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、重水素）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窒素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。

低温化を実現した注入器の内部構造を、次の断面図に示す。

図は液体窒素デュワーとガスバッファを備えた低温SMBI系の断面であり、電磁弁、ノズル、液体窒素の出入口がどのように配置されるかを示している。常温系（RT-SMBI）との差は主にこの予冷部の有無であり、ノズル・電磁弁という基本構成は共通である。なお、HL-2Aではクライオトラップ付きの低温系が複数機種に導入され、J-TEXTでは低密度プラズマ条件下で常温系より約30%高い燃料効率が報告されている。

ビームとプラズマの相互作用・侵入深さ

注入された分子はエッジプラズマ中で解離・イオン化され、その運動量とプラズマ側の衝突阻止の競合が侵入深さを決める。したがって侵入深さは、入射分子フラックスと、ビーム経路上の初期プラズマ密度・温度に依存する。局所密度が大きく上昇すると解離・電離率が増えて侵入はむしろ浅くなるという負帰還が働き、これがSMBIの侵入が本質的にエッジ寄りに留まる主因である。境界プラズマ乱流コードを用いた二次元シミュレーションでは、中性粒子は最外殻磁気面（LCFS）から数cm内部まで侵入し、経路に沿って密度上昇・温度低下が生じること、また入射中に平行方向の圧力不均衡が駆動する沿磁力線イオン流によって高密度領域が極方向へ急速に広がること、入射終了後は約60 msで入射前のプロファイルへ緩和することが示されている。

実験的にも、ビームの侵入は単純な単一成分ではない。重水素リザーバに少量混入した水素の存在により、ビームは速い成分と遅い成分に分かれて観測される。HL-2Aでの接線方向DαアレイとCCDカメラによる観測では、速い成分はLCFSから約8.5 cm、遅い成分は約4 cm内部まで到達し、侵入深さの入射前プラズマパラメータや背圧への依存は弱いことが示された。JT-60Uでも高速TVカメラによるイオン化領域の観測から、背圧を0.2 MPaから0.6 MPaに上げてもイオン化領域の前端位置はほぼ変わらず面積が拡大するだけ、という同方向の結果が得られており、背圧を上げても深さは簡単には増えないことが分かっている。この「深さが頭打ちになる」制約を突破する方針の一つが前節のクラスター化であり、HL-2Aでは低温化により約6 cmの侵入深さ増加が報告されている。

燃料効率：ガスパフ・ペレットとの比較

燃料効率（入射粒子のうちプラズマに取り込まれる割合）はSMBI評価の中心指標である。HL-2Aリミター配置での典型値は30–60%とされ、入射粒子数で規格化したDα発光はガスパフより約50%高い。つまり同じ量を入れたとき、より多くの粒子がプラズマに入る。効率が高い理由として二つの機構が実験的に示されている。第一に、入射後の密度減衰が遅く、コアとエッジの干渉計チャンネルが逆位相で変動する観測から、電子温度勾配の増強に駆動される内側への粒子ピンチ（inward pinch）が働くこと。第二に、SMBIはガスパフに比べて規格化電子温度勾配が最大2倍に増強され、これ自体が取り込みを促進することである。一方で効率の測定値が大きくばらつく主因は入射深さの違いではなく、入射後の電子密度の減衰時間のばらつきにあるとされる。

JT-60Uでは、同一密度を達成するのに必要な入射粒子量はガスパフより明確に少なく、ペレット入射と同程度であった。ペレットの方が深くまで入るにもかかわらず効率が拮抗するのは、SMBIがエッジに局所的に強い冷たい粒子源をつくり、そこでの輸送応答で粒子が保持されるためと解釈されている。効率の背圧依存性と入射方向（高磁場側・低磁場側）依存性はともに弱い。ただし、プラズマ密度・温度が高いほど効率は低下するという一般的傾向があり、これがSMBIを炉規模装置の主燃料供給手段とする上での主な制約とされている。クラスターを含むビーム（クラスタージェット入射）では、粒子が経路に沿って一様にアブレーションされず終端領域に堆積する様子が複数診断で確認されており、侵入深さ・効率とも通常のSMBIを上回る。

プラズマ物理への応用：ELM緩和と輸送摂動

SMBIは燃料供給手段としてだけでなく、制御された「冷たい粒子パルス」をエッジに注入できる摂動源として、プラズマ物理実験に広く使われている。最も重要な応用がHモードプラズマのELM緩和である。ペダルスタル内部に冷たい粒子を堆積させると、ELMの頻度が増加し振幅が減少する。HL-2Aでは、この緩和はペダルスタル内の高周波変動と輸送イベントを増やし、ペダルスタル全幅にわたる大規模輸送イベント（大きなELM）の発生を抑制することで起きると解釈されており、浅い粒子侵入でもELM緩和が達成できることがモデル解析と合わせて示された。効果は入射圧力とパルス幅に依存し、不純物混合ガスをシードした場合の検討も行われている。また、SMBIパルス中にはダイバータターゲットへの熱負荷が入射前の0.4倍に低下することが観測されており、ダイバータ位置への専用注入系を用いた放射ダイバータ制御（従来の「パフ・アンド・ポンプ」方式より時間応答が速く入射量範囲が広い）への展開も進められている。

輸送研究の道具としては、SMBIパルスはエッジからコアへの粒子輸送を時分割で調べる標準的な摂動実験を可能にする。マイクロ波反射計と組み合わせて冷たいパルスの内方伝搬を追跡する手法、オーミックプラズマでSMBIが誘起するコヒーレントモードの観測、間欠的な対流輸送の抑制、非軸対称磁場摂動下での応答などが調べられている。さらに、大量の粒子入射に伴う衝突・放射阻止によりランナウェイ電子が熱速度まで冷却される効果が注目され、ランナウェイ電子緩和への応用が小型トカマクで検証されている一方、電子サイクロトロン加熱との併用条件下では逆にランナウェイ電子が増強される場合もあることが報告されており、ランナウェイ制御への適用は状況依存的である。このようにSMBIは、単純な装置でミリ秒オーダーの粒子パルスを繰り返し注入できることを武器に、燃料供給・エッジ制御・輸送物理の三つの役割を一つの系で担う手法として定着している。