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プラズマ加速

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プラズマ加速 (プラズマかそく、英: plasma acceleration) は、電子、陽電子、イオンなどの荷電粒子を、プラズマ中の急峻な構造によって生成される電場を用いて加速する手法である。

プラズマ中の加速構造は、超短時間のレーザーパルスか、プラズマのパラメータ群に合致した粒子線によって生成される。これらの手法では、従来の線形加速器やシンクロトロンと比べて粒子軌道を曲げる必要がないため、小さなサイズで高エネルギーへの粒子加速を行うことができる。

プラズマ加速の基本概念は、1979年、カリフォルニア大学ロサンゼルス校 (UCLA) の田島俊樹と、ジョン・M・ドーソン（英語版）によって考案された[1]。その後、プラズマ加速の実験方法は、UCLAのチャンドラセカール・J・ジョシ（英語版）らのグループによって考案された[2]。現在におけるプラズマ加速の実験装置は、従来の加速器より2-3桁大きいオーダーの電場勾配を達成しており、これにより小型な加速器が実現できると考えられている。

小型な加速器は放射線療法などにおいて大きなニーズがある。そのため量子科学技術研究開発機構では量子メスプロジェクトとして研究開発が推進されている[3]。

加速される粒子のエネルギーは年々向上しており、2024年のDRACO-PWレーザーを用いた150 MeV（プロトン）加速の発表[4]を皮切りに、複数の研究グループから100 MeV級加速が報告されている。

主な加速メカニズム

プラズマを用いた粒子加速はプラズマの密度や状態によって複数のメカニズムが提唱されている[5]。

  • 航跡場加速（気体プラズマ）[6]
  • 磁気渦加速（臨界密度プラズマ）[7]
  • シース場加速（固体プラズマの裏面）[8][9]
  • 衝撃波加速（固体プラズマ）[10]
  • 光圧加速（臨海密度プラズマ）[11][12]
  • クラスターのクーロン爆発による粒子加速[13][14][15]

参考文献

  1. ↑ T. Tajima; J. M. Dawson (1979). “Laser electron accelerator”. Phys. Rev. Lett. 43: 267–270. doi:10.1103/PhysRevLett.43.267.
  2. ↑ C. Joshi; W. B. Mori; T. Katsouleas; J. M. Dawson; J. M. Kindel; D. W. Forslund (Oct. 1984). “Ultrahigh gradient particle acceleration by intense laser-driven plasma density waves”. Nature 311: 525–529. doi:10.1038/311525a0.
  3. ↑ “次世代重粒子線治療研究プロジェクト(QST)”. 量子科学技術研究開発機構. 2026年9月21日閲覧。
  4. ↑ T. Ziegler (2024). “Laser-driven high-energy proton beams from cascaded acceleration regimes”. Nat. Phys. 20: 1211–1216. doi:10.1038/s41567-024-02505-0.
  5. ↑ A. Macchi (2013). “Ion acceleration by superintense laser-plasma interaction”. Rev. Mod. Phys. 85: 751. doi:10.1103/RevModPhys.85.751.
  6. ↑ T. Tajima; J. M. Dawson (1979). “Laser electron accelerator”. Phys. Rev. Lett. 43: 267–270. doi:10.1103/PhysRevLett.43.267.
  7. ↑ S. V. Bulanov et al. (1996). “Electron Vortices Produced by Ultraintense Laser Pulses”. Phys. Rev. Lett. 76: 3562. doi:10.1103/PhysRevLett.76.3562.
  8. ↑ R. A. Snavely et al. (2000). “Intense High-Energy Proton Beams from Petawatt-Laser Irradiation of Solids”. Phys. Rev. Lett. 85: 2945. doi:10.1103/PhysRevLett.85.2945.
  9. ↑ 余語覚文「μm 厚ターゲットからのイオン加速」（pdf）『プラズマ・核融合学会誌』第96巻第12号、2020年、706-709頁、2026年9月21日閲覧。
  10. ↑ D. Haberberger et al. (2012). “Collisionless shocks in laser-produced plasma generate monoenergetic high-energy proton beams”. Nat. Phys. 8: 95–99. doi:10.1038/nphys2130.
  11. ↑ S. S. Bulanov et al. (2016). “Radiation pressure acceleration: The factors limiting maximum attainable ion energy”. Phys. Plasmas. 23: 056703. doi:10.1063/1.4946025.
  12. ↑ T. Esirkepov et al. (2004). “Highly Efficient Relativistic-Ion Generation in the Laser-Piston Regime”. Phys. Rev. Lett. 92: 175003. doi:10.1103/PhysRevLett.92.175003.
  13. ↑ T. Ditmire et al. (1997). “High-energy ions produced in explosions of superheated atomic clusters”. Nature 386: 54–56. doi:10.1038/386054a0.
  14. ↑ R. Matsui et al. (2019). “Quasimonoenergetic Proton Bunch Acceleration Driven by Hemispherically Converging Collisionless Shock in a Hydrogen Cluster Coupled with Relativistically Induced Transparency”. Phys. Rev. Lett 122: 014804. doi:10.1103/PhysRevLett.122.014804.
  15. ↑ S. Jinno et al. (2022). “Laser-driven multi-MeV high-purity proton acceleration via anisotropic ambipolar expansion of micron-scale hydrogen clusters”. Sci. Rep. 12: 16753. doi:10.1038/s41598-022-18710-x.

関連項目

関連記事

高エネルギーレーザー科学加速器プラズマ