氏名　河野　康則
学位の種類　博士（工学）
学位記番号　博乙第116号
学位授与の日付　平成10年3月25日
学位論文の題目　Study of CO2 Laser Interferometer for Large Tokamaks　（大型トカマクのための炭酸ガスレーザ干渉計に関する研究）
論文審査委員
　主査　教授　八井　浄
　副査　助教授　升方　勝巳
　副査　助教授　原田　信弘
　副査　講師　江　偉華
　副査　東京工業大学原子炉工学研究所　助教授　飯尾　俊二

• 論文目次
• 論文要旨

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1 Introduction　p.1
1.1 Nuclear fusion　p.1
1.2 Tokamak research　p.6
1.3 Background of this thesis　p.7
1.4 Objectives of this thesis　p.9
References　p.11

2 Basic Principle of CO2 Laser Interferometer　p.17
2.1 Introduction　p.17
2.2 Refractive index for CO2 laser interferometry　p.18
2.2.1 Alter-Appelton-Hartree dispersion relation　p.18
2.2.2 Refractive index for CO2 laser wave in the plasma　p.20
2.3 Laser interferometry　p.27
2.4 Two-color laser interferometer　p.29
2.5 Wavelength selection　p.31
2.5.1 Effective resolution of two-color laser interferometer　p.31
2.5.2 Refraction effect　p.31
2.5.3 Faraday rotation　p.33
2.5.4 Vibration limit　p.33
2.5.5 Transparency of vacuum window　p.34
2.5.6 Selection of wavelength combination　p.34
2.6 Discussions　p.37
2.7 Conclusions　p.38
References　p.39

3 CO2/IR-HeNe Laser Interferometer　p.41
3.1 Introduction　p.41
3.2 Description of CO2/IR-HeNe interferometer　p.42
3.2.1 Line of sight　p.44
3.2.2 Laser oscillators, frequency shifters, detectors　p.44
3.2.3 Relay optics　p.49
3.2.4 Common path mode matching　p.50
3.2.5 Vacuum windows　p.53
3.2.6 Signal detection and data acquisition　p.53
3.3 Operational results　p.55
3.3.1 Typical waveforms　p.55
3.3.2 Measurement of electron density behavior of high βp H-mode plasmas　p.61
3.4 Discussions　p.65
3.5 Conclusions　p.66
References　p.67

4 Dual CO2 laser interferometer　p.69
4.1 Introduction　p.69
4.2 Description of dual CO2 interferometer　p.71
4.2.1 Optical arrangement　p.71
4.2.2 Relay optics and vacuum window　p.74
4.2.3 Retardation optics　p.74
4.2.4 Signal detection and data acquisition　p.76
4.2.5 Simultaneous frequency shift of different wavelength lasers using a signal AOM　p.76
4.3 Operational results　p.80
4.3.1 Typical waveforms　p.80
4.3.2 Measurement of density behavior during fast major disruption　p.89
4.4 Comparison with ITER requirements　p.99
4.5 Discussions　p.102
4.6 Conclusions　p.104
References　p.105

5 Improvement of dual CO2 laser interferometer　p.107
5.1 Introduction　p.107
5.2 Principle and specifications of VRPC　p.108
5.3 Operational results　p.112
5.3.1 Phase resolution　p.112
5.3.2 Density resolution　p.115
5.4 Discussions　p.118
5.5 Conclusions　p.119
References　p.120

6 Concept of CO2 laser polarimeter　p.121
6.1 Introduction　p.121
6.2 Two-color polarimeter concept　p.123
6.3 Application for large tokamaks　p.125
6.4 Schematic of infrared polarimeter using photo-elastic modulators　p.127
6.5 Conclusions　p.132
References　p.134

7 Concluding Remarks　p.137
7.1 Summary of this thesis　p.137
7.2 Future prospect　p.139
References　p.142

Acknowledgments　p.143

List of Publications　p.144

　本論文は、JT-60Uなど現在の大型トカマク装置及び国際熱核融合実験炉ITERなど将来の大型トカマク装置におけるプラズマ電子密度計測に適用可能な炭酸ガスレーザ光を光源とする干渉計及び偏光計に関する研究について記述したものである。本論文では、以下に示す内容を取り扱う。
（1）磁化プラズマ中を伝搬する炭酸ガスレーザ光（波長10.6μm）の屈折率について検討を行った。電子密度;1x1020 m-3、磁場;5Tのプラズマ中を炭酸ガスレーザ光が伝搬し、レーザ光の伝搬方向と磁場の方向のなす角度が任意であるとき、Alter-Appelton-Hartreeの分散関係に代えて正常波モード伝搬に対する屈折率を使用する場合の位相評価誤差は-0.0025%程度と小さいことを示した。これによりトロイダル接線視線の干渉計における電子密度評価に正常波モード伝搬に対する屈折率を適用することが妥当であることを示した。
（2）炭酸ガスレーザ干渉計において、機械的振動変位に起因した位相変化成分（干渉計で得られる位相信号中に重畳する）を補償するための第二干渉計について検討を行った。大型トカマク装置における諸条件（位相分解能、プラズマによる屈折効果、磁化プラズマ中でのファラデー回転効果、反射鏡の振動による周波数変調、真空窓の透過率変化、取扱い安全性、など）を検討した。その結果、第二干渉計の光源としては、赤外ヘリウムネオンレーザ（波長3.39μm）、及び炭酸ガスレーザの異なる波長（9.27μm）が適していることを示した。
（3）JT-60Uトカマクにおいて、炭酸ガスレーザ干渉計と赤外ヘリウムネオンレーザ干渉計から構成されるトロイダル接線視線干渉計を開発した。主な特徴としては、トロイダル接線視線の採用、探査レーザ光と参照レーザ光の光路差が約100mの長距離干渉の実現、異なる三つの波長のレーザ光の長距離相似形伝送の実現、などである。この干渉計によりJT-60Uトカマクの高ポロイダルベータモードプラズマの中心部電子密度計測に成功し、その電子密度挙動を明らかにした。
（4）JT-60Uトカマクにおいて、発振波長が異なる2つの炭酸ガスレーザ干渉計から構成されるトロイダル接線視線干渉計（2波長炭酸ガスレーザ干渉計）を開発した。主な特徴は、二つの干渉計の光学機器相似形配置、探査レーザ光と参照レーザ光の光路長を一致させるための遅延光学系の採用、波長の異なる二つ炭酸ガスレーザ光の一つの音響光学変調素子による同時周波数変調技術の開発、などである。この干渉計により、従来は困難であったトカマク放電のディスラプション時における電子密度計測に成功した。
（5）ITERにおける電子密度計測用干渉計に要求されている仕様と2波長炭酸ガスレーザ干渉計で得られた結果を比較した。2波長炭酸ガスレーザ干渉計では密度分解能～2x1019 m-2、時間分解能10μsが達成されており、ITERでの要求仕様；密度分解能～5.4x1019 m-2、時間分解能1msを満足していることがわかった。これにより、2波長炭酸ガスレーザ干渉計がITERに適用可能であることを示した。
（6）2波長炭酸ガスレーザ干渉計の測定分解能を向上するために超高分解能位相比較器を開発した。この位相比較器は従来の位相比較器の分解能（2π/100rad）と比較して百倍以上の位相分解能（2π/12800rad）を有する。実際の2波長炭酸ガスレーザ干渉計に適用したところ、密度分解能としては従来と比較して2倍程度向上した。ノイズ成分の低減により密度分解能として10倍程度の向上が期待できることを確認した。
（7）大型トカマク装置において、レーザ光のトロイダル接線方向ファラデー回転角測定による電子密度計測を行う際に重要となる2波長偏光計の概念を考案した。これにより、プラズマによるファラデー回転成分を真空窓をレーザ光が透過する際に被るファラデー回転成分と分離して検出できることを示した。使用する二つの波長としては炭酸ガスレーザの二つの波長（波長10.6と9.27μm）が適していることを示した。安定なファラデー回転角検出のために、光弾性変調器を用いた偏光測定法の赤外領域における使用を提案した。