(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
密度減少転移点を境界に急激に低下する密度転移を有するプラズマにプラズマ航跡波を生成する段階と、
前記航跡波を前記プラズマ密度が減少する方向に送る段階と、
背景プラズマ電子等を前記急激な密度減少転移点付近で前記航跡波の航跡場に捕獲する段階と、
前記捕獲された背景プラズマ電子等を前記航跡場によって高エネルギーで加速する段階を含み、
前記プラズマの密度転移は、前記密度転移のスケールの長さ（Ｌｓ）がプラズマ波長（λｐ）より遥かに小さくなるように形成されることを特徴とするプラズマ電子を捕捉して加速する方法。
【請求項２】
前記プラズマ航跡波は、短い（ｋｐσｚ〜１）電子ビームパルス又は強力なレーザーパルスによって発生させられる請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記密度転移は、密度転移を伴いレーザーで生成されるプラズマを生成する為に、横方向の強度ステップを伴う垂直に運動する別のレーザーパルスによって発生させられる請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記捕捉は、前記低下する密度転移において前記プラズマの波長の突然の増加によって確立される請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相対論的電子ビームを生成する為の、低下する密度転移を使用したプラズマ航跡場における背景プラズマ電子の捕捉（trapping）及び加速方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超強力加速勾配を達成するために、プラズマの使用は、１９７９年にＴ．ＴａｊｉｍａとＪ．Ｍ．Ｄａｗｓｏｎとによって提案されてきた。その時依頼、プラズマを使用する様々な方法が研究されてきたが、それらの方法は二つのグループに分類することができる。一方は外部注入（injection）方法であり、高エネルギー電子ビームがプラズマ航跡場の中に外部から注入される。他方の方法は、内部注入機構を使用する方法であり、外部で加速されたビームを注入に使用しない。この種の内部注入方法の例は、不均一なプラズマ中を伝播する一個のレーザーパルスを使用するＢｕｌａｎｏｖの自己注入機構である。Ｂｕｌａｎｏｖの方法においては、背景プラズマ電子の捕捉は、緩やかな密度勾配によって誘導される砕波から起こり、密度スケール長Ｌｓ＝ｎ０／｜ｄｎ０／ｄｚ｜は、プラズマ表皮深さｋｐ−１＝νｂ／ωｐより非常に大きい。ここでｎ０はプラズマ密度、ωｐはプラズマ周波数、及びνｂ
【０００３】
【外１】
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ｃは駆動パルスの群速度である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで本発明者は、自己捕捉に基づく新しい内部注入方法を提案する。この方法は、急激に低下する密度転移を使用し、その可能性は二次元シミュレーションによって証明された。
【０００５】
本発明の目的は、プラズマ航跡場における背景プラズマ電子の新規な自己捕捉方法を提供することである。ここでプラズマ航跡場は、電子ビームパルスか強力なレーザーパルスかのどちらか一方で発生させ得る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本方法によれば、密度転移スケール長がプラズマ波長よりも非常に小さい場合、短い電子ビームパルス又は強力なレーザーパルスは、急激に低下する密度転移を伴う低密度プラズマを通って伝播する。結果として、航跡波が密度転移を通過する時、プラズマ波長は突然大きくなる。よっていくつかの背景プラズマ電子は、航跡場の加速相（acceleration phase）の中に自己注入され、それらの電子は航跡場によって捕捉され高エネルギーに加速される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
添付する図面は本発明の基本的原理及び二次元シミュレーションの結果を説明する。
【０００８】
短い（ｋｐσｚ〜１）電子ビーム又は強力なレーザーのパルスは、低密度プラズマを通って伝播するとき、ビームの経路中のプラズマ電子は、空間電荷力又はポンデロモーティブ力によって射出される。結果として、超強力プラズマ航跡場が、駆動ビームの後方に発生する。本発明において、発明者たちは、このような航跡場における新しい自己捕捉に基づく注入方法を提案する。
【０００９】
自己捕捉に基づく注入を達成する為に、発明者たちは、プラズマ中に急激で局所的な密度勾配を導入することを提案する。この機構において、一個の短いレーザーパルス又は電子ビームパルスが、ｋｐＬｓ＜１であり、急激に低下する密度転移を伴う低密度プラズマを通して放たれ、高密な上流領域（Ｉ）とより低密な下流領域（ＩＩ）との間の境界を印す。ビームが、低下するプラズマ密度転移を通過する時、プラズマ波の波長が突然大きくなるので、いくつかの背景プラズマ電子は、航跡場（図１参照）の加速相に注入され、それらの電子は捕捉される。この注入機構は、レーザー航跡場加速についてのＢｕｌａｎｏｖの緩やかな密度勾配機構とは根本的に異なる。Ｂｕｌａｎｏｖの場合には、プラズマ電子は第一周期における砕波から起こるが、そのプラズマ電子は、第二のプラズマ振動周期において捕捉される。反対に本機構では、プラズマ電子の捕捉は、急激な密度転移付近の局所的な非薄層状（nonlaminar）運動により、従来の砕波より十分小さい航跡振幅（wake amplitude）で、第一の希薄な空洞（rarefied cavity）において起こる。
【００１０】
発明者たちは、捕捉過程に関する物理的機構を解明する為に（コードＭＡＧＩＣを伴う）２−Ｄ  ＰＩＣシミュレーションを使用して、密度転移に誘導される粒子の捕捉を調査してきた。駆動ビームパルスが真空から鮮明な境界の（sharp-boundary）プラズマに入る場合は、いくつかの迷走プラズマ電子（stray plasma electron）が、一般的に大きなエネルギー幅を有しており、真空とプラズマとの境界で捕捉される。迷走電子の数は主に捕捉される電子の数よりも非常に小さいが、この迷走電子は面倒である。このような問題を避ける為に、プラズマ密度は、図２に示すように、線形に増加するプロフィールを有し、その密度転移長はプラズマ波長よりも大きい。結果として、ビーム−プラズマ相互作用において断熱過程が起こり、迷走粒子の不必要な捕捉を避けることができる。図３に示すＭＡＧＩＣの結果は、領域Ｉについて周囲のプラズマ密度がｎ０Ｉ＝５×１０１３ｃｍ−３、領域ＩＩについてはｎ０ＩＩ＝３．５×１０１３ｃｍ−３、プラズマ電子温度はｋＴｅ＝３ｅＶ、及び静止イオンで得られた。シミュレーションで使用される相対論的（１６ＭｅＶ）駆動ビームの密度分布は、ピーク密度ｎｂ０＝１０１４ｃｍ−３、及び幅σｚ＝１ｍｍ、σｒ＝０．４５ｍｍである重ガウス関数（bi-Gaussian）ｎｂ（ｒ，ξ）＝ｎｂ０ｅｘｐ（−ｒ２／２σｒ２）ｅｘｐ（−ξ２／２σξ２）、（ξ＝ｚ−ｖｂｔ）として選択した。駆動ビームは、低下する密度転移を伴う低密度プラズマ（ｎｂ０＝２ｎ０Ｉ＝２．９ｎ０ＩＩ）を通って伝播する。図３（ａ）は、駆動ビームがビームの後方に航跡波を発生させ、電子の無いイオンの空洞が波の第１の周期で形成されることを示す。図３（ａ）はまた、航跡波の第一の密度スパイク（density spike）が１．５ｃｍにおける急激に低下する密度転移を通過する時、いくつかのプラズマ電子が航跡場の加速相の中に注入されることも示す。捕捉された粒子は、プラズマのレンズ効果によりプラズマ電子の無いイオン空洞に横方向に収束し、それらの粒子は、波長λβ＝（２πγβ／ｎ０ｒｅ）１／２のベータトロン振動を行う。ここで、ｒｅは古典的電子半径であり、γ及びβはそれぞれ相対論的エネルギー因子及び捕捉された粒子の規格化された速度である。シミュレーションにおいて、プラズマは５ｃｍまで分布するので、航跡波は境界で伝播を停止し消失する。しかし捕捉された電子は、既に相対論的エネルギーを有し、伝播し続ける。結果として、それらの電子はプラズマの外へ出て、ついにそれらの電子は背景プラズマから完全に分離する（図３（ｂ）参照）。捕捉されたプラズマ電子ビームはここではプラズマの外にあり、プラズマイオンによる線形収束力はもはや働かなくなるため、今後はビームが拡がり始める。図３（ｂ）において、プラズマ電子ビームは、プラズマ波長の５％未満の位相空間を占め、かなり良好なエネルギーの広がり（spread）へと導く（図３（ｃ）参照）。捕捉された粒子のエネルギーは、既に駆動ビームのエネルギー（１６ＭｅＶ）より大きいことに注意すること。捕捉されたビームは非常に短いので（ビーム長
【００１１】
【外２】
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１／ｋｐ）、捕捉されたビームは、加速の間に電子ホース不安定性（electron hose instability）及び他の不安定性を成長させない。しかしながら捕捉されたビームがプラズマ中で十分に長く伝播する場合は、そのビームは、駆動ビームエネルギーの消耗によって引き起こされる、駆動ビームから離脱した（slipped）電子による影響を受け始める。図３（ｄ）は、駆動電子ビームの位相空間のプロット（ｐｚ，ｚ）を示し、ビームがエネルギーをかなり失い、減少したエネルギーの粒子の離脱によって非対称的になることを示す。この図はまた、駆動ビームがエネルギーを失うに従い、二流体不安定性が成長することも示す。駆動ビームがさらに進行する場合、ビーム中のいくつかの電子は、ほとんど停止して航跡場中に離脱する。よってそれらの電子は、航跡場の加速相に流れ、捕捉されたプラズマ電子と混合する。捕捉されたプラズマ電子と離脱したプラズマ電子との相互作用の結果として、捕捉されたプラズマ電子ビームの質はかなり劣化する。従って、捕捉されたプラズマ電子ビームは、混合が起こる前に背景プラズマから射出されなければならない。
【００１２】
捕捉されたプラズマ電子ビームにおけるビームの質を調査するために、シミュレーションをＥｂ＝５０ＭｅＶ、ｎ０Ｉ＝５×１０１３ｃｍ−３、及びｎ０ＩＩ＝３．５×１０１３ｃｍ−３で行った。図４に示すように、捕捉された粒子は、初期においてはｄＥ／ｄｚ
【００１３】
【外３】
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４３０ＭｅＶ／ｍの勾配でほとんど線形に加速されるが、そのエネルギーは徐々に飽和し、その後減少し始める。捕捉されたビームのエネルギーにおける飽和は、駆動ビームエネルギーの消耗によって引き起こされ、この飽和は、駆動ビームがｄ＝Ｅｂ／ｅＥ０の距離を伝播した後で起こる。ここでｅは電荷、Ｅｂはビームのエネルギー、及びＥ０はプラズマ波の縦方向の電場である。図４はまた、加速の間における捕捉されたプラズマ電子ビームのエネルギーの広がりも示す。捕捉された粒子は、ビームの先端及び後端部分におけるいくつかの迷走粒子からのかなりの寄与を伴う、縦の方向に沿った一定のエネルギー分布を有する。よって先端及び後端部分における粒子は、比較的小さいエネルギーの広がり及び放射力を有するように切り捨てるべきである。図４は、３つの異なる場合（捕捉された粒子の２０％、５０％、及び９０％）についての加速の間におけるエネルギーの広がりを示す。獲得された粒子の２０％（Ｑ＝１７０ｐＣ）の場合には、エネルギーの広がりの平方自乗平均ΔＥ／Ｅｒｍｓは１．７％であり、規格化された放射力の平方自乗平均εｎ，ｒｍｓは約１ｍｍ−ｍｒａｄであると見積られる。このように迷走粒子の切り捨ての後は、ビームの質はかなり良好になる。
【００１４】
この機構の体系的なシミュレーション研究において、発明者たちは密度転移の特性である、密度変化の符号、転移を横切る密度差の大きさ、及び密度転移のスケール長を変化させた。全てのシミュレーションにおいて、駆動ビーム及びプラズマの特性は、同様に保たれ、噴出（blowout）は完全でありプラズマ電子の運動は非線形で適度に相対論的である。これらの研究において、発明者たちは、（ビームの進行方向において）低下する密度転移の場合のみ捕捉を観察した。加えて、密度減少の大きさがより大きくなるに従って、捕捉された粒子の数が増加することを発見した。最後に、密度が初期値から最終値まで線形に減少する長さが、プラズマ表皮深さｋｐ−１＝ｃ／ωｐより大きくなった場合には、捕捉は完全に消失した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の概略図である。
【図２】ＭＡＧＩＣコードシミュレーションについてのプラズマ密度プロフィールを示すグラフである。
【図３】シミュレーションの結果を示すグラフである。（ａ）及び（ｂ）のプロットは、プラズマについての位相空間（ｒ，ｚ）である。実線は密度転移を表わす。（ｃ）のプロットは、プラズマについての位相空間（ｐｚ，ｚ）である。（ｄ）のプロットは、駆動ビームについての位相空間（ｐｚ，ｚ）である。
【図４】三つの異なる場合（捕捉された粒子の９０％、５０％、及び２０％）についての捕捉されたプラズマ電子のエネルギーを示すグラフである。このシミュレーションにおいて、駆動ビームは５０ＭｅＶのエネルギーを有する。
【図５】プラズマ捕捉の為の装置例を示す。横方向に伝播するレーザービームを、低下する密度転移を伴いレーザーで生成するプラズマを発生させる為に使用し、軸方向に伝播するレーザーパルスを、プラズマ航跡場を発生させる為に使用する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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