集団トムソン散乱

集団トムソン散乱（collective Thomson scattering、CTS）とは、プラズマ中に入射した電磁波が空間的に相関のとれた電子密度ゆらぎ（つまり集団として振る舞うイオンの運動）によって散乱される現象を利用し、イオン温度、トロイダル回転、燃料比、高速イオン分布といったイオンに関する情報を非接触で得る核融合診断である。散乱スペクトルの幅からイオン温度を、中心周波数のシフトからプラズマ回転を読み取れるほか、核融合で生まれたアルファ粒子のような高速イオンの速度分布を直接測定できる点が、電子を主に見る通常のトムソン散乱と大きく異なる。図は、強磁場コンパクトトカマクSPARCで想定されたコア測定用の散乱幾何学を示したものである。入射プローブ光線（青）と受信光線（赤）の交差部が測定体積（黄色）となり、トロイダル断面図には磁軸が破線で示されている。

原理

CTSの基本は、波長がプラズマのデバイ長やイオンの平均距離より長い（あるいは同等の）電磁波を入射し、その散乱波にイオンの集団運動の情報を刻ませることにある。入射波と散乱波の波数ベクトルの差で定義される散乱ベクトル k = k_s − k_i に沿った電子密度ゆらぎが、ブラッグ散乱のように散乱スペクトルを決める。この密度ゆらぎはイオンの熱運動や、イオンサイクロトロン運動、イオンベルンシュタイン波などの集団モードによって生み出されるため、散乱スペクトルの形はイオン速度分布関数の投影に結びつく。

スペクトルの幅は主にイオンの熱速度で決まり、これからイオン温度が得られる。スペクトル全体のドップラーシフトは、測定体積を流れるプラズマの速度、すなわちトロイダル回転速度に対応する。電子は質量が小さいため熱運動による寄与は広い周波数域に薄く広がり、イオンの寄与は比較的鋭い構造として現れる。このためCTSは、中性粒子分析やチャージ交換再結合分光が困難な高密度・反応器条件のプラズマコアでもイオン測定が可能という特徴を持つ。

プローブ波としては、電子サイクロトロン周波数帯のジャイロトロン（例えば110〜140 GHz帯、LHDでは77 GHz帯）が高出力・位相整合性の点で標準的に用いられる。入射パワーは数百kW規模で、散乱光は極めて微弱なため、受信系の雑音と背景放射が測定性能を左右する。

散乱幾何学と速度空間の探索領域

CTSでどのイオンが「見える」かは、散乱幾何学によってほぼ一意に決まる。散乱波の周波数シフトと幾何配置から、散乱に寄与した高速イオンが速度空間のどの領域に存在するかが定まり、これを探索領域と呼ぶ。スペクトルの各周波数ビンはそれぞれ異なる探索領域に対応し、スペクトル全体を測ることは多数の探索領域を同時にサンプリングすることを意味する。

幾何学の選択は測定感度の質を決める。ITERで提案されている低磁場側受信の後方散乱配置では、ピッチ |v∥/v| が概ね0.5〜0.9以下の高速イオンに感度を持つのに対し、高磁場側受信の前方散乱配置では、共通行および反通行のピッチ |p| > 0.6〜0.8 のイオンを狭い探索領域で捉える。両者を組み合わせれば、投影された1次元分布関数2本から2次元の高速イオン分布を再構成できる。また、散乱ベクトルが磁場にほぼ垂直になる配置では、イオンサイクロトロン運動やイオンベルンシュタイン波に由来するスペクトル構造が現れ、これが組成感度の源泉となる（後述）。

測定量：バルクイオン、燃料比、高速イオン

CTSが実測・設計の両面で対象としてきた量は、大きく三つに分けられる。

第一にバルクイオンの性質である。TEXTORでは中性ビーム加熱プラズマでイオン温度と水素同位体組成が測られ、ASDEX Upgradeではイオン温度とトロイダル回転が、UNITORでも局所イオン温度がCTSで得られている。回転速度はスペクトルのシフトから、イオン温度は幅から推定され、MHD安定性や閉じ込め改善の観点から運用パラメータとなりうる。

第二に燃料イオン比 R_i = n_T/n_D である。重水素と三重水素は質量が異なるため、イオンサイクロトロン周波数近傍のスペクトル構造への寄与がわずかにずれる。散乱ベクトルが磁場にほぼ垂直で、この構造が分解される幾何学では組成への感度が強調され、燃焼プラズマの燃焼制御・機器保護に不可欠な同位体比測定が原理的に可能になる。SPARCのような装置では、ICRH少数加熱に使う3He濃度のコア局所測定も同様の機構で期待されている。

第三に高速イオンである。核融合反応で生まれたアルファ粒子や中性ビーム入射イオンは、バルクイオンよりはるかに高いエネルギーを持つため、スペクトルの特定周波数域にバルク成分を上回る寄与を生む。TEXTORではサワートゥースクラッシュによる高速イオンの再分配がCTSで観測され、GDT開放磁場トラップでは高速イオンとプラズマ不安定の検出にCTSが使われている。ITERでは、燃焼生成アルファ粒子の密度分布と速度分布の測定がCTSシステムの主要目的とされており、ICRHがアルファ粒子シグナルの測定に与える影響の評価も行われている。

スペクトル解析と背景の制約

CTSの測定は本質的に微弱信号の分光である。散乱スペクトルは電子、重水素、三重水素、3He、アルファ粒子など各種成分の寄与の和として現れ、その合成スペクトルを順問題モデルと照合して逆問題として目的のパラメータを推定する。図は、合成スペクトルに対してリビン・雑音付加を行い前方モデルでフィットする解析の例で、アルファ粒子の寄与（点線）が総スペクトル（黒）の一部として現れ、フィット結果とその不確かさ（緑）がデータ（赤丸）を再現している。

測定を制約する最大の要因は背景雑音である。入射ジャイロトロンの周波数近傍は散乱信号が最も強い一方、漏れ込み入射光が受信系を飽和させるため、ノッチフィルタでその帯域を遮断する。図は、140 GHzの垂直散乱配置で計算された合成スペクトルと信号対雑音比を示す。灰色の帯がノッチフィルタの影響域であり、電子、D、T、3Heの各寄与とS/N（右軸）が周波数とともにどう変化するかを読み取れる。

また、電子サイクロトロン加熱やICRHの背景放射、電子サイクロトロン周波数より低い周波数での伝送特性なども信号品質に影響する。ITERでは電子サイクロトロン周波数以下でのCTSの実現可能性が検討されており、プローブ周波数の選択（105/140/175 GHz帯など）は、散乱幾何学の実現性と背景雑音の両立を考慮して決められる。積分時間や受信帯域幅（例えば数MHz・10 ms程度）の選択もS/Nを左右する設計要素である。

各装置での実装

CTSはこれまでJET、TEXTOR、FTU、ASDEX Upgrade、LHD、Wendelstein 7-Xなど幅広い装置で実装されてきた。TEXTORではイオン温度・組成・高速イオン測定の実績が積まれ、FTUではシステムの詳細な特性評価が行われ、LHDでは77 GHz帯システムによるバルク・高速イオン測定が確立されている。また、レーザープラズマ中の非平衡二流プラズマでのCTS観測のように、磁場閉じ込め以外の文脈での応用もある。

次世代装置への展開が現在の中心課題である。ITERではアルファ粒子診断を目的としたCTSシステムが実装予定であり、ポートプラグ内伝送系の構造解析・熱機械解析や遮蔽・中性子工学解析など、核融合炉環境での技術課題への対応が進められている。EU-DEMOでは燃焼制御に必要なコアイオン密度、イオン温度、D/T比、トロイダル回転、アルファ粒子分布の測定をCTSで賄う概念設計が検討されており、He灰などの不純物測定への拡張も議論されている。SPARCでは、強磁場・高密度・高衝突性という未踏の燃焼プラズマ領域を対象に、既存装置で実績のあるジャイロトロン周波数を用いたCTSの物理実現可能性が評価されており、コンパクト装置特有の限られた空間と強い放射環境の中で、コアのアルファ粒子密度や3He濃度測定への期待が高い。診断の可用性（アベイラビリティ）要求もITERでのケーススタディとして検討されており、炉規模装置でCTSが制御用診断として機能するためには、測定性能と並んでシステムの信頼性が鍵となる。