阪大ら,強磁場で高速電子の長距離誘導に成功

大阪大学,仏ボルドー大学,エコールポリテクニーク,西マドリッド工科大学,英オックスフォード大学,ヨーク大学,独ダルシュタッド工科大学の国際共同研究チームは,ネオジム磁石の約600倍の強さを有する600テスラの磁場を外部から物質に加えることで,世界で初めて,物体中を光速で流れる電子ビームを高輝度のまま長距離にわたり誘導することに成功した(ニュースリリース)。

高強度レーザーをプラズマに照射すると,光速とほぼ等しい速度にまで電子が加速される。この電子群は「相対論的電子ビーム」と呼ばれている。相対論的電子ビームの応用の一つとして,高密度の物質を瞬間的に加熱する「高速加熱」がある。高速加熱を用いることで,星の内部に匹敵する高温・高密度状態を実験室内で作り出し,宇宙に関わる物理現象を実験的に研究する「実験室宇宙物理学」や,「レーザー核融合高速点火」を実現できる。

しかしながら,高強度レーザーによって加速された相対論的電子ビームは,大きな発散角(典型的には全角で100度)を持っており,長距離伝播させると,相対論的電子ビームの輝度は急激に低下するという致命的な欠点を抱えている。物質を局所的に効率良く加熱するためには,相対論的電子ビームの発散を抑える必要がある。

1MeV(メガ電子ボルト)という高エネルギーの電子を数ミクロンの空間に閉じ込めるためには,キロ・テスラという非常に強い磁場が必要。今回研究グループは,高強度レーザーで大電流を駆動しコイルに流すことで,600テスラに達する強磁場を発生させた。

この強磁場下において,相対論的電子ビームを加速させ,50ミクロンという当該分野では比較的長距離間を発散・減衰せずに伝播出来ることを実証した。磁場を印加していない場合と比べて,約5倍の強度を達成した。

この研究成果により,磁場とレーザーを組み合わせた新しい核融合方式の発展が期待される。また,宇宙プラズマにおいても,磁場とプラズマの相互作用が重要であり,この研究で開発された実験手法及びシミュレーションを用いることによって,宇宙プラズマの素過程の研究への貢献も期待できるとしている。

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