A degradation of heating efficiency was observed during high-harmonic fast wave (IIHFW) heating of spherical tokamak plasmas when parametric decay instability (PDI) occurred . Suppression of PDI is necessary to make HHFW a reliable heating and current drive tool in high 1 plasmas. In order to understand PDI, measurements were made using a radially movable electrostatic probe (ion saturation current and floating potential) , arrays of RF magnetic probes distributed both toroidally and poloidally , microwave reflectometry, and fast optical diagnostics in TST-2. The frequency spectrum usually has peaks at A - nJ and nfi . PDI becomes stronger at lower densities, and much weaker when the plasma is far away from the antenna. The lower sideband power was found to increase approximately quadratically with the local pump wave power. The lower sideband power relative to the local pump wave power was larger for reflectometer data compared to either electrostatic or magnetic probes. The radial decay of the pump wave amplitude in the SOL was much faster for the ion saturation current than for the floating potential . These results are consistent with the HHFW pump wave decaying into the HHFW or ion Bernstein wave (IBW) sideband at fo - fci and the low-frequency ion-cyclotron quasi-mode (ICQM) at ni i. Two additional peaks were discovered between the fundamental lower sideband and the pump wave in hydrogen plasmas. The frequency differences of these peaks from the pump wave increase with the magnetic field. These decay modes may involve molecular ions or partially ionized impurity ions. When PDI is occurred, Soft-Xray signal gets lower than that in no PDI and ion temperature rise. HHFW heating loss is considered to be occurred by PDI .

On the UTST HHFW experiments, UTST is skewered with glass tube and pickup probes are installed inside tube. Direct measurement of derivation of RF magnetic field is possible by this signal being connected with fast digitizing ADC or RF detector. By this methods , direct measurements of launched HHFW was tried. It was successful to measure the HHFW magnetic field.

本論文は9章からなる。第1章は序論であり、核融合、プラズマ、球状トカマク(ST)、高次高調速波(HHFW)の基礎、および本研究の目的が記述されている。第2章にはプラズマ中の波動物理の基礎が解説されており、第3章には波動の伝播および吸収の計算例が示されている。第4章にはHHFWの特性が解説されており、先行研究がレビューされている。第5章ではTST2およびUTSTの実験で使われた高周波発振器システムが、第6章では本研究で用いられた計測機器が解説されている。第7章ではTST-2における実験結果と考察が、第8章ではUTSTにおける実験結果と考察が述べられている。第9章には本研究の結論が述べられている。

STプラズマの加熱手法の一つとしてHHFWが有効であると考えられている。HHFWの主な減衰機構は電子によるランダウ減衰、走行時間減衰である。且且FW入射時にパラメトリック崩壊不安定性(PDI)が観測されている。本研究の目的はPDIの特性と電子加熱への影響を調べること、およびプラズマ中の高周波波動の直接計測である。

TST2ではPDIの特性を調べるために真空容器内に磁気プローブアレイを設置し、プラズマのパラメータを変えてスペクトルがどう変わるかを調べた。その結果PDIはイオンサイクロトロン擬似モード(quasi-mode)への崩壊であり、アンテナ前面の密度が高いときに強く励起されることが分かった。またPDIの加熱への影響としては、分光計測で得られたイオン温度は増加し、電子加熱を反映する100eV以上の軟X線の放射強度は減少することが分かった。また高磁場側に設置されているRF磁気プローブでも、低磁場側で観測される低域サイドバンドと同じ周波数にピークをもつスペクトルが観測された。低域サイドバンドの周波数から推定されるPDI発生位置は低磁場側のプラズマ周辺部であるが、これが高磁場側でも観測されたということは、低域サイドバンド波が高磁場側の周辺部まで伝播していることを示唆している。先行研究では低域サイドバンド波はイオンバーンスタイン波(IBW)であると考えられたが、プラズマ中に高次のサイクロトロン共鳴層が多数あるためIBWは高磁場側まで伝播できない。従って高磁場側まで伝播しているのはHHFWであると推論される。観測されたイオン加熱はIBWによるものだとすると、低域サイドバンドはHHFIWとIBWの両方のコンポーネントを持っているという可能性がある。これは高磁場側での波動観測ができたため初めて推論された重要な結論である。またPDIを防ぐためにはアンテナ前面の密度を下げることが有効であると考えられる

UTSTでの実験の主な結果はプラズマ中の高周波波動の直接計測に成功したことである。UTSTには磁気面を計測するための磁気プローブが真空容器内に多数設置されており、これを1GHzサンプリングのオシロスコープに接続し、高周波波動磁場分布の直接計測を行った。HHFWの伝播および吸収は波数に依存するので、アンテナで励起する波数スペクトルを変えたときの分布の変化を調べた。トロイダルモード数n=0,n=8のHHFWの光線追跡法および全波コードを用いた計算により、n=0方がよりプラズマによる吸収が弱いことが少ないことが示された。2本のアンテナのうち1本のみを励起した場合n=0の成分が励起されるが、2本を逆位相で励起した場合n=8の成分が支配的となり、n=0の成分は励起されない。測定された高周波磁場強度は1本励起の場合の方が強く、周辺部でも大きな振幅が観測された。この結果はHHFWの伝播がより低密度の領域から可能であること、および吸収が弱いことにより説明される。測定された波動信号の周波数スペクトルにはPDIを示す低域サイドバンド波は入射電力70kWでも観測されなかった。一方TST2では30kW以上で低域サイドバンド波が検出されていた。UTSTではプラズマ温度・密度の直接計測がまだ行われていないので、この相違の原因は明らかになっていない。

本論文は論文提出者が主体となって実験および解析を行ったものであり、論文提出者の寄与が十分であると判断する。

したがって、博士(科学)の学位を授与できると認める。