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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

Recent R&D of Thomson scattering diagnostics for JT-60U and ITER

波多江 仰紀; 近藤 貴; 内藤 磨; 中塚 正大*; 吉田 英次*

Proceedings of 12th International Symposium on Laser-Aided Plasma Diagnostics (LAPD-12) (CD-ROM), 6 Pages, 2005/09

JT-60の近年のトムソン散乱計測の開発研究について報告を行う。非協同トムソン散乱計測では、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。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。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。散乱光のS/N改善のため、位相共役鏡を既存のYAGレーザー装置に組み込み、レーザー装置の高出力化も行った。位相共役鏡は高出力増幅器で誘起される波面歪みを効果的に補正し、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。これ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の設計・検討を行った。また、JT-60では核燃焼プラズマのイオン温度や高速$$alpha$$粒子の振る舞いを測定する炭酸ガスレーザを用いた協同トムソン散乱計測の開発を行っている。初期実験結果に基づきレーザーの縦モードの質,ヘテロダイン受信機の電気ノイズの低減,光軸調整の改善を進め、2005年冬から始まるJT-60実験では改善された計測装置で測定を行う予定である。

論文

Improvement of Thomson scattering diagnostics using stimulated-Brillouin-scattering-based phase conjugate mirrors

波多江 仰紀; 中塚 正大*; 吉田 英次*

プラズマ・核融合学会誌, 80(10), p.870 - 882, 2004/10

高性能の誘導ブリルアン散乱(SBS)位相共役鏡を、初めてJT-60のトムソン散乱計測システムへ応用し測定性能の改善を図った。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、プラズマ中でレーザー光を往復させ散乱光量を約2倍にするダブルパストムソン散乱測定法を開発した。初期実験では1.6倍の散乱光を観測し、この測定手法の有効性を確認した。さらに、この手法を発展させ、レーザー光を何度も往復させ散乱光を数倍以上発生させるマルチパストムソン散乱法も新たに提案した。一方、既存のYAGレーザーに組み込むことにより、レーザー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レーザーの性能は[エネルギー:1.5J,繰り返し:30Hz,平均出力:45W]から[7.4J, 50Hz, 368W]となり、著しくレーザー性能を向上することができた。将来展望として、このレーザーシステムをITERのトムソン散乱計測へ応用することについて考察した。

論文

Laser pattern profile emitted through optical glass fiber bundle with load

山内 俊彦

Japanese Journal of Applied Physics, 43(9A), p.6473 - 6474, 2004/09

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Physics, Applied)

自由電子レーザー等のレーザー用光学バンドルファイバーを通ったHe-Neレーザーの出力分布は、ファイバーに加えられた負荷に強く依存する(横モード変調)。出力分布半径の増分は、負荷とともに指数関数的に増加する。これはマイクロベンディングに起因していると考えられる。一方、遅延時間もまた負荷とともに指数関数的に増加する。この遅延時間は、ピコ秒程度と小さい。

論文

Interference between thomson scattering and resonant scattering in X-ray diffraction from CeB$$_{6}$$

長尾 辰哉*; 五十嵐 潤一

Journal of the Physical Society of Japan, 72(9), p.2381 - 2384, 2003/09

 被引用回数:9 パーセンタイル:44.24(Physics, Multidisciplinary)

CeB$$_{6}$$の反強四重極秩序相におけるL吸収端近傍の共鳴散乱とトムソン散乱の両方の過程を考慮してX線回折の機構を理論的に研究した。格子歪み無しで、4f状態の反強四重極秩序相での電荷の異方性から実験に対応するトムソン散乱強度を計算で得る事ができた。この大きさはL吸収端近傍で共鳴散乱強度と同程度になり、二つの項は干渉を示すことを見いだした。これは、実験事実とよく対応する。これらの結果から、共鳴散乱及びトムソン散乱の両方とも反強四重極秩序の直接の反映であると結論される。

論文

Prospects for $$alpha$$-particle diagnostics by CO$$_{2}$$ laser collective Thomson scattering in ITER

近藤 貴; Richards, R. K.*; Hutchinson, D. P.*; 杉江 達夫; Costley, A. E.*; 三浦 幸俊; Lee, S.*

Proceedings of 30th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics (CD-ROM), 4 Pages, 2003/07

燃焼プラズマでの支配的な熱源である$$alpha$$粒子の挙動を理解するために、$$alpha$$粒子の密度とエネルギースペクトルの空間の分布を測ることが必要とされている。そこで、ITERの$$alpha$$粒子測定のために、パルス炭酸ガスレーザーを用いた協同トムソン散乱(CTS)システムを開発している。ITERでは加熱ビームイオン(E=1MeV)は、接線方向に入射され、$$alpha$$粒子で類似した速さを持つ。しかし、CTS測定は一般的に、同じ速さを持つビームイオンと$$alpha$$粒子を識別することができない。この問題を解決するため、ビームイオンと$$alpha$$粒子を区別できる垂直散乱配置を提案した。この配置のCTSが、ビームイオンによってマスクされることなく$$alpha$$粒子を分析できることを計算により示した。また、垂直散乱配置によるビーム線とレシーバー・システムの予備的な設計を示す。さらに、JT-60Uプラズマを使ったCTSシステムの原理実証実験について示す。

報告書

Inferring $$Z_{eff}$$ spatial profile from background light in incoherent Thomson scattering diagnostic

内藤 磨; 波多江 仰紀

JAERI-Research 2002-033, 9 Pages, 2003/03

JAERI-Research-2002-033.pdf:0.46MB

トムソン散乱計測機器を用いて、電子温度分布,電子密度分布と同時にプラズマの有効荷電数($$Z_{eff}$$)分布を計測する方法について報告する。通常は正味の散乱光子数を求めるために散乱光からの差し引きだけに使われる背景光のデータは制動放射光の視野積分の情報を含んでいる。シミュレーションによる解析の結果、不純物線からの背景光への寄与が制動放射光の1割以下であれば、この背景光のデータを用いることにより十分な精度で有効荷電数分布を再構成できることを明らかにした。

論文

Collective Thomson scattering based on CO$$_{2}$$ laser for ion energy spectrum measurements in JT-60U

近藤 貴; 三浦 幸俊; Lee, S.*; Richards, R. K.*; Hutchinson, D. P.*; Bennett, C. A.*

Review of Scientific Instruments, 74(3), p.1642 - 1645, 2003/03

 被引用回数:17 パーセンタイル:31.38(Instruments & Instrumentation)

核融合炉心プラズマにおいて、高速$$alpha$$粒子の速度分布計測と、イオン温度計測の確立は重要な課題として挙げられており、計測手法の実証が求められている。JT-60Uでは、ITERにおけるイオン温度と高速アルファ粒子の計測手法の確立を目的として、炭酸ガスレーザー(10.6$$mu$$m, 15 J,1$$mu$$s)による協同トムソン散乱法の開発を行っている。検出器には量子井戸型赤外線検出器(QWIP)を用い、また迷光は高温炭酸ガスセルによって減少させる。JT-60Uに測定装置の設置を行うとともに、赤外ヘテロダイン受信機の検出感度や視野の較正手法を開発した。これを用いてJT-60Uプラズマにレーザーを入射して調整を行ったが、現在までに散乱光スペクトルは得られていない。問題点として、パルスレーザの放電による電気ノイズと、レーザーの周波数のシフトによる迷光の発生が挙げられる。

論文

Utilization of background signal for inference of $$Z_{eff}$$ spatial profile in incoherent Thomson scattering diagnostic

内藤 磨; 波多江 仰紀

Review of Scientific Instruments, 74(3), p.1374 - 1376, 2003/03

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

トムソン散乱計測において、電子温度,密度と同時に有効荷電分布を推測する方法について報告する。本計測法では、通常は背景光の影響を差し引くためのみに使われている背景データを再構成計算に用いる。その結果、背景光が主に制動放射によるものであれば、十分正確な有効荷電分布を再構成できることを示した。またこの方法により電子温度,密度計測の精度も向上することを明らかにした。

論文

Overview of JT-60U diagnostics for reactor-relevant plasma physics

波多江 仰紀; JT-60チーム

Proceedings of 6th Japan-Australia Workshop on Plasma Diagnostics (CD-ROM), 16 Pages, 2002/00

JT-60Uの計測システムは約50の計測装置から構成されている。近年、電子温度,電子密度,イオン温度,プラズマ回転,プラズマ電流密度(安全係数)といったプラズマパラメタの詳細な径方向分布計測が可能となった。これにより、プラズマの内部構造の理解が進展し、近年、これらを用い不磁気シアプラズマにおける内部輸送障壁の研究が精力的に進められている。さらに、MSE計測装置を用いてプラズマ中心部の電流密度分布がゼロまたはゼロに近い「電流ホール」を新たに発見した。いくつかの計測装置の信号(電子密度,中性子発生率,放射損失,蓄積エネルギー,温度勾配)は、アクチエーターであるNBI,ECH,ガス供給システムなどとリンクさせ先進実時間制御を行うことによりプラズマの閉じ込め性能をより向上させることができた。ITERで生成される燃焼プラズマのための計測装置の開発研究も進めている。

論文

Collective Thomson scattering using a pulsed CO$$_{2}$$ laser in JT-60U

近藤 貴; Lee, S.; Hutchinson, D. P.*; Richards, R. K.*

Review of Scientific Instruments, 72(1), p.1143 - 1146, 2001/01

 被引用回数:12 パーセンタイル:39.21(Instruments & Instrumentation)

核融合炉心プラズマにおける$$alpha$$粒子の速度分布計測と、イオン温度計測の確立は重要な課題であり、計測手法の実証が求められている。そこで、JT-60UにおいてITERにおけるイオン温度と高速$$alpha$$粒子の計測手法の実証を目的として、炭酸ガスレーザを用いた協同トムソン散乱計測法の開発を行っている。現在までに製作と据え付けが完了した、大出力炭酸ガスレーザ、高温炭酸ガスセルを用いた迷光フィルター、ヘテロダイン受信システム、JT-60U真空容器へのレーザビーム伝送系、ならびに周波数解析用のフィルターバンク等の測定システムについて説明する。また、イオン温度と高速イオンの測定可能のプラズマパラメータ領域を示す。さらにJT-60Uの高温プラズマを用いたイオン温度測定の初期結果について述べる。

論文

Collective Thomson scattering based on a pulsed CO$$_{2}$$ laser in JT-60U

近藤 貴; Lee, S.; 三浦 幸俊

Proceedings of 10th International Symposium on Laser-Aided Plasma Diagnostics, p.109 - 114, 2001/00

核融合炉心プラズマにおいて、高速アルファ粒子の速度分布計測と、イオン温度計測の確立は重要な課題として挙げられており、計測手法の実証が求められている。JT-60Uでは、ITERにおけるイオン温度と高速アルファ粒子の計測手法の確立を目的として、オークリッジ国立研究所と協同で炭酸ガスレーザー(10.6$$mu$$m, 15 J,1$$mu$$s)による協同トムソン散乱法の開発を行っており、イオン温度測定ならびに高速イオンの速度分布測定を実証する。計測装置の製作が完了し、JT-60Uプラズマにレーザーを入射して調整が続けられている。

論文

Very high electron temperature diagnostics using combined ruby and YAG laser Thomson scattering systems in JT-60U

波多江 仰紀; 内藤 磨

Proceedings of 10th International Symposium on Laser-Aided Plasma Diagnostics, p.160 - 166, 2001/00

JT-60Uにおける近年の強電子加熱実験では$$sim$$15keVを越える中心電子温度がルビーレーザとYAGレーザによる2つのトムソン散乱測定装置で観測されている。しかしながら、その電子温度は設計で想定していた電子温度を越えているため電子温度の相対誤差は非常に大きく、$$sim$$15keVを越える超高温を高い精度で測定するのは困難である。この論文では、このような超高温の測定性能を改善するために、既存のルビーレーザシステムとYAGレーザシステムを組み合わせて超高温での測定性能が改善されるかどうか検討した。シミュレーションの結果から、(1)YAGレーザトムソン散乱システムの光源にルビーレーザを使用し散乱スペクトルの形を変化させることは、超高電子温度の測定に効果があることがわかった。(2)ルビーレーザの測定系とYAGレーザの測定を組み合わせ、YAGレーザでトムソン散乱を行った場合、${it T$_{e}$}$$$sim$$20keVの領域で既存の測定系よりも相対誤差が著しく低下し測定性能が改善することがわかった。

論文

CO$$_{2}$$レーザーを用いた協同トムソン散乱によるJT-60Uプラズマのイオン温度, 高エネルギーイオンの測定

近藤 貴; Lee, S.; 三浦 幸俊

プラズマ・核融合学会誌, 76(9), p.883 - 887, 2000/09

協同トムソン散乱の計測原理と特徴、及び被計測物量の概観を行い、最近の進歩を述べる。協同トムソン散乱計測法は$$alpha$$粒子の速度分布測定に対してITERにおける重要な候補として目されており、同計測方式の信頼性を確立する必要がある。JT-60Uの協同トカマク散乱計測は、イオン温度計測を実証し、さらにNNB加熱中の高速イオンからの散乱光を受信することにより、$$alpha$$粒子計測法を実証することにある。パルス炭酸ガスレーザシステムにより1$$mu$$s,10J,0.5Hzの発振に成功した。ヘテロダイン受信システムは、広帯域の赤外線検出器、並びに迷光フィルタから構成され、所定の性能を満たした。また、光学系の設置を完了し、散乱光の計測を開始した。

論文

JT-60U,JFT-2Mにおける非協同トムソン散乱

波多江 仰紀; 吉田 英俊; 山内 俊彦; 内藤 磨

プラズマ・核融合学会誌, 76(9), p.868 - 873, 2000/09

非協同トムソン散乱を用いた計測手法は、トカマク装置による核融合研究の黎明期以来、トカマクプラズマの性能評価のための重要な計測手法となっている。そのためトムソン散乱測定装置は、基幹計測装置としてほとんどのトカマク装置に設置され、電子温度と電子密度のデータを提供している。しかしながら測定原理は同じであっても、それぞれのトカマク装置に適用する場合、装置の事情(たとえば、観測ポートとその近傍の装置の構造,必要とされる空間分解能や時間分解能,製作コスト)によって適用される形態は異なる。この論文では、例として大型のトカマク装置である臨界プラズマ試験装置JT-60Uと,中型のトカマクである高性能トカマク開発試験装置JFT-2M、これら2つのトカマク装置のトムソン散乱測定装置について、その開発の流れや考え方について解説した。

論文

Multilaser and high spatially resolved multipoint Thomson scattering system for the JT-60U tokamak

吉田 英俊; 内藤 磨; 山下 修; 北村 繁; 佐久間 猛*; 小野瀬 義秋*; 根本 博文*; 浜野 隆*; 波多江 仰紀; 長島 章; et al.

Review of Scientific Instruments, 70(1), p.751 - 754, 1999/01

 被引用回数:13 パーセンタイル:32.46(Instruments & Instrumentation)

JT-60Uトムソン散乱測定装置の最新の設計と測定実績について総合報告する。本装置は超高温な電子温度や高精度な電子密度の過渡変化を、定量的であるがゆえに精密なアラインメントの常時監視下で高信頼測定が可能であるという特長を有する。2台のルビーレーザから発せられるビームを光学的に同質かつ同一直線上に伝搬させる、施光子とファラデー回転子から成るビーム合成装置を開発して、2ミリ秒の時間差での過渡事象現象測定を可能にした。プラズマ炉心部から周辺部まで約2mにわたって60空間点のトムソン散乱光を8~22mmの高分解能で2台の集光器で集光する。低電子密度プラズマを小立体角かつ高空間分解能で高精度に測定するため超高感度の光電子増倍管を採用し、また高温高密度の炉心プラズマを対象に高繰返し計測が可能な2次元型検出器を開発・導入した。講演では、最新の測定結果についても言及する。

論文

A Compact and high repetitive photodiode array detector for the JT-60U Thomson scattering diagnostic

吉田 英俊; 内藤 磨; 佐久間 猛*; 北村 繁; 波多江 仰紀; 長島 章

Review of Scientific Instruments, 70(1), p.747 - 750, 1999/01

 被引用回数:4 パーセンタイル:59.33(Instruments & Instrumentation)

コンパクトで高い繰返し計測が可能な2次元型検出器をJT-60Uトムソン散乱測定装置用に開発した。機器構成は、短波長で高い量子効率を持つ光電面、指向性を重視した近接型一段加速のマイクロチャンネルプレート、高速応答できる蛍光面、空間分割20でスペクトル分割12の240chフォトダイオードアレイ、1ミリ秒以内にデータ読み込みやA/D変換、メモリーへの転送・書き込みを行うパラレル/シリアルデータ処理ユニットである。上述した短波長で高い分光感度を持つ本検出器の特性を生かし、長波長側で高い透過率を持つように分光光学系で使用するレンズ類の無反射コーティング等の設計に留意した結果、広いスペクトル帯域幅でトムソン散乱光の測定を可能にし、10keVを越す炉心プラズマの超高温電子温度測定にも本検出器は安定かつ高い信頼性で適用できることを、JT-60Uトムソン散乱測定装置で実証した。

論文

YAG laser Thomson scattering diagnostics on the JT-60U

波多江 仰紀; 長島 章; 北村 繁; 柏原 庸央*; 吉田 英俊*; 内藤 磨; 山下 修; 清水 和明; 佐久間 猛*; 近藤 貴

Review of Scientific Instruments, 70(1), p.772 - 775, 1999/01

 被引用回数:50 パーセンタイル:7.26(Instruments & Instrumentation)

JT-60UにおけるYAGレーザトムソン散乱測定装置は、炉心級プラズマの電子温度・密度分布の時間変化の測定を行うために開発された。YAGレーザは、繰り返し率10Hzの装置を、近年50Hzに改造し、現在15空間点を20msの周期で測定している。逐次分光干渉フィルター型のポリクロメーターでは、電子温度は、20eVから10keV程度までの測定が可能で、ディスラプションにより電流消滅中の低温プラズマから、臨界クラスの高性能負磁気シアプラズマまで、幅広い温度レンジでの測定が行われている。トムソン散乱光を検出するAPD(アバランシェフォトダイオード)は、その感度が温度に大きく影響を受ける。そのため、本装置では電子冷却素子を用いた温度制御により、APD素子の温度を一定に保ち、常に安定した感度を確保しているのが特長である。

論文

A Formula for reconstructing fully relativistic electron distributions from incoherent Thomson scattering data

内藤 磨; 吉田 英俊; 波多江 仰紀; 長島 章

Physics of Plasmas, 4(4), p.1171 - 1172, 1997/04

 被引用回数:4 パーセンタイル:81.92(Physics, Fluids & Plasmas)

通常電子温度を求めるために用いられる非協同トムソン散乱データから完全相対論的電子の運動量分布を求めるための解析的な表式を導出した。適用可能な分布は等方分布に限られるが、本表式により詳細な電子の分布関数の情報が得られるようになった。

論文

Quantitative method for precise,quick, and reliable alignment of collection object fields in the JT-60U thomson scattering diagnostic

吉田 英俊; 内藤 磨; 的場 徹; 山下 修; 北村 繁; 波多江 仰紀; 長島 章

Review of Scientific Instruments, 68(2), p.1152 - 1161, 1997/02

 被引用回数:11 パーセンタイル:33.75(Instruments & Instrumentation)

JT-60Uトムソン散乱計測で電子密度測定の信頼性確保のため、既存のレーザビーム軸位置遠隔調整装置に加えて2台の集光器用に新たに遠隔視野位置調整装置を開発し、レーザビーム軸と視野位置に関するアライメント設定性能を向上させ、その有効性を実証した。本装置の機能には、レーリ散乱光による高精度な初期アライメントの遠隔設定、トムソン散乱光利用によるプラズマ放電中の各レーザパルスに対する視野アライメントの常時直接監視、アライメント許容範囲を越えた時点からの自動遠隔視野位置調整と速やかな適正アライメント回復、等がある。重要な特長は、集光器視野幅の狭小化を可能にし、プラズマ背景光に対する散乱光のS/N比向上とファイバーコストの低減を、アライメント安定性を確保しつつ達成できた点にある。視野位置調整に必要な定式化と、本装置を利用した真空容器内レーザビーム幅遠隔測定法についても言及した。

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