レーザー駆動イオン加速器の開発成果
量⼦科学技術研究開発機構 関⻄光量⼦科学研究所

近藤公伯「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

研究開発体制
PI: 近藤 公伯 サブPI: 白井 敏之
A) QST関西研榊 泰直、小島 完興、宮武 立彦 (九州大学) 、松本悠椰（九州大学）、
森 道昭、Thanh Hung Dinh、長谷川 登、岡田 大、近藤 修司、石野 雅彦、錦野 将元、
西内 満美子、福田 祐仁、近藤 康太郎、今 亮、神門 正城、
宮坂 泰弘、桐山 博光、
畑 昌育、守田 利昌、James Koga、Timur EsirkepovB) QST量医研
岩田 佳之、水島 康太、野田 悦夫
C) 京大化研
時田茂樹、橋田 昌樹 、阪部 周二
D) 東海大学総合科学技術研究所
橋田 昌樹
E) 民間企業
住友重機械工業（株）、日立造船（株）「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

2

内容
 極短パルス⾼ピーク出⼒レーザーを使ったプラズマによるイオン加速について
 量⼦メス開発へ向けた未来社会創造事業での取り組み
POC (Proof of concept)
 開発の現状
 今後の取り組み「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

内容 極短パルス⾼ピーク出⼒レーザーを使ったプラズマによるイオン加速について
 量⼦メス開発へ向けた未来社会創造事業での取り組み
POC (Proof of concept)
 開発の現状
 今後の取り組み「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

従来技術による加速器⼩型化の限界
線形加速器〜 1 MeV/m

HIMAC
マイクロ波管が供給できる加速電界の強さには放電限界があるため加速器は巨⼤化せざるを得ない
加速エネルギー＝電荷量×電場（電界）の強さ×加速距離

放電限界の壁を超えるために、レーザープラズマによる加速を⾏う 「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
5
開催日 ： 2023/08/02

場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

レーザープラズマ加速技術
放電限界の壁

〜100 MV/m （108 V/m :１メートルで１億ボルト）

壁を越えるとプラズマ状態

強い光で電⼦を押して電荷が分離したプラズマ状態を作る

通常のプラズマ状態
電⼦とイオンの混合ガス+−+ +−+

−
−+−+
−

−
−+
−+−+

−

短パルス
超⾼強度
レーザー

−+ −
− −++ − +−+−− +−+− + −+
加速電場：>>1012V/m (TV/m)

プラズマにより、放電限界を超えて、桁違いに⼤きな加速電場が発⽣できる「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

6レーザーによる電⼦の加速とイオンの加速
レーザー航跡場プラズマによる電⼦加速
レーザーパルス

電⼦ーーーーーー＋＋＋＋＋＋

レーザー航跡場プラズマ
光が透過可能な低密度ガスプラズマ

＋＋
＋＋
＋＋

ほぼ光速で進む電⼦プラズマ波に⾼速電⼦が波乗りしてレーザーパルスの進⾏⽅向へ加速

Target Normal Sheath Accelerationによるイオン加速
電荷分離で発⽣したシース場によりターゲット裏⾯から引き出され加速されたイオン

陽⼦
+e

炭素イオン
+6e

電⼦
‐e

<<

中性⼦
電荷ゼロ

陽⼦の質量 〜 電⼦の質量×1800（粒⼦のエネルギー）（粒⼦の質量） 𝑐（粒⼦の質量） 𝑣

シース電場(Sheath Field)
陽⼦・イオン𝑣~𝑐𝑣 ≪𝑐

陽⼦や炭素イオンの加速は電⼦に⽐べてよりエネルギーを要する

⾼速電⼦が誘起した表⾯シースプラズマ「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

7

⾼強度レーザーでイオンを加速できる
レーザー駆動イオン加速の原理

IB

凹⾯鏡でターゲットにミクロンサイズに絞り込む
電界

⾼ピーク出⼒レーザー
ペタワット、テラワット

Fpz = mc(-1)
= ( 1- (v/c)2 )-0.5

レーザーの進⾏⽅向 z

磁界

光の圧⼒でレーザー進⾏⽅向へ⼀気に光の速さ近くまで⾼エネルギーに加速される！

陽⼦質量/電⼦質量 〜 1800
薄膜表⾯にプラズマ状態が発⽣

⾼密度⾼エネルギーの電⼦は薄膜を貫通して⼀気に外に放出

ミクロン厚さの薄膜＋＋＋＋＋＋＋＋

加速⻑がミクロン程度でも加速電界が>> TV/mなので核⼦あたりMeV級のイオン加速ができるー＋ー ＋ー＋＋ー

薄膜裏⾯に強⼒な電荷分離(>>TV/m)が発⽣

Target Normal Sheath Acceleration :TNSA+−+− −+ −− −+ − +−+− + − +−−++− +− − −+−++ −+− + +−重粒⼦線がん治療⽤加速装置の⼊射器として利⽤可能

裏⾯へ正イオンが⼀気に加速される！

「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

8

TNSA3次元PICシミュレーション

極短パルス
⾼強度レーザー

薄膜ターゲット「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

9

炭素イオンより陽⼦が優先的に加速・真空チャンバー中に曝されると瞬時に不純物層が表⾯に形成される
薄膜

⾼強度レーザー

不純物膜（CH, H2O)++––+–

陽⼦が優先的に加速される

F = m a = Ze E→ 加速度：a = ( Ze/m ) E
P

炭素膜

nPnPPn P n
P Pnn

陽⼦

電荷(Ze)/質量(m)+1e/m

完全電離炭素イオン +6e/12m「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

10.5
10

不純物を除去して炭素イオンを加速
加熱等で裏⾯炭素⾼純度化
薄膜

⾼強度レーザー

不純物膜（CH, H2O)++––+–

CWレーザーで加熱して不純物を除去

炭素線が加速される

不純物を除去して炭素イオンを加速

炭素膜「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

11

内容
 極短パルス⾼ピーク出⼒レーザーを使ったプラズマによるイオン加速について
 量⼦メス開発へ向けた未来社会創造事業での取り組み
POC (Proof of concept)
 開発の現状
 今後の取り組み「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

量⼦メス開発プロジェクト
量⼦メス

重粒⼦線がん治療装置

20m

第2~3世代装置

第1世代装置1994年 放医研
120ｘ65m、320億円(例︓2010年群⾺⼤学）

60ｘ45m、140億円(1/3程度)第4世代装置より⼩型化と⾼性能化
45x34m (1/6程度)
超伝導シンクロトロン
マルチイオン照射

第5世代装置

さらなる⼩型化
10x20m (1/40程度)
レーザー加速課題解決
 装置が巨⼤で⾼額→超伝導技術とレーザー加速技術により、画期的な⼩型化による国際的普及へ
 腫瘍によっては、除去が完璧ではない→マルチイオン照射技術により、治療短期化に向けた⾼性能化を実現
量⼦科学技術により課題を解決し、⽇本の強い優位性を堅持して国際的なシェアを獲得「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

13

量⼦メス開発プロジェクト計画
量⼦メス

第4世代装置より⼩型化と⾼性能化45x34m (1/6程度)

第5世代装置
さらなる⼩型

10x20m (1/40程度)

20m

超伝導シンクロトロン

レーザー加速マルチイオン照射2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026
超伝導シンクロトロン

要素技術開発マルチイオン照射要素技術開発レーザー
加速

技術実証機建設

JST‐MIRAI LPA

ステージ１

設
計

治療実証機製作・試験
治療
臨床試験

技術実証機⾼度化
ステージ２

第４世代装置の普及（2026～）

第５世代治療実証機の建設

ステージ３「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

14

レーザー駆動イオン加速のPOC
レーザー駆動イオン加速技術により、核⼦当たり4MeV の炭素イオンをシンクロトロン加速器に1 %エネルギー幅で108個/パルス以上⼊射できること、炭素純度は99％以上、繰り返
しは10Hz以上、2分間以上連続運転、レーザー駆動イオン⼊射器とシンクロトロンを合わせた⼤きさは10m×10mの病院治療室に設置できること

シンクロトロン⼊射可能な全体システム設計図を描けること「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

15

要素ごとに開発を進めて統合試験
レーザー

レーザー
⾼品質パルス
パルスエネルギーや繰り返し etc.

ターゲット
ビーム⼊射

シンクロトロン直径 7 ｍ

ターゲット
⾼純度炭素が繰り返し供給できる
真空度、デブリ対策 etc.
ビーム⼊射有限⽴体⾓成分の捕集と伝送
バンチ圧縮（位相回転）
真空度、⼊射評価 etc.

「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

16

イオン加速⼊射器開発プロジェクト
JST‐MIRAI LPA

レーザー

2017‐2020

2021‐2023

2024‐2026

ステージ１

ステージ２

ステージ３

⾼コントラストフロン
トエンド

⾼コントラスト1 J/40 fs@10 Hz

概念実証へ向けた⾼度化

概⾼純度炭素発⽣
10 Hzで⾼純度炭 統
ターゲットの安定化のため 念⾼純度炭素発⽣の⼯夫
素発⽣可能なの改良、デブリ
10 Hzデモ（⽇⽴造船）
ターゲット
合 対策、etc 実
炭素イオン発⽣
証
特性の解明
イオン加速PFJ‐KAREN
MeV/u級炭素線 試
相互作⽤の発⽣→ レーザー条件
3D PIC験 の明確化 実
ビーム⼊射・モニバンチ圧縮等に 験
MeV/u級輸送デよる⾼イオン数
10 keV/u輸送デモ
ター（住友重機）モ（パルスエネルギー、繰り返し、etc）

密度ビーム伝送今ここ「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

17

内容
 極短パルス⾼ピーク出⼒レーザーを使ったプラズマによるイオン加速について
 量⼦メス開発へ向けた未来社会創造事業での取り組み
POC (Proof of concept)
 開発の現状 今後の取り組み「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

イオン加速プラットホーム

以前

2021/10/13 1270mJ, 40fs, 5m (FWHM)
2019/11/20 640mJ, 80fs, 5m (FWHM)
3.9×1019 W/cm218 (4.4 mスポット内平均)
5.4×10 W/cm2 (5 mスポット内平均)

イオン加速プラットホームレーザー
4.4um×4.4umの中に含まれるエネルギーの割合 35%
5um×5umの中に含まれるレーザー駆動エネルギーの割合 23%

プラットホーム
レーザー
パルス圧縮器

炭素線発生装置

パルス圧縮器30 nm薄膜でイオン加速できている→ コントラストは十分

1.0E+00
1.0E‐01
1.0E‐02

Normalized Intensity

1.0E‐03
コントラスト：〜 10-11
1.0E‐04
1.0E‐05
1.0E‐06
1.0E‐0730 nm

1.0E‐08
1.0E‐09
1.0E‐101.0E‐11‐500‐400‐300‐200‐100Time (ps)0100

By T. Dinh, S. Kojima et al.

「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

19

レーザーの増⼒が必要
加熱あり加熱なし
SG1
圧縮前640mJ,80fs, 5m(FWHM)
5.4×1018 W/cm2

C3+ C
2+
C
C1+4+P+(5 mスポット内平均)SG2
圧縮前1270mJ,40fs, 5m (FWHM)
3.9×1019 W/cm2(4.4 mスポット内平均)

C2+

C1+

C3+
C4+
C5+
C6+P+

核⼦あたりMeV級のC6+ビーム伝送・診断の実現のためには、照射強度をより⾼くする必要がある。
→ イオン加速プラットホームレーザーのさらなる⾼度化が必要「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

20イオン加速プラットホーム
Near-fieldFar-field ⾼安定ビームポインティング
50Angular movement [µrad] ⾼ビーム品質 (M2 = ~1.02)

現在

40

2σ _X= 7.5 µrad30

2σ_Y = 9.9 µrad20
100‐10‐20‐30‐40‐50

⾼品質シード光の発⽣

01234Time [hours]~3.2J/10Hz 主増幅部（励起レーザー：6ビーム・計7.3J)
Near-field

主増幅部

 F#2.8 OAPによる集光径
Far-field
2.8µm (FWHM)

Far-field

RMS <1%「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

21

不純物除去に必要な加熱温度の評価
By S. Kojima, H. Sakaki
Gr 750 nm
⾼強度レーザー必要な加熱温度をレーザー加熱法によって明らかにした。
加熱⽤レーザー3.5A (0.13W)

4A (0.28W)

75℃

213℃

汚染層除去が始まる「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

22連続供給可能なターゲット機構の開発Ⅰ
By S. Kojima, H. Sakaki
IHヒーター加熱特性0.05 Pa（ターボポンプ運転時）

1200

0.3 kW
0.5 kW

Temperature（℃）

1000
800

0.4 kW
0.6 kW

200 msで400℃以上に加熱

600
400
200
000:00.000:10.000:20.000:30.000:40.0

Time (min : sec : mssec)

加熱の冷却特性

Temperature（℃）

300
250

加熱領域を離れても、5秒間は100℃以上を維持している
0.05 Pa

200
150
100
50
000:00.0 00:01.0 00:02.0 00:03.0 00:04.0 00:05.0

Time (min : sec : mssec)「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

23連続供給可能なターゲット機構の開発Ⅱ
By S. Kojima, H. Sakaki

有限要素法による数値シミュレーションによる再現ギャップ 2mmの場合

800

2022_4_2データ

温度（℃）

700

10A温度依存性なし

600

20A温度依存性なし

500

30A温度依存性なし

400

20A 温度依存性あり

300

25A 温度依存性あり

200
100
000.2

磁束密度(mT)
ニッケルテープのIH加熱

0.40.60.8
時間（s）

11.2

渦電流密度(MA/m2)1.4

温度分布(℃)

Tape width 20 mm
B

B-field
Alternatingcurrent

Coil diameter 25 mm

I

Eddy current「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

24

IH加熱型で不純物の影響を逓減
By S. Kojima, H. Sakaki, et al.

加熱から60秒後20秒後10秒後

加熱領域からレーザー照射点まで
10 cm

6.6秒後5秒後3.3秒後2.4秒後「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

25

加熱2.4秒後で陽⼦は極端に減少
By S. Kojima, H. Sakaki, et al.

No heating

Heating (0.6kW)
(e)

電場(a)

(a)2.4 s

C1+ C

2+ C

磁場

3+C4+

Ni ions

C3+4+C 5+C

Proton(b)2.4秒間の場合「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

26

レーザー駆動イオンビームの伝送と診断へ
SPring 8（理研）の四重極磁⽯、偏向磁⽯、並びに東⼯⼤の四重極磁⽯を借⽤、譲受しQSTへ移設を進め統合実験を進める

By H. Sakaki, S. Kojima et al.

軌道計算

C104

SPring‐8旧⼊射器ライナックの磁⽯を借⽤（QT1,BM1,BM2,Q1,Q2）

ビーム輸送を⾏い軌道計算のベンチマーク試験を実施「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

27

榊泰直上席研究員

⼩島完興主任研究員「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

内容 極短パルス⾼ピーク出⼒レーザーを使ったプラズマによるイオン加速について
 量⼦メス開発へ向けた未来社会創造事業での取り組み
POC (Proof of concept)
 開発の現状
 今後の取り組み「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

今後の取り組み
JST‐MIRAI LPA

レーザー

2017‐2020

2021‐2023

2024‐2026

ステージ１

ステージ２

ステージ３

⾼コントラストフロン
トエンド

⾼コントラスト1 J/40 fs@10 Hz

概念実証へ向けた⾼度化

概⾼純度炭素発⽣
10 Hzで⾼純度炭 統
ターゲットの安定化のため 念⾼純度炭素発⽣の⼯夫
素発⽣可能なの改良、デブリ
10 Hzデモ（⽇⽴造船）
ターゲット
合 対策、etc 実
炭素イオン発⽣
試証
特性の解明
イオン加速PFJ‐KAREN
MeV/u級炭素線相互作⽤の発⽣→ レーザー条件
3D PIC験 の明確化 実
ビーム⼊射・モニバンチ圧縮等に 験
MeV/u級輸送デよる⾼イオン数
10 keV/u輸送デモ
ター（住友重機）モ（パルスエネルギー、繰り返し、etc）

密度ビーム伝送

シンクロトロン⼊射可能な全体システム設計図を描けること「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

30

まとめ
 極短パルス⾼ピーク出⼒レーザーを⽤いることで薄膜を利⽤して量⼦メスの⼊射器に資する炭素線が原理的に発⽣できることを⽰した。
 レーザー装置はパルスエネルギーを2倍向上した。
 ターゲット装置は連続して⾼純度炭素イオン発⽣が⾒込めるIH加熱型を試作し、有効性が確認できた。
 発⽣した核⼦あたりMeV級のイオンビームの伝送ラインを据え付けてイオンビーム伝送試験を予定している。
 第３ステージへ向けた、初めてのレーザー装置、ターゲット装置、ビーム伝送・診断装置を統合実験準備が整った。
 第２ステージの統合試験で得られた知⾒等に基づき、第３ステージでは各要素技術の⾼度化による概念実証実験を⾏う。
「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

31