氏 大 誠
学 専 攻 分 博 士 理 学
学 記 番 総 研 大 第
学 授 与 の 日 付 成 ９ 日
学 授 与 の 要 件 物 理 科 学 研 究 科 融 科 学 専 攻 学 規 則 第 ６ 条 第 該 当
学 論文題目
論文審査委員 主 査 教 授 山 弘 教 授 居 克 巳 准 教 授 後 藤 基 志
准 教 授 門 信 一 郎 京 都 大 学 准 教 授 菅 輔 九 大 学
(Separate Form 2)
論 文 の 要 旨
Summary (Abstract) of doctoral thesis contents
One of the most important subjects among researches on the magnetic fusion plasma is improvement of confinement property and stability of the plasma to realize an economical and safe burning fusion reactor. Much effort has been devoted to research of micro turbulence and MHD instability, and the understanding on plasma physics has been deepened over the decades. On the other hand, the turbulence appears electrostatic and different frequency or wave numbe r range from MHD instabilities or behavior of magnetic flux surface, then studies on interactions of those two phenomena had been relatively scare. Recently, researches in a boundary region of turbulence and MHD activity is beginning to be accumulated exp erimentally, such as a discovery of the long-range correlation in LHD and the coupling between the transport and magnetic topology in DIII-D.
Non-linear coupling between MHD instability and low-k turbulence in toroidal plasmas is studied using by measuring the density fluctuations using Beam Emission Spectroscopy (BES). This work focuses on the Edge Harmonic Oscillation (EHO), which appears as a coherent mode at the frequency of about 10 kHz accompanied by several harmonics near the separatrix. This dissertation is composed of two parts, one of which includes the development and evaluation of the capability of BES system with specially designed sightlines in the Large Helical Device (LHD) as well as the spatio-temporal structure analysis of EHOs measured with the BES, and the other includes analysis on the non-linear coupling between EHO and turbulence measured in DIII-D tokamak.
A local density fluctuation diagnostic based upon the BES with lattice type optics configuration has been implemented on LHD to inv estigate the spatiotemporal and spectral characteristics of long wavenumber density fluctuations such as MHD activity. In most conventional BES systems, fiber images have round or rectangular shapes due to the configuration of fiber bundles, leading to the almost same
wavenumber resolution in two directions on a focal plane. The unique optical fiber geometry which yields a lattice shaped sampling images in a plasma is applied in this system. The idea of the new lattice type fiber configuration is that utili zing the fiber bundle design that the images of fibers align along radial or poloidal direction to achieve both enhancement of photon flux and good wavenumber resolution in a particular direction. With vertically elongated slits, the sensitivity for waves in the radial direction increases, although that for waves in the poloidal direction decreases. In order to complement this reduced poloidal wavenumber resolution, another sets of horizontally elongated slits is deployed, forming lattice structure. As a pr obe beam, a perpendicularly injected neutral heating beam is used, and its accelerating energy is
typically 40 keV. The angle between the sight lines and the beam line is ~120 ° at the edge of the plasma, yielding a Doppler blue shift of ~3.0 nm in the Hαbeam
emission. Each channel consists of 7 (or 8) 400-nm-diam fibers arranged in line along poloidal or radial direction. Each fiber bundle of an array for radial wavenumber measurement images 10 x 140 mm and has a radial spatial separation of 10 mm. Each fiber bundle of an array for poloidal wavenumber measurement images 70 x 10 mm and has a poloidal spatial separation of 20 mm. These two arrays are overlaid in a same region to form a lattice configuration and views 70 x 140 mm in total. The array for radial wavenumber measurement averages the signals for 140 mm in poloidal direction, while that for poloidal wavenumber measurement averages for 70 mm in radial direction. The collected light is transmitted to a spectrometer and is detected simultaneously with the 4 x 8 pixel avalanche photodiode camera with a sampling frequency of 200 kHz. Correlation analysis was applied to reconstruct the two-dimensional spatiotemporal structure of MHD activities detected in the edge region in high- ß discharge. The spatiotemporal structure of the low frequency density fluctuation of EHO was found to propagate in the electron diamagnetic direction at the phase velocity of 1.2 km/s, and have a finite radial propagation with the phase velocity of 0.4 km/s.
The coupling between the high frequency turbulence and EHO is studied in Quiescent H-mode plasmas, where EHOs exist, in DIII-D tokamak. QH-mode is an ELM-free operation with good energy confinement, constant density, and radiated power, with a pedestal localized electromagnetic mode (EHO) providing continuous particle transport. The nonlinear interaction between harmonics of the EHO and turbulence is important to understanding the mechanisms and dynamics of enhanced particle transport in QH-mode. The fundamental frequency of the EHO was typically
~10 kHz with long poloidal wavelength (k~0.02 cm-1) and broadband turbulence in the range of 50–200 kHz with correlation lengths of a few cm. The features and characteristics of QH-mode plasma turbulence in the wavenumber-frequency domain are crucial to understanding the mechanisms and dynamics of the enhanced particle transport. Frequency-wavenumber spectral analysis was applied to localized density fluctuation data measured with BES on DIII-D in the region of 0.8<<1.0, where is the normalized minor radius. In the analysis, a Maximum Entropy Method is applied in the space domain, instead of FFT, to estimate a well resolved k -spectrum from truncated data. The broadband turbulence measured at ~0.9 was found to have poloidal phase velocity of ~10 km/s, which corresponds to the ExB velocity. Bis pectral analysis has been applied to the localized density fluctuation data. The
cross-bicoherence among the BES channels showed radially varying magnitude of phase coherence well above the noise floor between the EHO and broadband turbulence in the region of 0.8<<1.0. The envelope analysis is done for the high
(Separate Form 2)
frequency turbulence by applying Hilbert transform to the density fluctuation data. It was found that the turbulence amplitude was modulated at the frequency of EHO. The phase and amplitude of the turbulence envelope is not constant in time, and different from the displacement of the magnetic flux surface.
博 士 論 文 審 査 結 果 の 要 旨
Summary of the results of the doctoral thesis screening
磁 場 閉 込 い 乱 流 の 輸 送 決 定 い こ 及 び
の 力 勾 配 増 加 MHD 電 磁 流 体 力 学 安 定 性 中 振 動 発
生 閉 込 悪 化 さ こ 知 い 時 空 間 ケ ー の
異 乱 流 揺 動 MHD振 動 一 般 計 測 法 異 両 者 の 結 合 い の 研 究
ほ さ い い そ こ 出 願 者 ー 放 射 分 光 両 者 の 有 力 計 測 こ
着 眼 研 究 進 ー 放 射 分 光 法 中 入 射 さ 中 性 粒 子 ー 原
子 の 衝 突 励 起 伴 う 光 の 強 度 の 揺 中 の 密 度 揺 動 計
測 手 法 あ MHD振 動 起 因 数kHz 数 十kHzの 密 度 揺 動 静 電 乱 流 揺 動
起 因 数 十kHz 数 百kHzの 密 度 揺 動 同 地 同 時 計 測 こ 本 論
文 MHD振 動 乱 流 揺 動 の 同 時 計 測 可 能 ー 放 射 分 光 法 用 い 核 融 合 科 学 研
究 所 の 大 型 カ 装 置(LHD) 米 国 ネ ア ッ ク 社 のDIII-D カ ク い
境 界 層 高 調 波 振 動 呼 MHD振 動 乱 流 揺 動 の 結 合 調 べ 結 果 い 述 べ い
ま LHD い ー 放 射 分 光 の 視 線 高 度 化 イ ダ 方 向 及 び 径 方 向 の
2次 元 の 密 度 揺 動 の 観 測 行 ー 放 射 分 光 の 視 線 通 常 の 形 ッ 形
状 変 更 さ 格 子 状 配 置 こ イ ダ 方 向 及 び 径 方 向 の 波 数 分 解 能 改
善 さ 境 界 層 高 調 波 振 動 2次 元 密 度 揺 動 構 造 初 明 従 来 径 方
向 伝 播 い 考 え い 境 界 層 高 調 波 振 動 密 度 揺 動 の 径 方 向 伝 播 存
こ 明 イ ダ 方 向 及 び 径 方 向 の 伝 播 速 度 の 比 評 価 DIII-D カ
ク い 同 様 の 解 析 行 い 境 界 層 高 調 波 振 動 伴 う 密 度 揺 動 の 径 方 向 伝 播 の 存
確 磁 場 配 位 の 異 カ ク カ 同 様 の 結 果 得
こ 境 界 層 高 調 波 振 動 の 径 方 向 伝 播 の 普 遍 性 示 唆 い
さ LHD 開 発 解 析 手 法 発 展 さ DIII-D カ ク ー 放 射 分 光 計 測
乱 流 揺 動 境 界 層 高 調 波 振 動 の 結 合 関 研 究 行 乱 流 揺 動 強 度 境 界 層 高 調 波 振 動 発 生 時 増 大 こ 見 出 後 密 度 揺 動 の イ ダ 波 数-周 波 数 の2次
元 ペ ク 解 析 い 空 間 方 向 最 大 ン ー 法 採 用 伝 播 方 向 周 波 数
帯 域 異 二 の 乱 流 揺 動 成 分 同 時 存 こ 明 次 同 定
二 の 乱 流 揺 動 成 分 の う 境 界 層 高 調 波 振 動 帯 域 大 こ 成 分 い バ イ コ
ー ン 解 析 包 絡 線 解 析 行 い 有 意 バ イ コ ー ン 存 こ
乱 流 揺 動 成 分 の 包 絡 線 の 振 幅 位 相 磁 気 面 の 移 動 電 子 温 度 の 時 間 変 化 の 振
幅 位 相 異 こ 見 い こ の 結 果 乱 流 揺 動 境 界 層 高 調 波 振 動
の 有 限 バ イ コ ー ン MHD的 振 動 磁 気 面 の 振 動 乱 流 揺 動 MHD
振 動 の 間 の 非 線 形 結 合 生 い こ 示 い
こ の 研 究 成 果 時 空 間 ケ ー の 異 乱 流 揺 動 MHD 振 動 の 一 種 あ 境 界 層 高 調
波 振 動 の 結 合 実 験 的 初 明 の そ の 学 術 的 意 義 高 い 境 界 層 高
調 波 振 動 核 融 合 炉 壁 の 損 傷 引 起 こ 周 辺 局 モ ー 抑 制 効 果 持 い
(Separate Form 3)
将 来 の 核 融 合 炉 い 積 極 的 利 用 さ MHD振 動 考 え 従 境
界 層 高 調 波 振 動 乱 流 揺 動 結 合 の 程 度 の 輸 送 変 化 さ 評 価
こ 極 重 要 あ こ 本 論 文 知 見 核 融 合研 究 の 進 展 貢 献
の あ 本 論 文 の 容 学 位 理 学 の 授 十 分 値 断
