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バイスペクトル解析による電子温度勾配モードと低周波揺動  の非線形結合機構解明 

 

東北大学  大学院工学研究科  金子 俊郎    1. 目的 

電子温度空間勾配を自在に制御できる新たな装置を開発し，核融合プラズマ閉じ込め装置での異 常輸送の新たな要因として注目を集めている「電子温度勾配不安定性（ETG モード）駆動乱流」

の発生メカニズムとそれに伴う輸送現象を解明することを目的とする．特に，電子密度勾配，空間 電位勾配等を重畳することによって励起される低周波揺動との非線形相互作用によって，ETG モ ードが助長されるメカニズムを明らかにすることを目指す．本研究では，MHz 領域の高周波揺動と kHz 領域の低周波揺動との非線形相互作用を調べるために，大容量のデータを取得する必要がある とともに，その解析手法もバイスペクトル解析をはじめとして多岐にわたるため，応用力学研究所 との共同研究として遂行する． 

 

2. 実験方法 

本実験は図 1 に示す東北大学 Q

T

-Upgrade 装置を用いて行う. アルゴン (Ar) を作動ガスとした 電子サイクロトロン共鳴 (ECR) 放電によって磁気ミラー領域（共鳴磁場強度 2.14 kG）で高電子 温度（3-4  eV）のプラズマを生成し，グリッドを通して実験領域に流入させる．一方，装置右端に 配置したタングステン電極を 2000℃以上に加熱することによって低温の熱電子（約 0.2 eV）を生 成し，半径方向位置に対応してこれらの重畳割合を制御することによって，径方向の電子温度勾配 を形成する．電子温度のみの空間勾配を制御し，周波数が数 kHz から数 MHz の範囲で，電子温度 勾配が存在する領域と存在しない領域で，発生する不安定揺動（ETG モード）の違いがあるかど うかに注目する．また，電子密度勾配お

よび空間電位勾配を変化することでドリ フト波（DW）モードおよびフルートモ ードが励起されることを観測し，さらに 径方向電場による E×B シアの形成と，

それらの ETG モードとの非線形相互作 用を調べる．このとき，取得した大容量 のデータを応用力学研究所に持ち込み，

バイスペクトル解析を行う．

3. 実験結果及び考察 

上記の装置を用いて ETG を形成したところ，ETG 強度の増大に伴い，周波数が約 0.4 MHz の 高周波揺動（ETG モード）と約 7 kHz の低周波揺動（ドリフト波モード）の二つの揺動が励起さ れ，さらに新たに約 4 kHz の低周波揺動（フルートモード）が励起されることが観測された．図 2 に ETG によって励起された ETG モード及びフルートモードの (a) I ~

_es

/ I

_es

と (b) バイコヒーレン

図

1: 電子温度勾配形成実験装置．

ス

ܾ෠

^ଶ の電子温度勾配（∇

T

^e）依存性を示す [∇

T

^e ＝

( T

^e

( r =

−0.5 cm)−

T

^e

( r =

−1.5 cm))/ 1 cm]．

これまでの成果から，

∇ T

^e が

1.2 eV/cm

を超えると

ETG

モードからのエネルギー移送によってドリフト 波モードが励起されることが分かっているが，さらに

ETG

を強くすると，ドリフト波モードは

∇ T

^e が

1.6

eV/cm

を超えると次第に飽和していくことが分かっ

た．このとき，フルートモードの揺動強度が次第に増 大しており，さらにドリフト波モードとフルートモー ドとのバイコヒーレンスが

∇ T

^e

~ 1.6 eV/cm 以上で

大きくなっていることが明らかとなった．

これらの結果から, ETGのエネルギーははじめに高 周波揺動である

ETG

モードを励起するが，非線形結 合によって一度ドリフト波モードに移送され，さらに ドリフト波モードとフルートモードとの非線形結合

によって，フルートモードへエネルギーが移送されることが分かった．

今後は，これらの高周波揺動と低周波揺動間のエネルギー移送の詳細を，過渡応答実験を行うこ とによって明らかにしていく予定である．

4. 研究組織 

金子 俊郎，畠山 力三，文 贊鎬（東北大学），伊藤 早苗，稲垣 滋（九州大学），伊藤 公孝，小 林 達哉（核融合研） 

 

5. 研究成果報告 

1) [招待講演]

金子俊郎， 電子温度勾配乱流の非線形過程 ，Plasma Conference 2014, 朱鷺メッ セ（新潟県新潟市）, 2014年

11

月

18〜21

日．

2)

小木曽舜，加藤雄人，下山学，文贊鎬，金子俊郎，平原聖文， 直線型磁化プラズマ装置を用い たプラズマ波動・粒子相互作用の直接観測実験 ，日本地球惑星科学連合

2014

年大会，パシフ ィコ横浜会議センター（神奈川県横浜市），2014年

4

月

28〜5.2.

3)

小木曽舜，加藤雄人，下山学，平原聖文，文贊鎬，金子俊郎，小嶋浩嗣， 実験室プラズマにお ける波動・粒子相互作用の直接観測実験 ，第

136

回地球電磁気・地球惑星圏学会総会・講演会，

キッセイ文化ホール（長野県松本市），2014年

10

月

31

日〜11月

3

日.

4)

加藤雄人，金子俊郎，文贊鎬，平原聖文，下山学，小木曽舜，

Direct measurements of wave-particle interactions in the evolution of the drift wave instability: Application of space plasma instrumentation Wave-Particle Interaction Analyzer

，

Plasma Conference 2014,

朱 鷺メッセ（新潟県新潟市）, 2014年

11

月

18〜21

日．

   

図 2: ドリフト波モード及びフルートモード における (a) 規格化振幅強度と (b) バイコ ヒーレンスの∇T^e依存性.

0 0.2 0.4 0.6 0.8

0 0.4 0.8 1.2

0 0.5 1 1.5 2 2.5

0 0.005 0.01

(b)

b

2

(f1, f2)

(a)

f ~ 4 kHz f ~ 7 kHz

ドキュメント内 研究成果報告書 (ページ 119-122)