トムソン散乱

トムソン散乱とは、プラズマ中の荷電粒子、とりわけ電子によるレーザー光などの電磁波の散乱を利用し、電子温度・電子密度、さらには電子速度分布関数そのものを受動的に測定するプラズマ診断法である。散乱光は入射光に対してドップラーシフトしており、そのスペクトル形状が電子の運動を直接反映するため、磁場閉じ込め核融合プラズマの標準的な電子診断として、また低温・大気圧プラズマや宇宙プラズマ研究でも広く使われている。測定が散乱体積の局所情報を与えること、電子密度をプラズマの性質に関する事前知識なしに決定できることが最大の強みであり、一方で散乱信号が極めて微弱であることが常につきまとう課題である。

トムソン散乱の基本概念を図に示す。

図の(a)は、プローブレーザーをプラズマ(CHD)に入射し、163°の散乱角で散乱光をファイバー越しに分光器へ導く系全体の配置を示す。図の(b)は空間分解分光器の内部で、スリットから入った散乱光がノッチフィルターと回折格子、凹面鏡を組み合わせた光路で波長分解され、検出器に結像する様子を描いている。

トムソン散乱が測るもの

トムソン散乱は古典極限、すなわち光子のエネルギーが電子の静止質量エネルギーより十分低く、散乱過程で光のエネルギーが保存される場合の荷電粒子による光散乱である。入射光の電場に電子が入射光の振動数で強制振動し、その振動電子が双極子放射として散乱光を放つ。静止した電子からの散乱光は入射光と同じ振動数をもつが、動いている電子からの散乱光はドップラーシフトを受ける。したがってトムソン散乱測定は、本質的には電子のドップラー分光である。

単色のプローブ光を用いた場合、観測される散乱スペクトルは散乱体積内の多数の電子からの散乱信号の和であり、その形状は電子速度分布関数の形に直接結びつく。速度分布がマクスウェル分布に従うと仮定すれば、電子温度は散乱スペクトルの幅から、電子密度は散乱光の総強度から決まる。散乱スペクトルの幅は電子の熱速度で決まるため、温度が高いほどスペクトルは大きく広がる。例えばプローブ波長を基準に規格化した波長シフトで見ると、電子温度100 eVではスペクトルはプローブ波長のごく近傍に鋭く集中するのに対し、1 keV、6 keVと温度が上がるにつれて幅は桁違いに広がり、スペクトルの高さは逆に低くなる。このことは、高温プラズマほど単一チャンネルあたりの検出光子数が減り、信号対雑音比の確保が難しくなることを意味する。散乱強度が位相空間密度に比例する以上、高温・では信号が本質的に弱いのである。