プラズマ加速

プラズマ加速は、電子プラズマ波やその他の高勾配プラズマ構造に関連する電界を使用して、電子やイオンなどの荷電粒子を加速する技術です。これらのプラズマ加速構造は、プラズマパラメータに一致する超短レーザーパルスまたは高エネルギー粒子ビームを使用して作成されます。この技術により、手頃な価格でコンパクトな粒子加速器を構築できます。

この技術が完全に開発されれば、高エネルギー物理学から医療や産業用途まで、さまざまな用途で従来の加速器の多くを置き換えることができます。医療用途には、診断や放射線治療用のベータトロン光源や自由電子光源、ハドロン治療用の陽子源などがあります。

プラズマ加速の基本概念とその可能性は、1979年にUCLAの田島俊樹とジョン・M・ドーソンによって最初に考案されました。 ^{[1] 「航跡場」加速器の最初の実験設計は、UCLAの}チャンドラシェカール・J・ジョシらによって考案されました。^[2]

テキサス大学オースティン校のテキサスペタワットレーザー施設は、約2cm（1.6×10 ²¹ g _n）で電子を2GeVまで加速しました。^{[3]この記録は、2014年に}ローレンスバークレー国立研究所のBELLAセンターの科学者によって最大4.25GeVの電子ビームが生成され、（2倍以上）破られました。 ^[4]

2014年後半、SLAC国立加速器研究所の研究者らは、先進加速器実験試験施設（FACET）を使用して、プラズマ加速技術の実現可能性の証明を発表しました。一般的な線形加速器の設計と比較して、400～500倍のエネルギー転送を達成できることが示されました。^{[5] [6]}

スーパープロトンシンクロトロンからの400 GeV陽子ビームを使用した原理実証プラズマ航跡場加速器実験が現在CERNで稼働している。^[7] AWAKEと名付けられたこの実験は2016年末に開始された。^[8]

2020年8月、科学者たちはレーザープラズマ加速器の開発において画期的な成果を達成したと報告し、30時間という最長の安定動作を実証した。^{[9] [10] [11] [12] [13]}

プラズマは、正と負に帯電した粒子の流体で構成され、通常は希薄ガスを加熱または光電離 (直接 / トンネル / 多光子 / バリア抑制) することによって生成されます。通常の状態では、プラズマはマクロ的に中性 (または準中性) で、電子とイオンが均等に混ざり合って平衡状態にあります。ただし、十分に強い外部電場または電磁場を適用すると、背景イオンに比べて非常に軽い (1836 倍) プラズマ電子は、質量の大きいイオンから空間的に分離し、摂動領域に電荷の不均衡が生じます。このようなプラズマに注入された粒子は電荷分離場によって加速されますが、この分離の大きさは一般に外部場の大きさと同程度であるため、粒子に直接場を適用するだけの従来のシステムと比較して、明らかに何も得られません。ただし、プラズマ媒体は、電磁波の横方向場をプラズマ波の縦方向場に変換する (現在知られている) 最も効率的な変換器として機能します。既存の加速器技術では、適切に設計されたさまざまな材料を使用して、横方向に伝播する極めて強力な場を、粒子が刺激を受ける縦方向の場に変換します。このプロセスは、定在波構造 (共振空洞など) または進行波構造 (ディスク装填導波管など) という 2 つのアプローチを使用して実現されます。ただし、ますます高くなる場と相互作用する材料の制限は、最終的にイオン化と破壊によって破壊されることです。ここで、プラズマ加速器科学は、実験室でこれまでに生成された中で最も高い場を生成、維持、および活用するための画期的な進歩をもたらします。

プラズマの航跡によって生成される加速度勾配は、波の破壊場のオーダーであり、

${\displaystyle E_{0}={\sqrt {\frac {m_{e}n_{e}c^{2}}{\varepsilon _{0}}}}.}}$

この式では、は電場、は真空中の光の速度、 は電子の質量、はプラズマ電子密度（単位体積あたりの粒子数）、 は自由空間の誘電率です。 ${\displaystyle E_{0}}$${\displaystyle c}$${\displaystyle m_{e}}$${\displaystyle n_{e}}$${\displaystyle \varepsilon_{0}}$

このシステムを有用なものにしているのは、従来の加速器の進行波概念に似た、プラズマ中を伝播する非常に高い電荷分離の波を導入できる可能性です。これにより、加速器は波の上で粒子の束を位相ロックし、この負荷された空間電荷波は、束の特性を維持しながら粒子をより高い速度に加速します。現在、プラズマの航跡は、適切に整形されたレーザーパルスまたは電子の束によって励起されます。プラズマ電子は、励起場 (電子またはレーザー) からのポンデロモーティブ力または静電場によって航跡の中心から押し出され、離れます。プラズマ イオンは質量が大きすぎて大きく移動できず、励起場に対するプラズマ電子の応答の時間スケールでは静止していると想定されます。励起場がプラズマを通過すると、プラズマ電子は、励起されていないプラズマ内にあったままそこに留まっている正のプラズマ イオン チャンバー、バブル、または柱によって航跡の中心に戻る大きな引力を受けます。これにより、非常に高い縦方向 (加速) および横方向 (集束) の電界の完全な航跡が形成されます。電荷分離領域内のイオンからの正電荷は、電子が多い後流の背面とイオンがほとんどである後流の中央の間に大きな勾配を作り出します。これら 2 つの領域の間にある電子はすべて加速されます (自己注入メカニズム)。外部バンチ注入方式では、電子はプラズマ電子の最大移動または放出中に排気領域に到達するように戦略的に注入されます。

ビーム駆動の航跡は、相対論的な陽子または電子の束を適切なプラズマまたはガスに送り込むことによって作成できます。^[14]場合によっては、ガスが電子束によってイオン化され、電子束がプラズマと航跡の両方を作成することがあります。これには、比較的高い電荷を持つ電子束、つまり強い電場が必要です。電子束の強い電場は、プラズマ電子を中心から押し出し、航跡を作成します。

ビーム駆動の航跡と同様に、レーザーパルスを使用してプラズマの航跡を励起することができます。パルスがプラズマを通過すると、光の電界が外部電界と同じように電子と核子を分離します。

電界が十分に強い場合、イオン化されたプラズマ電子はすべて、航跡の中心から除去されます。これは「ブローアウト状態」として知られています。この期間中、粒子はそれほど速く移動していませんが、マクロ的には、電荷の「泡」が光速に近い速度でプラズマ内を移動しているように見えます。泡は、電子が除去された領域であるため正に帯電しており、その後に電子が中心に戻って負に帯電する領域が続きます。これにより、レーザー パルスの後に非常に強い電位勾配の小さな領域が発生します。

線形モードでは、プラズマ電子は航跡の中心から完全には除去されません。この場合、線形プラズマ波動方程式を適用できます。ただし、航跡はブローアウトモードと非常によく似ており、加速の物理的性質は同じです。

粒子の加速に使用されるのはこの「航跡場」です。高密度領域近くのプラズマに注入された粒子は、高密度領域に向かう（または高密度領域から離れる）加速を経験します。この加速は航跡場が柱を移動する間も続き、最終的に粒子は航跡場の速度に達します。サーファーが航跡場を横切ることでサーフィンする波よりもはるかに速い速度で移動できるのと同じように、航跡場の表面を横切るように粒子を注入すると、さらに高いエネルギーに到達できます。この技術を利用するように設計された加速器は、俗に「サーファトロン」と呼ばれています。

航跡場の加速は、電子プラズマ波の形成方法に応じていくつかのタイプに分類できます。

• プラズマ航跡場加速 (PWFA) : 電子プラズマ波は電子または陽子の束によって形成されます。
• レーザー航跡場加速 (LWFA) : レーザーパルスを導入して電子プラズマ波を形成します。
• レーザービート波加速 （LBWA）：2つのレーザーパルスの異なる周波数生成に基づいて電子プラズマ波が発生します。「サーファトロン」はこの技術の改良版です。^[15]
• 自己変調レーザー航跡場加速 (SMLWFA) :誘導ラマン前方散乱不安定性によって変調されたレーザーパルスによって電子プラズマ波の形成が実現されます。

いくつかの実験は以下の通りである: ^[16]

レーザー固体ターゲットベースのイオン加速は、特にターゲットノーマルシース加速（TNSA）の発見以来、活発な研究分野となっている。^{[17]この新しい方式は、}ハドロン治療、^[18] 核融合高速点火^[19]および基礎研究のための情報源のさらなる改善をもたらす。 ^[20]ただし、この方式でこれまでに達成された最大エネルギーは100 MeVのオーダーである。^[21]

主なレーザー固体加速方式は、ターゲットノーマルシース加速（TNSA）と呼ばれるものです。他のレーザーベースの加速技術と同様に、TNSAはイオンを直接加速することはできません。代わりに、数学的にモデル化するのが困難な複数の段階からなる多段階プロセスです。このため、これまでのところ、TNSAメカニズムの定量的な予測を行うことができる完璧な理論モデルは存在しません。^{[20]予測を効率的に達成するために、通常、} 粒子インセルシミュレーションが使用されます。

この方式では、最初にレーザー プレパルスと相互作用する固体ターゲットを使用します。これにより、ターゲットがイオン化されてプラズマになり、ターゲット前面の事前膨張が引き起こされます。これにより、ターゲット前面に低密度プラズマ領域、いわゆるプレプラズマが生成されます。メイン レーザー パルスがターゲット前面に到達すると、この低密度領域を通過して伝播し、ターゲットの前面で反射されてプレプラズマを通過して戻ります。このプロセス全体を通して、レーザーは低密度領域の電子を加熱し、確率的加熱によって加速します。^[22]この加熱プロセスは非常に重要であり、高温の電子集団を生成することが、プロセスの次のステップの鍵となります。電子加熱プロセスにおけるプレプラズマの重要性は、最近、理論的および実験的に研究され、より長いプレプラズマがどのようにしてより強力な電子加熱と TNSA の向上につながるかが示されています。^[23]高温電子は固体ターゲットを通過して伝播し、後端から出て行きます。その際、電子は電荷分離によりTV/mのオーダーの非常に強い電界^[20]を生成します。この電界は、刀の鞘の形に似ていることから鞘場とも呼ばれ、イオンの加速を担っています。ターゲットの背面には、汚染物質（通常は軽質炭化水素と水蒸気）の小さな層があります。これらの汚染物質は、高温電子によって生成された強力な電界によってイオン化され、加速されます。これにより、高エネルギーのイオンビームが生成され、加速プロセスが完了します。

膨張するプラズマの先端が尖った高速イオンフロントを形成するのは、進化の初期段階で起こるイオン波破壊プロセスであり、サック・シャメル方程式で記述される。^[24]

プラズマ加速の利点は、その加速場が従来の高周波 (RF)加速器よりもはるかに強力になることです。RF 加速器では、加速管の絶縁破壊のしきい値によって決まる場の上限があります。これにより、任意の長さでの加速量が制限されるため、高エネルギーに到達するには非常に長い加速器が必要になります。対照的に、プラズマの最大場は機械的性質と乱流によって決まりますが、一般に RF 加速器よりも数桁強力です。10 GV/m の加速場を備えた長い加速器が実現できれば、プラズマ加速技術に基づいてコンパクトな粒子加速器を作成したり、はるかに高いエネルギー用の加速器を構築したりできることが期待されます。

現在の実験装置は、非常に短い距離では現在の粒子加速器よりも数桁優れた加速勾配を示し、1メートルスケールでは約1桁（1 GeV /m ^[25] vs. RF加速器の0.1 GeV/m ^[26]）優れています。

例えば、ローレンス・バークレー国立研究所の実験用レーザープラズマ加速器は、約3.3 cm（5.4×10 ²⁰ g _n）で電子を1 GeVまで加速します。 ^{[27]また、} SLACの従来の加速器（最高電子エネルギー加速器）では、同じエネルギーに達するのに64 mかかります。 同様に、プラズマを使用すると、 SLAC SLCビーム（42 GeV）を使用して、プラズマ航跡場加速器（8.9×10 ²⁰ g _{n ）を使用してわずか85 cmで40} GeVを超えるエネルギー増加が達成されました。^[28]

• 誘電体壁加速器

• Joshi, C. (2006). 「プラズマ加速器」. Scientific American . 294 (2): 40–47. Bibcode :2006SciAm.294b..40J. doi :10.1038/scientificamerican0206-40. PMID  16478025.
• Katsouleas, T (2004). 「加速器物理学: 電子はレーザーの航跡に10倍の力を発揮する」. Nature . 431 (7008): 515–516. Bibcode :2004Natur.431..515K. doi :10.1038/431515a. PMID  15457239. S2CID  11111762.
• Joshi, C.; Katsouleas, T. (2003). 「エネルギーフロンティアと卓上におけるプラズマ加速器」Physics Today . 56 (6): 47–51. Bibcode :2003PhT....56f..47J. doi :10.1063/1.1595054.
• Joshi, C. & Malka, V. (2010). 「レーザーおよびビーム駆動プラズマ加速器に焦点を当てる」。New Journal of Physics . 12 (4): 045003. doi : 10.1088/1367-2630/12/4/045003 .

• プラズマ航跡場加速 - ガイド
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