プラズマ中の非線型波動と粒子加速

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課題はプラズマ中の非線形現象と粒子加速に関する研究であるが、特に、超短パルス高出力電磁波とプラズマとの相互作用による高エネルギーイオン加速器の開発と関連する非線形現象に関する研究をおこなった。よく知られているようにプラズマ中に高出力超短パルスレーザーを伝播させると、その後方に航跡場と呼ばれるプラズマ波が励起される。この航跡場を用いた電子加速では、電子が軽いため電子の速度は容易に光速cに近くなり加速も比較的容易にできる。しかし、イオンは重いため、初期速度を光速cに近づけることは容易ではなく、したがって電子の加速原理をそのまま使用することは困難である。本研究では、イオンに関するプラズマ利用加速の提案とその理論的検討を行った。短パルスの高出力のマイクロ波をプラズマで満たされた導波管中を伝搬させ、マイクロ波のポンデロモーティブ力によって励起されるプラズマ航跡場の電場によって、外部から入射した粒子を加速させることができるかを理論的に詳細に検証した。その際、プラズマイオンの運動を考慮することにより、導波管内部の電場強度分布の変動も詳細に計算した。一例を挙げるとプラズマが満たされた導波管内に励起されるH_<10>モードの電場を利用したイオン(プロトン)加速について検討した結果、マイクロ波強度1MW/cm^2、周波数29.43GHzのマイクロ波と密度1×10^<13>cm^<-3>のプラズマで充たされた導波管内で相互作用させると、43.4MeV/mの加速勾配が得られることを示した。この値は従来方式の空胴型加速器の典型的な加速勾配10MeV/mの数倍にあたり、従来にない小型のイオン加速器が製作できる可能性を示した。このアイデアは従来無かった方式であり、画期的である。