X線トモグラフィー

X線トモグラフィー(X-ray tomography)とは、プラズマから放出される軟X線を複数のピンホールカメラで線積分測定し、その測定値から放射強度の二次元分布を数値的に再構成する診断法である。磁気探傷コイルなどが磁場の境界情報しか与えないのに対し、この手法はプラズマ内部の放射分布そのものを直接映し出す点に特徴があり、トカマクやステラレータのMHD活動、プラズマ位置、不純物分布の研究で標準的な診断となっている。また、同じ「X線トモグラフィー」という名前のもとに、プラズマ診断とは目的を異にする材料・部材の三次元構造可視化(いわゆる工業用CT)も核融合開発の現場で広く使われており、本項では両者を扱う。

何を測るのか

軟X線トモグラフィーが測定するのは、プラズマのX線放射の局所強度(放射率)である。核融合プラズマでは、電子がイオンに衝突して生じる制動放射(自由自由放射)と、不純物イオンの束縛電子の再結合・励起に伴う放射(自由境界放射・線放射)が主なX線源であり、その強度はおおむね電子密度の二乗と電子温度に強く依存する。したがって再構成された放射率分布は、電子温度・密度分布および不純物分布の複合情報を与える。

測定そのものは線積分である。各カメラの各検出素子は、ピンホールを通して見た細い視線に沿った放射率の積分値を返す。一本の視線からは分布を復元できないが、異なる方向・位置から多数の視線を交差させれば、二次元分布を逆問題として解くことができる。これが「トモグラフィー」の名の由来であり、医療のCTと原理的には同じ発想である。ただし核融合装置では視線の本数が有限で、かつ真空容器のポート配置の制約から視線方向が偏りがちであるため、医療CTよりはるかに不良設定(ill-posed)な逆問題となる。この制約をどう補うかが、後述する再構成手法の核心である。

放射率分布は磁面に沿ってほぼ一定である、という物理的知見が重要な役割を果たす。X線の放射は電子温度・密度の急峻な勾配を持つスケールより磁面の空間スケールのほうが大きいため、放射率は磁気座標系ではなめらかな関数になる。この性質を仮定に組み込むことで、限られた視線からでも磁面形状に沿った安定な再構成が可能になる。