Fast ions in fusion plasmas often leave characteristic signatures in the neutron emission from the plasma. In this paper, we show how neutron measurements can be used to study fast ions and give examples of physics results obtained on present day tokamaks. The focus is on measurements with dedicated neutron spectrometers and with compact neutron detectors used in each channel of neutron profile monitors. A measured neutron spectrum can be analyzed in several different ways, depending on the physics scenario under consideration. Gross features of a fast ion energy distribution can be studied by applying suitably chosen thresholds to the measured spectrum, thus probing ions with different energies. With this technique it is possible to study the interaction between fast ions and MHD activity, such as toroidal Alfvén eigenmodes (TAEs) and sawtooth instabilities. Quantitative comparisons with modeling can be performed by a direct computation of the neutron emission expected from a given fast ion distribution. Within this framework it is also possible to determine physics parameters, such as the supra-thermal fraction of the neutron emission, by fitting model parameters to the data. A detailed, model-independent estimate of the fast ion distribution can be obtained by analyzing the data in terms of velocity space weight functions. Using this method, fast ion distributions can be resolved in both energy and pitch by combining neutron and gamma-ray measurements obtained along several different sightlines. Fast ion measurements of the type described in this paper will also be possible at ITER, provided that the spectrometers have the dynamic range required to resolve the fast ion spectral features in the presence of the dominating thermonuclear neutron emission. A dedicated high-resolution neutron spectrometer has been designed for this purpose.
核融合プラズマ中の高速イオンは、しばしばプラズマからの中性子放出に特徴的な痕跡を残す。本論文では、中性子測定を用いて高速イオンを研究する方法を示し、現在のトカマク装置で得られた物理的成果の例を提示する。焦点は、専用の中性子分光器と、中性子プロファイルモニターの各チャンネルで使用されるコンパクトな中性子検出器による測定に置かれる。測定された中性子スペクトルは、対象とする物理シナリオに応じて、複数の異なる方法で解析することができる。高速イオンのエネルギー分布の大まかな特徴は、測定スペクトルに適切なしきい値を適用することで調べることができ、これにより異なるエネルギーを持つイオンを弁別してプローブすることが可能となる。この手法により、高速イオンとMHD活動（トロイダルアルヴェン固有モード（TAE）や鋸歯状不安定性など）との相互作用を研究することができる。モデルとの定量的比較は、与えられた高速イオン分布から予想される中性子放出を直接計算することによって行うことができる。この枠組みの中で、モデルパラメータをデータにフィッティングすることにより、中性子放出における超熱的割合などの物理パラメータを決定することも可能である。高速イオン分布の詳細かつモデルに依存しない推定は、複数の視線に沿って得られた中性子およびガンマ線測定値を、速度空間重み関数を用いて解析することによって得られる。この手法を用いれば、高速イオン分布をエネルギーとピッチ角の両方について再構成することができる。本論文で述べたタイプの高速イオン測定は、支配的な熱核融合中性子放出の存在下で高速イオンのスペクトル特徴を分解するために必要なダイナミックレンジを分光器が備えていれば、ITERにおいても実施可能である。この目的のために、高分解能中性子分光器が設計されている。