Plasma Transport
磁場閉じ込めプラズマ輸送現象
Transport Phenomena in Magnetically Confined Plasma
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。
Energetic Particle Physics
プラズマ中の高エネルギー粒子と波動相互作用
Energetic Particle — Wave Interaction in Magnetized Plasma
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（AE）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、AE励起の予測と制御は重要な課題です。
本研究室では、方向性プローブ法というプラズマの流れ計測の手法を用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計測を試みています。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の解明に挑戦しています。
Turbulence Experiment
回転乱流基礎実験
Rotating Turbulence — from Liquid Crystal to Astrophysical Flows
自然界には多くの流体が乱流状態にあります。空間一様な等方乱流はその性質が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は、流体中に大規模な構造が現れます。降着円盤、帯状流、渦形成など多彩な構造を伴う宇宙や実験室プラズマの複雑な系を理解することが目標です。
具体的には、液晶を用いた電気対流乱流という、非常に制御性の高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ときの乱流特性や輸送特性を調べています。シンプルな乱流実験から少しずつ複雑性を導入し、普遍的な性質を抽出するアプローチです。
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行えるようになりました。また九州大学・崇城大学との共同研究として、液晶乱流の精密実験を進めています。
Advanced Diagnostics
光科学による先進プラズマ計測
Advanced Plasma Diagnostics via Optical Vortex (Laguerre-Gaussian Beam)
光渦（ラゲール-ガウス（LG）ビーム）と呼ばれる軌道角運動量を持った光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できますが、LGビームを用いることで、これまで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、直線型プラズマ生成装置（Hyper-I）で実験を行っており、プラズマや中性粒子の速度分布関数の精密測定を目指しています。速度分布関数の精密計測は、燃焼プラズマにおける位相空間ダイナミクスの解明につながります。
Negative Ion Source
負イオンプラズマと負イオンビーム生成
Negative Ion Plasma and High-Power Negative Ion Beam Generation
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。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、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だけです。今後の装置大型化では大電流負イオンビーム加速は必須の技術となります。
現在稼働中の負イオン源の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応答特性の解明が必要です。実用機サイズの負イオン源（NIFS-RNIS）に先進的な計測器を整備し、高性能負イオンビーム生成技術の構築を目指します。
→ 2025年1月の成果がScientific Reportsに掲載・国際共同プレスリリースされました。
