軟X線

軟X線（soft x-ray, SXR）は、おおむね数百eVから数十keV程度の光子エネルギーを持つ電磁波であり、核融合プラズマ診断の中心的な手段の一つである。高温プラズマの芯部から放出される軟X線は電子温度・不純物密度・磁気流体力学（MHD）活動に強く感度を持つため、トカマク、ヘリカル、反転磁場ピンチといった磁気閉じ込め装置のほとんどすべてに、何らかの形の軟X線測定系が備わっている。軟X線は可視光と異なりプラズマ中をほぼ直進するため、測定されるのは視線に沿った輝度発光強度の積分値であり、これをどう画像化・解釈するかがこの診断の技術的な核心となっている。

軟X線診断の物理的基礎

高温プラズマからの軟X線放出は、主に二つの成分からなる。一つは自由自由遷移（制動放射）による連続スペクトルで、その強度は電子密度の二乗に比例し、スペクトル形状は電子温度を反映して高エネルギー側で指数関数的に減衰する。この減衰の傾きから電子温度が直接求まる点が、軟X線診断の最も基本的な利用法である。もう一つは不純物イオンの束縛電子による線放射（自由束縛遷移）で、中〜高原子番号の不純物が混入すると特定のエネルギーに鋭い輝線が現れる。現代の金属壁トカマクではタングステンのような高Z不純物の放出が性能を左右するため、線放射の絶対強度から不純物密度や有効電荷Z_effを推定する利用が重要性を増している。

軟X線が「芯部診断」である理由は、放出強度が電子密度の二乗と温度の急峻な関数であることにある。そのため放出はプラズマ中心に強く局在し、周辺部のわずかな擾乱よりも芯部の物理を敏感に映す。一方でこれは、測定が芯部に偏ること、そして不純物や非熱的電子の存在がスペクトルを歪めて解釈を難しくすることを意味する。高速電子や逃走電子が存在すると、熱的なマクスウェル分布からの逸脱がスペクトルの高エネルギー側の裾に現れるため、エネルギー分解測定は非熱的分布の診断にも使われる。

計測技術：ピンホールカメラ、フィルタ、検出器

軟X線を測定する標準的な装置はピンホールカメラである。真空容器のポートに設置した細い開口（ピンホール）を通してプラズマを撮像し、視野を絞ることで空間分解された輝度分布を得る。開口の直前にはベリリウム薄膜の真空窓が置かれるのが通例で、ベリリウムは機械強度を保ちながら低エネルギーX線を吸収して可視光や熱を遮り、測定対象となるエネルギー帯域を決める役割を果たす。その内側にもマイラー膜やアルミニウム膜などのフィルタを重ね、検出器に入るスペクトルをさらに整形する。各材料の透過率と吸収は光子エネルギーに対して急峻に変化するため、窓・フィルタ・検出器素子の積算応答関数を正確に把握しておくことが較正の要となる。

図は、多エネルギー軟X線カメラの内部構成を示した模式図である。300 μmのベリリウム真空窓、高Z板に開けられたピンホール、追加フィルタ、鉛遮蔽、水冷機構を備えた筐体の奥にピクセル検出器が配置され、プラズマからのX線がピンホールを経て検出器面上に結像する経路が描かれている。

検出器技術はこの診断の進歩を最も牽引してきた要素である。伝統的なのはシリコンフォトダイオードの一次元アレイで、数マイクロ秒の時間分解能を持ち、フィルタの組み合わせで粗いエネルギー選別も可能だが、スペクトル分解能そのものは持たない。これに対し近年は二つの系統の技術が普及しつつある。一つはガス電子増倍管（GEM）を用いたガス検出器で、数割程度の相対エネルギー分解能と高い耐放射線性を持つが、数kVの高電圧と大気圧近くのガス体積を真空から隔てる窓が必要で、読み出しはミリ秒台が典型である。もう一つはシリコンベースの二次元ハイブリッドピクセル検出器（PILATUS3、タイムピックス（Timepix）系など）で、数十μmのピクセルを二次元配列し、一光子ごとにエネルギーを計数できる。フレームレートは機種により毎秒百〜数万フレームに及び、事象ベースの読み出しでは希少事象をナノ秒尺度で捉えられる。この種の検出器により、単一カメラで複数のエネルギー帯域を同時に計数する多エネルギー軟X線カメラが実用化され、電子温度・不純物密度・放射損失を一つの視線から同時に得られるようになった。

核融合装置特有の環境制約も設計を左右する。高真空、強磁場、強い電磁妨害の中で動作させるため、検出器と電子回路は遮蔽と絶縁が不可欠であり、長距離の信号伝送には電気配線の代わりに光リンクが用いられる。また中性子やガンマ線による放射化を考慮した材料選定や廃棄物評価は、ITERのような大型装置向けカメラ設計の不可欠な部分となっている。

線積分データのトモグラフィック再構成

ピンホールカメラが与えるのは視線積分された輝度であり、これから局所的な放出強度分布を復元する逆問題が軟X線トモグラフィーである。真空容器のポートは限られるため、カメラは通常、プラズマ断面を異なる方向から覆う数本の視線束として配置され、再構成は離散化された放出分布をこれらの測定値に一致させる問題として定式化される。測定視線の数は未知数より少ないのが常のため、問題は本質的に不定であり、何らかの正則化――例えば放出分布を磁束面に沿って滑らかにする仮定やフーリエ・ベッセル展開による基底制限――を課して初めて解が定まる。

再構成の信頼性をめぐっては重要な知見がある。磁束面上で一様と仮定して得られた軟X線放出の等高線が、実際の磁気面と系統的にずれて見えることがある。これは再構成の仮定と真の物理との食い違いを示すものであり、軟X線トモグラフィーをプラズマ位置や平衡の測定に使う際には、磁気測定との整合性を独立に検証する必要があることを意味する。実際、複数の装置でトモグラフィー再構成と磁気平衡との整合性が系統的に調べられており、恒星器であるW7-Xでは両者がよく一致することが確認されている。

再構成は計算負荷が高く、伝統的な手法では一枚の画像を得るのに相応の時間を要した。このためリアルタイム利用が制約となっていたが、近年は実験データで訓練した深層学習ネットワークが従来法と整合的な再構成を数ミリ秒で行えることが示され、鋸歯状振動の二次元発展のような高速現象の画像化への道が開かれている。

測定応用：電子温度、不純物、MHD

軟X線診断の応用は大きく三つに分けられる。

第一が電子温度測定である。連続放射スペクトルの減衰傾きから局所電子温度を求める方法は、エネルギー分解カメラの発達により空間分布測定に拡張された。放出分布の複数エネルギー帯域間の比から各視線の温度を決め、トモグラフィーと組み合わせて半径方向の温度プロファイルを得る。この方法で得られた温度は、電子サイクロトロン放射（ECE）計測による独立の測定と比較検証される。

図は、軟X線の放出分布から決定された電子温度の半径方向プロファイル（青）を、ECE診断による測定値（赤）と比較したものである。軟X線による温度は中心部で約3.5 keVを示し、ECEの値とおおむね整合するが、外側半径側では系統的なずれが見られる。

第二が不純物診断である。中〜高Z不純物の線放射は軟X線帯に集中するため、線放射を含む帯域の絶対強度のモデル化から不純物密度を、線自由連続放射から有効電荷を推定できる。タングステン壁を持つ装置では、プラズマ対向面から突発的にタングステンが放出される現象（UFOと呼ばれる）の追跡など、不純物制御の監視に軟X線カメラが直接使われている。

第三がMHD不安定の観測である。軟X線放出は芯部に局在し、かつ高速で測定できるため、鋸歯状振動、ティアリングモード、縁局在モードといった不安定に伴う放出分布の変動を捉えるのに適する。変動の位相分布からモードの空間構造と回転を決定でき、反転磁場ピンチにおけるダイナモ活動の研究や、球状トカマクにおける抵抗壁モードの挙動観測など、装置の枠を越えて応用されてきた。また、動的な軟X線応答からプラズマ輸送係数を推定する手法も確立されており、加熱パワーの変調に対する放出分布の応答から局所輸送が診断される。

このように軟X線診断は、単一の測定系でありながら電子温度・不純物・MHDという核融合プラズマの主要な状態量を覆い、検出器技術の進歩と再構成アルゴリズムの高速化によって、今後の大型装置でのリアルタイム制御への応用が進む分野である。