1 視線の観測のみで核融合プラズマ中のヘリウム近⾚外輝線の発光分布を推定
概要
核融合発電では、磁場で閉じ込めた重⽔素と三重⽔素の混合プラズマを 1 億度に加熱し、イオン同⼠が衝突して核融合する際に放出されるエネルギーを利⽤します。この時、プラズマの温度や密度は、炉⼼部と周辺部で⼤きく変化します。この温度や密度を調べるためにプラズマからの発光の分布は有⽤な情報ですが、通常の観測⽅法では視線に沿った奥⾏き⽅向の発光が全て⾜し合わされてしまうため、分布の情報が得られません。
プラズマを⾊々な⽅向から観測できれば分布を再構成できますが、核融合炉の保全や経済性の観点からは、観測窓の数をできるだけ少なくすることが望まれます。
京都⼤学⼤学院⼯学研究科の茶⾕智樹 修⼠課程学⽣、上野陽平 同修⼠課程学⽣（研究当時）、四竈泰⼀ 同准教授、蓮尾昌裕 同教授、同エネルギー理⼯学研究所 ⾨信⼀郎 准教授らの研究グループは、ストークス偏光分光法※1 と呼ばれる⼿法を近⾚外のヘリウム原⼦輝線（波⻑ 1083 nm）に適⽤し、1 視線のみで視線に沿った発光分布を求める⽅法を開発しました。従来、可視輝線での計測が⾏われていましたが、近⾚外輝線を利⽤することで、空間分解能が向上し、また、磁場が弱い装置でも計測を⾏うことが可能となりました。
本成果は 2022 年 9 ⽉ 23 ⽇（現地時刻）に英国の国際学術誌「Scientific Reports」にオンライン掲載されました。

１．背景
磁場で閉じ込めた重⽔素と三重⽔素の混合プラズマを 1 億度に加熱し、イオン同⼠が衝突して核融合する際に放出されるエネルギーを利⽤する核融合発電では、プラズマの温度や密度が、炉⼼部と周辺部で⼤きく変化します。温度や密度、また、不純物、壁に⼊射する熱量等を調べるためにプラズマからの発光は有⽤な情報ですが、通常の観測⽅法では視線に沿った奥⾏き⽅向の発光が全て⾜し合わされてしまうため、分布の情報が得られません。プラズマを⾊々な⽅向から観測できれば分布を再構成できますが、核融合炉の保全や経済性の観点からは、観測窓の数をできるだけ少なくすることが望まれます。本研究では、ストークス偏光分光法と呼ばれる⼿法を近⾚外のヘリウム原⼦輝線（波⻑ 1083 nm）に適⽤し、1 視線のみで視線に沿った発光分布を求める⽅法を開発しました。
２．研究⼿法・成果
ストークス偏光分光法は、磁場中に置かれた原⼦やイオンの輝線スペクトルに⽣じるゼーマン効果※2 の計測に⽤いられます。核融合炉内では、磁場の強さと向きが場所ごとに変化し、視線に沿った奥⾏き⽅向の場所ごとに輝線スペクトルのゼーマン効果が変化します。この特性を利⽤することで、視線に沿った輝線スペクトルの分布を推定できます。ストークス偏光分光法を核融合プラズマに適⽤するには、輝線スペクトルのゼーマン効果と原⼦運動によるドップラー効果、電⼦・イオン衝突によるシュタルク効果※3 を区別する必要があります。
本研究では、シュタルク効果に対する感受性が⼩さい輝線を選択し、また、ドップラー効果に対してゼーマン効果が波⻑とともに⼤きくなる性質を利⽤して、近⾚外輝線を⽤いてゼーマン効果を⾼感度で計測しました。
この結果、可視輝線を⽤いて⾏われた先⾏研究と⽐較して、空間分解能が向上し、また、磁場が弱い装置でも計測を⾏うことが可能となりました。
研究の実施に当たっては、⼤学院⼯学研究科 光⼯学研究室で開発した近⾚外偏光分光システムを利⽤し、エネルギー理⼯学研究所 ヘリオトロン J 装置※4 を⽤いて実験を⾏いました。トーラス型の重⽔素プラズマ中にヘリウムを⼊射し、ヘリウム原⼦の近⾚外輝線（23S-23P 遷移、波⻑ 1083 nm）を発光分光しました。視線に沿った輝線スペクトル分布の推定には、京都⼤学エネルギー理⼯学研究所 プラズマエネルギー研究室、⾹川⾼等専⾨学校情報⼯学科 光⼯学研究室で共同開発した原⼦輸送シミュレーションを利⽤しました。
３．波及効果、今後の予定
本研究では、核融合炉で視線に沿った発光分布を得るために近⾚外ストークス偏光分光法が有効であることを⽰しました。今後、計測対象を⽔素原⼦や不純物原⼦・イオン（希ガス、酸素、タングステン等）の輝線に広げることができれば、原型炉や商⽤炉への実装につながることが期待されます。また、ストークス偏光分光法は、太陽やその他の恒星、オーロラ等の天体プラズマの観測にも利⽤されていますが、天体プラズマと核融合プラズマでは温度や密度の分布、観測条件が異なるため、両者の実験結果を⽐べることで、実験技術の進歩にもつながる可能性があります。
４．研究プロジェクトについて
本研究は、⾃然科学研究機構 核融合科学研究所 LHD 計画共同研究「近⾚外ゼーマン分光法を⽤いた SOL
電⼦温度密度の空間分布計測」（NIFS19KOAP034）、⽇本学術振興会 科研費助成事業 基盤研究(B)「シュタルク・ゼーマン効果の⾼感度計測を利⽤した磁場閉じ込めプラズマ診断法の開発」（21H01054）、公益財団法⼈
光科学技術振興記念財団 研究助成、京都⼤学エネルギー理⼯学研究所 ゼロエミッション共同研究、⽇本学術振興会 先端究拠点形成事業「磁場の多様性が拓く超⾼温プラズマダイナミクスと構造形成の国際研究拠点形成（PLADyS）」の助成を受けて実施しました。
＜研究者のコメント＞
近⾚外輝線は、可視輝線と⽐べて強度が⼩さく、また、分光計測の際に光検出器が熱ノイズの影響を受けやすいという特徴があります。このため、これまで核融合プラズマの発光観測ではあまり利⽤されていませんでした。輝線スペクトルを利⽤して観測できるゼーマン、ドップラー、シュタルク効果などの現象には光の波⻑依存性があるため、近⾚外輝線に対するこれらの現象を調べることで、可視輝線ではできなかった新しい計測を実現していける可能性があると考えています。
（四竈 泰⼀）＜⽤語解説＞※1 ストークス偏光分光法：光を波⻑に分け、波⻑ごとに偏光状態を表すストークスパラメータ（0°、45°、90°、135°⽅向の直線偏光および左右円偏光の強度差で定義される）を計測する⽅法。磁場、電場中の輝線スペクトルのゼーマン効果、シュタルク効果の計測等に利⽤される。
※2 ゼーマン効果：磁場中の原⼦やイオンのエネルギーが、原⼦やイオンの持つ磁気双極⼦モーメントと磁場のなす⾓に応じて変化する現象。エネルギー変化により、輝線スペクトルの波⻑、強度、偏光等の変化も起こる。磁場閉じ込め核融合炉では、プラズマ閉じ込めに⽤いる数テスラの磁場によるゼーマン効果が観測される。
※3 シュタルク効果：本研究ではシュタルク広がりの意。プラズマ中の原⼦やイオンに周囲の電⼦やイオンが衝突することで、輝線スペクトルの幅が広がり、中⼼波⻑がシフトする現象。磁場閉じ込め核融合炉では、プラズマの⼀部で密度が最⼤ 1021 m-3 程度となり、⼀部の輝線でシュタルク効果が観測される。
※4 ヘリオトロン J：京都⼤学エネルギー理⼯学研究所附属エネルギー複合機構研究センターで稼動している
中型の磁場閉じ込め核融合実験装置（主半径 1.2 m、平均⼩半径 0.1−0.2 m、中⼼磁場 < 1.5 T）。ヘリカル型と呼ばれる磁場閉じ込め⽅式の装置。
＜論⽂タイトルと著者＞
タイトル：Spatially resolved measurement of helium atom emission line spectrum in scrape-off layer of
Heliotron J by near-infrared Stokes spectropolarimetry（近⾚外ストークス偏光分光法を⽤いたヘリオトロン J スクレイプオフ層におけるヘリウム原⼦輝線スペクトルの空間分解計測）
著

者：Tomoki Chatani, Taiichi Shikama, Yohei Ueno, Shinichiro Kado, Hayato Kawazome, Takashi
Minami, Ryota Matoike, Minato Murakumo, Shinji Kobayashi, Shinsuke Ohshima, Akihiro Iwata,
Tetsutaro Oishi, Akihiro Ishizawa, Yuji Nakamura, Hiroyuki Okada, Shigeru Konoshima, Tohru
Mizuuchi, Kazunobu Nagasaki, and Masahiro Hasuo

掲 載 誌：Scientific Reports

DOI：10.1038/s41598-022-19747-8