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。