散乱計測

散乱計測（scattering diagnostic）とは、レーザーやマイクロ波などの電磁波をプラズマに入射し、散乱された光のスペクトルから電子・イオンの温度や密度、速度分布を非接触で測定する診断法の総称である。磁気核融合研究において最も標準的な電子温度・電子密度計測はトムソン散乱によるもので、核融合炉級プラズマの芯部から端部（ペデスタル）まで広く用いられる。以下、図は EAST トカマクに設置された TV トムソン散乱（TVTS）システムの全体構成を示したものである。レーザー入射系、ミラー・集光レンズによる受光系、分光器と高感度カメラからなる検出系が一連の流れとして描かれており、散乱計測が「入射・散乱・分光検出」という光学系一式で成り立つことを直観的に示している。

トムソン散乱という診断法

トムソン散乱は、入射したレーザー光がプラズマ中の自由電子によって散乱される現象を利用する。散乱光のスペクトル幅は電子の熱運動速度に、強度は電子密度にそれぞれ直接対応するため、一つの測定から電子温度と電子密度が同時に得られる。散乱光は極めて微弱であり、入射パルス（典型的には数ナノ秒・数ジュール級のパルスレーザー）あたりの散乱光子数はわずかであるため、高感度な分光・検出系と、入射レーザーの迷光やプラズマ発光からの分離が成否を分ける。このため大規模装置では、測定位置を多数並べた多点計測や、高繰り返し・高エネルギーのレーザー系、精密な絶対校正が診断の質を左右する主要な要素となっている。

非干渉性（熱）トムソン散乱：Te・ne プロファイル

散乱される電子が互いに無相関な熱運動をしている場合（非干渉性トムソン散乱）、散乱スペクトルは電子のドップラー幅を反映した幅広い形状をとる。その幅から電子温度が、積分強度から電子密度が決まる。測定はレーザーパルスの通過に同期した瞬間的なものであり、レーザー光路に沿った複数位置を同時に分光検出することで、半径方向の電子温度・密度プロファイルが一括して得られる。空間分解能はミリメートル級に達し得る。

この手法が特に威力を発揮するのがペデスタル領域の計測である。ペデスタルはプラズマ閉じ込めとエッジ局在モード（ELM）の物理を支配する重要な構造であり、その幅や温度・密度の立ち上がりを正確に測るには、端部に対応する測定点を密に配置した高分解能のトムソン散乱系が事実上の標準手段となっている。スペクトルの検出系の分解能と相対校正が電子温度の精度を、絶対校正が電子密度の精度を主に決めるため、校正手法の改良がそのままデータの質に直結する。

集団トムソン散乱：イオンと高速イオンの計測

散乱の位相がプラズマ中の密度揺動と相関する条件下、すなわち散乱ベクトルの波長がデバイ長より長い場合には、散乱は個々の電子ではなく電子がイオンの周りに作る集団的な密度構造を反映する。これが集団トムソン散乱（CTS）であり、スペクトル形状からイオン温度、トロイダル回転、さらに核融合で生じたアルファ粒子のような高速イオンの速度分布までが得られる。プローブ波にはジャイロトロン（例えば 77 GHz・1 MW 級）が用いられ、マイクロ波であるため高密度プラズマの芯部でも透過して計測できる点が、光学系を用いる非干渉性トムソン散乱と大きく異なる。

CTS スペクトルの解釈には注意が必要である。バルクイオンの寄与はスペクトルの中央付近に幅広い山を作り、高速イオン（例えば 180 keV 級の中性粒子入射で生成されるもの）の寄与はその裾に非対称な構造として現れる。この非対称性を速度空間 (v∥, v⊥) の分布関数の計算と突き合わせることで、高速イオン分布が再構成される。また燃料比（D/T 比）や不純物・少数種イオン濃度への感度もあり、燃焼プラズマの診断として ITER や DEMO への搭載が計画されている。一方でマイクロ波診断特有の制約として、プラズマ中での屈折がプローブ・受信両ビームの伝搬を乱し計測を困難にする場合があり、密度条件が診断の成立範囲を決めることがある。

散乱幾何と測定体積

散乱計測の性能は、入射ビームと受信ビームが交差して定義される測定体積（scattering volume）の位置と、散乱ベクトル k = k_s − k_i の向きによって決まる。測定体積は両ビームの交差部にのみ生じるため、ビームの向きを変えれば計測位置をプラズマ内の任意の場所に置ける。CTS では散乱ベクトルの向きがスペクトルのどの速度成分に感度を持つかを直接決めるため、目的（バルクイオンか高速イオンか、平行速度か垂直速度か）に応じて幾何配置を最適化する必要がある。実際の設計では、装置のポート配置と磁気平衡を考慮してプローブ・受信ビームの角度（例えばポロイダル面内の角度 α とトロイダル面内の角度 β）を選定し、測定体積が所望の磁気面に収まるようにする。測定体積の大きさは空間分解能を、散乱ベクトルの大きさはスペクトルの周波数スケールを規定する。

図は、強磁場コンパクトトカマク SPARC を想定した 140 GHz の CTS 計測について、ポロイダル断面とトロイダル断面における「最適」散乱幾何を示したものである。青と赤の線がそれぞれプローブ光線と受信光線を表し、その交差部（黄色）が測定体積に相当する。非垂直配置と垂直配置の二通りの幾何が並べて描かれており、同じ診断でも幾何の選択によって測定体積の位置と散乱ベクトルの向きがどのように変わるかが読み取れる。

装置・校正・迷光

散乱計測は本質的に微弱信号の検出であるため、装置と校正が診断の質を決める。非干渉性トムソン散乱では、入射レーザーと同波長付近の迷光が最大の障害であり、ビームダンプ、絞り、偏光制御、視線方向の工夫によってこれを抑える。絶対校正にはレイリー散乱や回転ラマン散乱が広く用いられるが、分光器の設計によっては迷光の影響や波長域の制約が問題となるため、例えば振動回転（rovibrational）ラマン散乱を用いるなど、検出系に適した校正手法の選択が行われる。相対校正（スペクトル応答の波長依存性の補正）と絶対校正（強度スケールの確定）の両方が揃って初めて、電子温度と電子密度の信頼できる値が得られる。

CTS では、プローブに用いるジャイロトロン出力の一部が直接受信系に漏れ込む迷光がスペクトルのダイナミックレンジを制限する。迷光はプラズマ密度が高いほど顕著になることが知られており、ビーム整合のインサイチュー調整や周波数選択性の高い受信系で対処される。また、電子サイクロトロン加熱用ジャイロトロンをプローブと兼用する構成では、加熱用ビームがそのまま診断のプローブとなるため、加熱条件と診断条件の両立が設計上の論点となる。

関連する散乱計測

トムソン散乱・CTS 以外にも、散乱を利用したプラズマ診断は複数ある。上下共鳴散乱（UHR backscattering）は、電子サイクロトロン共鳴の高調波近傍にプローブ波を局在させ、微小スケールの密度揺動の波数スペクトルを高空間分解能で測る手法であり、トカマクの微細乱流（例えば電子温度勾配駆動モード）の研究に用いられる。ドップラー後方散乱や偏光交差散乱は、乱流の揺動スペクトルや電磁的性質を調べる手法として、しばしば同一のマイクロ波系を共用して組み合わせて実装される。これらはいずれも「散乱ベクトルと測定体積を制御して、プラズマ中の特定の揺らぎに感度を持たせる」という散乱計測に共通する原理の応用であり、本項で述べた幾何配置と迷光・伝搬の制約という論点を共有している。