マイクロ波反射計測

マイクロ波反射計測(マイクロ波はんしゃけいそく、microwave reflectometry)は、プラズマにマイクロ波を入射し、電子密度に対応するカットオフ層(遮断層)で反射して戻ってくる波の遅延時間や位相を測ることで、電子密度分布およびその変動を高時空間分解能で求めるプラズマ診断法である。レーダーと同じ原理に基づくこの手法は、トカマクやヘリカル装置など磁気閉込めプラズマのほぼすべての主要装置に導入されており、密度勾配領域における乱流・輸送研究の中心的診断の一つと位置づけられている。放射線環境下でも堅牢に動作することから、将来の核融合炉における診断候補とも考えられている。

原理：カットオフ反射とレーダー測距

磁化プラズマ中を伝播する電磁波は、その周波数に対応した臨界密度(カットオフ密度)を超える電子密度の領域に入ると伝播できなくなり、そこで全反射する。Oモードではカットオフ密度は周波数の2乗に比例するため、入射周波数を変えれば反射位置(カットオフ層)の密度を掃引できる。Xモードでは磁場もカットオフ条件に入るため、磁場分布の知識を併せて用いる。反射波と入射波の間に生じる位相差は、カットオフ層までの往復光路長に対応しており、これを「レーダー測距」として読み取るのが反射計測の基本である。

実際の装置では、掃引した周波数に対する反射信号の位相(あるいは周波数変調連続波方式におけるビート周波数)から光路長を求め、真空容器壁からカットオフ層までの距離に変換する。空間分解能は波長程度、時間分解能は掃引速度に支配され、マイクロ秒からミリ秒オーダーの密度変化を追うことができる。測定対象の密度範囲に対応して、例えば数十GHz帯のマイクロ波が用いられ、導波管とアンテナ(しばしば楕円鏡と組み合わせた準光学系)を介してプラズマに照射される。HSXにおける前端部の配置では、ボックスポート内のアンテナと楕円鏡から放射されたマイクロ波がプラズマ中のカットオフ磁束面で反射して戻る様子が光線追跡により示されている。