J. Plasma Fusion Res. Vol.87, No.7 (2011) 465‐470

講座 電磁波を用いたプラズマ診断の基礎と最前線

４．ITER 実験での課題と新たな取り組み
４．
１ 電子密度計測の課題と開発状況
秋山毅志（核融合科学研究所）（原稿受付：２０１
１年５月２０日）

本節では，ITER 以降での電子密度計測の課題と，現在進められている信頼性の高い密度計測手法の開発状
況について述べる．これまで密度計測で主流であったヘテロダイン干渉計を補完するものとして，ファラデー効果もしくはコットン・ムートン効果を利用した偏光計，ディスパーション干渉計が開発され，国内外の装置で実証実験が進められている．真空容器内に設置せざるを得ない反射鏡の光学特性保持も課題であり，受動的・能動的な手法が開発されつつある．
Keywords:
interferometer, polarimeter, Faraday effect, Cotton-Mouton effect, dispersion interferometer, first mirror, retroreflector

４．
１．
１ はじめにある．

プラズマの電子密度は物理解析に必要なだけでなく，磁４．
１．
２ 核融合装置におけるレーザー干渉計の問
題点

場閉じ込め核融合では，燃焼プラズマを制御する上で重要な基本パラメータの一つである．そのため，核融合プラズ大変有用な干渉計測であるが，ITER や将来の核融合炉マ研究の黎明期より，様々な密度計測手法が考案されてきを展望するにあたり，いくつかの問題点がある．

た．主な電子密度計測方法に，静電プローブ計測，分光計測，干渉計測，トムソン散乱計測などがある．本節で扱う

第２章で（２５）式が導出されたとおり，干渉計測は屈折率

干渉計測は，積分計測であることからプラズマ全体の密度の電子密度依存性を利用し，プローブ光の位相変化から電情報を反映するため，燃料供給制御の参照信号に適してい子密度を評価する．そのため，機械振動によって光路長がる．干渉計測はプラズマ計測として古くから用いられてい変化すると，それに起因する位相変化は計測誤差となる問る手法で，ITER においても，密度計測の主力計測機器の題がある．計測誤差を減らすため，光学素子を取り付ける一つとして計画されている［１］．

架台は振動しやすい装置本体から切り離し，頑丈な構造にITER や将来の核融合炉では，燃料供給制御のための密したり，空気ばね等による除振をしたりする必要がある．

度計測に高い密度・時間分解能だけでなく，信頼性が求めまた，プラズマによる位相変化が波長に比例するのに対られる．燃料供給は核燃焼プラズマ（核融合出力）の重要し，振動による位相変化は反比例する．これを利用し，２な制御ノブの一つであるため，計測ミスがないこと，そしつの波長で同時・同一視線で計測（２波長干渉計）するこて精度・信頼性が長期間に亘って保たれることが必要条件とで，振動成分を分離し，プラズマによる位相変化を評価になる．一般に，干渉計測は密度・時間分解能が非常に高することも機械振動対策として挙げられる．

いことが特長である．例えば，核融合科学研究所の大型ヘ高密度領域での「フリンジジャンプ」は，干渉計測の信リカル装置 Large Helical Device（LHD）に設置されている!の不確定性頼性を低下させる大きな問題である．位相は!

波長 119 μm の CH3OH レーザー干渉計では，時間分解能!
を持つため，位相変化が !
（１フリンジ）を超える場合は，10 μs，密度分解能 5.6×1016 m−3 が得られている［２，３］．そ

密度の位相変化を途切れることなく計測し続ける必要があのため，密度モニタとしての役割だけでなく，密度揺動計る．しかし，プラズマの密度勾配が引き起こすプローブ光測などの物理研究にも利用されている．このような理由かの屈折変位により，検出信号強度が低下して位相計測が途

ら，中型以上の装置のほとんどに干渉計が設置されてい切れてしまうと，図１（a）に示すように，密度の絶対値がわる．また，干渉計は研究分野を問わず大変広範に用いられからなくなる．これがフリンジジャンプであり，密度勾配る計測手法であるため，技術として成熟しており，必要なが大きくなる高密度領域で深刻になる．プローブ光の屈折光学素子・変調器も豊富で入手しやすいというメリットも変位量は波長のほぼ２乗に比例して大きくなるため，波長4. Diagnostic Issues in ITER Experiments and New Approach
4.1 Challenges and Developmental Status of Electron Density Measurement
AKIYAMA Tsuyoshi

４６５author’s e-mail: akiyama.tsuyoshi@lhd.nifs.ac.jp!2011 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.7 July 2011（a）

反射率が低下しやすい問題がある．図１（b）
は，LHD 真空容器内に設置したリトロ反射鏡によって往復する，波長10.6 μm のレーザー光の入射光に対する戻り光の強度比の変化である．約４カ月間のプラズマ実験により，反射率は最大で 20％ 以下に低下していることがわかる［４］．
これらに加え，電子温度が10 keV以上の高温領域になると，屈折率への相対論的効果を考慮しなくてはならない
が，その問題については４．
３節で詳細に扱う．

４．
１．
３ 干渉計以外の密度計測
将来の核融合炉で信頼性高く密度計測を行うためには，（b）

上記の問題を対処療法的ではなく，原理的に解決した密度計測手法を導入することが望ましい．ここでは，その解決手法として有望な，偏光変化（ファラデー効果，コットン・ムートン効果）を利用した密度計測や，ディスパーション干渉計について簡単な原理，開発状況や適用例を概説する．
① ファラデー効果を用いた密度計測
第２章（１２）式で示されたように，磁場中のプラズマでは右・左回り円偏光の屈折率が異なる．そのため，図２（a）に模式的に示しているように，プラズマ中を透過することに

図１ （a）
高密度領域での遠赤外レーザー干渉計のフリンジジャ
ンプの一例．プローブ光の屈折変位が小さいプラズマ中心
コード（ch5）では問題無く計測できているが，密度勾配が大きい周辺コード（ch9）ではフリンジジャンプが発生している．（b）
LHD の真空容器内に設置した，ミラー（リトロ反射鏡）によって反射された炭酸ガスレーザー光の入射パ
ワーに対する反射パワーの比［４］．強度比はミラーの反射率と真空窓（セレン化亜鉛）の往復の透過率を含む．

よって直線偏光の偏光面が回転する．その回転角は第２章の（３０）式で与えられ，プローブ光に平行な磁場強度成分と電子密度の積の線積分値に比例する．これより，磁場強度が既知であれば，偏光角から電子密度が評価できることになる．機械振動によって光路長が変化しても偏光角は変化しないため，計測結果は振動の影響を受けにくい．また，の短いプローブ光を用いることで，屈折変位を小さくして機械振動による誤差がないことから，偏光角を１フリンジフリンジジャンプのリスクを減らすることができる．このため，現在の LHD，JT-60U 等の大型装置では，波長 10 μm程度の炭酸ガスレーザーも干渉計光源として用いられている．一方で，短波長レーザーを光源とした場合は，機械振動による計測誤差が大きくなるため，先に述べた除振構造や２波長干渉計が必須となる．
上記二つの問題点に対し，現在の大型装置でも除振構造や２波長干渉計を構成して密度計測が行われている．例えば，LHD の干渉計の光学架台には空気ばねが使用されており，LHD 本体や加熱装置等の機器とも完全に切り離されている［２］．しかし，ITER や将来の核融合炉では，装置の巨大さや計測ポートの制約により，すべての光学部品の除振をすることは現実的に困難である．ITER ではポートプラ
グ内に干渉計の伝送光路の一部が入るため，ある程度の振動が予想される．２波長干渉計による振動成分の補正は有効な手法であるが，補正しきれない成分が残る場合があり，計測精度を低下させる原因となる．高密度領域での短波長レーザーの有効性は既に実証されているが，ITER をはじめ将来は 1×1020 m−3 程度の高密度が標準的な運転領域になり，DEMO 炉においては数カ月に及ぶ定常運転が求められる．そのため，原理的にフリンジジャンプのリスク

図２ （a）
ファラデー効果の原理図，（b）
JT‐６０U における偏光計測結果の一例［５］．干渉計測（点線）では t = 3.9 s でフリンジジャンプしているのに対し，偏光計測（実線）では問題なく測定を継続できている．

があることにより，密度計測に対する不安をぬぐい去ることができない．また，短波長レーザー光に対しては，真空容器内に設置するミラー表面の損傷・不純物堆積によって
４６６

Lecture Note

4.1 Challenges and Developmental Status of Electron Density Measurement

T. Akiyama

より十分小さくする（短波長化）することで，回転角と電子密度を１対１対応させて原理的にフリンジジャンプをなくすことができる．
偏光角の測定には，いくつかの方式が提案され，既に実証されている．JT-60U で採用されている光弾性変調器を用いた方式［５］は，光学系がシンプルで長時間の安定性が高く，また干渉計との組み合わせが容易であるという利点がある．また，LHD で用いられた，差周波を持つ右・左回り円偏光の混合波をプローブ光とするヘテロダイン方式［６］は，時間分解能を高く取ることができ，密度・磁場揺動計測も可能という特長がある．図２（b）は，JT-60U での炭酸ガスレーザー（波長 10.6，9.3 μm）を光源とする偏光計測例であるが，固体水素燃料がプローブ光を横切ったためと考えられるフリンジジャンプが干渉計で発生しているのに対し，偏光計は影響を受けていない．このように，何らかの擾乱を受けた場合も，偏光計は問題なく計測を継続できる信頼性の高さを持つ．課題とされていた分解能も改善が進んでおり，JT-60U では時間分解能 4 ms において，密度分解能 3×1018 m−3 に相当する偏光角分解能 0.01 度が得

図３ （a）
コットン・ムートン効果の原理図，（b）
CHS における偏光計測結果の一例［１０］．

られている［５］．偏光計測手法のいくつかは干渉計測との同時計測が可能であり，両者を組み合わせた干渉偏光計がITER においても計画されている［７］．これにより，偏光度の積の線積分値に比例するため，①のファラデー効果と計単独による密度計測，もしくは偏光計による干渉計の同様に磁場強度が既知であれば，電子密度が評価できるこバックアップによる信頼性の向上を図ることができる．とになる．①と同じく，偏光状態の変化は光路長に依存し計測視線に関しては，密度計測の場合は通常プローブ光ないため，機械振動のある装置本体に光学素子が取り付けを接線入射させる．密度モニタとして最も重要な，プラズられていても大きな問題はない．また，適切な波長を選ぶ

マ中心を通る視線をポロイダル断面で取ろうとすると，ことで，生じる位相変化を２%以下にすることができるた

ファラデー効果に寄与するプローブ光に平行な磁場成分がめ，フリンジジャンプも原理的になくせる．

ほとんどない（トロイダル・ポロイダル磁場ともにプロー

本手法はミリ波領域では T-11M［８］，W7-AS［９］，遠赤ブ光に直交する）ことから，偏光面の回転がほぼゼロに外線領域では CHS［１０］にて実証されている．測定方式になってしまうためである．光源波長の選択は，主に得られは，プラズマ透過光強度の直行成分比を直接測定し，楕円るファラデー回転角で決まるが，計測精度を高めるために度を評価する方式［１１］や，差周波を持つ O モード・X モー

回転角を大きくすると，後述するコットン・ムートン効果

ドの混合波をプローブ光とするヘテロダイン方式がある［８とのカップリングによって正しい偏光角の評価が難しくな‐１０］．図３（b）
は CHS におけるコットン・ムートン効果をる問題があるため，数度程度の回転角の場合が多い．接線利用した密度計測例である［１０］．CHS でのシステムは，入射でトロイダル磁場成分を利用した場合，炭酸ガスレー光源に波長 337 μm の HCN レーザーを用い，一本のプローザーのように波長１０ミクロン程度の光源が適当になる．

ブ光で干渉計測と偏光計測が同時にできるシステムであJT-60U，LHD，DIII-D では炭酸ガスレーザーを光源とするる．図３（b）のように，二つの計測結果はよく一致してい接線計測が実施され，ITER でも同様の予定である．

ることがわかる．偏光計の信号に数百 Hz のノイズが載っ② コットン・ムートン効果を用いた密度計測ているが，これはヘテロダイン検波のためにプローブ光にファラデー効果が右・左回り円偏光の屈折率の違いに起与えた差周波成分（ビート周波数）のノイズに起因し，差因するのに対し，コットン・ムートン効果は，２章（１５）・周波を与える手法を改良することで精度を向上できると考（１６）式に導出されたとおり，正常光・異常光（O モード・えられる．一方，干渉計測も同じビート信号を用いているX モード）の屈折率の違いによって生じる．そのため，伝が，プラズマによる位相変化が偏光計測よりも２−３桁大搬に伴って正常光・異常光成分間で位相差が生じ，プラズきいために，相対的に位相ノイズがほとんど無視できるレマ透過によって図３（a）に示すような偏光の楕円度が変化ベルとなる．ファラデー効果の場合と共通であるが，計測する．O モード・X モード成分間に生じる位相差 #&' は，する位相変化は通常数度程度であまり大きくしないため# #&$"の時，次式で与えられる．
"& $"，&*,"&,に，ビート周波数の質が偏光計測の精度を決める大きな要因となる．

% "!
#&' # # !
+#%#%""!!""$$!$,!&#+#' ( !")($

ファラデー効果とは対照的に，コットン・ムートン効果の場合はプローブ光に垂直な磁場成分が寄与するため，ポ位相差 #&' はプローブ光に垂直な磁場成分の２乗と電子密ロイダル断面でプラズマ中心を通る視線で計測ができる．
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Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.7 July 2011

逆に接線視線にすると比較的弱いポロイダル磁場を用いる素子に通して，基本波から２倍高調波を発生させる．そのことになり，有意な偏光状態の変化をさせるために光源波後，フィルタ等を用いて基本波成分を除去し，プラズマの長が長くしなければならない．そのため，プローブ光の屈前後で発生させた２倍高調波同士の干渉信号を検出する．

折変位が大きくなり，フリンジジャンプの問題がないにし干渉信号の位相 #は，プラズマ透過前後で発生させた２倍ろ，計測視線の変化が問題になる可能性がある．上記の適高調波の位相 #!，#"の差 ###!!#"となる．それぞれ，用例はすべてポロイダル断面での計測であり，ITER にお，%%#"#"$%%%'%"%"$%'
#!#"
"
$""
"%"%"$'&%#!
'&%#!

いても電流分布を計測するポロイダル偏光計にて，密度分であり，ここで %はプローブ光の角周波数，"%は機械振動

布計測のためにコットン・ムートン効果を用いることが提による光路長変化，$'は定数，&%は視線上での線平均電子案されている［１２］．

密度，#はプラズマ中での光路長である．両者の間で機械③ ディスパーション干渉計

振動による位相変化は共通である一方，プラズマによる位上記のファラデー効果やコットン・ムートン効果を利用

相変化は分散（ディスパーション）によって異なるため，した計測は，プラズマ中での電磁波と磁場の相互作用であ干渉信号の位相は ###!!#"##%%となる．この$"$'&%#!

るため，通常は計測が困難な内部磁場揺動等の情報が得らように，機械振動成分は自動的にキャンセルされるため，れるメリットもある．しかし，視線上での磁場強度が一定通常の干渉計のように振動対策をする必要がない．また，とみなせない場合，正確な線平均電子密度を評価するため機械振動による計測精度の低下がないため，短波長光源をには磁場分布の情報が必要となる．また，ファラデー効果用いることで位相変化を１フリンジ以下にしても良く，ことコットン・ムートン効果は，その変化が大きくなると両れによってフリンジジャンプを原理的になくすことができ者の相互作用が無視できなくなり，密度評価に系統的な誤る．
ディスパーション干渉計は８０年代に表面形状の計測等に差が生じる原因となる［１３］．
ディスパーション干渉計は，２波長干渉計の変化形であ提案され［１４］，９０年代にはミラー磁場閉じ込め装置 GDTり，機械振動成分を「自己補正」する新しいタイプの干渉でプラズマ計測に取り入れられている［１５］．問題点として計である．基本的に干渉計測であるため，磁場の情報を必は，計 測 さ れ る 干 渉 信 号 が ホ モ ダ イ ン 干 渉 計 と 同 じ要としない．

!""$&(#であるため，位相差#の抽出に直流成分 !と振図４（a）にその原理図を示す．レーザー光を非線形素子に幅強度 "の測定が必要となることである．これらは測定信通し，２倍高調波を発生させる．レーザー光パワーのすべ号強度で決まるため，レーザーの出力変動やプローブ光のてが変換されるわけではなく，基本波と２倍高調波の混合屈折変位がもたらす信号強度変化によって，計測誤差が生したプローブ光となる．プラズマを透過後，両者を分離してじる問題がある．また，コサイン信号であるために，位相受光すれば通常の２波長干渉計であるが，ディスパーション"までであり，計測のダイナの一意性が確保できるのが $!

干渉計ではプラズマ透過後に混合プローブ光を再び非線形ミックレンジが限定されることも短所の一つである．これらを克服するため，位相変調を与える方式［１６，１７］や，変調信号の強度比を用いる位相抽出方法［１８‐２０］が提案され，計測精度向上の取り組みが進んでいる．
トカマク装置では，波長 10.6 μm の炭酸ガスレーザーを光源とする多チャンネル計測が TEXTOR で行われており［１６，１７］，そこでの計測結果の一例を図４（b）に示す．得られた密度の時間変化は，既存の HCN レーザー干渉計とよく合致している．現在の分解能は時間分解能 1 msで線電子密度分解能 2×1017 m−2 であり，鋸歯状振動等の MHD 揺動計測にも利用できている［１６］．高密度・長時間運転を指向する W７‐X では，多チャンネルディスパーション干渉計の設置が予定されている［２１］．ITER においては，現在は正式な設置予定はないものの，信頼性高い密度計測としてITPA 計測トピカルグループでも検討が報告・議論されている．

４．
１．
４ 真空容器内ミラーの課題と対策干渉計・偏光計は，いずれもプラズマを透過したプロー
ブ光を受光するため，対向する計測ポートを設置するか，真空容器内に反射鏡を設置してレーザー光を往復させる必

図４ （a）
ディスパーション干渉計の原理，（b）
TEXTORにおける計 測 結 果［１６］．上 が HCN レ ー ザ ー 干 渉 計，下 が デ ィ ス
パーション干渉計による計測結果．両者がよく一致していることがわかる．

要がある．しかし，特にトカマク装置の場合は，トーラス中心にはセンターソレノイドがあり，また上下にはダイバータ構造を有するため，対向するポートの設置は現実的
４６８

Lecture Note

4.1 Challenges and Developmental Status of Electron Density Measurementに困難となる．そのため，反射鏡を設置せざるを得ないが，T. Akiyama

ンググループで組織的に行われている［２６］．

プラズマからの放射や中性子等による苛酷な環境で，第一

まず，①のミラー材料としては，表面損傷を抑制するとミラーと呼ばれる反射鏡は長期間に亘って反射率を保ち続いう観点からスパッタリング率が低い Mo や W が挙げられけることが要求される．これはレーザー計測だけでなく，る．図５に示すように，LHD においても Mo ミラーの反射受動的な分光計測でも共通の課題である．

率はほとんど劣化していない．多結晶金属の場合は結晶方プラズマからの荷電交換粒子や炭素不純物等による表面位によってスパッタリング率が異なるため，スパッタを受損傷は，反射率を低下させる原因となる．図５に LHD 真空けた際に表面に結晶構造に応じた凹凸が生じる．そのた容器内に設置した平面鏡の反射率変化を示す．CuCrZr 合め，単結晶金属の方が好ましく，実験的にも単結晶構造の金，Cu，多結晶 Mo，SUS ミラーをスパッタリングが優勢な方が多結晶構造の場合よりも紫外〜近赤外領域で反射率のLHD の第一壁上に設置し，約５カ月半の第１０サイクルでプ低下が小さいことが確認されている［２７］．現在，単結晶ラズマに暴露した結果である．スパッタリング率（入射粒Mo での大口径ミラー製法の研究開発等が進められている子１個に対して叩き出される粒子の数）が高い Cu やそれ［２８］．この他，最近ではスパッタリング率の低い Rh をが主要な成分である CuCrZr 合金の場合，スパッタリングコーティングする研究開発が行われている［２９］．鏡表面へによって表面に数百 nm の高さの凹凸構造が生じ，近赤外の炭素堆積の抑制に関しては，ミラー温度が重要な要素の領域以下の波長に対して著しい反射率の低下が生じてい一つとなる．堆積した炭素は，水素原子の化学スパッタリる．鏡表面への炭素や金属不純物の堆積も，表面に凹凸構ングによって炭化水素として除去できる．化学スパッタリ造をもたらして反射率低下を招くことがある［２２，２３］．まング率は温度依存性を持ち，数百度で最大となるため，使た，堆積層が多層膜反射面を構成することで，反射時に偏用温度条件の最適化により，炭素不純物の堆積を抑制でき光面の回転が生じることがある［２４］．その回転角は入射偏る可能性がある［３０］．

光角依存性を持つため，偏光計測に計測誤差が生じる可能

次に，②の構造的な工夫として，反射鏡に保護円筒を取性も指摘されている．さらに，核融合生成物であるヘリウり付けたり，計測ダクトの奥に反射鏡を設置したりして，ム原子が金属内部に侵入するとバブルを形成するため，鏡受動的に表面損傷・不純物堆積を抑制することが挙げられ表面の平滑性が失われると共に，屈折率・消衰係数等の表る．これにより，飛来する荷電交換粒子やプラズマを減少面物性値が変化するために反射率が変化することも問題視させることができる．しかし，単純な保護円筒だと，円筒されている［２５］．現在の核融合実験装置であれば，実験サ内部に荷電交換粒子が衝突した際に不純物が叩き出され，イクル後に交換することでこれらの問題は軽減される．し鏡表面にそれが堆積するなど，逆に不純物源となる弊害もかし，ITER を始め将来の核融合炉においては，炉内構造ある．円筒材にスパッタリング率が低い材料を用いたとし物の交換は頻繁に行うことはできないため，受動的・能動ても，炭素等の不純物がその表面に堆積し，それが再びス的な手法で鏡表面状態を良好に保って反射率の低下を抑制

パッタされるため，材料の選定だけでは不十分である．そし，反射鏡の長寿命化を図る必要がある．のため，保護円筒構造として，円筒内壁にフィン構造を取その方策としては，①適切なミラー材料の選定と使用条りつけ，スパッタされた粒子の輸送を妨げることやコーン

件の最適化，②構造的に表面損傷・堆積を「受動的に」抑形状の保護構造が提案されている．それぞれ，LHD，HL制する工夫を図る，③堆積物については能動的な堆積抑制‐２A にてその有用性が実証されている［３１，３２］．不純物堆や表面クリーニング，が挙げられる．これら広範に亘る R積の抑制は，三面鏡構造のリトロ反射鏡（コーナーキュー&D は，ITPA の計測トピカルグループ内の専門家ワーキ

ブミラー）で特に重要である．リトロ反射鏡は窪んだ構造をしているために，一旦不純物が鏡表面に堆積すると，荷電交換粒子やプラズマ粒子によるスパッタリングによって不純物がミラー中心部に向かって輸送され，ミラーの外に出ることなく厚い不純物堆積層が形成される．例えば，
LHD で４カ月間使用したリトロ反射鏡の中心部には，厚さ2 !m 程度の堆積層が観測され，赤外領域でも大きな反射率低下を引き起こした［２２，２３］．したがって，不純物や，スパッタして不純物を中心に輸送させるプラズマの粒子が直接飛来することを抑制する必要がある．そのため，フィン付き円筒を折り曲げた構造も提案されている［３１，３３］．ミラー損傷・堆積物抑制を効果的にするため，保護円筒の口径／長さ比の最適化等［３４］も課題であり，実験とモデリングの両面から開発していくことが不可欠である．不純物が落ち込まないように，リトロ反射鏡の前面に窓材を置くこ

図５とも提案されている［３３］．このように，堆積物の受動的抑LHD 真空容器内に設置したミラー（４つの材質）の実験サ
イクル開始前後の反射率．（a）
CuCrZr 合金，（b）
Cu，（c）
多結晶 Mo，（d）
SUS316．

制については，様々な工夫の余地が残されている．
③の能動的な堆積抑制やクリーニングとしては，②でも４６９

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.7 July 2011

触れた化学スパッタリングを利用する方法と，高いエネル夫・クリーニング方法の確立など，いくつかの視点からのギー密度を持つレーザー光を用いた手法が検討されてい研究開発が盛んに進められている．

る．前者に関しては，堆積物が炭素不純物の場合，ミラー謝を高温にしたり，化学スパッタリングに寄与する水素（重辞水素）ガスをミラー近傍から積極的に供給したりして反応

本節を執筆するにあたり，第一ミラーの課題に関して大率を高め，堆積の緩和やクリーニング効果を高める原理実

変有用な議論・コメントを下さった九州大学の吉田直亮教

証的な実験が TEXTOR［３５］や DIII-D［３０］にて行われてい授，レーザー計測に関して議論・コメントを下さった核融る．ただし，ITER 等の環境下で，炭素堆積量に対し化学ス科学研究所の川端一男教授に心から感謝申し上げます．

パッタリングによる除去が追いつくかどうか，主放電に影響を及ぼさない程度で供給するガス量を最適化できるか，

参考文献

主放電以外に別途クリーニングのための放電が必要かどう［１］A.J.H. Donné et. al., Nucl. Fusion 47, S337 (2007).
［２］T. Akiyama et. al., Fusion Sci. Tech. 58, 352 (2010).
［３］K. Kawahata et. al., Rev. Sci. Instrum. 70, 707 (1999).
［４］T. Akiyama et. al., Rev. Sci. Instrum. 78, 103501 (2007).
［５］Y. Kawano et. al., Rev. Sci. Instrum. 72, 1068 (2001).
［６］T. Akiyama et. al., Rev. Sci. Instrum. 74, 1638 (2003).
［７］M.A. VanZeeland et. al., Rev. Sci. Instrum. 79, 10E719(2008).
［８］V.F. Shevchenko et. al., Plasma Phys. Rep. 22, 28 (1996).
［９］Ch. Fuchs and H.J. Hartfuss, Phys. Rev. Lett. 81, 1626
(1998).
［１０］T. Akiyama et. al., Rev. Sci. Instrum. 77, 10F118 (2006).
［１１］G. Braithwaite et. al., Rev. Sci. Instrum. 60, 2825 (1989).
［１２］A.J. H. Donne et al., Rev. Sci. Instrum. 75, 4694 (2004).
［１３］S.E.Segre, Phys. Plasmas 2, 2908 (1995).
［１４］F.A. Hopf et al., Opt. Lett. 5, 386 (1980).
［１５］V.P. Drachev et al., Rev. Sci. Instrum. 64, 1010 (1993).
［１６］P.A. Bagryansky et al., Rev. Sci. Instrum. 77, 053501 (2006).
７］A. Lizunov et. al., Rev. Sci. Instrum. 79, 10E708 (2008).
［１［１８］T. Akiyama et. al., Plasma Fusion Res. 5, S1041 (2010).
［１９］T. Akiyama et. al., Rev. Sci. Instrum. 81, 10D501 (2010).
［２０］T. Akiyama et. al., Plasma Fusion Res. 5, 047 (2010).
［２１］R. König et. al., Rev. Sci. Instrum. 81, 10E133 (2010).
［２２］T. Akiyama et. al., Rev. Sci. Instrum. 78, 103501 (2007).
［２３］N. Yoshida et. al., Proc. 22nd Int. Conf. on Fusion Energy(2008) FT/2-1.
［２４］V.S. Voitosenya et. al., Rev. Sci. Instrum. 76, 083502 (2005).
［２５］A. Ebihara et. al., J. Nucl. Mater. 363-365, 1195 (2007).
［２６］A. Litnovsky et. al., IAEA -FEC, Korea, ITR/P1-05 (2010).
［２７］V.S. Voitosenya et. al., J. Nucl. Mater. 290-293, 336 (2001).
［２８］A. Litnovsky et. al., Nucl. Fusion 49, 075014 (2009).
［２９］L. Marot et. al., Rev. Sci. Instrum. 78, 103507 (2007).
［３０］D.L. Rudakov et. al., Rev. Sci. Instrum. 77, 10F126 (2006).
［３１］N. Yoshida et. al., 13th ITPA Topical Group Meeting on Diagnostics, Chengdu, China, October 29 - November 2, 2007.
［３２］Y. Zhou et. al., 12th ITPA Topical Group Meeting on Diagnostics, Princeton, USA, March 26-30, 2007.
［３３］T. Akiyama et. al., 18th ITPA Topical Group Meeting on Diagnostics Meeting, Oak Ridge, USA, May 11 - 14, 2010.
［３４］A. Litnovsky et. al., Proc. 23rd Int. Conf. on Fusion Energy(2010) ITR P1-05.
［３５］A. Litnovsky et al., J. Nucl. Mater. 363-365, 1395 (2007).
［３６］E. Mukhin et. al., Nucl. Fusion 49, 085032 (2009).
［３７］Y. Zhou et al., J. Nucl. Mater, in press.
［３８］S. Kajita et al., J. Nucl. Fusion 47, 1358 (2010).

か等，クリーニング手法として確立できるか十分な検証が必要である．また，高温にすることは，バルク・不純物の金属原子と炭素が結合して炭化物を形成することを促す効果もあり，この場合は炭素の除去が困難になる．形成される炭素不純物堆積層の組成・結合状態に対する化学スパッタリング効果の大きさについても，更なる研究の余地がある．化学スパッタリングでは金属不純物や ITER の第一壁に由来する Be には効果がない．Be は炭素のように炭化水素の形で除去できないばかりか，炭素の化学スパッタリング率も低下させるため，炭素の除去にも弊害をもたらす．
それらは物理スパッタリングによる除去が考えられ，高いエネルギー密度を持つレーザーによるクリーニングが候補になる．現在，実験室レベルで，母材に損傷を与えずに堆積物だけスパッタさせるためのレーザーエネルギー密度や繰り返しの最適化が行われている［３６，３７］．また，ヘリウム入射によって表層に発生したバブルに対し，ある閾値以上のエネルギーのパルスレーザー光を照射することで再結晶化させ，バブルを消失できることが報告されている［３８］．
これらレーザーを用いた能動的なクリーニング方法については，堆積物，母材に応じて適切なエネルギー密度で照射することが不可欠である．また，光ファイバ等で核融合炉内にレーザー光を導入すると予想されるが，遠隔操作の R&D などは今後の課題である．できる限り，堆積が優勢な領域に第一ミラーを置くことは避け，正味の堆積が起こりにくい場所，若しくは②で議論したような堆積を抑制する条件に整えた上で損耗に強いミラー材を用い，わずかに生じた堆積に対して上記のクリーニングを実施するということが肝要だと考えられる．

４．
１．
５ おわりにITER およびそれ以降の核融合炉での電子密度計測法の課題と，それに向けた現在の開発状況について概説した．
干渉計などによる電子密度計測は古くから行われてきたので，既に確立した手法と考えられがちだが，定常運転，高い放射線環境という条件のため，将来も高い精度・信頼性を担保できるとは限らない．そのため，偏光計やディスパーション干渉計等の研究開発が進められており，既存の装置でその有用性が示されつつある．また，真空容器内反射鏡の性能維持も大きな課題であり，材料開発・構造の工４７０