干渉計

レーザー干渉計（干渉計、interferometer）は、磁気閉じ込め核融合プラズマの電子密度を測る最も標準的な診断である。プラズマを透過したレーザー光の位相のずれ（位相シフト）から、ビーム経路に沿って積分された電子密度（線積分密度）を得る。この原理そのものは古く、確立された技術であるが、現代の核融合装置では高速な密度フィードバック制御、破壊抑制のための急激な密度変化の追跡、反応器級環境での長期無人運転といった要求に応えるため、位相検出方式や光学配置の改良が現在も活発に続けられている。以下では、測定原理から始めて、装置の主要な方式、多チャンネル化と密度分布の再構成、実用上の制約、そして偏光計測への拡張を述べる。

原理：位相シフトと線積分電子密度

プラズマ中では電子が電磁波に応答するため、プラズマの屈折率は真空の1からずれる。そのずれの大きさは電子密度に比例し、かつ波長の2乗に反比例する。このため、レーザー光をプラズマに通すと、真空を通る場合に比べて位相が遅れ、その遅れの量は経路に沿った電子密度の積分値に正確に比例する。これが干渉計測の基礎である。

測定は通常、二つの光の干渉によって行われる。一方の光（探査光）はプラズマを透過し、もう一方（参照光）はプラズマの外を通る。両者を合波すると、検出器で観測される干渉信号の位相は、プラズマによる位相シフトの分だけずれる。位相シフトを2π（フリンジ1本分）ごとに数えることで大きな密度変化も追跡でき、位相の細かい分割によって、例えば0.01度程度の位相分解能、すなわち線積分密度にして10の15乗平方メートル程度の分解能が達成される。これは密度制御やプラズマ物理研究に十分な感度である。

波長の選択は重要な設計判断である。波長が長いほど単位密度あたりの位相シフトが大きく感度が高いが、密度が高くなるとプラズマ周波数による遮断（カットオフ）が起こる。このため、遠赤外レーザー（例えば波長118.8 μmや195 μm）、CO2レーザー（10.6 μm）、あるいは固体レーザーの第二高調波など、装置の密度領域や目的に応じた波長が使われる。水素プラズマの遮断密度は波長の2乗に比例するので、短波長ほど高密度プラズマまで測定できる。

干渉計の光学系の一例として、単一結晶分散型干渉計（SCDI）の構成を示す。レーザー光源の直前に置かれた非線形結晶で基本波と第二高調波が発生し、音響光学素子（AOM）で周波数シフトされた参照光とともにプラズマを透過する様子が描かれている。

図では、赤と緑の線がそれぞれ基本波と第二高調波のビームを表し、実線がプラズマを通る探査光、破線が参照光である。プラズマ通過後の両波の干渉信号から位相が検出され、線積分電子密度が求まる。

干渉計の方式：従来型、二色、分散型

位相シフトを正確に検出するための光学配置には、いくつかの系統的な方式がある。

従来型（単色）干渉計は、単一波長の光で探査光と参照光の干渉を見る最も単純な構成である。感度は高いが、鏡や窓の機械的振動もそのまま位相ノイズとして現れる。このため、長距離の光路を持つ大型装置では振動対策が本質的な課題となる。

二色干渉計は、波長の異なる二つのレーザーをほぼ同じ経路に通す。プラズマによる位相シフトは波長に依存するのに対し、機械的振動による光路長変化は両波長でほぼ同じである。二つの位相測定値の差と和を組み合わせることで、振動成分をデータ処理によって取り除き、プラズマ成分だけを取り出す。古典的で確実な方法だが、二つの独立したレーザー系と検出系が必要で、データ解析による振動補償に依存する。

分散型干渉計は、機械的振動を光学的に抑制する方式として、DIII-D、LHD、TEXTOR、W7-X、KSTARなど多くの大型装置で採用されている。非線形結晶で基本波を第二高調波に変換し、その第二高調波をプラズマに通した後、再び非線形結晶（または電子的な周波数倍波素子）で基本波と合波して干渉させる。この構成では、探査光と参照光がほぼ同じ経路を往復するため、鏡の振動による光路長変化が自己相殺される。プラズマによる位相シフトだけが残る仕組みである。

分散型干渉計にも発展の系譜がある。初期のホモダイン方式はレーザー強度変動や位相シフトの方向（密度の増加か減少か）の判別に曖昧さがあったが、光弾性変調器（PEM）を使った位相変調方式でこれは解決された。さらにPEMの帯域幅が数百kHz程度に限られることから、音響光学素子（AOM）を使ったヘテロダイン方式が開発され、数MHz級の帯域で磁気流体力学的不安定性やシャッタードペレット入射に伴う急速な密度変動の測定が可能になった。また、プラズマ通過後の第二の非線形結晶への正確な合波・集光が数十メートルの光路で困難であるという課題に対し、単一結晶方式（SCDI）では第二の結晶を電子的な周波数倍波素子に置き換え、プラズマ後段の光学系を大幅に簡略化した。さらに改良されたSCDI-Uでは、AOMの1次と2次回折を使い分けることで基本波と第二高調波の参照光を全光路で完全に重畳させ、振動耐性をさらに高めている。

分散型の利点は、核融合装置に限らず、大気圧プラズマの密度測定でも発揮される。大気圧プラズマでは中性ガス密度の変化が大きな位相ノイズになるが、分散型の構成はこの共通光路ノイズを抑制できる。ヘテロダイン分散型干渉計では、1 μsの時定数で0.005度の位相分解能（線積分密度にして2×10^15 m^-2）が報告されており、ミリ秒以下の短いプラズマパルスの動力学測定を可能にしている。

多チャンネル化と密度分布の再構成

単一チャンネルの干渉計が与えるのは線積分密度だけである。しかし密度制御や物理研究には、断面内の電子密度分布そのものが必要になる。このため現代の大型装置では、プラズマ断面を複数の視線（コード）で横切る多チャンネル干渉計が標準となっている。例えばEASTのPOINTシステムは11本の垂直コードを持ち、JETの遠赤外システムは垂直・水平の両方向に多数のコードを配置している。

図はEASTのPOINTシステムの光学配置で、赤い実線が11本の測定視線（CH1からCH11）を表し、プラズマ断面を縦方向に走査している。Rは大半径、Zは鉛直位置である。

線積分密度の集合から局所密度分布を再構成する問題は、本質的に不良設定問題であり、トモグラフィー的な逆問題として扱われる。円断面ならアーベル逆変換が最も単純だが、非円形断面には適用できない。変数分離法は非対称性に対応できるがシャフラノフシフトの大きい場合に不適であり、スライス・アンド・スタック法は高精度だが多くの測定データを要する。特異値分解（SVD）を用いた逆変換はトムソン散乱系のデータと組み合わせて密度分布の基底関数を得る手法であり、パーク行列法はEASTのような構成で11チャンネル程度のデータから補間計算を行う。いずれの方法でも、測定誤差やノイズが再構成された密度分布の不確かさとして現れる。

近年は、この逆問題を機械学習で解くアプローチが実用段階に入っている。EASTのデータを用いた逆伝播型ニューラルネットワーク（BPNN）による再構成モデルは、従来のパーク行列法より高い精度とノイズ耐性を示し、計算速度が速いためリアルタイム密度制御への適用が期待されている。また、機械学習モデルに対する感度解析は、どの測定チャンネルが再構成に寄与するかを定量的に評価する手段を与え、将来の反応器ではポートアクセスが厳しく制限される中で、チャンネル数と設置位置の最適化に役立つ。

実用上の制約：振動、フリンジジャンプ、リアルタイム制御

干渉計を核融合装置で運用する際の実際的な課題は、原理の単純さとは裏腹に多い。

第一に、機械的振動である。トカマクの診断窓からプラズマ中心までの光路は数十メートルに及び、鏡やビームスプリッターのわずかな動きも位相ノイズになる。二色干渉計ではデータ解析でこれを補償し、分散型干渉計では光学系の自己相殺で抑制する。いずれの方式でも、振動の性質と抑制機構の理解がシステム設計の出発点である。

第二に、フリンジジャンプ（位相の飛び）である。位相は2πごとに周期的であるため、急激な密度変化や信号強度の低下によって位相が何本分のフリンジに相当するかの追跡を誤ると、密度にフリンジ1本分（2π）の誤差が生じる。シャッタードペレット入射のような急激で大きな密度変化を追跡するには、フリンジジャンプを起こしにくい波長と検出方式の選択が重要で、これがSCDI-Uで1064 nmという比較的短い波長が選ばれた理由である。信号処理の面でも、FPGAを用いた高度な位相検出やアンサンブル平均化など、フリンジジャンプに強い実装が進んでいる。

第三に、リアルタイム性である。密度フィードバック制御は、プラズマの挙動を監視し、加熱やガス入射を調整して破壊を回避するためのプラズマ制御系の中核入力である。このため位相検出はリアルタイムで行われ、密度分布の再構成も制御周期に間に合う速度が要求される。従来の逆変換法がこの要求に遅れをとる場合、機械学習モデルが代替となりつつある。

第四に、長期信頼性である。JETの遠赤外干渉計・偏光計システムは1980年代の運転開始からJETの最後のプラズマ運転日まで約40年間稼働し、ほぼ完全自動化されたハイブリッド干渉計・偏光計として、複数レーザーによる冗長化、リアルタイム密度制御と加熱システムインターロックへの統合を実現した。ダイバータ導入によるアクセス制限やD-T運転対応のための二重真空窓（レーザー信号が5%まで減衰）といった厳しい条件でも、検出器の優れたダイナミックレンジにより測定が維持された。この経験は、ITER以降の反応器級装置で求められる診断設計——高温、強い電磁力、長パルス、トリチウムとD-T中性子による放射化、限定的なメンテナンスアクセス——への重要な示唆を与えている。

拡張：干渉計・偏光計とファラデー回転

干渉計の自然な拡張が、偏光測定との統合である。プラズマ中を伝搬する直線偏光は、磁場に平行な成分の存在下で偏光面が回転する（ファラデー回転）。この回転角は電子密度と磁場の平行成分の線積分に比例するため、干渉計と偏光計を同じレーザー系で同時に動かすことで、密度分布とともに電流分布に対応する磁場情報が得られる。さらに、偏光の楕円率の変化（コットン・ムートン効果）を測定すれば、磁場の垂直成分に関する情報も加わる。

JETの遠赤外干渉計・偏光計は、偏光測定を核融合プラントのリアルタイム密度制御と機器保護に使った最初の例であり、この方式は現在の遠赤外システム開発の多くで再現されている。EASTの偏光計・干渉計システムによる密度分布の進化の測定や、TEXTORでの遠赤外干渉計・偏光計によるプラズマ位置検出・制御も、この統合の実例である。

より新しい発展として、単一の検出器で干渉位相、ファラデー回転角、コットン・ムートン効果を同時に測定する偏光変調方式が提案されている。わずかにデチューンした三つの周波数成分（ω、ω−δω、ω+δω）をコヒーレントに合成して偏光変調された探査光を作り、別の共振器を局部発振器として使うことで、一つの検出器で三つの量を高周波で取り出す構想である。偏光変調が干渉位相に与える擾乱を許容範囲に抑えつつ、多チャンネル・複数回通過方式での密度および磁場分布測定を目指すもので、核融合炉級装置で求められる診断の簡素化と冗長性の両立に向けた方向性を示している。

また、干渉計データの用途は密度測定にとどまらない。DIII-DのCO2レーザー干渉計では、複数コードの位相信号のクロスパワースペクトルからアルフベン固有モードを検出する機械学習モデルが開発されている。アルフベン固有モードはミリ秒程度の短時間スケールで出現するため、高速で応答する検出手法が求められるが、CO2レーザー干渉計は共鳴やカットオフの制約を受けず、位相信号が日常的にプラズマ制御系で処理されているため、リアルタイム制御への応用に有利である。これは、干渉計が密度の静的測定から、高速プラズマ現象の診断と制御への入力へと役割を広げつつあることを示している。