The precise measurement of plasma current is fundamental for the safe operation and advanced control of tokamak devices. Fiber-optic current sensors (FOCS) based on the Faraday effect offer inherent advantages such as galvanic isolation, immunity to electromagnetic interference, and DC measurement capability. However, their application to high-precision, large-dynamic-range plasma diagnostics faces two major challenges: nonlinear errors from optical imperfections and the need for engineering reliability in harsh fusion environments. First, this paper proposes a novel deterministic error compensation method. By establishing an analytical model that directly links the nonlinearity to the physical parameters of the quarter-wave plate, the periodic error is precisely compensated over the full measurement range. On this basis, a piecewise linear empirical model is further developed to correct the residual error from linear birefringence. Laboratory tests demonstrate that this comprehensive compensation strategy achieves an accuracy better than 0.1% in the range of MA. Second, to address the harsh fusion environment, a high-temperature-resistant encapsulation with active cooling is designed, which limits the temperature rise to below C under C baking conditions. This enables the functional validation of the sensor on a tokamak. The sensor was integrated into the EXL-50U spherical tokamak for plasma current diagnostics. During actual plasma discharges (up to 140 kA), the FOCS output showed good agreement with conventional Rogowski coils (deviation 1 kA, relative error 1%), confirming its dynamic response and measurement consistency in a real tokamak environment. The proposed sensor provides a robust and accurate solution for plasma current measurement in future long-pulse and steady-state fusion devices such as ITER and CFETR.
プラズマ電流の精密測定は、トカマク装置の安全運転と高度な制御にとって基本である。ファラデー効果に基づく光ファイバ電流センサ(FOCS)は、ガルバニック絶縁、電磁干渉に対する耐性、直流測定能力などの本質的な利点を提供する。しかしながら、高精度・大ダイナミックレンジのプラズマ診断への応用には、光学的不完全性に起因する非線形誤差と、過酷な核融合環境における工学的信頼性の必要性という2つの主要な課題がある。まず、本論文は新規の決定的誤差補償法を提案する。非線形性を1/4波長板の物理パラメータに直接関連付ける解析モデルを確立することにより、周期誤差は全測定範囲にわたって精密に補償される。これに基づき、線形複屈折による残留誤差を補正するために、区分的線形経験モデルがさらに開発される。実験室試験により、この包括的補償戦略は、MAの範囲で0.1%より良い精度を達成することが実証された。第二に、過酷な核融合環境に対処するため、アクティブ冷却を備えた耐高温封止が設計され、Cベーキング条件下での温度上昇をC未満に制限する。これにより、トカマク上でのセンサの機能検証が可能になる。センサは、プラズマ電流診断のためにEXL-50U球状トカマクに統合された。実際のプラズマ放電（最大140 kA）中、FOCS出力は従来のロゴスキーコイルと良好な一致を示し（偏差1 kA、相対誤差1%）、実トカマク環境におけるその動的応答と測定一貫性を確認した。提案されたセンサは、ITERやCFETRなどの将来の長パルス・定常状態核融合装置におけるプラズマ電流測定のための、堅牢で正確なソリューションを提供する。