名古屋大学大学院理学研究科 素粒子宇宙物理学専攻（素粒子宇宙物理系）

磁場閉じ込め核融合を目指したプラズマ実験では、外部から加熱した高温プラズマの輸送特性が重要な研究課題です。 核融合科学研究所で稼働している大型ヘリカル装置（LHD）は、外部コイルでトーラス磁場を捩じるため、閉じ込め磁場の形成にプラズマ電流が必要ありません。 そのためトカマクプラズマに比べてプラズマの定常化に利点がある閉じ込め方式です。 近年、プラズマのコア領域で急峻な温度勾配が形成される内部輸送障壁（ITB）の形成に成功し、ヘリカルプラズマの温度領域が飛躍的に進展し、 9400万度のイオン温度が実現されました。このプラズマは、不純物イオンを掃き出す性質を持っており、核融合燃焼プラズマとして良好な性質を持っています。 しかしながら、輸送障壁形成や不純物イオンの掃き出し現象の物理過程は未解明でであり、プラズマのミクロな乱流特性との比較などの研究を進めています。　
また、プラズマの自発的な回転がLHDで観測されており、太陽の差動回転との類似した物理過程の存在が示唆されており、 乱流が駆動する大規模な流れ場の形成という観点でも研究を行っています。　
　

磁場閉じ込めプラズマ中に加熱用ビーム入射を行うと、イオンビームが減速（プラズマが加熱）されるときに 磁気流体波動（アルベン波）と共鳴し、アルベン固有モードを励起し、高速イオンの異常輸送が引き起こされます。 この現象は、将来の核融合燃焼（α加熱）プラズマにおいても問題となることが予想されており、アルベン固有モードの励起の予測と制御は 重要な課題となっています。
　本研究室では、これまで方向性プローブ法というプラズマの流れ計測の手法をもちいた高速イオンの計測手法を開発し、 プラズマ中の高速イオンとアルベン固有モードの共鳴相互作用の直接計測に成功しています。
現在は、磁気圏プラズマの衛星観測のために開発された波動粒子相互作用解析手法を実験室プラズマに適用し、 波動と相互作用する高速イオンの速度分布関数の応答の計測を試みており、 速い周波数掃引や、間欠的な励起などアルベン波の非線形過程を明らかにすることに挑戦しています。

自然界には、多くの流体が乱流状態にあることが知られています。空間一様な等方乱流は、その性質が大変詳しく調べられていますが、 回転や磁場が存在したり、エネルギーの流れがある場合などは、流体中に大規模な構造が現れることが知られています。 我々が理解したい宇宙や実験室プラズマは、降着円盤、帯状流、渦形成など多彩な構造形成を伴う複雑な系となっています。 実験研究から複雑な系を理解し、その中に潜んでいると思われる普遍的な性質を抽出する一つの方法として、 シンプルな乱流実験からすこしずつ複雑性を導入し、その影響を調べることを提案しています。
具体的には、液晶を用いた電気対流乱流を使って、非常に制御性のいい乱流実験系を準備し、 回転や空間勾配を少しずつ導入した時の乱流特性や輸送特性を調べています。
乱流中に蛍光粒子をトレーサーとして混ぜることにより乱流パターンと粒子追跡を同時にできるようになりました。その実験の様子をムービーで紹介します。

光渦と呼ばれる軌道角運動量を持った光（ラゲールガウス（LG）ビーム）を用いる新しいプラズマ計測法を開発しています。 通常の平面波を用いた吸収分光法では、レーザー光に沿った速度分布関数のみを計測することができますが、 LGビームを用いることで、これまでに不可能であったレーザー光に垂直方向の速度分布関数の情報を得ることが可能となります。 この計測器開発は、直線型高密発生装置（Hyper-I）で実験を行っており、 プラズマやプラズマと共存する中性粒子の速度分布関数の精密測定を目指しています。

大型ヘリカル装置（LHD）プラズマの主加熱装置として、中性粒子ビーム入射（NBI）装置が稼働しています。 イオンの静電加速に正イオンを用いる場合と負イオンを用いる場合がありますが、 ビームの加速エネルギーが100kVを超える領域では、負イオンビームの加速が必要となります。高エネルギー加速器でも用いられています。 数10Aの負イオンビーム加速を実現し、実際の磁場閉じ込めプラズマの加熱に成功している装置は、世界中でLHDとJT60-U（旧原子力機構那珂研）だけです。 今後装置が大型化すれば、大電流負イオンビーム加速は必須の技術となります。
現在稼働している負イオン源は、ある程度工学的な最適化がなされていますが、さらなる高性能化には負イオン生成とビームと して引き出されるまでの輸送過程の素過程と負イオンが支配的なプラズマの電気的な応答特性を解明することが必要です。 10A以上の負イオンビームを生成できる実用機サイズの負イオン源に先進的な計測器を整備して、 負イオンが支配的なプラズマの性質を解明し、高性能負イオンビーム生成技術の構築を通して、 核融合プラズマ研究などへの負イオンビーム応用に貢献することを目指します。