レーザー生成プラズマ

レーザー生成プラズマとは、高出力レーザー光を固体・気体・液体の標的に集束させることで生成されるプラズマである。パルスレーザーのエネルギーは数ナノ秒からフェムト秒という極短時間に微小領域へ注入されるため、標的表面は瞬時に電離し、電子温度が数百電子ボルトからキロ電子ボルト級に達する高温高密度状態が実現する。1960年代のレーザー発明直後にその発光が観測されて以来、レーザー生成プラズマはレーザー核融合の研究対象であると同時に、X線や極端紫外線(EUV)の光源、宇宙物理の模型実験の場として、プラズマ物理学の中でも応用範囲の広い分野に成長した。

生成と加熱の機構

レーザー生成プラズマの形成は、標的表面での吸収から始まる。集束されたレーザー光はまず標的を加熱・融解・蒸発させ、生じた蒸気をさらに電離して初期プラズマを作る。いったんプラズマが形成されると、その後のレーザーエネルギーの吸収は主に逆制動放射(自由電子がイオンのクーロン場中で光子を吸収する過程)によって行われる。吸収効率は密度と温度に依存し、短波長レーザーほど高密度域まで光が侵入して効率よく加熱できる。

吸収されたエネルギーは電子に渡り、電子の熱伝導によってレーザー光が直接届かない高密度領域(いわゆる過剰密度領域)へも運ばれ、そこで標的物質をさらに蒸発・電離させる。この一連の過程を「アブレーション」と呼び、アブレーション圧力は数十メガバール(数千万気圧)に達しうる。レーザー核融合ではこの圧力を利用して燃料カプセルを内側へ爆縮する。

高強度域では吸収機構が様変わりする。光の電場が電子の熱運動に比べて無視できなくなると、共鳴吸収や真空加熱など電場が直接電子を引きずり出す機構が支配的となり、数メガ電子ボルト級の高速電子が発生する。こうした高速電子は高速点火の概念(後述)の鍵となる一方、非局所的な熱輸送を通じて爆縮の安定性にも影響する。実際、アブレーション面におけるレイリー・テイラー不安定の成長が電子の非局所熱輸送によって部分的に抑制されることが、理論と多次元シミュレーションの両面から示されている。

プルームの膨張動力学

生成されたプラズマは、周囲が真空であればほぼ一方向に加速されて膨張する。膨張の駆動力はプラズマ自身の熱圧力であり、その自己相似な膨張は断熱指数(比熱比)に敏感である。電離度が高いプラズマでは自由度が多く断熱指数が小さくなるため、膨張するプルームの温度低下と放射の時間変化が単純な理想気体の描像とは異なってくる。プルーム内部では密度・温度の勾配に沿って電子とイオンが空間的に分離し、その結果生じる静電場がイオンを電子とともに加速する。この機構により、イオンは熱運動をはるかに超える速度まで加速され、高速のプラズマジェットが形成される。

膨張するプルームは必ずしも一様ではない。レーザー光の強度分布の不均一や、プラズマ中での光の屈折・細線化(フィラメンテーション)不安定によって、密度に短い波長の揺らぎが生じる。こうした短スケール長の密度変動は、レーザー光の散乱やパラメトリック不安定の発生に直接関わるため、精密な計測と理論の両面から研究されてきた。また、プルーム中ではイオン音波の強振幅の二重層が形成されてイオンを衝撃的に加速しうること、電子の二流体不安定(二つの電子ビームの相互作用)から磁気再接続に由来すると解釈される高速電子ジェットが生じうることも報告されており、レーザー生成プラズマは微小なスケールで多様な非平衡・非線形現象を再現できる場となっている。

放射と診断

高温高密度のレーザー生成プラズマは強力な放射源である。放射は主に三つの機構で生じる。高速電子がイオン場で減速される際の制動放射(連続スペクトル)、束縛状態間の遷移による特性X線(線スペクトル)、そしてイオンへの電子の再結合に伴う放射である。電離度が高いアルミニウムなどの標的では、水素様・ヘリウム様イオンの特性線が鋭く輝き、これらの線の強度比や広がりから電子温度・電子密度・電離度分布を推定できる。多元素標的ではイオンと中性原子の生成・消滅の時間発展が元素ごとに異なることも分かっており、空気中で生成したプラズマの温度依存の化学種分布や平衡条件の評価も行われている。

時間・空間分解診断の進歩がこの分野の発展を支えてきた。ピコ秒級のゲート動作を持つX線フレーミングカメラは、プルームや爆縮コアの時間分解像を得る標準的手段となった。また、メガジュール級レーザー実験のために、絶対校正された広帯域・時間分解軟X線分光器が開発され、放射の全収支を測定できるようになった。可視・紫外域ではレーザー誘起蛍光法による炭素プラズマの原子・イオン分布のマッピングや、トムソン散乱による電子・イオン温度の直接計測が用いられる。ブラッグ散乱(誘導ブリルアン散乱)の前方散乱観測のように、レーザー光とプラズマ波の相互作用そのものを診断対象とする研究も盛んである。

周囲気体と磁場の効果

真空中とは異なり、周囲に気体があるとプルームの膨張は大きく変化する。プルームが周囲気体を押し縮めて衝撃波を形成し、気体側の衝撃波とプルーム側の接触面からなる「プラズマ・アンビル」構造ができて、プルームの膨張が制限される。気体圧力が高いほどプルームは短く太くなり、放射の再吸収によって冷却も促進される。このため分光分析への応用では、周囲条件がプラズマの温度・電離度・発光強度を左右する重要な制御パラメータとなる。中性子照射を受けた標的では材料の格子欠陥がアブレーション特性を変え、生成プラズマの性質にも影響しうることが示されている。

外部磁場の効果も顕著である。強い横向き磁場中では、プルームの膨張が磁場に垂直な方向で抑えられ、ジェットがコリメートされる。同時に、膨張する導電性プラズマと磁場の相互作用によってレイリー・テイラー型あるいはカインド・ヘルムホルツ型の不安定が誘起され、ジェット表面に変形が生じる。この種の実験は、磁場中を進む天体ジェットの安定性を地上で調べる手段としても利用されている。さらに、キネティック・アルフヴェン波の非線形発展とそれに伴う乱流スペクトルをレーザー生成プラズマで再現し、宇宙空間の現象を模型実験として検証する試みも進んでいる。

応用:核融合、光源、宇宙物理

レーザー生成プラズマ最大の応用は慣性核融合である。ミリメートル級の燃料カプセルをレーザーで一様に爆縮し、中心に高密度の高温コアを形成して熱核融合反応を起こす。このためには爆縮の球対称性と流体不安定の抑制が決定的に重要であり、非局所熱輸送や放射流体の統合シミュレーションによる設計、分光診断との突き合わせによる検証が進められてきた。また、爆縮とは別のアプローチとして、爆縮で作った高密度コアに超短パルス・超高強度レーザーが加速した高速電子を打ち込んで局所的に点火する「高速点火」の概念が研究されており、点火条件の明確化が数値シミュレーションによって進められている。

放射源としての応用も広い。レーザー生成プラズマはナノ秒以下の時間で強いX線を放つため、ナノ秒時間分解のX線回折やX線吸収微細構造(EXAFS)測定のプローブ光源として利用されてきた。レーザー生成プラズマを利得媒質とするX線レーザーの研究も1980年代から続けられている。産業的には、リソグラフィ用の13.5ナノメートル帯EUV光源として、レーザー生成スズプラズマが量産装置に実装されており、この分野でレーザー生成プラズマは現在最も経済的価値の大きい応用となっている。高平均出力・高輝度の軟X線源として分光分析に用いる試みも進んでいる。

さらに、レーザー生成プラズマは「実験室天体物理学」の場を提供する。レーザーが作り出す巨大なエネルギー密度は、超新星爆発やその残骸の衝撃波、天体ジェットなどとスケール変換された類似の無次元パラメータを持つ流れを実現できる。例えば、超新星1987Aで観測された放出物質とリングの衝突を模した実験が数値計算と比較しながら設計されており、天体観測では検証できない物理過程を地上で調べる道が開かれている。このようにレーザー生成プラズマは、生成方法の単純さと到達条件の極端さの両方を兼ね備え、基礎研究から産業・エネルギー開発までを結ぶ分野として発展を続けている。