)加熱装置用クライストロンの低出力・長パルス試験を行った。LHRF加熱装置用クライストロンは、2GHz帯で単管当たり1MW-10秒出力性能を持つが、長パルス運転のために動作条件を変更しなければならない。そのために、まず電源性能から長パルス運転が可能となるビーム電流を評価した。この結果、ビーム電圧72kV,ビーム電流4.4Aにおいて電源は定常運転が可能であることが判明した。このビーム電圧及び電流において空洞共振器を調整した結果、クライストロン出力40kWを得た。さらに、出力40kWレベルで模擬負荷を用いて60秒の長パルス試験を行い、クライストロンのコレクター温度が約20秒で120$$^{circ}$$Cの飽和温度になり、コレクター冷却性能から定常運転が可能と判断した。JT-60UでのECR-DC実験では、約30kW-45分の運転に成功した。

論文

A Frame-cooled plasma grid for long pulse operations in a cesium-seeded volume negative ion source

藤原 幸雄; 奥村 義和; 渡邊 和弘; Trainham, R.*; Jacquot, C.*

Review of Scientific Instruments, 73(2), p.298 - 304, 2002/02

 被引用回数:2 パーセンタイル:78.67(Instruments & Instrumentation)

ITER用負イオン源に向けて、3次元シミュレーションを用いて、温度,応力解析を行い長パルス運転用の周辺冷却型プラズマ電極を設計した。セシウム添加型イオン源では、負イオンを効率よく生成するために電極の温度を一様に300$$^{circ}C$$前後に維持することが必要である。ITER用電極のサブセグメントに相当する周辺冷却型電極を製作し、負イオン生成実験を行った。その結果、電極温度が定常的に300$$^{circ}C$$程度に維持できることを確認した。

論文

Long pulse operation of the JAERI superconducting RF linac for FEL

峰原 英介; 杉本 昌義; 沢村 勝; 永井 良治; 菊澤 信宏; 西森 信行; 田中 英一*

Proc. of 11th Symp. on Accelerator Sci. and Technol., P. 120, 1997/00

原研自由電子レーザー用超伝導リニアックは、中性子発生を少なくするために14~18MeVの電子エネルギーでの加速を行っている。通過率は主加速器及びアンジュレータでそれぞれ概略100%を得た。損失ビームの低減と逆流ビームの影響を低くするため、また管理区域境界での放射線レベルを低減するためロスモニタによる最適化を行った。また昨年より電子銃(パルス電流、幅、加速電圧)及び高周波電源(位相振幅)の1ms長時間安定性を確保するために種々の改善を行った。現在、エネルギー分解能は前段及び主加速器直後でそれぞれ$$<$$3%と$$<$$0.5%である。又ストリークカメラによる時間巾の計測を行ったところアンジュレーター中心で$$<$$20psであった。尖頭電流値は20~10Aが得られた。また冷凍機系は昨年と同様に連続無故障運転中である。このため加速器は停電、故障等を除いて定常的に運転され、発振及び調整実験に使用されている。昨年度末に、間欠的な発振が確認された。システムの改善後に、より安定な大強度の発振実験を試みる予定である。

論文

High power negative ion beam development for heating and current drive in fusion plasmas

渡邊 和弘; 花田 磨砂也; 井上 多加志; 前野 修一*; 水野 誠; 小原 祥裕; 奥村 義和; 鈴木 靖生*; 田中 秀樹*; 田中 政信*

Proc. of 14th Int. Conf. on Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research, p.371 - 378, 1993/00

核融合プラズマの加熱及び電流駆動の有力候補である高エネルギー中性粒子入射装置(NBI)を実現するために、負イオン源の大電流化、長パルス化・高エネルギー化の研究開発を進めている。大電流化に関しては、既に10AのH$$^{-}$$ビームを生成することに成功し見通しを得ている。次の長パルス化に関して、50keV,0.3AのH$$^{-}$$ビームを24時間連続生成することに成功した。また、50keV,0.5Aで1000秒の出力に成功した。この時の電流密度はJT-60U用負イオン源の設計値にほぼ等しい14mA/cm$$^{2}$$である。高エネルギー化に関しては、14mm$$phi$$単一孔加速電極系で300keV、17mAで発散角5.5mradの収束性の良いビーム生成に成功し、孔数9個の多孔電極系を用いて、300keV、100mAのH$$^{-}$$ビームを得た。これらによって、負イオンNBI実現に大きく近づいた。

論文

Long pulse operation of a cesium‐seeded multicusp H$$^{-}$$ ion source

奥村 義和; 花田 磨砂也; 井上 多加志; 水野 誠; 小原 祥裕; 鈴木 靖生*; 田中 秀樹*; Tanaka, M.*; 渡邊 和弘

Review of Scientific Instruments, 63(4), p.2708 - 2710, 1992/04

 被引用回数:23 パーセンタイル:12.74(Instruments & Instrumentation)

冷却構造を改良した大型の負イオン源を用いて、最大24時間の長パルスの負イオンビームを生成した。用いた負イオン源はセシウム添加された体積生成型負イオン源であり、10cm$$times$$9cmの領域に11.3mm$$phi$$の引き出し孔38個をもつ。各電極の熱負荷を測定し、最適化された状態で50keV、0.52A(14mA/cm$$^{2}$$)、1000秒の運転を行った。その間、負イオンビーム電流は一定であり、ビーム光学の悪化もなかった。更にセシウムの消費量を調べるため、約100mgのセシウムを注入した状態で24時間の長パルス運転を行い、セシウムの効果がわずかに減少しながらも持続すること(即ち、セシウムの消費量は極めて少いこと)を確認した。

報告書

Extraction of 10sec/75keV/70A Ion Beams at Prototype Neutral Beam Injector Unit for JT-60

秋場 真人; 荒木 政則; 堀池 寛; 伊藤 孝雄; 河合 視己人; 栗山 正明; 北村 繁; 松田 慎三郎; 松岡 守; 向田 秀敏*; et al.

JAERI-M 82-045, 13 Pages, 1982/05

JAERI-M-82-045.pdf:0.66MB

JT-60原型ユニットは1981年11月に完成し、直ちに実証試験運転が開始された。原型ユニットはJT-60NBIの14ユニットの建設に先立ち、その性能を実証するための装置である。本レポートは、これまでに得られた原型ユニットの実験結果をまとめたものである。主な結果は次の通りである。(1)75keV,70Aのイオンビームを10秒間安定に発生させる事ができた。(2)イオン源および各機器の性能も設計値通りであることを確認した。(3)JT-60からの漏洩磁場が存在しても、ビームはほとんど影響を受けず、PLTおよびCulham効果などは発生しないことを確認した。

論文

Production of 75keV,70A,10sec ion beams

秋場 真人; 荒木 政則; 堀池 寛; 伊藤 孝雄; 河合 視己人; 栗山 正明; 北村 繁; 松田 慎三郎; 松岡 守; 向田 秀敏*; et al.

Review of Scientific Instruments, 53(12), p.1864 - 1869, 1982/00

 被引用回数:19 パーセンタイル:11.81(Instruments & Instrumentation)

昨年11月に完成した原型ユニットにおいて、大出力、長パルスイオン源の試験を行った。その結果、加速エネルギー75KeVにおいて70Aの水素イオンビームを10秒間安定に得ることができた。加速電極への熱負荷を測定した結果、設計値以下であることが確認され、電極の熱変形も見られなかった。ビーム発散角(1/e)は約1°であり、プロトン比は80%が得られた。また、ビームターゲットへの熱負荷(中性粒子によるもの)は1.43MW以上であった。その他のビームライン機器についても、十分な信頼性をもっている事が明らかとなった。

論文

Measurement of impurities in a long-pulse,multiampere hydrogen beam

奥村 義和; 水谷 泰彦*; 小原 祥裕; 柴田 猛順

Review of Scientific Instruments, 52(1), p.1 - 7, 1981/00

 被引用回数:17 パーセンタイル:12.66(Instruments & Instrumentation)

プラズマ加熱用中性粒子ビーム中に含まれる不純物の量が、磁場質量分析器を用いて測定された。75KeV/6A/10secイオン源から引き出され、90%中性子平衡セルを通過した後のイオンビームは、1~2%の軽元素不純物(C$$^{+}$$、O$$^{+}$$、H$$_{2}$$O$$^{+}$$等)と、0.02~0.15%の重金属不純物(Cu$$^{+}$$、W$$^{+}$$、Ag$$^{+}$$等)を含んでいる。中性化効率を考慮すると、中性ビームは3~6%の軽元素不純物と0.04~0.3%の重金属不純物を含んでいると推察される。酸素に関する不純物の量は、10秒のパルス中に時間とともに減少する。一方、炭素・銅・タングステンの不純物は、時間とともにわずかに増加する。これらの不純物の発生場所を論じ、不純物量を減らすためのイオン源の運転モードを提案する。

報告書

中性粒子入射装置用イオン源引出電極の冷却予備実験

近藤 梅夫*; 堀池 寛; 森田 洋昭*; 菅原 亨*; 田中 茂

JAERI-M 7612, 11 Pages, 1978/03

JAERI-M-7612.pdf:0.65MB

JT-60用中性粒子入射装置のイオン源開発の一つとして引出電極の冷却について実験した。10cm$$phi$$強制冷却電極を製作し、加速電圧30kVで電流3.8Aのときビームパルス巾7.3secまで、30kV、1.3Aのとき9.4secまでの運転をした。そのときの電極の最大温度上昇(接地電極中央)は、冷却水の核沸騰熱伝達によって210$$^{circ}$$C程度に抑えられた。また、冷却水への伝熱量は最大3.1kWであった。一方、7cm$$phi$$グラファイト電極の実験では、放電破壊の頻発によって運転が妨げられ、さらに炭化水素イオンが全イオンビームのうち約10%をも占めた。長いパルス巾の運転はそれらの点から行なうことができなかった。

口頭

Fiber-optic laser-induced breakdown spectroscopy of solid samples in air with long nanosecond pulse

松本 歩; 大場 弘則; 利光 正章; 赤岡 克昭; 若井田 育夫

no journal, , 

To observe the inside of the damaged nuclear reactors in Fukushima Daiichi Nuclear Power Station, a fiber-optic laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) instrument has been developed. Recently, a long pulse laser is expected to avoid the damage of an optical fiber probe and to enable the transmission of higher energy. However, the laser ablation process of solid samples in air with the long pulse has not been clarified enough. In this study, temporal variations of the plasma emission were measured with short and long nanosecond pulses. As a result, the delay time from the pulse irradiation to the plasma generation and the temporal profile of the emission intensity are considerably different depending on the pulse duration. The difference of the plasma formation process during the pulse irradiation may affect the LIBS signal observed after several microseconds.

口頭

Expansion dynamics of laser-produced plasma in long-pulse fiber-optic LIBS of metal target in air

松本 歩; 大場 弘則; 赤岡 克昭; 若井田 育夫

no journal, , 

Fiber-optic LIBS is expected to be used for the internal survey of damaged reactors in Fukushima Daiichi Nuclear Power Station. Recently, we have demonstrated that the molecular emission from metal target in air is remarkably enhanced by a long-pulse laser. In this work, we investigated the oxidation process of ablated species with fast imaging of the plasma emission. In the case of normal pulse, the bright spot of emission region was close to the target surface and the plasma rapidly expanded to the horizontal direction. In the case of long pulse, the bright spot was apart from the target surface and the expansion speed was slower. This can allow the ambient air to flow into the plasma that facilitates the molecular formation. Such a condition is achieved by the gradual rise of long pulse.

口頭

Basic R&D on decommissioning of Fukushima Daiichi Nuclear Power Station and application of Laser Remote Analysis for in-core and in-situ monitoring of debris

若井田 育夫; 大場 弘則; 赤岡 克昭; 大場 正規; 松本 歩; 宮部 昌文; 池田 裕二*; 作花 哲夫*; 平等 拓範*

no journal, , 

福島第一原子力発電所の廃炉には、広範囲で基礎基盤的研究開発と実際の作業技術へのマッチングが求められており、日本原子力研究開発機構の廃炉国際共同研究センターは、その中心的な研究開発機関の一つである。事故炉内の迅速・簡便・高放射線環境下でのその場遠隔分析技術として、光による分析技術を基本とし、耐放射線性光ファイバーを活用したレーザー誘起発光分光法(LIBS)が有力な分析手法として挙げられる。光ファイバーLIBSを炉内デブリのその場分析技術として開発し、その基本特性を取得し、10kGy/hの放射線環境下でも利用可能であることを確認した。さらに、より高い信号を得るために、ロングパルスレーザーLIBS、マイクロ波支援LIBS、炉内でのマイクロチップレーザーLIBS技術を開発している。

口頭

Advanced study on remote and in-situ elemental analysis of molten fuel debris in damaged core by innovative optical spectroscopy

若井田 育夫; 大場 弘則*; 池田 裕二*; 作花 哲夫*; 平等 拓範*

no journal, , 

炉内デブリのその場分析のため、耐放射線性光ファイバーを用いたレーザー誘起発光分光法(ファイバーLIBS)の開発を行っており、10kGy/hに及ぶ高線量環境下や水中環境においてその性能評価を実施した。ファイバーによるレーザー光の高効率伝送や高感度化のためロングパルスレーザー利用LIBS、マイクロ波支援LIBS等が試されている。さらに、光源そのものを炉内に配置する方法として、マイクロチップレーザーの導入も図っている。

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