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）、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。