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

重イオンビームプローブ系は、一次イオン源、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。

検出系の中心はエネルギー分析器であり、静電分析器が標準的に用いられる。二次ビームのエネルギー分布を高分解能で求めることが電位測定の精度を直接決めるため、90 度円筒形静電分析器など、電位揮らぎ測定に適した分析器の設計が各装置で行われてきた。また、二次ビームを多数の検出セルに分割受光する多次元検出器(複数セルアレイ検出器)を用いれば、ビーム強度とエネルギーを同時に高時間分解で記録でき、揮らぎ測定に有利である。これらの検出器では高速な制御・データ収集系が要件となり、専用の計測システムの開発も進められている。

電位・密度・乱流の測定

重イオンビームプローブの最大の強みは、電位とその揮らぎをプラズマ内部で直接測れる点にある。電位の空間分布からは電場プロファイルが得られ、これはプラズマの回転や輸送を支配する基本的な量である。実際、放射電場のプロファイルが二つの状態の間を跳ぶ分岐(バイファーケーション)の観測が報告されており、これは輸送障壁やプラズマ閉じ込めの改善と密接に関わる現象を、内部電場測定から直接捉えた例である。

揮らぎ測定では、電位揮らぎに加えて密度揮らぎが二次ビーム強度の変動から得られる。測定点を掃引して複数点で同時測定すれば、揮らぎの空間相関や伝播方向、すなわち乱流構造の情報も得られる。さらに、二次ビームの軌道が局所磁場に依存することを利用して、磁気揮らぎの測定も試みられている。トカマクで観測される準凝縮モード(quasi-coherent mode)のような中規模の揮らぎや、中性粒子ビーム入射によって駆動されるチャーピング(周波数が時間とともに変化する)モードの周波数変化と放射方向の位置も、この手法で追うことができる。特にアルフヴェン固有モードのチャーピングの検出は、高速イオンの閉じ込め研究に関わる測定として、ステラレータ装置で行われている。

一方で、乱流測定には未解決の問題が残る。観測された乱流の伝播速度が流体速度より速い場合があること、二次ビームエネルギーに数百 eV に及ぶ大きな揮らぎが観測され、それを単純にプラズマ電位揮らぎと帰属できないこと、そしてこの手法で測られた磁気揮らぎの水準がプラズマ境界の磁気プローブによる測定より大幅に大きく出ることなどが指摘されている。これらはビームと乱流の共鳴的な相互作用や、測定の空間平均化効果など、手法自体に起因する解釈上の課題であり、測定値を物理量に翻訳する際には注意を要する。

サンプルボリュームと測定の限界

重イオンビームプローブの測定値は、原理的には「測定点」の値であるが、実際には有限の大きさを持つ領域の平均であり、これをサンプルボリュームと呼ぶ。サンプルボリュームの大きさは、一次ビームの径、二次電離で生じる二次ビームの軌道の広がり、そして検出器の受け口(スリット)の幾何学で決まる。測定点がプラズマ断面の端に近づくなど軌道の幾何が不利になると、二次ビームが検出器上で大きく広がって信号が得られなくなる。このようなサンプルボリュームの発散は数値軌道計算と実験の対比によって分類されており、実験で観測される発散挙動と軌道計算を突き合わせることは、装置の較正(測定位置や感度の確認)の手段にもなる。

サンプルボリュームが大きいと、その体積内で電位や密度が変化する乱流測定では空間平均化によって揮らぎが過小評価され、空間分解能の限界が測定の信頼性を直接左右する。また、二次イオンの電離確率はプラズマの電子温度・密度に依存するため、密度測定の絶対較正にはモデルが必要である。さらに、ビーム入射系はプラズマ境界の一部を占有するため、装置のポート配置や磁場構造との整合が設計上の制約となり、特に強磁場・大形装置では高エネルギー一次ビーム(数百 keV 級)が必要になる。これらの制約はあるものの、画像化(イメージング)型のプローブのように、単一点ではなくビームの断面情報をそのまま検出器上に結像して空間分解能と時間分解能を両立しようとする改良も進められている。

磁場閉じ込め装置での応用

重イオンビームプローブは、トカマク、ステラレータ、ヘリカル装置の広い範囲にわたって実装されてきた。トカマクでは、JIPP T-IIU や TUMAN-3M などの装置で電位プロファイルと電位揮らぎの測定が行われ、密度揮らぎや磁気揮らぎへの拡張も試みられた。ヘリカル・ステラレータ系では、CHS(コンパクトヘリカルシステム)で 200 keV 級のビームを用いた電位プロファイル測定が、TJ-II ステラレータではチャーピングするアルフヴェン固有モードや NBI 駆動モードの観測が行われている。また、HL-2M トカマク向けのプローブ系の概念設計のように、新たな装置への導入が計画・検討されており、ASDEX Upgrade では画像化プローブの初測定が報告されている。装置ごとに磁場強度やプラズマサイズが異なるため、一次ビームの種類とエネルギー、掃引系の構成、分析器の設計は各装置で最適化されており、この多様性自体が手法の成熟度を示している。

慣性核融合・高エネルギー密度物理への応用

診断としての利用とは別に、重イオンビームは慣性核融合の駆動手段として古くから検討されてきた。重イオンは加速器で高効率・高繰り返し率で加速でき、レーザーに比べて駆動エネルギーを高効率で標的に入射できるため、発電を念頭に置いた慣性核融合炉の駆動器候補として有力視されてきた。この文脈では、球殻標的の重イオンビーム駆動爆縮、高利得の DT(重水素・三重水素)標的の設計、そして炉容器内の気体中を伝播する強重イオンビームの輸送シミュレーションなどが研究されてきた。ビームは標的チャンバ内のガスと相互作用しながら自己磁場などによって集束・輸送される必要があり、この輸送過程の制御が炉設計の鍵の一つである。

また、強重イオンビームを物質に照射して生じる加熱円柱からの熱放射のスケーリング則の研究や、強重イオンビームを用いた高エネルギー密度物理実験への応用も進められている。これらは、重イオンビームが単一の標的を爆縮するだけでなく、物質の高温高密度状態を作り出す汎用的な手段としても使えることを示している。さらに、高電流の重イオンビームをプラズマレンズ構成で操作する研究のように、ビームの集束・制御技術自体も独立の研究対象として発展しており、加速器技術と核融合研究の接点として重イオンビーム研究は位置づけられている。