電子ビーム

電子ビームとは、電子を一方向にまとまった運動量で流した粒子ビームであり、プラズマ・核融合物理では、外部から注入される場合も、プラズマ中で自発的に加速されて生じる場合も、エネルギーと運動量を空間的に集中して運ぶ媒体として中心的な役割を果たす。電流を担う荷電粒子の集まりであるため、それ自身が電磁場を持ち、背景プラズマと強く相互作用する。この相互作用は、波の励起という有用な側面と、ビームの崩壊・損失という有害な側面の両方をもたらす。核融合研究では、レーザー加熱や高速点火におけるエネルギー輸送、ジャイロトロンなどの高周波源、そしてトカマク異常終了時に生じる逃走電子ビームという安全性上の重大課題など、多様な文脈で電子ビームが扱われる。

図は、電子ビームが物質中でどう振る舞うかを模式的に示したものである。入射した逃走電子は粒子内部で散乱されて方向を変えるか停止し、衝突の際に電離による二次電子（ノックオン電子）と制動放射によるガンマ線が発生して外部へ出ていく。この一連の過程は、後述のトカマク異常終了緩和の文脈で直接応用される。

電子ビームとプラズマの基礎

真空中の電子ビームは空間電荷の反発で広がるが、背景プラズマ中では事情が変わる。ビーム電子が引き抜く負電荷を、プラズマ中の電子が即座に補う「電荷中和」が起きると、ビームはほぼ中性の電流柱として長距離を伝搬できる。ただし中和されたビームは今度は静電的に不安定になりやすく、ビームの密度変調がプラズマ波として成長する。またビーム電流と、それを打ち消すように誘導される「帰還電流」との間の磁気的な力は、ビームを自己収縮（ピンチ）させる方向に働く。磁場中では、電子はサイクロトロン運動をしながら磁力線に沿って進むため、磁場配位がビームの輸送を支配する。このように電子ビームの振る舞いは、ビーム自身のエネルギー・電流密度と、背景プラズマの密度・温度・磁場との比で決まる無次元量によって整理される。

生成とビーム品質

電子ビームの生成法は大きく分けて、熱電子や光電子を電場で加速する古典的な方法、レーザーとプラズマを組み合わせた方法、そしてプラズマ中での自発的加速がある。近年特に活発なのがレーザー wakefield 加速（LWFA）である。強レーザーパルスを低密度ガス中に伝搬させると、レーザーのポンデラモチブ力が電子を押し出してプラズマ波（ウェイク）が立ち、その電場は従来の高周波加速空洞より桁違いに強い。プラズマ波が破れると電子が波に乗り込み、数ミリメートルから数センチメートルの距離で数 MeV から数 GeV に達するビームが得られる。電子密度を n を 10¹⁸ cm⁻³ 単位で表したときプラズマ波長は 33 n^(−1/2) μm で、加速特性はこのスケールで設計される。ガス密度を下り坂（ダウンランプ）に整形して注入位置を局在させると、エネルギー幅の狭いビームが得やすくなる。

図はレーザー駆動加速の実験配置の一例である。主レーザービームがノズルから噴出するガスに焦点を絞って電子を加速し、生成された電子が磁場型スペクトロメータに入射してそのエネルギースペクトルが検出器に記録される。副次的な低エネルギーレーザービームはシャドウグラフにより相互作用領域を診断するために使われる。

レーザー駆動ビームの弱点は再現性である。加速器が毎発ごとにプラズマから作り直されるため、エネルギー・電荷・指向性が揺らぎ、応用にはビーム品質の制御が鍵となる。一方、レーザーと固体標的の相互作用でも、臨界密度付近の急峻な密度勾配と希薄な先駆プラズマの組合せでプラズマチャネルが形成され、そこで直接加速された数十 pC・数 MeV 級のよく平行な電子バンチが得られることが知られている。先駆プラズマの条件が悪いと、平行性の悪いリング状のビームに変わるなど、生成ビームの質は標的の密度プロファイルに敏感である。

ビーム・プラズマ不安定と波の励起

プラズマ中に注入された電子ビームが最もよく知る過程は、ビーム・プラズマ不安定である。ビームの速度分布に勾配があると、背景プラズマの固有モード（ラングミュア波や電子音響波など）がビームからエネルギーを吸収して指数関数的に成長する。成長するモードは分散関係の交差点で他の波モードと結合し、広いスペクトルの波活動が交差点付近で最大振幅を持つことがある。この性質は、衛星観測で見られる type III 電波源の解釈や、実験室プラズマ中の波スペクトルの解釈に共通して重要である。磁化プラズマでは、サイクロトロン周波数とプラズマ周波数の比が交差点の有無と位置を決める主要なパラメータとなる。

ビームが励起する波は静電波にとどまらない。斜め伝搬する電磁モード、表面波、電子バーンスタイン波なども励起され、強いビームでは高調波電磁放射が乱流的に増幅される。これらの過程は、ビームのエネルギーがプラズマ波・放射へ変換される経路として、宇宙空間の電波放射のモデル化と、核融合プラズマ中のビーム診断の両方に関わる。

相対論的ビームの高密度プラズマ中輸送と高速点火

レーザー核融合の高速点火では、圧縮された燃料核を加熱するため、メガアンペア級の相対論的電子ビームを固体密度プラズマ中へ輸送する必要がある。ここでの物理は真空や低密度プラズマとは大きく異なる。ビーム電流を打ち消す帰還電流が背景プラズマをオーミック加熱し、その抵抗率の温度依存性を通じて磁場が自発的に成長する。この磁場はビームを集束する方向にも、軸から外す方向にも働き得る。特に背景の温度勾配から生じる「ビーム中空化」磁場はビームを軸から遠ざけ、点火効率を損なう恐れがあるが、背景の熱伝導が温度勾配を拡散するとこの磁場が弱まり、再び集束磁場が優勢になる。抵抗率の勾配を意図的に設けた固体では磁場成長が強められることも分かっている。

さらに強いビーム電流では、帰還電流が作る j×B 力と熱圧力勾配が、ビーム周囲のプラズマに空洞（キャビテーション）を掘り、衝撃波を発生させるほどになる。その強さはビーム電流密度の二乗と初期質量密度の比でほぼ決まる。また、臨界密度近くの気体標的では、レーザーが消費された後に磁気双極子渦が形成されてビームと共に前進するが、水素系炭化水素ガスでは電離過程が密度急峻化を抑え、チャネルの屈曲が抑制されることが粒子シミュレーションで示されている。高速点火の成否は、このような輸送過程でどれだけのビームエネルギーを燃料核に集中できるかにかかっている。

トカマク異常終了時の逃走電子ビーム

トカマクの異常終了（ディスラプション）では、熱クエンチでプラズマが急冷され、オーミック抵抗の急増がループ電圧すなわち平行電場を急上昇させる。この電場は高エネルギー尾部の電子を継続的に加速し、衝突による減速を「走り抜けた」逃走電子（runaway electron）の集団を作る。雪崩機構によって逃走電子は効率よく増殖し、プラズマ電流の大部分が MeV 級の相対論的電子ビームに置き換わり得る。ITER の最悪シナリオでは 15 MA の先行電流がすべて逃走電子電流に変換されるとされる。このビームが垂直変位イベントなどで第一壁に接触すると、10–100 cm² という狭い面積にエネルギーが集中し、壁の融解や冷却系の損傷を引き起こす。

逃走電子ビームの緩和には複数の戦略がある。重元素や重水素のペレット注入（破砕ペレット注入、SPI）で電子を散乱・減速する方法が ITER の基本計画であり、JET や DIII-D では MA 級のビームを無害に終息させた実績がある。JET では、注入後に逃走電子電流がいったん増加し、その後の MHD 不安定性の発生でビームが終息する。このとき磁力線のカオス化によって高速電子の接壁面積が広がり、熱流束が許容レベルまで下がる。また、共鳴的な波の注入によって逃走電子の運動量分布を直接操作する方法も研究されている。逃走電子は高調波ドップラー共鳴を通じて静電波やウィスラー波と相互作用し、平行方向の拡散は静電波との、垂直方向の拡散はウィスラー波との共鳴に由来する。ビームの運動エネルギーがプラズマ波のエネルギーへ変換されるこの過程は、粒子シミュレーションで直接追うことができる。

図は、逃走電子ビームが励起しうる波の分散関係と成長率を、ビームエネルギーの異なる二つの条件について示したものである。静電波の分散曲線とその成長率、およびウィスラー波の分散曲線が波数に対して描かれており、ビームエネルギーが高い場合には成長率が低くなる一方、共鳴する波数帯がシフトする様子が読み取れる。共鳴条件がビームエネルギーに依存することは、緩和用の波注入の周波数選択を意味づける。

最後の防衛線として、ビームの進路上に固体微粒子を打ち込んで散乱・吸収させる方式も研究されている。高融点・高原子番号のタングステン微粒子は停止力とピッチ角散乱能力が大きく、1–10 MeV の逃走電子を効果的に減速・散乱して壁への熱負荷を広域化できる。衝突で生じる二次電子やガンマ線による逃走電子の再種込みは懸念されるが、シミュレーションでは深刻な問題にならないとされる。

JET では、相対論的電子のシンクロトロン放射の可視・赤外画像から、ビーム内部の電流密度分布や磁島の有無を推定する手法が発展している。放射強度がビーム縁で高く中心で低い中空プロファイルや、一定のポイダルモード数を持つ島状の構造が観測され、これらは中空の電流分布と磁島の存在の証拠と解釈されている。

図は、JET の三つの放電で、逃走電子電流の崩壊直前（それぞれ 1 ms、0.4 ms、0.36 ms 前）に撮影されたシンクロトロン放射画像である。いずれも放射強度の二重の島状パターンが縦に連なる様子が見え、これらの構造の時間発展がミルノフコイル信号や電流分布の測定と対照され、磁島と逃走電子損失の関係の解析に使われている。

応用：溶接、ジャイロトロン、粒子源

核融合装置の製造においても電子ビームは不可欠である。電子ビーム溶接は高エネルギー密度のビームを真空中で材料に集中させる深溶接法で、核融合炉真空容器のような厚板ステンレス構造の接合に用いられる。ビームを振動させながら走査することで溶接部の微細組織が変化し、品質制御の手段となる。CFETR の真空容器ポート部品を対象に、ビーム振動を含む溶接の数値モデリングが進められている。

高周波加熱源のジャイロトロンも電子ビーム装置である。磁場中でサイクロトロン運動する電子ビームから共鳴的にマイクロ波を取り出すもので、二つの電子ビームを同時に用いる同軸ジャイロトロンなど、出力と周波数の拡張が研究されている。さらに、電子ビームイオン源（EBIS）は強い電子ビームで高電荷状態のイオンを生成する装置であり、レーザー生成プラズマを単一電荷イオン源として外部注入に用いるための標的照射・診断チャンバの設計など、レーザー技術との接続も進んでいる。このように電子ビームは、プラズマ中の現象としての側面と、工学的なビーム源としての側面の両方で核融合研究を支えている。