J. Plasma Fusion Res. Vol.87, No.6 (2011)３３９‐３４４講座 電磁波を用いたプラズマ診断の基礎と最前線

３．先進計測技術・最近の進展
３．
１ マイクロ波イメージング
長 山 好 夫，吉 永 智 一１），近 木 祐 一 郎２）
核融合科学研究所，防衛大学校１），福岡工業大学２）（原稿受付：２０１
１年４月８日）マイクロ波イメージング計測は局在化した揺動の強力な観測技術として期待されているが，イメージング検出器の開発の困難さから従来 Luhmann（UC Davis）グループの独擅場となっていた．最近，大型ヘリカル装置（LHD）では二次元ホーンアンテナアレイを開発し，これを用いて世界初の三次元マイクロ波イメージング反射計（MIR）と電子サイクロトロン放射イメージング（ECEI）の同時計測システムを構築し，プラズマ実験での使用を開始した．本節では LHD でのマイクロ波イメージング計測の技術的側面とともに，LHD での MIR およびLuhmann グループの ECEI の最新の実験成果について，紹介する．
Keywords:
Plasma diagnostics, microwave, imaging, MIR, ECE, reflectometry,turbulence, instability

３．
１．
１ はじめに""#は，周波数が磁場強度に比例し，放射強度が電子温度に比

" "#%
""
#
#［GHz］
（２）
3/!
%/)
%%
"!")1!$*&# ! /" $#($ ##!$/

例することから，局所的な電子温度の時間変化の計測に用である．Xモードのカットオフ周波数（ #-）は電子密度だけいられている．プラズマは電磁波を反射するがそのカットでなく磁場（*）にも依存し，磁気閉じ込めプラズマが放射するマイクロ波（ECE）

オフ周波数は電子密度と磁場に依存するので，マイクロ波

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#
#
# ""
##.
/"%.
-# '/"%
3/& (#反射計は高感度の電子密度の揺動計測器として使用されている．高性能プラズマ閉じ込めの研究では，バルーニング（３）である．X モードのカットオフ密度は式（２），（３）よりモード［１］や端部局在モード（ELM）のような局所的 MHD
不安定性や，輸送で重要な役割を果たす乱流構造
［２］など

##!#
.
/
-#
%.54200# !
(!'%の局所的な揺動が重要となるが，その計測法としてマイクロ波イメージングが注目されている［３］．なぜなら ECE（４）も反射マイクロ波も周波数から奥行き方向の位置がわかるとなる．単位は電子密度［1019 m−3］，周波数［GHz］である．

ので結像することで観測対象の三次元位置が確定できる，周波数の一例として，LHD の配位と電子密度分布についすなわち電子温度や電子密度の揺動の可視化が可能だからての ECE やカットオフ周波数の半径分布を図１に示す．

である．

図１を見ると，一つの周波数について，外側から，ECE

磁場中のマイクロ波は電気ベクトルが磁場に平行な O

周波数，次に X モードのカットオフ周波数，一番内側が Oモードと，磁場に垂直な X モードとに分けられる．ECEモードのカットオフ周波数となる．このことから，プラズの第二高調波Xモーは主に電子サイクロトロン周波数（ #.
/）マの一番外側のカットオフ周波数が X モードのカットオフはドを計測し，その周波数（ #,+,）周波数であること，ECE はカットオフされずに外側で受信

"!
##
［T］!
#$&'
##.
/#,+［GHz］,$$/#

可能であることがわかる．LHD のマイクロ波イメージング
では同一光学系で ECE と X モードの反射を受信する．ま（１）た，図１に示すようにトムソン散乱で測定した電子密度分である．O モードのカットオフ周波数はプラズマ周波数

布とマイクロ波周波数のカットオフ密度の交点をとることと同じであり，電子密度（%/）のみに依存し（#3/）で反射面の位置がわかる．
マイクロ波イメージング計測には，パッシブイメージングである ECE イメージング（ECEI）と，アクティブイメー

3. Advanced Technology and Recent Progress in Plasma Diagnostics
3.1 Microwave Imaging Diagnostics
NAGAYAMA Yoshio, YOSHINAGA Tomokazu and KOGI Yuichirocorresponding author’s e-mail: nagayama.yoshio@nifs.ac.jp

３３９!2011 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.6 June 2011［４‐６］を例にとり，マイクロ波イメージング技術について解説する．イメージング計測の問題点は，チャンネル数が多いことによる各検出器に対する感度，スペースおよびコストである．そこでコア技術であるイメージング検出器と周波数分離回路，位相検出回路についても述べる．また，最後に Luhmann グループの ECE イメージングについても紹介する．

３．
１．
２ LHD におけるマイクロ波イメージングシ
ステム
LHD におけるマイクロ波イメージングシステムの概念
図を図２に示す．MIR の場合，マイクロ波（RF）を照射光図１学系（M6，M7）で一度対物鏡 M1 の焦点に集光し，M1LHD（shot99699，Rax = 3.6 m，Bax = 2.75 T，t = 9.1 s）での，（a）
ECE 周 波 数（fECE），X モ ー ド カ ッ ト オ フ 周 波 数（fR），プラズマ周波数（fpe），（b）
電子密度，60.41 GHz のカットオフ密度．交点から反射面は R = 4.58 m となる．

で平行光としてプラズマを照射する．反射波については，集光光学系（M1-M4）でプラズマの反射面の一点がイメージング検出器（HMA）の受光面の一点に結像する．実際は，対物鏡 M1 と検出器までの距離が意外に長く，M1 が作ジングであるマイクロ波イメージング反射計（MIR）とがる実像は BS１あたりにあり，それをもう一度検出器結像ある．電子は磁力線に沿って光速度の数分の１といった非光学系（M3-M4）で検出器に結像する．イメージング検出

常な高速度で動き回っているため，一般に磁気面と等電子器はヘテロダイン受信用ミキサである．局部発振（LO）波温度面は一致する．MHD 不安定性は磁気面変動を引き起が検出器を一様に照射するよう凹面鏡 M5 で検出器結像光こすので電子温度が変動する．したがって ECEI により学系（M3-M4）の焦点に集光し，イメージング検出器に平MHD 不安定性を観測することができる．一方，ドリフト

行光を照射する．LHD では FDTD シミュレーションを用波のような静電不安定性は密度揺動を引き起こすので，いて光学設計しており［７］，その結果を図３に示す．照射MIR では MHD 不安定性だけでなく静電不安定性も観測で波はプラズマの観測領域を一様に照射し，プラズマの一点きる．マクロな MHD 不安定性はヘリカル構造を持つのでから出発した波は HMA の受信面に結像する．また，MIR

その観測ではトロイダルモード数とポロイダルモード数のではコヒーレントなマイクロ波を用いることから干渉が障同定が重要である．ミクロな不安定性あるいは帯状流（Zo-害となるので，真空窓は 8°傾けられ，光学系は鏡だけで結nal Flow）などの乱流構造では磁気面に沿った波数成分だ像している．

けでなく，半径方向の分布が重要となる．したがって，とMIR では複数の周波数を用いることで異なる反射面す

くに MIR のような乱流観測をめざす場合は，三次元計測がなわちプラズマの半径方向の電子密度揺動分布を観測でき重要となる．

，
る．LHD の４周 波 数 発 生 装 置 で は，４周 波 数（ !
#"$$!1−4）に位相検出用の基準信号（ !
#!"）を加算し，さら

本節では LHD のマイクロ波イメージング計測システム

図２

LHD のマイクロ波イメージングシステム．

３４０

Lecture Note

3.1 Microwave Imaging Diagnostics

Y. Nagayama et al.

図３ （a）プラズマ照射波と（b）反射波の FDTD シミュレーション［６］．に LO 波（ $%'）を 加 算 し た あ と 増 幅 し，出 力 を 25 dBmとしている．したがって照射マイクロ波の周波数は$&$( #$("#%' "$(#,"$となる．マイクロ波（角周波数：#&$( #!
"$&$(）をプラズマに照射すると，反射波はプラズマの反射面の振動（角周
波数：#0-，振幅：!，位相：!）で変調をうけるので，マイクロ波イメージング検出器が受信する反射波は
図４

!*20%
#&$(&%"!&

ミキサ内蔵ホーンアンテナアレイ（HMA）の構造．となる．マイクロ波イメージング検出器内では反射波と39°である．PCB は厚さ 0.254 mm のテフロン基板であり，LO 波（角周波数：#%' #!
"$%'）が混合されて，中間周波数両側に 9 μm の銅箔が貼られている．PCB は半割ホーンを（IF）信号（角周波数：#$# #!
，"$$#）

持つ底板上にビス留めされており，IF 回路が発生する熱は底板を通して放熱される．PCB 回路パターンは電解エッチ!*20%#$#&%"!&

ングで製作され，腐食防止のために金メッキが施される．
図３（a）に示すように導波管内にミキサ用のビームリードが出力される．IF 信号の周波数は型ショットキーバリヤダイオードが入るよう PCB 回路は$$# #$&$(!$("#%' #$(#,"$

作られてい る．PCB 上には，マイクロ波増幅集 積 回 路である．中間周波数を電子回路で扱える周波数帯にするこ（MMIC）も搭載されている．ミキサ用ダイオードには直流とで，狭帯域増幅による感度向上が可能となる．IF 信号をバイアス電流を流し，最適なミキサ動作が得られるように周波数分離後，各４周波数（ $）と混合することで，(#,している．ホーンから信号マイクロ波と LO 波を両方入力することで導波管内のショットキーバリヤダイオードがミ$("# #$$#!$(#,キサとなって IF 信号を発生する．LHD で使用する V バンと基準信号と同じ周波数となる．そこで基準信号と比較す

ド（50〜75 GHz）HMA は 実 測 し た と こ ろ 50〜110 GHz

ることで位相検出が可能となる．LHD では直交復調器を用と広帯域であり，市販のホーンアンテナ＋シングルエンドいて位相信号（ "$)+.!）を出力する．
/1!，#$1

ミキサと比べてホーン開口部の面積比程度の感度差となっている．

３．
１．
３ マイクロ波イメージング検出器
３．
１．
４ 周波数分離回路と位相検出回路

LHD ではマイクロ波イメージング用にミキサ内蔵ホーンアンテナアレイ（Horn Mixer Array: HMA）を開発した

HMA 内で得られた IF 信号の４周波数を分離するために［８，９］．一組の一次元ホーンアンテナアレイの構造を図４

バンドパスフィルタを用いる．LHD では HMA のチャンネに示す．これはホーンアンテナを２分割し，それらでミキル数が３５あるため，IF 周波数分離回路基板は３５枚必要であサや IF 回路を搭載したプリント基板（PCB）を挟むものでり，バンドパスフィルタの数は１４０個にもなる．そこで図５ある．導波管断面の内径は V バンドの規格品と同じ（1.9に示すようなプリント基板化したバンドパスフィルタを開×3.8 mm）であり，導波管長は 12 mm である．ホーンの開発した．これは HMA の IF 信号出力を流す 50 Ω マイクロ

口部の口径は 13×13 mm，ホーン長は 15.5 mm，開口角はストリップラインにプリント基板の回路パターンで作り込
３４１

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.6 June 2011

んだバンドパスフィルタを並列接続し，特定周波数のみをの集合体でありハイパスフィルタとして働く．その低域取り出すものである［１０］．周波数分離回路基板上では選択

カットオフ周波数は円形導波管と同じで，した周波数に各 RF 周波数を混合し，第２IF 信 号（110!
#!
$#!
$#"
$""

MHz）を作る．
マイクロ波がプラズマで受けた変調の振幅を A，位相を#とすると，周波数分離回路基板から出力される信号は（#は光速度：299792458 m/s，"は孔の半径）で与えられ，""0.95 mm では，$+"92.5 GHz となる．また，カットオフ

!,20%
%*&'&
#!#$

周波数近傍での遮断特性や通過領域での特性は孔のピッチ$"110 MHz で あ る．信 号 %，"となる．LHD で は，%*&'"や板厚に依存する［１１］．このダイクロイック板を用いるこ#を取り出す検波回路と直交復調回路の概念図を図６に示とで，LO 波（95 GHz）は損失なしに透過できる が，IFす．回路はプリント基板化され，IF 選択のバンドパスフィ

信号中では 97 GHz と区別がつかない 93 GHz 信号は−5 dB

ルタとしてコンパクトな SAW フィルタを使用している．

以下になっている．

振幅検出には対数パワー検出器を使用しており，対物鏡のHMA で受信された ECE は８チャンネル周波数分離回路

角度調整を厳密に行わなくてもデジタイザの入力として十で周波数毎に分離され，検波される．バンドパスフィルタ

分高い電圧の信号を出力できる．位相検出には信号と 90°

はテフロンプリント基板上の銅箔のエッチングパターンで位相が異なる基準周波数（110 MHz）との積をとることで生成し，銅箔には金メッキが施されている．バンドパス(信号（+/1#に対応）と )信号（1.#に対応）を出力する

フィルタの直後にパワー検出器を置き，パワー検出する．

直交復調器 ICを使用している．これらの信号は単一電源のECE 信号は電子雑音を含むために検波したときプラズマ低雑音 OP アンプでデジタイザの入力電圧に合わせて出力がなくても直流オフセットがある．そこで LHD では ECEする．

信号を ADC でデジタル化し，プラズマ生成トリガーでメモリーに一時保存し，DAC でアナログ出力する．これは直３．
１．
５ ECE イメージング

流オフセットとほとんど同じはずであり，差動アンプを用ECE イメージングの光学系は図２に示すように，MIR

いて ECE 信号から DAC 出力を引き算した上で増幅すると同一光学系を使用する．ただし，MIR とは LO 周波数がと，プラズマからの放射（ECE）成分のみを大きく増幅で異なり，LO 周波数より高くて広い周波数帯域を分割してきる．その後，デジタイザでデータ収集している．

測定する．ヘテロダイン受信では LO 周波数の高周波数側

３．
１．
６ MIR の実験例と低周波数側が同一 IF 周波数となるため区別がつかない．
そこで高周波数側のみを選択するため HMA 前面にダイクマイクロ波イメージング計測システムにより計測したロイック板を置く．LHD では LO 周波数を 95 GHz とし，ダLHD のエッジプラズマの MIR 強度（A）の二次元像の例を

イクロイックプレートのカットオフを 93 GHz とした．こ

図７に示す．LHD のエッジプラズマではしばしば周波数がれは，直径1.9 mmの孔を2.1 mmピッチで多数開けた6 mm

数 kHz 程度の多くの高調波を伴うモード（端部高調波モー厚のアルミ合金板である．ダイクロイック板は円形導波管ド：EHO）が発生する．この像はその EHO である．強度を表すカラーバーは４つの像で共通である．RF1，RF2，RF3，RF4 はそれぞれ，周波数 60.41，61.81，63.01，64.61 GHzに対応する．RF2 と RF3 のトロイダル方向のチャンネル４とポロイダル方向のチャンネル７付近に磁力線に沿った細長いモード構造が現れている．図６では少しずつ異なる時刻の異なる周波数（異なるプラズマ半径）の像を示している．RF1 が 一 番 早 い 時 刻 で あ り，RF4 が 一 番 遅 い．
RF1，RF2，RF3，RF4 はそれぞれ，*"4.56，4.55，4.54，4.525 m に対応する．したがって，このモードは *"4.54

図６
図５MIR 用周波数分離回路［６］．

３４２MIR 用の直交復調器（I−Qデモジュレータ）とパワー検出器の模式図［６］．

Lecture Note

図７3.1 Microwave Imaging Diagnostics

Y. Nagayama et al.

LHD のエッジプラズマの MIR 像［６］．

〜4.56 m に局在していることがわかる．モード構造の幅は２チャンネル分（4 cm）と大変細く，磁力線に沿って伸びている．このように，MIR によって非常に局在化したモードが可視化できるようになった．

３．
１．
７ Luhmann らの ECE イメージング
ECE イメージングは Luhmann によって研究が始められ，１９９５年には単一周波数の一次元ボウタイアンテナアレ
イにプラスチックレンズでプラズマから放射されるマイク

図８

ロ波を結像して，TEXT-Uトカマクで一次元ECEイメージング計測を行った［１２］．次に高指向性・広帯域のデュアルLuhmann グループの一次元アンテナミキサーアレイの，（a）
マイクロ波信号と LO の混合部分の模式図，（b）
RF 入力側からの写真，（c）
IF 出力側の写真［１７］．

ダ イ ポ ー ル ア ン テ ナ と 周 波 数 分 離 回 路 を 開 発 し［１３］，TEXTOR トカマクの鋸歯状波崩壊の二次元（断面）ECEイメージング計測を行った．その結果，TFTR トカマクプ
ラズマの「悪い曲率側」において観測されていた局所的磁気再結合［１４］が，「良い曲率側」でも発生することがわかり，「磁気再結合がなぜ局所的か」が注目されることになった［１５，１６］．
ここでは DIII-D トカマクでの二次元（断面）ECE イメージングの例を示す［１７］．図８に２０ch アンテナミキサーア
レイの構造と写真を示す．これはプリント基板にエッチングで成形されたデュアルダイポールアンテナ上に１個ずつ小型の半球レンズを置き，ハーフミラーで RF と LO を混合してアンテナに入射し，アンテナ上のミキサで IF信号を生成する．ECE はダイクロイック板で高周波数側を選択している．図９に，２〜１８GHz の１６ch 周波数分離回路の模式図を示す．これは LHD での ECE イメージングで用いられたバンドパスフィルタアレイによる周波数分離回路とは異なり，VCO で発生した１６周波数とをそれぞれ混合し，得られた第二中間周波数をローパスフィルタに通すことで周波数分離するものである．この ECEイメージング装置を用いて図９撮像したDIII-Dトカマクプラズマ中の反転シア誘起アルベン固有モード（RSAE）の断面像を図１０に示す．従来，ECE
３４３Luhmann グループの ECE 用周波数分離回路［１７］．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.6 June 2011

乱流に関する新たな発見が期待される．

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［１７］N.C. Luhmann et al., submitted to Plasma Fusion Res.
(2011).

図１０ DIII-Dトカマクプラズマ中のアルベン固有モードの，（a）
理想 MHD シミュレーション，（b）
ジャイロ流体シミュレーション，（c）
ECE イメージング（［１７］）．

ではアルベン固有モードのような弱い変動は計測できなかったが，この成果は，Luhmann グループの感度向上の努力が実を結んだ結果である．プラズマ物理としてもイメージングは明確に答えを与える．図１０に理想 MHD コードの計算結果とジャイロ流体コードの計算結果を示すが，ECE 像からジャイロ流体コードの計算結果がより正しいことが一目瞭然である．

３．
１．
８ まとめ
マイクロ波イメージングは究極の揺動観測手段として長い間待ち望まれてきたが，最近ようやく実現した．２０世紀末に Luhmann らが単一周波数の一次元ボウタイアンテナにプラスチックレンズで TEXT-U トカマクからの ECEを結像したのがその嚆矢である．Luhmann らは広帯域のデュアルダイポールアンテナと多周波数受信器を開発し，TEXTOR や DIII-D トカマクでプラズマ断面の二次元 ECEイメージング計測を行い，MHD 不安定性の強力な計測器として注目されている．日本では，核融合研，東工大，九大の共同研究で二次元ホーンアンテナアレイ，多周波数マイクロ波発振器，多周波数受信器などを開発し，LHD で三次 元 MIR 実 験 お よ び ECE イ メ ー ジ ン グ 実 験 を 開 始 した．MIR は高感度の局所的密度揺動計測器であることは初期的な実験結果からも十分伺うことができる．今後，輸送障壁領域の測定や，三次元スペクトル解析を行うことで，３４４