ウェークフィールド加速

ウェークフィールド加速（wakefield acceleration）とは、荷電粒子ビームや強力なレーザーパルスをプラズマ中に通過させ、その後方に生じるプラズマ波（ウェーク、後流波）の巨大な電場を利用して粒子を加速する手法である。従来の高周波加速器が金属空洞内の電磁場を用いるのに対し、プラズマは破壊限界を持たないため、加速勾配として従来比で1〜3桁高い、毎メートル数十GeVに達する電場を実現できる。この原理は1979年にタジマ（Tajima）とドーソン（Dawson）によって提唱され、以後「テーブルトップ加速器」の構想として、また将来の線形加速器や自由電子レーザー、放射光光源への応用を目指して活発に研究されている。

図はビーム駆動型ウェークフィールド加速の模式図であり、前方の駆動ビームが作った軸上の縦電場（黒の実線）の位相に、後方の被加速ビーム（トレーリングビーム）を乗せて加速する様子を示している。駆動ビームの直後では電場が大きく変化しており、この領域に被加速粒子を正確に位相合わせすることが加速器設計の核心となる。

原理：加速構造としてのプラズマウェーク

プラズマ中を超高強度の駆動パルスが通過すると、軽い電子はその電磁場によって一斉に押し退けられるが、イオンは質量が大きいためその時間スケールでは動かずに留まる。パルス通過後、退けられた電子はイオンの静電的な復元力を受けてプラズマ周波数で振動し、これが電子プラズマ波として駆動体の後方に伝播する。この波の位相速度は駆動体の速度、すなわちほぼ光速に等しいため、相対論的な被加速粒子を長距離にわたって加速位相に保持できる点が本質的な利点である。