第4章 経済・社会の高度化に寄与する光 2 光による粒子の加速

独立行政法人日本原子力研究開発機構量子ビーム応用研究部門長 加藤 義章

2-1 はじめに

 電磁波である光は、光子と呼ばれる光の粒子の集まりである。光子は「ボース粒子」と呼ばれ、進行方向、周波数(波長)、偏光などで決まる一つの波の状態に、無限に多くの粒子を入れることができる。一つの波に多数の粒子が入った状態は「ボース・アインシュタイン凝縮(BEC)」と呼ばれる。(超流動は、ヘリウムのBECにより生じる。1995年には理想的なBECがアルカリ原子のレーザー冷却により生成され、コーネル、ワイマン、ケターレが2001年度ノーベル物理学賞を受賞した。)我々が日常浴びている太陽光や照明光では、進行方向や波長などが異なる極めて多くの波に光子が分散されており、一つの波に入っている光子の数はせいぜい数個程度である。これと異なりレーザー光は、まさにBEC状態の光で、出力1ワットのレーザー光の場合、約1018個/秒もの光子が一つあるいは少数の波に集中して伝播しており、その結果非常に大きな振幅のきれいな波(完全に制御されたコヒーレントな波)となっている。この性質を生かし、情報の高速送受信、物質の詳細な状態の測定と制御、無侵襲性の治療、極低温や超高温状態の生成など、極めて多様な応用が開発され、科学技術に極めて大きなインパクトを与えてきた(注1)。
 光子は、電子や陽子などと異なり質量はゼロであるが、エネルギーを持っているので、光速でエネルギーを運び、物質に伝えることができる。物質は、光を吸収あるいは反射する過程で、光から圧力を受ける。光の圧力は通常はきわめて弱くこれを測定するのも困難であるが、光が極めて強くなると物質を動かすこともできるようになる。光による粒子の加速は1970年代に既に提案されていたが、最近になってようやく、小型レーザーによる高エネルギー単色電子の生成と制御が実証され、レーザー粒子加速の利用に関する本格化な検討が可能になってきた。一方、現在の加速器は、マイクロ波やラジオ波で生成した強い電界で電子やイオンを加速しているが、高性能化に伴い装置が大型化し、建設・維持コストが限界に近づきつつある。このため、原理的に小型化が可能な、光による粒子加速器実現への期待が高まっている。
 電気の利用分野を大別して弱電と強電と呼ぶことがあるが、光の利用分野も情報の伝達や測定を主とする「弱い光」と、光で物質状態を変える「強い光」に大別することができる。本稿では、強い光で可能になる、粒子の加速とその利用について述べる。

2-2 加速器の利用

 加速器は、産業、医療、基礎科学分野で広く利用されている(注2)。高エネルギーの粒子や電磁波(X線)は、透過能が大きく波長が短いので、物質内部の原子構造の観測に適している。また物質に大きなエネルギーを与えることができるので、構造の変化や新機能創出が可能になる。加速器で生成されるビームの品質(指向性、単色性、強度など)の向上に伴い、より高度な利用が可能になり、新たな利用分野が拓かれてきた。
 産業分野では、物質の特性改善や新機能付与のための電子線照射、半導体へのイオン注入、放射光によるマイクロマシーン製造などのビーム利用が、確立されてきた(注3)。一方、最近大きく進歩しているのが医療分野における粒子線がん治療である(注4)。粒子線がん治療は、陽子線や炭素イオン線を人体に照射し、体内深部のがん細胞を破壊する治療法である。図1に示すように、粒子線はX線と異なり、一定距離を伝播した後でエネルギーを急速に失う性質をもっている。この特性を利用し、標的とするがん細胞のみを集中的に照射し、それ以外の正常な細胞への照射線量を少くすることができる。粒子線治療は、放射線障害を起こしにくく、かつ効果的にがん細胞を破壊できるため、手術や化学療法を必要としない体に優しい治療法として、急速に普及しつつある。しかし、加速器本体、及び加速器から患者までイオンビームを輸送する装置が大規模で高価となり、広い普及が困難であるため、小型・低価格装置の開発が望まれている。

図1 各種放射線の生体内における線量分布の比較
図1 各種放射線の生体内における線量分布の比較

 高エネルギー物理学は、素粒子の探求を通じて、自然界の法則や宇宙の起源の解明などに関する未解明の課題への取り組みが続けられ、加速器のさらなる高エネルギー化が進められている。現在、世界最大の加速器は、7TeVの陽子同士を正面衝突させるCERNのLHCで、2008年から稼動開始され、質量の起源となるヒッグス粒子の発見が期待されている。LHCは円形で、その周長は山手線(一周34.5km)に近い27kmで、ジュネーブ市郊外の地下100mに設置されている。さらに、エネルギーが500GeVの電子と陽電子を正面衝突させる全長約50kmの直線加速器「リニアーコライダー」に関する検討が、国際共同プロジェクトとして進められている。

2-3 高出力レーザー

 本稿の主題である「強い光」を発生する超短パルス高出力レーザーについて述べる。短時間に発振するパルスレーザーのパルス当りのエネルギーをE、パルス幅をτとすると、ピーク出力はP(W)=E(J)/τ(s)で与えられる。また出力Pのレーザー光を面積Sに集光すると、集光部での強度はI(W/cm2)=P(W)/S(cm2)となる。レーザー装置の大きさは、レーザー媒質を決めると、エネルギーEにほぼ比例する。したがって小型のレーザーでも、τを小さくすることでPを大きくできる。レーザー光のスペクトル幅をΔνとすると、パルス幅はτ(σ)=Δν(σ-1)で与えられるので、帯域幅の広いレーザー媒質を用いれば、パルス幅を短くでき、その結果、極めて出力と強度の高い光を生成することができる。レーザー光は回折限界にまで集光できるので、例えば出力Pのレーザー光を直径約10ミクロンに集光すると、強度はほぼI(W/cm2)=106P(W)となる。
 高出力超短パルスレーザー光は、広帯域媒質を用いたレーザー発振器・増幅器システムにおいて、チャープパルス増幅法(注5)により生成される(図2)。発振器で生成した超短パルス光をそのまま増幅すると、強いレーザー光により光学部品が破壊される。そこで、発振器で生成した超短パルスレーザー光のパルス幅を103~104倍に拡張して時間的に長く強度が低い光に変換し、強度を一定値以下に保ちつつ増幅し、増幅後に再度パルス幅を短く(パルス圧縮)して、ピーク強度の高いレーザー光とする。超短パルス光は広いスペクトルの光の重ね合わせでできているので、これを回折格子で分散させ波長により異なる光路長をとるようにすると、時間的に長く周波数掃引された(チャープされた)パルスに変換される。増幅後はこれと逆の操作を行い、周波数掃引を元に戻し、短いパルスを回復する。

図2 チャープパルス増幅による高出力レーザー光の生成
図2 チャープパルス増幅による高出力レーザー光の生成

 図3にピーク出力が850TWと世界最高出力の超短パルスレーザーを示す。このレーザーは、ピーク出力は高いがパルス幅は19fsと短く、エネルギーは約40Jに過ぎないので、装置を小型化でき、繰り返し動作も可能となる。850TWのレーザー光を反射鏡により直径10ミクロンに集光すると、集光点での強度は約1021W/cm2に達する。

図3:高出力超短パルスレーザー(日本原子力研究開発機構)
図3:高出力超短パルスレーザー(日本原子力研究開発機構)

 図4に、レーザー光の強度の進歩を示す。レーザーは1960年の発明以来、Qスイッチ法によりナノ秒(10-9秒)、モード同期法によりピコ秒(10-12秒)の短パルス光の生成が可能になり、高ピーク出力化が進められた。1970年代に至り強度は横ばいになったが、チャープパルス増幅法の発明とチタンサファイアなど広帯域レーザー結晶の開発により、フェムト秒(10-15秒)域のレーザー光の生成と増幅が可能になった。このため、1990年代から再度レーザーの高出力化が進み、最近では10~100TW級レーザーが市販され、エキサワット(EW=1018W)レーザーの開発も欧州で検討されている。

図4 超高強度域への展開
図4 超高強度域への展開(図右の数字は、光で駆動された振動により電子が得るエネルギー)

 レーザー光の強度に依存して、物質との相互作用が大きく異なる。レーザー光の電磁場により粒子はローレンツ力Fを受ける。
 F=e[E+(v/c)×B] (1)
 ここに、eは粒子の電荷、cは光速、E、Bは光の電界と磁界で、vは光電界(上式第一項)により粒子が振動する時の速度を表す。強度が約1015W/cm2以上になると、光電界の方が、電子が原子核から受ける電界より大きくなり、電子は光で直接電離される。光がさらに強くなると、電子が得る振動エネルギーが大きくなると共に、速度も光速に近くなる。(1)式で、通常はv<<cのため第二項は無視できるが、vがcに近くなると第一項と同程度の大きさになる。第二項はz方向の力であるので、粒子は前方に加速される(図5)。このように相対論的効果が顕著になる領域を相対論的域と呼び、レーザー波長が約1ミクロンの場合、電子では2×1018W/cm2、陽子では4×1021W/cm2で相対論域に入る。さらに1029W/cm2域に入ると、真空から電子と陽電子が生まれるなど真空の非線形性が表れるようになる。

図5:相対論域における粒子の加速
図5:相対論域における粒子の加速

2-4 電界による粒子の加速

 電子や陽子など電荷を持つ粒子は、強い電界により加速することができる。電極に高電圧をかけて粒子を加速する静電型加速器では、高圧電極から周辺部への放電により印加できる最大電圧が制限され、加速可能な最大エネルギーも限られる。一方、時間的に変化する磁界を用いて電車を動かすリニアモーターカーと同様な方法で、ラジオ波~マイクロ波域の交流電界を用い、粒子が常に加速されるように電界をかけて、荷電粒子を連続的に加速し、極めて高いエネルギーにすることができる。電子加速器では空洞共振器を用い、高周波との共振で空洞内に生じる強い電界により電子を加速する。波長の短い(周波数の高い)高周波を用いると、加速勾配を大きくし加速器を小型化できる。リニアコライダーでは、波長が約3cmの10GHz帯(Xバンド)の使用が計画されている。このような加速器では、共振器内の強い電界により空洞を構成する金属が絶縁破壊を起し、加速勾配は100MeV/m程度が限界となる。このため、電子と陽電子を500GeVまで加速するには夫々10km以上の加速距離が必要となり、ビーム収束等の機能を加え全長は約50kmとなる。
 加速器を大幅に小型化する方法として、「レーザー電子加速器」が田島、Dawsonにより1979年に提案された(注6)。レーザー電子加速の原理を図6(a)に示す。強いレーザー光が低圧気体中を伝播すると、気体が電離し電子とイオンで構成されるプラズマ状態となるが、光の圧力で電子が押しのけられ、その結果電子の粗密波(プラズマ波)が生じる。超短パルスレーザー光の空間的長さがプラズマ波長(プラズマ密度1018cm-3において30μm)より短いと、大振幅のプラズマ波が励起される。伝播するレーザー光の跡に生じるこのプラズマ波は「レーザー航跡波」と呼ばれ、レーザー光とほぼ同じ速度で進む。プラズマは既に電離しているので、空洞共振器で問題となる絶縁破壊は制限要因とならない。大振幅プラズマ波の極めて強い電界下におかれた電子は、サーファーが波に乗って進むように効率よく加速され、波と共に進む(図6(b))。プラズマ波は、空洞共振器の加速勾配の約1,000倍に当る100GV/mもの大きな加速電界を維持できる。したがってこれを実現できれば、加速器を大幅に小型化できることになる。電界がかかる距離30μmは10THzの電磁波の波長に相当するので、レーザー加速器は空洞共振器の代りにプラズマ波を用いたテラヘルツ帯の加速器と見ることができる。

図6 レーザー電子加速の原理(a) 図6 レーザー電子加速の原理(b)
図6 レーザー電子加速の原理 (a)プラズマ波で生成された電界による電子加速は、(b)サーフィンと類似。

2-5 レーザー電子加速の実現

 Strickland,Mourouにより1986年に提案されたチャープパルス増幅(注5)は、加藤等によりレーザー核融合用の高出力Ndガラスレーザーに初めて適用され(注7)、それを用いた先駆的な電子加速実験が中島等により行われた(注8)。その後ガラスレーザーより短いパルスを生成できるチタンサファイアレーザーを用いた実験も行われたが、生成される電子のエネルギーは連続的に分布し、単一エネルギー(単色)電子の生成は実現されていなかった。しかし、2003~2004年に至り、欧米の複数の機関(注9)(注10)(注11)や産業技術総合研究所(注12)で単色電子が生成され、”夢のビーム-小型加速器の夜明け-”としてNature誌の表紙を飾ることとなった(図7)。この方法では、例えば図8(a)に示すように、長さが1mm程度のガスジェットにレーザー光を集光することで、広がりが数ミリラジアンと極めて指向性の良い電子ビームが生成される(注13)。

図7 “Dream Beam”と題されたNature誌
図7 “Dream Beam”と題されたNature誌(2004年9月30日)

 図8(a)の配置ではレーザー光の回折広がりにより加速距離が制限されるが、Leemans等は細管中にプラズマを作りレーザー光の導波路とすることでレーザー光の発散を抑え、加速距離を長くした(図8(b))。ピーク出力40TWの小型レーザーを用いて実験を行った結果、長さが3cmの細管を用い、エネルギー1GeVの単色電子の生成に成功した(注14)。電子が3cmにわたって徐々に加速されたとすると、このデータは30GeV/mの加速勾配に相当する。(実際は光路の一部で加速されていると考えられるので、加速勾配はもっと大きくなる。)さらに、レーザー光と対向する方向から弱いレーザー光を入れ、加速される電子の生成を制御する方法も開発され、電子加速の再現性が格段に向上した(注15)。これらの研究の積み重ねにより、レーザー電子加速の基礎が確立され、10GeV電子生成は時間の問題となり、TeV域の電子生成も見通せる段階となった。

図8 レーザー電子加速の配置(a)
図8 レーザー電子加速の配置(b)
図8 レーザー電子加速の配置((a)ガスジェットを使用(注13)、(b)プラズマ導波路を使用(注14))

 レーザー加速で生成される電子ビームは、電子数が大きく(約3×109個=0.3nC)、角度広がりは数mradと加速器で生成される高品質ビームと同程度に小さく、かつパルス幅が約10fsときわめて短い。また、電子ビームと同時に、強いテラヘルツ波が発生する。更に、電子ビームをアンジュレータに導きkeV域のX線を生成し、あるいは電子ビームとレーザー光を衝突させて硬X線を生成することも可能である。すなわち、極めて小型の装置により、フェムト秒の高エネルギー・高輝度電子ビームと、テラヘルツ~X線域の超短パルス光を、完全に同期をとって発生することができる。したがって、フェムト秒時間分解・ナノメートル空間分解の構造解析など、従来の加速器では困難であった多様な新しい応用が開かれることになろう。

2-6 光による高エネルギーイオンビームの生成

 高強度レーザー光により、電子より重いイオンを加速することもできる。図9に示すように、レーザー光を薄膜に照射すると、レーザー光の圧力で生成された大電流の高速電子がその後面に小さな発散角で飛び出す。この電子流により生じる非常に強い電界によりイオンが加速され、高いエネルギーのイオンが生成される。小型レーザーを用いた実験で、最大エネルギー4MeVのイオンが生成されており、PW級レーザーを用いれば100MeV級のイオンを生成できることが、シミュレーション計算で予測されている(注16)。通常は最も加速されやすい陽子が観測されるが、水の吸着を除いた薄膜を用いると、炭素イオンビームを作ることもできる。

図9 レーザー光による高エネルギーイオンの生成
図9 レーザー光による高エネルギーイオンの生成
(左)実験配置例、(右)世界の研究機関で得られている実験データ(青はフェムト秒レーザー、赤はピコ秒レーザーで得られた結果)

 小型の粒子線がん治療システムの開発を目指し、レーザー駆動イオン加速器の開発が米国、フランス等で開始されており、わが国でも新しいプロジェクトが発足した(注17)。レーザー駆動陽子線治療器の概念を図10に示す。レーザーを用いるとイオン生成部が小型化されるだけでなく、レーザー光を反射鏡等により患者の近くまで伝送した後に陽子を生成することができるので、加速器システムで必要とされる大規模なイオンビーム伝送部が不要になり、したがって装置全体を大幅に小型化できる。

図10 レーザー駆動粒子線治療器(概念図)
図10 レーザー駆動粒子線治療器(概念図)

 なお、光強度が非常に強くなり、イオンの相対論域(陽子では4×1021W/cm2)に入ると、電子を介さなくても、光の圧力によりイオンが直接加速され、GeV級の陽子が殆ど広がらずに前方に飛び出すようになる。この領域が実現できると、従来大型加速器を必要としたイオンビームの生成と利用は大きな転換を遂げることになろう。

2-7 まとめ

 高エネルギー加速器は、科学技術、産業、医療分野の開拓に大きな役割を果たしている。しかし装置の大型化に伴う限界が表れ始めているため、より小型の加速器の開発が望まれている。高出力レーザー光を集光して生成される極めて高い電界で粒子を加速するレーザー粒子加速は、加速器を大幅に小型化できる可能性があり、生成される超短パルスの粒子線やX線により、新しい応用分野が開かれる可能性もある。
 最近、レーザー電子加速により、エネルギー1GeVの単色電子が生成され、約30年前に提案されたコンセプトがようやく実証された。これにより、TeV域の電子生成の道筋が開かれ、本格的な取り組みが必要な段階に入ってきた。また、高強度レーザーによる高エネルギーイオン生成の研究も進められ、粒子線がん治療器の小型化を目指したプロジェクトが開始されている。
 高出力レーザーは、半導体産業を始め、自動車、製鉄、電力、原子力などの分野でも使用され、製造技術の革新をもたらしている(注1)。レーザー加速の実用化に必要とされる高効率・高出力レーザーは、産業用レーザーと共通の要素が多いので、相互に連携して開発を進めることで、科学技術と産業の最先端を共に切り開くことができよう。

参考文献

(注1)「光科学技術の最前線」編集委員会編、「光科学研究の最前線」、強光子場科学研究懇談会(2005).
(注2)世界物理年フォーラム「量子ビーム・テクノロジー革命」実行委員会編、「量子ビーム・テクノロジー革命」、シュプリンガー・ジャパン(2006).
(注3)高橋直樹、「量子ビーム技術の産業応用について」、文献2)、pp.141-158.
(注4)辻井博彦、「医学分野における量子ビームの利用」、文献2)、pp.71-81.
(注5)D.Strickland and G. Mourou, Opt. Commun. 56, 212(1986).
(注6)T.Tajima and J.M. Dawson, Phys. Rev. Lett. 43, 267(1979).
(注7)K.Yamakawa, H. Shiraga, Y. Kato and C.P.J. Barty, Opt. Lett. 16, 1593(1991).
(注8)K.Nakajima, et al., Phys. Rev. Lett. 74, 4428(1995).
(注9)S.P.D.Mangles, et al., Nature 431, 535(2004).
(注10)C.G.R.Geddes, et al., Nature 431, 538(2004).
(注11)J.Faure et al., Nature 431, 541(2004).
(注12)E.Miura, et al., Appl. Phys. Lett. 86, 251501 2005).
(注13)M.Mori, et al., Phys. Lett. A356, 146(2006).
(注14)W.P.Leemans, et al., Nature Phys. 2, 696(2006).
(注15)J.Faure, et al., Nature 444, 737(2006).
(注16)T.Esirkepov, et al., Phys. Rev. Lett, 96, 105001 (2006).
(注17)文部科学省先端融合領域イノベーション創出拠点の形成:「光医療産業バレー」拠点創出.

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