4-14　高強度レーザーを用いた準単色エネルギー電子ビームの生成

−レーザー加速による高品質電子ビーム源の開発−

高強度レーザーにより生成されるプラズマ中の高電場 （ウェーク場）を用いて小型超短パルスの高品質電子ビーム源をつくることが可能となります（レーザー加速：図4-30）。本電子ビームは、高品質でパルス幅が短いため、次世代の加速器のための高品質電子ビーム源や構造変化の測定などへの実用化が考えられています。

パルス幅が70 fs（フェムト秒：フェムトは10⁻¹⁵）で3 TW （テラワット：テラは10¹²）の出力を持つレーザーを用いて、電子ビーム発生実験を行いました。図4-31に電子ビームのプロファイル、図4-32にエネルギースペクトルを示します。本実験により、広がり角 7．5mradと非常に指向性が良い、ピークエネルギー20 MeVの準単色エネルギーの電子ビームの発生に成功しました。電子ビームのエミッタンスは 0．4 πmm mradであり、1ショットあたりの電荷量は 0．8vpC（ピコクーロン：ピコは10⁻¹²）になります。本電子ビーム源は、現在の加速器に比べて小型 ・高品質であり、レーザー集光強度10¹⁸ W/cm²未満という低強度での準単色エネルギー電子ビーム生成は世界初となります。使用するプラズマの周期が数十フェムト秒と非常に短いため、10 fs程度のパルス幅の電子ビーム生成がされ、高速現象計測に応用できます。

応用のためには電子ビーム生成の安定化が今後の課題です。これを解決するために、理論解析とシミュレーションによる研究を行いました。1つのレーザーパルスでは、初期のパラメータ変動に対して、生成される電子ビームが敏感であり、安定な電子ビーム生成が難しく発生が不安定となります。そこで、2つのパルスをプラズマ中で正面衝突させる方式の高品質電子ビーム生成を提案しました。2パルス衝突により、生成の安定領域をつくることが可能となり、再 現性の良い高品質電子ビーム生成が可能であることを明らかにしました。

これらの研究は、レーザープラズマ相互作用による小型・高品質電子ビーム源を現実のものとし、電子ビーム応用研究へと進展をもたらす結果であります。

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