[論文レビュー] Implementation of Doppler backscattering for MAST

J. C. Hillesheim, N. A. Crocker+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2014

Magnetic confinement fusion research被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、球形トカマクMASTにおけるコア測定を目的として、2次元指向制御を施したドップラー反射散乱（DBS）の初の実装を提示する。これにより、高波数（k⊥ρi ≈ 7–11）の密度ゆらぎスペクトル測定が可能となり、乱流エネルギー伝達の理論的予測であるk⁻¹³ᐟ³と一致する|n(k⊥)|² ∝ k⊥⁻⁴.⁷±⁰.²の乱流カスケードスケーリングが明確に解明された。

ABSTRACT

The high-k ($7 \lesssim k_{\bot} ho_i \lesssim 11$) wavenumber spectrum of density fluctuations has been measured for the first time in MAST [B. Lloyd et al, Nucl. Fusion 43, 1665 (2003)]. This was accomplished with the first implementation of Doppler backscattering (DBS) for core measurements in a spherical tokamak. DBS has become a well-established and versatile diagnostic technique for the measurement of intermediate-k ($k_{\bot} ho_i \sim 1$, and higher) density fluctuations and flows in magnetically confined fusion experiments. A novel implementation with 2D steering was necessary to enable DBS measurements in MAST, where the large magnetic field pitch angle presents a challenge. We report on the scattering considerations and ray tracing calculations used to optimize the design and present data demonstrating measurement capabilities. Initial results confirm the applicability of the design and implementation approaches, showing the strong dependence of scattering alignment on toroidal launch angle. We also present comparisons of DBS plasma velocity measurements with charge exchange recombination and beam emission spectroscopy measurements, which show reasonable agreement over most of the minor radius, but imply large poloidal flows approaching the magnetic axis in a discharge with an internal transport barrier. The 2D steering is shown to enable high-k measurements with DBS, at $k_{\bot}>20 \mathrm{cm}^{-1}$ ($k_{\bot} ho_i>10$) for launch frequencies less than 75 GHz; this capability is used to measure the wavenumber spectrum of turbulence and we find $|n(k_{\bot})|^2 \propto k_{\bot}^{- 4.7 \pm 0.2}$ for $k_{\bot} ho_i \approx 7-11$, which is similar to the expectation for the turbulent kinetic cascade of $|n(k_{\bot})|^2 \propto k_{\bot}^{- 13/3}$.

研究の動機と目的

• 球形トカマク（MASTなど）におけるドップラー反射散乱診断法を、高波数（k⊥ρi ≈ 7–11）にまで拡張すること。
• MASTの大きな磁場ピッチ角に起因する課題を、新規の2次元ビーム指向制御により克服すること。
• レイトレーシングと散乱最適化を用いて、DBSの設計およびコアプラズマ乱流測定への実装を検証すること。
• 電荷交換再結合分光法（CXRS）およびビーム放出分光法（BES）といった独立した診断法と照らし合わせ、DBSで得られたプラズマ流れの測定値を比較すること。
• 密度ゆらぎの波数スペクトルを測定し、乱流エネルギー伝達カスケードの文脈でそのスケーリングを評価すること。

提案手法

• MASTの高いピッチ角磁場環境において、ビームの指向制御と散乱整合性の最適化を実現するため、DBSシステムに2次元指向制御を実装すること。
• 散乱経路のモデル化と信号対雑音比の最大化を目的とした、レイトレーシング計算の活用。
• 75 GHz未満の発信周波数で、k⊥ > 20 cm⁻¹（k⊥ρi > 10）の領域において、DBSを用いた密度ゆらぎパワー スペクトル |n(k⊥)|² の測定。
• CXRSおよびBESによる測定値と照らし合わせ、DBSで得られたプラズマ速度の測定値を比較すること。
• スキャッタリング整合性がトロイダル発信角度にどのように依存するかを分析し、診断の感度および正確性を向上させること。
• 測定された |n(k⊥)|² スペクトルをフィッティングしてパワー則指数を抽出し、理論的予測であるk⁻¹³ᐟ³と比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元指向制御により、MASTの高い磁場ピッチ角環境下でも効果的なドップラー反射散乱測定が可能となるか？
• RQ2 高波数（k⊥ρi ≈ 7–11）におけるMASTコア部の密度ゆらぎの波数スペクトルは何か？そのスケーリングは？
• RQ3 内部輸送障壁を有する状況下で、DBSで得られたプラズマ流れはCXRSおよびBESの測定値とどの程度一致するか？
• RQ4 測定されたゆらぎスペクトルは、乱流エネルギー伝達理論で予測されるk⁻¹³ᐟ³スケーリングとどの程度一致するか？
• RQ5 MASTの幾何形状において、散乱整合性と信号強度を最大化する最適なビーム発信角度は何か？

主な発見

• 2次元指向制御の実装により、MASTにおいてk⊥ > 20 cm⁻¹（k⊥ρi > 10）の高波数DBS測定が成功裏に達成され、発信周波数が75 GHz未満の範囲で実現された。
• 測定された密度ゆらぎスペクトルは、k⊥ρi ≈ 7–11の範囲で|n(k⊥)|² ∝ k⊥⁻⁴.⁷±⁰.²のパワー則スケーリングに従い、理論的予測であるk⁻¹³ᐟ³カスケードスケーリングと整合的である。
• DBSで得られたプラズマ速度測定値は、主にマイナー半径の全域でCXRSおよびBESのデータと良好な一致を示したが、磁気軸付近を除いては一致が不十分であった。
• 内部輸送障壁を有する放電において、磁気軸付近に顕著なポリオイダル流れ成分が推定されたことから、強い径方向電場または流れシアーが関与している可能性が示唆された。
• スキャッタリング整合性はトロイダル発信角度に強く依存しており、最適な信号収集のためにはビーム指向制御が不可欠であることが確認された。
• シミュレーション（レイトレーシング）と実験データの両方により、本設計および実装手法の妥当性が検証され、コア乱流診断に於いて高い頑健性を示した。