JP2000121456A - ダブルプローブによるイオン温度並びに流速の測定方法 - Google Patents
ダブルプローブによるイオン温度並びに流速の測定方法Info
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Abstract
のイオン温度と流速の測定に係わり、特に回転機構を備
えたダブルプローブ(平板電極)をプラズマ中に挿入し
てイオン温度並びに流速を測定するダブルプローブによ
り測定方法に関するものである。 【解決手段】 プラズマ中に挿入されたダブルプローブ
電極間に交流電圧をある一定の周波数で印加し、かつ、
このプローブ電極を回転することににより、この手段に
よって測定した電流変化特性からイオン温度と流速(マ
ッハ数)を決定するダブルプローブによるプラズマのイ
オン温度並びに流速の測定方法。このイオン温度並びに
流速を検出するダブルプローブには平板電極が使用され
る。
Description
けた強磁場中のプラズマ中のイオン温度と流速の測定に
係わり、特に回転機構を備えたダブルプローブ(平板電
極)をプラズマ中に挿入してイオン温度並びに流速を測
定するダブルプローブの測定方法に関するものである。
ズマの研究において、装置壁周辺プラズマの電子温度な
どの物理情報を取得する方法の1つの手段として、プロ
ーブ測定が行われているが、従来、プラズマの電子温度
と密度を決定することができてもイオン温度を求めるこ
とは困難であった。またプラズマ流速の尺度となるマッ
ハ数を求めるに際しても、イオン温度は電子温度に等し
い仮定のもとに決定するのが一般的であり、データの信
頼性に問題が残っていた。
ある雨宮は、自ら発明した非対称ダブルプローブによる
電子温度測定方法(特公平7ー11992)を発展さ
せ、核融合周辺プラズマの電子温度のみならず、イオン
温度をこの非対称ダブルプローブ測定により決定できる
ことに成功した。(H.Amemiya等:Rev.S
ci.lnstrum.(1994),65 ,260
7 ) 近年、核融合研究が進展していく中で周辺プラズマのイ
オン温度および正確な流れの測定は、プラズマ輸送の物
理、および核融合炉の設計の観点から重要課題の1つに
挙げられている。また、プラズマ物理のコンピュータシ
ミュレーションの研究者も、数値計算する際に実際に即
したデータを初期条件などで入力することが、シミュレ
ーションの精度を向上させることにつながるため、実験
データとしての周辺プラズマのイオン温度と流速のパラ
メータを特に切望している。
ーブ法は強磁場中のプラズマのイオン温度を求めること
を可能にした。しかしながら、計測データからプラズマ
の流速を解析的に求めようとすると、実際の円筒型プロ
ーブ電極を平板型プローブ電極に近似しなければならな
いため、プラズマの流れの状況によっては、流速を低め
に見積もる可能性が起こりうる場合があった。非対称ダ
ブルプローブ法では、平板型や円盤型プローブ電極を用
いてイオン温度を測定することが原理的にできない。そ
こで、非対称ダブルプローブ法とは別の測定手法を用い
ることにより、強磁場中のプラズマのイオン温度と流速
の測定方法を開発することが、解決しようとする課題で
ある。
服するべくなされたものであり、すなわち、プラズマ中
に挿入されたダブルプローブ電極間に交流電圧をある一
定の周波数で印加し、かつ、このプローブ電極を回転す
ることににより、この手段によって測定した電流変化特
性からイオン温度と流速(マッハ数)を決定するダブル
プローブによるプラズマのイオン温度並びに流速の測定
方法(請求項1)と、上記イオン温度並びに流速を検出
するダブルプローブについて平板電極を用いて行われる
ことを特徴とする方法(請求項2)を提供する。
どイオンの粒子は磁力線に沿って運動し、温度の高いイ
オン粒子ほどイオンのラーマー半径が大きくなる。この
性質を利用すると、磁場Bが一定条件下ではダブルプロ
ーブ平板電極を磁力線に対して、ある角度をもたせた場
合、その角度に応じてダブルプローブ平板電極にイオン
が衝突する確率は、イオン温度に応じて変化する。
極が磁場Bに対して垂直方向の場合、プローブ先端部1
に取り付けられたダブルプローブ平板電極Pすべての面
にイオンm1が衝突することができる。
平板電極が磁場B対して水平方向の場合は、電極にイオ
ンが衝突するためには、イオンのラーマー半径が大きい
ほど、すなわちイオン温度が高いほどイオン温度が低い
場合に比較して、衝突面積が大きくなる。
ローブ電極間に交流電圧をある一定の周波数で印加し、
かつ、このプローブを磁場Bに対して回転させながら、
電流変化特性を測定すると、電流変化特性にはダブルプ
ローブ平板電極にイオンが衝突する確率が反映されるこ
とになる。従って、あらかじめイオン温度に応じて、ダ
ブルプローブを回転させた場合の電極に対する磁力線の
角度αに対するイオン飽和電流量Ipsと最大イオン飽和
電流量Ipsmax(ダブルプローブ平板電極が磁力線対し
て垂直方向の場合)の角度依存性による比率の関係を一
例として図3に示すように数値的に求めておけば、測定
データと比較することにより、イオン温度を求めること
が可能となる。
法について述べる。プラズマ中に挿入されたダブルプロ
ーブ電極が磁場Bに垂直の角度に配置された場合につい
て考察すると、電極に流れ込むイオン電流は、プラズマ
に対して上流と下流では差が生じる。ここで、核融合な
どの分野の強電離プラズマ中のイオンはマクスウエル分
布にしたがって速度vで運動していると言える。強磁場
中のプラズマでは、ほとんどのイオンは磁力線方向に沿
って運動するから、磁力線に沿った一定移動速度vzに
対してプラズマの集団としての流れuをともなったイオ
ンのマクスウエル分布は、 f(vz)=(mi/2πκTi)1/2exp{−mi(vz−u)2/2κTi} (1) で与えられる。ここで、miはイオンの質量、κはボル
ツマン定数である。
1/2、a:平板(円盤)プローブ電極の半径、e:電
荷、Ne:プラズマ密度、S:ucosθ/(2κTi/
mi)とする。
と下流のイオン飽和電流比CRは、 CR=F(S)/F(−S) (3) で与えられる。マッハ数Mとイオン速度CS(=[κ
(Ti+Te)/mi]1/2)は、M=ucosθ/Csの
関係が成り立ち、さらにucosθ=21/2S/(1+
1/K)1/2の関係が成り立つ。ここでK=(Ti/
Te)とする。従って、イオン温度Tiと電子温度Teの
比Kを考慮したマッハ数Mに対するイオン飽和電流比C
Rの感度曲線が求められる(図4)。イオン飽和電流比
CRを測定して、かつイオン温度と電子温度がわかるこ
とにより、イオン温度が電子温度に等しいと近似するこ
となく、マッハ数を決定することができる。以下、実施
例を示し、添付図面を参照しながら本発明を更に詳細に
説明する。
オン温度の測定方法の実施例について述べる。図5は、
本発明の一実施例を示すダブルプローブの先端部を真上
から見た図である。このプローブは、回転機構により回
転することができ、周波数も可変である。図6はその側
面図である。Pはカーボンから成るプローブ電極であ
る。直径4mmのプローブ電極をボロンカーボナイドB
Nからなる絶縁物に埋め込んである。トロイダル磁場が
1T(テスラ)で、イオン温度が100eVである水素
イオンのラーマー半径は、1.5mm程度になる。他方、
電子のラーマー半径は、イオンのラーマー半径に対して
2桁程度小さくになるので、本実施例では電子のラーマ
ー半径の効果は無視できる。実際の測定によるイオン電
流は電線Dを通して検出する。
の一例として図7に、放電プラズマ中(約1秒)に挿入
されたダブルプローブ電極間に交流電圧100Vを40
0Hzの周波数で印加し、かつ、このプローブを4Hz
で回転することにより、検出した飽和電流Ipの時間変
化特性を示す。
垂直な場合、イオンのラーマ一半径にほとんど依存せず
に電極表面すべてに渡って、イオンが流れ込むので、電
流量が一番大きくなる。従って図7のイオン電流Ipの
時間変化特性で包絡線の山の部分を示す。他方、図2に
示したように、平板電極が磁場Bに平行な場合、イオン
温度が低いほど、電極への衝突面積が小さくなるので、
トータルのイオン飽和電流量は、磁場Bに垂直な場合に
比較して最も減少することになり、図7の飽和電流Ip
の時間変化特性で包絡線の谷の部分を示す。この包絡線
プロファイルの結果と図4と照らしあわせることによ
り、イオン温度を求めることが可能となる。
流速(マッハ数)の測定方法の実施例について述べる。
図7において平板ダブルプローブ電極が磁力線に垂直の
角度に配置された場合(包絡線の山の部分)、もし、プ
ラズマに集団的な流れが存在すると、電極に流れ込むイ
オン電流はプラズマに対して上流と下流では差が生じ
る。ここでイオン飽和飽和電流IPSは(2)式で表され
る。この時点でのダブルプローブのイオン飽和電流比を
求め、図4に示した、マッハ数とイオン飽和電流比CR
の感度曲線からマッハ数を求めることができる。
めることができることにより、従来のようにイオン温度
が電子温度と等しい仮定を用いずに正確なマッハ数を決
定できる。尚、これらの実施例ではプローブ電極を円盤
型としたが、平板形状の電極であれば、目的を達成でき
ることに変わりはない。
方向の場合において電極とイオンの運動の関係を表した
図である。
方向の場合において、電極とイオンの運動の関係を表し
た図である。
する磁力線の角度αに対するイオン飽和電流Ipsと最大
イオン飽和電流Ipsmax(ダブルプローブ平板電極が磁
力線対して垂直方向の場合)の角度依存性による比率の
関係図を表した図である。
図を表した図である。
端部を真上から見た図である。
端部の側面図である。
時間変化特性図を表した図である。
ンカーボナイドからなるプローブ先端部、mi:イオ
ン、D:電線、B:磁場、M:マッハ数、CR:イオン
飽和電流比、α:角度、Ips:イオン飽和電流量、L
psmax:最大イオン飽和電流量、Ip:飽和電流
Claims (2)
- 【請求項1】 プラズマ中に挿入されたダブルプローブ
電極間に交流電圧をある一定の周波数で印加し、かつ、
このプローブ電極を回転させることににより、当該手段
によって測定した電流変化特性の包絡線からイオン温度
を決定し、その電流変化特性の包絡線の非対称性から流
速(マッハ数)を決定するダブルプローブによるプラズ
マのイオン温度並びに流速の測定方法。 - 【請求項2】 上記イオン温度並びに流速を検出するダ
ブルプローブについて平板又は円盤型の電極を用いて行
われることを特徴とする請求項1に記載のイオン温度並
びに流速の測定方法。
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JP28768398A JP3717678B2 (ja) | 1998-10-09 | 1998-10-09 | ダブルプローブによるイオン温度並びに流速の測定方法 |
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JP3717678B2 JP3717678B2 (ja) | 2005-11-16 |
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JP28768398A Expired - Fee Related JP3717678B2 (ja) | 1998-10-09 | 1998-10-09 | ダブルプローブによるイオン温度並びに流速の測定方法 |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR100465087B1 (ko) * | 2002-07-16 | 2005-01-06 | 학교법인 한양학원 | 다용도 주사전기 탐침시스템 및 이를 이용한 탐침방법 |
KR101027192B1 (ko) | 2008-10-31 | 2011-04-06 | 한국원자력연구원 | 수냉식 정전 프로브 어셈블리 및 그 제조방법 |
CN112131674A (zh) * | 2020-09-30 | 2020-12-25 | 中国科学技术大学 | 一种用于高速流场下双平装探针数据处理及修正方法 |
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1998
- 1998-10-09 JP JP28768398A patent/JP3717678B2/ja not_active Expired - Fee Related
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CN112131674A (zh) * | 2020-09-30 | 2020-12-25 | 中国科学技术大学 | 一种用于高速流场下双平装探针数据处理及修正方法 |
CN112131674B (zh) * | 2020-09-30 | 2024-03-29 | 中国科学技术大学 | 一种用于高速流场下双平装探针数据处理及修正方法 |
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