重イオンビーム

重イオンビーム(heavy ion beam)は、核融合・プラズマ物理において二つの顔を持つ手法である。第一に、磁場閉じ込めプラズマの内部を直接測る能動診断、すなわち重イオンビームプローブ(HIBP)としての利用であり、第二に、慣性核融合の駆動手段としての利用である。本項では主に前者、すなわち診断としての重イオンビームの原理・装置・測定対象と限界を述べ、後者についても概観する。

重イオンビームプローブの原理

重イオンビームプローブは、プラズマの内部に帯電した重いイオン(典型例はセシウム、タリウム、キセノンなどの一次イオン)を打ち込み、その軌道とエネルギーの変化からプラズマの局所的な電位や密度を求める診断法である。磁場閉じ込めプラズマの中心部では、ラングミュアプローブのような接触型計測が物理的にも熱的にも使えないため、ビームを「触針」の代わりにするこの手法は、プラズマ中心部の電位を直接測れるほぼ唯一の診断として独自の地位を占める。

原理は次の通りである。一次イオンビームをプラズマ外の加速器から入射すると、イオンは磁場に沿って螺旋運動しながらプラズマ内を進み、プラズマ中の一点(測定点)で電離して二次イオンとなる。二次イオンは一次イオンより高い電荷状態を持つため、磁場中で異なる軌道を描き、プラズマの外側に設置した検出器に到達する。このとき二次イオンは測定点の局所電位に応じて加速・減速を受けるので、検出器で二次ビームのエネルギーを測れば測定点の電位が直接得られる。測定点の位置は、一次ビームの入射角を高速で掃引(sweep)することによってプラズマ断面内で動かすことができ、これにより電位や密度の空間分布、すなわちプロファイル測定が可能になる。密度は二次ビームの強度(イオン流)から、一次ビームの減衰と二次電離の確率を較正して求める。

電位測定の感度はビームエネルギーに対する測定エネルギー分解能で決まる。例えば 200 keV 級のビームを用いた系では、数十 eV の電位変化を分解できることが示されており、電子サイクロトロン加熱から中性粒子ビーム入射への切り替えに伴う電位プロファイルの変化など、加熱方式によって内部電位構造がどう変わるかを追う測定に用いられてきた。

装置構成：イオン源・掃引系・エネルギー分析器

重系は、一次、ビームの入射角を掃引する電極系、二次ビームを受けて分析する検出系の三要素からなる。イオン源は安定した重イオンビームを連続的に供給するもので、測定の時間分解能とノイズ水準を左右する。掃引系は、測定点をプラズマ断面内で放射状に走査するための高速電圧掃引電極であり、測定点の移動に伴って二次ビームの入射角が変わると分析器への到達効率が変動してしまうため、二次ビーム側にも掃引系を設けて二次ビームの入射角を一定に保つ制御が行われる。この二次掃引の導入により、放射方向の走査中でも系統的な強度変動を抑えた電位プロファイル測定が可能になった。