Ion heating/transport and its fine structure formation process through magnetic reconnection have been investigated by high guide field tokamak merging experiments in TS-3 and TS-3U. In addition to the previously reported demonstration of high-temperature plasma startup without center solenoid, the detailed fine structure formation process of reconnection heating has been revealed using new 96CH/320CH ultra-high-resolution 2D ion Doppler tomography diagnostics. By identifying the double-axis field configuration with the X-point on the midplane using in situ magnetic probe diagnostics, the detailed measurement successfully revealed that the ion temperature profile forms two types of characteristic heating structure, both around the X-point and downstream. The former is affected by the Hall effect to form a tilted heating profile, while the latter is affected by the transport process which a forms a poloidal double-ring-like structure. The achieved ion heating mostly depends on the reconnecting component of the magnetic field, and the contribution of the guide field to decrease the heating efficiency tends to be saturated in the high guide field regime. Under the influence of better toroidal confinement with higher guide field, the downstream ion heating is transported vertically, mostly by parallel heat conduction, and finally forms a poloidal ring-like hollow distribution aligned with the closed flux surface at the end of merging.
イオン加熱・輸送とその微細構造形成過程は、TS-3およびTS-3Uにおける高ガイド磁場トカマク合体実験によって研究されてきた。中心ソレノイドを用いない高温プラズマ立ち上げの実証に関する既報に加え、新たな96ch/320ch超高分解能2次元イオンドップラー断層計測を用いることで、リコネクション加熱の微細構造形成過程が明らかにされた。赤道面上にX点を有する二重軸磁場配位を、磁気プローブを用いたその場計測により同定し、詳細な計測によって、イオン温度分布がX点近傍と下流の両方に2種類の特徴的な加熱構造を形成することが明らかにされた。前者はホール効果の影響を受け、傾斜した加熱分布を形成する一方、後者は輸送過程の影響を受け、ポロイダル方向に二重リング状の構造を形成する。達成されるイオン加熱は主にリコネクション磁場成分に依存し、高ガイド磁場領域ではガイド磁場が加熱効率を低下させる寄与は飽和する傾向にある。高ガイド磁場による優れたトロイダル閉じ込めの影響下では、下流のイオン加熱は主に平行熱伝導によって垂直方向に輸送され、最終的に合体終期には閉磁気面に沿ったポロイダルリング状の凹型分布を形成する。