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アプリケーション
Author: Andrew P. Carpenter
Last updated: 18 Nov 2025
エネルギー安全保障は、民生と国防の両面からますます重要になっています。民生面では、電力網に負担をかけるほどの膨大な電力を要求するAI企業の台頭1や、電力網に壊滅的な被害をもたらす深刻な暴風雨の増加2により、エネルギー・レジリエンス（エネルギー供給の強靭性）が脅かされています。さらに、エネルギー関連のサプライチェーン（石油や希土類元素など）を圧迫する貿易摩擦も加わり、現在および将来の電力需要を満たすために、多様なエネルギー源を早急に検討する必要があります。現在、電力網を支えているエネルギー源には、化石燃料、原子力（核分裂）、再生可能エネルギーが含まれます3。
このリストに欠けているのが、核融合エネルギーによる発電です。核融合とは、原子核同士を融合させることでエネルギーと中性子を放出させ、これを利用して熱を発生させ、最終的に電力を生み出す技術です。核融合エネルギーは、「星のエネルギー」を利用可能なエネルギー源として提供するものとして、古くから期待されてきました。そのため、過去数十年にわたり、実用的な核融合炉の開発に多大な研究が注がれてきました。2025年現在、研究が進められている原子炉の設計には、トカマク型(ITER, SPARC, EAST)、ステラレータ型 (LHD, HSX),、Zピンチ装置 (FuZE)、そしてレーザーを用いた慣性閉じ込め型(NIF, LMJ)などがあります。いずれの方式もいまだ電力網へのエネルギー供給には成功していませんが、政府や民間企業が核融合炉技術の開発に積極的に参画しており、上記の核融合設計の可能性を探求する機運は急速に高まり続けています4。
核融合エネルギーの実現に向けて歩みが進む一方で、各炉に特有の核融合パラメータの最適化、新規のプラズマ対向材料の開発、さらにはプラズマの生成と安定性に関する基礎物理学の解明など、依然として膨大な研究開発（R&D）課題が残されています。こうした研究に貢献しているのが、中性子の生成、プラズマの進展、不純物の濃度、そしてプラズマ対向機器の材料劣化などをモニタリングできる多様な「光学計測（光学診断技術）」です。
本アプリケーションノートでは、核融合炉開発の進展に貢献しているいくつかの光学的手法を紹介するとともに、これらの手法を強力に支援（エンパワー）するオックスフォード・インストゥルメンツ・アンドール（Oxford Instruments Andor）製のイメージングおよび分光技術に焦点を当てます。
さまざまな光学診断技術を活用することで、プラズマの電子密度や電子温度の測定、不純物の検出、エネルギー損失メカニズムの解析、さらにはプラズマの発展過程の理解が可能となります。利用可能な光学診断手法はX線から紫外・可視光（UV/Vis）領域に及び、代表的なものとして制動放射（Bremsstrahlung Radiation）、発光分光法（Optical Emission Spectroscopy：OES）、トムソン散乱（Thomson Scattering）などが挙げられます。
制動放射は、電子密度や電子温度の測定5を可能にするとともに、核融合炉におけるエネルギー損失メカニズムの理解にも役立ちます6。この放射は一般に数keV程度までの軟X線を放出するため、このエネルギー領域の光子を検出可能な検出器が必要です。Andorでは、約15 keVまでのX線に感度を持つ複数の直接検出型X線カメラを製造しており、真空分光器に組み込んで制動放射の研究に利用できます。オープンフロント構造を採用した Newton-SO および iKon-SO CCDは、それぞれ分光用およびイメージング用センサーを搭載しており、EUVおよび15 keVまでの軟X線光子の検出に使用できます。より低エネルギーの実験には、sCMOSベースの Marana-X が適しており、80 eVから1 keVの範囲でほぼ100％の量子効率を実現し、従来のCCD技術と比較して一桁以上高速な全フレームレートで高感度検出が可能です。15 keVを超える高エネルギー光子を検出する必要がある場合には、光ファイバー結合型シンチレータカメラである iKon-L HF および Zyla HF が利用可能です。さらに、実験設計上シンチレータをレンズ結合方式で使用する場合には、可視光対応カメラ製品群全体を活用することができます。
発光分光法（OES）は、プラズマ中の不純物解析7、ヘリウム蓄積の評価8、さらにはスターク効果を利用した内部電場測定9など、幅広い用途に適用できる光学診断技術です。実験条件によっては、紫外領域から近赤外領域（約200～900 nm）までの高感度検出が求められます。UVから近赤外領域向けに、Andorは0.02 nmまでの高い波長分解能を実現する Czerny-Turner分光器 や、UVから近赤外までの全スペクトル領域を単一ショットで高分解能（R≈5000）測定できる エシェル分光器 を提供しています。これらの分光器には、量子効率95％以上を誇る CCDおよびsCMOS分光カメラ を組み合わせることができ、OESで対象となる広範囲のスペクトルを高感度で測定できます。また、EUV/VUV領域におけるOES実験は、水素・重水素プラズマ中の炭素不純物検出にも利用でき、実験的には前述のオープンフロント型カメラを活用することが可能です。
核融合プラズマにおけるトムソン散乱は、自由電子によるレーザー光の弾性散乱現象であり、プラズマ中の自由電子数および電子温度に関する情報を取得できます。これに対してラマン散乱は非弾性散乱であり、コヒーレント反ストークスラマン散乱（Coherent Anti-Stokes Raman Scattering: CARS）を用いることで、分子性プラズマガスの回転・振動スペクトルからプラズマ温度を測定することが可能です。散乱されたレーザー光を分光器で波長分解する場合、トムソン散乱信号の検出には増感型 CCD またはsCMOSカメラが最適な選択肢となります10。これは、増感型カメラが持つナノ秒オーダーのゲート機能により、微弱なトムソン散乱信号を増幅しながら迷光を効果的に排除でき、測定の感度と精度を向上できるためです。さらに、Andorの iStar sCMOS は、粒子画像流速測定（Particle Image Velocimetry：PIV） にも対応しており、最短数百ナノ秒のフレーム間隔で二重フレーム画像を取得できます。トムソン散乱実験においてPIVを併用することで、電子密度や電子温度の時間発展をサブマイクロ秒の時間分解能で解析することが可能になります。
商用核融合システムで現在最も有力視されている核融合反応は重水素（Deuterium）とトリチウム（Tritium）によるものであり、炉の運転条件に応じて以下の反応がどのように進行するかを理解することが重要な研究課題となっています。
2H + 3H à (4He + 3.5 MeV) + (n + 14.1 MeV)
この反応で放出される中性子（n）は14.1 MeVのエネルギーを持つため、その生成率を正確に把握するには、このエネルギー領域に対応した中性子検出技術が必要となります。このような高エネルギー中性子を検出するためには、LaBr₃(Ce) などの中性子シンチレータ11が用いられます。シンチレータは中性子の進行経路上に設置され、その発光をレンズ結合によって中性子経路外に配置されたカメラへ導くことができます。シンチレータからの発光を撮像するための堅牢な検出ソリューションとして、イメージング用途のCCDカメラや sCMOS カメラが利用されています。より高速なデータ取得が求められる場合には、sCMOSまたは EMCCD 技術が有力な選択肢となります。これは、sCMOSが非常に低い読み出しノイズを実現していること、またEMCCDが電子増倍（EMゲイン）によってCCDの読み出しノイズを克服できることから、いずれもシンチレータの微弱な発光を高感度に検出できるためです。
核融合炉内におけるプラズマの発展過程を理解することと同様に重要なのが、プラズマ反応によって生じる極めて高い熱負荷や強力な磁場に耐え得るプラズマ対向材料（Plasma-Facing Materials: PFM）の開発です。核融合反応の進行中には、プラズマへの曝露によって材料の熱機械特性が変化する可能性があるほか、プラズマ燃料が炉壁へ埋め込まれたり、逆にプラズマ対向材料が不純物としてプラズマ中へ放出されたりすることで、核融合反応の継続運転に影響を及ぼします。現在検討されているプラズマ対向材料には、タングステン、モリブデン、各種炭化物セラミックス、さらには他の壁材料表面を被覆する液体リチウム層などがあります。核融合反応の進行中には、発光分光法（OES）を用いて不純物由来の発光スペクトル線を観測することで、プラズマ対向材料からプラズマへの汚染状況をモニタリングできます。また、プラズマ曝露後には、レーザー誘起ブレークダウン分光法（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy: LIBS）やラマン分光法（Raman Spectroscopy）といった光学診断技術を利用して、高温プラズマとの反応後における材料組成を調べることができます。
LIBSは、高強度レーザーを用いて対象材料表面に微小なプラズマを生成し、その発光を解析する光学診断技術です。レーザー誘起プラズマが冷却される過程で放出される発光スペクトルから、プラズマ対向材料中に含まれる元素の組成や相対的な存在量に関する情報を得ることができます。測定対象としては、例えばタングステンの400.88 nmおよび498.26 nmに現れるそれぞれの ^7S₃ および ^5D₀ スペクトル線12、原子状炭素の247.83 nmスペクトル線13、あるいはリチウムの670.78 nmスペクトル線などが挙げられます。プラズマ曝露前後でLIBSスペクトルを比較することで、プラズマ対向材料の劣化や不純物生成に関する重要な情報を取得できます。LIBS実験では、高い波長分解能と広い波長帯域を同時に実現できるエシェル型分光器が広く利用されています。Andorでは、Mechelle分光器 と、iStar CCD または iStar sCMOSを組み合わせることで、200～950 nmの波長範囲と最大R≈5000の分解能に対応したLIBS計測システムを構築できます。
ラマン分光法は、幅広い材料に対するプラズマと壁材料との相互作用を研究するためのもう一つの有力な手法です。例えば、アモルファス炭素では500～3000 cm-1の範囲にラマンシフトが観測される一方、結晶性ベリリウムやタングステン酸化物では、指紋領域（1000 cm-1以下）に特徴的なラマンシフトが現れます14。さらにラマン分光法を発展させたラマン顕微鏡法では、特定のラマンシフトを空間分解して測定することにより、材料の分布や化学的特性を可視化することが可能です。Andorの分光器および分光カメラは、カスタム設計のラマン分光システムやラマン顕微鏡システムの構築を可能にします。モジュール構造を採用した分光器は、ユーザーの現在のニーズに合わせて検出系を柔軟に構成できるだけでなく、将来的なシステム拡張にも対応できます。また、ターンキー型の顕微鏡ソリューションが必要な場合には、Oxford Instruments WITec が各種共焦点ラマン顕微鏡ソリューションを提供しています。
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