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。