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一視線による観測と分光でプラズマの空間構造を測り、プラズマ核融合の制御に貢献する。

RESEARCHER
研究に使用している様々なプラズマの写真。プラズマから放射される光のスペクトルには、プラズマ中の電子、イオン、原子分子の温度や密度、電磁場などの様々な情報が含まれている。これらのパラメータの違いによってプラズマは異なる色合いで観測される。

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一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。 (左)ヘリオトロンJ装置で測定したヘリウム原子輝線スペクトル強度の視線上の空間分布。プラズマ周辺部で強度が大きい分布が得られた。(右)カメラで撮影した輝線強度分布(積分スペクトル)。周辺で強度が大きく、本手法で得た結果と整合していることが確認できる。

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原理。ゼーマン効果は、磁場と原子の磁気モーメント(微小な円電流)の相互作用により、原子のエネルギー変化や輝線スペクトルの波長分裂が起こる現象。プラズマ中に既知の磁場があるとき、視線上の各位置でゼーマン効果の大きさが異なることを利用して、積分スペクトルから空間分布を推定できる。

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ゼーマン効果の大きさは近似的に波長の2乗に比例するため、可視光よりも高感度でゼーマン効果を観測できる近赤外光の分光実験を行っている。プラズマおよびヘリウム原子の輸送シミュレーションを実施し、測定された積分スペクトルを再現するための最適なシミュレーション結果を探索し、空間分布を求めた。

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応用に向けて取り組んでいる研究。 これまで本学のヘリオトロンJ装置を用いて原理の実証を行った。次は、発電炉に近い条件下での実証を目指し、世界最大級の実験装置であるJT-60SA(QST那珂フュージョン科学技術研究所)を使用した研究を進めている。

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どんなタネ?

プラズマは、気体が電離して電子、イオン、原子分子が混ざった状態の物質です。固体、液体、気体に次ぐ「物質の第4の状態」とも呼ばれます。プラズマは、その高いエネルギーと反応性から、半導体製造、加工・表面処理、宇宙推進、核融合などの幅広い工業分野に応用されています。私の研究では、核融合プラズマから放射される光を分光し、プラズマの温度や密度、内部で起きている現象を調べています。通常、分光では視線に沿った積分量しか測定できませんが、プラズマ中の磁場が起こす「ゼーマン効果」によるスペクトル形状変化を利用して、空間分布を測定する方法を開発しました。

なぜ研究を始めた?

様々な工業に応用されているプラズマの普遍性に興味を感じ、この分野に入りました。核融合プラズマを対象とする分光の研究は、学生時代に与えられたテーマとして始めましたが、スペクトルに隠されたプラズマの情報をどのように引き出すかを様々な観点から考えることが楽しくなり、以来、今日まで研究を続けています。

なにを変える?

実際に発電を行う核融合炉では、放射線や高速原子の影響を受けるため、多くの計測器を取り付けることができません。このため、少数の計測器でできるだけ多くのプラズマや炉内の情報を取得することが重要です。分光は、スペクトルが多様な情報を含んでいるため理想的な手法ですが、積分量しか測定できないという制限もあります。空間分布を測定できれば、核融合炉の効果的な計測が可能になり、また、他の工業プラズマの計測にも応用できる可能性があります。

なにが必要?

この方法では、プラズマ中に既知の磁場があるときに、視線上の各位置でゼーマン効果の大きさが異なることを利用して、積分スペクトルから空間分布を推定します。ゼーマン効果の大きさは近似的に波長の2乗に比例するため、可視光よりも高感度で観測できる近赤外光の分光実験を行っています。これまで本学の核融合実験装置ヘリオトロンJ(エネルギー理工学研究所)を用いて原理の実証を行いました。次は、発電炉に近い条件下での実証を目指し、世界最大級の実験装置であるJT-60SA(QST那珂フュージョン科学技術研究所)を使用した研究を進めています。

VIDEO MATERIAL
1:エネルギー理工学研究所の核融合実験装置ヘリオトロンJで行った重水素・ヘリウム混合放電の動画。200 msをスロー再生。 2:ゼーマン効果による近赤外ヘリウム原子輝線スペクトルの形状変化。磁場に垂直方向からの観測、原子温度0.15 eVを仮定。破線は偏光成分を示し、縦線はスペクトルを構成する遷移を表す。
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