陽子加速

レーザー陽子加速、あるいはレーザー駆動陽子加速とは、ペタワット級の超高強度レーザーを固体薄膜などの標的に照射することで、陽子を数MeVから数十MeVのエネルギーまで加速する現象である。レーザーの運動量を直接陽子に与えるのではなく、レーザーが標的中の電子を相対論的速度まで加速し、その電子が作る巨大な静電場を介して間接的にイオンを加速する点が本質である。加速時間がピコ秒からフェムト秒という極短時間であり、かつ発散の大きい広いエネルギー分布を持つパルス状のビームが得られるため、従来の加速器とは全く異なる性格の陽子源として、レーザー核融合の高速点火、物質の放射線撮影、プラズマ中の電磁場のピコ秒時間分解プローブ、さらにはがん治療への応用が研究されてきた。

概観とTNSA機構

最も広く研究され、最も頑健な加速機構は標的法線シース加速(target normal sheath acceleration, TNSA)である。強レーザーを薄膜標的の表面に照射すると、レーザーの有質力(ponderomotive force)が焦点部の電子を前方へと加速する。相対論的エネルギーを持った電子は薄膜を透過して裏面に到達し、標的を出る際に電子とイオンの電荷分離によって、マイクロメートル程度の薄いシース領域内に TV/m オーダーの電場を張る。この電場が裏面の原子を電離して加速するが、電荷質量比が最も大きい陽子が最も効率よく加速される。実際の標的表面には水素系の汚染層が必ず存在するため、意図せず陽子が最も加速されやすいという事情がある。加速方向は標的表面法線に沿っており、これが機構の名前の由来である。TNSAによる最大陽子エネルギーは 85 MeV を超える報告がある。

レーザー駆動陽子加速の典型的な実験構成を示す。二つのレーザービームと二つの標的を用い、第一段階のレーザー(B1)が標的1(T1)を照射して裏面からTNSA陽子を発生させ、その陽子を第二の標的(T2)の加熱とプラズマ形成に使う構成が描かれている。

図に示されるように、TNSA陽子は標的の裏面側に置いたスタック型検出器(ラジオクロミックフィルム)でエネルギー・空間分布を測定され、同時に前面側からも陽子が放出される。この二方向からの陽子放出はTNSAの普遍的な特徴であり、レーザーが標的を貫通して電子を加熱する様子をそのまま反映している。

TNSAで得られる陽子スペクトルは、最大エネルギー(カットオフ)まで単調に減少する指数関数的な分布を示すのが普通である。カットオフエネルギーは、シース電場の強さとそれが維持される時間の積で決まる。電子は標的内部で反射を繰り返して(リフラックス)シースに繰り返し供給されるため、加速はレーザーパルス幅より長く続く。このため、電子の加熱量と閉じ込めをどう制御するかが、レーザー・標的パラメータ最適化の中心課題となる。

TNSAを超える加速方式

TNSAは頑健だが、エネルギー変換効率と最大エネルギーの点で限界があるため、複数の代替・併用機構が研究されている。

一つは放射圧加速(radiation pressure acceleration, RPA)である。超短パルスを極薄標的に照射すると、レーザーの放射圧が標的全体を一括して押す。全標的質量が加速されるため、加速されるイオンのエネルギー幅が狭く(準単色)、エネルギーのスケーリングもTNSAより有利と理論的には期待される。ただし極薄標的はレーザー照射中に膨張して透明化しやすく、純粋なRPAを実験的に実現することは難しい。

標的が相対論的に透明になると様相が変わる。超薄膜はレーザー照射中に膨張し、電子密度の低下と電子の相対論的質量増加の組み合わせでレーザー光に対して透明になる。するとレーザー光が膨張したプラズマ内部で追加の電子加熱を行い、TNSA場を強化する。この機構はブレイクアウト・アフターバーナーと呼ばれ、TNSAとRPAが混在したハイブリッド加速として、ほぼ100 MeVの陽子エネルギーが達成されている。透明化したプラズマ中でのレーザーの自己収束も電子加熱を増強し、最大エネルギーとビームの空間分布の両方に影響する。

第三に、衝突論的衝撃波による加速がある。レーザーが標的内に高密度プラズマ衝撃波を駆動すると、衝撃波面を横切る電場がイオンを反射・加速する。フェムト秒レーザーを低い強度コントラストで照射した実験では、マイクロメートル厚の標的からエネルギースペクトルに幅広いプラトー構造が現れることが報告されており、これは衝撃波加速とTNSAの重畳で説明されている。プラトー状のスペクトルは加速機構の診断手段としても使える。

さらに、これらを意図的に組み合わせる試みも進んでいる。複数レーザーパルスを用いたスペクトル制御、放射圧とバブル(レーザーが希薄プラズマ中に掘る空洞)加速の組み合わせ、ナノ秒レーザーで標的の表裏の密度分布を別々に整形してTNSAとRPAの寄与を調整する手法などが、二次元粒子シミュレーションによって検討されている。密度勾配を適度に緩めた標的では、自己生成した方位角磁場が大きくなってビームの発散角が小さくなる一方、シース場は弱まるというトレードオフがあり、密度分布の設計によってスペクトル形状・エネルギー・発散角をある程度選べることが示されている。

標的・レーザーパラメータへの依存性

陽子加速の成否は、レーザーと標的の細かな状態に敏感である。中でも重要なのが、標的表面のプラズマ密度スケール長(密度が減少する距離)である。

標的裏面の密度勾配の影響は特に顕著である。裏面があらかじめ膨張してなだらかな密度分布を持つと、シース電場はスケール長に応じて弱まる。スケール長 100 µm の長い膨張では最大陽子エネルギーが4分の1以下に落ちることが示されており、300 nm という短いスケール長でも最大エネルギーが半減するという報告がある。一方で、低中エネルギー成分の陽子数はスケール長 10 µm 以下ではほとんど影響を受けない。裏面の膨張を制御するには、別のレーザーパルスや、TNSA陽子そのものを加熱源として使う方法が用いられる。裏面に短いスケール長の密度勾配を持つ標的でのシース電場の時間発展を示したシミュレーション結果を示す。

図は、裏面を加熱して膨張させた場合と冷たい標的の場合のシース電場の空間分布と、最高エネルギー陽子が経験する電場の時間履歴を比較したものである。膨張の程度(スケール長)が大きいほど電場のピークが下がり、その積分として得られる最終陽子エネルギーが大きく低下する様子が読み取れる。これは、最大エネルギーだけでなくレーザーからイオンへのエネルギー変換効率全体が表面の鋭さに支配されていることを意味し、高速点火や放射性同位体生成のような効率重視の応用で特に重要となる。

前面側の膨張も無関係ではない。数百マイクロメートルに及ぶ長いスケール長のプラズマ中ではレーザーがフィラメント化して低密度領域にエネルギーを浪費するが、数十マイクロメートル程度の適度な膨張ではレーザーが自己収束・チャネリングして電子加熱がむしろ増強される。つまり前面の状態には最適値が存在する。

レーザーのコントラスト(主パルスに先行するプレパルスの強度比)も本質的なパラメータである。プレパルスは標的表面を事前にプラズマ化するため、低コントラストのレーザーではハイブリッド的な加速が起こりやすくなる。一方、高コントラスト化と第二高調波混合によるレーザー系の改良で、より薄い標的を使えるようになり効率が向上することも示されている。標的の材質選びも効果的である。透明な誘電体薄膜に薄い高Z金属コーティングを施すと、その配置が決定的な差を生む。レーザー入射側(前面)に金属があると強度依存の透明化と相まって陽子のエネルギーと流量が増大するが、裏面にあると加速は著しく阻害される。また、マイクロチューブ状のプラズマレンズ標的、ミクロンサイズの水素クラスターターゲット、マイクロ構造を施した固体・気体複合標的(偏極陽子加速の強化を目的とする)など、標的形状による制御も活発に研究されている。磁場を印加した過密度プラズマでは、電子加熱の遷移が陽子加速に影響することが指摘されている。

この分野の再現性の問題も認識されている。薄箔標的を用いた実験では、同一条件下でもビーム間の変動の原因を特定することが課題であり、一次元・二次元・三次元の粒子シミュレーションの次元性によって加速ダイナミクスがどう変わるかの系統的検討も行われている。

ビームの性質と応用

レーザー駆動陽子ビームの特徴は、(1)ピコ秒以下の極短パルス、(2)小さい光源サイズ、(3)広いエネルギー分布と大きな発散角、(4)高いピーク輝度、にまとめられる。加速が標的表面全体からほぼ同時に起こるため、時間的・空間的に極めて短いパルスとなる。一方でエネルギー選択はビームライン側の課題であり、応用に応じてスペクトル制御が求められる。

応用で最も成熟しているのはプローブ利用である。陽子は物質中でわずかな密度差でもエネルギー損失が変わるため、マイクロメートル分解能の密度撮影(ラジオグラフィ)が可能である。また、陽子が通過する際のエネルギー損失は経路上の電場・磁場に敏感であるため、TNSA陽子をピコ秒時間分解の電磁場プローブとして使い、例えば他の標的のシース電場の空間的発展を直接撮影することが行われている。冒頭の図のような二標的構成は、まさにこの目的で第一標的のTNSA陽子を第二標的のシース場の診断に転用するものである。

短パルス・高密度のエネルギー堆積を利用して物質を等容加熱する実験、高エネルギー密度物理の研究、がん治療を念頭に置いた陽子線源の探索、レーザー核融合の陽子高速点火の検討なども進められている。治療には数百MeVの単色ビームが必要であり、現状の数十MeVとはまだ大きな隔たりがあるが、加速機構の制御と標的・レーザー技術の改良によって、エネルギー・スペクトル・発散角・繰り返し率を応用に合わせて調整する方向へ研究が進んでいる。高繰り返し率で動作する水膜標的の実装など、応用を見据えた標的技術の開発も含まれている。