J. Plasma Fusion Res. Vol.90, No.11 (2014)７
１９‐７２６

講座 今日からはじめる磁場閉じ込めプラズマ実験

４．
プラズマのいろんなパラメータを測るよ！
４．
１ センサーを使ってプラズマを診る！
4.1 Basis of Plasma Measurement
山本聡

YAMAMOTO Satoshi
京都大学エネルギー理工学研究所（原稿受付：２
０
１
４年７月１
３日）

プラズマ実験・研究において，プラズマの諸量を測定することはプラズマを実験的に理解する上で必須の行為です．また，安全にプラズマ実験をする上でも重要です．プラズマ研究では多くの知るべきプラズマパラメー
タがある一方，それぞれに特性をもつ多くの計測原理・計測機器が存在します．プラズマをよりよく知り，よりよい閉じ込めを得るためには，プラズマ計測の基本的な原理を理解し，それらを応用するとともに多種多様な計測機器を組み合わせる必要があります．これからプラズマ実験を初める初心者を対象に，プラズマ計測の基礎的概念について紹介します．
Keywords:
plasma diagnostic, Langmuir probe, magnetics, photo diode, image sensor

４．
１．
１ はじめに機器に該当する共通かつ基本的な考え方が幾つか存在しま

エアリークなく真空容器内を排気装置で高真空にし，加す．それら基本的概念を知ることは，プラズマ実験を安全

熱装置を使ってプラズマが無事点いたら，次はどんなプラ

かつ適切に実施する上で必要ですし，今後，新たな計測機

ズマができているか測定してみましょう．プラズマ実験で器を開発し，未開の物理現象の解明に挑む際にも役立つもは，プラズマを如何に制御するか，如何に加熱するか，そのと思われます．本節ではプラズマ計測の基盤を成す概念

して如何に計測するかに懸かっており，加えて，その制や計測法に関して，これからプラズマ実験を行う学生を主御・加熱・計測の三者は互いに密接に関わっています．三な対象にプラズマ計測の概要を紹介していきたいと思いま

者はどれもが重要ですが，どういったプラズマが生成されすので，本章で概要を掴んだのであれば，次に個々の興味たかの理解なくして，制御や加熱による高性能プラズマのある計測を調べて理解を深めていってください．各計測原

生成・保持は期待できませんし，個々の興味ある物理現象

理や計測機器の詳細は例えば，本学会から出版されているの解明も難しいでしょう．プラズマ計測は大雑把には二つ

参考文献［１‐４］に代表されるような参考書，そして本学会の役割を担っているといえます．一つはある未解明の物理誌 講 座［５］や Review of Scientific Instruments（American

現象を解明するため．そして，もう一つはプラズマ実験を

Institute of Physics）などの学術雑誌をご参 考 く だ さ い

安全に実施する上で必要であると共に，多くの研究の基盤［６］．プラズマ実験では，プラズマ‐壁相互作用などの研究となるようなモニター的な役割です．前者に関しては，あにおいて化学的特性を調べることも重要となりますが，本る物理現象を解明するために知るべき物理量が決まり，計章ではプラズマの物理的特性を調べることに焦点を当てる

測手法や機器が無い場合には新規開発の必要性が生じ，物ことを予め断っておきます．

理機構解明に十分な機器仕様が決定され，そして作成，測４．
１．
２ プラズマ計測定，改良されていくような先進計測機器が該当します．一方で後者は，一般的には枯れたレガシィ的な計測手法・機プラズマ実験では運転や研究に必要なプラズマパラメー器ではありますが，安全な実験実施のためであったり，どタは複数存在するため，複数の計測機器を組み合わせて用の研究にも必要な基盤をなすプラズマパラメータの計測でいる必要があります．加えて，例えば電子密度の計測であったりするために，高い安定性と信頼性が必要とされてあっても幾つかの計測手法があり，それぞれの計測機器がいる重要な計測機器であります．このように，プラズマ計

異なった時間分解能，空間分解能，ダイナミックレンジ

測では上記二つの役割を果たすよう多種多様な原理・機器（測定限界），測定可能領域などの特性をもつため，個々のが開発されてきたわけですが，そこには多くの計測原理・計測器がもつ特性をよく理解し，運転や研究に必要な特性

Institute of Advanced Energy, Kyoto University, Uji, KYOTO 611-0011, Japanauthor’s e-mail: yamamoto.satoshi.6n@kyoto-u.ac.jp

７１９!2014 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.90, No.11 November 2014を有する計測機器を利用する必要があります．

なっており，電圧として出力される商品もあるので利用す

そもそも計測器は大雑把にいってしまえば，ある物理機

るとよいでしょう．単に一つのフォトダイオードを置くだ

構に基づいた物理量を電気信号（電圧や電流）に変換する

けでは空間の情報がありませんので，フォトダイオードを機器です．そして，その物理機構から計測手法を大別する

複数台並べた り，１次元のフォトダイオードア レイやと，プラズマは電子とイオンである荷電粒子から構成されCMOS などの二次元イメージセンサー（４．
１．
４．
２節）を用

るために，電気的，磁気的，粒子的特性を有します．また，

いたりし，ピンホールやレンズなどの光学機器と組み合わ幾つかの物理機構により電磁波を放射するとともに電磁波せることでカメラを構成すれば，全可視光の空間分布が測と相互作用する電磁波的特性を有します．ですので，この定できます．この様な全可視光計測であっても実験時のププラズマの電磁気的特性，電磁波的特性，そして粒子的特

ラズマ・装置監視用モニターには有益で，プラズマの大凡性に着目した測定手法がプラズマ計測に利用できます．更の形状やその変化，プラズマ‐壁相互作用による発光の確に，真空容器内には中性粒子が存在しプラズマと相互作用認ができるため，大型装置であっても実験用モニターとしするため，その特性を活用することも可能です．物理機構て利用されています．

による分類とは別に，能動計測であるか受動計測であるか

ただし，この全可視光計測は，可視光の発生機構が複数の計測法，局所計測か大域計測（視線・空間積分計測）か有るために，発光源が空間的に限定された特殊な実験条件の空間分解能，高応答性か低応答性かの時間分解能などのでない限り運転モニター以上の利用は困難です．このこと大別もできるでしょう．計測器から得られる信号が電圧かから分光の必要性が生じます．プラズマからの電磁波放射

電流かの違いや，時間微分や時間積分，そしてパルス波高

は，制動放射，線スペクトル放射，再結合放射，サイクロ

値の形で信号が得られるかの違いもあります．

トロン放射がありますが，例えば燃料である水素やヘリウ

では，プラズマ実験において，どういったプラズマパラ

ム，そして代表的な不純物の挙動を調べるために，それらメータを計測できるか考えてみましょう．磁場閉じ込めプの代表的な線スペクトルのみを分光や干渉フィルターによ

ラズマ実験では，プラズマ着火前に何かしらの磁場が立ちり抜き出し，半導体素子や光電子増倍管（４．
１．
４．
３節）など

上がっているはずです．プラズマは磁場によって閉じ込めで観測する必要があります．同様に能動的な電磁波計測でられるので，設定通りの磁場ができているかを知る必要がは，ある特定の波長帯の電磁波のみを受光する必要があり有ります．磁場の計測は，電磁気的特性を利用した磁気プ

ます．そして，CCD（４．
１．
４．
２節）などの二次元イメージセ

ローブ（４．
１．
３．
２節）で行うことができます．磁気プローブ

ンサーを用いれば波長と空間情報とを二次元に並んだ素子とは小型のソレノイド状コイルのことで，コイルを貫く磁を用いて同時に測定できますので，画期的に粒子挙動の情束密度の時間微分量を電圧として測定でき，信号を時間積報が得ることができます．なお，半導体素子で受光する前分することで局所的な磁束密度を知ることができます．そに，真空窓，光ファイバー，分光器などの光学部品を電磁して磁気プローブを多数並べることで磁束密度分布を測定

波（光）が通りますので，各部品の波長に対する透過特性

でき，磁場配位が想定通りになっているか調べることがでを合わせる必要があります．計測対象が真空紫外や X 線なきます．実験で得られた信号は，次章で述べられるように

どの短波長電磁波の場合には，遮蔽を防ぐためにすべてのアナログ‐デジタル変換器（ADC）でデジタル信号に変換

機器を真空中に入れ計測する必要があります（シンチレー

後，PC などによって収集・保存されます．信号の積分はタで可視光に変換することも可能です）．

データ収集後には数値的にデジタルで，実験中にリアルタ

他にも磁気計測を用いることでプラズマ蓄積エネルギー

イムで必要ならば，CR 回路やオペアンプによる積分器でやプラズマ電流などが，電子密度に応じて入射マイクロ波

アナログに行うことができます（４．
１．
６．
１節）．

の位相が変化することから電子密度が，電子温度に応じた磁場配位が無事想定通りに形成されていれば，必要に応電子サイクロトロン放射の計測から電子温度を測定するこ

じて予備電離を行いつつ，円環プラズマを貫く磁束変化にとができます．表１に筆者が普段実験を行っているヘリカ

依るトロイダル誘導電場（オーミック加熱）やRF波などのル装置ヘリオトロン J において，実験中に常時確認してい電磁波加熱によりプラズマが無事着火され，真空窓からのる計測機器の一部を紹介しておきます．これらは実験モニ

可視光によりプラズマが確認できるはずです．可視光測定

ターであるとともに，筆者が研究している電磁流体力学的は無電極放電においては（電極放電では電極電流など），（MHD）平衡・安定性の解析にも欠かせないものです．でプラズマの有無を示すようなモニターになり，電磁波特性

は，計測原理の特性による大別を基に，計測原理ならびにを利用した最も簡単なプラズマ計測といえ，フォトダイ

計測機器についてもう少し具体的に紹介していきます．

オード（４．
１．
４．
１節）を用いて簡便に行えます．フォトダイ

４．
１．
３ 電磁気計測

オードは入射してきた光子を電子‐正孔対に変化する素子ですので，入射光に応じた電流が得られます．ただし，電電磁気特性を利用する代表的な計測器として二種類のも流はノイズの影響を受けやすいですし，一般に ADC は電のが知られています．一つは電気的特性を利用するもの

圧信号を変換するため，すぐに抵抗やオペアンプを用いたで，プラズマ中に電圧を印加した電極（探針）を挿入し，プ

電流アンプ（電流電圧変換器）で電圧に変換・増幅し，伝ラズマの応答として得られた電流−（印加）電圧特性から送する必要があります（４．
１．
６．
２節）．単なる可視光計測で電極挿入位置の空間電位，電子温度，電子密度とそれぞれよければフォトダイオードや電流アンプがパッケージとの揺動を測定可能な静電プローブ（ラングミュアプロー
７２０

Lecture Note

4.1 Basis of Plasma Measurement

表１
計測機器名
磁気プローブ
反磁性ループ
ロゴスキーコイル
ワンターンループ
可視カメラ
可視モニター'%#&%モニター
CIII/OV モニター
SX アレイECE
静電プローブ
マイクロ波干渉計

S. Yamamoto

ヘリオトロン J の代表的なモニター計測機器の一例．

測定原理
磁場計測
磁場計測
磁場計測
磁場計測
電磁波計測
電磁波計測
電磁波計測

測定量
磁束密度
プラズマ蓄積エネルギー
トロイダルプラズマ電流
トロイダル周回電圧
プラズマの可視光放射（2D）
プラズマの可視光放射（1D）H2/D2（燃料）の線スペクトル

電磁波計測
電磁波計測
電磁波計測
電気計測
電磁波計測

C，O（不純物）の線スペクトルプラズマの X 線放射（1D）
電子サイクロトロン放射
イオン飽和電流
電子密度

受／能
受動
受動
受動
受動
受動
受動

空間 信号種 備考
局所 電圧
時間微分信号
大域 電圧
時間微分信号，数値積分
大域 電圧
時間微分信号，数値積分
大域 電圧
大域 電流
フィルターなし，接線画像
大域 電流フィルターなし，線積分値

節
４．
１．
３．
２
４．
１．
３．
２
４．
１．
３．
２
４．
１．
３．
２
４．
１．
４．
２
４．
１．
４．
２

受動
受動
受動
受動
受動
能動

大域
大域
局所
局所
局所
局所

４．
１．
４．
２
４．
１．
４．
３
４．
１．
４．
２
−
４．
１．
３．
１
−

電流
電流
電流
電圧
電流
電圧

フィルター，PD
分光器，PMTAl（1 μm）
フィルター，線積分値
ラジオメータ
印加電圧挿引可能
要位相検出，線積分値ブ）です．もう一つは磁気的特性を利用するもので，磁気プローブやロゴスキーコイルなどコイルと鎖交する磁場の時間変化から，磁場や電流が計測できる磁気計測です．これらは小型化により，静電プローブや（ケースに収められた）磁気プローブの融解が問題と成らない低温プラズマにおいては，安価かつ非常に強力な計測手段となります．例
えば，プラズマ中の局所的な粒子束を求めるには，電位と電子密度それぞれの揺動を同一箇所で同時に測定する必要がありますが，（トリプルプローブ法を用いた）静電プ
ローブが粒子束を求められる希少な計測機器です．一方，プラズマ中の局所的な磁場やその揺動も磁気プローブだけが容易に計測可能です．
４．
１．
３．
１ 電気特性を利用した計測機器

図１

シングルプローブの電流電圧特性．

プラズマ中に電圧を印加した電極を挿入すると，電極近傍の電子やイオンは電極の電位に応じて電極へと侵入し電)*(は電子とイオンの平均熱速度，"はプローブ表面積，'

流が計測されます．この得られた電流‐電圧特性から，電&はボルツマン定数，#(と #*は電子とイオンの温度，'(

極挿入位置の空間電位，電子温度，そして電子密度とそれと'*は電子とイオンの質量です．電子とイオンの温度と密ぞれの揺動を測定できるのが静電プローブです．静電プ"##
度が同じ場合には，!
'(#
!
!
'*&
%であることか#$#(#*$%

ローブの形状や計測法には多種多様なものが存在し活用さら!
($!
*であり，結局，電子電流が流れることになりまれていますが，ここでは磁場閉じ込めプラズマでよく用いす．プローブ電位が空間電位 $,より高くなると，プローブ

られる，小さな円筒状の導電体を探針として用いた際のシ

表面からイオンが追い返されると共に電子が引き寄せられングルプローブ法を紹介します．静電プローブの詳細は参るために電子シースが形成され，電圧増加に伴って電子電考文献［７，
８］をご覧ください．

流が増加していきます．これが領域（I）の電子飽和領域でプラズマ中に一本の電極を挿入し，基準電極を真空容器

す．領域（II）は電子反発領域と呼ばれ，印加電圧を空間電などにとり，両電極間に電圧を印加し挿引すると図１の様

位 $,とすることで，プローブ表面から電子が追い返され電

な電流‐電圧特性が得られます．便宜上，縦軸の電流値は子電流が減少していきますが，逆にイオン電流は増加しま

電子電流方向（!"!）を正としています．図１はプラズマす．しかしながら，電子電流のほうがイオン電流より大き空間電位$,と電流が零となる浮遊電位$)を境として，三領いため，計測される電流は電子電流方向に流れることにな

域に分類することができます．プローブ電位とプラズマ空

ります．そして，浮遊電位 $)において電子電流とイオン電間電位が同電位の場合には，電子とイオンそれぞれの熱運

流がバランスして，計測される電流が零となります．更に動による熱拡散電流がプローブに流入し，以下の式でそれ電圧を低下させていくとイオン電流は増加していき，このぞれ表すことができます．

領域がイオン飽和領域（I）と呼ばれます．図１の領域（II）
や（III）のような印加電圧が空間電位 $,より小さな領域で"&#( #"，" ) "" "( %
!
"
('((
(!
(" (
&'(
$
$

電子電流は，

（１）

"

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# #
" ) "" "( %!
'(! *" "．
*" ($* *$ * &'*

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$
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.+!!
"，
((
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#(

（２）

こ こ で，((と (*は 電 子 お よ び イ オ ン の 密 度，'
)((と

（３）

で表されるので，式（３）両辺の自然対数を求め，$ で微分
７２１

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.90, No.11 November 2014

し整理すると，電子温度は次式で与えられます．

布の計測は必須であり，プラズマ閉じ込め装置の製作後，真空容器の気密性確認と並んでプラズマ実験前に行われる

!!

&(
$'
("
%'
%%%!'!
" ．
($&

べき作業です．また，プラズマ実験時に閉じ込め磁場は，（４）

プラズマに起因した磁場で変化するので，閉じ込め磁場強よって，計測で得られた電子電流を片対数表示し，その傾度の分布計測により MHD 平衡や安定性に関する情報を，

きから電子温度を求めることができます．ただし，測定でプラズマの反磁性を利用することでプラズマの蓄積エネル

得られるのはイオン電流も含めた電流となるので，イオンギーを，誘導加熱に関してトロイダル方向の誘導起電力

電流を推定して電子温度を求める必要があります．

を，そして電流が磁場を生み出すことからプラズマ電流を次に電子密度を求めます．電子密度は電子電流，イオン計測することができます．それら磁場の計測は，図２の模電流双方から求めることができます．電子電流から求める

式図に示した様な形状や大きさの異なるコイルを用い，磁際には式（１）に，測定した電子の熱拡散電流 "+%と電子温度気計測（Magnetics）と呼ばれます．

%%を適用することで求めることができます．一方，イオン

コイルを用いた磁場の計測原理を考えてみましょう．計電流から求める際には，空間電位 &*から %%の半分に相当

測原理の基本はファラデーの法則であり，&#"%!#!"#,

する電位になるとイオンシースが形成され，その際のイオを面積分し，ストークスの定理より

ン電流が式（５）で表されることから，式（５）を変形して式#!
-%! ## !$$#%!#$ ，#,#,$（６）より電子密度が求められます．式（６）で .はイオンの電荷数です．

となります．ここで，-はコイルの両端間の電圧，!はコイ('%%"%&("'!
,)!!!"*%.
"，
&%%
)&
"

（５）

"
"
%,)'
!
"(
)&
&
.
'#""$ $ %%"%&．

（６）

*%%

（７）

ルと鎖交する磁束密度，$はコイル面積，# はコイルの巻数です．すなわち，この電圧信号 -を時間積分することにより，磁場（磁束密度）を測定することができます．この原理より，測定する磁場が何に起因するかに依存して，そそして，空間電位 &*は領域（I）と領域（II）の電流電圧特の原因となるプラズマパラメータが測定できる訳です．た性曲線に対して接線となるように直線を描き，その交点か

だし，計測原理から定常磁場は測定できず，その際にはら求めることができます．以上，静電プローブ計測の基本

ホール効果を利用したホール素子が必要となります．

となるシングルプローブ法について紹介しましたが，この（１）磁気プローブ

手法では印加電圧挿引が必要であるために，電圧挿引中はMHD 平衡や MHD 不安定性を調べる際には，局所的な磁プラズマが変化しない必要があります．逆にいえば，揺動

束密度の分布測定が有効であり，磁場の空間変化スケール

計測はできません．そこで考案されたのがトリプルプローに比べ十分小さな小型のコイルである磁気プローブを用いブ法であり，それは最低三本の探針を同時に用いて，プます．低温プラズマなら磁気プローブを溶損防止の金属ローブ間に定電圧を印加し，プローブから得られる電流とケースに入れプラズマ中に挿入することで，内部の磁場計

もう一本の接地点から浮かしたプローブ間の電圧から，電測が可能でしょうし，中型・大型装置でプラズマ内に挿入

子温度，電子密度，空間電位を同時に得る手法であります．

できない場合でも，プラズマ外かつ真空容器内に設置する

当然ながら，三本の探針は同じプラズマパラメータを有すことで磁場が閉じ込め領域から減衰しながら伝搬するのでる位置に存在しないといけないのですが，本手法により粒MHD 研究に利用できます．特に，磁気プローブは時間微子束も計測可能となります．なお，注意点として，ここで分計測であるため周波数応答に優れ，MHz帯までの高周波

紹介した手法は，電子・イオンの速度分布関数がマクス

磁場揺動を容易に計測可能ですが，高周波用の磁気プロー

ウェル分布に従うときに適用できる方法であり，高速電子ブを作成する際には，コイルを含む測定系が LCR 回路であや高速イオンが存在する際には注意が必要です．プローブ

るために共振が存在することに注意が必要です．測定周波（電極部）の材料としては融点の高いタングステン，タンタ

数において平坦な周波数特性を得ようとする際には，共振

ル，モリブデン，炭素，銅などの導電性物質が用いられま

周波数を上げるか，平坦化させる必要があります．LCR

す．カバー部としては，電極部同様，高融点の金属材料が用いられますが，その際にはアルミナなどによる各信号線間の絶縁が必要となります．また，窒化ボロンやセラミッ
クス（例えばマシナブルセラミックス）などの高融点かつアウトガスの少ない絶縁材料を用いることも可能です．結局のところ融解による破損が問題ですので，入熱と伝熱で決まる静電プローブの熱が重要であり，計測可能なプラズ
マのパラメータ領域は温度（＜50 eV）と密度（＜1020 m−3）と時間（!+）の三重積で決まることに注意ください．
４．
１．
３．
２ 磁気特性を利用した計測機器
図２

磁場閉じ込めプラズマ実験において閉じ込め磁場強度分
７２２

様々な磁気計測機器の模式図．

Lecture Note

4.1 Basis of Plasma Measurement

回路の共振周波数は !
!"! ! ですから，磁気プローブの自己

S. Yamamoto

４．
１．
４ 電磁波計測

インダクタンス "ならびにケーブルのキャパシタンス !

電磁波計測は，プラズマからの電磁波放射を受動的に計を下げる必要があります．キャパシタンス ! を下げるには測する手法と，能動的にマイクロ波やレーザーを入射し，ケーブル長を短くすることが考えられます．自己インダク

干渉，偏光，反射，散乱，屈折などプラズマとの相互作用

タンス "に関しては，"は巻き数 #"に比例して，コイルにより変化した入射光を計測する手法が挙げられます．ま面積 $に反比例するため，# を減らし，コイルサイズを大た，能動的に中性粒子ビームを入射し，ビームとプラズマ

きくすることで，コイル感度 #$を落とすことなく共振周との相互作用による発光を利用する手法もあります．これ

波数を上げることが可能です．ただし，小型装置の場合は，

ら電磁波計測の原理は多種あるものの，受動的であれ能動コイルの大型化は局所磁場計測にそぐわなくなることも有的であれ，電磁波の計測という意味では多くの場合，共通

りますので最適なサイズを見つけてください．また，周波の原理・機器が用いられます．本節ではそれらについて紹

数特性の平坦化は整合抵抗の導入によって可能です［５］．

介していきたいと思います．

加えて，高周波揺動の計測では，磁気プローブのケースが

電磁波は粒子性と波動性の二面性をもち，波長の違いか金属である際には，交流磁場により渦電流が発生し一種のら幾つかに分類されますが，波長が長い領域では波動性が磁気シールドとなりますので注意が必要です．磁気プロー

強く，波長が短くなってくると粒子性が強くなっていきま

ブはボビンと呼ばれる筒に線を巻いて作成しますが，小型

す．プラズマ計測では，ミリ波領域から "線領域に至る幅装置においてはチップインダクタ（ただし空芯）と呼ばれ広い波長領域の電磁波が計測に用いられています．図３にる超小型のインダクタの利用が有効です．

各波長（合わせて各光子エネルギー）領域でよく用いられ（２）反磁性ループる電磁波検出器を示します．長波長（図３の右端）のミリ

一巻きのコイルを閉じ込め磁場に垂直かつプラズマを取波・マイクロ波帯では，電磁波の電界を検波できる SBD

り囲むよう巻くことで，プラズマの反磁性効果によって減（ショットキーバリアダイオード）がよく利用されていま少する閉じ込め磁場が測定でき，その変化分からプラズマす．赤外線領域からはダイオードが利用可能となり，水銀の蓄積エネルギーを測定することができます．

カドミウムテルル（MCT/HgCdTe）半導体などを用いた（３）ロゴスキーコイル

光としての計測以外にも赤外線放射は熱放射ですからボロ

プラズマ電流が流れている際には，プラズマ電流に起因メータなどの熱計測が利用できます．可視光から紫外線領する磁場を測定することで電流の総量が計測可能で，同様域になるとシリコンフォトダイオードや光電子増倍管が利の方法が非接触型の市販の電流プローブなどでも用いられ用でき，特にフォトダイオードは X 線領域まで利用可能でています．
（定常磁場も計測可能なホール素子タイプもあす．また，紫外線・X 線領域ではシンチレータによって紫ります）

外線・X 線を可視光に変換し，可視光計測するといった手法が利用できます．

他にもトロイダル方向の周回誘導起電力を測定するためのワンターンループや，MHD 平衡・安定性のためのサド

以上のように，プラズマからの幅広い周波数帯をもつ電ルループなどがよく知られています（図２参照）．得られ磁波をそれぞれ対応する検出器を用いて測定し，プラズマた信号は前述のように微分信号であるため，磁束密度を得

パラメータを得るわけですが，電磁波の発生源であるそれるためには積分が必要となりますが，積分回路については

ぞれの物理機構は電磁波の周波数帯がそれぞれ異なります

４．
１．
６．
１節をご覧ください．

し，その周波数スペクトルを知ることが重要になるため，分光したり，フィルターにより特定の周波数帯成分だけを抜き出したりする必要があります．なお，前述のように放図３代表的な受光素子の利用可能領域．参考文献［１３］などを参考に作成．

７２３

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.90, No.11 November 2014

電モニターとして用いる際や検出器特性から分光やフィル
ターを用いず，単にフォトダイオードや CCD/CMOS などのイメージセンサーでプラズマからの発光を測定することもあります．では，次節から特に赤外領域から X 線領域の電磁波計測に関して，大凡のシステム構成と検出器について紹介します．電磁波計測についても具体的な計測原理・計測機器に関しては，全般的には参考文献［１‐６］を，レー
ザー応用の計測は参考文献［９］，マイクロ波から遠赤外線領域に関しては参考文献［１０，
１１］，そして可視光から紫外
線は参考文献［１２］などを参照ください．
４．
１．
４．
１ 電磁波測定のシステム構成
プラズマからの電磁波を測定する際に，ピンホールやレンズを使ってカメラを構成すれば空間分解能をもたせることができます．X 線などの短波長の電磁波では効率のよいレンズが存在しないため，基本的にはピンホールカメラとして計測を行いますが，計測機器として S/N 比を上げ精度の高い信号を得るためには，明るい光学系とするのがよい
図４

ため，レンズが利用できる波長ではレンズを用います．

電磁波の分光計測の一例．

図４にピンホールカメラ状の X 線検出器とレンズを用いた可視分光計測器の概念図をそれぞれ示します．図４（a）のは 1.12（eV），ゲルマニウム（Ge）では 0.67（eV），そしてX 線検出器は主に MHD 平衡や安定性を調べるために用い化合物半導体材料のインジウムガリウムヒ素（InGaAs）でられ，真空中に計測機器を設置します．ピンホールによりは組成比に依存しますが大凡 0.5（eV）程度となります．す

空間分解能を得て，ベリリウムフィルターにより X 線領域

なわち，波長が１（μm）より長いような近赤外線の検出にの電磁波だけを通過させ，最終的にフォトダイオードで X

Si は感度がなく，InGaAs を利用する必要があります（図３

線を検出する仕組みです．一方，図４（b）は可視光領域の参照）．PN 型半導体素子の利点は，前述のように空乏層の分光計測に用いられる計測系の概念図で，真空容器外（大内部電場のために原理的に外部からバイアス電圧を必要と気中）に設置します．図４（b）では，真空容器ポートに真空せず計測できる点です．ただし，高応答性を必要とする際窓を設置し，対物レンズを用いて可視光は光ファイバーにには逆バイアスを印加し空乏層を拡大させることで実現で集められて伝送され，グレーティングなどを用いた分光器

きます．更に，PIN 型はキャリアが非常に少ない i 型を p

や光学フィルターに導入され，最終的にそれぞれ特定の波型 n 型間に含むため，逆バイアス印加により大きな空乏層長のみの可視光がフォトダイオードや光電子増倍管で，まが形成され高応答性が期待できます．しかし，バイアス印

たは分光された光が CCD などの二次元イメージセンサー

加は暗電流の増加も導きノイズ増加にも繋がるという点にで電気信号に変換されます．本手法は磁場の影響を受けや注意が必要です．逆バイアスを更に増加させると結晶格子

すい検出器を装置から離して，磁場の弱い箇所で利用できとの散乱頻度増大により電流は飽和しますが，更に逆バイる利点があります．

アス電圧を大きくすると，一次の衝突を免れ加速された高

４．
１．
４．
２ 半導体素子（1D）を用いた電磁波計測

エネルギーのキャリアが結晶格子と衝突し，新たな電子‐

半導体を用いた受光素子は原理こそ異なるものの，マイ正孔対が生成されます．この現象が雪崩式に起こること

クロ波領域から X 線領域までの電磁波計測に対応可能で

で，電子‐正孔対生成の倍増が起こります．この原理を用す．プラズマ計測で用いられる代表的な半導体受光素子はいて微弱光の検出を実現したのが APD です．

単体もしくは一次元アレイとしては フ ォ ト ダ イ オード

PD は各社から様々な特性をもったものが多数販売され（PD）が，そして二次元イメージセンサーとしては CCDていますが，購入時に注意すべき特性は，（１）量子効率のや CMOS が挙げられます．

周波数特性，（２）ノイズ特性，（３）時間応答性，（４）受光部

フォトダイオードには，n 型半導体と p 型半導体とを接面積が挙げられます．量子効率とはある波長での光子から合させた PN 型 PD や p 型と n 型半導体との間に真性半導体

電流への変換効率であり，測定する周波数帯での量子効率（i）を挟んだ PIN 型 PD，そしてアバランシェ効果を利用しが高くないと十分な信号強度が得られません．ノイズに関たアバランシェ PD（APD）などがあります．電磁波検出のしては抵抗体の熱雑音電流，暗電流や光起電電流に起因し原理は，電磁波の粒子性である光子が p-n 接合部のキャリたショットノイズが考えられます．時間応答性はパッケー

アの少ない空乏層またはその近傍に入射されると，光起電ジ容量と PD 接合容量の和で決まり，接合容量は受光面積効果により電子‐正孔対が生成され，PN 型であれば空乏層に比例し空乏層幅に反比例するため，揺動計測のように高内部の電場により加速されて電流が生み出されます．光起応答性が必要となる際には注意が必要です．そして大きな電効果が起こる最低の光子エネルギーは半導体材料のバン

受光面積は明るい光学系のために必要となりますが，時間ドギャップにより決定され，理想的にはシリコン（Si）で応答を悪化させる原因でもあります．これら特性を吟味
７２４

Lecture Note

4.1 Basis of Plasma Measurement

S. Yamamoto

し，研究にあった PD を選ぶ必要があります．APD の利用

ます．ダイノード部には二次電子を加速させるために電圧に関しては，アバランシェ効果による増倍率が温度依存性

印加が必要であり，外部から高電圧を供給する必要がありをもつため（結晶の格子振動が熱運動に由来），素子温度

ます．逆にいえば，増幅率は外部供給電圧により制御できによって逆バイアスを変化させるか，素子温度を一定に保ます．近年，PMT が磁場の影響を受けることや APD の高

つ必要があります．

性能化により，より扱いが楽な APD が用いられることも

以上，赤外線領域から軟 X 線領域まで利用できる光起電ありますが，計測可能波長領域が広い，増倍率が高い，効果型での電磁波計測について述べましたが，赤外線領域

S/N 比が高いことなどから，必要に応じて PMT が用いら

では電磁波入射に伴う抵抗の減少を測定に用いる光導電効

れています．

果型の素子も利用可能であり，特性を理解した上で場合に応じて利用すればよいでしょう．PIN 型 PD に硬 X 線や "線４．
１．
５ 粒子計測などの高エネルギー光子が入射した際には，前述の光起電

４．
１．
３．
１節で紹介した静電プローブは粒子計測とも言え，効果ではなく，電子との相互作用により電子‐正孔対が生得られた電流を電荷で割ることで粒子数を得ることができ成されます．この電子‐正孔対の生成数は入射光子数ではます．ただし，電極部に荷電粒子が入射された際には二次なく，入射光エネルギーに依存するため，発生電子数をカ

電子放出が起こり，正確に粒子数が判断できなくなるため

ウントし，そのイベントの発生回数をカウントすることに，電極周辺部にバイアス印加したグリッドを設置して，で，エネルギースペクトルを得ることができます．このよ二次電子を電極に戻す工夫が必要となってきます．このような手法をパルス波高分析（PHA）と呼びます．

うな計測器をファラデーカップと呼びます．なお，二次電

４．
１．
４．
３ 半導体素子（2D）を用いた電磁波計測

子放出は静電プローブでも考慮すべき問題でありますが，

受 光 素 子 を 二 次 元 に 構 成 し た も の が CCD/CMOS でマイクロチャンネルプレート（MCP）の様に繰り返しの二す．CCD と CMOS の大きな違いは発生した電荷の転送方

次電子放出により高増幅率を得ることにも応用可能です．

法です．CMOS では個々の MOS にアンプや信号用電極が

また，４．
１．
４．
２節で紹介した PHA は高エネルギー粒子に対組み合わされ た モジ ュ ー ル 構 造 で 構 成 さ れ て お り，モしても同様に利用可能です．

ジュールごとにデータを得ることができますが，モジュール間にばらつきがあったり，量子効率が低かったりするこ

４．
１．
６ 積分回路と電流アンプとから，高速カメラと呼ばれるような，比較的明るい像を

４．
１．
６．
１ 積分回路高速で撮影するような場合に用いられます．例えばプラズ

４．
１．
３．
２節で説明した磁気計測では，原理的に，得られる

マからの発光を二次元で撮影し，揺動の空間情報を得よう

電圧は磁束密度の時間変化に比例することを述べました．

とする際などです．一方，生成されたキャリアを電界の井そのため，磁束密度を得るためには磁気計測機器の出力を戸に一時的に貯め，順次，隣の受光素子（MOS が用いられ

時間積分する必要があります．積分はデータ取得後にはデる）にバケツリレー方式で電荷を電極部まで伝送する方式

ジタル処理により数値的に実現できますが，リアルタイム

が CCD です（CCD は正式には電荷伝送の仕組みをいいまで知るためにはアナログで電気回路を用いて積分する必要

すが，CMOS なども含め二次元の半導体受光素子全般をがあります．入力信号を積分する電気回路は RC 回路やオ

CCD ということが多いのも事実です）．CCD には転送方式

ペアンプを用いた回路がよく知られています．図５に両者に関して幾つかの種類が存在しますが，受光部と蓄積部をの電気回路図を示します．

共用するフルフレーム転送型CCDでは，外部シャッターを

図５（a）は RC 積分回路です．この回路は低域通過フィル

用いることで，転送時の受光素子への新たな光子入射を防ターでもあり !
!
#"!"で表される周波数より高い周波数"!

いでいます．受光方式としては，表面（全面）入射型と裏の入力を積分します．時定数とゲインはそれぞれ "! と面（背面）入射型があり，前者は電極部がある表面側から!
"!"であり，低周波入力に対して高いゲインが期待でき!
!

受光する方式で一般に用いられますが，電極部があるためませんので，後段に合わせて増幅用のアンプが必要となるに量子効率が低下してしまう問題があります．後者は電極こともあります．一方，図３（b）は高ゲインのオペアンプ

部がない裏面から受光する方式で広い波長領域に対して高を用いた反転増幅回路による積分回路です．帰還素子にコい量子効率が得られます．近年ではこの裏面入射型がプランデンサーを用いることで積分を行います．理想的にはオズマ計測で用いられるようになっています．この二次元イ

ペアンプの入力は高インピーダンスですが，実際には異なメージセンサーであるCCDを用いることで，計測対象である電磁波の計測位置と波長の二次元同時計測が可能となり，高い量子効率が求められる分光計測でよく用いられて
います．
４．
１．
４．
４ 光電子増倍管を用いた電磁波計測
光電子増倍管（PMT）は真空管状の素子で，外部光電効
果によりアルカリ金属などの受光部において入射してきた光子が電子に変換され，更にその電子を基にダイノード部
図５ （a）
RC 回路と（b）
オペアンプを用いた積分回路図．

で次々と二次電子が増幅されることで高い増幅率が得られ
７２５

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.90, No.11 November 2014

るために入力がなくても出力が発生するドリフトが起きる

参考文献

ことがあります．そこで，コンデンサー ! に貯まった電荷［１］プラズマ・核融合学会編：プラズマ診断の基礎（名古屋大学出版，名古屋，１９９０）．
［２］プラズマ・核融合学会編：プラズマの生成と診断 ‐応用への道‐（コロナ社，東京，２００４）．
［３］プラズマ・核融合学会編：プラズマ診断の基礎と応用（コロナ社，東京，２００６）．
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［５］池澤俊治郎編：プラズマ・核融合学会誌，講座「プラズマ実験入門」69, 451 (1993).
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［８］堤 井 信 力：プ ラ ズ マ 基 礎 工 学 増 補 版（内 田 老 鶴 圃，
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５）
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［９］村岡克紀編：プラズマ・核融合学会誌，小特集「磁場閉じ込め高温プラズマにおけるレーザー応用プラズマ計
測の最近の進展」76, 842 (2000).
［１０］間瀬 淳編：プラズマ・核融合学会誌，講座「ミリ波・サブミリ波計測の基礎と応用」71, 49 (1995).
［１１］間瀬 淳編：プラズマ・核融合学会誌，小特集「大型装置計測のためのミリ波技術の開発」74, 1382 (1998).
［１２］後藤基志編：プラズマ・核融合学会誌，講座「プラズマ分光入門」79, 1287 (2003).
［１３］浜松ホトニクス編：光半導体素子ハンドブック．http:を放電するために，並列に高抵抗の "!を付け逃してやることでドリフトを避けることができます．
４．
１．
６．
２ 電流アンプ（電流電圧変換器）
４．
１．
４．
２節や４．
１．
４．
４節で説明した電磁波計測では，得られる信号が電流となります．電流は電圧と比してノイズの影響を受けやすいですし，ADC によりデジタルに変換される信号は電圧ですので，電流電圧変換が必要となります．電流を電圧に変換する最も簡単な方法は抵抗を計測器に直列に入れ，その抵抗の両端の電圧を測定することです．また，測定系のインピーダンスを変化させないように小抵抗のものを用いる必要があります．ただ，この方法では増幅が行われないために，半導体素子からの μA 程度の微弱電流に対して向いていません．ですので，電流電圧変換でもオペアンプを用いた反転増幅回路で電流を電圧に変換する方法がよいでしょう．電気回路は図５（b）の抵抗 "を外したものです．このオペアンプを用いた反転増幅回路
では，増幅率が "!倍される一方，時定数が "!!となるために高い増幅率とすると高周波での周波数特性が悪化します．特に揺動計測では問題となりますので注意が必要です．

謝辞//www.hamamatsu. com/jp/ja/hamamatsu/over-

執筆にあたって，京都大学エネルギー理工学研究所門信

view/bsd/solid̲state̲division/related̲documents.

一郎氏との議論は大変有意義なものでありました．感謝い

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たします．ヘリオトロン J 実験グループの先生方には執筆に対して多くのご助言をいただきました．お礼申し上げます．

!!!!!!!!!!!!!!!!!!

もと

さとし

山 本

やま

聡

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京都大学エネルギー理工学研究所，助教．
２００
３年名古屋大学大学院工学研究科・博士（工学）．長野県出身．御嶽山と木曽駒ヶ岳に挟まれた木曽谷で生まれ，育ちました．
主な研究分野はトロイダルプラズマにおける MHD 平衡・安定性の実験と思っていますが，最近はほとんど低磁気シアヘ
リカルプラズマでの高速イオン励起 MHD 不安定性とそれの高速イオンへの影響を実験や数値解析により研究しています．最近の趣味は温泉めぐり（特に硫化水素系）です．好物
はビールとソーセージと生ハム．

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