発光分光

発光分光（emission spectroscopy）とは、プラズマから放出される光を波長分解して測定し、その強度・波長・偏光からプラズマの温度・密度・組成・揺動を推定する診断法の総称である。プラズマ中の電子やイオンは励起状態から基底状態へ遷移する際に固有の波長の光を放つため、そのスペクトルはプラズマ状態の「指紋」として機能する。測定が光の受け側だけで完結し、プラズマを乱さない非侵入診断である点が最大の特徴で、核融合プラズマの不純物監視から低温プラズマ源の工業的品質管理まで、極めて広い範囲で使われている。装置の構成は一般に単純で、集光系と分光器と検出器があればよい。大気圧マイクロ波プラズマの例では、マグネトロンで発生させたマイクロ波を共振器でガスに結合してプラズマを生成し、その発光を光ファイバーで分光器に導いて測定するという構成がそのまま診断系になる。

図はこのような大気圧マイクロ波プラズマ装置と発光分光測定系の全体構成を示したものである。高電圧電源・マグネトロン・サーキュレータ・同調器を経て共振器に導かれたマイクロ波で石英管内にプラズマが生成され、側面・正面・背面の三方向からプラズマの発光が撮影・分光される様子が描かれている。

発光分光の原理

発光分光の基本は、測ったスペクトルをプラズマの物理量に翻訳することにある。翻訳の鍵となるのは、発光強度が励起率と粒子密度の積で決まるという点である。熱平衡に近いプラズマでは、分子の回転・振動構造を持つバンドスペクトルの形がガス（回転）温度を、電子状態の分布が電子温度を反映する。例えば大気圧空気プラズマでは、水酸基（OH）のバンドスペクトルを測定し、理論計算で作ったスペクトルと比較して最もよく一致する温度を回転温度として決める手法が標準的に用いられる。分光器の分解能を上げて高次の回転構造まで分解すれば、決定できる温度の精度が向上する。

一方で、低温プラズマの多くは熱平衡から大きく外れた非平衡状態にあり、回転温度と電子温度が大きく異なる。大気圧マイクロ波プラズマではガス温度が数千Kに達する一方、電子温度はそれよりはるかに高い。このエネルギーの偏りこそがプラズマ化学の駆動力であり、熱反応では起きない解離や励起が電子衝突によって進む。したがって発光分光で両者を別々に見積もることは、プラズマプロセスの理解にとって本質的な意味を持つ。また、特定の波長（例えばOHの306 nm付近）の発光強度の空間分布を撮像すれば、ラジカルの生成領域やプラズマのコアと後流の構造を非接触で可視化できる。電子密度を発光強度比から推定する手法も低圧窒素プラズマなどで提案されており、発光分光は「温度計・組成計・密度計」を一台の分光器で兼ねる診断といえる。

ビーム発光分光（BES）

核融合プラズマの揺動測定で発光分光が最も力を発揮するのが、中性粒子ビームをプローブに使うビーム発光分光（beam emission spectroscopy, BES）である。プラズマに注入された高速水素原子は、プラズマ中の電子やイオンとの衝突で励起・電離されながらバルマーα線を放つ。この発光強度はビームの局所的な中性化率、すなわち局所電子密度にほぼ比例するため、ビーム上の複数点の発光を高速度で同時測定すれば、密度揺動の空間・時間相関を直接測れる。乱流による密度ゆらぎがトークナックの閉じ込め性能を左右する以上、BESは乱流研究の基幹診断と位置づけられている。

BESの測定量は揺動だけではない。ビーム発光はビームの速度でドップラーシフトし、ビームが感じる運動による電場（モーショナル・スターク効果）でスペクトルが分裂する。波長・強度・偏光を同時に測れば、ビームの減衰・幾何・発散角・成分比に加え、局所のピッチ角やトロイダル磁場まで導ける。つまりBESは、測定対象の較正を兼ねた総合診断でもある。装置面では、レンズで集光した光を光ファイバーバンドルに導き二次元的な測定点を構成する。リチウムビームを用いた変種（Li-BES）は、低エネルギーの金属ビームをプラズマ端に注入して端部電子密度分布を高時間分解能で測るもので、東（EAST）などの装置で二次元化が進んでいる。また、乱流シミュレーションコードに現実的なビームモデルと光学系を組み込んだ「合成診断」により、測定値と理論予測を同じ土俵で比較する解析も標準的になりつつある。

受動分光による不純物と有効電荷の測定

高温プラズマでは、壁やアンテナから侵入する金属不純物が放射損失と燃料希釈を通じて閉じ込め性能を直接損なうため、その密度を系統的に監視する必要がある。真空紫外（VUV）域の受動発光分光は、この目的に適う。Ni、Fe、Cuなどの遷移金属はLi様イオン（電子3個を残した状態）の特性線をVUV域に持つが、この電荷状態はプラズマ中間層で安定に存在するため、線積分発光強度から局所的な不純物密度への変換が比較的安定に行える。

具体的には、絶対較正されたVUV線強度の測定値と、輸送係数（拡散係数と対流速度の半径分布）を仮定した輸送シミュレーションを組み合わせる。仮定した輸送係数ごとに計算される線強度を実測と照合し、一致する解から不純物密度を決める。この解析から、Li様線強度で規格化した金属密度・有効電荷増分（ΔZeff）・燃料希釈率が電子温度に対してほぼ線形の関係を持つという経験則が得られ、これを用いれば多数の放電について中間半径領域の局所金属密度を迅速に導ける。加熱出力とパルス長が増すほど不純物の蓄積傾向の監視が重要になる、特に高周波加熱アンテナの評価において、この手法はキャンペーン全体を通じた傾向解析の実用的な手段となっている。

中性子発光分光による高速イオン診断

核融合プラズマでは、発光分光の考え方を粒子（中性子）のスペクトル測定に拡張した中性子発光分光（neutron emission spectroscopy）が高速イオン診断の中核を担う。重水素プラズマでは、中性ビーム入射（NBI）や高周波加熱で生じたMeV級の高速重水素イオンが熱イオンとビーム・熱反応を起こして中性子を放出する。この中性子のエネルギースペクトルは反応前のイオン速度分布を直接反映するため、スペクトルの形（幅や非対称性）から高速イオンの速度分布を逆に読み取れる。

NBIにイオンサイクロトロン周波数帯（ICRF）の第三高調波加熱を組み合わせると、有限ラーモア半径効果によってNBIが種まきしたイオンがさらに加速され、燃焼プラズマのα粒子の実験的代替物となる。このような放電で複数の視線方向の中性子スペクトルを測定すると、スペクトルの顕著な広がりが観測され、輸送コードによる合成スペクトルや重み関数解析と組み合わせることで、高速イオンテールのピッチ角非対称性まで抽出できる。非対称性の原因は、磁力線に沿った高速イオンの損失軌道にあると軌道解析から分かっている。さらに複数視線の測定を組み合わせれば、速度空間（平行・垂直速度）でのトモグラフィー再構成が可能であり、この手法は次世代燃焼プラズマ装置におけるMeV級燃料イオン診断の基礎を成している。

低温・プラズマ源の発光分光

核融合装置の外でも、発光分光はプラズマ源の日常的な特性評価手段として広く使われている。代表例がマイクロ波プラズマトーチである。915 MHz帯の高出力（100 kW級）大気圧マイクロ波プラズマでは、電極を使わないため電極侵食による汚染がなく、工業的スケールアップに向く。この種のプラズマでは、発光分光と高速撮像を組み合わせることで、回転・振動・電子温度、種の組成、空間発光構造を一度に把握できる。プラズマコアとその下流の後流（ポストコア）で発光特性がどう変わるかを調べることは、化学プロセスへの適用において反応場の設計に直結する。

図は大気圧マイクロ波空気プラズマの発光分光測定の実例である。後流プラズマ炎の写真に測定位置を重ねたもの（a）、200〜1080 nmにわたる広帯域スペクトルでOHの発光線が顕著に立っている様子（b）、および高分解能で測ったOHバンドスペクトルと理論スペクトルとの比較（c, d）を示す。実測と計算スペクトルの一致から回転温度が決定される過程がそのまま見て取れる。

同様の手法は、中性子源や負イオン源のプラズマ発生器、大気圧アルゴンプラズマ柱、パルス電子ビームで生成する低圧窒素プラズマ、レーザー誘起プラズマなど、極めて多様な対象に適用されている。共通するのは、プラズマの種類や規模によらず「特性線の同定 → 強度・線形の解析 → 温度・密度・組成の推定」という解析の流れであり、装置が小型で非侵入であることから、プロセスのインライン監視や装置開発のフィードバックループにも組み込みやすい。核融合の高温プラズマから工業プラズマまで、発光分光が「光を読んでプラズマを知る」という一つの原理で橋渡しする診断技術であることは、この適用範囲の広さそのものが示している。