磁化プラズマ

磁化プラズマとは、荷電粒子の運動が磁場の影響を強く受けるようになったプラズマのことである。プラズマは荷電粒子の集まりであるから、外部磁場や自己磁場があると粒子は磁力線の周りをらせん状に回るサイクロトロン運動を行う。磁場が十分に強く、衝突やその他の効果が粒子の回転を乱さないほど十分に長い場合、プラズマは磁力線に沿っては自由に動けるが、磁力線を横切ってはほとんど動けないという強い異方性を示す。この性質こそが磁化プラズマの本質であり、核融合の磁場閉じ込め、宇宙空間のプラズマ、レーザープラズマや各種実験装置における波動伝搬や輸送のすべてを左右する。

図は磁化プラズマを扱う線形実験装置の全体構成を示したものである。左端の源で生成されたプラズマが磁場に沿って細長い柱状に伸びており、軸に沿って複数のポートから計測や加熱が行われる。このように一様な磁場中に置かれた円柱状プラズマは、磁化プラズマの基礎的な振る舞いを調べる標準的な舞台となっている。

定義と磁化の判定基準

プラズマが「磁化されている」とは、具体的には何を以て判定するのか。最も基本的な目安は、粒子のサイクロトロン運動の周期が、粒子間衝突の平均時間よりも短いことである。衝突の間に粒子が磁力線の周りを少なくとも一周できるなら、その粒子は磁場に「束縛」されていると言える。さらに、サイクロトロン半径（ラーマー半径）が系の特徴的長さスケールよりも十分に小さいことも必要である。ラーマー半径は粒子の熱速度をサイクロトロン周波数で割った量で、電子はイオンに比べて質量が小さい分だけはるかに小さくなる。したがって同じ磁場の中でも電子とイオンの磁化の程度は異なり、電子のみが磁化されイオンは磁化されていない「部分的に磁化されたプラズマ」という中間状態も存在し、実際の実験や宇宙空間で重要な役割を果たす。

磁化の程度を表す無次元パラメータとして、ラーマー半径を系のスケールで割った量や、サイクロトロン周波数と衝突周波数の比が用いられる。強く磁化された領域では、磁場の強さは数百ガウスから数テスラに及ぶ。例えば帯電微粒子を含むダスティプラズマの実験では、微粒子の電荷対質量比が極めて小さいため、磁場の効果を直接観測するには数テスラという高磁場が必要になる。このように磁化の判定基準は粒子種ごとに、また現象ごとに個別に確認する必要があり、「プラズマが磁化されているか」という問いには「どの粒子の、どの運動に対してか」と問い返すのが正しい。

荷電粒子の運動：ラーマー回転とドリフト

磁化プラズマの理解は、単一荷電粒子の運動論から始まる。一様な磁場中では、粒子は磁場に平行な方向へは等速直線運動をし、それに垂直な方向へは磁場がローレンツ力として働くため円運動をする。両者の合成は磁力線を軸とするらせん運動であり、この円運動がラーマー回転である。回転の周波数は粒子の電荷対質量比と磁場の強さで決まり、質量の大きいイオンは電子よりはるかに低い周波数でゆっくり回る。