「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」

ロードマップ上の主なイベント①電子加速②イオン加速③レーザー開発④

電子・イオン加速(FY2023)の主な目標⑤

FY2020時点での電子加速プラットフォーム (装置構成図)⑥

FY2023時点での電子加速プラットフォーム (装置構成図)⑦

FY2026時点での電子加速プラットフォーム (装置構成図)⑧

外部電子入射器(拡大構成図)⑨

FY2026時点での電子加速レーザーシステム(装置構成図)⑩

FY2026時点での電子加速プラットフォーム (全景説明図)⑪

FY2020時点での重イオン加速プラットフォーム( (装置構成図)⑫

FY2023時点での重イオン加速プラットフォーム( (装置構成図)⑬

FY2023時点でのレーザー駆動炭素線発生装置(拡大構成図)⑭

FY2026時点での重イオン加速レーザーシステム(装置構成図)⑮

FY2026時点での重イオン加速プラットフォーム(全景説明図)

LPA
2020/05/08

LPA
2020/05/08① 電子加速ゴール [小型XFEL]
電子加速プラットフォーム(阪大産研、QST関西研、JASRI、理研、分子研、KEK)

スタート
電子加速プラットフォーム(阪大産研、QST関西研)

研究開発

加速エネルギー ～4GeV
電荷量 >10pC/パルス
ΔE/E 0.01%,
バンチ長 4fs
エミッタンス ～0.2𝝅μmrad
SASE-FEL ～10keV

加速エネルギー 75 MeV
分解能 3%
電荷量 2 pC/パルス
パルス幅 (未計測)

SG2

SG1
FY2017FY2018FY2019FY2020

FY2021

エネルギー 100MeV
分解能 3%
電荷量 20pC/パルス
バンチ長 < 10fs(FWHM)

電子入射器(阪大産研、QST関西研)

FY2023

FY2024FY2025エネルギー 1～2GeV
分解能 < 0.1%
電荷量 20pC/パルス
バンチ長 < 4fs(FWHM)
室温Nd:YAG
エネルギー 2J繰り返し ～100Hz

DFC励起レーザー先行実証機(理研・分子研)

加速エネルギー 75 MeV
分解能 3%
電荷量 2 pC/パルスパルス幅 (未計測)

FY2022

室温
エネルギー 0.275J
繰り返し ≥10Hz

加速エネルギー 20MeV
電荷量 >20pC/パルス
ΔE/E 0.01%,
バンチ長 <10fs

前段加速器(追加速器)(阪大産研、QST関西研)

外部電子入射器(JASRI)

新規研究開発FY2026

エネルギー 10J on-target
パルス幅 ≲ 100fs
繰り返し ≥10Hz
強度 1020 W/cm2 @10Hz
K値 1.0ギャップ長 1mm
周期長 10mm

電子加速用レーザーシステム(理研・分子研)

アンジュレータ(KEK)

加速エネルギー 75 MeV
分解能 3%
電荷量 2 pC/パルス
パルス幅 (未計測)

プロジェクト開始時(FY2017時点)

K値 0.6
ギャップ長 2mm
周期長 10mm

新規研究開発LPA
2020/05/08② イオン加速

ゴール [重イオン小型入射器]
イオン加速プラットフォーム(QST放医研・関西研、阪大レーザー研、電通大)

スタート
イオン加速プラットフォーム(QST放医研・関西研)

加速エネルギー 4MeV/核子
C6+イオン数 >108/パルス
ΔE/E <1%
繰り返し 10Hz以上
炭素線純度 99％以上

研究開発
C6+イオン生成
新規の研究開発

SG1
FY2017FY2018FY2019SG2

FY2020

FY2021

繰り返し ≥10Hz
強度1019 W/cm2 @10Hz

液体窒素冷却 Yr:YAG
エネルギー 10J繰り返し 100Hz

炭素イオン計測系の構築
繰り返し10Hz
連続ｼｮｯﾄ数 >300回

プラットフォーム
レーザシステム(QST放医研・関西研)アクティブミラ励起レーザー
先行実証機(阪大レーザー研)

レーザー駆動炭素線発生用薄膜テープター
ゲット及び真空槽(QST放医研・関西研)

窒素冷却利用エネルギー 1J
繰り返し 100Hz

新規研究開発新規導入

FY2022

FY2023

耐力 >1.6kJ/cm2
オゾン混合ガス
真空中動作

デブリシールド(電通大)

新規研究開発プロジェクト開始時(FY2017時点)

FY2024

重イオン輸送エネ
ルギー 1MeV/u

重イオン輸送ビームライン(QST放医研・関西研)新規研究開発FY2025

FY2026

エネルギー 10J on-target
パルス幅 ≲ 100fs
繰り返し ≥10Hz
強度1020 W/cm2 @10Hz
イオン加速用
レーザーシステム(阪大レーザー研)

新規研究開発LPA
2020/05/08③ レーザー開発
SG2

SG1
FY2017FY2018FY2019FY2020

FY2021

FY2022

FY2023

FY2024FY2025

FY2026

研究開発

電子加速プラットフォームへ
DFC励起レーザー実証先行器(理研・分子研)

全長約40cm

アクティブミラー
励起レーザー実証先行器(阪大レーザー研)

電子加速用レーザーシステム(理研・分子研)

室温 Nd:YAG
エネルギー 2J,繰り返し ～100Hz

レーザー光学素子
データーベース(電通大)

液体窒素冷却 Yr:YAG
エネルギー 10J繰り返し 100Hz

エネルギー 10J on-target
パルス幅 ≲ 100fs
繰り返し ≥10Hz
強度1020 W/cm2 @10Hz

イオン加速用
レーザーシステム(阪大レーザー研)

全長約1.5m

デブリシールド(電通大)

イオン加速プラットフォームへ

④ 電子・イオン加速のSG2(FY2023)での主な目標

エネルギー 10J on-target
パルス幅 < 100fs
繰り返し ≥10Hz
強度 1020 W/cm2 @10Hz

LPA
2020/05/08

電子加速プラットフォーム(阪大産研、QST関西研、JASRI、理研、分子研、KEK)
主要装置の統合
入射器、前段加速器、主加速器による多段加速エネルギー 10J on-target
パルス幅 < 100fs
繰り返し ≥10Hz
強度1020 W/cm2 @10Hz

イオン加速プラットフォーム(QST放医研、QST関西研、阪大レーザー研、電通大)

輸送ビームライン、RF移送回転装置、レーザー駆動炭素線発生装置
主要装置の統合

⑤ FY2020時点での電子加速プラットフォーム (装置構成図)

レーザーアンジュレーター
前段加速器
⼊射器

廃棄ビーム
四重極電磁⽯⾃発光

全長約20m

LPA
2020/05/08

LPA
2020/05/08⑥ FY2023時点での電子加速プラットフォーム (装置構成図)レーザー
アンジュレーター
前段加速器
⼊射器

廃棄ビーム
四重極電磁⽯
外部電⼦⼊射器

偏向電磁⽯

全長約18m(レーザー装置等を放射線管理区域外に移設して全長を短縮)

⾃発光

LPA
2020/05/08⑦ FY2026時点での電⼦加速プラットフォーム (装置構成図)

レーザー
主加速器
前段加速器
⼊射器

アンジュレーター

外部電⼦⼊射器

四重極電磁⽯

廃棄ビーム

偏向電磁⽯
誘導光

全長約18m(最終的には、作業空間、装置間隔、真空パイプ等を短縮して全長4mが可能であることを実証)

LPA
2020/05/08⑧ 外部電子入射器(拡大構成図)

光電子発生用レーザー装置

RF電子銃
RF電源

四重極電磁石ソレノイド電磁石

RF電子ビーム圧縮器

RF低損失加速管

電子ビーム

全長約4m

⑨ FY2026時点での電子加速レーザーシステム(装置構成図)

パルス伸⻑部

LPA
2020/05/08

DFC励起レーザーユニット

発振器

パワー増幅部＃１(前置増幅器)

パルス圧縮部
パワー増幅部＃2(主増幅器)

電子加速プラットフォームへLPA
2020/05/08⑩ FY2026時点での電⼦加速プラットフォーム (全景説明図)
パワー増幅部＃2(主増幅器)

パワー増幅部＃１(前置増幅器)

パルス圧縮部

入射器

発振器(パルス伸長部を含む)

放射線管理区域内

7m

3m
外部電子入射器

防護壁
前段加速器

4m

主加速器

アンジュレータ

18m

着色部分を「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」で開発・構築

⑪ FY2020時点での重イオン加速プラットフォーム(装置構成図)

LPA
2020/05/08

重イオンビーム計測系へ
光学窓

炭素線発生用
薄膜テープターゲット

ミラー

底辺約1m

プラットフォーム
レーザーシステムからレーザー駆動炭素線発生用真空槽

⑫ FY2023時点での重イオン加速プラットフォーム(装置構成図)

LPA
2020/05/08

偏向電磁石

シンクロ
トロンへ

四重極電磁石プラットフォーム
レーザーシステムからエミッタンス調整用炭素薄膜

RF位相回転装置

重イオン輸送ビームライン

レーザー駆動炭素線発生装置

全長約4m

⑬ FY2023時点でのレーザー駆動炭素線発生装置(拡大構成図)

重イオン(炭素線)ビーム

LPA
2020/05/08

プラットフォーム
レーザーシステムからビームラインへ

光学窓

炭素線発生用
薄膜テープターゲット

デブリシールドミラー

レーザー駆動炭素線発生用真空槽

底辺約1m

⑭ FY2026時点での重イオン加速レーザーシステム(装置構成図)

パルス伸⻑部

LPA
2020/05/08

アクティブミラー
励起レーザーユニット

発振器

パワー増幅部＃１(前置増幅器)

パルス圧縮部
パワー増幅部＃2(主増幅器)

レーザー駆動炭素線発生用真空槽へ

⑮ FY2026時点での重イオンプラットフォーム(全景説明図)

LPA
2020/05/08
パワー増幅部＃2(主増幅器)

6m
パワー増幅部＃１(前置増幅器)

発振器(パルス伸長部を含む)

2m

波面補正部

レーザー駆動炭素線発生装置

パルス圧縮部

放射線管理区域内

重イオン輸送ビームライン
超伝導
シンクロトロン外径10m（軸間隔8m）
着色部分を「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」で開発・構築