超高電場下のプラズマ物性と粒子加速・放射源に関する基礎研究

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14208047
• 研究機関: 宇都宮大学
• 研究代表者: 西田 靖 宇都宮大学, 工学研究科, 教授 (00005315)
• 研究分担者: 川田 重夫 宇都宮大学, 工学部, 教授 (30150296) ; 伊藤 弘昭 宇都宮大学, 工学研究科, 助手 (70302445) ; 湯上 登 宇都宮大学, 工学研究科, 助教授 (60220521) ; 長澤 武 宇都宮大学, 工学部, 助教授 (10118440) ; 鈴木 光政 宇都宮大学, 工学研究科, 教授 (40091706)
• キーワード: イオン源 / IH型加速器 / 短パルス電磁波 / レーザー / テラヘルツ

研究概要

粒子加速
昨年度,レーザーによるイオン加速の実験を目標として,イオンの入射段加速器であるIH型加速器の概念設計が終了し,そのプロトタイプを製作した.このデータを元に,実証器の設計製作にフィードバックを行い,その実証器が完成した.
放射源
周期的に変化する電流は,周辺に電磁波を放射することができる.プラズマ中で伝搬する電子プラズマ波は,プラズマ密度nの平方根に比例したプラズマ周波数ω_pで振動しているので,その周波数の電磁波を放射することが可能である.しかし,その電磁波はプラズマの外,つまり実験室では観測できない.なぜなら,放射された電磁波の周波数ω_pがプラズマ中の電磁波のカットオフ周波数となっているため,プラズマ中で強く減衰されるからである.高密度プラズマでは,プラズマ波の電場も大きく,周波数も高いので,この電磁波が外部に取り出されれば,高出力・高周波の電磁波となりうる.
この原理では,放射電磁波の周波数は,プラズマ周波数程度であり,出力パワーは,印加静磁場と航跡場の振幅に依存し,MWクラスの電磁波放射源となる可能性を持ち,パルス幅は,プラズマ長を電磁波の群速度で伝搬する時問で決まる.このため,短パルス,高周波(ミリ波からテラヘルツ領域),高出力の次世代の放射源として期待されている.
実験では,周波数の異なる短パルス電磁波が観測され,その発生機構の解明を行った.モデルでは,イオンが発生した電場中を電子が振動することにより,このような短パルス電磁波が発生すると考えた.このモデルによる計算では,実験でで観測された周波数領域とほぼ同程度の結果を得た.

研究成果

• [文献書誌] D.Dorranian et al.: "Radiation from high-intensity ultrashort-laser-pulse and gas-jet magnetized plasma interaction"Physical Review E. 68. 026409 (2003)
• [文献書誌] Md.Kamal-Al-Hassan et al.: "Excitation of ion-wave wakefield by the resonant absorption of a short pulsed microwave with plasma"Physical Review E. 68. 036404 (2003)
• [文献書誌] Mikhail Starodubtsev et al.: "Low-frequency sheath instability of a disc probe in a plasma with energetic ion flux"Phys.Rev.Letts.. 92. 045003 (2004)
• [文献書誌] Md.Kamal-Al-Hassan et al.: "Observation of ion wave streamers and low frequency sheath instability by the resonant absorption due to nonlinear interaction of microwave-plasma"Phys.Plasmas. 11. 836 (2004)