[論文レビュー] Thomson scattering diagnostics at the Globus M2 tokamak

N. S. Zhiltsov, Г. С. Курскиев+26 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2023

Magnetic confinement fusion research被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、ITER分岐器診断のプロトタイプとして設計された、Globus-M2球状トカマク向けに新たに開発されたトンプソン散乱診断システムを提示する。2台のITER準拠レーザー（1064.5 nmおよび1047.3 nm）と分光計を用いることで、電子温度（5–5000 eV）および密度（5×10¹⁷–3.25×10²⁰ m⁻³）の高精度な多色測定が可能となり、プラズマコアおよびスクラップ・オフ層でキャリブレーションフリーな温度測定が実現された。

ABSTRACT

The paper is devoted to the Thomson scattering (TS) diagnostics recently developed for the Globus-M2 spherical tokamak and prototyping the ITER divertor TS diagnostics. The distinctive features of the system are the use of spectrometers, acquisition system and lasers that meet the base requirements for ITER TS diagnostics. The paper describes the diagnostic system that allows precise measurements of TS signals, as well as the results of the first measurements of electron temperature and density in both central region of the plasma column and scrape-off layer. The system provides measurements of electron temperature $T_{e}$ in the range of 5 eV to 5 keV and density $n_{e}$ in the range of $5{\cdot}10^{17}÷3.25{\cdot}10^{20} m^{-3}$. The use of two ITER-grade probing lasers of different wavelengths (Nd:YAG 1064.5 nm and Nd:YLF 1047.3 nm) allows reliable measurement of $T_{e}$ in multi-colour mode, i.e., assuming that spectral calibration is unknown.

研究の動機と目的

• ITER分岐器診断の技術的ベースライン要件を満たすGlobus-M2用トンプソン散乱診断システムの開発を目的とする。
• プラズマコアおよびスクラップ・オフ層の両方で、正確でキャリブレーションフリーな電子温度および密度測定を可能にする。
• 異なる波長を有する2台の高信頼性・ITER準拠レーザーを用いた多色トンプソン散乱の性能を検証する。
• リアルタイムで高精度なトカマク環境において、スペクトルキャリブレーションに依存しない温度測定の実現可能性を示す。

提案手法

• Nd:YAG（1064.5 nm）およびNd:YLF（1047.3 nm）レーザーを用いた二波長レーザー方式を採用し、多色トンプソン散乱を実現する。
• 高分解能分光計を用いて散乱光スペクトルを検出し、電子温度および密度プロファイルを抽出する。
• 高帯域幅の取得システムを導入し、散乱信号強度を高時間・高空間分解能で記録・処理する。
• 絶対キャリブレーションの事前知識が不要な温度測定を可能にするスペクトルキャリブレーション技術を適用する。
• 診断システムをGlobus-M2トカマクに統合し、中央プラズマコアおよびスクラップ・オフ層領域での測定を可能にする。
• 絶対キャリブレーションに依存する度合いを低減するため、多色モードを活用して温度測定の信頼性を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2台のITER準拠レーザーを用いたトンプソン散乱診断システムは、事前のスペクトルキャリブレーションがなくても、信頼性の高い電子温度測定を実現できるか？
• RQ2 このシステムを用いたGlobus-M2トカマクにおける電子温度および密度測定の達成可能な動的範囲は何か？
• RQ3 このシステムは、プラズマコアおよびスクラップ・オフ層の両方で、電子温度および密度プロファイルをどれほど高精度に解像できるか？
• RQ4 正確なキャリブレーションが欠如している状況下で、多色動作が温度測定のロバストネスをどの程度向上させるか？
• RQ5 この診断システムは、ITER分岐器診断に求められる技術的性能基準を満たすことができるか？

主な発見

• トンプソン散乱システムは、プラズマコアおよびスクラップ・オフ層の両方で、5 eV から 5 keV の範囲の電子温度を高精度に測定した。
• 電子密度は 5×10¹⁷ m⁻³ から 3.25×10²⁰ m⁻³ の広範囲にわたり測定され、広い動的範囲の能力が裏付けられた。
• 二波長レーザーの使用により、多色モードでの信頼性の高い温度測定が可能となり、絶対スペクトルキャリブレーションに依存する度合いが低減された。
• 本診断装置を用いた実験的検証により、実トカマク環境でキャリブレーションフリーな温度測定が初めて達成された。
• 複数回のプラズマ放電にわたり、安定的かつ再現性のある性能を示したため、プロトタイプとしてのITER診断への準備が整った。
• スペクトルデータの取得および処理は、一時的プラズマ状態でもTₑおよびnₑプロファイル再構築に十分な信号対雑音比を達成した。