J. Plasma Fusion Res. Vol.86, No.9 (2010)５
０７‐５１６

解説

LHD における 6 MeV 重イオンビームプローブ（HIBP）
による電位分布・揺動計測の現状と将来展望井戸毅１，２），清 水 昭 博１），西 浦 正 樹１）

１）

核融合科学研究所，２）名古屋大学工学研究科エネルギー理工専攻（原稿受付：２
０
１
０年８月３日）

磁場閉じ込めプラズマ中に形成される電位分布および揺動の振る舞いとその閉じ込めへの影響を調べるた
めに，大型ヘリカル装置（LHD）用重イオンビームプローブ（HIBP）の開発を行ってきた．HIBP としては過去最大規模となるため，長期の開発期間を要したが，本計測装置を設置した結果，LHD で生成される高温プラズマ
内部において初めて直接電位計測が行えるようになった．この結果，電位分布のパラメータ依存性，Geodesic
Acoustic Mode（GAM）やアルヴェン固有モードの特性などが明らかになりつつある．
Keywords:
Heavy ion beam probe(HIBP), electric field, electrostatic potential profile, electrostatic potential fluctuation

１．はじめにマの輸送現象の鍵となる電位分布と電位揺動および密度揺磁場閉じ込めプラズマ中の電場がプラズマの閉じ込めに動を同時に測定できる強力な計測器である．このため，こ大きな影響を及ぼすことは広く認識されている［１］．例えれまでに様々な磁場配位の装置に適用されてきた
［６
‐２０］．

ば，熱輸送の大部分は電位揺動を伴う乱流に支配されてい古くは ISX-B トカマクにおける静電揺動駆動粒子束の直接ると考えられているが，プラズマ小半径方向に電場の勾配計測［２１］や TEXT トカマクにおける熱流束の直接計測が存在すると "!!フローシアが駆動され，これによって［２２］，近年ではコンパクト・ヘリカル装置（CHS）におけ

乱流輸送が低減され，閉じ込めが改善される［２］．さらに，る帯状流の世界で初めての同定［２３］など，重要な研究が行

微視的な乱流の非線形結合により，乱流のスケールよりもわれてきた．

大きな構造を持つ帯状流（zonal flow）と呼ばれる流れ，す核融合科学研究所の大型ヘリカル装置（LHD）において

なわち電場構造が自発的に形成され，これがプラズマの輸も電場研究の重要性は計画開始時より認識されており送を決める重要な要素であることが明らかになってきてい［２４］，LHD 計画の開始とともに LHD 用の HIBP（以下，

る［３，４］．また，非軸対称系プラズマにおいては，電場は粒

LHD-HIBP）の開発が進められてきた［２５，２６］．LHD-HIBP

子軌道を変えることにより新古典輸送を抑えることやロスに必要なビームエネルギーは MeV 領域に達し，当時経験

コーンを減少させることが可能である．このように，磁場のあったナゴヤ・バンピー・トーラスでの 30 keV ビーム

閉じ込めプラズマの閉じ込めを理解する上で，電場の振るを用いたHIBP［１２，
１３］での技術だけでは不十分であったた舞いを理解することは必要不可欠である．

め，ヘリオトロン型装置 CHS 用の 200 keV HIBP
［２７］，ト

本解説で紹介する重イオンビームプローブ（Heavy Ion

カマク型装置 JIPP T-IIU 用［１６］および JFT-2M 用［１９］のBeam Probe: HIBP）は磁場閉じ込め高温プラズマ内部の電500 keV HIBP を設置し，技術開発を行った．この間，技術位を直接測定できる唯一の計測装置であり，上記のような開発とともに物理研究の面でも様々な成果が得られてい観点でのプラズマの閉じ込め研究に寄与しうる装置である．CHS における新古典論で予測される電場分岐の観測

る．この手法は１９６０年代から始まった R.L. Hickock による［１７］や電場分岐に起因する自励振動の発見［２８］，帯状流のH2 ビームプローブ［５］に端を発し，１９７０年に初めて電位分

世界で初めての同定［２３］，乱流による帯状磁場構造の形成

布計測が可能であることが実証された［６］．プローブビーの観測［２９］，JIPP T-IIU における乱流の波数―周波数ス

ムは実験条件で決まる軌道に沿って検出器に達するので，ペクトルの詳細な観測［３０］，帯状流 の 一 種 で あ る Geo-

あらゆる方向に発散する光を計測しなければならない分光

desic acoustic mode（GAM）［３１］や streamer［３２］の 観 測，法に比べると，高い信号強度を得られやすく，マイクロ秒

JFT-2M における H モード遷移時の電位の遷移［３３‐３５］，程度の高時間分解能で電位揺動の計測を行える可能性を持［３６，３７］，など核融合炉
GAM の時空間構造と乱流への影響

つ．また，検出されるビーム電流量の揺らぎからプラズマ開発研究面ではもちろん，強い非線形性を持つ非平衡系の中の密度揺動の情報を得ることもできる．つまり，プラズ

物性研究の面からも興味深い物理現象を明らかにしてきCurrent Status of Electrostatic Potential Measurement Using 6 MeV Heavy Ion Beam Probe on LHD
IDO Takeshi, SHIMIZU Akihiro, NISHIURA Masaki
corresponding author’s e-mail: ido@LHD.nifs.ac.jp

５０７!2010 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.86, No.9 September 2010

た．LHD においてこれらの現象がどのように発現するのかを調べることは，核融合炉への外挿性を高めるという実用面だけでなく，これまでの知識の検証と一般化という学術研究の面でも重要であると考えられる．このような背景の下での長期にわたる開発研究の結果，LHD-HIBP による電位計測が行えるようになり［３８］，新しい知識が得られつつある［３９‐４２］．
本解説ではLHD-HIBPシステムの概要とそれを用いてどのような結果が得られつつあるかを紹介するとともに，今後の展望を示す．第２章では HIBP の原理を説明する．第３章で LHD-HIBP システムを解説し，第４章でそれを用いた実験結果を２例紹介する．ここでは計測した電位分布の結果と，揺動計測の例として GAM の計測例を示す．最後に第５章で今後の展望を示す．

２．HIBP の原理

図２

LHD−HIBP の概略図．

本解説を読み進めるのに必要な HIBP の計測原理について簡単に紹介する．本学会誌の過去の小特集
［４３］
の３．
１．
３

"
$）が異なるため，分離することができる．言い換
径（"#節にわかりやすく詳しい解説があるので，そちらも参照しえると，計測対象が磁場閉じ込めプラズマであることが，ていただきたい．

この計測手法の適用条件である．入射位置と検出位置が決図１に HIBP の概念図を示す．図１（a）はビーム軌道の模まっているので，磁場強度，エネルギー，入射角度が決ま式図である．重イオンビームを磁場に閉じ込められたプラ

れば，検出できるビームの軌道と電離位置は一意に決まズマに入射し（このビームを一次ビームと呼ぶ），プラズ

る．後で示すが，この電離位置の電位の情報を得ることがマの中で電子またはイオンとの衝突により電離が進んで２できる．なお，ビーム径および検出スリットを大きさを考価になったイオン（二次ビームと呼ぶ）を取り出す．一次

慮すると，検出可能なビームの電離位置は有限の広がりをビームと二次ビームは，電荷（$）の違いによりラーモア半持つ．この領域をサンプル体積と呼んでおり，この広がりが計測の空間分解能を表す．
次に電位計測の原理を示す．ビームイオンの運動エネル
ギーとプラズマの電位を模式的に示したのが図１（b）である．入射したイオンがプラズマ中で電離されなければ，入射前とプラズマ通過後のエネルギーは変わらない．しかし，プラズマの中で電離した場合は，１価イオンとして電位の山を登り，２価イオンとして下るので，プラズマ

通過後のイオンの運動エネルギーは電離位置のポテンシャ
ルエネルギー分だけ増加することになる．したがって，入射イオンと検出イオンのエネルギーの差を測定することによって電離した位置の電位を測定することができる．電離
位置は，ラーモア半径を決める磁場強度とエネルギー，および入射角度によって決まるので，これらを変えることで電離位置，すなわち測定位置を変えることができる．通常は，プラズマ放電中に入射角度を掃引することによって測定位置を小半径方向に動かし，電位分布計測を行う．なお，二次ビームのエネルギーの変化量は元のビームエネルギーよりも十分に小さい．具体的に LHD の場合は，元のビーム
エネルギーがMeV，プラズマ電位による二次ビームエネル
ギーの変化は keV 程度である．このため，エネルギーの変化によるビーム軌道および電離位置のずれは無視できる．
次に，検出される二次ビーム電流（"*）に注目する．二次図１

ビーム電流はHIBP の概念図（a）
ビーム軌道．（b）
電位計測の概念図．横軸（x）
はビーム軌道上の位置，下図がプラズマ中の電位のビーム軌道に沿った分布，上図がビームイオンの運動エネ
ルギーを示す．

$*
#(!*!
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*!"
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'
%$
$(
５０８

（１）

Commentary

Current Status of Electrostatic Potential Measurement Using 6 Mev Heavy Ion Beam Probe On LHD

T. Ido et al.

と表すことができる．ここで，$"は入射された一次ビーム

半径 3.9 m，プラズマの平均小半径約 0.6 m，磁場強度約 3 T

電流，*(と **は一次ビームと二次ビームの電荷，!(との ヘ リ カ ル 装 置 で あ る．HIBP と し て *#1 C，"$3 T，!*は一次ビームと二次ビームのプラズマ中での減衰，$(!*%$1 m，& #197 amu を 考 え る と，#"$4.4 MeV と な りは一次ビームイオンから二次ビームイオンへのイオン化断

MeV オーダーの高エネルギー重イオンビームが必要とな

面積，,)はビームイオンとビームイオンをイオン化する粒る．実際にビームの軌道計算を行って設計すると，磁場強子（ターゲット粒子）との相対速度，,$はビームイオンの度３T で計測を行うには 6 MeV のビームが必要となる［２５］．こ速度，'(はターゲット粒子の速度分布関数についての平のような高エネルギービームを生成，輸送するために大き均，(&%'における電子密度，%'はサンプ'&はイオン化点 -な装置が必要となる．

ル体積の広がりを表す．なお，!(，!*は
$,)(
'
!
+
!'#&+(!!#(& ' %-"，（'#)）,$

３．LHD-HIBP システム
LHD-HIBP システムの概略図を図２に示す．前述のとお（２）

り高エネルギービームを用いるため，計測器としては大きと表され（ここで積分は各ビームの軌道に沿った積分），な規模の装置となっている．それまでで最大規模の HIBP

密度に強く依存する．通常は数 μA〜100 μA 程度の一次は TEXT-U トカマクの 2 MeV ビームを用いた装置［１１］でビームを入射し，数 nA から 100 nA 程度の二次ビームを計あったが，その単純な大型化では装置建設や運用の面で限測する．10 nA 程度の二次ビームが得られる場合，１マイ界があったため，LHD-HIBP のために独自に新しい技術開クロ秒あたり 10,000 個以上の粒子数を含んでいるため統計発を行ってきた．

的揺らぎが小さく，精度の良い計測が可能である．また，

以下に，HIBP システムをビーム生成，輸送，検出の３つ一次ビームのパワーは対象とするプラズマの持つエネルの部分に分けて紹介する．

ギーに比べると微少であり，静電プローブのような構造物

３．
１ ビーム生成系（負イオン源，タンデム加速器）も挿入しないため，プラズマ自体に影響を与えることなく

HIBP に必要な定常ビームを加速できる静電加速器の加測定できる点が長所の一つである．

速方式にはシングル・エンド型とタンデム型の２種類が存二次ビーム電流の揺らぎ（#を考えてみると
$
*）
,)(
$(!*!
! #
#
$
#
( #
! #'
*
# &" (" *"$(& !( !* '
$(!*!
,)(
*

在する．前者はイオン源部に直流高電圧を印加してイオンを加速する方式であり，これまでの HIBP においてはこの方式が用いられてきた．後者は加速器内の中央にイオンか（３）

ら電子を剥ぎ取るストリッパーが設置され，ここに正の直となる．右辺第１項はイオン化点での局所的な密度揺動を

流高電圧が印加される．ここに１価の負イオンを入射する

表す．第２項と第３項はそれぞれ一次ビームと二次ビームとストリッパーまで印加電圧に相当するエネルギーに加速

軌道上の密度揺動による減衰項の揺らぎを表し，軌道上のされる．加速された負イオンはストリッパーによって電子密度揺動の積分量を反映する（線積分効果）．第４項は，を剥ぎ取られて正イオンになるため，印加電圧によりもう,)(がプラズマの温度揺動を反映する量である．ただ
$(!
'
*!

一度加速される．１価の正イオンを取り出す場合は，印加

し，多くの場合，温度依存性は密度依存性に比べて小さい

電圧の２倍に相当するエネルギーまで加速することができ（LHD-HIBP に お け る 温 度 依 存 性 は 文 献［４４］参 照）．まる．このように印加電圧を効率よく使えることがタンデム

た，第１項が線積分効果（第２，３項）より十分大きい場合加速器の特長である．高エネルギービームが必要な LHD-

は，二次ビーム電流の揺らぎは局所的な密度揺動を反映す

HIBP ではこのタンデム加速器を用い，装置の小型化が図ることになる．

られている．

以上のように，HIBPは高温プラズマにおいて電位，電位HIBP による電位計測はビームエネルギーの変化量より

揺動，密度揺動を同時に同位置で測定することができるこ

測定するので，加速電圧の安定性はプラズマ電位計測の分とから，輸送研究を進める上で強力な計測器となってい解能を決める要素の一つである．加速電圧の揺らぎの２乗＊１る．

平均平方根（RMS）は，LHD の低磁場実験（〜1.5 T）のた

短所としては，式（１）の !(と !*はプラズマの密度に対めの低エネルギー運転時（0.75 MV）は 5 V，高磁場実験

して指数関数的に減少する，つまり密度とともにビームの（2.829 T）のための高エネルギー運転 時（2.653 MV）は減衰が著しくなるため，高密度プラズマ中での計測が困難

230 V 程度である．低エネルギー運転時は計測上問題ないになることが挙げられる．

が，高エネルギー運転時の揺らぎは注目する電位分布の変また，比較的装置規模が大きくなるという点も実際に導化と同程度であるため無視できない．この揺らぎによる誤入する際の障壁となる．ビームをプラズマに入射し，さら差を抑制するために，加速電圧のフィードバック制御シスに取り出すには，プラズマ閉じ込め装置のサイズ程度のテムを構築し，２００９年度の実験より試験的な運用を開始しラーモア半径をもつイオンが必要である．必要なエネル

ている．

#

ギー（#"）はおよそ #"$%*"%&"&（ここで，*はビームイ

タンデム加速器を用いるには，入射粒子として負イオン

オンの電荷，" は磁場強度，%は軌道の半径）と表される．

が必要である．重イオンビーム源としては，LHD-HIBP

例として，LHD に適用する場合を考えてみよう．LHD は主設計時に既に他の加速器実験で負イオン源として利用実績＊１

プラズマ内部の磁場揺動を計測できる可能性もある．詳細は文献
［４
３］
を参照．

５０９

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.86, No.9 September 2010３．
２ ビーム輸送系
加速前の低エネルギービームに対する LHD 本体からの漏れ磁場の影響を避けることと，加速器の保守作業を容易にするという要請から，加速器は LHD 本体から離れた
LHD 本体地下室に水平に設置された．このため，加速器出口から LHD 本体への入射ポートまでビームを輸送するために全長約 20 m に及ぶビームラインの設置が必要となっている．加速器から射出されたビームには金の多価イオンが含まれるため，まず荷電分離器を通し，プローブビーム
図３と し て 用 い る１価 の 正 イ オ ン（Au＋）の み が 選 別 さ れ

LHD-HIBP 用負イオン源．金の負イオン（Au−）
を取り出す．

る．選別されたビームは，複数の静電レンズによってそのがあったスパッタ型負イオン源［４５，４６］を採用し，開発をビーム形状を整形され，静電偏向器によって LHD からの進めてきた［４７‐４９］．

漏れ磁場によるビーム軌道のずれを補正されて入射ポート

LHD-HIBP 用に開発された負イオン源を図３に示す．金まで輸送される．

（Au）のターゲットに蒸気化したセシウムを付着させ，低輸送された一次ビームは LHD 下部ポートより入射され，仕事関数の金属表面を作る．その表面をプラズマによりス

二次ビームは水平ポートより取り出される．各ポートには

パッタリングさせることで 金 の 負 イオン（Au−）を 生 成 でき

八重極静電偏向器が設置されており，ビームの入射方向をる．プラズマはフィラメントの熱電子放出によりアルゴン

変えることによって計測位置を選択する．ビーム軌道は，等の希ガスをイオン化して生成する．負イオン源単体での軸対称系装置においてはほぼポロイダル断面内あるが，ヘ負ビーム 電 流 量 は Au−で 最 大 で 65 μA が 得 ら れ ている

リカル系においてはポロイダル断面だけでなく，トロイダ［４９］．

ル方向にも大きくずれる三次元曲線となるため，入射ポー

イオン源から出力された負イオンはアインツェルレン

トでの入射角度変更だけでなく，検出ポートでのビームのズ，偏向板，−50 kV 静電加速管，セクターマグネット，静制御が重要である．この制御手法として，CHS-HIBP にお電四重極レンズを経てタンデム加速器に入射される．これ

いて開発された能動的軌道制御法［５０］を採用している．

らを用いて加速器に入射されるビームは現時点では 10〜

この八重極静電偏向器を用いてビームを制御して計測で15 μA である．加速器内のストリッパー・ガスセルにおけきる領域を図４に示す．実際には各計測位置はこのポロイるイオン化により，１０〜２０％が１価の正イオン（Au＋）に

ダル断面上にあるわけではなく，トロイダル方向（紙面奥変換されプローブビームとして用いられる．つまり，現時行き方向）に並んでいるが，磁力線をトレースして縦長ポ

点では数 μA の正イオンが LHD プラズマに入射される．こ

ロイダル断面に焼き直している．内寄せ配位（磁気軸位置の値は JIPP T-IIU や CHS におけるビーム電流量（20〜数（"）〜0.7!"#!3.60 m）では磁気軸近傍から規格化小半径

100 μA）に比べるとかなり少ない電流値であり，現在ビーまで，外寄せ配位（磁気軸位置 !"#!3.90 m）では磁気軸近ム電流増加のための開発を進めている．

!
!まで測定することができる．計測領域の上側傍から""!

図４

Rax = 3.75 m，BT = 2.64 T，（c）
Rax = 3.90
LHD-HIBP による計測領域．（a）
磁気軸大半径 Rax = 3.60 m，磁場強度 BT = 2.75 T，（b）
m，BT = 2.5385 T における計測可能位置．図中の数字は HIBP のビームエネルギーを示す．各曲線は各ビームエネルギーと磁場の組
み合わせの時にビームを掃引して計測できる領域を示している．

５１０

Commentary

Current Status of Electrostatic Potential Measurement Using 6 Mev Heavy Ion Beam Probe On LHD

T. Ido et al.

×10−5 までのエネルギー分解能が確認できている．

の制限は LHD 真空容器および検出器側ポート，下側の制限は入射側ポートによるものである．

２章に示したとおり，二次ビーム信号強度は密度に強くビーム径および収束特性はビームライン５か所において依存しており，密度の上昇とともに信号強度は減少する．

回転ワイヤーを用いて測定されている．これを基にして求現時点では，電位分布の計測を行うには線平均電子密度がめたサンプル体積の大きさ（空間分解能）は，計測位置に1.5×1019（m−3）以下のプラズマに限られている．
周波数応答性は MCP とアンプの特性で決まり，150 kHz

依存するが，半径方向に約 10 mm 程度である
［５１，
４０］．
３．
３ 検出系（エネルギー分析器，検出器）である．ただし，電位分布計測時には計測位置を掃引する必要があるため，その掃引周波数（10 Hz）で電位分布が得取り出された二次ビームは，エネルギー分析器へと導かられる．

れ，エネルギーの変化量とビーム電流量の変化量が分析さ
れる．

４．計測例

エネルギー分析器としては，従来の HIBP では３０°入射平行平板静電エネルギー分析器［５２］が用いられてきた．こ

本章では LHD-HIBP を用いた計測例を紹介する．まず電の分析器は，ビームの分析器への入射角度が３０度近傍であ位分布計測の結果を新古典論によって予測される電場と比れば，入射角のずれに対して二次の収束特性を持つため，較する．その後，電位揺動計測例として高速イオンによっ

入射角のずれによるエネルギー分析の誤差を抑えることがて励起されたと考えられる GAM の電位揺動を紹介する．

できるという特長を持つ．しかし，LHD-HIBP で使用する

４．
１ 分布計測には１MV 程度の高電圧が必要となり，耐電圧の観点から新古典論によれば，ヘリカル・プラズマにおける径方向

現実的には使用が困難である．そのため新しく平行平板を

粒子束は電場に依存し，径方向粒子束の両極性条件が満た二段に組み合わせたタンデム静電エネルギー分析器［５３］されるように電場が決定される．これまでの CHS［１７］やを開発した（図５）．これにより，6 MeVの二次ビームの分

LHD［５４］における研究において電子内部輸送障壁形成時析に必要な電圧を 56.5 kV（前段）と 113.6 kV（後段）に抑に大きな正電場が形成されていることが測定されており，えることができると同時に，入射角依存性を抑えることがこの電場は新古典粒子束の両極性条件によって説明できる

できている［３８］．

ことがわかっている．なお，この大きな正電場は電子ルー

このエネルギー分析器を用いる場合，ビームのエネル

ト電場と呼ばれており，この電場に起因する閉じ込め改善

ギーの変化量は検出器面へのビームの到達位置の変化としは Core-Electron-Root-Confinement（CERC）と呼ばれ，非て測定される．10 eV 程度の電位の揺らぎを計測するには軸対称系プラズマに共通して見られている［５５］．また，

μm オーダーの高い精度で位置揺らぎを測定できる検出器

LHD の境界近傍の電場の振る舞いが新古典論と定性的にが必要である．通常，HIBP では近接した２枚の検出板に一致することは［５６］に示されている．これまでに得られた

よってビームを検出し，その２つのビーム電流の差から知識をさらに一般化していくためには，より広いパラメー

ビームの動きを検出する．LHD-HIBP でもこの方式を採用

タ領域においてモデルの検証を進めていくことが必要であしている．また，検出ビーム電流は 10 nA 程度以下と微少る．その一例として行った電子密度ランプアップ時のコアであり，さらにその揺らぎを測定する必要があるので，電領域での電位分布の変化の計測例［４１，５７，５８］を示す．
この放電は，図７（a），（b）に示すように，ECH でプラズ

流値の測定の面でも高い精度が要求される．そのため，検出板前面にマイクロ・チャンネル・プレート（MCP）を置
き，電流信号を増倍して検出している．これにより揺らぎまで含めたビーム電流の検出が可能となっている．
イオン源から検出器までの全システムにビームを通し，ビームエネルギーの分析を行った結果を図６に示す．この
実験では，入射ビームのエネルギーを変え，そのビームのエネルギーを分析している．システム全体を通してエネル
ギー分析ができること，および実測として "!!!
!!!2.5図６

図５

タンデム静電エネルギー分析器．

５１１

エネルギー分析の結果． 横軸はエネルギー変化量（ΔWb），
縦軸は検出されたビームエネルギーの変化量を，それぞれ基準となるエネルギー（Wb）に対する割合としてプロットしている．Wb = 4.260 MeV の場合（○）と 1.134 MeV（■）の場合の結果を示している．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.86, No.9 September 2010

マを生成した後，NBI でプラズマを維持し，ガスパフ制御

コード［５９］を用いて新古典両極性条件から求めた電場を比により線平均密度を 0.2×1019 m−3 から 0.5×1019 m−3 まで較した結果を図８に示す．新古典両極性条件は，電子温度

ランプアップさせている．この時，Thomson 散乱計測によの高い（a）
では全領域で正電場を予測しており，（b）と（c）

り測定された電子温度分布と HIBP により計測された電位!
"では負電場（イオンルート）を予測してにおいては $"!

分布をそれぞれ図７（c）（d）に示す．ECH 重畳時における，いる．ここでは，計測値と新古典予測値は良く一致してい電子温度はプラズマ中心で約 3 keV で中心近傍に急勾配を!
"では正電場（電子ルート）とる．一方，（b）と（c）の $#!

持つ分布となっている．一方，NBI 単独加熱時においては負電場（イオンルート）の２根が新古典両極性条件を満た

プラズマ中心で約 1 keV で全体に緩やかな勾配を持つ分布

す．計測値は，内側にあるイオンルート電場と外側の電子となっている．この時の電位分布をみると，ECH 重畳時にルート電場を繋ぐような分布であることを示している．つは中心まで負の勾配（正電場）が形成されており，NBI

まり，新古典両極性条件が一根のみ持つ場合は，新古典電!
#$の内側では正の勾配
単独加熱時は規格化小半径 $!!

場は実験結果を良く説明しており，二根を持つ場合は，実（負電場），外側では負の勾配（正電場）が形成されている．

際の電場分布はそれらの間を繋ぐような分布となっている

このように，電位分布が密度，温度に密接に関係していることがわかる．

ことがわかる．

プラズマ内部にイオンルート電場（負電場）と電子ルー

先に述べたように，ヘリカル系の電位分布（電場）を決

ト電場（正電場）の接合領域（界面と呼ばれている［１］）が定する物理機構の一つは新古典輸送と考えられている．そ存在していることは電場シアが存在していることを意味

こで，計測された電位分 布 か ら 求 め た 電 場 と GSRAKE

し，大きな電場シアの形成は乱流の抑制につながることも期待されている［６０］．電場シアを議論する上では，電場の大きさだけではなく，その変化の空間幅や空間位置が重要である．空間幅の決定機構の一つの候補としては乱流との関係が提案されている［６１］．また，その空間位置の決定原理については［１］において示されている．今後 HIBP を用いた電位分布計測の進展により，それらの理論的予測の検証が進み，電場及び電場シアの形成機構の解明と，電場が関わるプラズマ輸送の理解が進むと期待される．
４．
２ 揺動計測HIBP の特長の一つは高時間分解能計測の可能性を持つことである．この項では LHD-HIBP による電位揺動と密度
揺動計測の例として電子サイクロトロン電流駆動（ECCD）に よ る 磁 気 シ ア 制 御 時 に 見 ら れ る Geodesic
Acoustic Mode（GAM）の計測結果［４０‐４２，５７］を紹介する．
GAM［６２］は乱流の非線形結合によって駆動される帯状流（zonal flow）の一種として現れるモードであり，乱流輸送研究分野において精力的に研究が進められている［４，
６３，６４］．一方，GAM は高速イオンによっても励起され［６５‐６８］，LHD においても高速イオ
ることも知られており
ン励起 GAM が観測されている［６９］．HIBP は，GAM に伴う電位揺動と密度揺動を直接的に，かつ局所的に計測することができるため，その特性を調べるのに適した計測器である．
実験では，ビーム駆動電流ができるだけ流れないように
Co方向とCounter方向の接線NBIを入射してプラズマを維持し，放電の途中に ECCD により中心近傍で回転変換分布を増加させ，反転磁気シア（もしくは弱磁気シア）配位を形成した［７０，４２］．図９に磁気プローブによって測定した
磁場揺動と HIBP によって測定した電位揺動のスペクトロ
グラムを示す．ただし，この時 HIBP の計測位置はプラズ!
#までを 10 Hz で掃引しているので，電位マ中心から $!!

図７ （a）
加熱（ECH, NBI）のタイミング．（b）
線平均電子密度の時間変化．（c）
電子温度分布．（d）
電位分布．実験条件は，
磁気軸位置 3.75 m（LHD における標準的な磁場配位），磁
場強度 1.5 T，HIBP のビームエネルギー 1.376 MeV である．
1.6 秒における密度の上昇は不純物ペレットの入射によるもの．

揺動のスペクトログラムは揺動の時間変化とともに空間分
布の情報も含んでいる．時刻 1.0 s からの ECCD 重畳後，磁場揺動には50 kHzから200 kHzの周波数領域に複数のモードが存在するが，その周波数は数 100 ms の時定数で減少
５１２

Commentary

図８

Current Status of Electrostatic Potential Measurement Using 6 Mev Heavy Ion Beam Probe On LHD

T. Ido et al.

HIBP による電位分布計測から求めた電場分布と，新古典両極性条件から求めた電場分布の比較．（a）
，（b）
，（c）
はそれぞれ図７の
A，C，E の時間帯の分布．

し，ECCD停止後（1.6 s），再び上昇する様子が見られる．この周波数シフトは，回転変換分布の変化に伴うシア・アル
ヴェンスペクトルの周波数の変化を反映していると考えられ，反転磁気シア誘起アルヴェン固有モード（RSAE）と推測される．
次に，電位揺動のスペクトログラムを見てみる．上記の周波数掃引モードは電位揺動スペクトログラムにも見られている．それらに加え，ECCD 中に 32 kHz，ECCD 停止直後に20 kHzの一定周波数を持つ揺動が観測されている．これらの揺動の周波数は理論的に予測される GAM 周波数と同程度であり，電子温度の 0.5 乗に比例している［５７］．この揺動は，強度は小さいが有限の大きさの磁場揺動成分を持っている．このため，磁気プローブ・アレイによる磁場揺動の位相差を調べることでモード構造を調べることができ，トロイダルモード（n）がゼロであることが明らかになっている［４２］．周波数，およびモード構造から判断する
図９ （a）
磁気プローブによって計測された磁場揺動のスペクト
ログラム．（b）
HIBP の計測位置の時間変化．（c）
HIBP によって計測された電位揺動のスペクトログラム．
（電位揺動
信号に10 ms毎に現れている縦のラインは，真空容器によってビームが切られて信号強度が下がっていることを示す．
）と，この揺動は GAM であると考えられる．また，このモードは，高速イオンの供給源である接線 NBI のない放電では観測されておらず，高速イオンによって誘起された GAMであると推測されている．
HIBP を用いることによりプラズマの内部で揺動を直接計測できるので，それらの空間分布を直接調べることがで述べる今後の LHD-HIBP システムの改良により，GAM

きる．測定された揺動パワーの空間分布を図１０に示す．

と乱流との関連の有無が明らかになることが期待される．

GAM は磁気軸近傍に存在しており，より高い周波数を持５．まとめと今後の展望

つアルヴェン固有モードはより外側に存在していることがLHD において HIBP の開発を進めた結果，電位計測が行わかる．この GAM に伴う電位揺動の振幅は数 100 V であえるようになり，新しい情報が得られ始めた．

り，磁場揺動に伴う磁気面の揺らぎだけでは説明でないことから，このモードは静電揺動成分を持っていることがわ

電位分布の詳細な計測は，新古典論による電場形成の適かる．さらに，この静電揺動が空間的に局在していること

用可能性の検証に繋がり，電場形成機構の理解の一般化にから，径方向電場揺動，つまり乱流駆動の帯状流と同じよ寄与すると期待できる．また，電場遷移領域近傍においてうに流れの揺らぎを伴っていることが明らかになった［４
２］．

は遷移がどこでどの程度の広がりを持って存在するかは，

これまでの乱流駆動 GAM の研究においては GAM と背電場形成機構の解明とともにその電場シアと輸送との関連という観点から今後の重要な研究課題の１つである．

景乱流の相互作用が観測されており［３６，７１‐７３］，LHD で観測された高速イオン励起と考えられる GAM に関しても同

HIBP の特長の一つである揺動計測に関しては，計測例

様の現象が観測される可能性があるが，現時点では観測さの後半で示したような高速イオン励起モードおよび GAM

れていない．これに関しては，現時点では S/N の観点からのような比較的大きな振幅を持つコヒーレントなモードが乱流計測が不十分であるため結論が出せていない．次章に測定できており，局所計測の結果はそれらの性質を明らか
５１３

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.86, No.9 September 2010にしつつある．GAMに関しては，その周波数が音速に依存

ビームラインのビーム輸送効率の改善を進めている．これ

しているため，その局所的な測定から実効的な質量，例えにより２倍近い改善は可能と考えられる．ただし，放射線ば核燃焼プラズマ中における燃料比，を見積ることが提案発生装置であるタンデム加速器の運転制限により加速可能

されている［７４，７５］．また，GAM のような低周波電場揺動

電流は 20 μA までに制限されている．このため，出力電流は，バルクプラズマにも何らかの影響を与える可能性があ

密度を増加させ，同じ電流値でもより細いビームを使用すり，それらの検証が今後進むと考えられる．

ることにより空間分解能を上げるという開発の方向も重要

ただし，バルクプラズマの輸送を考えるには微視的乱流である．

や乱流駆動帯状流の振る舞いを知ることが重要であるが，検出器に関しては，現在使用している検出器では検出効

現時点では S/N 不足により測定できていない．特に帯状流率が１０分の１以下に劣化していることが，較正実験およびは，熱輸送に関して LHD において見られる磁場配位依存

理論的な計算からわかっている．逆にいえば，検出器改良

性［７６，７７］や今後の重水素を用いた実験で重要になってくにより信号強度を１０倍以上増加できる可能性がある．ただる質量依存性［７８］の要因の候補であり，その検証は極めてし，検出効率とともに適切な位置分解能を持たせることも重要な研究課題である．

必要である．現在，テストチェンバーにて試験を進めてい現時点では，プローブビームの減衰が小さい低密度（線19

る．こ れ ら の 開 発 が 順 調 に 進 め ば，少 な く と も 0.5×−3

平均電子密度〜0.1×10 m ）であれば，プラズマ中心近1019 m−3 程度の低密度プラズマにおいては乱流の電位揺動傍において，電位揺動と規格化電子密度揺動をそれぞれ計測が可能になると期待される．

40 V，0.4％ 程度のノイズレベルで計測する こ と ができ

上記以外にも，計測可能パラメータ領域を拡大するためる．例を図１１に示す．規格化密度揺動信号には有意な大きのハードウェアの開発も進めており，その一つを紹介すさを持つ幅広い周波数広がりを持つ周波数スペクトルが得る．HIBPは，ビーム軌道がプラズマ閉じ込め磁場によってら れ て い る（図１１（a））．し か し，電 位 揺 動 ス ペ ク ト ル

曲げられることが基本である．そのため，トカマクや RFP（図１１（b））には GAM 成分以外に有意な成分は見られていのように大きなプラズマ電流が流れ，それが時間的に変化ない．ボルツマンの関係式（"
#!
#!"
"
#!
!）を仮定して密するような場合は，ビーム軌道が設計軌道からずれるた度揺動から電位揺動を見積もると，図１１（b）の灰色点線でめ，計測困難になる．無電流プラズマを生成し得るヘリカ

示したようなスペクトルとなる．この程度の電位揺動を測ル系においても，電流駆動による回転変換分布制御実験を定するには，少なくとも２〜３倍以上信号強度を増加させ行う場合があり［６９］，プラズマ電流により計測できなくなる必要がある．

る場合がある．これらの問題に対処するため，デジタル・

信号強度を上げるための改良として，プローブビームのシグナル・プロセッサ（DSP）を用いたビーム軌道の実時高出力化と検出器の改良を進めている．イオン源単体での間フィードバック制御システムの開発を進めている

最大出力としては実機での定常使用時の５倍以上の 65 μAのビームが得られている［４９］．イオン源の高出力での安定動作のための改良とともに，イオン源から加速器までの

図１
１ 周波数スペクトルの計測例．（a）
HIBP の規格化ビーム強度
揺動の周波数スペクトル．規格化密度揺動を反映する．
（b）
電位揺動の周波数スペクトル．灰色の点線で示したス
ペクトルはボルツマンの関係式を仮定して密度揺動から見積もった電位揺動．

図１０ （a）
電位分布．（b），（c）
はそれぞれ n＝0, 1 モードのパワーの空間分布．ここで n はトロイダルモード数を表す．

５１４

Commentary

Current Status of Electrostatic Potential Measurement Using 6 Mev Heavy Ion Beam Probe On LHD

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電位分布計測ができるように制御システムの改良を進めている．この手法は，ヘリカル系 HIBP に限らず，トカマクやRFP においても適用可能である．また，フィードバック制
御電圧からプラズマ電流密度分布の情報も得られる可能性があり，今後の発展が期待される開発事項である．
荷電粒子の振る舞いの源である電場（電位分布），プラ
ズマの集団現象の原因であり結果でもある電位揺動の計測
は，核融合炉開発研究においてのみならず，プラズマを基本原理から理解し，学術研究を推進するという面においても重要である．それらを直接計測できる HIBP による計測
は今後も重要な役割を担うと考えられる．LHD-HIBP 開発の進展によって得られる新しい情報は，これまでの中小規模装置で得られた知見をさらに拡充し，核融合炉開発研究とプラズマ物理学の進展に寄与することが期待される．

謝T. Ido et al.

辞

LHD-HIBP の開発にあたり，LHD 実験グループおよび技術部の方々に長期にわたる多くの支援をいただきましたこと，感謝いたします．また，イオン源開発に関して同志社大学の和田元教授，高エネルギー加速器研究機構の高木昭
博士，加速器の改善に関して神戸大学の谷池晃博士，日本
原子力研究開発機構の宇野定則博士，ビームのイオン化素過程の研究に関してはレベデフ物理研究所 V.P. Shevelko
教授，俵博之教授，マケドニア科学技術アカデミー R.K.
Janev 教授にご協力いただきましたことに感謝いたします．

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Journal of Plasma and Fusion Research Vol.86, No.9 September 2010

ど

たけし

井 戸

毅

核融合科学研究所ヘリカル研究部准教授，
名古屋大学工学研究科エネルギー理工学専
攻協力講座担当．名古屋大学工学研究科博士課程修了，工学博士．磁場閉じ込めプラ
ズマ中の電位分布形成，揺動とプラズマの輸送の関係に関心を持って実験を行っています．今年度から名古屋大学エネル
ギー理工専攻の担当を拝命しました．学生の方で，今回の解説記事に興味をもたれた方，LHD での実験に興味のある方は是非おいでください．

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にし

うら

まさ

き

１
９
９
９年総合研究大学院大学数物科学研究科
核融合科学専攻博士課程修了（理学）．日本
学術振興会特別研究員，理化学研究所基礎科学特別研究員を経て２００
３年より核融合科学研究所助教．大型ヘリカル装置 LHD で重イオンビームプ
ローブによるプラズマポテンシャル計測と高エネルギー粒子（アルファ粒子）計測に従事している．最近は協同トムソン散乱計測による波動・プラズマの振る舞いと格闘中．家では飼っているメダカとグッピーが増殖中．

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西 浦 正 樹

し

みず

あき

ひろ

清 水 昭 博名古屋大学大学院工学研究科エネルギー理工学専攻博士後期課程修了．工学博士．現在，核融合科学研究所大型ヘリカル研究部
高温プラズマ物理研究系助教．大型ヘリカ
ル装置 LHD の重イオンビームプローブシステムの改良を進めており，ポテンシャルおよび密度の揺動データを精度良く測定することをめざして頑張っています．

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

い!!!!!!!!!!!!!!

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

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

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

５１６