イオンビームプローブ

イオンビームプローブ（ion beam probe、重イオンビームプローブ HIBP とも呼ばれる）は、磁場閉じ込めプラズマの内部を直接測定する能動診断法である。帯電した重イオンの細いビームをプラズマに打ち込み、プラズマ中で一次ビームが電離・散乱されて生じる二次イオン（二次ビーム）を検出する。二次ビームの強度・エネルギー・入射位置の変化から、ビームが通過した局所領域（サンプルボリューム）の電位、電子密度、およびそれらの揺動を求めることができる。トムソン散乱や干渉計が主に密度を測るのに対し、イオンビームプローブはプラズマポテンシャル（空間電位）の局所値を直接与えるほとんど唯一の診断法であり、トカマク・ヘリアカル装置の乱流研究、特にE×B流と径向電場の測定において中心的な役割を果たしてきた。

動作原理

原理は古典的な荷電粒子ビームのプラズマ中伝播に基づく。装置の外で加速された一次イオンビーム（例えばセシウムや金、バリウムなどの重金属の単荷電イオン）を磁場に沿ってプラズマに注入すると、ビームは磁場に垂直な方向にはサイクロトロン運動をしながら、プラズマ中の一点（サンプルボリューム）を通過する。そこで電子との衝突などによりイオンがさらに電離されて二重荷電になると、磁場中のラーモア運動の軌道が荷電量の分だけ大きく変化するため、二次イオンは元のビーム軌道から離れて装置外の検出器へ導かれる。この二次ビームだけを取り出すことで、「プラズマ中のどの点を測ったか」が幾何学的に一意に定まる。

測定量と物理量の対応は次の通りである。第一に、二次イオンはサンプルボリュームの局所プラズマポテンシャル φ だけ加速または減速されるため、二次ビームのエネルギーを測れば φ が直接得られる。第二に、一次ビームがサンプルボリュームで電離されて二次イオンになる確率は電子密度にほぼ比例するため、二次ビームの電流強度から局所密度 n_e が求まる。第三に、二次ビームの位置の変化から磁場揺動の効果を読み取ることも試みられている。時間分解能はビームの飛行時間と検出器の帯域で決まり、乱流の周波数スペクトル（数百kHz程度まで）を追える点が乱流研究で重宝される。

この診断の本質的な強みは、ビームがプラズマ中の物質（プローブ挿入体）ではないため、磁気面の内部中心部を乱すことなく測れる点にある。一方で、測定はビーム軌道という「一本の線」に沿った情報であり、空間分解能・再現性は軌道計算の精度に強く依存する。

装置構成：ビーム源、ビームライン、エネルギー分析器

装置は大きく三つの部分からなる。まずイオン源では、熱電離を利用したセシウム源などが用いられ、数十keVから数MeVの単荷電重イオンビームが生成される。エネルギーが高いほどプラズマ深部まで到達できるため、大型トカマクではMeV級の加速器が使われる。次にビームラインは、一連の静電レンズと偏向電極、そして装置自身の強いトロイダル磁場によってビームを細く絞り、目的のサンプルボリュームへ導く。トロイダル磁場中ではビームは強く曲げられるため、入射角とエネルギーを精密に制御して所望の磁気面に到達させることが課題となる。

最後に検出側では、二次ビームを静電型エネルギー分析器（多くの場合 30° または 127° の静電分析器）で受け、エネルギースペクトルと入射位置を同時に記録する。分析器の入口スリット位置とビームの入射角から、二次ビームがどのサンプルボリュームから来たかが分かる。エネルギー分析の分解能がそのまま電位測定の分解能を決めるため、数eV程度の電位変化を追えるよう分析器の安定度が重視される。

サンプルボリュームと軌道物理

サンプルボリュームとは、一次ビームが二次イオンに変換されて検出器に届きうるプラズマ中の領域であり、この診断の空間分解能を決める。実際には一次ビームの太さ、二次イオンのラーモア半径、そして検出器の受け付け角の三つが畳み込まれた有限の体積であり、その形状はトロイダル磁場中での複雑な軌道によって大きく歪む。

数値軌道計算と実験の比較から、サンプルボリュームには複数の「発散」型の異常、すなわち検出器側の受け付け条件によってはサンプルボリュームが異常に伸長したり分裂したりする挙動があることが確かめられている。このような挙動は測定の局所性を損なうため、逆に実験で観測されるサンプルボリュームの形状と軌道計算を突き合わせることで、プローブ系全体の幾何学較正を行う手法が確立されている。すなわちサンプルボリュームの研究は、単なる制約解析ではなく、診断系の精度を保証するための較正手段としての意味を持つ。

また、二次ビームのエネルギー幅は電離位置の分布とサンプルボリュームの広がりを反映するため、測定されたエネルギースペクトルの幅から空間分解能を見積もることができる。重いイオン（金など）を用いる場合、電離断面積がエネルギーに強く依存するため、密度測定の感度を正しく評価するには電子損失断面積の実験値と理論値の整合が重要になる。

測定：電位、密度、磁気揺動

イオンビームプローブが最も力を発揮するのは乱流測定である。二次ビームのエネルギー変動からプラズマポテンシャル揺動 φ̃、強度変動から密度揺動 ñ、そして両者の位相差から E×B に起因する乱流粒子フラックス Γ_E×B = ⟨ñ·∇φ⟩ が同時に得られる。L–H 遷移の研究では、遷移の瞬間にプラズマ全体で約 −100 V の電位低下が起こり、境界部に −100 から −150 V/cm に達する強い径向電場が形成され、それに伴って広帯域の密度・電位揺動と乱流粒子フラックスが境界部と中心部の両方で強く抑制されることが、コア直接測定によって示されている。また径向電場の分岐（バイファーケーション）現象の観測にも用いられ、Hモードの閾値論理を実測から検証する手段となっている。

密度揺動については、複数のサンプルボリューム位置でのスペクトル比較から分散関係が求められ、ドリフト波乱流のバルーニング特性（磁気面の外側で揺動が強まる性質）が実測されている。また、NBI で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）アルフベン固有モードの周波数変化と径向位置を追跡し、高速イオン駆動モードの空間構造を調べることにも成功している。これは、モードの存在を磁気プローブで拾うだけでなく、その「居場所」をコアで特定できるという、この診断ならではの能力である。

磁場揺動の測定は原理的には可能であるが、解釈には注意を要する。二次ビームの位置変化には電位揺動によるビームの偏向も寄与するため、磁場揺動成分を分離するには軌道計算に基づく詳細な解析が必要である。実際、イオンビームプローブで測られた磁気揺動のレベルが、プラズマ境界に置いた磁気プローブによる測定値より一桁以上大きくなるという報告があり、これがビームと乱流の共鳴相互作用による見かけの寄与なのか、それともコア内部で本当に境界より強い磁気乱流が存在するのかは、未解決の問題として残されている。同様に、二次ビームのエネルギーに数百eVに及ぶ大きな変動が観測されることがあり、これをそのままプラズマポテンシャル揺動とみなすことの妥当性についても議論がある。乱流の伝播速度が流体速度より速く観測される問題と合わせて、これらはイオンビームプローブの解釈に固有の基礎的課題である。

応用と課題

イオンビームプローブは、TEXT、TEXT-U、JFT-2M、JIPP T-IIU、CHS、TJ-II、LHD、TUMAN-3M、ASDEX Upgrade など、多数のトカマク・ヘリアカル装置に導入されてきた。導入の目的は装置によって異なり、電位プロファイルの測定を主目的とするもの、乱流とその径向構造の研究を主目的とするもの、アルフベン固有モードのような高速イオン駆動モードの観測を主目的とするものなどがある。近年は、二次ビームを二次元検出器で結像してポロイダル断面の電位・密度プロファイルを一括で得る「イメージング型」の方式が開発され、ASDEX Upgrade で初測定が行われている。また球面トカマクや新しいヘリアカル装置への適用も構想されており、装置の大型化・高磁場化に対応してビームエネルギーを上げる方向と、二次元検出で時間・空間情報を増やす方向の二つに進化が進んでいる。

一方で、この診断が本質的に抱える制約もある。第一に、測定はビームが到達できる領域に限られ、高磁場・大型装置ではビームを中心部まで届かせるために高エネルギー加速器が必要となり、装置が大がかりになる。第二に、測定値の解釈が軌道計算の精度と電離断面積の信頼性に依存し、サンプルボリュームの局所性が磁場配位によっては損なわれる。第三に、前節で述べた磁気揺動やエネルギー変動の解釈問題のように、測定量と物理量の対応が単純でない場合がある。それでもなお、プラズマポテンシャルの局所値を直接与え、電位・密度・粒子フラックスを同時に時間分解測定できる診断は他にほとんどなく、磁場閉じ込めプラズマの乱流・輸送研究において、イオンビームプローブは今後も固有の位置を占めると考えられる。