イオンビーム

イオンビームとは、電離した原子や分子を電場で加速し、ほぼ同一の方向に整列させて得られる荷電粒子流のことである。核融合研究においてイオンビームは二つの顔を持つ。一方では、水素や重水素のイオンを中性化してプラズマに注入する中性粒子入射（NBI）の基となる加熱・電流駆動手段であり、他方では、重イオンビームプローブやイオンビーム分析のように、プラズマや材料を外部から診断する探針として用いられる。さらに強力なレーザーを固体標的に照射して生成される超短パルスイオンビームや、慣性核融合の燃料加熱を狙った強度イオンビームの輸送研究など、ビームそのものが研究対象となる分野も広がっている。本項では、核融合とプラズマ物理の文脈におけるイオンビームの生成、伝播、不安定性、診断への利用を概説する。

イオンビームの生成と加速（負イオン源とNBI）

磁場閉じ込め核融合のプラズマ加熱では、イオンをそのまま入射すると磁場で偏向されて閉じ込め領域に入れないため、電荷を取り除いた中性粒子として注入する。中性化の効率はイオンの種類とエネルギーに強く依存し、正イオンを用いる方式では中性化率が高エネルギー域で急落するため、大型装置が要求するメガ電子ボルト級の入射には負イオンを用いる方式が必須となる。負イオンの中性化率は高エネルギーでも約55パーセントを保てる。このためITERの加熱中性粒子入射では、約1メガ電子ボルト、16.5メガワット、1時間の入射が設計目標とされている。

負イオン源では、まずプラズマ源内で水素プラズマを生成し、磁場フィルタによって引き出し領域近傍の電子温度と電子密度を下げたうえで、セシウムを塗布した電極表面からの表面生成によって負イオンを効率よく作る。生成された負イオンは多孔・多段グリッド加速器で高エネルギーまで加速されるが、この過程では負イオンと同時に多量の電子が共に引き出される。共抽出電子は偏向磁場で抽出グリッドへ導かれるため、その電流が不均一だとグリッドの局所発熱を招く。このためビームの均一性は90パーセント以上が要求され、プラズマ密度の空間分布、セシウム被覆の安定性、フィルタ磁場の方向と強さがビーム品質を直接左右する。実際、ITER用の実寸大負イオン源を用いた初期運転では、プラズマのドリフトに起因する上下方向だけでなく左右方向の不均一性が実験的に初めて確認されるなど、シミュレーションが予測しなかった挙動が示された。診断が困難な大型の電気陰性プラズマでは、引き出しされるビーム自体が引き出し領域の局所的な負イオン密度を知る最も確実な手段になるという点も特徴的である。

長パルス・高電力運転の実証は世界的な開発課題である。ガルヒングのELISE試験施設ではITERサイズ半分のイオン源で600秒・約30アンペアの引き出しに成功し、共抽出電子の増加と不均一性の抑制という課題に道を開いたが、加速電圧は約50キロ電子ボルトに限られる。那珂のMeV試験施設ではITER型・JT-60SA型の多孔多段加速器により、0.97メガ電子ボルト・60秒（電流密度190 A m⁻²）や0.5メガ電子ボルト・118秒の加速が達成され、長パルス運転ではセシウム壁条件の精密制御が負イオン生成の安定化に鍵であることが示された。一方、ITER中性粒子入射試験施設では実寸大高周波イオン源SPIDERと全システム原型MITICAが整備されつつあるが、ガス排気の制約から引き出し面積を絞った運転が続いており、長パルス・高電力の実証には至っていない。このような状況の中、中国のCRAFT計画のもとで建設された負イオン源試験施設では、デュアルドライバ高周波負イオン源を備えた試験台において、100秒・メガワット級のビーム加速が達成された。同施設は200～400キロ電子ボルト、2～4メガワット、100～3600秒の中性水素ビームを実証目標に掲げており、負イオン源研究に特化した試験台と入射装置全体の原型機が電源・冷却・極低温設備を共用する構成を取っている。

負イオン源の全体構造と加速グリッドの形状を示す。

図には、大気中に設置された試験台とゲートバルブを介してビームラインに接続されたデュアルドライバ高周波負イオン源の外観（a）と、セシウム蒸着ポート、高周波ドライバ、バイアス板、放射シールドを含むイオン源の断面図、ならびにプラズマグリッドから加速グリッド・減速グリッドに至る電極孔の構造と印加電圧（b）が示されている。

ビーム・プラズマ不安定と相互作用

イオンビームは、それ自体が分布関数に局所的な山を持つ粒子集団であり、背景プラズマと共存させると自由エネルギーの供給源となる。ビームの速度が背景プラズマの波の位相速度と一致すると、二流体不安定（ツーストリーム型）やイオン音波不安定が励起され、ビームの運動エネルギーが波に移る。単独のイオンビーム・プラズマ緩和波との相互作用による静電加速や、ビームが自ら作ったプラズマ中で純イオンベルン波を励起する現象、磁化プラズマでのイオンサイクロトロン共鳴不安定、ハリス型イオンビームサイクロトロン不安定の観測など、共鳴相互作用の多彩な様相が研究されてきた。これらの不安定は、ビームのエネルギーが波動を介して背景イオンに移る経路を与える点で、宇宙空間の衝撃波面におけるイオン加速の説明にもつながっている。一方で、強度イオンビームが背景プラズマ中を進む際に生じる戻り電流層の二流体安定性の解析のように、不安定の有無がビーム輸送の成否を左右する場面もあり、ビーム・プラズマ相互作用の理解は加熱と輸送の両面で本質的である。

背景プラズマおよび標的室中での強度イオンビームの伝播

トカマク加熱への応用を狙った初期の研究では、真空空間を横切る磁場に垂直に入射した強度イオンビームが、空間電荷の中和と反磁性電流によって磁場を横切って伝播し、プラズマ内部まで到達してエネルギーを沈着しうることが示された。ビームのエネルギー、半径、電流の値を適切に選べば、磁場に垂直な入射でも閉じ込め領域の深部まで侵入できるという見通しは、従来の接線入射型NBIとは異なる加熱方式の可能性を開いた。

慣性核融合の重イオンビーム加熱では、反応室を満たす気体やプラズマ中を数メートルにわたってビームを輸送し、標的に集中させる必要がある。この過程では、ビームの空間電荷を背景プラズマの電子が中和する一方で、戻り電流や二流体不安定がビームの前端を歪ませ、エネルギー沈着の分布を変えうる。反応室内での伝播を扱う三次元電磁粒子シミュレーションや、気体標的室を通過するビームの輸送計算と測定が行われており、ビームの自己磁場と背景プラズマ応答のバランスが輸送効率を決めるという描像が共有されている。また、重イオンビームが標的コロナ中で受ける電荷交換とエネルギー損失の物理も、標的加熱の設計に不可欠な要素である。

プラズマ診断としてのイオンビーム

イオンビームは、プラズマ内部を非接触で測る優れた探針にもなる。重イオンビームプローブは、一次ビームとして装置外から単一電荷状態の重イオン（例えばタリウムやセシウム）を入射し、プラズマ中で二次的に電離されたイオンの軌道とエネルギーを装置外の検出器で解析することで、磁場中のプラズマの電子密度・電位・密度揺らぎの二次元分布を求める手法である。電位を直接測定できる数少ない診断であり、JFT-2Mでの試料体積の挙動の解明、大型ヘリカル装置向けの電荷状態比とエネルギー幅の評価、TJ-IIステラレータにおける極向断面の二次元プロファイルと揺らぎ測定など、装置ごとの展開が続けられてきた。一方、軽イオンビームプローブを用いれば、磁場擾乱によって失われる高エネルギーイオンの損失過程を局所的に調べることもでき、ASDEX Upgradeでの実験に見られるように、擾乱磁場下の高速イオン輸送の検証に寄与している。

材料分野では、イオンビーム分析が核融合炉材料の評価手段として定着している。メガ電子ボルト級のイオンを試料に当て、ラザフォード後方散乱や核反応で生じる粒子・放射線から元素組成と深さ分布を求める手法であり、ベリリウム・銅接合部の品質検査や、リチウム薄膜の性質とヘリウムプラズマとの関係の研究など、第一壁・ダイバータ材料の評価に広く使われている。多目的の分析チャンバが整備され、核融合材料科学の標準的ツールとなっている。

レーザー駆動イオンビーム

超強力レーザーを固体薄膜に照射すると、標的後面で加速された電子が生む静電場（目安としてテラボルト毎メートル級）によってイオンが極めて短時間に加速され、良好な指向性を持つイオンビームが得られる。100テラワット級レーザーを用いた実験では、50メガ電子ボルトの陽子や100メガ電子ボルトのフッ素イオンが観測され、レーザーエネルギーのかなりの割合が整列したイオンビームに変換されることが示された。パルス幅が極めて短く、加速器由来のビームを大きく上回る横エミッタンスを持つ点が最大の特徴である。標的後面の状態にビーム特性が強く依存するため、標的表面の設計によってビームを制御できること、また表面の水素を抑えて重イオンビームを取り出せることも確認されている。この種のビームは、陽子ラジオグラフィや電場イメージング、標的中の相対論的電子輸送の診断など、レーザー・固体相互作用そのものの測定手段としても有用であり、核融合材料研究向けの多層フォイル標的の開発など、応用の幅を広げつつある。