強磁場下でのレーザープラズマ実験による実験室天文学研究
米田仁紀 研究室 1633033 小沼杏奈

1.

序論

超高エネルギー宇宙線の起源

2.

近年、実験室で宇宙現象の模擬実験をすること宇宙空間を高エネルギーで飛び交う荷電粒子が盛んにおこなわれるようになってきている。そのことを宇宙線といい、1912 年にヘスにより発見の中で高出力レーザーによる無衝突衝撃波の生成された[3]。宇宙線は地球にも常時飛来してきてい実験も実験が大掛かりに行われるようになり、無るが、そのエネルギーが高くなるにつれて到来す

衝突衝撃波近傍の電磁場や粒子分布関数が実験でる頻度は極端に低くなることが知られている。こ

直接計測され、高エネルギー宇宙線の起源にせまの宇宙線のエネルギーについて、1965 年に 3K マると期待されている[1]。この起源とも考えられてイクロ波放射が発見されたこと[4]で、地球で観測いるフェルミ加速理論[2]では、無衝突衝撃波面でされる宇宙線のエネルギースペクトルには上限がの磁場の働きも重要となってくる。これを実験室あると予測されていた。それは、この放射が宇宙中にて再現するためには、気体の平均自由行程とに充満しているならば、たとえ 1020eV を超える宇磁場による旋回運動のラーモア半径の大小関係を、宙線が宇宙空間に存在したとしてもマイクロ波放宇宙での模擬に適した値にする必要があり、背景射と光子との衝突によるエネルギー損失が避けらガス圧、レーザー強度、磁場強度などのパラメーれないためである。しかし、1990 年代前半にはタを最適化する必要がある。 現在の kJ レベルの1020eV を超える宇宙線が相次いで観測され、世界レーザーを使った場合、ある程度温度を保ちなが的に注目を集めた。図 1 は、明野広域シャワーアら膨張し衝突する実験サイズを考えると数 cm で、レイ実験（AGASA）により観測された超高エネル粒子間衝突の影響を低減させるためには数 Torr 以

ギー宇宙線のエネルギースペクトルを示している下の背景ガス圧が必要になる。そこで、十分に磁[5].

場が粒子軌道に影響を及ぼすためには数 Tesla 以
上の磁場強度が必要になる。しかし、実験上は新たな困難を生み出すことになっている。それは、このような強磁場を発生させるためには、kA 以上の大電流が必要で、インダクタンスの関係から10kV 以上の電界がコイル部に印加されることになる。ところが、設定ガス圧、システムの大きさは、いわゆる放電のパッシェンミニマムと呼ばれる状況であり、数百 V 程度の電圧でも放電が起きる状況にある。

図1

そこで本研究では、このような低気圧雰囲気下AGASA で観測された超高エネルギー宇宙線のエネルギースペクトルで数 Tesla のパルス磁場を発生させる手法を開発し、それを用いて大型レーザー施設での実験室天図中の破線は宇宙線源が宇宙空間に一様に分文学実験を行うことを目的とした。

布している場合に期待されるエネルギースペクト1

ルに実験誤差を含めたもので、このモデルにおいできそうな活動的な天体は存在していないことが20ては 10 eV 以上の宇宙線はほとんど期待できないわかる。このことから、超高エネルギー宇宙線のことがわかる。観測されたエネルギースペクトル

起源は、特定の活動的な天体による加速ではなく、19の特徴的な点として、10 eV 以上でエネルギース宇宙初期に生じた位相欠陥や準安定な超重量粒子ペクトルの勾配が緩やかになっていることと、からの二次粒子ではないかなど、様々なモデルや20

10 eV 以上まで比較的滑らかに伸びていることが理論が提唱され議論を呼び起こしたが、未だその挙げられる。1019eV を超える宇宙線の銀河磁場中起源は解明されていない。

でのラーモア半径は銀河円盤の半径程度であるた

提唱された加速機構における理論の中で、現在め、もし銀河系内起源であれば、その到来方向分最も有力な候補として考えられているのは、無衝

布は銀河面との強い相関を示すことになる。しか突衝撃波でのフェルミ加速(FA)理論である[6]。宇しそのような異方性は観測されておらず極めて等宙空間では平均自由行程が長いため、衝撃波は形方的であるため、宇宙線が銀河系内起源から銀河成されないと考えられてきた。しかし、観測技術系外起源への変化を表すものとして解釈されていの発展により、宇宙空間でも衝撃波が存在するこる[5]。とが判明し、これを衝突由来ではない衝撃波とし1020 eV の宇宙線の源までの距離は、宇宙背景放て無衝突衝撃波と呼ぶのである。無衝突衝撃波は射の光子との相互作用によるエネルギー損失のた荷電粒子と電磁場の相互作用によって形成されるめに 50Mpc（約 1.5 億光年）は超えないと推定さため、再現実験には磁場が必須となる。

れている。これは宇宙論的なスケールでは比較的磁場フェルミ加速理論によると、 衝撃波近傍近傍にその起源があることが期待される。銀河系で運動する粒子は磁場の波の影響を受けるが、磁近傍での天体の分布は一様ではなく宇宙の大規模場に揺らぎがあると磁気鏡の要領で粒子は散乱さ構造を反映しているため、もし宇宙線が天体で加れる。宇宙線粒子は散乱体である磁場と上流で正速されているならば、その到来方向分布には近傍面衝突によりエネルギーを増し、下流では追突にでの銀河分布との相関が表れるはずである。図 2よりエネルギーを失う。しかし散乱体の速度は上20は 10 eV 以上の超高エネルギー宇宙線の到来方向流の方が下流よりも速いために、 上流と下流の間を銀河座標で示したものである。

を一往復すると必ずエネルギーを得ることになる。
実際には大部分の粒子 (図 3 中の粒子 B) は背景プラズマの流れにのって下流方向へ流されエネルギーを得ることはないが、一部の粒子 (図 3 中のA) が衝撃波面を何度も横切り加速されるのである[7]。

図 2 1020eV 以上の超高エネルギー宇宙線の到来方向[5]塗りつぶされた領域は AGASA では観測できない領域を示している。この図から、50Mpc 以内では宇宙線を 1020eV 以上にエネルギー領域まで加速2度の高真空を保てるようにし、薄いプラスチック膜でこの高真空状態と実験背景となる低気圧状態を分ける装置を製作した。装置の概要図を図 4 に示す。磁場電流は、初期電気エネルギー貯蔵のコンデンサ部からレーザートリガースイッチを通し１列あたり 5kA で 20kV の電気パルスを発生させ、それを導波路部で並列に繋ぎ変えることで 20kAの電流を駆動できるようにした。大型レーザー実験では、半径 1m 弱の低気圧ガスを封入したターゲットチャンバー内に、この電気パルスを伝播さ図 3 衝撃波粒子加速機構(FA)の模式図[7]せる必要があるので、導波路は２m 程度のステン
フェルミ加速の最も重要な未解決問題の一つ

レス製ダクト内にいれ、中をターボポンプで高真は粒子の「注入問題」である。被加速粒子は、衝空状態にした。磁場発生部とプラズマ生成ターゲ撃波面を自由に横切るに十分なエネルギーまで一ットは、数 mm 以下に配置する必要がある。その旦加速されていなければならない。しかし、このため、この金属ダクトの先に、100μm 厚程度の熱予備的加速の機構は衝撃波近傍での複雑なプラズ収縮性誘電体チューブで導波路を囲い高真空状態マ過程に支配されているため、理解は困難を極めを保てる構造とした。これにより単一コイルで 2ている。そのため、 衝撃波で加速される粒子の総Torr という最も厳しいとされる低気圧雰囲気ガス量（注入効率）は、シミュレーションによるモデ中にて 4.9 Tesla の磁場発生に成功した。

ルの提唱は進められているものの観測的に推定するしか方法がないというのが現状である。最近の観測結果は個々には非線形モデルを支持するという主張が多いが、それら個々の結論をつき合わせると矛盾点も見えてきており、現在のところ確立したとは言い難く解釈はなかなか決着しない[7]。
このように無衝突衝撃波でのフェルミ加速の研究は数値シミュレーションにほとんど制限され

図 4 磁場発生装置の概要図ており、経験的検証は不十分であるといえる。また、観測の問題点として、現象における初期の相磁化プラズマの生成実験では、当然プラズマ膨互作用を捉えることができないことが挙げられる。

張部に一様な磁場を発生させる必要がある。そのよって、これらの現象を実験室内で再現する実験

ため次に、コイルをヘルムホルツ型にするために、室天文学実験は、超高エネルギー宇宙線の起源を導波路からの給電路を直列になるように 2 つのコ理解するために非常に重要である。

イルを設置し、その双方を前述の熱収縮チューブでシンクシールできる構造にした。この結果、ピ3.

低気圧ガス中での磁場発生システ

ーク磁場強度 1.3 Tesla、均一度 30%の磁場を発生ムさせることに成功した。図 5 に測定した磁場強度課題となる放電を回避する手法として、電圧がの分布を示した。

印加されるコイル部を絶縁条件がいい 10-4Torr 程3図 6 無衝突衝撃波の生成

無衝突衝撃波の観測として、別途用意された Q
スイッチパルスレーザーを用いたシャドウグラフでプラズマ膨張の様子を、衝突部の電子温度、密度をトムソン散乱分光計測で、プラズマ自体の温度を自発光による輻射温度計測により行った。測定系の概要を図 7 に示している。実験はチャンバーの中央（以下、Target Chamber Center の略で TCC

図 5 磁場強度の分布という）で行われ、図 7 では TCC になるコイルの4.

位置を輪で示してある。

高出力レーザーによる無衝突衝撃波の生成作製した磁場発生装置を用いて、磁化プラズマ中を伝搬する無衝突衝撃波の生成実験を、大阪大学の大型レーザー装置である激光Ⅻ号を用い、青山学院大学、大阪大学、九州大学などとの共同研究実験として行った。実験方法としては、真空チャンバーの内部を 5Torr の窒素ガスで満たし、ア

図 7 計測系の概要

ルミターゲットターゲットに kJ 級のレーザーを照射した際に発生する輻射により、輻射電離過程をコイルの設置姿勢の要求で、上述の観測系全て使って電離させ背景プラズマとする。ターゲットに干渉せず、かつメインレーザーに対して 15 度傾のアルミはレーザーアブレーションにより高速プ

け た 姿勢 で保 持し な けれ ばな らな い。そ こ でラズマ流となり、あらかじめ印加してある磁場中3DCAD 図面にて測定系との整合を取りながら設を膨張する。この時、前述のラーマ―半径対平均計を行い、設置治具を作製した。治具の設計図及自由工程比が 1 より十分に小さければ、膨張するび作製した治具を図 8 に示した。

プラズマは磁化プラズマとなり、無衝突衝撃波になる。図 6 に概要図を示す。

図 8 治具の設計イメージと作製した治具作製した治具の有用性を確かめるために、事前実験にて実際に治具を付けて導入した際のコイルの姿勢と、3DCAD 上で想定されるコイルの姿勢を比較した。この結果。作製した治具は理想的なコ4

イル姿勢を保持できることが確認された。図 9 に比較画像を示した。

図9

図 10 ショット前後のコイル部の様子

CAD と実際に撮影した映像との比較

今回新たに得られた知見として、kJ レーザーシ作製した実験系を用いて実際に実験を行おう

ョット時にのみ片側のコイル中央にて貫通穴が生としたところ、先端のガスが抜けきらず、放電のじることがわかった。これは、kJ レーザー照射以ため磁場のピーク強度を設計より下げた 0.5 Tesla外の試験時には起きないことであり、このことかとして行うこととなった。ターゲットにメインレらレーザープラズマ実験における磁場の影響は予ーザーとなる kJ レーザーを照射した際に、ターゲ想以上に大きかったといえる。破損が生じた原因

ットの前後とも高速のプラズマを吹き出すため、として、核融合の研究にてよく知られる磁気ミラコイル部の保護が必要となる。このため、コイルー系（図 11）の損失と同様の現象が生じたのではの真空を保持するチューブに接着性の樹脂の塗布ないかと推察する[8]。磁気ミラー系では、二つのを行った。kJ レーザーのショット後、この塗布しコイルによる磁力線でプラズマを閉じ込めるが、た樹脂が部分的に剥がれ、コイル部がリークしてある条件で強磁場部からプラズマが抜けてしまういることが判明した。

ことがよく知られている。本実験においても、kJ実験としては、その後、磁場の影響を調べるたレーザーにより生じた高温のアブレーションプラめに、このコイル装置を導入したまま kJ レーザーズマが、磁力線に沿って運動し、最終的にミラーのショットを行った。その後コイル部を引き上げ、磁場の端部のようにコイル中心の磁力線が集中し目視による観測をしたところ、コイル部のチューている部分に衝突し、結果保護チューブの破壊がブ全体が真っ黒に変色していることが分かった。

起きたと考えられる。

コイル部分のチューブの様子を図 10 に示す。黒い成分は、微粒子化されたアルミと考えられるが、プラスティックフィルムの表面につく限りは、コイル動作には影響を及ぼすことはないと思われる。
実際に、磁場のあるなしでプラズマ膨張の計測データの違いを見たが、残念ながら大きな差はないものであった。これは、他のショットで得られた膨張プラズマの温度 35eV と磁場強度 0.5Tesla から

図 11 磁気ミラー系の概要図[8]考えると、磁場圧力が熱圧力の 10%程度でしかなく、パラメータ的には予測の領域であった。

磁気ミラー系では損失は両端で生じるのに対し、片側のみチューブが破損したのは、セットアップ上の都合でアルミターゲットがコイルに対し5

完全な垂直ではないため、片側のコイルによりアブレーションプラズマが吹き付けられたためと考

参考文献

えられる。

[1] D. B. Schaeffer, W. Fox, D. Haberberger, G.
Fiksel, A. Bhattacharjee, D. H. Barnak, S. X. Hu,

5.

まとめと今後の展望

and K. Germaschewski, Physical Review Letters
119, 025001 (2017).

本研究では、フェルミ加速理論の実証のための[2] R.D. Blandford and D. Eichler: Phys. Rep. 154

無衝突衝撃波の生成を目指し、低気圧ガス中での(1987)

磁場発生装置の作製と、それを用いた無衝突衝撃[3] V.

波生成実験を行った。磁場発生装置の作製では、

F.

Hess.

“Über

Beobachtungen

コイル部を別途フレキシブルな誘電体のチューブ

durchdringenden

Strahlungにより囲うことで、コイル末端部まで高真空状態Freiballonfahrten.”

Physikalischeを保てる構造とすることで絶縁破壊の問題を解決

13:1084-1091, November (1912).

beidersieben

Zeitschrift,[4] R. H. Dicke, P. J. E. Peebles, P. G. Roll and D. T.

し、2Torr という低気圧ガス中にて 4.9Tesla の磁場発生に成功した。更に実験で必要な一様な磁場をWilkinson,得るためヘルムホルツ型コイルも作製し、均一度Radiation," Astrophysics Journal 142 (1965), 414.

30%、ピーク強度 1.3Tesla の磁場発生に成功した。

[5] 竹田成宏

作製した磁場発生装置を用いて、磁化プラズマ"CosmicBlack-Body

宇宙線のエネルギースペクトルはどこまでのびるか

日本物理学会誌第 54 巻

第 1 号 41-43 頁(1999)

中を伝搬する無衝突衝撃波の生成実験を、大阪大[6] R.D. Blandford and D. Eichler: Phys. Rep. 154

学の大型レーザー装置である激光Ⅻ号を用いて行(1987) 1った。実験の結果コイルを覆うチューブに破損が[7] 山崎了 銀河宇宙線の起源に迫る : 理論・観生じてしまったが、磁場を印加したレーザー照射実験を行うことができた。

測研究の最近の進展

日本物理学会誌第 64

巻第 3 号 196-200 頁(2009)

今後の展望として、要求値通りの磁場の生成が[8] 河辺隆也, 日本物理学会誌 36, 3, 206(1981)

出来るよう治具の設計を見直し、かつ磁場の繰り返し印加を可能にするための対策を行う。

6