氏 名 HUANG Xianli (黄 贤礼)
学 位 （ 専 攻 分 野） 博 士 （ 理 学 ）
学 位 記 番 号 総 研 大 甲 第 1787号
学 位 授 与 の 日 付 平 成 ２ ７ 年 ９ 月 ２ ８ 日
学 位 授 与 の 要 件 物 理 科 学 研 究 科 核 融 合 科 学 専 攻 学 位 規 則 第 ６ 条 第 １ 項 該 当
学位論文題目 Study on spatial structure of core impurity ions using EUV spectroscopy in LHD
論文審査委員 主 査 教 授 金 子 修 教 授 森 田 繁 准 教 授 永 岡 賢 一
教 授 蓮 尾 昌 裕 京 都 大 学 大 学 院 教 授 稲 垣 滋 九 州 大 学
(Separate Form 2)
論 文 内 容 の 要 旨
Summary of thesis contents
A space-resolved extreme ultraviolet (EUV) spectrometer working in the wavelength range of 10-130Å has been developed to measure vertical profiles of line emissions of heavy impurities and bremsstrahlung continuum at horizontally elongated plasma cross section in the Large Helical Device (LHD). The spectrometer has a spectral resolution of 0.15Å at 30Å when an entrance slit with 100μm width is used. The spatial resolution in the vertical direction is sufficiently good, i.e. approximately 30mm, when a spatial-resolution slit with 1mm width is used. The spatial resolution in the toroidal direction is also good, i.e. 22mm. The value is enough to measure the radial profile of impurity line emissions with good spatial resolution avoiding the effect on a quick poloidal turn of LHD elliptical plasmas.
The spectral intensity of the present system is absolutely calibrated as a function of wavelengths based on the profile measurement of visible and EUV bremsstrahlung continua. The calibration factor is also examined along the grating groove in the spectrometer with horizontal wavelength dispersion. A constant reflectivity of EUV emissions observed along the grating groove can validate the present vertical profile measurement. These results obtained here indicate a sufficient performance of the present space-resolved EUV spectrometer system for the profile measurement.
A large amount of spike noise caused by neutral particles with high energies (≤180keV) has been observed with the EUV spectrometer in NBI discharges of LHD. These high-energy neutral particles originating in fast ions from neutral beam injection (NBI) bring a serious problem to the EUV spectroscopy, especially in low-density discharges at which the slowing down time of the fast ion is very long. A holographic grating used in the present spectrometer causes more spike noises compared to a ruled grating. It is probably due to a geometric difference in the groove structure, i.e. rectangular shape for the holographic grating and triangle shape for the ruled grating. The pulse height distribution analysis on the spike noise using signal counts of charge-coupled detector (CCD) definitely concludes that the spike noise is composed of high-energy neutral particles attributed to 180keV n-NBIs and 40keV p-NBIs.
Three filters of 0.5μm thick polyethylene terephthalate (polyester, PET), 3.3μm thick polypropylene (PP) and 11μm thick beryllium (Be) have been tested to block the spike noise. The 11μm Be and the 3.3μm PP filters entirely eliminate all the spike noise, but the signal intensity is also significantly reduced. The 0.5μm PET filter fully eliminates the low-energy neutral particles originating in the p-NBIs, while the high-energy neutral particles originating in the n-NBIs cannot be sufficiently blocked. However, a small amount of the spike noise remaining in the EUV spectrum can be erased by computer software programing. The 0.5μm PET is thus selected as the best filter in the present EUV system.
Based on the good spectral and spatial resolutions, the Fe n=3-2 Lα transition array consisting of FeXVII to FeXXIV is excellently observed with their radial profiles. The
transition array is distributed in narrow wavelength range of 10 to 18 Å, the radial profile from all the charges states of FeXVII to FeXXIX can be simultaneously measured as a function of time. Therefore, the transition array is used as a new technique for the impurity transport study. The result is mentioned later. Each transition in the Lα array can be accurately identified with its radial profile. Through the analysis a spectral line observed at 17.62Å is newly identified as FeXVIII transition.
Ne-like FeXVII n=3-2 Lα transitions (2p53d or 3p53s to ground state: 2p6 1S0) denoted with labels of 3C (3d1P1), 3D (3d3D1), 3E (3d3P1), 3F (3s3P1), 3G (3s1P1) and M2 (3s3P2) have been observed from LHD plasmas along with the radial intensity profile. The measured line-integrated radial intensity profile is reconstructed to the radial emissivity profile of FeXVII transitions by means of Abel inversion, and the emissivity ratio among the FeXVII transitions is analyzed. A collisional-radiative (CR) model specially developed for the Fe ions is applied for analyzing the data. Although the emissivity ratios of ε3D/ε(3G+M2) and ε3F/ε(3G+M2) well agree with the CR model calculation, the emissivity ratio of ε3C/ε(3G+M2) shows a clear discrepancy by 25%-40%. The result indicates that the discrepancy is not caused by the chord-integrated effect in the measured intensity. It seems that the theoretically calculated excitation cross section of 3C transition is an overestimate due to uncertainty of the atomic wave function used in the calculation. The effect of electron density on the emissivity ratio of ε3F/ε(3G+M2) is also examined. It is found that that the ratio is also sensitive to the electron density in addition to the electron temperature.
Two types of coaxial pellets, i.e. tungsten inserted into PE tube (polyethylene) and tungsten inserted into C tube (graphite carbon), have been designed and tested in LHD for the tungsten spectroscopy and transport study. Experimental results show the W-in-PE pellet can avoid plasma collapse, whereas the W-in-C pellet usually terminates the discharge. The reason is clearly explained by the analysis of pellet deposition profile based on pellet ablation spectroscopy with interference filters. Since the graphite carbon has a high sublimation energy, the tungsten pellet can be delivered into deeper radial location (ρ = 0.43). It leads to a huge energy loss by the tungsten ions in the plasma core including radiation and ionization losses. In case of the W-in-PE pellet, on the contrary, the energy loss is much smaller due to a shallower penetration (ρ = 0.7), suggesting some of evaporated tungsten ions are not well confined in the plasma. The plasma can then survive from the tungsten pellet injection. As a result, the W-in-PE pellet can excellently produce sufficient emissions from highly ionized tungsten ions in LHD.
Several tungsten spectra are measured with the W-in-PE pellet. Radial emissivity profiles are also obtained for WXXV (32.3Å), WXXVI (30.9Å) and WXXVII (29.6Å). Based on the emissivity profile measurement of tungsten ions in different ionization stages, the rate coefficient of ionization and recombination can be experimentally derived. Therefore, the present result is greatly helpful not only for the atomic modeling of tungsten spectra but also for the tungsten transport study in fusion devices with tungsten divertor.
(Separate Form 2)
The bremsstrahlung profile has been successfully observed without spike noise at low-density discharges, e.g. 2.9×1013cm-3, as well as high-density discharges, by installing the PET filter and optimizing the entrance and space-resolved slit widths. The Zeff profile has been also obtained in the plasma core (ρ < 0.75) from the measured EUV bremsstrahlung radial distribution. Recombination radiation can give a significant effect on the bremsstrahlung profile, in particular, in the edge region (ρ > 0.75), since the energy of EUV bremsstrahlung is relatively high, e.g. 100-600eV. In the plasma core (ρ < 0.75), on the other hand, the emissivity profile is basically free of the recombination radiation because the radiative recombination rate drastically decreases with increasing electron temperature Te. The time behavior of Zeff profiles analyzed in low-density NBI discharges with carbon pellet injection suggests a strong relation between Zeff and Ti. The value of Zeff decreases with increasing electron density ne in both the NBI- and ICRF-heated discharges, while it has no obvious correlation with ne in ECH discharges.
The Fe n=3-2 Lα transition array is of great advantage because the transition array consists of emissions from several charge states of Ne-like Fe16+ through Li-like Fe23+ ions. Radial profiles of all the charge states can be simultaneously measured with the EUV spectrometer developed in the present study. Therefore, the radial structure of transport coefficients, i.e. diffusion coefficient D and convection velocity V can be analyzed basically without any assumption because the iron line emissions in the transition array distribute over the whole radial location. The time behavior of the Fe transition array is examined by injecting the impurity pellet. It is found that the intensity decay time of FeXX is longer than that of FeXVII and the decay time increases with ne. It suggests the impurity confinement time is longer when ne increases. The impurity transport analysis is attempted to discharges with different density profiles. In the case of centrally peaked ne profile, the radial structure of the inward convection velocity seems to be similar to the ne profile, suggesting the importance of the density gradient. In the hollow ne profile, on the contrary, a large outward convection velocity is observed in the plasma center. The convection velocity changes from outward to inward at certain radial location in the peripheral region where the ne gradient changes the sign, i.e. from positive to negative. These results indicate that the convection velocity strongly correlates with the density gradient. It also shows a good agreement with the neoclassical theory.
博 士 論 文 の 審 査 結 果 の 要 旨
Summary of the results of the doctoral thesis screening
核 融 合 プ ラ ズ マ の 実 効 電 価 数（Zeff）は 燃 料 水 素 の 純 度 を 示 す 重 要 な プ ラ ズ マ パ ラ メ ー タ の 一 つ で あ り ， 不 純 物 量 や プ ラ ズ マ 粒 子 の 衝 突 周 波 数 を 求 め る 上 で も 大 事 な 指 標 と な っ て い る ． ま た ， 重 元 素 不 純 物 は プ ラ ズ マ 中 心 に 集 中 す る 傾 向 （ 不 純 物 蓄 積 ） が あ り ， そ の 大 き な 放 射 損 失 は プ ラ ズ マ 性 能 を 劣 化 さ せ る ．本 研 究 は 高 温 低 密 度 領 域 に お け るZeff空 間 分 布 と 重 元 素 不 純 物 輸 送 の 理 解 に 大 き な 進 展 を 与 え る 重 元 素 多 価 イ オ ン 群 の 詳 細 な 空 間 分 布 を 世 界 で 初 め て 実 験 的 に 求 め た も の で あ る ．
多 価 に 電 離 し た 重 元 素 不 純 物 イ オ ン が 放 射 す る ス ペ ク ト ル 線 は 主 に10-100 Åと い う 短 波 長 極 端 紫 外 （EUV） 領 域 に 集 中 し て お り ， 制 動 放 射 連 続 光 は 波 長 が 短 く な る ほ ど そ の 強 度 を 増 す ．出 願 者 黄贤礼 氏 はLHDに お い て ，こ の 波 長 領 域 の ス ペ ク ト ル 線 や 制 動 放 射 連 続 光 の 空 間 分 布 を 観 測 す る た め に ， 平 面 結 像 型 ホ ロ グ ラ フ ィ ッ ク 回 折 格 子 （ 入 射 角 ：88.6°， 非 等 間 隔 溝 回 折 格 子 ：2400本/mm） 及 び 背 面 照 射 型CCD検 出 器 を 採 用 し たEUV分 光 器 の 開 発 を 進 め た ． 空 間 分 解 ス リ ッ ト を 入 口 ス リ ッ ト に 近 接 し て 設 置 す る こ と に よ り ， 空 間 分 布 計 測 を 試 み た が ， プ ラ ズ マ を 維 持 し 加 熱 す る た め に 入 射 さ れ る 中 性 粒 子 ビ ー ム （NBI） に 起 因 し た 高 エ ネ ル ギ ー 中 性 粒 子 が 回 折 格 子 で 反 射 さ れ て 直 接CCD検 出 器 に 到 達 し ，大 き な ノ イ ズ 信 号 を 発 生 す る と い う 斜 入 射 分 光 器 特 有 の 問 題 に 遭 遇 し た ． こ れ を 克 服 す る た め 黄 氏 は 多 く の 薄 膜 フ ィ ル タ ー を 試 験 し ， 最 終 的 に0.5µm厚 ポ リ エ ス テ ル 薄 膜 フ ィ ル タ ー を 使 用 す る こ と に よ り ，EUV制 動 放 射 強 度 を 減 衰 さ せ る こ と な く 高 エ ネ ル ギ ー 中 性 粒 子 の 遮 断 に 成 功 し た ．同 時 に 短 波 長EUV領 域 で は 初 め て と な る 詳 細 な 空 間 分 布 計 測 を 達 成 し た ．特 に ， 高 エ ネ ル ギ ー イ オ ン の 減 衰 時 間 が 長 く な り ， 結 果 と し て ノ イ ズ 信 号 が 極 端 に 増 大 す る 低 密 度 放 電 に お い て こ の 手 法 は 非 常 に 有 効 に 機 能 し た ． 更 に 黄 氏 は 入 口 及 び 空 間 分 解 ス リ ッ ト 幅 及 び 形 状 を 最 適 化 し て よ り 明 る い 分 光 光 学 系 を 構 築 し ， プ ラ ズ マ 周 辺 部 か ら の 再 結 合 放 射 の 寄 与 を 考 慮 す る こ と に よ り ，1.5-2.0×1013cm-3の 低 密 度 放 電 で コ ア 部 （0≤ρ≤0.75） のZeff空 間 分 布 計 測 を 世 界 で 初 め て 成 功 さ せ た ．こ の 結 果 ，低 密 度 領 域 で 観 測 さ れ る イ オ ン 温 度 の 上 昇 とZeff値 の 相 関 を 解 析 す る こ と が 可 能 に な り ， イ オ ン 温 度 とZeff値 の 間 に 正 の 相 関 が あ る こ と を 見 出 し た ．
ま た ，黄 氏 は 本 分 光 器 を 用 い て 代 表 的 な 不 純 物 重 元 素 で あ る 鉄 イ オ ン の 振 舞 い を 調 べ た ． 10-20Å領 域 に 存 在 す るFeXVII-XXIV n=3-2 Lα遷 移 の 空 間 分 布 を 観 測 し ， プ ラ ズ マ 全 域 に 渡 る 鉄 イ オ ン 価 数 密 度 の 分 布 解 析 を 行 っ た ． 分 布 計 測 に 当 た っ て は レ ー ザ ー を 用 い た 観 測 視 線 の 位 置 較 正 を 慎 重 に 行 い ， 分 布 解 析 に 当 た っ て は プ ラ ズ マ 圧 力 を 考 慮 し た 磁 気 面 形 状 を 採 用 す る こ と に よ り デ ー タ 解 析 の 精 度 を 向 上 さ せ た ． こ う し て 得 ら れ た 分 布 デ ー タ を 基 に 黄 氏 は 不 純 物 の 輸 送 解 析 を 試 み た ．LHDの プ ラ ズ マ 放 電 に 於 い て はNBI加 熱 入 力 を 抑 制 し た 時 に 不 純 物 蓄 積 が 生 じ る こ と が 分 か っ て い る ． そ こ で ，NBI放 電 を 解 析 対 象 と し て 加 熱 入 力 や 電 子 密 度 依 存 性 に 着 目 し て 同 上 の 計 測 を 行 い ， 輸 送 コ ー ド を 用 い て 鉄 イ オ ン の 拡 散 係 数 と 対 流 速 度 の 評 価 を 行 っ た ． 輸 送 コ ー ド に 使 用 す る 鉄 イ オ ン の 電 離 ・ 再 結 合 係 数 と 遷 移 係 数 に は 最 新 の デ ー タ を 反 映 さ せ た ． そ の 結 果 ， 電 子 密 度 分 布 が 急 峻 な 勾 配 を 有 す る 領 域 で 不 純 物 蓄 積 を 誘 起 す る 大 き な 内 向 き 対 流 速 度 が 発 生 し ， 電 子 温 度 勾 配 に は 大 き な 相
(Separate Form 3)
関 が な い こ と を 明 ら か に し た ． こ れ ら の 輸 送 解 析 に 於 い て ， 必 要 と な る 各 価 数 の イ オ ン 密 度 分 布 が 実 験 的 に 得 ら れ た こ と に よ り ， 輸 送 係 数 評 価 の 信 頼 性 が 著 し く 向 上 し た こ と は 本 研 究 の 大 き な 成 果 で あ る ．
以 上 の よ う に ，黄 氏 は EUV波 長 領 域 の 空 間 分 布 計 測 法 を 開 発 し ，Zeffや 不 純 物 イ オ ン 密 度 の 空 間 分 布 を 初 め て 得 る こ と で ， 高 温 プ ラ ズ マ 中 の 不 純 物 イ オ ン の 振 る 舞 い を 明 ら か に し ， 不 純 物 輸 送 物 理 の 進 展 に 大 き な 貢 献 を し た ． よ っ て 本 論 文 の 内 容 は 学 位 （ 理 学 ） の 授 与 に 十 分 値 す る と 判 断 し た ．
