中性子カメラ

中性子カメラ（neutron camera）とは、核融合プラズマから放出される中性子を、多数の視線（ライン・オブ・サイト）に沿って空間的に分解して測定する診断装置である。各視線はコリメータ（鉛やポリエチレンなどの遮蔽体に開けられた細い穴）と中性子検出器の組み合わせからなり、視線ごとの積分中性子強度、すなわち線積分中性子放出率を与える。これらを逆問題として解くことで、プラズマ断面内の中性子放出率分布（発光分布に相当する量）を再構成できる。中性子はプラズマ中を磁場の影響もなく真っ直ぐに逃げるため、中性子放出分布は燃料イオン密度とイオン温度の情報を直接運ぶ。このため中性子カメラは、核融合出力の空間分布、イオン温度分布、燃料比（nD/nT）分布の測定、そしてアルファ粒子をはじめとする高速イオンの閉じ込め研究の中心的診断となる。図に、球面トカマクMAST-Uに設置された中性子カメラのアップグレード版（NCU）の構造を示す。左図は鉛遮蔽と高密度ポリエチレン遮蔽の内部に配置された6台の検出器（橙色）とその視野（青）を、右図は各視線のプラズマへの入り込み方と、軸上・軸外しの2本の中性粒子ビーム入射位置（緑）との関係を上から見たものである。

視線の配置とカメラの幾何

中性子カメラの性能は、視線をプラズマ断面にどう通すかでほぼ決まる。代表的な配置は、トカマクの赤道面に沿ってプラズマ中心を横切るように視線を扇状に並べる「半径方向（ラジアル）カメラ」である。ITERではこの方式が基本計画とされ、ポロイダル断面のほぼ全域を覆う多数のコリメータ付き視線が、プラズマ中心付近で交差する扇形の幾何をなす。視線が中心を密に通るほど断面中心の分解能が上がる一方、外周部の情報は疎になるため、視線本数と配置は再構成したい分布の構造との兼ね合いで設計される。図に、ITER半径方向中性子カメラ基本計画における視線配置を、DT燃焼シナリオの磁気面とともに示す。各番号付きの視線がプラズマ断面を扇状に横切り、一部の視線はガンマ線スペクトロメータや高分解能中性子スペクトロメータとの共用のため省略されていることが分かる。

これに対し、プラズマの上下から断面を貫く「垂直方向カメラ」を組み合わせると、同じ断面を異なる方向から見ることになり、非対称な放出分布の再構成が可能になる。JETの中性子カメラはこの複合構成の代表例で、水平（半径方向）と垂直の2つの扇状コリメータ群を備える。図に、JET中性子カメラの視線配置を示す。上から降りる垂直視線群と、赤道面近くから入る水平視線群がプラズマ断面（赤の磁気面）を二方向から覆っており、チャンネル番号（#1〜#19など）が各視線に対応している。

さらに、視線をトロイダル方向の接線に対して浅い角度で通す「接線方向」の配置は、トロイダル方向の速度成分を持つ高速イオン（例えば中性粒子ビームで生成されるイオンやアルファ粒子）の寄与を強調して見たい場合に有効である。接線視線と垂直視線の測定値の差や比から、高速イオン分布の異方性を読み取ることができる。装置の規模や目的に応じて、ITERのような大規模・多視線の恒久システムから、MAST-Uの6視線のような小型プロトタイプまで、幅広い構成が実在する。

検出器と遮蔽

各視線の終端には中性子検出器が置かれる。空間分解能を保つには視線を細くする必要があり、その分だけ検出器に届く中性子数は少なくなるため、検出器には高効率と高速計数が求められる。実績のある選択としては、有機液体シンチレータ（例えばNE213）があり、パルス形状弁別（PSD）電子回路と組み合わせることで、2.5 MeVのD-D中性子と14.1 MeVのD-T中性子を同時に計数できる。プラスチックシンチレータを14 MeV中性子専用に使う構成も一般的である。近年は、波長移動ファイバーと組み合わせた有機液体シンチレータを用いたコンパクトな検出器や、ヘリウム4ガスシンチレータ検出器の開発も進められている。

遮蔽は検出器と同じくらい重要である。中性子カメラの視線穴は、本来は遮蔽体を貫通する「漏れ道」でもある。プラズマから直接入射する中性子だけでなく、装置構造物で散乱された中性子や、隣接する視線・他の機器から回り込むガンマ線・中性子が検出器に入り込むと、測定は系統的に歪む。このため、視線ごとの応答は、散乱成分や隣接視線からの寄与を含む「寄与行列」として事前に中性子輸送計算で求めておき、測定値の解釈に使うのが標準的な手法となっている。ITERの半径方向カメラでは、ポータを貫く機内側（in-port）と機外側（ex-port）システムの分割、電子機器を収める遮蔽キャビネットの核設計、電磁力・熱・地震荷重に対する構造強度評価、そして長パルス運転に耐えるリアルタイム計測系の設計まで含めた、大規模な工学開発が進められている。キャリブレーション戦略も設計の一部であり、運転前に検出器の効率と視線応答を実測で確定することが求められている。

断面分布の再構成

視線測定から放出率分布を得るのは、典型的な離散逆問題である。各視線の測定値は、その視線に沿った放出率の線積分なので、分布を有限個の基底（例えば磁気面座標上の格子）で表せば、測定値は重み行列と分布の積で書ける。この重み行列は前節の寄与行列そのものであり、視線本数より独立な情報は少ないため、何らかの正則化が必要になる。

実用上は、イオン速度分布がマクスウェル分布に従い、放出率が磁気面上で一様という仮定を置くと、二次元問題は一次元（動径方向）問題に縮約できる。ITERの燃焼制御ではこの一次元再構成を10 msの時間分解能・10%の精度でリアルタイムに行うことが要求されており、ティコノフ正則化などを用いた高速アルゴリズムが実装されている。再構成手法としては、最小フィッシャー情報法、最大エントロピー法、最尤法など複数の系統が比較検討されており、精度・堅牢性・計算時間のトレードオフが評価されている。一方、放出率分布が非対称になる場合、例えばプラズマ不安定性が働く場合や非熱的イオン分布が存在する場合は、二次元トモグラフィー（最小フィッシャー正則化など）が必要になるが、これは計算負荷が高く、主にオフライン解析に向く。さらに、各視線にコンパクトな中性子スペクトロメータを置けば、スペクトル幅からイオン温度を、スペクトル比から燃料比を求めることができ、展開（unfolding）と空間逆問題の組み合わせによってイオン温度分布そのものを再構成する手法も提案されている。

物理応用：高速イオン・セーチング・燃焼制御

中性子カメラが最も力を発揮するのは、高速イオンの閉じ込め研究である。D-T反応の中性子放出率は熱イオン同士の反応だけでなく、ビーム入射イオンやアルファ粒子といった高速イオンの寄与に強く敏感であり、放出率分布の時間変化は高速イオン分布の変化を直接映す。セーチング（中心緩和振動）が起こると、m=1の摂動が中心部の高速イオンを外側に再分配し、それに応じて中心視線の計数率が急減し外側視線が増えるという空間パターンが観測される。図に、JET放電におけるセーチングクラッシュ前後の中性子カメラ計数率の変化を示す。クラッシュ直後（赤）には中心チャンネル（#1〜#10）の計数率が低下し、外側チャンネル（#11〜#19）で相対的に増加しており、高速イオンが中心から外へ移動したことが視線分解で直接読み取れる。

球面トカマクMAST/MAST-Uでの系統的な研究では、セーチングによる高速イオンの再分配が、通過軌道イオンと閉じ込め軌道イオンでほぼ同数ずつ起こることが、中性子カメラ観測とトランスポルト解析の比較から示された。さらに完全軌道計算による解析から、再分配に明確なエネルギー閾値はなく、再分配の特徴的時間がm=1/n=1摂動とその高調波の周波数と同程度であることが分かり、球面トカマクでは古典的なE×Bドリフトによる輸送に加えて、m=1摂動と高速イオン軌道との共鳴機構が働いている可能性が示唆されている。同様の手法は、トロイダル・アルフベン固有モードやフィッシュボーン、新古典ティアリングモードといった高速イオン駆動不安定性の研究にも適用されている。逃走電子（runaway electron）の研究でも、FTUの中性子カメラを用いた観測例がある。

ITERでは、中性子カメラの役割は研究用を超えて運転制御にまで広がる。燃焼プラズマでは、中性子放出率分布（すなわち核融合出力密度分布）をリアルタイムでプラズマ制御系にフィードバックする必要があり、10 msの時間分解能・10%の精度・5 ms以内の遅延という要求が課されている。イオン温度分布や燃料比分布の測定も、燃焼状態の最適化に直結する。この意味で、中性子カメラは単なる診断装置ではなく、燃焼トカマクの制御系を構成するセンサーの一つとして設計されている。