プラズマフォーカス

プラズマフォーカス（plasma focus、密集プラズマフォーカス、dense plasma focus）は、同軸電極間の大電流パルス放電を用いてプラズマを自磁場で圧縮し、高密度・高温のピンチ（緊縛）プラズマを瞬間的に形成するZピンチ系の装置である。数キロジュールから数メガジュール級のコンデンサバンクで駆動され、重水素ガス中での放電では核融合反応によるパルス中性子、さらに軟・硬X線や高速イオン・電子を短時間（数十ナノ秒程度）に強く放出するため、安価で構造の単純なパルス放射線源として、また高電流密度プラズマ物理の研究手段として広く研究されてきた。

図は小型のプラズマフォーカス装置全体の構成を示したものである。陰極とプラズマ室を兼ねる筒状電極、中心の陽極、両者を隔てる絶縁スリーブからなる放電ヘッドが、トリガ式スパークギャップを介してコンデンサバンクに接続されており、装置がいかに単純な部品の組み合わせで成り立つかが分かる。

放電の各相：ランダウンと半径方向インプロージョン

プラズマフォーカスの動作は、いくつかの相に分けて理解される。まずスイッチの閉鎖により電極間に大電流が流れると、絶縁スリーブに沿って形成されたプラズマシース（電流シース）が、自己磁場のJ×B力によって陽極に沿って軸方向に加速される。これがランダウン相であり、典型的な軸方向速度は毎秒10 cm前後（すなわち10⁵ m/sのオーダー）に達する。シースが陽極端に到達すると今度は半径方向に内側へ絞り込まれ、いわゆるラジアルインプロージョン相を経て、軸上に高密度のピンチ柱が形成される。この圧縮過程は、雪押し（スノープラウ）モデルとして知られる二次元解析モデルや、放射磁気流体シミュレーションによって解析されており、シースの薄さや圧縮速度が中性子収率に影響することが示されている。

圧縮の最終段階では、ピンチ柱は密度の高い細い柱となり、しばしばホットスポットと呼ばれる局所的な高密度・高温領域を複数形成する。またm=0型の不安定性による局所的なくびれが生じると、それが崩壊する際にさらに強い電場が誘起され、重陽子などの高速イオンが軸方向に加速される。ピンチ形成後のプラズマ柱の時間発展は、軟X線・真空紫外線ピンホールカメラによる多フレーム撮影など、時間分解イメージングで直接観測されており、数ナノ秒間隔で進行する半径方向圧縮の様子や最小ピンチ半径の決定が行われている。

図はピンチ圧縮の最終段階を4フレームの軟X線・真空紫外線像で捉えたものである。重水素に少量のアルゴンを混ぜた放電の例で、約13 ns前から約5 ns間隔で写された各フレームに、圧縮速度を決定した距離dや、第4フレームから求めた最小ピンチ半径が示されている。

核融合機構と粒子放出

重水素ガスを用いたプラズマフォーカスでは、D–D反応による2.45 MeV中性子が主要な生成物である。その生成機構としては、ピンチ内の熱プラズマによる熱核融合と、ピンチから加速された数十から数百keVの重陽子が周囲の冷たいガスや電極と衝突して反応を起こすビーム・ターゲット機構の二つが考えられており、実験的に得られる中性子スペクトルの異方性や非熱的成分の観測は、後者の寄与が支配的であることを示唆している。これはピンチ温度が典型的には1 keV未満にとどまる一方、誘起電圧によって生じる重陽子ビームのエネルギーがそれをはるかに上回るためである。中性子はパルス幅数十ナノ秒の短いバーストとして全方向に放出され、その収率は装置の蓄積エネルギーや放電電流に対して経験的なスケーリング則にほぼ従う。高速重陽子の一部は自己組織化した磁場構造の中で閉じ込められることも示唆されており、非熱的過程の理解は現在も続く研究課題である。

スケーリング、最適化とモデリング

中性子収率は蓄積エネルギーE₀や放電電流に対して増加するが、その挙動は単純ではない。大型装置での実験比較では、高エネルギー・大電流域で収率の飽和傾向が観測されており、これを電気力学的考察から予測する立場と、数値実験では飽和なしに増加が続くとする立場が対立してきた。数値モデリングでは、リー・モデル・コードと呼ばれる回路・プラズマ結合モデルが広く用いられ、数百ジュールから数メガジュールに及ぶ幅広い装置でD–D中性子収率の最適充填圧力や、収率のピンチ電流・蓄積エネルギーに対するスケーリング則が導かれている。例えば数メガジュール級の重水素プラズマフォーカスでは、10¹³発程度の中性子収率が3 MJの蓄積エネルギーで到達可能とする数値実験結果が報告されている。また陽極先端を円錐状にテーパ化するとピンチの開始半径が減って温度が上昇し、熱核融合成分が支配的になり得るという解析もあり、ビーム・ターゲット型から熱核融合型への機構転換を狙った装置改良が試みられている。さらに重水素にクリプトンやネオンなどの希ガスを少量混ぜると放射冷却によって圧縮が強まる可能性が指摘され、混入ガス種・濃度によって中性子収率が増減する複雑な挙動が、小型から大型まで多くの装置で報告されている。ただしその効果は装置の最適化状態に依存し、最適化された装置では増加が見られない場合もある。

パルス中性子源・X線源としての応用

プラズマフォーカスが実用上特に重要なのは、パルス中性子源としての利用である。加速器型の密封中性子管と同じD–DおよびD–T反応を用いながら、イオンが装置の幾何構造自身によって数keVから数百keVまで自己加速される点が異なり、構造が単純で経済的、かつ部品の多くが低コストで交換可能である。サブジュール級から数百ジュール級の小型・可搬型装置では10⁴から10⁶中性子/パルス程度、数キロジュール級のコンパクトな装置では10⁸中性子/パルス超のD–D中性子収率が報告されており、パルス幅は数十ナノ秒ときわめて短い。このような特性から、安全性検査や物質分析、ボーリング孔内調査用の中性子プローブ、生物・医学研究など、従来のPu–Beや²⁵²Cf線源に代わる可搬型パルス高速中性子源としての開発が進められている。中性子に加えて、軟・硬X線のパルス源としてリソグラフィやラジオグラフィ、材料照射への利用も行われており、放電ごとに放射線が強く出るという特性は、第一壁材料の核融合炉環境照射試験のような短パルス・高強度照射を要する用途に適している。