Development of evaluation methods for ion/electron temperature fluctuation and fluctuation-driven heat flux in plasma

等离子体中离子/电子温度波动和波动驱动热通量评估方法的开发

• 批准号: 20J12625
• 负责人: 河内 裕一
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Kyushu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J12625/
• 关键词: プラズマ乱流; 輸送; 静電プローブ計測; 非線形相互作用; イオンセンシティブプローブ; イオン温度揺動; 電子温度揺動; 条件付き抽出法

昨年度までは、信号・ノイズ比及び時間分解能を改善する揺動テンプレート法を開発し電子温度揺動の観測に成功した。本年度はこれを踏まえて、①電子温度揺動がプローブ計測に与える影響の調査、②イオン温度計測に向けたプローブ及びレーザー誘起蛍光法(LIF)の適用、③揺動テンプレート法を応用した揺動間の非線形エネルギー移送ダイナミクスを行なった。①静電プローブ計測では、イオン飽和電流から電子密度を、浮遊電位からプラズマ電位を求める。本来は電子温度の効果が入ってくるが、従来が電子温度揺動は無視できるとされていた。本研究では、実際に評価した電子温度揺動をもとにこれが密度・電位揺動計測にどのような影響を与えるか解析した。その結果、密度揺動計測への電子温度揺動の影響は無視できる一方で、電位揺動計測へは位相を反転させるほど大きい影響を与えることが明らかになった。これらの成果は、揺動駆動熱輸送を評価する上で重要な情報である。②揺動が駆動するイオン熱輸送を評価するためには、イオン温度揺動の計測が不可欠である。この課題では、イオン温度計測へ向けたメッシュ付きイオンセンシティブプローブの開発及びLIFによるイオン温度推定を行なった。イオンセンシティブプローブについては、メッシュによる空間電荷効果の除去を狙いイオン電流を制限することに成功した。一方で異常な電子電流が流れたため、正確なイオン温度計測にはさらなる改善が必要であることが明らかになった。LIFについては、解析手法にベイズ推定を取り入れた新手法を適用し、ベイズ推定によるモデル選択を考慮したイオン温度推定法を確立した。③本研究で開発した揺動テンプレート法はデータ解析手法にも適用可能である。揺動テンプレート法を時間分解能の悪い計測である非線形エネルギー移送解析に適用し、間欠的な揺動間の競合に伴う非線形エネルギー移送ダイナミクスを発見した。

直到去年，我们通过开发一种提高信噪比和时间分辨率的摆动模板方法，成功地观测了电子温度波动。基于此，今年我们将1）研究电子温度波动对探针测量的影响，2）应用探针和激光诱导荧光（LIF）进行离子温度测量，3）使用摇摆模板方法进行摇摆。之间的非线性能量传递动力学① 在静电探针测量中，电子密度由离子饱和电流确定，等离子体电位由浮动电位确定。最初，电子温度的影响发挥了作用，但传统上认为电子温度波动可以忽略不计。在本研究中，我们根据实际评估的电子温度波动分析了这将如何影响密度和电势波动测量。结果表明，虽然电子温度波动对密度波动测量的影响可以忽略不计，但随着相位反转，它对电势波动测量的影响更大。这些结果是评估摇摆驱动的热传输的重要信息。 ②离子温度波动的测量对于评估波动驱动的离子热传输至关重要。在该项目中，我们开发了一种带有网格的离子敏感探针，用于使用 LIF 测量离子温度并估计离子温度。对于离子敏感探针，我们通过消除网格引起的空间电荷效应成功地限制了离子电流。然而，由于异常的电子电流流动，显然需要进一步改进精确的离子温度测量。关于LIF，我们应用了将贝叶斯估计纳入分析方法的新方法，并建立了考虑使用贝叶斯估计的模型选择的离子温度估计方法。 ③本研究开发的摆动模板方法也可以应用于数据分析方法。我们将摇摆模板方法应用于非线性能量传递分析，这是一种时间分辨率较差的测量，并发现了与间歇摇杆之间的竞争相关的非线性能量传递动力学。

项目成果

Bayesian inference of ion velocity distribution function from laser-induced fluorescence spectra

从激光诱导荧光光谱中离子速度分布函数的贝叶斯推断

• DOI: 10.1038/s41598-021-00138-4
• 发表时间: 2021
• 影响因子: 4.6
• 作者: Tokuda S.;Kawachi Y.;Sasaki M.;Arakawa H.;Yamasaki K.;Terasaka K.;Inagaki S.
• 通讯作者: Inagaki S.

ヘリコン波プラズマにおけるイオンセンシティブプローブ計測の検討

螺旋波等离子体离子敏感探针测量研究

• 发表时间: 2020
• 作者: 河内裕一; 稲垣滋;佐々木真;小菅佑輔;山崎広太郎;山田琢磨;永島芳彦;文贊鎬;荒川弘之;糟谷直宏;藤澤彰英
• 通讯作者: 藤澤彰英

Effects of Electron Temperature Fluctuation on Turbulence Measurement by Langmuir Probe in a Magnetized Helicon Plasma

磁化螺旋等离子体中电子温度波动对朗缪尔探针湍流测量的影响

• DOI: 10.1585/pfr.16.1202081
• 发表时间: 2021
• 影响因子: 0.8
• 作者: KAWACHI Yuichi;INAGAKI Shigeru;SASAKI Makoto;KOSUGA Yusuke;YAMADA Takuma;NAGASHIMA Yoshihiko;MOON Chanho;KASUYA Naohiro;FUJISAWA Akihide
• 通讯作者: FUJISAWA Akihide

Observation of spatiotemporal structures of temperature fluctuations by using of a statistical phase detection method in a linear magnetized plasma

利用统计相位检测方法观察线性磁化等离子体中温度波动的时空结构

• DOI: 10.1088/1361-6587/ab8132
• 发表时间: 2020
• 影响因子: 2.2
• 作者: Kawachi Yuichi;Inagaki Shigeru;Kin Fumiyoshi;Yamasaki Kotaro;Kosuga Yusuke;Sasaki Makoto;Nagashima Yoshihiko;Yamada Takuma;Arakawa Hiroyuki;Kasuya Naohiro;Moon Chanho;Hasamada Kazunobu;Fujisawa Akihide
• 通讯作者: Fujisawa Akihide

Evaluation of abrupt energy transfer among turbulent plasma structures using singular value decomposition

使用奇异值分解评估湍流等离子体结构之间的突变能量传递

• DOI: 10.1088/1361-6587/abcb46
• 发表时间: 2020
• 影响因子: 2.2
• 作者: Sasaki M;Kobayashi T;Dendy R O;Kawachi Y;Arakawa H;Inagaki S
• 通讯作者: Inagaki S