サイクロトロン波

サイクロトロン波とは、磁場中の荷電粒子が磁力線の周りで行うラーモア回転（サイクロトロン運動）の周波数に近い周波数を持つ電磁波・静電波の総称である。磁化プラズマ中では、波の周波数が電子またはイオンのサイクロトロン周波数（あるいはその高調波）と共鳴すると、波のエネルギーが選択的に粒子へ移渡される。この共鳴性を利用して、サイクロトロン波は核融合プラズマの加熱と電流駆動の中心的な手段となっており、波を担う粒子の種類に応じて電子サイクロトロン波とイオンサイクロトロン波の二つの大きな系に分けられる。

磁化プラズマ中のサイクロトロン波

一様な磁場中に置かれた荷電粒子は、磁場に垂直な面内でサイクロトロン周波数 ωc = qB/m（q は電荷、B は磁束密度、m は質量）で回転する。電子はイオンに比べて質量が小さいため、同じ磁場で数千倍高い周波数で回転する。この回転運動と位相の合った波の電場が粒子に作用すると、エネルギーのやり取りが共鳴的に強められる。これがサイクロトロン波とプラズマの相互作用の基本であり、共鳴条件には波数の平行成分 k∥ と粒子の平行速度 v∥ によるドップラー効果が入り、実効的な共鳴周波数は ω − k∥v∥ = nωc/γ（n は高調波の次数、γ は相対論的補正因子）の形で書かれる。

波の性質は周波数帯域によって大きく異なる。電子サイクロトロン周波数帯（トカマクでは通常 100 GHz 前後）の波は波長が短く、細いビームとして伝播させることができ、真空中も伝播するためプラズマ端の条件に結合が左右されない。一方、イオンサイクロトロン周波数帯（数十 MHz）の波は波長が装置サイズに近く、アンテナから近接場としてプラズマに結合される。また、密度が波のカットオフ密度を超えた「過密度」プラズマに対しては、通常の電磁波が届かないため、静電波であるバーンスタイン波が高域側から注入されるという別経路が使われる。

電子サイクロトロン波による加熱と電流駆動

電子サイクロトロン共鳴加熱（ECRH）は、ジャイロトロンと呼ばれる高周波源から発生させたマイクロ波を、鏡系を介して細いガウスビームとしてプラズマに注入するものである。波は共鳴層と呼ばれる磁場が特定の値をとる薄い面で局所的に吸収され、電子を垂直方向に加速した後、衝突を通じて一括のプラズマを加熱する。吸収位置はビームの射出角度とトーラスの磁場分布によって決まり、可動鏡の角度を変えることで加熱位置をプラズマ中心から端まで連続的に制御できる。例えば では 140 GHz のジャイロトロン 4 基（1 基あたり 1 MW、1000 秒動作）が備えられ、第 2 高調波 X モードで B = 2.5 T の共鳴層に吸収させる。次の図は、このようなシステムの全体構成とビームの伝播を示したものである。