プラズマ電位

プラズマ電位（plasma potential）とは、プラズマ内部に自然に形成される空間電位のことであり、その局所的な値から磁場に垂直な方向の電場 E = −∇φ が定まる。プラズマは電子とイオンの質量が大きく異なるため、両者が独立に動くと電荷分離が生じ、その結果として生じる電位は電子とイオンの流動を結び付ける役割を果たす。プラズマ電位は単なる従属変数ではなく、閉じ込め性能を左右する半径方向電場の起源であり、シースやスクレイプオフ層（SOL）での粒子の入射エネルギーを決める量でもある。そのため、トカマクやステラレータ、ミラー、低温プラズマ装置のいずれにおいても、プラズマ電位の測定と制御は中心的な診断・研究課題となっている。

定義と物理的起源

プラズマ電位の最も基本的な性質は、準中性を保つように自己無撞着に形成されるという点にある。電子はイオンよりはるかに軽いため、熱速度が大きく、系の端から逃げようとする。電子が失われるとプラズマ本体は正に帯電し、電子を引き戻す電位が生じる。このとき電子はボルツマン分布 n_e ∝ 指数関数 exp(eφ/T_e) に従うようになり、電位は電子温度 T_e のオーダーで決まる。境界では電子の損失が速いため、プラズマ本体は壁に対して正の電位（典型的には T_e の数倍、すなわち数電子ボルトから数十電子ボルト）に浮かび、その差がシース電位降下として現れる。

一方、磁化された高温プラズマ、特にトロイダル閉じ込め装置の中心部では、電位の形成は電子の平行磁場方向の輸送と、交差磁場方向の輸送のバランスで決まる。端部の磁力線が確率的に乱れたり、RF 波による電子の加速が加わったりすると電子の損失が優勢となり、バルクのプラズマ電位は正方向へ動く。逆に中心密度が高い条件では電位は負方向に進む。トカマクとステラレータを重イオンビームプローブで直接比較した実験では、加熱方式が異なっても類似の振る舞いが見られ、中心部で数百ボルトに及ぶ電位と、それに伴う数十 V/cm オーダーの半径方向電場が観測されている。この種の電位形成は、粒子や熱の閉じ込めを通じて電子・イオンの輸送を自己調整する機構であり、新古典的な輸送機構がその形成に大きく寄与するとのモデル計算も示されている。

電位の絶対値そのものより重要なのは、その半径方向勾配である。磁場に垂直な電場は E×B ドリフトを生み、これがプラズマ柱全体の回転と、乱流による輸送の抑制を支配する。したがってプラズマ電位プロファイルの形状——中心で負、端で正、あるいはその逆——は、閉じ込めの良し悪しと直接に結び付いている。

測定手法

プラズマ電位は電極を直接入れても正確には測れない。ラングミュアプローブが受ける浮遊電位は、電子とイオンの飽和電流が等しくなるように自己調整された値であり、電子温度とイオン質量に依存する補正項（イオンのマッハ数を含む）だけプラズマ電位からずれる。そこでいくつかの専用手法が発達してきた。

最も広く使われるのはエミッシブプローブである。加熱したフィラメントから電子を放出させると、放出電子がプローブ周囲の電位を局所的にプラズマ電位まで引き上げ、浮遊電位がプラズマ電位に漸近する。この「遷移点」や飽和電流の交差からプラズマ電位を直接読み取れるため、低温プラズマや磁化プラズマの揺動測定で標準手法となっており、自動化された測定系も報告されている。二次電子放出を利用してプローブ表面の電位を直接指示する手法も提案されている。

磁化された高温プラズマの中心部では、プローブを入れることができないため、重イオンビームプローブ（HIBP）が唯一の局所電位測定手段となる。これは細い重イオンの一次ビームをプラズマに打ち込み、二次イオンの飛行時間とエネルギーを静電アナライザで測ることで、ビームが通過した点の電位を求めるものである。T-10、TJ-II、ISTTOK、TUMAN-3M など多くのトロイダル装置で、電位の絶対値とその乱流揺らぎの両方を測定するのに用いられてきた。エネルギーアナライザ側の改良、例えば複数コレクタ型の走査型静電アナライザも行われている。

RF 加熱プラズマや RF 放電では、時間変動する電位を扱う必要がある。容量分割型プローブは RF 電位の変動成分を追跡するのに使われ、RF インピーダンスプローブは共振特性からプラズマ電位と電子エネルギー分布を同時に求める。また、レーザーアブレーションプラズマのように外部電極で電位を能動的に制御する試みや、バイアス電極・リング電極で電位プロファイルを操作する実験も行われており、電位は測る対象であると同時に制御の対象でもある。

プラズマ電位、半径方向電場と閉じ込め遷移

プラズマ電位が最も劇的な役割を演じるのは、L モードから H モードへの遷移である。H モードでは端部に強い半径方向電場が形成され、E×B せん断が乱流を押さえ込むことで輸送が低下する。TJ-II ヘリアックでの重イオンビームプローブ測定では、L–H 遷移の瞬間にプラズマ全体の半径にわたって約 −100 V の電位降下が同時に起こり、端部（0.8 < ρ < 0.9）で −100 から −150 V/cm に達する強い半径方向電場が形成されることが示された。同時に、密度ペデスタルが形成され、広帯域の密度・電位揺動と E×B に伴う乱流粒子フラックスが端部と中心の両方で強く抑制される。H–L 遷移ではこの逆が起こる。

電位と閉じ込めの関係は遷移時だけでなく定常状態でも見られる。T-10 と TJ-II の比較実験では、電子密度やエネルギー閉じ込め時間が増えると電位は負方向へ進み、より負の電位と電場がより良い閉じ込めに対応することが確認された。一方、電子サイクロトロン加熱で電子温度が上がると閉じ込めは劣化し、電位は正方向へ動く。また、自発的にも電極バイアスによっても引き起こされる改善閉じ込めへの遷移では、常に電位プロファイルの特徴的な変化が伴い、広帯域乱流が抑制される。電位揺動のスペクトルには、ジャイロキネティックな固有振動である測地音響モード（T-10）やアルフベン固有モード（TJ-II）のような準凝縮振動も観測されており、電位測定が乱流構造そのものの診断にもなっている。

シースと端部・SOL の電位ダイナミクス

プラズマ電位の議論は、プラズマ本体と壁・ダイバータをつなぐシースおよび SOL において決定的な意味を持つ。シース電位降下は、イオンが壁面に入射するときのエネルギーをほぼ決める。入射イオンのエネルギーは、プラズマ電位と壁（またはプローブ）電位の差にイオンの並進エネルギーを加えたものとなり、これは壁材のスパッタリング収率を直接左右する。タングステンダイバータを持つ装置では、入射イオンエネルギーの増加が高原子番号不純物の発生を通じて閉じ込めの劣化や放電終了につながり得るため、シース電位の評価は炉設計上の重要な問題である。

この関係が特に厳しくなるのが H モードで周期的に起こるエッジ局在モード（ELM）の際である。ELM ではペデスタルの蓄積エネルギーの一部が SOL へ一斉に放出され、粒子源の急増が空間電荷分布を変化させてプラズマ電位とシース電位降下を急激に変動させる。粒子シミュレーションによれば、最大電位降下とイオン入射エネルギーは ELM のエネルギー損失量やペデスタル温度に依存し、その依存性は装置サイズによっても異なる。すなわち、端部で決まるプラズマ電位の変動が、磁力線に沿ってそのままダイバータ板上の粒子エネルギーとして現れるため、コアの電位ダイナミクスと壁の損傷評価が一つの連鎖で結ばれている。

SOL における電位はまた、それ自体が輸送を駆動する。端部の電位の非対称性やバイアス電極による電位制御は、定常的な半径方向対流を生み、乱流粒子フラックスの向きと大きさを変える。ICRF 加熱ではアンテナ近傍の SOL 電位が上昇して不純物放出や局所加熱の原因となることが知られており、ホールスラスタのような推進機では電位分布の制御が推力と寿命を直接左右する。このようにプラズマ電位は、コアの閉じ込めから壁との相互作用、プラズマ応用装置の性能に至るまで、空間的に連続した一つの物理量として理解されるべきものである。