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プラズマの分光診断の基礎と応用核融合プラズマから大気圧プラズマまで
京都大学 大学院工学研究科 蓮尾昌裕
共同研究者: 京都大学 水尻圭祐、東裕道、高家幸弘、四竈泰一、藤井恵介
原子力機構 岩前敦広島大学 難波愼一核融合研 後藤基志、森田繁
Outline
プラズマの分光診断とは:ヘリウム発光線を例に
発光線強度比と衝突輻射モデル:低分散分光
発光線形状解析:高分散分光
核融合プラズマの分光診断
大気圧マイクロホローカソードプラズマの分光診断
Outline
プラズマの分光診断とは:ヘリウム発光線を例に
発光線強度比と衝突輻射モデル:低分散分光
発光線形状解析:高分散分光
核融合プラズマの分光診断
大気圧マイクロホローカソードプラズマの分光診断
放電の色とスペクトル
発光スペクトル
発光スペクトルは原子の指紋
同一ガス(He)放電の色とスペクトル
講座 ブラズマ分光入門: 後藤、村上、藤本J. Plasma Fusion Res., 72 (2003) 1287
プラズマ分光診断:衝突輻射モデル
原子のエネルギー準位間の遷移に関わる各種の素過程を考慮し、
各準位のポピュレーションを計算するモデル
プラズマ分光診断:衝突輻射モデル
定常状態では、励起準位 p のポピュレーションは、イオン密度 ni と基底原子密度n(0) を用いて以下のように表現できる
0 e i 1 e( ) ( ) ( ) (0)n p = R p n n + R p n n
電離進行プラズマではこちらが支配的
発光線強度は
原子のエネルギー準位間の遷移に関わる各種の素過程を考慮し、
各準位のポピュレーションを計算するモデル
1 e( ) ( ) (0)pqhI = A p,q R p n n
4ν
π電子温度・電子密度の関数
スペクトル強度比解析
各発光線の強度比と衝突輻射モデルを比較することで、発光位置における電子温度・密度を求める
様々な電子温度・密度について、発光線の上準位の原子数密度を衝突輻射モデルによって計算し、比をとる。(右図)
)()(
)()(
qnpn
qIpI
∝
発光強度比と、衝突輻射モデルにより計算された発光線強度比が一致する電子密度・温度を求める
衝突輻射モデルにより計算された発光線強度比
発光強度比は密度比に比例するため
Outline
プラズマの分光診断とは:ヘリウム発光線を例に
発光線強度比と衝突輻射モデル:低分散分光
発光線形状解析:高分散分光
核融合プラズマの分光診断
大気圧マイクロホローカソードプラズマの分光診断
発光スペクトルによるヘリウムの観測
スペクトル形状の計測
例えば、磁場閉じ込め核融合プラズマ
スペクトルの分裂の大きさ
→ 発光位置の磁場の大きさ(Zeeman効果)
スペクトルの幅(ドップラー幅) → 温度
中心波長のシフト(ドップラーシフト) → 流速
例えば、大気圧プラズマ
スペクトルの幅(ドップラー幅) → 温度
スペクトルの幅(ローレンツ幅)
→ 原子や電子の衝突頻度→原子・電子密度
など
狭波長域 - 高分解計測
ヘリウム原子の発光スペクトル(可視域)
Outline
プラズマの分光診断とは:ヘリウム発光線を例に
発光線強度比と衝突輻射モデル:低分散分光
発光線形状解析:高分散分光
核融合プラズマの分光診断
大気圧マイクロホローカソードプラズマの分光診断
プラズマ分光計測
両方の情報が同時にほしい
複数発光強度比
衝突ふく射モデル+
電子温度・密度
広波長域 - 低分解計測
スペクトル形状
外場・速度分布・衝突頻度
狭波長域 - 高分解計測
ヘリウム発光スペクトル観測用複数波長域 高分解 分光器の開発
分光計測
focusing mirror
collimating mirrorfocus plane
diffraction grating
entlance slit
Czerny-Turner型分光器の概略図
回折格子の刻線密度 分光器の焦点距離
低分散(低分解能): 小(300 本/mmなど) 小(25 cmなど)
高分散(高分解能): 大(2400 本/mmなど) 大(1 mなど)
He用複数波長域高分解分光器
波長分解能 ~ 0.02 nm
grating
CCD
slit
M1
M2
CCDgrating
slit
M587
M667
M706
MC
M667
Top view
Side view
ヘリウム原子の発光スペクトル(可視域)
Outline
プラズマの分光診断とは:ヘリウム発光線を例に
発光線強度比と衝突輻射モデル:低分散分光
発光線形状解析:高分散分光
核融合プラズマの分光診断
大気圧マイクロホローカソードプラズマの分光診断
LHD(核融合科学研究所)
プラズマ真空容器 ポロイダルコイル
ヘリカルコイルプラズマ
・通常5秒程度の水素放電,3分間隔で1日150回
世界最大のヘリカル型磁場閉じ込め装置
核融合科学研究所(岐阜県土岐市)LHD( Large Helical Device )
核融合プラズマでのHeの挙動解明
ポロイダル断面
ヘリウムは核燃焼の灰原子であり、将来的にはその効率的な排気が求められる
・周辺領域のヘリウム原子の挙動(流速、温度等)
・周辺領域の電子密度・温度
分光計測によってこれらの情報を得る
-0 .4-0 .2
00.20 .40 .6
2 .5 3 .0 3 .5m ajor rad ius [m ]
heigh
t [m]
4 .0 4 .5 5 .0
真空容器プラズマ対向壁
コアプラズマ
周辺プラズマ
最外殻磁気面
He
He
He2+
He2+
計測システム
LHD top view
6°4.15m
Glan-Thom pson type PSO or Glan-Taylor type PSO
o-ray
rotatab le
e-ray
LHD 本体室
実験機器室
spectrometerCCD
-0.4-0.2
00.20.40.6
2.5 3.0 3.5major radius [m]
heig
ht [m
]
4.0 4.5 5.0
LOS1(0.417m)LOS2(0.182m)LOS3(0.026m)LOS4(-0.156m)LOS5(-0.339m)
ファイバー5視線×2偏光 =10 本
磁場(Zeeman)効果と偏光分離計測
偏光分離光学系B
ml = 0
πσ σ
ml =-1ml = 0
ml = 1
E
λ Wavelength
I
π
σ σ
Optical fiber
o-ray
e-ray
計測データ
1200800400count
1000
800
600
400
200
0
vert
ical
pixe
l
10008006004002000horizontal pixel
587.6nm 667.8nm 706.5nm
LOS2
LOS1
LOS3
LOS5
LOS4
o-raye-ray
o-raye-ray
CCD結像図
CCD露光時間 0.281秒(サイクルタイム0.3秒)放電開始から 4.500 - 4.781 秒 のデータスリット幅 35 μmLHD中心磁場強度 2.75 T
horizontal pixel →波長波長校正 Th-Arランプ
count → 強度
感度校正 積分球
スペクトル形状解析
スペクトル形状の計測
スペクトルの分裂の大きさ
→ 磁場の大きさ(Zeeman効果)
+磁場情報 → 発光位置
スペクトルの面積 → 発光強度 → 原子数
スペクトルの幅(ドップラー幅) → 温度
中心波長のシフト(ドップラーシフト) → 流速
・視線上での2点発光(内側と外側)
・各発光点で異なる温度、流速、発光強度を持つ
・スペクトル形状はガウス関数
形状解析結果(同一発光位置)
LOS3
e-ray
o-ray
原子温度 (eV)inner outer
LOS1 0.47 0.56 LOS2 0.45 0.40 LOS3 0.18 0.28 LOS4 0.28 0.53 LOS5 0.23 0.86
587.6 nm 667.8 nm 706.5 nm
スペクトル強度比解析
各発光線の強度比と衝突輻射モデルを比較することで、発光位置における電子温度・密度を求める
様々な電子温度・密度について、発光線の上準位の原子数密度を衝突輻射モデルによって計算し、比をとる。(右図)
)()(
)()(
qnpn
qIpI
∝
発光強度比と、衝突輻射モデルにより計算された発光線強度比が一致する電子密度・温度を求める
衝突輻射モデルにより計算された発光線強度比
発光強度比は密度比に比例するため
強度比解析結果
10 1 1
10 1 2
10 1 3
10 14
n e [c
m-3]
4 .54 .03 .53 .02 .5m ajor radius [m ]
10
100
1000
T e [e
V]
T hom son_4.50-4 .781sexp_da ta_4.50-4 .781s
レーザーをプラズマに入射し電子密度・温度を計測する手法異なるポロイダル断面(ほぼ同じ磁場配位)の高さ0mの位置で行われる
LOS3とトムソン散乱計測の比較
トムソン散乱計測
各発光位置における電子温度・密度
-0.4-0.2
00.20.40.6
2.5 3.0 3.5major radius [m]
heig
ht [m
]
4.0 4.5 5.0
300200100
Te (eV)
1×1012
ne (cm-3)
形状解析結果
LOS3
e-ray
o-ray
LOS3
e-ray
o-ray
同一位置発光
独立位置発光
587.6 nm 667.8 nm 706.5 nm
各発光線の発光位置
3発光線の発光位置をそれぞれプロット
周辺 中心
706.5 nm 587.6 nm 667.8 nm
中性ヘリウム一次元輸送モデル
He原子
周辺 中心
706.5 nm 587.6 nm 667.8 nm
コアプラズマに速度vで侵入する中性He原子
電子温度・密度分布
各位置での
•中性ヘリウム原子数
•励起状態ヘリウム原子数
衝突輻射モデル計算
核融合プラズマでのHeの挙動解明
ヘリウムは核燃焼の灰原子であり、将来的にはその効率的な排気が求められる
・周辺領域のヘリウム原子の挙動(流速、温度等)
・周辺領域の電子密度・温度
分光計測によってこれらの情報を得る
-0 .4-0 .2
00 .20 .40 .6
2.5 3 .0 3 .5m ajo r rad ius [m ]
heigh
t [m]
4 .0 4 .5 5 .0
真空容器プラズマ対向壁
コアプラズマ
周辺プラズマ
最外殻磁気面
He
He
He2+
He2+
Outline
プラズマの分光診断とは:ヘリウム発光線を例に
発光線強度比と衝突輻射モデル:低分散分光
発光線形状解析:高分散分光
核融合プラズマの分光診断
大気圧マイクロホローカソードプラズマの分光診断
マイクロホローカソードプラズマ発生装置
観測視線
電流導入端子
ピラニー管
直流電源
陽極(真鍮)
陰極(真鍮)
絶縁部(マセライト)
φ=1 mm
d = 1mm
マイクロホローカソード放電
放電チャンバー
Heガス導入
排気
大気圧でも安定したプラズマを生成できる
計測圧力
0.03~1 atm
放電電流3 mA
真空4×10-6atm
広大院工 難波先生
ガス圧 10-4~1 atmのプラズマ
プラズマ分光診断
ne, Te, Tg の推定
スペクトル形状計測
通常の(電子)衝突輻射モデルの適用範囲外
複数波長域同時高分解分光計測
He atomic lines33D – 23P (587.6 nm)31D – 21P (667.8 nm)33S – 23P (706.5 nm)
計測圧力
0.03~1 atm
同時計測:時間変動するプラズマにも対応可能
ヘリウム用複数波長域高分解分光器
grating
CCD
slit
M1
M2
CCDgrating
slit
M587
M667
M706
MC
M667
Top view
Side viewspectrometer
discharge chamber
115 mm
780 mm
倍率:約6.7倍
2400 /mm
f = 500 mm
計測スペクトル
ガス圧の増加に伴い、スペクトルが広がる
スペクトルの形状と幅
ローレンツ形状(関数):
自然発光や原子間衝突等により決まる形状。
自然幅(ローレンツ幅)を持つ。
ガウス形状(関数):
粒子の熱運動(マックスウェル速度分布)
により決まる形状。
ガウス幅(ドップラー幅)を持つ。
フォークト関数:ローレンツ関数とガウス関数を重畳したもの
観測スペクトルをフォークト関数でフィットすることより、
ローレンツ幅とドップラー幅が評価できる
この非対称フォークト関数から 放電管温度成分を除いたものを装置関数として定義した。
装置関数の評価
Heグロー放電管のスペクトル
対称なフォークト関数によるフィッティングではスペクトルを再現できない。
非対称なフォークト関数
異なるパラメータを持つ2個のフォークト関数を合成したもの
K400g =T と仮定
1 mm
スペクトル幅のガス圧依存性
低圧Lorentz幅 装置幅<
Lorentz幅の精度
高圧
Lorentz幅 装置幅>Lorentz幅の精度 良い
低圧
Gauss幅
Gauss幅の精度
悪い
高圧
Lorentz幅<<Gauss幅の精度
Gauss幅
< 装置幅
?
?
Doppler 幅WDoppler
41016.7 g07
Doppler TW λ−×=
Tg
圧力幅WPressure
Stark 幅WStark
Tg
ne,Te
計測幅
gPressurePressure kTPCW ×=
eeStarkStark )( nTCW ×=装置幅を差し引く
プラズパラメータの導出方法
Lorentz 幅
Gauss 幅
Stark Stark e eW C (T ) n= ×
Griemの値をフィッティング
CStarkをTeの関数として求めた
Stark広がり係数
圧力広がり係数
Pressure Pressure gW C P / kT= ×
[1]J. Rohe-hansen, K. Jeb and V. Helbig, J.Phys.B:At.Mol.Opt.Phys., 20, 4993 (1987).
[2]Ph. Cahuzac and R. Damaschini Opt.Commun., 20, 111, (1977 ).
[3]A. Atiola, B. C. Gibson-Wilde, A. C. Lindsay,J. L. Nicol and I. B. Whittingham,
J.Phys.B:At.Mol.Opt.Phys., 21, 249 (1988).[4]J. F. Su and J. L. Nicol,
J.Phys.B:At.Mol.Opt.Phys., 23, 2215 (1990).
Doppler 幅WDoppler
41016.7 g07
Doppler TW λ−×=
Tg
圧力幅WPressure
Stark 幅WStark
Tg
ne,Te
計測幅
gPressurePressure kTPCW ×=
eeStarkStark )( nTCW ×=装置幅を差し引く
プラズパラメータの導出方法
Lorentz 幅
Gauss 幅
ne, Te, Tgのガス圧依存性
Stark 幅のTe依存性が小さい
Tg は0.14~0.4 atmでの信頼性は低い
Stark幅と圧力幅との大小関係
ne はほぼ一様に増大している
Te も増加傾向だが、正確な推定は困難
スペクトル幅のガス圧依存性
低圧Lorentz幅 装置幅<
Lorentz幅の精度
高圧
Lorentz幅 装置幅>Lorentz幅の精度 良い
低圧
Gauss幅
Gauss幅の精度
悪い
高圧
Lorentz幅<<Gauss幅の精度
Gauss幅
< 装置幅
?
?
装置分解能の向上:レーザによる吸収スペクトル計測
直流電源
半導体レーザ光
(電流変調波長掃引)
光検出器
レーザで計測したスペクトル
分光器で計測したスペクトル
分光器計測 レーザ計測
装置分解能の向上:レーザによる吸収スペクトル計測
ガス圧0.03~1 atmの範囲において既存の衝突輻射モデルを適用できない
スペクトル形状解析から推定したne, Te, Tg
0 e i 1 e( ) ( ) ( ) (0)n p R p n n R p n n= +
(ni = neとした)R0,R1;換算レート係数
CRモデル
発光強度比計算値 実験値
(電子)衝突輻射モデルとの比較
原子衝突の寄与の考慮
レーザ誘起蛍光分光:励起移行の観測
501.
6 nm
667.
8nm
原子衝突による励起移行の観測
600 ps のパルスレーザ光(501.6 nm)によるレーザ誘起緩和蛍光(667.8 nm)観測
501.
6 nm
667.
8nm
原子衝突の寄与の定量的評価
↓
衝突輻射モデルにどう取り入れるかは課題
Outline
プラズマの分光診断とは:ヘリウム発光線を例に
発光線強度比と衝突輻射モデル:低分散分光
発光線形状解析:高分散分光
核融合プラズマの分光診断
大気圧マイクロホローカソードプラズマの分光診断