電荷交換再結合分光法

電荷交換再結合分光法（Charge eXchange Recombination Spectroscopy、CXRS）は、核融合プラズマ中のイオン温度、イオンの流れ（回転）、不純物イオン密度の空間分布を測定する能動的な分光診断法である。プラズマに中性粒子ビームを入射し、ビーム中性子とプラズマイオンとの電荷交換反応で生成された励起状態のイオンが放つ特性スペクトル線を分光分析する。ドップラー幅からイオン温度が、線のシフトから流速が、線の強度から不純物密度が得られる。磁場閉じ込めプラズマではイオンの直接測定が難しく、トムソン散乱が電子温度・密度の標準診断であるのに対し、CXRSはイオン側の標準診断として、トカマク・ヘリカル装置の多くで運用されている。

図は、Wendelstein 7-X（W7-X）におけるCXRS系診断の配置を上から見た模式図である。黒の曲線は標準配置における最外殻磁気面（LCFS）、赤は中性粒子ビーム源S3・S4に向かうコヒーレンスイメージング型CXRS（CICERS）の視線、緑はS7・S8に向かう標準的なトロイダル方向のCXRS測定弦を示す。このように、観測視線をビームの入射経路と交差させることで、交差点の位置が測定位置を決めるというのがCXRSの基本的な幾何学である。

動作原理：中性粒子ビームとの電荷交換

CXRSの鍵となる物理過程は電荷交換である。中性水素原子（水素同位体、ときにリチウムなど）がプラズマ中のイオン（例えば炭素やヘリウムなどの不純物イオン、あるいは主イオンそのもの）に近づくと、電子が中性原子からイオンへ移る。電荷交換後のイオンはしばしば励起状態に置かれ、数ナノ秒程度の寿命のうちに特定の波長の光を放って脱励起する。この放射は、電荷交換を経たイオンの速度分布をそのまま反映する。

測定位置の空間分解は、この反応が中性ビームの存在する領域でしか起きないことに依存している。分光計器の視線をビームと交差させると、交差点近傍のみが強く光り、視線に沿った積分信号の大部分がそこから来る。視線を多数並べれば、ビームに沿った一次元プロファイルが一度の測定で得られる。空間分解能は視線の本数と、磁気面に対する視線の配置で決まる。

スペクトル線のドップラー幅 Δλ はイオン温度 T_i と Δλ ∝ √(T_i) の関係にあり、線中心のシフトは視線方向の速度成分を与える。測定されるのは電荷交換をしたイオン種の温度・速度であり、通常は炭素のような不純物イオンについて測る。不純物イオンの温度・速度は、乱流による異常輸送が比較的小さいことや、測定線強度が高いことから、主イオンの振る舞いの代理指標として広く用いられてきた。

測定量：イオン温度、回転、不純物密度プロファイル

CXRSが提供する主要な物理量は三つある。

第一にイオン温度プロファイルである。閉じ込め性能の評価、輸送係数の導出、加熱効率の検証にはイオン温度の空間分布が不可欠であり、CXRSはその標準的な供給源である。第二にイオンの流れ、すなわちプラズマ回転である。トカマクでは回転がMHD安定性（抵抗性壁モードの安定化など）に影響するため、その測定は運用上も重要である。ヘリカル装置では、イオンの流れは新古典輸送理論の帰結として理解される。流れの非圧縮性条件から、磁面に平行な成分に加えて、ポロイダル方向に非対称なプフィルシュ・シュルター流が現れる。CXRSによる流れ分布の測定は、この新古典モデルの検証に用いられ、また径方向電場 E_r のプロファイル導出にも使われる。E_r は不純物の閉じ込め（蓄積）や輸送バリアの形成に深く関わる量である。

第三に不純物イオン密度である。測定したスペクトル線の絶対強度は、電荷交換反応の速度（ビーム中性粒子密度と有効断面積の積）に比例するため、原子データとビームモデルを組み合わせれば不純物密度の絶対値が求まる。さらに、複数の不純物種の密度と電子密度を組み合わせれば、有効核電荷 Z_eff の径方向プロファイルを導出できる。Z_eff はプラズマの抵抗や放射損失を決める重要なパラメータであり、CXRSによる Z_eff プロファイル測定は他の診断（ブレムスストラールング放射など）とのクロスチェックとして価値がある。

中性粒子分布とスペクトル解析

CXRSの解釈における最大の系統誤差源は、測定に寄与する中性粒子の密度分布を正しく評価することである。寄与は単純にビームの一次成分だけではない。

まず、ビーム原子はプラズマ中を進むうちに電離と再結合を繰り返し、励起状態（主量子数 n = 2 など）の原子集団を形成する。この「ビームハロー」からの電荷交換も信号に寄与しうる。ASDEX Upgradeでの系統的な評価では、第一エネルギー成分の基底状態との電荷交換が通常支配的であるものの、n = 2 ハロー集団との反応が全信号の最大35%程度に達しうることが示され、これを無視すると不純物密度プロファイルの絶対値と形状の両方が誤る。次に、ビーム周囲の再結合プラズマや壁からの中性ガスも寄与しうる。さらに、ビームのない領域からの受動的な放射（プラズマ自身の励起放射）がバックグラウンドとして重なり、これを正しく差し引くことが必要である。

こうした評価を系統化するため、測定線強度から不純物密度を導く前方モデルに基づく解析コードが整備されており、測定対象の全スペクトル線（ヘリウム、リチウム、ホウ素、炭素、窒素、酸素、ネオンなど）の原子データを備え、複数の中性粒子密度評価法を相互比較できるようになっている。電荷交換断面積は入射エネルギーとイオン種、そして中性原子の状態（基底状態か励起状態か）に強く依存するため、状態選択的な原子衝突データの精度がそのまま密度測定の精度に反映される。解析の高度化としては、ベイズ統計に基づくモデリングにより、スペクトルフィッティングと中性粒子評価の不確かさを一貫して扱う試みもある。また、エッジ領域では視線に沿って不純物密度が一定でなくなるため（ペデスタル構造）、単純な強度比例では正しいプロファイルが得られず、視線に沿った密度変化を含む前方モデルが必要となる。

実装と変種

CXRSの実装は測定対象と空間分解能の要求に応じて多様である。

多弦方式は、数十本の光ファイバー視線を径方向またはトロイダル方向に並べ、一回の放電でプロファイルを得る標準的な構成であり、DIII-D、JT-60U、JETなどの主要装置で運用されてきた。トロイダル方向視線はビームの入射方向に沿って測定点を並べるもので、径方向視線と組み合わせて二次元的な情報を得ることもある。

エッジCXRSは、プラズマ境界の急峻なペデスタル領域に高い空間分解能と時間分解能を向ける変種である。エッジのイオン温度・回転は輸送バリアやELM（エッジ局在モード）の物理の中心にあり、高速測定が求められる。ASDEX Upgradeでは高繰り返しのエッジCXRSシステムが開発され、またビームを使わず中性ガスパフのみを中性源とするガスパフCXRS（GP-CXRS）は、ビームの及ばないプラズマ最外殻・スクレイプオフ層のイオン測定を可能にした。

主イオンCXRSは、不純物イオンではなく主イオン（重水素）自身の温度・密度・速度を測る変種である。不純物イオンの測定が主イオンの代理となる仮定は、乱流輸送が種依存性を持つ場合には破れうるため、主イオンの直接測定は近年重視されている。フィールドリバース配置（FRC）プラズマでの主イオンCXRS測定も報告されている。

コヒーレンスイメージングCXRS（CICERS）は、従来の光ファイバー視線アレイに代えて、干渉計を用いて二次元的な干渉縞からスペクトル情報を復元する手法である。視線アレイ方式では空間分解能が弦の本数に制約されるのに対し、CICERSはカメラの画素分解能で二次元の T_i マップや流速マップを得られる。W7-Xでは、この手法による絶対較正済みの二次元イオン温度マップの導出が初めて実証され、標準CXRSのプロファイルと整合する結果が得られている。二次元測定は、磁面仮定に依存しない温度勾配の直接評価や、非軸対称な流れ構造（磁島や確率的磁場の影響など）の観測に新たな可能性を開く。

図は、W7-XにおけるCICERSによる二次元イオン温度マップ（上）と、それから導出した径方向 T_i プロファイル（下）である。上図には磁気面の計算等高線と中性粒子ビームS4の公称入射方向が重ねて示され、下図ではCICERSのプロファイル（±3σの信頼区間付き）が標準的なトロイダルCXRS視線による測定値と比較されている。両者の整合は、この新しい二次元手法の較正と解析が妥当であることを示す。

ITERにおけるCXRS：工学設計の課題

次世代大型装置ITERでは、CXRSはコアプラズマおよびエッジプラズマの主要診断の一つとして、ポートプラグに組み込まれる体系で設計が進められている。ITERのCXRS設計は、既存装置での経験をはるかに超える工学的要求を突きつける。

第一の課題は光学系の耐環境性である。第一ミラーはプラズマに最も近い光学要素であり、中性粒子ビームによるスパッタリング、プラズマ放射による熱負荷、そして中性子による材料損傷に同時に耐えなければならない。ミラーの冷却設計には熱流体解析が用いられ、鏡面の歪みによる光学性能の劣化を抑えることが求められる。また、ミラーの交換・保守はポートプラグの設計に組み込まれており、遠隔保守を前提とした部品構成が検討されている。

第二の課題は迷光である。CXRSの測定対象は微弱な特性線であり、プラズマからの強い背景放射やビーム自体の発光が迷光として分光系に入り込むと測定を台無しにする。ITER規模の装置では迷光の経路を光線追跡で事前に解析し、遮蔽設計に反映させることが不可欠である。

第三の課題は中性子環境である。ポートプラグ周辺の核解析（中性子輸送計算）により、診断機器が受ける中性子線量と発熱が評価され、機器の寿命と遮蔽設計が決められる。さらに、設計の検証には合成診断モデルが用いられる。CherabやRaysectのような光学シミュレーションフレームワークを用いて、ビーム発光・迷光・検出器応答を含む測定過程全体を仮想実験し、設計の妥当性を放電実験の前に確認する手法が、ITER本体だけでなくCOMPASS Upgradeのような中型装置の設計にも採用されている。このように、CXRSは分光診断であると同時に、大規模な光学・機械・核工学システムとして設計される時代に入っている。