硬X線

硬X線（hard X-ray、HXR）とは、数10 keVから数MeVに及ぶ高エネルギーX線であり、核融合・プラズマ物理においては主に超熱電子や逃走電子が背景プラズマ中のイオン・電子と衝突するときに放出される制動放射（ブレムスシュトラールング）として観測される現象である。熱平衡プラズマの熱X線（軟X線）が電子温度そのものを映すのに対し、硬X線は分布の「裾」にあたる非熱平衡の高速電子の存在と振る舞いを直接映し出す。このため、電流駆動実験での高速電子の生成・輸送の研究、そして装置の安全に関わる逃走電子の監視という、トカマク研究の両輪において中心的な診断手段となってきた。トカマク以外でも、プラズマフォーカス装置やレーザープラズマなど、高エネルギー電子が生じる密度の高いプラズマで硬X線は観測され、放射線源としての利用も進んでいる。

図は、トカマクに設置された硬X線・軟ガンマ線分光イメージング装置の構成を示す。シンチレータや半導体素子からなる検出器（左上）、タングステン製コリメータと真空を保つベリリウム窓からなる遮蔽体（上）、そしてトーラス内を接線方向に見通す視野（青の領域）が描かれており、高速電子がトロイダル電流に沿って運動しながら制動放射を放すようすを装置側から捉える構えが分かる。

物理的起源：超熱電子・逃走電子による制動放射

硬X線の源は、電子がイオン（あるいは他の電子）のクーロン場で減速するときに放出する制動放射である。制動放射の光子スペクトルは、放射する電子のエネルギー分布をぼかした形で反映する。したがって、電子温度が数keV程度の熱平衡プラズマでは硬X線の強度は急激に減衰するが、電場や波との共鳴によって加速された超熱電子が存在すれば、そのエネルギーに対応した高エネルギー側に裾を引くスペクトルが観測される。この「スペクトルの裾」こそが硬X線診断の情報源であり、測定された光子スペクトルから電子エネルギー分布を逆算することが診断の核心となる（後述）。

加速機構として最も基本的なのは、トロイダル電場によるドライサー機構である。プラズマ中の電子は衝突による摩擦を受けるが、電場がこの摩擦に打ち勝つと、電子は衝突による減速を「逃れて」一様に加速され続ける。これが逃走電子である。プラズマフォーカス装置での実験では、ピンチ部の電圧降下にある閾値が存在し、それを超えたときにのみ硬X線が放出されることが示され、この観測はドライサー理論による逃走発生の閾値とよく一致する。また、低密度プラズマに高周波（下部混成波など）を入射すると、波との共鳴でまず数MeVまで加速された電子が生じ、さらに渦電場（ループ電圧）によってそれ以上のエネルギーまで引き上げられるという二段階の加速も観測されている。逃走電子の最大エネルギーは、衝突による摩擦、同期放射による減速、そして十分にエネルギーが高くなると効いてくる「第二閾値電場」によって頭打ちとなる。同期放射損失は電子のジャイロ運動とトロイダル運動に伴って生じ、これが高速電子の到達可能エネルギーの上限を定める。

トカマクでは、これらの高速電子は磁力線に沿って運動するため、その制動放射は強く接線方向に異方性を持つ。この異方性が、後述する接線視野カメラの設計思想の基礎となっている。

硬X線診断装置：カメラ、分光器、検出器

硬X線診断は、大きく分けて「空間分布を見るカメラ」と「エネルギースペクトルを見る分光器」、そして両者を兼ねるイメージング分光器に分かれる。

カメラ型の診断は、トカマクの接線方向から高速電子の制動放射を撮影するものである。接線視野を採用するのは、高速電子が磁力線に沿って運動し、その放射が前向きに強く出るためであり、これにより電流そのものに近い信号が得られる。複数の視線を並べたカメラ（例えばPBX-Mの硬X線カメラ）は、二次元・時間分解の接線画像を与え、高速電子の空間分布やその時間発展をとらえる。同様の接線視野アレイはHL-2MやEXL-50など多くの装置に導入されている。

分光器型の診断では、シンチレーション検出器（LaBr₃(Ce)やBGOなど）や半導体検出器（CZTなど）を用いてパルス高分析により光子エネルギースペクトルを得る。LaBr₃(Ce)は高い計数率（10⁷ s⁻¹程度）に耐えられるため、急激に変化する逃走電子ビームの時間分解測定に適する。CZTのような二次元半導体検出器を用いれば、ピンホールやコリメータを通して空間分布とエネルギースペクトルを同時に得るイメージング分光が可能となる。EASTに建設された硬X線・軟ガンマ線分光イメージング装置（HXS）はその例で、20 keVから数MeVの光子を二次元CZT検出器でとらえ、プラズマ断面のエネルギー分解画像を与える。ITERでも初プラズマ段階の逃走電子監視を目的とした硬X線モニタシステムの設計が進められており、光学系の透過率評価が行われている。

また、トカマク以外の装置でも硬X線は重要な診断・応用対象である。プラズマフォーカス装置は小型・安価でありながら数100 keV以上の硬X線を放出し、そのパルス性を生かしてラジオグラフィ（X線撮影）用の線源としての可能性が検討されている。ピコ秒・フェムト秒レーザーの固体標的照射で生じるプラズマも強力な硬X線源となり、コンプトンラジオグラフィや元素分析への応用が研究されている。さらに、レーザー核融合の診断を目的としたラウエ回折型硬X線分光器や、フレネルゾーンプレートを用いた硬X線顕微鏡など、レーザープラズマ相互作用の計測への展開も進んでいる。

電流駆動実験における高速電子研究（LHCD・ECCD）

トカマクの電流を外部から駆動する手法、とりわけ下部混成波電流駆動（LHCD）や電子サイクロトロン電流駆動（ECCD）は、波との共鳴によって電子を加速するため、超熱電子の生成を伴う。硬X線診断は、この超熱電子が「いつ・どこで・どのエネルギーで」生成され、どう緩和するかを直接追う手段として、電流駆動物理の実験的検証の中心にある。

ECCDでは、駆動電流の予測精度が超熱電子の実空間・運動量空間での振る舞いに依存するため、その理解が本質的である。TCVトカマクでは、ECCDを短時間ずつ変調するという最小限の擾乱手法を用い、硬X線の空間分布とエネルギースペクトルの時間発展を観測することで、超熱電子の生成と緩和を詳細に追うことができる。測定結果を時間依存のフォッカー・プランクモデルと硬X線の合成診断（合成診断とは、想定した電子分布から測定信号を計算し実測と比較する手法）で解釈することにより、超熱電子の半径方向輸送が電子サイクロトロン波の入射パワーに依存することが示唆された。これは、波の入射がプラズマ中の乱れを変化させ、それが高速電子の閉じ込めに影響する可能性を示すものである。

LHCDでは、高速電子の空間輸送が電流プロファイル制御の成否を左右する。PBX-Mの硬X線カメラによる二次元接線画像を用いた解析では、下部混成波の吸収プロファイルを仮定してモデル化した高速電子電流密度分布を実験から得られた分布と比較し、有効拡散係数の上限を見積もるという手法が取られた。このように、硬X線画像から高速電子の輸送係数を定量的に引き出すアプローチは、電流プロファイル制御の設計に直結する情報を与える。EASTでは、LHCDとECCDを併用した放電中の高速電子分布を二次元硬X線カメラで撮影し、駆動方式の違いによる高速電子の空間分布の違いをとらえる試みがなされている。

逃走電子、スライドアウェイ、ディスラプション

装置の安全性の観点から、硬X線診断が最も重要な役割を果たすのが逃走電子の研究である。ディスラプション（プラズマの急速な崩壊）の際、ループ電圧が急上昇し、大量の逃走電子ビームが生成されうる。このビームが第一壁に局所的に突入すれば、装置に深刻な損傷を与えかねない。ITERのような大型装置ではこの脅威がとりわけ深刻であり、逃走電子の生成・抑制機構の解明は現代のトカマク研究の最優先課題の一つである。

低密度で高電流を流すと、プラズマは「スライドアウェイ」状態に移行し、逃走電子ビームが顕在化する。EASTでの観測では、スライドアウェイ放電中に硬X線スペクトルの時間発展が追跡され、マイナーディスラプションのたびにエネルギースペクトルが変化する様子がとらえられている。図は、スライドアウェイ放電におけるプラズマ電流、ミルノフ信号、電子サイクロトロン放射、ループ電圧、そして硬X線エネルギースペクトルの時間発展を示したものである。スペクトル図（最下段）では、数百keVのカウントが時間的に変動し、ディスラプションの前後に強い放射が見えている。

さらにディスラプションに先立つ段階では、スペクトルの高エネルギー側に「反転」と呼ばれる特徴的な構造が現れることがある。図は、セオリークラッシュ（sawtooth-like crash）の前後と大ディスラプション直前の150 ms間に積算されたエネルギースペクトルを比較したものである。大ディスラプション直前のスペクトル（黒）では、電子の静止質量エネルギー（511 keV）を超える高エネルギー側に、低エネルギー側とは傾きの異なる成分（破線で示す）が現れており、これは高エネルギー電子の別の集団、すなわちディスラプションに向けて加速されつつある電子集団の存在を示唆する。

ディスラプション緩和の文脈では、生成した逃走電子ビームに不純物ガス（例えばアルゴン）を注入する緩和シナリオの研究が進んでいる。ASDEX Upgradeでは、LaBr₃(Ce)検出器に基づく高速硬X線分光器を用い、逃走電子ビームと重いガスターゲットとの相互作用で放出される制動放射（最大で約20 MeV近くに達する）を測定した。電子エネルギー分布は測定スペクトルの逆畳み込みから再構成され、得られた最大エネルギーは、トロイダル電場・衝突による摩擦・同期放射損失を含む相対論的テスト粒子シミュレーションと比較された。ガス注入後50〜100 msで電子は最大エネルギーに達し、その後ループ電圧の低下、同期放射損失、背景プラズマとの衝突散逸によって徐々に減衰することが分かった。また、重水素ペレットの複数注入を伴う放電での硬X線測定は、ペレット注入後のプラズマ冷却やアルゴンイオンの再結合の効果をとらえることを可能にした。このように硬X線分光は、ディスラプション緩和シナリオの検証と、緩和後の不純物密度の推定という、異なる役割を同時に果たす。

一方、逃走電子の空間輸送も重要なテーマである。SINPトカマクでは、硬X線変動の相関解析から逃走放電中の非熱電子の半径方向輸送が調べられ、またTFTRではペレット注入時の硬X線と中性子の測定が行われるなど、逃走電子の閉じ込めと損失をとらえる多様な測定が行われてきた。硬X線変動の相関解析は、トカマク中の磁気乱流による高速電子の輸送を測る診断としても提案されている。

測定スペクトルから電子エネルギー分布へ：逆問題とモデリング

硬X線診断の最終目的は、測定された光子スペクトルから放射源である電子のエネルギー分布を再構成することである。これは本質的に逆問題であり、制動放射の応答関数（ある電子エネルギーがどのような光子スペクトルを生むかを記述するカーネル）を用いて、測定スペクトルを電子分布へと逆畳み込みする。この逆問題は不良設定問題であり、正則化や統計的手法を用いて解かれる。FT-2での解析ではDeGaSumコードを用いてリミッターと相互作用する逃走電子のエネルギー分布が再構成され、ASDEX Upgradeでも同様の逆畳み込み手法が用いられた。再構成された分布は、単純な解析的近似では捉えきれない、加速機構の痕跡を含む形状を示すことがある。

逆畳み込みと並ぶもう一つのアプローチが、順方向モデリングとの比較である。すなわち、フォッカー・プランク方程式やテスト粒子シミュレーションで電子分布の時間発展を計算し、そこから合成診断として硬X線信号を計算し、実測と比較する。この手法は、逆問題を直接解かずに済むため、測定の統計誤差や応答関数の不確かさに対して頑健であり、TCVでのECCD実験やASDEX Upgradeでの逃走電子研究で採用されている。どの輸送モデルが実測を再現するかを比較することで、波入射パワー依存の径方向輸送のような、個々の測定だけでは区別しにくい物理過程を絞り込むことができる。

このように、硬X線診断は「測定→逆畳み込みまたは順方向モデルとの比較→電子分布の物理的解釈」という流れで、プラズマ中の高速電子の姿を可視化する。熱X線がプラズマの温度を映す鏡であるのに対し、硬X線は分布関数の裾、すなわち加速・輸送・損失という非熱平衡の動力学を映す鏡であり、電流駆動の最適化からディスラプション緩和に至るまで、磁気核融合研究における高速電子物理の中心的な観測手段であり続けている。