大型ヘリカル装置(LHD)トムソン散乱計測用レーザビームの制御と監視装置の開発

Abstract

A monitor system for Thomson scattering diagnostics that is used to measure the plasma electron temperatures in LHD (Large Helical Device) has been at work since last October. The Thomson scattering diagnosis is to measure electron temperature by analyzing the spectrum spreads, electron density by analyzing the intensities of scattered laser beams from plasma irradiated by YAG (Yttrium Aluminum Garnet) laser pulse. Scattered laser beams from plasma are concentrated into optical fibers by a large convex converging mirror installed at the outside of LHD, and sent to a spectroscope. Then, they are transformed into electric signal by APD (Avalanche Photo Diode). Further, they are converted into digital signals by ADC (Alternating Direct Converter) in FASTBUS, and are finally processed to provide electron temperatures and densities by computers. For achieving higher accuracy, the control of the laser beams position is an important problem. In order to achieve the higher temporal resolutions, 50 Hz YAG laser beams are used. However, when the optical axis of those beams is matched with their optical paths, there is a possibility that the half mirrors would break because of the intensities of these beams. To avoid such a breaking, the beams from each laser are set minutely deviated from each other so as not to go the same path. All beams are gathered at the final polarization point. The scattered beams in the plasma are gathered by collecting mirrors, and introduced into a spectroscope through optical fibers placed in one dimensionally. Both of a method using PSD (Position Sensitive Detector) and another one using CCD-TV camera were developed to detect the positions of laser beams. In order to calibrate the positions of laser beams, they are controlled by polarization mirrors driven by super-sonic motor, using He-Ne laser as a reference that has the same optical path with YAG. For this purpose commercial super-sonic motors were improved by adding servomechanisms. The fluctuations of beam positions caused by heat distortions of YAG rod were also not negligible, and influence due to the thermal distortions were suppressed by locating mirrors at the outlet of each laser. In this system, the YAG laser can be emitted in three different ways corresponding to the purposes. Because simultaneous emissions of the lasers give the thermal load on the LHD window, a sensor that monitors the breakage of the LHD window in advance became necessary. The attempts to detect the precursor of breakage in the window are studied.

大型ヘリカル装置(LHD)でプラズマ電子温度を計測するためのトムソン散乱測定装置が昨年10月より稼働している。トムソン散乱測定は、パルスYAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)レーザをプラズマに入射し、散乱されたスペクトルの拡がりから電子温度を、また散乱強度から電子密度を測定するものである。散乱光は、LHDの外に取りつけられた大型凸面集光ミラーで、光ファイバに集められ、分光器まで伝送された後、APD(電子雪崩光ダイオード)で電気信号に変換される。そしてFASTBUS(高速バス)のADC(交直変換器)でデジタル信号化され、コンピュータ処理により電子温度と密度に変換される。測定精度を上げるためにレーザビームの位置制御は重要な課題である。高い時間分解能を達成するために、50HzのYAGレーザを使用する。しかし、ビームが強いため、同一の光路に光軸を合わせると、ハーフミラーが破損することが予想される。これを避けるために、各レーザからのビームは僅かに位置をずらせてセットされ、最終偏光点で全てのビームが同一位置を通るように集められる。プラズマ中で散乱された光は、集光ミラーによって1次元に並べられた光ファイバに集められ、分光器へと運ばれる。レーザビームの位置検出にPSD(位置検知型検出器)を用いる方法と、CCD-TVカメラを使う方法とを開発した。ビーム位置の変動を補正するために、YAGと同一の光路を通るHe-Neレーザを参照光として、ビームを超音波モータ駆動のミラーによって制御する。そのため市販の超音波モータを改良し、サーボ特性を持たせた。また、レーザのYAGロッドの熱歪みによるビーム位置の変動が大きいため、各レーザの出射口にミラーを設置し熱歪みによる影響を抑えた。当システムでは、目的に応じて3通りの方法でレーザを発射できる。レーザの同時入射はLHDの窓の熱負担を大きくすることになり、窓の破損を予め検出するための監視装置が必要となった。窓の破損の前兆を画像処理によって検出する試みを行っている。