レーザー航跡場加速

レーザー航跡場加速（レーザーこうせきじょうかそく、laser wakefield acceleration、LWFA）は、強力な短パルスレーザーをプラズマ中に集光して発生させるプラズマ波（ウェーク）の縦電場を用いて荷電粒子、とくに電子を加速する手法である。従来の高周波加速器が約100 MV/m程度の勾配に留まるのに対し、プラズマ中では波打際の巨大な電子密度揺らぎが100 GV/mを超える加速勾配を生み得るため、数センチメートルの距離でギガ電子ボルト級の電子ビームを得ることができる。この「加速器をテーブルトップに縮める」可能性を示したのが本手法であり、1979年にタジマ（Tajima）とドーソン（Dawson）が理論を提唱して以来、実験技術の進展とともにプラズマ加速器研究の中心的概念となった。図に示すのは、ガスセル標的内でレーザーパルスが駆動するウェークの様子を粒子シミュレーションで描いたものである。

原理と物理像

基本となるのは、レーザーの求引力（ポンデラモチーブ力）がプラズマ電子を押し分け、その背後にイオンを背景とした電子密度の疎密波を残すという描像である。レーザーパルスの長さがプラズマ波の波長と同程度（数十マイクロメートル、密度10¹⁸ cm⁻³程度で）であるとき、電子は効率よくウェークを駆動できる。ウェークの後方に位相速度（レーザーの群速度にほぼ等しい）で追従する電子を乗せれば、ウェークの縦電場によって一括して加速される。これがタジマとドーソンの提案した「航跡場加速」の骨子である。

強度がさらに上がると、レーザーは相対論的領域（正規化ベクトルポテンシャル a₀ ≳ 1）に達し、電子はレーザー光圧で軸から一掃されて空洞（バブル）を形成する。この「バブルレジーム」では、空洞の内壁に沿って電子が流れ込み、その先端から注入された電子が空洞内部のほぼ線形な縦電場に乗って加速される。バブルはレーザーの自己集束とともに安定に伝搬し、準単色（エネルギー幅の狭い）ビームが自然に得られることが知られている。

ただし加速は無限に続かない。電子はレーザーよりわずかに速く進むため、やがてウェークの加速位相から脱して減速位相に移る（デフェージング、位相ずれ）。またレーザー自身はエネルギーをウェークに注ぎ込みながら減衰する（ポンプ枯渇）。この二つの長さが加速距離の上限を定め、到達エネルギーのスケーリングを決める。ペタワット級の長いパルスでは、ウェーク加速以外に逆向きレーザーとの確率的加速や相対論的ミラー効果なども現れ得るため、レジームの見極めが解析的にも数値的にも重要となる。

レーザー導波とプラズマチャネル

レーザーを集光したまま長距離にわたって伝搬させるには、回折によるスポットの広がりを抑える必要がある。そのための導波路として、毛細管放電によって作られるプラズマチャネルが広く用いられる。チャネルは軸上密度が低く周辺ほど高い分布を持ち、光ファイバーと同様にレーザーをガイドする。センチメートル級の毛細管チャネルを用いた実験では2006年にギガ電子ボルト級の電子ビームが初めて実証され、その後、放電チャネル導波路とペタワットレーザーの組み合わせにより7.8 GeVのピークエネルギーを持つ準単色ビームが報告されるに至った。

さらに長い加速距離を得るには、メートルスケールのプラズマ導波路が必要となる。放電を用いない磁場制御プラズマや、レーザー自らが掘るチャネルの利用なども提案されており、複数ギガ電子ボルト級の加速を視野に入れた導波路技術の開発が進んでいる。導波路の品質（密度揺らぎや軸ずれ）はそのままビーム品質に反映されるため、チャネル形成の制御は加速器設計の要となっている。

電子注入法

ウェークに電子をどのように乗せるか（注入）は、ビーム品質を決める最も重要な要素である。最も単純なのは自己注入で、ウェークの振幅が大きくなって波打際が崩壊すると、周囲のプラズマ電子がトラップされる。制御性は低いが装置が単一のガスジェットで済むため広く用いられてきた。

密度を下り勾配にした領域を標的に設けると、プラズマ波の局所的なプラズマ周波数が下がって位相速度が低下し、電子がトラップされやすくなる（密度下り勾配注入）。注入位置を空間的に局在化できるためエネルギー幅を小さくでき、数値的・実験的に広く検証されている。コリジングパルス注入は、別の短パルスを用いてウェーク位相中の電子を加速してトラップする手法で、注入時刻を光学的に制御できる点が特徴である。

イオン化注入は、低Zガス（水素・ヘリウム）に高Zガス（窒素など）を少量混ぜ、レーザー強度がK殻電子のイオン化閾値を超える領域でのみ電子が生じることを利用する。パルス頂部付近で生じたK殻電子はウェークに対して後方に滑りながらトラップされ、注入初期位相が精密に制御できる。実験で実装しやすく、低密度・低強度でも注入が起こる一方、注入が継続しすぎるとエネルギー幅が大きくなる。これを抑えるため、レーザーを非整合条件（プラズマ波数とスポットサイズの積が閾値を外れる条件）に置き、相対論的自己集束の進行に伴って自動的に注入が打ち切られる「自己打ち切りイオン化注入」が提案され、窒素ドープ水素の短い注入部と純水素の加速部からなる二段構成のガスセルと組み合わせて、注入長と加速長を独立に制御する設計が数値的に示されている。図は、この二段構成において注入部の窒素濃度を変えたときのウェーク構造と縦電場の変化を示したものである。

ビーム品質とビームローディング

実用加速器としての要件は、高電荷・小エネルギー幅・小エミッタンス・低発散の同時達成である。ここで本質となるのがビームローディング、すなわち加速される電子ビーム自身がウェークの電場を平坦化する効果である。ビームがウェークを一様に「満たす」ように縦方向のビーム形状を整えれば、ビーム内の各電子が受ける加速勾配のばらつきが消え、エネルギー幅を大幅に縮められる。光学的注入法では、注入パルスの集光スポットを絞って軸外からの電子注入を抑えることで、縦方向ビーム形状を下り勾配型からフラットトップ型へと変えられ、その結果として0.1%級の極小エネルギー幅と大きな電荷を両立したビームが数値的に示されている。また、注入部の窒素濃度やレーザー集光位置を変えることで、電荷・ピークエネルギー・エミッタンス・発散を独立に制御できることがパラメトリックなシミュレーション研究で確認されている。

一方、外部から既存の線形加速器で作った高品質ビームをプラズマに注入する方式では、空間電荷効果やコヒーレント放射の影響を考慮した上で、2 GeVおよび6 GeVの電子バンチでエネルギー幅0.3%および0.5%、電荷10 pCという高品質が数値的に示されており、プラズマ加速器を光源の注入器として使う道が開かれつつある。

応用と展望

最も直接的な応用は、コンパクトな自由電子レーザーやシンクロトロン光源への展開である。密度遷移を用いた注入で得られる高輝度ビームは短波長自由電子レーザーの駆動源として有望視されており、前節に述べた注入器設計はその具体化の一歩である。また、加速中の電子はチャネル内でベータトロン振動を行い、その際にX線を放出する。このベータトロン放射はフェムト秒級のパルス幅を持つ可視光からX線域のプローブとして有用で、自己変調レジームでの発生を大規模レーザー施設での新規計測手段に応用する構想も提案されている。さらに、Kr–He混合プラズマを用いた電子加速とその陽電子ビーム生成への応用や、レーザー航跡場加速からプラズマ航跡場加速（ビーム駆動）への移行によるギガ電子ボルト級加速の実証など、段階的なエネルギー拡大の道筋も示されている。既存加速器を置き換えるにはビーム品質・安定性・繰り返し率のさらなる向上が不可欠であり、レーザーコントラストや密度分布の精密制御、導波路技術の確立が今後の鍵となる。