レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証成果の概要と今後の計画
2022年6月7日
プログラム・マネージャー（分子科学研究所）
佐野 雄二「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2022年度第1回シンポジウム－ レーザー駆動イオン加速システムの開発 － 2022/06/07 開催

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ご説明内容ー レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証 ー レーザープラズマ加速： 開発の背景
 開発体制・目標
 レーザーによる電子加速技術の開発
 高強度レーザー／要素技術開発
 レーザーによるイオン加速技術の開発「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2022年度第1回シンポジウム－ レーザー駆動イオン加速システムの開発 － 2022/06/07 開催

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開発の背景： 加速器の巨大化
加速器は学術・産業・医療など広範な分野で不可欠な技術基盤
 新物質・新材料の創製
 分析、非破壊検査、年代測定
 育種、滅菌・殺菌、重合、架橋
 荷物検査、セキュリティー
 創薬、粒子線がん治療

加速器の発展LHC（周長27km）

www.zmescience.com/science/physics/lhc-produces-first-results

LHC （陽子・陽子衝突型リング 周長27km）「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2022年度第1回シンポジウム－ レーザー駆動イオン加速システムの開発 － 2022/06/07 開催

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レーザープラズマ加速の社会実装イメージ
SPring-8

利用機会の提供・拡大

X線自由電子レーザー SACLA

次世代X線自由電子レーザー（XFEL）と短バンチ性を活かした新しい応用治療機会の提供・拡大（医療費の抑制）

20m

重粒子線がん治療装置

量子メス（次世代重粒子線がん治療装置）

https://www.qst.go.jp/site/qms/1584.html「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2022年度第1回シンポジウム－ レーザー駆動イオン加速システムの開発 － 2022/06/07 開催4

２０２２年度の開発体制
JST（科学技術振興機構）

研究開発運営会議
運営統括／運営委員

HQ @分子研
プログラム・マネージャー： 佐野 雄二（プログラム・マネージャー補佐）

電子加速

イオン加速

レーザー

・阪大産研：
細貝 知直
・QST関西研： 神門 正城・JASRI：熊谷 教孝
大竹 雄次
・KEK：
吉田 光宏
山本 樹

・QST量医研： 白井 敏之
・QST関西研： 近藤 公伯
榊 泰直

・理研：
平等 拓範
・分子研：
平等 拓範
・阪大レーザー研： 宮永 憲明
・電通大：
米田 仁紀

協力機関

協力機関

協力機関
QST量子メスプロジェクト
本日の報告

協力機関：
・住友重機械工業（株）殿・日立造船（株）殿・ ・ ・ 全17社

「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2022年度第1回シンポジウム－ レーザー駆動イオン加速システムの開発 － 2022/06/07 開催

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開発の展開と POC への道すじ

第１ステージ

第２ステージ XUV領域のFEL増幅
 電子ビーム応用社
会
実
装第３ステージ
POC（概念実証）

 イオン入射器システム

技術
成熟度

 要素技術高度化
 優れた要素技術の育成
 電子／イオン加速システム検討 第１回
ステージ
ゲート

第２回
ステージ
ゲート

 XFEL実現に必要な電子ビームの発生・加速技術
 量子メス入射器用の C6+
ビーム生成システム
量子メス： 次世代粒子線がん治療装置

QST量子メス 第５世代装置への適用

2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026
「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2022年度第1回シンポジウム－ レーザー駆動イオン加速システムの開発 － 2022/06/07 開催

年度

6プロジェクトの三本柱● レーザーによる電子加速〇 高強度レーザー技術開発〇 レーザーによるイオン加速レーザーによる電子加速「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2022年度第1回シンポジウム－ レーザー駆動イオン加速システムの開発 － 2022/06/07 開催

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レーザープラズマによる電子加速の原理
 真空中のガスジェットに高強度レーザーを集光照射
 電子が押し退けられ､プラズマ波（航跡波）が発生
 平衡状態に戻ろうとする電子の衝突で､種電子発生 プラズマ波の電場で種電子が加速（電子入射） 従来の加速器の約1000倍の加速勾配（～50 GeV/m）

船による波（航跡波）

レーザー加速用
真空容器内
電子密度

電子入射

電子入射

プラズマ波（航跡波）

レーザーパルス

電界強度
加速「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2022年度第1回シンポジウム－ レーザー駆動イオン加速システムの開発 － 2022/06/07 開催

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電子発生（電子入射）のイメージ

https://youtu.be/FeXP7SxCKKE「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2022年度第1回シンポジウム－ レーザー駆動イオン加速システムの開発 － 2022/06/07 開催

9レーザー電子加速プラットフォーム（播磨）ポンプレーザー制御室

パルス圧縮器

電子加速部
ポンプ
レーザー制御室

パルス圧縮器電子ビームモニター

アンジュレータ

ビームダンププラズマ診断X線ビーム診断／拠点整備
搬入口

X線診断

エリア
矢橋
放射線モニター

レーザーシステム（～35m）
電子入射部
レーザーシステム

電子入射部

電子入射部・加速部

アンジュレータ
実験エリア「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2022年度第1回シンポジウム－ レーザー駆動イオン加速システムの開発 － 2022/06/07 開催

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FEL発振を目指して（第２ステージ目標）
電子加速部
ポンプ
レーザー制御室

パルス圧縮器電子ビームモニター

ビームダンププラズマ診断X線ビーム診断／拠点整備
搬入口

X線診断

エリア
矢橋
放射線モニター
電子入射部

アンジュレータ

レーザー電子加速プラットフォーム（播磨）
準備中
250 MeV27.3 pC in 1/e2
0.52% (rms)
0.2 mm-mrad（仮定）1 or 5 fs (rms)
25 mm
1.4
100 nm

2m
アンジュレータ： 2 m

電子エネルギー
電荷量
エネルギー拡がり
エミッタンスバンチ長
アンジュレータ周期
K値
X線波長

FEL発振シミュレーション（SIMPLEX）

小型アンジュレータ（磁力相殺型）「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2022年度第1回シンポジウム－ レーザー駆動イオン加速システムの開発 － 2022/06/07 開催

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プロジェクトの三本柱〇 レーザーによる電子加速● 高強度レーザー技術開発〇 レーザーによるイオン加速

高強度レーザー技術開発「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2022年度第1回シンポジウム－ レーザー駆動イオン加速システムの開発 － 2022/06/07 開催

12常温接合による高耐力界面の実現

表面活性とアモルファス層による常温接合
to be published in Opt. Lett.
表面
界面バルク

Annealing

表面

常温接合装置

界面の TEM / EDX

界面バルク損傷閾値

「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2022年度第1回シンポジウム－ レーザー駆動イオン加速システムの開発 － 2022/06/07 開催

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10J / 100Hz 大出力レーザーの開発
 10J級では世界最高平均出力（1kW）
 独自技術で実現した世界初の5cm級

熱伝導冷却型アクティブミラー
 純国産（５社以上の国内企業の連携）

Yb:YAG アクティブミラー

30×35×40 cm

一体化ホルダーによる小型化「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2022年度第1回シンポジウム－ レーザー駆動イオン加速システムの開発 － 2022/06/07 開催

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kJ/cm2 級高耐力光学素子の開発
Y. Michine and H. Yoneda, Com. Phys. 3, 24 (2020)

flow control
valve

RFRFO

grating2

0th

1th diffracted
beam

open window

O 2+ O 3
O2
UV laser

Incidentlaser

UV laser(266nm, 6ns)

Pumpingsystem「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2022年度第1回シンポジウム－ レーザー駆動イオン加速システムの開発 － 2022/06/07 開催

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kJ/cm2 級高耐力光学素子の開発
Y. Michine and H. Yoneda, Com. Phys. 3, 24 (2020)

flow control
valve

RFRF0 nsO

grating2

1th diffracted
beam

open window

O 2+ O 3

15 ns

0thO2
UV laser

55 ns
回折格子生成の様子
Incidentlaser

UV laser(266nm, 6ns)

Pumpingsystem「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2022年度第1回シンポジウム－ レーザー駆動イオン加速システムの開発 － 2022/06/07 開催

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プロジェクトの三本柱〇 レーザーによる電子加速〇 高強度レーザー技術開発● レーザーによるイオン加速

レーザーによるイオン加速「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2022年度第1回シンポジウム－ レーザー駆動イオン加速システムの開発 － 2022/06/07 開催

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放射線治療における重粒子線の状況
世界の放射線治療装置数（粒子線は治療室数）
MEDraysintell Proton Therapy Edition 2016

Ｘ線
11,340台
ガンマ線
2,260台
陽子線
168室

炭素線
36室

 大規模病院への炭素線治療装置の導入は一段落
 さらなる普及には治療装置の小型・低価格化が必須「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2022年度第1回シンポジウム－ レーザー駆動イオン加速システムの開発 － 2022/06/07 開催

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QST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

第5世代装置超伝導シンクロトロン
マルチイオン照射

レーザー加速

45ｘ34m(1/6程度)

10ｘ20m(1/40程度)

 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、画期的な⼩型化を達成し国際的普及へ
 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「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2022年度第1回シンポジウム－ レーザー駆動イオン加速システムの開発 － 2022/06/07 開催

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レーザー加速入射器とシンクロトロン
レーザー
高品質パルス
パルスエネルギー
繰り返し, etc.

レーザー

ターゲット
高純度炭素の繰り返し供給
真空度、デブリ対策, etc.
ターゲット
ビーム入射

シンクロトロン

ビーム入射
有限立体角成分の捕集
ビーム輸送
バンチ圧縮（位相回転）
真空度、モニター, etc.
相互作用
レーザーと薄膜プラズマ
炭素ビーム発生特性
レーザー仕様、効率, etc.

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イオン加速プラットホーム（QST関西研）
レーザー相互作用

ターゲット

1.0E+00
1.0E‐01

ビーム入射

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‐07
1.0E‐08
1.0E‐09
1.0E‐101.0E‐11‐500‐400‐300‐200‐100Time (ps)「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2022年度第1回シンポジウム－ レーザー駆動イオン加速システムの開発 － 2022/06/07 開催

010021

研究開発スケジュール
ステージ
年度

第１ステージ
2017

2018

2019

第２ステージ
2020

2021

2022

2023

・電子加速プラットフォーム整備
電子加速 ・ガスターゲット技術開発
・電子加速技術開発
未来社
会・モニター／制御技術開発

・要素技術改良／高度化
・XUV-FEL実証
・電子ビーム応用開発

・ビームライン／アンジュレータ
レーザー・DFC／アクティブミラーレーザー
・超高耐力光学素子
・イオン加速プラットフォーム構築

イオン加速 ・薄膜ターゲット技術開発
・イオン加速技術開発
・ビーム入射／モニター開発
Q 量子メス ・要素技術開発
S・超伝導シンクロトロン
T （第４世代）・マルチイオン照射

第３ステージ
2024

2025

2026

・電子ビーム高度化➡ XFEL等へ
・電子ビーム応用開発➡ 創薬・医療応用等

・高度化／加速用レーザーシステム検討
・高コントラスト化

・高度化／高効率化

・加速イオン高純度化

・入射器システム実証

・MeV級炭素イオン発生➡ QST量子メス
第５世代装置・MeV級炭素イオン輸送・実証機開発（第４世代）

普及機「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2022年度第1回シンポジウム－ レーザー駆動イオン加速システムの開発 － 2022/06/07 開催

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おわりに
 2017年11月、「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」がJST未来社会創造事業・大規模Pj型に採択。
 将来の小型XFELを目指した「電子加速」、小型がん治療装置を目指した「イオン加速」、およびそれらの実現に必要な「高強度レーザー」にかかわる研究開発を推進 昨年度より、第２ステージ（2021～2023年度）。イオン加速

では量子メスに使用する入射器の実証が目標。
 QST、産業界と密に連携して技術開発・システム化を推進。

第２ステージの目標・POCを達成し、社会課題解決に貢献「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2022年度第1回シンポジウム－ レーザー駆動イオン加速システムの開発 － 2022/06/07 開催

23With accelerators and lasers, we can realize a new era that has never been imagined before.

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