電荷交換再結合

電荷交換再結合（charge exchange recombination）とは、プラズマ中のイオンが中性原子と衝突して電子を奪われずに受け取り（電荷交換）、励起された捕獲イオンがその後の脱励起で特性光を放つという一連の過程である。核融合プラズマでは、この過程で放出される光のスペクトル解析によってイオン温度・不純物イオン密度・イオン流速を測る能動分光診断、電荷交換再結合分光（CXRS）の物理的基盤となっており、今日ではトカマク・ヘリアトロンを問わず主要なイオン診断として定着している。

電荷交換再結合の過程

電荷交換そのものは、中性原子がイオンに近づいた際、束縛電子がイオンの高エネルギー準位にほぼ共鳴的に移る過程であり、捕獲された電子は主量子数の大きい準位（水素様捕獲イオンでは n = 8 付近が代表的）に入る。捕獲イオンはそこから段階的に脱励起し、途中の遷移で可視域の特性線を放つ。この光は中性原子が存在した場所でのみ発生するため、中性を注入した位置に局在した発光が得られる点が、この過程を診断に使うことの本質である。

中性水素ビームを注入した場合、電荷交換によって不純物イオン（炭素、ヘリウム、アルゴンなど）だけでなく主イオン（重水素）自身も捕獲イオンとして励起され、そのバルマー系列の線が観測される。つまり電荷交換再結合は、プラズマ中に元々存在するイオン種を選んで「タグ付け」し、そのドップラー幅とドップラーシフトを測る手段を与える。発光がビームの入射経路に沿って分布するため、観測視線とビームの交点が測定位置を決める。

図にその典型的な幾何を示す。

図はヘリアトロン装置における診断の設置状況を示したもので、(a) は空間較正に基づいて装置容器内の診断視野を実測の受動的 HeII 発光像に重ねたもの、(b) は主プラズマ領域（赤）と中性粒子ビーム入射方向（S3, S4）の関係を上から見たものである。観測視線がビーム入射領域と交わる場所が、電荷交換再結合光の測定点となる。

プラズマ診断としてのCXRS：何をどう測るか

CXRSで得られる基本的な量は三つである。第一にイオン温度。捕獲イオンの発光線のドップラー幅は、その種のイオンの熱運動を反映し、線幅から T_i が直接求まる。電子温度の測定（トムソン散乱など）が電子の運動を見るのに対し、CXRSはイオン種ごとの運動を直接見られる点で独自である。第二に不純物イオン密度。観測された発光強度（輝度）は、視線に沿った「不純物イオン密度 × 中性密度 × 有効発光係数」の積分に比例するので、ビームの減衰計算と原子過程の速率係数を組み合わせて絶対較正すれば不純物密度の断面分布が得られる。第三にイオン流速。線のドップラーシフトから視線方向の流速が得られ、複数視線を組み合わせればトロイダル・ポロイダル成分に分解できる。流速と圧力勾配からはプラズマの放射状電場 E_r が推定でき、これは閉じ込めや不純物輸送を支配する重要な量である。

測定対象のイオン種としては、炭素など完全にストリップされた低Z不純物が古くから使われてきた。完全ストリップイオンはプラズマ中心部で常在し、電荷交換で水素様に戻った瞬間に発光するため、中心イオン温度の指標になる。複数種（ヘリウム・炭素・酸素など）の線から得た温度が互いに実験誤差内で一致することは、この手法の妥当性の標準的な検証となっている。主イオン（重水素）自身のCXRSは、不純物イオンが主イオンと異常に振る舞う可能性を排して真のバルクイオン温度を与える手段として発展し、フィールドリバースドコンフィギュレーションなど閉じ込め方式の異なる装置でも適用されている。

中性粒子の供給：ビームとガスパフ

CXRSの測定位置と感度は中性粒子の供給源に依存する。最も一般的なのは中性粒子ビーム入射（NBI）を利用する方式で、加熱用に注入される高エネルギー中性水素（典型例では数十〜百 keV 級）が深くプラズマ中心まで到達するため、コア領域の測定が可能になる。ビームは装置のトロイダル方向に接線あるいは半径方向から入射され、観測視線はその経路と交差するように置かれる。ビームのエネルギーが高いほど電荷交換断面積の対象準位や減衰が変わり、解析ではビームの減衰と組成（フルエネルギー成分、1/2、1/3成分）を考慮する必要がある。

一方、プラズマ端部ではビームが届かない、あるいは端の測定には過剰なエネルギーであるため、中性粒子をガスパフで局所的に供給する方式（GP-CXRS）が開発されている。ガスパフから供給される中性はエネルギーが低く端部で急速に電離されるため、発光は極端に狭い領域に局在し、端部イオンの測定に向く。逆に感度は中性密度に強く依存するため、供給量と空間分解能のトレードオフが設計上の要点となる。ITERのような大型装置では、端部用の専用CXRSシステムが equatorial port に設置される想定で、遮蔽・中性子線に対する機器の耐性まで含めた設計検討が進められている。

原子物理：断面積・有効発光係数・線の混成

CXRSの定量解析は原子過程の知識に立つ。電荷交換の断面積は入射エネルギーと捕獲先の主量子数 n に強く依存し、発光強度を不純物密度に変換するには、直接捕獲に続くカスケード遷移（上位準位から落ちてくる寄与）と、プラズマ環境による l 混合（角運動量準位間の遷移）を考慮した「有効発光係数」を用いる。この係数はビーム減衰コードと組み合わせて観測輝度を絶対密度に変換する際の中心量であり、その n 依存性は実験的に検証されてきた。

原子物理上の重要な論点の一つは、中性水素の励起状態の寄与である。励起水素原子（H*）への電荷交換断面積は基底状態のそれより低エネルギー域で一桁以上大きくなり、可視域の自発発光への寄与も同様に増大する。したがって、ガスパフのように励起状態の中性が無視できない供給形態では、基底状態のみを仮定した解析は発光強度を過小評価しうる。アルゴンイオンへの電荷交換を題材にした理論計算では、励起水素が可視スペクトル解析に有意な寄与を与えることが示されており、断面積の状態選択的評価が診断精度を直接左右する。

もう一つの論点は線の混成（blending）である。電荷交換で生じる線は、プラズマ端部の冷たい成分による同じ種の発光や、他の不純物の受動的発光と同じ波長帯に重なることがある。冷たい成分は端部で生じるため中心温度の見かけを下げる方向に働き、これを分離するには線のプロファイルを熱成分と冷成分に分けてフィットする。重水素ビームを用いる場合、重水素の電荷交換線が炭素などの線と重なる混成も生じ、高分解能分光と多線同時フィッティングで対処される。タングステンのような高Z不純物（W^64+ など）に対しては、100 keV/u 級のビームとの電荷交換でどの準位に捕獲され、どの可視線が使えるかの評価がITER診断設計の一環で行われている。

計測と空間サンプリング：多視線・撮像・コヒーレンス撮像

CXRSの空間分解能は、観測視線の配置で決まる。伝統的な方式は、半径方向に並べた光ファイバーの列（多視線システム）で、各視線がビームとの交点で測定する。視線数を増やせば断面分布のサンプリングが細かくなるが、各視線は独立した分光器チャンネルを要し、較正も個別に必要になる。波長較正はドップラーシフトで流速を測る以上、系全体で厳密に管理されるべき項目であり、実装置では較正光源を用いた日常的な較正手順が整備されている。

これに対し、2次元撮像を用いる方式では、分光器のスリットに結像したビーム断面を2次元検出器で捉え、視線アレイでは得られない空間構造を一度に測る。さらにコヒーレンス撮像分光（CIS）をCXRSに適用したCICERSでは、干渉計を用いて発光線のドップラー幅そのものを2次元の干渉縞のコントラストとして記録する。これにより、走査なしの1フレームで2次元のイオン温度マップが得られ、温度勾配や非対称性を高分解能で調べることができる。流速測定への拡張では、干渉計の位相差からドップラーシフトを取り出し、従来のトロイダル多視線CXRSやドップラーリフレクトメトリーの結果と相互比較して検証が行われている。受動的発光を用いた背景差し引きと絶対較正を含む信号処理が実用化の鍵であり、これらの手法はコア領域の2次元 T_i・流速マップを独立に導く道を開いた。

測定された流速と温度の断面分布は、ネオクラシカル輸送理論の検証に直結する。ヘリアトロンではバルクイオン流が新古典論的に決まるという描像が、CXRSによる E_r と平行流速の断面測定によって定量的に検証されており、磁力島や確率的磁場による逸脱の研究にも用いられている。測定の解釈自体が流れ場の空間構造に敏感である以上、多視線から撮像・コヒーレンス撮像へと至る空間サンプリングの進化は、CXRSを単なる温度計から流れ場・電場の構造探査へと広げたといえる。