プラズマシース

プラズマシース（plasma sheath、略してシースとも呼ばれる）とは、プラズマと固体壁（あるいは電極）の界面に自然に形成される、電荷が中性でなくなった薄い境界層のことである。プラズマ中では電子とイオンはほぼ同数で準中性が保たれるが、電子はイオンよりはるかに軽く速いため、壁に接する電子はイオンに先んじて壁へ到達しようとする。その結果、壁は負に帯電し、電子を反発しイオンを引き寄せる電位差が生じ、この電位差が電子とイオンの流束を釣り合わせるまで成長する。こうしてできる空間電荷層の厚さはデバイ長の数倍程度、すなわち典型的な核融合プラズマ端ではマイクロメートルからサブミリメートル程度と、プラズマ全体の寸法に比べて極めて薄い。しかし壁に流入する粒子のエネルギー、スパッタリングによる不純物発生、熱負荷の分布など、プラズマ・材料相互作用のほぼすべてを支配する重要な領域であり、磁気核融合のダイバータ設計から半導体プラズマプロセス、宇宙機の帯電まで幅広い分野で研究されている。

シースという描像：プラズマ・壁境界層

準中性プラズマが吸収壁と接すると、必ず非中性層が生じる。これは壁の材質や電位によらず、電子とイオンの移動度の違いという本質的な理由による。壁が負に帯電して電子を反発するようになると、壁へ向かう電子流は減り、イオン流は増え、最終的に両者が等しくなる（浮動電位）。壁が外部電源で正にバイアスされれば電子流が支配的になり、負にバイアスされればイオン流が支配的になる。このようにシースの状態は壁電位に対して強く非線形な電流・電圧特性（I–V特性）を持つ。この非線形性が後述の高周波シース整流の根源である。

磁場がかかる核融合装置では、壁に向かう粒子は磁力線に沿って導かれるため、シースの構造は磁場と壁のなす角にも依存する。磁場を壁に対して浅い角度で入射させると熱流束が広い面積に分散され、ダイバータターゲットの保護に使われるが、このときシースの内部構造も磁場の影響を強く受ける。

シースの全体像を示したのが図である。左からバルクプラズマ、チャドラ・シース（CS）、デバイシース（DS）が順に並び、イオンはラーモア運動をしながら磁力線に沿って壁へ運ばれ、電子は磁力線にほぼ沿って高速で壁へ向かう様子が描かれている。二つの層の間には破線が引かれ、チャドラ・シースがデバイシースよりはるかに広いこと、そして準中性が成り立つ領域（ni = ne）と空間電荷が現れる領域（ni ≠ ne）が区別されている。

シースの形成とボーム基準

シースが安定に存在するためには、イオンがデバイシースの入口で壁方向にある最低速度を持っていなければならない。これがボーム基準（Bohm criterion）であり、イオンの壁方向速度がボーム速度 v_B = √(ZT_e/m_i)（Zはイオンの電荷数、T_eは電子温度、m_iはイオン質量）以上であることを要求する。直感的には、イオンがボーム速度より遅いと、シース内の空間電荷による電場の符号が逆転してしまい、電子を反発するシースが解けてしまうためである。イオンはシース手前の準中性領域（プレシース）で電場により加速され、この条件を自然に満たすようになる。プレシースでの電位降下は T_e/2e 程度、密度は入口で約半分に落ちる。

電気的に浮いた壁が受け取る全電位降下（プレシースとデバイシースの合計）は、質量比に依存する形で与えられ、水素プラズマで数 T_e、重いイオンではさらに大きくなる。この電位障壁は電子の大部分を反射し、壁への電子熱負荷を抑える働きをする。

構造：デバイシース、プレシース、磁化シース

磁化プラズマでは、シースは複数の層に分けて理解される。最も壁に近いのがデバイシースで、厚さは数デバイ長、空間電荷が顕著で準中性が破れた層である。その外側には、イオンのラーモア半径程度の厚さを持つ磁化プレシース（チャドラ・プレシース）が接する。チャドラの古典的な解析によれば、この層はほぼ準中性のままで、イオンを磁力線方向にボーム速度まで加速する役割を担う。磁化シースが存在するためには、イオンがプレシース入口で磁力線方向にボーム速度以上で入るというチャドラ基準（Bohm–Chodura基準）を満たす必要がある。

磁場が壁に対して浅い角度で入射する場合には特別な現象が起こる。チャドラの流体モデルを素朴に外挿すると、ある臨界角度でデバイシースの電位降下がゼロになり「シースの崩壊」が起こるように見える。しかし最近の運動論的解析により、この崩壊は流体モデルでは捉えられない有限イオン軌道幅の効果であり、崩壊が起こる角度は質量比の平方根ではなく質量比に比例して小さくなることが示された。崩壊が近づくと、電子のボルツマン分布近似が破れ、壁にほぼ接線方向に到達するイオンの割合が増えるためである。この結果、デバイシース入口のイオン密度は角度に比例するのではなくその平方根でスケールする。

磁化プレシースとデバイシース内の電位分布を模式的に示したのが図である。壁から遠ざかるにつれて電位は緩やかに上昇し（イオンのラーモア半径 ρ_i 程度のスケール）、デバイシースのごく薄い層で急峻に降下して壁電位 φ_cut に至る様子が描かれている。電位の大部分の降下は T_e/e 程度のオーダーで、二つの層でスケールの異なる物理が支配していることが分かる。

シースの変種：衝突性・電気陰性・放射・ダスト

上記の古典像は、衝突が少なく、イオンと電子のみからなるプラズマを仮定している。実際の装置ではこの仮定が破れるさまざまな状況があり、シースの構造が大きく変わる。

衝突が支配的な低温プラズマでは、イオンがプレシース内で電荷交換衝突により失速し、ボーム基準を満たすための加速が阻害される。このため衝突性シースでは電位分布が変化し、シース端でのイオン速度分布も単純な単一速度ではなくなる。電子が二温度分布や非ボルツマン分布を持つ場合、あるいは負イオンを含む電気陰性プラズマでは、負の荷電粒子が電子の役割の一部を担うため、シースの電位障壁や厚さが電気陽性プラズマとは定量的に大きく異なる。

壁や電極が電子を放出する場合（二次電子放出、熱電子放出、光電子放出など）には、シースは根本的に異なる構造を取りうる。放出電子流が十分大きいと、シース内に局所的な電位の極小値（仮想陰極）ができ、空間電荷制限（SCL）シースと呼ばれる非単調な電位分布が生じる。さらに衝突性プラズマでは、仮想陰極に捕獲された冷たいイオンが蓄積して電位の極小値を埋め、最終的には壁電位がプラズマ電位より高くなる「逆シース」へと遷移する。逆シースではプレシースの電位分布が平坦になり、負イオンはシースによる加速を受けずにプラズマへ注入される。この性質は中性粒子ビーム入射加熱（NBI）用の負水素イオン源で重要であり、表面で生成された H⁻ の抽出効率を左右する。SCLシースでは H⁻ が強加速されてラーモア半径が大きくなり輸送経路が長くなるため破壊されやすいが、逆シースではこの問題が緩和される。

シースの状態が H⁻ 放出電流と電荷交換衝突の平均自由行程によってどう遷移するかを整理したのが図である。古典的な非放出シース、SCLシース、逆シースの三つの領域が、縦軸の電荷交換平均自由行程と横軸の放出電流によって区分され、矢印で示された遷移経路に沿って互いに移り変わる。

さらに、微粒子（ダスト）を含むダスティプラズマでは、ダスト粒子自身が壁のように荷電し、その周囲にシースが形成される。ダスト表面へのイオン収束はダスト間引力の起源となり、ダスト結晶の形成など特有の現象を生む。また月面のターミネーター（昼夜境界）近傍では、光電子放出の差により局所的にシース様の電位構造が生じることが知られている。

高周波シースと核融合装置におけるシース境界条件

イオンサイクロトロン周波数帯（ICRF、典型的には20–70 MHz）の波を用いた加熱は、現代のトカマクや将来の炉心加熱の主要手段であるが、その際、高周波電場とプラズマと材料表面が共存する場所で「高周波シース」が形成される。シースのI–V特性が非線形であるため、振動する高周波電場が整流され、イオンを壁へ加速する向きの直流電位（整流電位 V_DC）が発生する。高周波入力が大きいと、この電位は熱電子だけが決める静的シース電位を大きく超えうる。その結果イオンの壁への衝撃エネルギーが増大し、タングステンなどの高Z材料のスパッタリングによる不純物侵入、E×B対流による端密度分布の変化、アンテナ表面のホットスポットなどが起こる。これらはICRF運転時の不純物増加の主要な原因と考えられており、ITERでのタングステン第一壁採用に伴い、その予測が国際的な課題となっている。

シースの厚さはデバイ長程度と極めて薄いため、装置全体の高周波波動伝搬シミュレーションでは、シースを厚さゼロの境界条件（シース境界条件、SBC）として表すのが標準的である。これは接線電場をシースインピーダンスと法線方向高周波電流で与えるものであるが、三次元の周波数領域ソルバへの実装は難しく、長らく二次元スラブ近似（多断面法）が用いられてきた。近年は、磁気スカラーポテンシャルを用いた定式化や、シースを等価な薄い誘電体層として計算領域内に置く手法などが開発され、WESTトカマクの三次元ICRFアンテナなど現実的な幾何形状への適用が進んでいる。

WESTアンテナのモデル計算で得られた高周波接線電場と整流電位の空間分布を示したのが図である。リミッタ表面やファラデースクリーンバー上で、局所的に数百ボルトに達する整流電位が磁場接線点近傍に集中して現れる様子が分かる。整流電位の極大がリミッタの側面に現れるのは、そこが磁力線とほぼ平行な面であり、シース境界条件の適用が最も妥当な場所だからである。

一方、シース境界条件が局所的に成り立つという仮定は、壁面の曲率が大きい場所や磁力線が壁にほぼ接する場所では破れうる。このような非局所性を評価するため、二次元マイクロスケール流体モデルによるシースの直接計算が行われており、アドミッタンスの一次元値と二次元値の差が非局所性の指標として用いられている。また、シースの整流電位の空間分布には、アンテナのポロイダル構造に起因する特徴的な二峰性分布が各装置で観測されており、これを再現するには高速波の三次元伝搬を含めた自己無撞着な取り扱いが必要であることが示されている。

シースはこのように、厚さこそ薄いものの、プラズマと壁の間のエネルギー・粒子・電流のやり取りをすべて仲介する関所である。核融合炉の壁材の寿命と炉心プラズマの純度、半導体プロセスの加工精度、負イオン源の性能、いずれもシース内部の物理の理解に依存しており、運動論的効果や三次元幾何を含めた精密化が現在も進行中の研究領域である。