レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証
プロジェクト概要
2023年2月28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２回シンポジウム－ 電子加速システムの開発 － 2023/02/28 開催

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 開発の概要（背景・目標・体制）
 レーザーによる電子加速技術の開発
 レーザーによるイオン加速技術の開発
 高強度レーザー技術の開発「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２回シンポジウム－ 電子加速システムの開発 － 2023/02/28 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-resultsLHC （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２回シンポジウム－ 電子加速システムの開発 － 2023/02/28 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２回シンポジウム－ 電子加速システムの開発 － 2023/02/28 開催

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LPAプロジェクトの開発体制
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

参画企業

参画企業

参画企業
LPA：
QST：
JASRI：
KEK：

レーザープラズマ加速
量子科学技術研究開発機構
高輝度光科学研究センター
高エネルギー加速器研究機構「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２回シンポジウム－ 電子加速システムの開発 － 2023/02/28 開催

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各ステージの開発と社会実装への道すじ
第１ステージ

第２ステージ社
会
実
装第３ステージ XUV領域のFEL増幅
 電子ビーム応用

POC（概念実証）

 イオン入射器システム
 レーザー要素技術

高度化

技術
成熟度

 優れた要素技術の開発・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／創薬・医療応用
XFEL実現に必要な電子ビームの発生・加速技術等に必要な安定な電子 加速器（入射器）の開発
量子メス入射器に向けた
6+ ビーム生成システム
 C
量子メス入射器に向けた
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

電子・イオン加速技術開発／レーザー基盤技術開発
2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026年度

「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２回シンポジウム－ 電子加速システムの開発 － 2023/02/28 開催

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ステージ２（2021～23年度）の開発 電子加速
電子加速プラットホーム（理研播磨）にて、レーザープラズマ加速された電子ビームをアンジュレータに入射し、XUV領域で放射光の増幅を確認する。
アンジュレータ長さは 5 m 以下とする。また、電子加速についてはEUV光を達成できる 数百MeV 程度の加速エネルギー 、電荷量 10 pC/パルス、バンチ長 10 fs以下、エネルギー分散（ΔE/E） 0.1%以下 を達成する。更にその結果を踏まえ、小型XFEL実現に求められるレーザー装置の仕様を明確化する。

制御室

ポンプ
レーザー

電子加速部
パルス圧縮器電子ビームモニター

プラズマ診断X線ビーム診断／拠点整備
搬入口

ビームダンプ
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

アンジュレータ

電子加速プラットホーム（播磨）「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２回シンポジウム－ 電子加速システムの開発 － 2023/02/28 開催

7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
搬入口
エリア

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

X線診断

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２回シンポジウム－ 電子加速システムの開発 － 2023/02/28 開催

8レーザー電子加速器とその応用（イメージ）

材料物性評価（ポンプ プローブ実験）

チャープ電子ビームの応用高エネルギー光子

高エネルギー電子
低エネルギー光子

マウスの電子ビーム照射（プロドラッグ活性化）

光源利用（逆コンプトン散乱）
https://www.youtube.com/watch?v=0JeIXZuWCAE

滅菌処理システム（10MeV Rhodotron）

電子蓄積リング

https://www.varian.com

http://www.rada.or.jp/database/home4

電子線・X線がん治療装置「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２回シンポジウム－ 電子加速システムの開発 － 2023/02/28 開催

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ステージ２（2021～23年度）の開発 イオン加速
イオン加速プラットホーム（QST 関西研）にて、プラットホームレーザー（Ti:sapphire）、レーザー駆動炭素線発生装置、計測用ビームライン、リアルタイムイオンモニターを組合わせた入射器の実証実験を行う。シミュレーションを併用し、核子あたり 4 MeV の C6+ を立体角（1 msr）当り 10%のバンド幅で 108 個以上シンクロトロンに入射するためのスケーリング則を求める。また、レーザーへの要求仕様を明確化し、シンクロトロン内への入射器の設置方法を検討する。
イオン加速用レーザー入射器

超伝導シンクロトロン（直径 8 m）

イオン加速プラットホーム（QST 関西研）

超伝導シンクロトロン

イオン入射器の構想「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２回シンポジウム－ 電子加速システムの開発 － 2023/02/28 開催

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レーザー素子の常温接合と応用

表面活性とアモルファス層による常温接合
A. Kausas and T. Taira, Opt. Lett. 47 (2022) 3067
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２回シンポジウム－ 電子加速システムの開発 － 2023/02/28 開催

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10J / 100Hz 大出力レーザー開発
 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）

J. Ogino et al., Opt. Continuum 1 (2022) 1270

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２回シンポジウム－ 電子加速システムの開発 － 2023/02/28 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 (2020) 24

flow control
valve

RF
RF0 nsOgrating

2

1th diffracted
beam

open window

O 2+ O 315 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２回シンポジウム－ 電子加速システムの開発 － 2023/02/28 開催

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第２ステージ 開発スケジュール
第２回 ステージゲート 評価
FY2021FY2022

FY2023

入射器（ガスジェット）高度化
多段加速基礎実験

準備（多段加速はステージ３で検討）

計測システム開発・高度化（バンチ長、エミッタンス、等）
XUV・X線計測器の開発

電子加速

XUV観測

プラットホームレーザー整備（2Jライン）
アンジュレータ検討・設計・製作
ライナック整備・試験

１号機 1mライナック試験・移設検討
電子ビーム応用（産研ライナック）

イオン加速

炭素イオンビームライン開発

２号機 1m（合計 2m）

移設準備（JASRI ➡ 阪大産研）
創薬・医療応用
MeV級炭素イオン発生

炭素イオン加速スキーム最適化
ターゲットシステム開発

XUV-FEL実験

高繰返し化検討・試作

連続供給

BM移設（SPring-8 ➡ QST）

イオン輸送実験

プラットホームレーザー整備（1020W/cm2）
入射器（実験機）統合試験
アクティブミラーレーザー／DFCチップレーザー高度化

レーザー

FS（超高耐力素子、大口径素子、広帯域増幅、新結晶）要素技術開発加速用レーザーシステム検討「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２回シンポジウム－ 電子加速システムの開発 － 2023/02/28 開催

14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等を推進
 昨年度より、第２ステージ（2021～2023年度）。電子加速はXUV領域のFEL発振が目標。新しい応用についても検討 産業界との連携を密にして、技術開発・システム化を推進。

第２ステージ、更には第３ステージの目標（POC）を達成し、社会課題の解決に貢献「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２回シンポジウム－ 電子加速システムの開発 － 2023/02/28 開催

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