研究最前線

古典的なピンホールカメラを用いた先進的なイメージング輻射計測
向 井 清 史皆様は輻射という言葉を耳にされたことはあるでしょうか？輻射とは、物体がその温度に対応した光（電磁波）を放出する現象のことを言います。
身近な輻射の一つに、輻射式の赤外線ストーブがありますが、このストーブによる暖房のように、輻射は熱を四方八方へと拡がらせることができます。
現在、研究開発が進められている核融合炉では真空容器内壁の局所的な熱負荷を低減させることが重要な技術的課題です。そのためにプラズマからの輻射を有効利用する手法の研究が進められており、プラズマからの輻射状態を詳細に調べる計測器が必要です。また、大型ヘリカル装置（LHD）のプラズマは複雑な形状をしているため、カメラで写真を撮るように広範囲の情報を細かく得ることのできる、イメージング計測が重要となります。今回は、このイメージング輻射計測を行う、イメージングボロメータという計測器について紹介します。
ボロメータ（bolometer）の語源は、ギリシャ語の “bole（光線）” + “metron（測る）” です。したがって、イメージングボロメータは、プラズマからの輻射（光）をイメージ（画像）として計測する装置になります。計測対象となるプラズマからの輻射は幅広い波長帯域の光から構成されており、様々なプラズマの情報が含まれていますが、ボロメータ計測では、プラズマからの輻射の総量とその空間分布を調べることを目的としています。NIFS ニュース No.218（2014 年６／７月号）では、特定の波長の光を取り出して計測する分光計測によって、プラズマ中の不純物の振る舞いを調べる手法が紹介されています。一方、幅広い波長帯域のプラズマ輻射を検出するには、光を受け止めて温度が上がりやすい材料（金属薄膜）を炭素コーティングで黒色化した検出器が用いられます。ここで、イメージング計測をする際に問題となるのが、光学系です。一般的なカメラに使われているようなレンズは波長帯域によって特性が異なるため、プラズマからの輻射のような広範囲の波長帯域の画像を撮影しようとすると、波長によって像がずれてしまい（色収差と呼ばれる現象です）、詳細な画像を得ることができません。その解決策となるのが、ピンホー2

ルカメラです。ピンホールカメラとは、図１に示すように小さな穴（ピンホール）のみを用いて撮影する、古典的なカメラです。牛乳パックやお菓子の箱の底に針で穴を開けて、反対側に写真用フィルムを貼って作った方もおられるかもしれません。
このピンホールカメラはレンズを用いていないた
め、波長による像のずれ（色収差）の影響を抑えることができます。したがって、古典的な手法でありながら、実は最先端のイメージング輻射計測に適した手法なのです。

図１：ピンホールカメラの原理。物体はピンホールを通ってフィルムに写し出される。

実際に LHD に設置されているイメージングボロメータの概観を図２に示します。装置は主にピンホールカメラ部と赤外線カメラ部から構成されています。プラズマからの輻射は、８ミリメートル角の正方形のピンホールを通りフィルムに照射されます。ここで、フィルムには、大きさ 13 × 11 センチメートル、厚さ 2.5 ミクロン（１ミクロンは1000 分の１ミリメートル、アルミ箔の厚さが 10ミクロン程度）の白金の薄膜を用いています。先述のように、幅広い波長帯域の光から構成されているプラズマからの輻射を計測するため、白金の薄膜の両面を炭素コーティングし黒色化することで、遠赤外〜軟 X 線領域までの幅広い波長帯域からの光を検出しています。輻射が強い部分はそれだけフィルムの温度が上昇するので、フィルムには温度分布が生じることになります。フィルムは十分に薄いので表裏で同じ温度をしていると考えられるため、フィルムの温度分布を裏側から赤外線カメラで計測します。ここでの光学系は赤外線カメラ用なので、赤外線用のレンズを用いることができます。
このように、赤外線カメラでプラズマを直接計測磁気シールド
赤外線カメラ

真空窓（セレン化亜鉛）
赤外線カメラ部
光学系

2次元
温度分布

白金薄膜
（13cm×10cm×2.5μm）（両面を炭素で黒化処理）

ピンホールカメラ部

輻射（遠赤外〜軟X線）

ピンホール（8×8mm）

ＬＨＤ
プラズマ

ＬＨＤ真空容器

図２：イメージングボロメータの構成図。プラズマからの輻射は、ピンホールを通って薄膜の温度分布として映し出され、赤外線カメラで計測される。

込む、イメージングボロメータの計測視野を図３（ｂ）に示します。プラズマ中心部からの輻射が強くなると磁気軸付近が、プラズマ周辺部からの輻射が強くなるとヘリカルダイバータ X 点と呼ばれる場所の近くが、それぞれ高い値を示すと考えられます。図４（ａ）は LHD プラズマ周辺部に不純物ガスとしてネオン（Ne）を、図４（ｂ）はクリプトン（Kr）をそれぞれ入射し、輻射損失を増加させた実験の計測結果です。計測結果を見ると、クリプトンではネオンと比べてプラズマ中心部（磁気軸）付近での輻射が強くなっていることが分かります。
これは、クリプトンはネオンと比較して高い温度で電離するため、より温度の高いプラズマ中心部で輻射が生じているためであると考えられます。
このように、LHD においてもプラズマに入射する不純物ガスの種類によって輻射が生じる場所を制御できることが分かってきました。今後、イメージングボロメータ等の LHD における計測技術を利用して、不純物ガス入射条件を最適化することでデタッチメントプラズマ等の研究を進展させ、核融合プラズマの研究の発展に貢献することが期待されます。
（高温プラズマ物理研究系 助教）

すると赤外線領域しか計測できませんが、ピンホールカメラと赤外線カメラとを組み合わせることで、幅広い波長帯域のプラズマからの輻射状態を知ることができます。
さて、核融合発電を実現するためには、中心部で１億２千万度を超える高温のプラズマを閉じ込めることが必要ですが、一方、閉じ込めている領域の外側では、周辺部に出てきたプラズマの温度を十分に下げて、あらかじめ決められた場所（ダイバータと呼んでいます）にプラズマを終端させる必要があります。このダイバータの熱負荷を低減すること（ａ）（ｂ）
が、核融合炉実現のための最重要課題の１つとなっ
図３：（ａ）LHD プラズマの上面図と（ｂ）イメージングボロメーています。そこで、中心プラズマの性能を高めるとタの視野図。黄色の点線はプラズマ中心の磁気軸を、赤同時に、周辺部に出てきたプラズマの熱をダイバーの実線とピンクの破線はプラズマ周辺部のヘリカルダイ
バータ X 点の線の上側と下側をそれぞれ表している。
タに至るまでの間に輻射によって四方八方に分散させる（輻射損失を増大させる）ことで、ダイバータへの熱負荷を低減させる運転方法の確立が求められています。この方法である「デタッチメント（非接触）プラズマ」については、
NIFS ニュース No.213（2013年８／９月号）に詳しく書かれています。イメージングボロメータは、
このデタッチメントプラズマの研究（ａ）ネオン入射時（ｂ）クリプトン入射時における輻射分布計測として、重要
図４：図３の視野で計測した、不純物ガス入射時における輻射損失分布の入射前からのな役割を果たしています。図３（ａ）
増分。ネオン入射時はプラズマ周辺部から、クリプトン入射時はプラズマ中心部のように LHD プラズマを上から見からの輻射がそれぞれ強くなっていることが分かる。

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