ユニット構築会議(2021/5/31)

課題No.21「原子分子素過程と分光研究による学際的プラズマ研究」
核融合システム研究系

村上泉

高温核融合プラズマから低温応用プラズマ、天体プラズマなどのあらゆるプラズマ現象の共通基礎過程である原子分子素過程の基礎研究と、分光計測を一つの手段として用い、原子分子素過程の理解が重要な要素となる様々なプラズマ現象の研究を、国内外の大学等とも連携して展開、推進する。

原子分子素過程とプラズマ• プラズマでは、構成要素である原子、分子、イオン、電子は常に衝突過程を起こし、状態を変化させ、発光などを引き起こしている。
• 発光現象は、プラズマの状態を反映し、その分光計測によってプラズマの状態（電子温度、密度等）や発光するイオンの状態を知ることができる（プラズマ分光診断）。
• 核融合プラズマでは、不純物輸送の理解、ダイバータプラズマへの不純物ガスパフによる放射損失の効果とデタッチメントの関係、放射崩壊の制御、荷電交換分光計測などにおいて、原子分子過程の理解が重要な役割を果たす。
• 天体プラズマでは、天体の物理状態の情報は分光計測でしか得られない。天体における物理現象の理解には不可欠。（例：太陽コロナ、中性子星合体天体キロノバの光度曲線）• 低温大気圧プラズマにおいても、ラジカルの挙動やミクロ過程の理
ITER ダイバータ解において原子分子過程は重要な役割を果たす。
• 原子分子素過程の理解が重要
エッチング

中性子星合体天体（キロノバ）

原子分子素過程と原子分子データ• しかしながら、素過程を記述する衝突断面積や、発光線の波長などの原子分子データは、まだ十分に整備されていない（特に重元素、多価イオン）。
• タングステンや希土類などの重元素多価イオンのデータは、核融合プラズマや、次世代EUV光源開発、中性子星合体天体キロノバなどの研究に重要であり、整備が必要。
• 水素分子、炭化水素など一部の分子を除き、分子の衝突過程断面積・速度係数データは少ない。
しかし、すべてを網羅するのは不可能。一方、応用分野などでデータニーズは高い。
• 何らかの推算方法も必要。
NIFS電離断面積
データベース

価数

NIFS励起速度係数データベース




W

原子番号

原子番号

原子番号

NIST波長データベース

希土類

価数

価数

研究目的• 高温核融合プラズマから低温応用プラズマ、天体プラズマなどのあらゆるプラズマ現象の共通基礎過程である原子分子素過程の基礎研究と、それに基づいた原子分子データの生産と検証による整備・充実を推進し、データ登録数が世界トップクラスである衝突断面積等数値データベースを強化する。
• 分光計測を一つの手段として用い、原子分子素過程の理解が重要な要素となる様々なプラズマ現象の研究、原子分子データを活用した学際的プラズ
マ研究、異分野融合研究を国内外の大学等と連携して展開、推進する。
• 当ユニットを中心とした共同研究により、国内の大学等における原子分子関連研究及びプラズマ等応用研究分野を推進するとともに人材育成に貢献し、次世代に続く研究基盤を構築する。
• 情報学と連携した新しいデータベース活動を行うため、深層学習を応用したデータの推算方法の開発やデータの見える化など、ユーザーがより使いやすいデータベースの構築と提供も目指す。

研究目的
原子物理学
（実験、理論）計算科学（機械学習、統計物理）

数学（群論、位相空間論）

Neo-原子分子データサイエンスを創る
新原子分子

核融合

宇宙・天文

大気・環境

原子分子
データベース

応用プラズマ・分光、衝突輻射モデル、化学反応モデル、放射パワー、非平衡物理・実験計測、分光診断、理論シミュレーション・プラズマの予測と制御・データ推算・予測、実験検証
・数学分野と連携した重元素の新しい量子数の記述法の開拓と活用

学際的研究ネットワークの構築による、
原子分子素過程基礎研
究・開発の推進と原子分子データベースの強化
及びデータを活用したプラズマ研究、プラズマ分光研究等の推進京都大重粒子衝突
スパッタリング

電通大TokyoEBIT &CoBIT

新潟大
CX断面積

東洋大
分子衝突理論都立大
CX分光・断面積

宮崎大
励起断面積理論

上智大
電子衝突断
面積

原子番号

イオン価数

例：データベース中の電離断面積データ:
Ar
原子番号が大きな原Fe
子ほどデータがない
KrEBITを使った多価イオン
Xe の電離断面積の測定

希土類
W
U

東邦大
分子負イオン

富山大
分子構造理論東工大
光吸収断面積

QST
重粒子衝突理論原子モデル

核融合研
CoBIT &高強度EBIT開発
分光モデル構築
プラズマ分光実験
原子分子データベース
QSTJT-60SA
筑波大
GAMMA10
大阪大
GEKKO XII京都大Heliotron-J

天文台
太陽プラズマ
恒星大気
星間物質
東北大
キロノヴァ
宇宙研
X線天体

西北師範大学（中国）
復旦大学（中国）
KFE （韓国）
Univ. Strathclyde （英国）
Queen‘s Univ. Belfast (英国)
Univ. College Dublin（アイルランド）
Vilnus Univ. (リトアニア)
Levedev Physical Institute （露）ADAS 、VAMDCコンソーシアム
IAEA Data Center Network
京都大
統計理論
統数研
深層学習

電通大
大気
CO2分光
名古屋大
高層大気
惑星大気

産業応用
（半導体、薄膜、光源）
宇都宮大
光源開発
名古屋大
低温プラズマ

研究テーマ
1.

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磁場閉じ込めプラズマ内の不純物輸送研究、放射パワー評価等のための原子分子基礎研究によるデータ整備と、原子分子データを活用した研究① 理論計算による原子データの整備と衝突輻射モデルの構築② CoBITや原子衝突実験等による多価イオン原子データの生産③ LHD等プラズマ実験装置や CoBITを用いた分光計測による原子データ、衝突輻射モデルの検証④ 原子データを活用した不純物輸送、ダイバータデタッチメント等の研究
高強度EBIT装置の開発と製作。これを持ちいた分光計測による重元素多価イオンの波長測定、電離断面積、再結合速度係数、遷移寿命等の測定。強い禁制遷移である多重極子遷移の探査及びそれによる超微細構造の研究。
高強度EBITを用いた実験的プラズマシミュレーションによる非定常プラズマからのスペクトル解析。
共同研究による原子分子素過程研究による原子分子データの生産。
次世代リソグラフィー用EUV光源、光の窓軟X線顕微鏡用光源開発のための希土類等重元素多価イオンの波長計測、原子データ整備、分光モデル整備
重力波源天体／キロノバのための希土類低価数イオンの原子構造、振動子強度等原子データの整備とそれを活用したキロノバの研究
太陽プラズマ、X線天体現象解明のための高価数多価イオン原子データの実験的及び理論的検証、光吸収断面積の測定、Solar-C衛星計画、XRISM衛星計画、ISAS-EBIT（開発中）との連携研究
NBI、天体プラズマから半導体生成プロセスなどで見られる分子負イオンの特性研究、解離性付着過程などでの同位体効果
情報学を応用したデータベースの高度化（見える化）、データ推算方法の導出とそのツール化（特に低温プラズマ研
究のための分子データ整備）
プラズマ壁相互作用データの再導出
その他原子分子データを活用した学際的プラズマ研究の新展開

学際的プラズマ研究への展開
XRISM衛星計画との連携による宇宙の化学進化、元素の起源の解明

核融合プラズマHe灰の制御、不純物ガスパフによるダイバータへの熱流束制御の確立

天体プラズマ
高精度プラズマ診断によるプラズマ現象の理解太陽コロナ加熱問題の解決
ひので衛星、Solar-C_EUVST
衛星計画との連携

中性子星合体天体（キロノバ）の光度曲線解析から宇宙における重元素合成の解明。マルチメッセ
ンジャー天文学（すばる望遠鏡）、重力波観測（LIGO/Virgo/Kagura)との連携

地球大気・惑星大気中の原子分子過程による発光、オーロラ観測から地球磁気圏（惑星磁気圏）の構造研究等
星間物質中の化学進化、星形成への影響、星間分子形成の解明
ダスト表面における分子形成過程の解明

高集積回路開発のための半導体用極端紫外リソグラ
フィー光源開発への貢献

産業応用

水の窓軟X線光源を使った生体顕微鏡開発により生体を生きたまま微細観測が可能に

ダイバータ板からスパッタリングにより発生する不純物の挙動、放射パワーの影響の解明

半導体製造過程におけるプラズマエッチング・薄膜生成での多様な分子種の気相中の反応過程、物質表面との相互作用の素過程の解明と効率の評価による生産効率の向上
プラズマ医療、バイオプラズマなど低温大気圧プラズマ中の気相反応の解明、プラズマ効果の解明と実証による実応用

情報学との連携による深層学習を用いたデータ推算方式の開発
により、第一原理計算や実験で導出が困難な原子分子データの予測、例えば励起状態の酸素分子の反応係数や多様な分子のデータが予測できると、様々な応用プラズマに適用可能

研究への取り組み方
1. 想定している装置・設備、研究環境①多価イオン源（CoBIT、高強度EBIT装置）と分光器②LHD等プラズマ実験装置と分光器③照射用イオンビーム装置④他大学での原子衝突実験等装置（共同研究）⑤計算サーバー（理論原子物理計算、衝突輻射モデル）⑥原子分子データベース
2. 協力が欲しい専門領域①不純物輸送研究（理論、実験）②スパッタリング計算③分子物理学（理論、実験）④情報学、深層学習（転移学習）⑤計算機科学（データベースの高度化等）など

10年後：強固な連携研究、新たな分野融合研究
原子物理学（実験、理論）計算科学（機械学習、統計物理）

数学（群論、位相空間論）？？？

Neo-原子分子データサイエンスの新展開

原子分子データベース

？？？

新原子分子

核融合

宇宙・天文

大気・環境

応用プラズマ・分光、衝突輻射モデル、化学反応モデル、放射パワー、非平衡物理
・実験計測、分光診断、理論シミュレーション・プラズマの予測と制御
・データ推算・予測、実験検証
・数学分野と連携した重元素の新しい量子数の記述法の活用・新たな？？？