プラズマ加速器

プラズマ加速器とは、固体加速器の金属空洞ではなく電離した気体(プラズマ)そのものを加速媒体とする装置の総称である。プラズマは完全電離しているため真空絶縁破壊の制約を受けず、従来の高周波加速空洞の限界を大きく超える電場を保持できる。相対論的なプラズマ波が持つ電場の大きさは理論上およそ10^8 V/cm、すなわち1 TV/mのオーダーに達し、これは従来加速器の数10 MeV/mという勾配の数千倍に相当する。この巨大勾配を利用して、レーザー光や高エネルギー粒子ビームを「くさび」としてプラズマ中に波を駆動し、その波に乗せて電子やイオンを加速する。今日では、次世代高エネルギー加速器の候補としてのレーザー駆動・ビーム駆動のウェークフィールド加速器から、核融合研究における過渡熱負荷試験装置としてのパルス電極式プラズマ加速器まで、目的も原理も異なる一連の装置群を指す言葉となっている。

プラズマ加速の概念とウェークフィールド物理

プラズマ加速器の物理的な核は、プラズマ中の電子がイオンに対して示す巨大な集団応答にある。強度の変調を受けたレーザー光、あるいは密集した電荷の塊がプラズマを通過すると、その圧力(ポンデラモチーブ力)や空間電荷力によって電子が押しのけられ、はるかに重いイオンはほぼ動かずに残る。変位された電子はイオンの正電荷に引かれて戻ろうとし、その結果、電子密度の疎密波、すなわちプラズマ波(ラングミュア波)が後方に「航跡(ウェーク)」として立ち上がる。この波の電位は電子とイオンを分離した分だけ大きく、その縦電場が加速場として働く。

この方式の決定的な利点は位相速度にある。駆動源が光速に近いレーザーパルスや相対論的ビームであれば、生成されるプラズマ波の位相速度もほぼ光速となり、加速される粒子を長い距離にわたって「波の坂」に乗せ続けることができる。加速に使える電場の上限は波の振幅が壊れる(波面が崩れる)限界で決まり、そのスケールはプラズマ密度で設定される。密度を下げれば最大電場は下がる代わりに、許容ビーム電荷量や適合する駆動レーザーの強度などが変わるため、目的に応じた密度の選定が設計の第一歩となる。

一方で、この方式には固有の難しさがある。第一に、加速される粒子が波に対して前へ進みすぎて位相を外れる「デフェージング」があり、これが単一ステージでの加速距離とエネルギー上限を制限する。第二に、プラズマの電場は横方向にも焦点作用を持つが、その強さは縦方向の位置に依存するため、ビーム品質(エミッタンス、エネルギー幅)の制御が難しい。これらの課題に対して、プラズマ密度を空間的にテーパして加速位相を固定する工夫、ビーム自身が引き起こす電場変化(ビームローディング)を利用してエネルギー幅を平準化する工夫、密度を絞ったプラズマチャンネルや波動ガイドでレーザーを長距離伝搬させる工夫などが発展してきた。また、プラズマは加速だけでなくビームを極めて強く集束するレンズとしても機能し、従来の磁石レンズでは到達できないエネルギー密度での集束が可能である。

レーザー駆動プラズマ加速器(LWFA)

レーザー駆動型は、短パルス高強度レーザーをガスジェットやキャピラリー(細管)に集光してプラズマ波を直接駆動する方式である。1990年代の実験で、ミリメートル規模のガスターゲット内で自発的に捕獲された電子が最大で100 GeV/m級の勾配で加速されることが示され、プラズマ加速が「卓上加速器」たり得ることが実証された。その後、加速電荷量の増大(数ナノクーロン級)、正規化エミッタンスの改善(mm・mrad級)、そして高パワーレーザーによる新しい物理領域へのアクセスが進んだ。