レーザー加速器による近未来のX線光源〜SOLEILが弱点を克服

これまで何度か取り上げてきたレーザープラズマ加速器の検証実験が相次ぐとともに新しい原理も加わって、かつての放射光の開発が加速した時代を彷彿とさせる。レーザープラズマの理解も大強度レーザーの進展とともに急速に進み、遠い宇宙の物理だと思われてきた物質とプラズマの相互作用が加速器の原理として一般化する兆しさえ見えてきた(加速器新技術によるコンパクトX線光源〜その1: レーザー・ウエークフイールド)。

 

進化したレーザー加速器

X線発生源への応用の最近の進展を見ると、コンパクトな強力X線源が普及する日が遠くないことを暗示しているかのようだ。放射光の出現から認識されていた、高輝度ビームは大型施設でしか実現できない、という弱点を克服して、加速器はレーザーの時代となるとする見方も着実に増えてきた。破壊的イノベーションの登場で社会はジレンマに陥るというが、いま我々直面しているのは、そういう激動の時代なのかもしれない。

ここではレーザープラズマ加速器、すなわち光で電子が加速される原理については特集記事を参考にしていただくことにして、最近の発展についてSOLEILグループの仕事を紹介する。SOLEILは第3世代放射光としては、規模はやや小ぶりな印象だが、加速器グループはアップグレードで72pmradのエミッタンスを目標とした先進的なラテイスの研究開発を行い、欧州の第3世代光源からの評価も高い。また加速器グループの国際共同研究も盛んで、レーザープラズマ加速器の仕事もそうした国際協力抜きには成り立たない。

 

レーザーウエークフイールドによる加速原理(LWFA)

ここでいうレーザー加速器の原理はレーザーウエークフイールドによる加速原理(LWFA)である。LWFAの最大の特徴は加速勾配(エネルギーゲイン)フェムト秒スケールの短パルス特性で、1cmあたり1GeVまで加速できる原理は他にはない。数kmオーダーの直線加速器が研究棟に収まってしまう。

またLWFAによる加速器は、超高速電子線回折、多段コライダーおよび放射線源(ベータトロン、コンプトン、無発生電子線、自由電子レーザー)などの用途に有望である。しかし、これらの応用の中には、LWFAのビームの質、例えば①エネルギーの広がり、②発散、③ショット間の時間変動などが大幅に改善される必要があった。

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Credit: Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)

 

SOLEIL加速器グループの取り組み

SOLEILの研究チームは、専用の輸送ラインを設置できれば、これらの弱点を軽減できるとし、現在得られているLWFAビームのビーム縦方向および横方向位相空間の制御が可能であることを示した(Andre et al., Nature Comm. 9: 1334, 2018)。具体的には、特別に設計された可変強度四重極磁石によって軌道誤差を個別に修正し、分散を極小に抑え、磁気シケインのスリットを通過する有効エネルギー範囲を最適化した。

 

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Credit: Nature Comm.

研究チームは最適化された電子ビームは、8mの専用輸送ポートの後に設置したアンジュレータ放射光の観測に成功した。今回の結果は、ビーム品質を要求される応用分野でもLWFAが使得ることを実証したと言える。

 

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Credit: Nature Comm.

 

筆者は大出力レーザーの長期にわたるショットの再現性とジッターについて悲観的であったが、この研究に代表されるLWFAの研究進展は目を見張るものがあり、弱点はやがては克服されるとは思っていたが、開発のスピード感には驚きである。

裏を返せば先進国が例外なく財政危機にあって、国家も民間も投資が冷え込んでいることと加速器設計が高度化したため建設コストが限界にきたことが背景にある。もはやどの国をとっても一国でエネルギーフロンテイアに立つ衝突型加速器を建設することが難しくなっていることは明らかで、LWFAなどのコンパクト加速器技術は救世主なのかもしれない。

 

LWFAは破壊的イノベーション

LWFAの普及はひとつのテクノロジーの終焉と入れ替わりなのかもしれない。かつて地球上に君臨した恐竜が巨大化していき、最後にはそのために絶滅して小型生物に覇権が移った。これからの10年でLWFAがどう発展するか目が離せない。放射光の威力は疑いようのないものがあることは認知されているが、建設コストが数100億円、年間維持費がその1/10の施設が第一の壁であり、次にユーザーが出かけていくという集中研究方式は時代の要求に相反することが多いことも事実である。近未来のX線源はLWFAだけではないだろうが、コンパクト加速器が世界中に普及している時代は遠くないのではないだろうか。

 

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