レーザープラズマ加速について詳しく解説

導入

レーザープラズマ加速は、新しい特性を備えた粒子源の開発を目的とした研究テーマです。現在、粒子加速は従来の粒子加速器に基づいて高度に開発されています。ただし、これらの高周波構造の加速場は約 50 MV/m の値に制限されます。より高いエネルギーに到達するため、新しい現象を研究するために、科学者たちは巨大な加速器（LHCの場合は27km）を建設することを余儀なくされました。

粒子を加速する他の方法もあります。この記事では、特にレーザーと物質の相互作用を利用した粒子加速のメカニズムについて説明します。パワーレーザーの焦点をターゲットに合わせることで、特に独自の特性 (輝度、エネルギー、放射率、電荷) を備えた粒子ビームを作成することができます。レーザービームと物質とのこの相互作用中に、極度の電場が生成されます。 TV/m のオーダーのピーク値、つまり加速器の RF (高周波) 構造で生成される電場よりも 10,000 倍以上の強度に達すると、最初は静止していた粒子が目もくらむような加速を受けながらターゲットから離れます。 10 ²² g (g=地球の重力加速度) 程度です。これらの新しい情報源は、医療、核、化学、生物学など、数多くの応用への道を開きます。また、超短い時間スケール (100 fs) での新しい現象の研究も可能になるはずです。

レーザーとプラズマの相互作用実験により、電子と陽子の 2 種類の粒子を加速することが可能になります。これら 2 つの分野を以下に示します。

電子線

原則と用語の定義

1979 年、アメリカの物理学者タジマとドーソンは、粒子を加速するためにレーザーによって生成されたプラズマを使用することを提案しました。電子加速の場合、レーザーが伝播するターゲットは気体です。レーザーに関連した電場がガスの原子を完全にイオン化するため、軽いガス (通常はヘリウム) を使用することが好ましいです。レーザーの強い部分は、自由電子とイオンで構成され、全体的に中性の電荷を持つ均質な媒体中を伝播します。これがプラズマと呼ばれるものです。

レーザーは光パルスの伝播方向に粒子を直接加速しないことを理解する必要があります。実際、電子は主にレーザーの電場の影響を受けます。電磁波の場合、電場はレーザーパルスの経路に対して垂直であり、レーザー周波数で振動します。したがって、レーザーの電場は電子の高エネルギーへの加速に直接寄与しません。

一方、レーザーパルスの通過により電子密度が乱されます。レーザーに関連するこの力はポンドロモーティブ力と呼ばれます。これは、レーザー強度変化の低周波部分に対応します。レーザー放射圧力とも呼ばれます。これらの動きに続いて、クーロン反発の効果により電子の行列が再編成されます。これにより、電子密度の振動が発生します。したがって、レーザーは、媒体中のレーザーの群速度に等しい速度でレーザーの方向に伝播するプラズマ波を生成することを可能にする。このプラズマ波は本質的に縦方向の電場に対応します。これらの場は、電子を高エネルギーまで加速するのに適しています。

つまり、レーザーは後続でプラズマ波を生成し、粒子を高エネルギーまで加速することができます。このメカニズムを理解するための簡単な流体力学的例えは次のとおりです。湖の表面を移動するボートを想像してください。この船は航跡で波を引き起こします。サーファーはこれを利用してスピードを上げ、波の速さで移動することができます。一般に、加速は波の構造に閉じ込められることによって発生します。実際、トラップが起こるにはサーファーの初速に条件があります。彼が波を捕まえようと努力しなければ、波は彼の下を通り抜けて遠ざかってしまいます。逆に速すぎると波を追い越してしまいます。

科学用語では、可能性について話します。ローレンツ変換を含む計算により、レーザー強度の関数として最小ポテンシャルと最大ポテンシャルを決定することができます。これらの計算は、レーザー場が限定的な開発を実行できるほど十分に弱いと仮定して、1Dジオメトリで実行されます。

プラズマ波の位相速度はレーザー波の群速度に等しく、これらの速度は真空（亜臨界プラズマ）内の光の速度に近いです。したがって、高速で注入された電子は波に捕らえられ、そこで加速される可能性があります。電子の最大エネルギーは、プラズマ波の速度が速いほど、つまり電子密度が低いほど大きくなります。たとえば、密度が10 ¹⁹ /cm ³で相対振幅が 100% のプラズマ波の場合、電場は 100 GV/m 程度になり、高エネルギーまで加速することができます。短い距離 (ミリメートル) で。

加速機構

レーザーによって電子を加速するためのさまざまな方法が提案されています。それらはすべて、前述のメカニズムに由来しています。それらは、プラズマ波長に関連してレーザーパルスの持続時間が減少するときに到達するさまざまな段階にほぼ対応しています。要約は次のとおりです。

波のビート

このメカニズムには、周波数差がプラズマ周波数 (ωp ~ ω1-ω2) に近い、隣接する脈動 ω1 と ω2 を持つ 2 つの逆伝播レーザーパルスが必要です。これら 2 つのレーザーパルスが重なると、プラズマ波と共鳴する波のビートが生成されます。プラズマ波の振幅は初期電子密度の約 30% に達する可能性があり、加速場は数 GV/m に制限されます。 1993 年に、Clayton et al.このプラズマ波に最初に 2.1 MeV で注入された電子に対して、9.1 MeV の出力エネルギーが得られました。当時、レーザーパルスの持続時間は約300ps（半値幅）でした。この波打ち方式の実験は、UCLA (エネルギー利得 30 MeV)、エコールポリテクニック、大阪でも行われました。この領域におけるプラズマ波の振幅を制限する物理的メカニズムは、長いパルスに対するイオンの動き、相対論的強度に対するプラズマ波の相対論的位相シフト、および不安定性の増大である。

自己共鳴する目覚め

高エネルギー（100 J）を含む高強度かつ短いパルス持続時間（500 fs）のレーザーの出現により、プラズマの非線形挙動にアクセスできるようになりました。電子密度外乱によるレーザーエンベロープの自己集束と自己変調の複合効果により、レーザーパルスがプラズマ波長によって分離された一連のレーザーパルスに変調されます。したがって、前述の波動の場合と同様に、プラズマ波と共鳴するパルスが得られます。 Sprangleら、Antonsenら、Andreevらは、この体制を理論的に研究しました。彼らは、パルス持続時間がプラズマ周期より長く、レーザーパワーがセルフフォーカスの臨界パワーを超えると、単一レーザーパルスがプラズマ周期と共鳴する一連のパルスに分解することを示しました。

モデナらによって行われた実験中、プラズマの振幅は破壊限界まで増加します。これは、プラズマ電子の振動の振幅が非常に大きくなり、復元力がその動きを補償できなくなる瞬間に相当します。。このとき、プラズマ電子は自動的にプラズマ波に注入され、運動エネルギーを獲得します。ここで、この噴射メカニズムを説明するために流体力学の例えに戻ることができます。波が岸に近づくと、波頭が鋭くなり、波は深くなり、その後砕けます。波の白い泡は速度を増した水分子に相当します。ここでは電子ビームを生成するために外部からの注入は必要ありません。 Modenaらの論文では、彼らは 44 MeV に達するエネルギーを取得しました。この体制は、米国の CUOS と NRL によっても達成されました。ただし、これらの長いレーザーパルスによってプラズマを加熱すると、低温プラズマに対して計算された電場の最大制限に達する前にサージが発生します。電界は通常 100 GV/m に達します。

強制覚醒

非常に強力 ( 10 ¹⁸ W/cm2) の非常に短いレーザーの開発により、新たな一歩を踏み出し、より効果的な加速メカニズムである強制航跡を実証することが可能になりました。これらの低エネルギーレーザーは発射速度が高いため (20 分ごとに 1 ショットではなく 10 ショット/秒)、これらの新しい光源への将来の応用を検討することが可能になります。

ここで、波は極端な振幅レベル（非線形領域）まで増幅され、非常に短時間で非常にエネルギーの高い電子の束が生成されます。これにより、プラズマに電子を注入する必要がなくなりました。トラップされるのはプラズマ電子そのものです。この短パルス領域では、プラズマの加熱はそれほど重要ではなく、波はコールドサージ値に近いより高い振幅に達する可能性があります。電子密度が2 x 10 ¹⁹ /cm3 の場合、この領域では電場は TV/m のオーダーの極値に達します。

LOA[1] では、電子は 2 mm のプラズマ内で 200 MeV まで加速されました。減少したレーザーパルスとの相互作用により、55 +-2 MeV の電子に対して 3 π mm.mrad の正規化エミッタンスが測定されました。これは、従来の加速器の性能に匹敵します。

超短ビームによって生成されるマクスウェルスペクトルの電子ビームは、LBNL、NERL、およびヨーロッパの LOA[2] やドイツの MPQ など、世界中の多くの研究室で生成されています。

バブルダイエット

この最後の用語には、レーザーとプラズマの相互作用による電子加速の分野における革命が隠されています。つまり、準単一エネルギースペクトルを持つ電子ビームが初めて生成されました。これまで、電子ビームは常にマクスウェルスペクトル (指数関数的減衰) を持っていました。高エネルギーピークの存在により、その特性はプラズマ出力時に優れ、ビーム伝播中にも優れたままであるため、多数の用途を検討することが可能になります。これはマクスウェルビームの場合には当てはまりませんでした。モノクロメータによるフィルタリングは高エネルギー電子の流れを大幅に減少させ、加速効率を低下させたでしょう。

実際には、これらの結果は 3D PIC シミュレーションによって予測されており、これがバブル体制という名前の由来となっています。この領域では、レーザーの寸法は3 つの空間方向すべてにおいてプラズマの波長よりも短くなります。したがって、集束されたレーザーパルスは、典型的な半径 10 ミクロンの光の球に似ています。このパルスのポンデロモーティブ力は非常に強いので、パルスが通過するときに電子を追い出します。レーザーパルスの背後には、電子の過剰密度に囲まれた空洞が得られます。この構造の背面では、電子が空洞に向かって注入され、この構造内で加速されます。この空洞には、これらの時間スケールでは動きが無視できるイオンが含まれているため、電子にとって魅力的です。この領域の特徴は、準単一エネルギー電子スペクトルの出現です。これは以前の結果とは対照的です。これは、さまざまな要因の組み合わせから生じます。

空洞への電子の注入は、自己変調後流および強制後流で観察されるサージとは異なります(これは加速構造のサージから来るものではありません)。
レーザーが十分に強い限り、加速構造は加速中に安定した状態を保ちます。
トラップされた電子はレーザーパルスの背後にあります。それらはレーザーの横電界と相互作用しなくなりました。

いくつかの研究室が準単一エネルギー構造を取得した。フランス、イギリス、米国、そしてドイツと日本では全く異なる実験条件（パルス持続時間はプラズマ周期より長かった）であった。これらの結果については、次のセクションで説明します。

実験結果

このセクションでは、最近の結果のみを説明します。 2004 年 9 月、ジャーナル Nature に 3 つの論文が掲載されました。準単一エネルギーピークとのレーザープラズマ相互作用によって生成された電子ビームが初めて観察されました。

ラザフォード・アップルトン研究所（RAL）のイギリスのグループは、22pCの電荷を含む70MeVのピークスペクトルを取得しました。
ローレンス・バークレー国立研究所（LBNL）のアメリカのグループは、0.3nCの電荷を含む86MeV±2MeVの電子ビームを観測した。
応用光学研究所 (LOA[3]) のフランスのグループは、170MeV +- 20 MeV を中心とする電子スペクトルを測定しました。

これらの電子ビームは、非常に高いピーク電流 (通常 10 kA) に対応します。電子源のサイズは非常に小さく、集束レーザーのサイズと同等です (使用する集束光学系に応じて、一般に数ミクロンから数十ミクロン)。電子ビームの発散は、物品に応じて 3 mrad ～ 10 mrad の間で変化します。これらのソースのもう 1 つの重要な特性は、持続時間が短いことです。電子束の持続時間は、プラズマ出口では一般に 100fs 未満であると推定されています。スペクトルは高エネルギーでピークに達するため、これらの電子はすべてほぼ同じ速度で移動し、分散は低くなります。たとえば、LOA[4] で実行された測定では、伝播中の分散は 50 fs/m と推定されました。これらの電子束は、非常に短い現象を調べることができます。

要約すると、10Hz で動作するこれらのレーザー設備により、寸法が小さく、発散性が低く、エミッタンスが低く、電荷が高い、短い準単一エネルギーの電子ビームを生成することが可能になります。

現在の開発は、電子のエネルギーをさらに増大させ（1GeVマークを通過させる）、ショットごとに電子ビームの特性を安定させ、そのような特性を持つ線源で想定できる新しい用途を促進することを目的としています。次のセクションでは、これらのアプリケーションのいくつかについて説明します。

これらの電子源の応用例

これらの電子源のさまざまな新しい特性を促進するために、いくつかの応用が研究されています。以下に示す例は LOA[5] で取得したものです。

放射線療法の医学では、この高度に平行化された線源は、電子ビームによる特定の癌の治療に使用される可能性があります。この観点から、準単一エネルギー電子ビームによる組織へのエネルギー蓄積のモンテカルロシミュレーションが実行されました。結果は、非常に細かいエネルギーが横方向に（深さにおいても）非常に深く堆積していることを示しています。蓄積された線量は放射線療法の必要量をはるかに超えています。ただし、電子密度を変えることで加速される電子の数を制御することは可能です。これは、主に X 線によって行われる従来の放射線治療の代替となる可能性があります。実際、従来の小型加速器は 20 MeV の電子を供給しますが、これは組織内 (10 cm 未満) に十分深く浸透しません。また、陽子加速器は非常に高価な構造であるため、放射線治療に最適ではありますが、その使用が制限されています。
化学では、化学反応 (急速反応速度論) を研究します。電子ビームは非常に短く、レーザーパルスと完全に同期しているため、この種の研究を実行する上であらゆる利点があります。これは、十分に制御されているものの持続時間が 1 ps に制限されている古典的な電子源を補完するツールである必要があります。実施された実験により、電子の溶媒和中の水分子の短い状態の吸収曲線を追跡することが可能になりました。目的は、この状態の特性時間がモデルの予測より大幅に短いことを示すことです。水の分子の進化を理解することは、生物の進化を理解する上で重要です。
生物学における細胞環境の結晶学的研究。この線源と追加のレーザービームの相互作用により、広いスペクトルと非常に短い持続時間 (<100fs) の X 線フラッシュの生成が可能になります。
放射線生物学において、非常に短い時間スケールでの線量蓄積の研究。この領域の既存のデータは、マイクロ秒の時間スケールに制限されています。放射線生物学者からの強い関心は、この道を探求する必要性を示しています。
X線撮影で。この電子線を高密度媒体に照射することで、電子のエネルギーをガンマ線に変換することができます。この二次ビームは、材料物理学の資産である電子源の優れた特性を継承しています。この線源の寸法 (サブミリメートル) により、物質内の小さな欠陥を調べるために使用できます。現在、ガンマ線撮影はリニアックから放出される電子線を使用して行われています。このエネルギー放射線源のサイズは数百ミクロンと推定されており、これは同等のエネルギーの従来の加速器によって生成されるサイズよりも優れています。

つまり、学際的な応用がすでに想定されています。これらはまた、いくつかの特許の出願にもつながります。