プラズマ診断

プラズマ診断は、プラズマ成分の密度、エネルギー（温度）に対する分布関数、空間プロファイルやダイナミクスなど、プラズマの特性を測定してプラズマパラメータを導き出すために使用される一連の方法、機器、実験技術です。

ボールペンプローブは、磁化プラズマ内のプラズマ電位を直接測定するために使用される新しい技術です。このプローブは、2004年にAS CRプラズマ物理研究所のJiří Adámekによって発明されました。^[1]ボールペンプローブは、電子飽和電流をイオン飽和電流と同じ大きさにバランスさせます。この場合、浮遊電位はプラズマ電位と同じになります。この目標は、電子のジャイロ半径がはるかに小さいため、プローブコレクターからの電子電流の調整可能な部分を遮蔽するセラミックシールドによって達成されます。電子温度は、ボールペンプローブ（プラズマ電位）とラングミュアプローブ（浮遊電位）の電位の差に比例します。したがって、追加の電源なしで、高い時間分解能で電子温度を直接取得できます。

従来のファラデーカップは、プラズマ境界からのイオン（または電子）の流れの測定や質量分析に使用されます。

ラングミュアプローブと呼ばれる電気プローブによる測定は、低温プラズマに対する最も古く、最も頻繁に使用される手法です。この方法は、 1920年代にアーヴィング・ラングミュアと彼の同僚によって開発され、その後、ラングミュアが想定したよりも一般的な条件に適用できるようにさらに開発が進められてきました。ラングミュアプローブ測定は、研究対象のプラズマに浸漬された2つの金属電極で構成される回路の電流対電圧特性の推定に基づいています。次の2つのケースが重要です。(a) 2つの電極の表面積が数桁異なる場合。これはシングルプローブ法として知られています。(b) 表面積がプラズマを含む容器の寸法と比較して非常に小さく、互いにほぼ等しい場合。これはダブルプローブ法です。

従来のラングミュアプローブ理論では、プローブ周囲の空間電荷シース内の電荷キャリアの衝突のない動きを前提としています。さらに、シース境界は明確に定義されており、この境界を超えるとプラズマはプローブの存在によってまったく乱されないと想定されています。これは、プローブの電位とプローブが配置されている場所のプラズマ電位の差によって生じる電界が、プローブシース境界内の体積に限定されることを意味します。

ラングミュアプローブ測定の一般的な理論的記述では、プローブ表面の境界条件に関するポアソン方程式、衝突のないボルツマン方程式またはブラソフ方程式、および連続方程式を同時に解く必要があり、プローブから離れた距離では、解が乱されていないプラズマで予想される解に近づくことが求められます。

プラズマ全体の磁界が過渡的であるか、磁界が周期的（高周波加熱）であるためにプラズマ内の磁界が定常でない場合は、磁界の時間変化率（、「B ドット」と読む）をワイヤのループまたはコイルで局所的に測定できます。このようなコイルは、変化する磁界が電場を誘導するというファラデーの法則を利用します。 ^[2] 誘導電圧は一般的な機器で測定および記録できます。また、アンペールの法則により、磁界はそれを生成する電流に比例するため、測定された磁界はプラズマに流れる電流に関する情報を提供します。電流と磁界は両方とも、基本的なプラズマ物理を理解する上で重要です。 ${\displaystyle {\dot {B}}}$

エネルギー分析装置は、プラズマ内の粒子のエネルギー分布を測定するために使用されるプローブです。荷電粒子は通常、エネルギー分析装置内の電界および/または磁界から速度によって分離され、選択されたエネルギー範囲の粒子のみが検出器に到達できるようにすることで識別されます。

電界を弁別器として使用するエネルギー分析装置は、遅延電界分析装置としても知られています。^{[3] [4]}これは通常、異なる電位にバイアスされたグリッドのセットで構成され、電界を設定して、必要なエネルギー量よりも低い粒子を検出器から遠ざけます。円筒形または円錐形の面電界を備えた分析装置^[5]は、このような測定に効果的です。

対照的に、磁場を弁別器として使用するエネルギー分析装置は、質量分析計と非常によく似ています。粒子はプローブ内の磁場を通過し、検出器に到達するためには特定の速度が必要です。これらは1960年代に初めて開発され、^{[6]通常はイオンを測定するために作られています。（装置のサイズは、粒子の}ジャイロ半径とほぼ同じです。これは、弁別器が回転する粒子の進路を遮るためです。）

中性粒子のエネルギーもエネルギー分析装置で測定できますが、まず電子衝撃イオン化装置でイオン化する必要があります。

陽子放射線撮影では、単一の発生源からの陽子ビームを使用してプラズマ内の磁場および/または電場と相互作用させ、相互作用後にビームの強度プロファイルをスクリーン上で測定します。プラズマ内の磁場と電場はビームの軌道を偏向させ、偏向によって強度プロファイルが変調されます。強度プロファイルから、統合された磁場および/または電場を測定できます。

境界シースのIV 特性のような非線形効果は、ラングミュア プローブ測定に利用されますが、数学的処理が非常に不便なため、RF 放電のモデル化では通常無視されます。自己励起電子プラズマ共鳴分光法 (SEERS) は、まさにこれらの非線形効果と RF 放電の既知の共鳴効果を利用します。非線形要素、特にシースは、放電電流に高調波を提供し、いわゆる幾何学的共鳴周波数によって特徴付けられる直列共鳴でプラズマとシースを励起します。

SEERS は、空間的および相互的に平均化された電子プラズマ密度と有効電子衝突率を提供します。電子衝突率は、電子の確率的 (圧力) 加熱と抵抗加熱を反映します。

プラズマバルクのモデルは、2D 流体モデル (ボルツマン方程式のゼロ次モーメントと 1 次モーメント) と、磁場のヘルムホルツ方程式につながるマクスウェル方程式の完全なセットに基づいています。シースモデルは、さらにポアソン方程式に基づいています。

受動分光法はプラズマから放出される放射線を単純に観察する。それらは、様々なトカマク装置で使用されているフィルタースコープなどの診断装置によって収集することができる。^[7]

プラズマ（またはプラズマのイオン成分の 1 つ）が観測者の視線の方向に流れている場合、ドップラー効果により、異なる周波数で輝線が見られます。

イオンの熱運動により、イオンが観測者に向かっているか、観測者から遠ざかっているかに応じて、輝線が上または下にシフトします。シフトの大きさは視線に沿った速度に比例します。最終的な効果は、ドップラー広がりとして知られるスペクトル線の特徴的な広がりであり、そこからイオン温度を決定することができます。^[8]

シュタルク効果によるいくつかの輝線の分裂を利用して、局所的な電場を決定することができます。

マクロ的な電場の存在にかかわらず、どの原子も隣接する荷電プラズマ粒子によるミクロな電場の影響を受けます。これにより、プラズマ密度を決定するために使用できるスペクトル線のシュタルク広がりが生じます。 ^[9]

プラズマ内の原子から放出される スペクトル線の明るさは、プラズマの温度と密度に依存します。

十分に完全な衝突放射モデルが使用される場合、プラズマの温度（および、それほどではないが密度）は、さまざまな原子スペクトル線の放射強度の比をとることによって推測できることが多い。^{[10] [11]}

磁場が存在すると、ゼーマン効果により原子のエネルギーレベルが分割されます。これにより、スペクトル線が広がったり分割されたりします。したがって、これらの線を分析すると、プラズマ内の磁場の強度が得られます。

能動分光法は、何らかの方法でプラズマ原子を刺激し、その結果（放射線の放出、刺激光の吸収など）を観察します。

プラズマ中に存在する種の 1 つの特定の遷移に合わせて調整された波長のレーザーをプラズマに照射すると、その遷移の吸収プロファイルが得られます。このプロファイルは、放出プロファイルから取得できるプラズマ パラメータの情報だけでなく、吸収種の線積分数密度の情報も提供します。

中性原子のビームがプラズマに照射されます。一部の原子はプラズマ内での衝突によって励起され、放射線を放出します。これを利用して、乱流プラズマ内の密度変動を調べることができます。

磁気核融合実験で見られるような極めて高温のプラズマでは、軽元素は完全にイオン化され、線状放射線を放射しません。しかし、中性原子のビームがプラズマに照射されると、電荷交換と呼ばれるプロセスが発生します。電荷交換中、中性ビーム原子の電子は高エネルギーのプラズマイオンに転送され、水素イオンの形成につながります。これらの新しく形成されたイオンはすぐに線状放射線を放射し、その後、イオン密度、温度、速度などのプラズマに関する情報を取得するために分析されます。

その一例は、トカマクで採用されている高速イオン重水素アルファ（FIDA）法です。^{[12] [13]}この技術では、中性ビーム原子とプラズマ中に存在する高速重水素イオンの間で電荷交換が起こります。この方法は、高エネルギー原子から放出されるバルマーアルファ光が示す大きなドップラーシフトを利用して、高速イオンの密度を決定します。^[14]

レーザー誘起蛍光（LIF）は、プラズマがレーザー放射によって刺激されたときに放出される蛍光を観察することによってプラズマ特性を調査するために使用される分光技術です。この方法により、イオンの流れ、イオンの温度、磁場の強さ、プラズマの密度などのプラズマパラメータを測定できます。^[15]通常、これらの測定には、可変 色素レーザーが使用されます。プラズマ物理学におけるLIFの先駆的な応用は、研究者がアルゴンプラズマ内のイオン速度分布関数を測定するために使用した1975年に起こりました。 ^[16]それ以来、1光子LIF技術や2光子吸収レーザー誘起蛍光（TALIF）など、さまざまなLIF技術が開発されました。^[17]

TALIF はレーザー誘起蛍光法の改良版です。この方法では、2 つの光子の吸収によって上位のエネルギー レベルが励起され、励起レベルの放射減衰によって生じる蛍光が観測されます。TALIF は、水素、酸素、窒素などの基底状態の原子密度の絶対値を正確に測定できます。ただし、このような精度を達成するには適切な較正方法が必要であり、これは滴定または希ガスとの比較を含むより現代的な方法によって達成できます。^[18]

TALIF は、原子密度のほかに、プラズマ内の種の温度についても情報を提供します。ただし、これには、温度広がりのガウス分布寄与と、2 光子励起プロファイルの自然な広がり、およびレーザー自体のスペクトル広がりを区別するために、 高いスペクトル分解能を持つレーザーを使用する必要があります。

光脱離は、ラングミュア プローブ測定と入射レーザー ビームを組み合わせたものです。入射レーザー ビームは、負イオンに結合した電子を脱離するために、空間的、スペクトル的、およびパルス エネルギー的に最適化されます。ラングミュア プローブ測定は、入射レーザーなしと入射レーザーありの 2 つの状況で電子密度を測定するために行われます。入射レーザーによる電子密度の増加から、負イオン密度が得られます。

原子が磁場内で動いている場合、ローレンツ力は電場と同様に原子核と電子に反対方向に作用します。原子の基準フレームには電場がありますが、実験室のフレームには電場がありません。その結果、特定の線がシュタルク効果によって分割されます。ビームの種類と速度、および形状を適切に選択することで、この効果を使用してプラズマ内の磁場を決定できます。

上記の光学診断は、原子からの線放射を測定します。あるいは、自由電荷が電磁放射に与える影響を診断として使用することもできます。

磁化されたプラズマでは、電子は磁力線の周りを回転し、サイクロトロン放射を放射します。放射の周波数はサイクロトロン共鳴条件によって決まります。十分に厚く密度の高いプラズマでは、放射の強度はプランクの法則に従い、電子温度のみに依存します。

ファラデー効果は、磁場のあるプラズマを通過するビームの 偏光面をビームの方向に回転させます。この効果は磁場の診断に使用できますが、情報は密度プロファイルと混合され、通常は積分値のみです。

プラズマが干渉計の一方のアーム内に置かれると、位相シフトは経路に沿って積分されたプラズマ密度に比例します。

プラズマ中の電子によるレーザー光の散乱は、トムソン散乱として知られています。電子温度は、レーザー線のドップラー広がりから非常に確実に判定できます。電子密度は散乱光の強度から判定できますが、慎重な絶対較正が必要です。トムソン散乱は主に電子による散乱ですが、電子はイオンと相互作用するため、状況によってはイオン温度に関する情報も抽出できます。

DT燃料を使用した核融合プラズマは、3.5MeVのアルファ粒子と14.1MeVの中性子を生成します。中性子束を測定することで、イオン温度や核融合出力などのプラズマ特性を判定できます。

• レーザーシュリーレン偏向測定

• ハッチンソン、IH（2005）。プラズマ診断の原理。ケンブリッジ大学出版局。ISBN 978-0521675741。
• シュンコ、EV (2009)。『ラングミュアプローブの理論と実践』ユニバーサル出版社。ISBN 9781599429359。
• Zhukov, MF; Ovsyannikov, AA (2000).プラズマ診断. Cambridge Int. Science Publishing. ISBN 9781898326236。