分子線

分子線入射（supersonic molecular beam injection, SMBI）は、核融合プラズマの燃料供給（fuelling）を目的とした粒子入射法の一つである。高圧のガスをラバルノズルと電磁弁から真空容器へ断熱膨張させて射出し、マッハ数の大きい整流化された分子ビームとしてプラズマ縁へ注入する。従来のガスパフ（GP）よりも時間応答が速く入射量の調整幅が広く、ペレット入射（PI）よりも装置が単純で繰り返し周波数を高くできる（例えば500 Hz級の運転が報告されている）という中間的な性格を持ち、中国のHL-1M、HL-2A、EAST、日本のJT-60U、インドのAditya、KSTAR、J-TEXTなど多くのトカマクで常用装置として整備されてきた。燃料供給のほか、ELM（エッジ局在モード）緩和、輸送研究、不純物シード、ランナウェイ電子の緩和など、プラズマ物理実験の摂動源としても広く使われている。

原理と注入器の構成

SMBIの注入器は、本質的には電磁弁とラバルノズル（先細後広の収束・発散ノズル）の二要素からなる。高圧の燃料ガス（水素、）をノズル背後に短時間供給すると、ノズルスロートを境に気流は音速に達し、発散部でさらに加速されて超音速の分子ビームとなる。急速な断熱膨張に伴って気体の温度と密度が低下するため、条件によっては気体が過飽和状態になり、粒子同士の衝突で水素クラスター（数百原子規模）が生成する。この性質を積極的に利用したのが低温SMBI（LT-SMBI）であり、ノズルと電磁弁周辺を液体で予冷して膨張前のガス温度を下げることでクラスター生成を促進する。クラスターはイオン化に要する時間とエネルギーが分子より大きいため、マイクロペレットのように振る舞い、プラズマ中をより深く進む。