[論文レビュー] Analysis of fast ion induced instabilities in tokamak plasmas

László Horváth|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2015

Seismic Waves and Analysis被引用数 1

ひとこと要約

本学位論文は、オフ・アース中性ビーム注入のラムアップ段階におけるASDEX Upgradeトカマクプラズマで、高速イオン駆動不安定性—ベータ誘導アルフェンモード（BAEs）およびエネルギー粒子駆動ジオデシック音響モード（EGAMs）—の非線形的径方向構造の進化を調査している。ソフトX線カメラデータに対して、新規の短時間フーリエ変換に基づく振幅再構成法を適用した結果、周波数低下チアリングを示すBAEsは、測定誤差範囲内で径方向構造の変化を示さず、一方、急速に周波数上昇チアリングを示すEGAMsは一貫したモード構造の収縮を示した。これは、エネルギー粒子の共鳴条件の理論的変化と整合的である。

ABSTRACT

In magnetic confinement fusion devices like tokamaks, it is crucial to confine the high energy fusion-born helium nuclei ($\alpha$-particles) to maintain the energy equilibrium of the plasma. However, energetic ions can excite various instabilities which can lead to their enhanced radial transport. Consequently, these instabilities may degrade the heating efficiency and they can also cause harmful power loads on the plasma-facing components of the device. Therefore, the understanding of these modes is a key issue regarding future burning plasma experiments. One of the main open questions concerning energetic particle (EP) driven instabilities is the non-linear evolution of the mode structure. In this thesis, I present my results on the investigation of $\beta$-induced Alfv\'{e}n eigenmodes (BAEs) and EP-driven geodesic acoustic modes (EGAMs) observed in the ramp-up phase of off-axis NBI heated plasmas in the ASDEX Upgrade tokamak. These modes were well visible on several line-of-sights (LOSs) of the soft X-ray cameras which made it possible to analyse the time evolution of their spatial structure. In order to investigate the radial structure, the mode amplitude has to be determined on different LOSs. I developed an advanced amplitude reconstruction method which can handle the rapidly changing mode frequency and the low signal-to-noise ratio. This method is based on short time Fourier transform which is widely applied in the thesis, because it is ideal to investigate the time evolution of transient wave-like phenomena. The radial structure analysis showed that in case of the observed downward chirping BAEs the changes in the radial eigenfunction were smaller than the uncertainty of the measurement, while in case of rapidly upward chirping EGAMs the analysis shows shrinkage of the mode structure. These experimental results are shown to be consistent with the corresponding theory.

研究の動機と目的

• 燃焼プラズマ状況における高速イオン駆動不安定性の非線形的径方向進化を理解すること。
• チアリングモード（BAEsやEGAMsなど）が周波数チアリング中にその径方向固有関数に顕著な変化を示すかどうかという未解決の問題を解明すること。
• 急激に変化する周波数と低SNRを示す一時的プラズマ現象に対応可能な、信頼性の高い振幅再構成技術の開発および検証すること。
• 高速粒子輸送の予測モデル向上に資する、EP駆動モードの径方向構造ダイナミクスに関する実験的証拠を提供すること。

提案手法

• プラズマ半径にわたる空間的モード構造を捉えるために、複数の視線（LOS）を持つソフトX線（SXR）カメラを用いた。
• 急激に変化する周波数と低SNRに起因する測定に耐えうる、短時間フーリエ変換（STFT）に基づく振幅再構成法を開発した。
• 既知のパrameterを持つ合成信号を用いて再構成手法の妥当性を検証し、白色雑音への感受性を評価した。
• 背景雑音の性質から測定誤差を推定し、観測された構造的変化の有意性を評価した。
• 実験データからのBAEsおよびEGAMsの特定を目的とした詳細なモード数解析を実施した。
• 観測された周波数チアリングと、速度空間におけるエネルギー粒子分布および共鳴条件の変化を関連づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 測定誤差範囲内で、周波数低下チアリングを示すBAEsの径方向固有関数は、チアリング段階中に顕著に変化するか？
• RQ2 急速に周波数上昇チアリングを示すEGAMsの径方向構造は、チアリング過程中に測定可能な収縮を示すか？
• RQ3 EP駆動不安定性のモード構造は、エネルギー粒子分布と背景プラズマパラメータのどちらに依存する程度が強いのか？
• RQ4 短時間フーリエ変換に基づく振幅再構成法は、急激に変化する周波数とノイズの多いSXR信号から信頼性高くモード振幅を抽出できるか？
• RQ5 EGAMsの観測された構造的進化は、通過粒子の共鳴条件の変化に基づく理論的予測と整合的か？

主な発見

• 周波数低下チアリングを示すBAEsは、測定誤差範囲内でのみ変動を示し、径方向固有関数の顕著な変化は認められず、背景プラズマパラメータに強く依存していることが示唆された。
• 急速に周波数上昇チアリングを示すEGAMsは、チアリング段階中に一貫した測定可能なモード構造の収縮を示した。
• EGAMs構造の観測された収縮は、軌道幅が狭くなる通過粒子の増加に起因する速度空間における共鳴条件の変化に起因するとされた。
• 開発された振幅再構成法は、SXRデータから高時間分解能でモード振幅を的確に抽出でき、信号対雑音比が低く周波数が急変する状況下でも有効であった。
• 再構成されたモード振幅を用いることで、複数の視線測定からの信頼性の高い径方向構造解析が可能となり、不安定性の空間的進化を確認できた。
• 実験結果は理論的予測と良好に一致しており、特にEGAMsに関してはエネルギー粒子分布がモード構造に与える影響を裏付けるものであった。