Zピンチ

Zピンチ（Z-pinch）とは、円筒状のプラズマの軸方向（Z方向）に大電流を流し、その電流が作る自己磁場のローレンツ力でプラズマを軸方向に圧縮・加熱する現象、およびそれを利用したプラズマ生成法である。制御核融合研究の初期から知られる最も単純な磁気閉じ込めの一形態であり、今日では強力なX線源や中性子源として、また磁気ライナー慣性核融合の駆動手段として盛んに研究されている。電流はプラズマを貫く電極間で軸方向に流れ、周囲に方位角方向の磁場を作る。この磁場と電流の積（J×B）が半径内向きの力となり、プラズマ自身を絞り込む。図に示すように、この原理は多様な装置構成で実現されており、図は各種パルスパワー発電機におけるガスジェット・ガスパフ負荷のノズルと電極配置を模式的に示したもので、陽極・陰極の配置や負荷形状が装置ごとにどう異なるかが見て取れる。

基本原理と平衡

軸対称な円筒プラズマでは、電流が作る方位角磁場による圧縮力（ピンチ力）と、プラズマの圧力勾配および磁場圧力が釣り合った平衡状態が存在しうる。この平衡の代表的な形がベネット平衡と呼ばれるもので、密度が半径方向にベネット分布をとるとき、電流の二乗と線密度（単位長さあたりの粒子数）と温度の間に単純な関係が成り立つ。すなわち、一定の電流で閉じ込められるためには、線密度と温度の積が電流の二乗に比例して大きくなければならない。この関係は、Zピンチが「電流を増やせばより多くの質量をより高い温度に閉じ込められる」スケーリングを持つことを示す基本式である。

ただし、静的な平衡はZピンチの話の半分に過ぎない。実際の実験では、パルスパワー発電機から数百万アンペア級の電流を数十〜数百ナノ秒ないし数マイクロ秒の立ち上がり時間で流し、プラズマをまず急速に内側へ加速し、軸上で急停止（スタグネーション）させて高温高密度状態を作る。このインピロージョン動力学の解析には、円筒状の圧縮シェルを仮定した「スノープロー（雪掻き）」モデルが古くから用いられてきた。運動量保存に基づく古典的なスノープロー方程式に加え、エネルギー保存に基づくスノープロー方程式が導かれており、後者はピンチ後期の収縮挙動をより良く記述する。エネルギー保存に基づく解析によれば、初期のインピロージョン速度が大きいほどプラズマはより小さな半径まで収縮でき、また前電流（プレカレント）を重ねて初期条件を整えることで圧縮を強化できる。この種の0次元モデルは、電流・電圧波形から負荷の初期密度分布を推定する手法としても実用されている。

インピロージョン動力学と負荷構成

Zピンチの性能は、圧縮される物質をどう供給するか、すなわち負荷の構成に強く依存する。歴史的に主要な構成は次の通りである。まず、高速ガスバルブから円筒状にガスを噴射してそのまま電離・圧縮するガスパフ型。これは初期条件（密度分布、ガス種、二重シェル構造など）の自由度が大きく、重水素ガスパフは中性子源として、アルゴンやキセノンなどの高ZガスはX線源として用いられる。次に、多数の細い金属ワイヤを円筒状に並べたワイヤアレイ型。これはX線源として最も成功した構成で、各ワイヤがコロナプラズマとコアに分かれ、ワイヤから流出するプラズマ流（前駆体プラズマ）がアレイの質量を再配置しながらインピロージョンが進む。ワイヤのアブレーション速度はアレイ全体の集合磁場の大きさに依存して増加し、その方位角方向の変動がインピロージョンの非一様性を生む。さらに、アブレーションがワイヤに沿って一様でないため、圧縮シェルが取り残す「トレーリング質量」が生じ、これが電流の別経路となってスタグネーション時の圧縮力を弱める。アブレーション速度のワイヤ間隔依存性は、X線出力を最大化する最適ワイヤ本数が存在することの説明となる。このほか、真空アークで生成した金属に外側シェルを組み合わせたメタルプラズマパフ型なども研究されている。