非熱電子

非熱電子（ひねんでんし、nonthermal electrons）とは、プラズマ中でマクスウェル分布から外れた高エネルギー側の速度分布を持つ電子群のことである。核融合プラズマでは、ループ電圧による加速、高周波加熱による注入、磁気再結合に伴う誘導電場などが原因で、熱平衡から大きく外れた速い電子が常に発生しうる。これらの電子は硬X線や電子サイクロトロン放射を通じて観測され、プラズマの加熱や電流駆動に寄与する一方、ディスラプション時の暴走電子ビームの種となるなど、装置運転上の重要な課題とも結びついている。

定義と速度分布

熱平衡にあるプラズマでは、電子の速度分布はマクスウェル分布に従い、その幅は電子温度で決まる。例えば温度1 keVのプラズマでは、数百keVのエネルギーを持つ電子はほとんど存在しない。ところが実際のトカマクプラズマでは、この裾を大きく超えるエネルギーの電子が観測されることがある。これが非熱電子であり、分布関数を「熱的なマクスウェル成分」と「高エネルギー側の非熱成分」の和で表すことで定量的に扱われる。非熱成分の特徴は、そのカットオフエネルギー（分布が伸びる上限）と、全電子数に占める割合である。観測例では、数十keVから数百keV、場合によっては1 MeV近くに及ぶエネルギー帯が報告されており、カットオフが数百keVに達する集団が磁気島の飽和期に1秒以上保持された例もある。

非熱電子の存在は、放射スペクトルの形に直接現れる。熱的な電子サイクロトロン放射は電子温度を反映した単純なスペクトルを与えるが、非熱成分が存在すると、熱放射のスペクトルから外れた過剰成分や、高エネルギー側に裾を引くスペクトルが観測される。硬X線スペクトルをエネルギー対カウント数の対数プロットで見ると、熱的な部分は急峻な減衰を示すのに対し、非熱成分が加わると緩やかな減衰に変わり、その傾きから非熱電子の「温度」（分布の平均エネルギー）を見積もることができる。実際の観測では、磁気流体力学（MHD）が静穏な時期、磁気島が成長する時期、島が飽和する時期の三つの位相で、硬X線スペクトルの傾きが系統的に変化することが示されている。非熱電子の分布を記述するモデルとしては、マクスウェル分布に冪乗の裾を加えたコルモゴロフ型の分布や、q非拡張分布などが用いられ、これらはソリトンや二重層などの非線形構造の理論解析にも広く使われている。