量子メスに向けたレーザー駆動イオン型入射器の開発

榊				泰直

Sakaki Hironao

更なる普及を目指すには，都市部に，容易に設置可

1 はじめに能なサイズまで装置を小型化することが不可欠とな身体の奥深くにあるがん細胞を炭素等の重い元素る。

によって狙い撃ちする重粒子線治療は，ブラッグ

量子科学技術研究開発機構（QST）では 2016 年

ピークの高ピーク特性と治療時にビームが体内を通の量研の発足以来，「量子メス」と名付けた小型重過する際の散乱の少なさにより，がん細胞に線量を粒子線治療装置の開発プロジェクト 1）を立ち上げ，集中させることができるため，放射線治療の中でも第 1 世代装置といわれる旧放医研 HIMAC の 1/6 程優良治療に位置づけられる。しかし，この治療に用度のサイズを目指している。量子メスは，2 段階でいられる粒子加速器装置は直径 20 m ほどの設置床開発を進める。第 1 段階（第 4 世代）の開発では「現面積になることに加えて，装置の放射線遮蔽対策か状の常伝導磁石を用いたシンクロトロンと高周波加ら分厚い遮蔽壁が求められる。そのため巨大な装置速型イオン入射器」から，「超伝導シンクロトロン建屋が必要になるため，医療施設に導入する際，新と高周波加速型イオン入射器」の組合わせにするこたな建屋の建設という困難が伴う。重粒子線治療のとを目指す（図 1）。その間に，小型化の足かせとなっ

図1

各世代の重粒子線装置と量子メス構想との比較

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図2

レーザー駆動イオン加速の原理についての説明図ている高周波イオン加速法から新機軸のレーザー駆しターゲット薄膜に照射することで相互作用させ動イオン加速法に切り替えるために，この手法を社『レーザー光の電磁場をイオン加速電場にエネル会実装可能なレベルまで技術成熟させて，「超伝導ギー変換させてイオンを μm のオーダーの距離にてシンクロトロンとレーザー駆動型イオン加速入射瞬間的に MeV 領域まで加速する技術』である。

器」の組合わせによる第 2 段階（第 5 世代）の開発

このイオン加速原理は次のとおりである（図 2）。に移行させる。
本稿では，量子メスに向けたレーザー①薄膜ターゲットに高強度レーザーを照射すると，駆動イオン加速技術を利用した小型イオン入射器のレーザーが持つ電場にて電子が元素から剥がされプ開発状況について報告する。

ラズマ化する。②電子は相対論的なレーザーの電場と磁場の影響を受けて j×B 効果により MeV 級まで2 レーザー駆動イオン加速の原理

高い密度で加速され，レーザー進行方向へ向かって指向性を持って照射面から薄膜内へ放出される。③現状の高周波加速型イオン入射器は，高い駆動周照射面から放出された電子は薄膜を貫通し真空中へ波数の高強度電場をイオンに与えて加速する加速器飛び出していくが，レーザー照射面で発生した電荷である。このタイプの入射器は，キルパトリックのバランスを埋めるための回帰電流を通して④薄膜裏経験則という駆動周波数で決定される放電限界電場面がプラスにチャージアップし，⑤ターゲット裏面強度が存在するために加速電場の増力には限度があに電子が引き戻されて局所領域に強力な電荷分離電る。そのため，ある一定のサイズ以下に小型化する場が形成される。これが薄膜後方への強力なシースことができないことが既に認識されブレークスルー電場となって，⑥薄膜裏面に存在する原子をイオンが期待されていた。ゆえに，2000 年前後に発見さ化させて正イオンとなり，同時に MeV 級のエネル

れた「レーザー駆動イオン加速」

は，粒子加速ギーまで一気に加速される。このように高強度の器を小型化するブレークスルー技術として脚光を浴

レーザーと物質の相互作用にて高温高密度のプラズ

びた。レーザー駆動イオン加速とは，レーザーシスマをつくり出すと同時に，発生した MeV 級電子にテムが発生するレーザー光を，空間的・時間的に絞よる薄膜裏面のシース電場が持続すると考えられてりこみ 10 W/cm を超える超高強度な光を創り出いる ps オーダー時間でイオンを発生し加速するこ

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図3

QST 関西研に完成した「レーザー駆動イオン加速入射器原型機」とができる。このメカニズムによりレーザーエネル

ペックの検討や実際にそのスペックのレーザー開発

ギーを加速されたイオンのエネルギーに変換するこが可能なのか等，特にレーザーのパルスエネルギーとが可能となる。

や繰り返しレートが高くなった場合の検討や新たな開発課題について検討をする必要がある。一方で，

3 量子メス用レーザー加速器の開発

II）と III）の開発に必要なレーザー装置については十分なスペックまで開発が進められ，イオン加速に量子メス用レーザー駆動イオン入射器の開発を始必要なレーザーパルスの供給が可能となっている。

めた 2016 年当初は，レーザーとプラズマの相互作用

II）と III）に関しては QST に技術の十分な蓄積が実験から得られるイオン加速やプラズマの物理デー無かったために技術開発においては，技術を有するタの取得を主とする基礎研究段階にあり，まずは量企業の協力（産官学連携）が不可欠であった。産官

子メスに向けたイオン入射器を作るために必要な技学連携を考えて，II）については薄膜の高速加工技術課題を明確にする必要があった。量子メスでは，術を有する日立造船，III）については小型イオンラ

4 MeV/ 核子程度の炭素イオンを 10 Hz で 10 個 / 秒イナックの設計・製作技術を有する住友重機に共同8以上シンクロトロンに入射することが求められる。

開発を依頼した。日立造船は，IH ヒーティングをそこで，用いた不純物除去手法を取り入れた高純度ターゲッ

I）4 MeV/n，108 個 / 秒のイオンを加速できるエネルギーを有するレーザーシステム
II）高純度の炭素が繰り返し供給できるターゲッ

ト装置を開発 5），また，住友重機はビームシミュレーション技術にて原型機の開発に向けたイオンビームの制御法の開発を進めた。

ト装置III）加速した炭素イオンビームを効率的に伝送する装置

4 レーザー駆動イオン入射器原型機の完成を主とした要素技術開発課題とした。まず，I）に

2023 年 6 月には，QST 関西研内のレーザー装置

ついての技術やノウハウはこれまでの研究活動の中と各企業が開発した装置と，SPring-8 線型加速器かで十分蓄積してきているが，必要なレーザーのスら移管された電磁石群を組み合わせて，図 3 で示す

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No.79413写真のレーザー駆動イオン入射器原型機を完成させ機の完成を早期に目指す。

た。図 3 右に 3 m×1.5 m ほどのチタンサファイアレーザー装置が設置され，そこから発せられたレー

謝辞

ザーをイオン加速部まで伝送し，レーザープラズマ

本研究は，QST 関西研並びに量医研の関係者，相互作用にて高エネルギーイオンを作り出す。そし日立造船（株），住友重機械工業（株）のご協力によりて，加速されたイオンビームは，レンズ効果を持つ行われたものである。また，研究実施にあたり，四重極電磁石と方向を変える偏向電磁石で構成されJST 未 来 社 会 創 造 事 業 大 規 模 プ ロ ジ ェ ク ト 型たビーム輸送系にて下流まで伝送されていく。そしJPMJMI17A1，並びに QST 革新プロジェクトの支て，本原型機にて 2023 年 6 月末からレーザーイオ援を受けて進めてきたものである。

ン加速の統合試験を開始した 。
6）

参 考 文 献5 おわりに筆者らは，重粒子線治療装置の入射器の小型化を目標としている第 5 世代の量子メスの早期実現を目指して，産官学連携にて，それぞれの得意とする技術を集結することでレーザー駆動イオン入射器の原型機を完成させたうえ，その統合試験を開始した。

1） Y. Iwata, Nucl. Inst. and Meth. A, 1053, 168312（2023）
2） A. Maksimchuk, et al., Phys. Rev. Lett., 84, 4108（2000）
3） E. L. Clark, et al., Phys. Rev. Lett., 85, 1654（2000）
4） R. A. Snavely, et al., Phys. Rev. Lett., 85, 2495（2000）
5） S.Kojima, et al., Matter and Radiation at Extremes, 8,054002（2023）
6） 量 研 プ レ ス リ リ ー ス（2023 年 8 月 30 日 ）https://
www.qst.go.jp/site/press/20230830.html

今後は，原型機の統合実験によって得られる実験データ及び知見より，第 5 世代の重粒子線治療用入（量子科学技術研究開発機構 関西光量子科学研究所

射器の実証機を設計する手法を確立させ，本原型機量子応用光学研究部）による開発から次のステージである量子メス用実証

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