レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証
Development and demonstration oflaser-driven quantum beam accelerators

放電型レーザープラズマ加速装置

プロジェクトのホームページ
https://lpa.ims.ac.jp

お問い合わせ先プログラムマネージャー（PM）

大学共同利用機関法人
自然科学研究機構 分子科学研究所 社会連携研究部門

佐野JST未来社会創造事業 LPA事務局

SANO〒444-8585 愛知県岡崎市明大寺町字西郷中38
e-mail：lpa-hq@ims.ac.jp
2024.7雄二
YUJI

JST未来社会創造事業

研究開発の概要

本プロジェクトの技術課題

加速器の革新的小型化を可能にするレーザープラズマ駆動型加速技術について、実用化が可能であることを見極①レーザー航跡場加速（LWFA）による、高安定・高品質な1GeV級電子ビームの生成技術の確立とそれを利用しためられる段階（概念実証、proof-of-concept、POC）まで研究開発し、自由電子レーザーや重粒子線がん治療装置

XUV自由電子レーザー実証と利用などの幅広い分野における汎用基盤技術に発展させることを目指し、以下の三つの課題に取り組む。

安定なレーザー輸送系の構築
ガスジェット、キャピラリー内プラズマの安定生成
サブフェムト秒精度のタイミングシステム
室温、湿度、振動等変動を高精度に抑制する環境制御システム① 加速エネルギー数GeVの電子加速器の卓上型加速器（数メートルサイズ）の実証② 加速エネルギー4 MeV/uのC6+イオン卓上型(長さ6m×幅2m)入射器の設計実証③ 安定で信頼性が高く、利便性の高いコンパクトでモジュール化されたレーザーシステムの開発②重粒子線がん治療装置へのイオン入射器として適用が可能なレーザープラズマイオン加速を実証

加速器とは？

高輝度・MeV級イオンビームの生成とビームのマニピュレーション技術の確立
高繰り返し動作可能な薄膜ターゲット技術
エネルギー拡がりを圧縮するデバンチャー技術

加速器は1932年のコッククロフト・ウォルトン型加速器（800kV）に始まり、当初は原子核研究に用いられ、様々な発明によりそのエネルギーを高め、性能を向上させてきた。
現在では、③パルスエネルギー数ジュール級、繰り返し100Hz級で、コンパクトで利便性の高いレーザーシステムを構築

学術的利用（原子核・素粒子など）
医療（がん治療、病原検査、薬剤製造など）
工業的利用（滅菌、殺菌、セキュリティーなど）
農業的利用（食品照射、品種改良など）
2次発生ビームの利用
放射光利用
物性、生物、材料、創薬など
中性子利用
ミューオン利用と多岐に渡り、なくてはならない基盤的な装置となっている。

機器の効率化
高除熱技術
モジュール化技術の開発と性能実証
新規利用分野の開拓（モジュールレーザーはレーザープラズマ加速だけでなく基礎科学・産業・医療に幅広く展開）➡大量生産による大幅なコストダウンを見込む

HIMAC（QST）
重粒子線がん治療装置
120m × 65m

加速器の課題は？

研究開発のロードマップ
社会展開

機器開発／システム開発

特に、高エネルギー物理学研究用の加速器の大きさは、地球上では限界に近い直径6km、一周の長さが20kｍ

レーザー加速による自由電子レーザー（FEL）の実証
電子ビームの新しい応用展開
レーザーによるイオンビーム発生・加速・輸送技術の開発
レーザー技術の高度化にも及んでいる。また放射光や中性子等の先端基盤施設
でも直径数100m、病院に併設される重粒子線がん治療用加速器でも直径40ｍに達する。
これらを小型化することで、建設費や運転経費を安価に技術進展したいという要望が学術・産業・医療界などから出ている。

原理的な限界レーザーによる電子・イオン加速システムの検討
レーザー・加速器
要素技術の育成ステージ
ゲート

既存の加速器の大きさは、1つには金属製の加速管表面での放電限界（〜150MV/m）で制限されている。
この限界を打ち破る加速器技術がレーザープラズマを利用した

ステージ
ゲート

POC

（概念実証）XFEL／創薬・医療応用に向けた
電子ビームの発生・加速技術
量子メス入射用炭素イオンビーム発生・輸送システム（量子メス：次世代重粒子線がん治療装置）

イオンビームの新しい応用展開
レーザー要素技術の社会展開

電子加速／イオン加速／レーザー技術開発（未来社会創造事業）

量子ビーム加速器「レーザープラズマ加速器」である。

2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026
加速器エネルギーの進展

2

年度

3

開発体制
オールジャパン体制でレーザー加速実証プラットホームを構築
理化学研究所 放射光科学研究センター（理研RSC）/
自然科学研究機構 分子科学研究所(分子研)
小型集積レーザー（TILA）モジュール開発
PI 平等 拓範 グループディレクター/特任教授（〜2024年3月）

研究開発協力機関高エネルギー加速器研究機構、核融合科学研究所、QST関西光量子科学研究所

高輝度光科学研究センター
高品質外部入射電子加速器開発

大阪大学 産業科学研究所/
理化学研究所 放射光科学研究センター(理研RSC)
レーザー電子加速
PI 細貝 知直 教授/チームリーダー
サブPI 楊 金峰 准教授
研究開発協力機関
東北大学

研究連携機関
TILAコンソーシアム

PI 熊谷 教孝 名誉フェロー
サブPI 大竹 雄次 サブグループリーダー

高エネルギー加速器研究機構(KEK)
加速器研究施設/
物質構造科学研究所

研究開発協力機関
東京大学、日本大学

XFELシステムの小型化に向けた研究開発

電気通信大学レーザー新世代研究センター
大阪大学 レーザー科学研究所
レーザー開発高繰り返し化PI 余語 覚文教授

研究開発協力機関
千葉工業大学、核融合科学研究所
京都大学

開発拠点（A）

レーザー要素技術開発
PI 米田 仁紀 教授

開発拠点（B）

量子科学技術研究開発機構(QST)
関西光量子科学研究所/
量子医科学研究所
レーザーイオン加速

量子科学技術研究開発機構(QST)
関西光量子科学研究所

PI 近藤 公伯 部長（関西研）
サブPI 白井 敏之 副所長（量医研）

奈良国立大学機構
奈良女子大学

量子ビーム高精度診断系
PI 神門 正城PI 吉田 光宏 教授
サブPI 山本 樹 特任教授

研究開発協力機関
京都大学化学研究所、東海大学総合科学技術研究所

イオンビームの高純度化

副所長

PI 石井 邦和

開発拠点（A）電子加速プラットホーム（理研RSC）

准教授

開発拠点（B）イオン加速プラットホーム（QST関西研）
1st CPASub mJ@100Hz
XPW
パルス
クリーニング
2nd CPA
3J@10Hz

電子加速部

Tiサファイアレーザー

小型アンジュレータ

ビーム診断系

Tiサファイアレーザー

イオン発生部

パルス圧縮器2J/40fs@10Hz

Q-Magnet
Phase
Rotator
B-Magnet

20m

高出力レーザーを用いて電子加速と自由電子レーザーを実証
4炭素ビーム輸送ライン

B-Magnet

Q-Magnet

Q-Magnet イオン評価＆照射部
４m

高出力レーザーを用いてイオン入射器の一連の動作を実証
5

レーザープラズマ駆動量子ビーム加速器とは?
レーザーの持つ高い電場の利用

プラズマが保持する高い電場

高強度・極短パルスレーザー

近 年 発 展して いる高 強 度・極 短 パ ルスレー ザ ーを集 光 すると、極めて高い電場・磁場を発生できる。
例えば、ピークパワー10TWのレーザー（エネルギー 300mJ、パルス幅 30fs）を10μmに集光すると、6.4x10 18 W/cm 2という強度となり、電場は、6.9x10 12V/m = 6.9TV/mという高い値になる。

波長程度まで集光可短パルスにより高強度化金属でできた加速空洞は絶縁破壊による限界があるが、プラズマはイオン化した状態であり、高い電場を保持できる。
また、プラズマによりレーザーの横波を加速に使える縦波に変換できる。

②レーザーイオン加速（Target（Target Normal
Normal Sheath
Sheath Acceleration,Acceleration, TNSA）
TNSA）
薄膜
＜µm

①レーザー航跡場電子加速（Laser（Laser Wake
Wake Field
Field Acceleration,Acceleration, LWFA）
LWFA）
航跡場（加速電場）
従来の1000倍以上

電子ビーム

高強度・極短パルスレーザー①レーザーの持つポンデロモーティブ力により、電子を押しのける。
②イオンは重くて動けないので、電子とイオンの荷電分離が起こり、レーザーのパルス長とプラズマ波長が同程度であればプラズマ波（航跡場）が励起される。
③この航跡場は、薄いプラズマの中をほぼ光速で進行するので電子の加速に適している。

プラズマ波長 10〜100μm

LWFAで卓上自由電子レーザーや放射光装置を実現させる①レーザーで電子が加速される。
②荷電分離によるシース場（加速場）が生成され、イオンが加速される。

イオン
高強度・極短パルス
レーザー

+ ‑

電子

シース電場（準静的）：〜MV/µm=TV/m

がん治療用重粒子（炭素）線加速器を小型化する
概念実証POC

概念実証

レーザープラズマで入射器の大幅な小型化

2秒間で4MeV/u±10%内に10⁹個の炭素線入射レーザープラズマ
重粒子線加速器用小型入射器

1994年 放医研120m×65m、320億円

ガントリー

SACLAのC-band主加速管システム

超伝導シンクロトロン

2030年 量子メス
20m×10m、<50億円

全長230mの加速管を20cm程度に小型化
米国では、20cmで7.8GeVを達成
日本では、5cmで1.0GeVを達成

5㎝

概念実証POC

硬X線領域での自由電子レーザーおよび放射光装置の実証機設計に必要なデータを提示
XUV領域での自由電子レーザーを実証
放電型レーザープラズマ加速装置

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20XX年 遠くない将来 全レーザーがん治療器〜10m×5m（既存の病院設置可）、〜10億円

440MeV、単色化

だれでも、どこでも、いつでも利用を可能にするため、最新の加速器技術を駆使し装置の小型化を目指す。
(量子メスの重粒子線加速器用入射器をレーザープラズマで超小型化)

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