レーザープラズマによるイオン加速技術の開発
国⽴研究開発法⼈量⼦科学技術研究開発機構
近藤 公伯
令和４年６⽉７⽇「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 ­「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

内容
ü 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
ü 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)
ü 開発の現状
ü 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」 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

レーザーで極端に⾼いパワーを発⽣
出力

ü 高出力レーザー
レーザー加工機

平均出力時間ü パルスレーザー
尖頭出力が高い→ より広い応用ができる
パルス幅：マイクロ秒、ナノ秒

出力

メガワット、ギガワット（百万ワット、十億ワット）

尖頭出力
平均出力時間ü 極短パルス高出力レーザー
ピコ秒、フェムト秒
尖頭出力はマイクロ秒のそれの百万倍、一億倍!
→ さらに広がる応用
科学研究用、フェムト秒レーザー
加工、フェムト秒レーザー手術

ペタワット（千兆ワット）
J-KAREN-P@QST関西研

尖頭出力
出力

平均出力
時間

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極限サイズまで絞り込んで⾼強度をストレール⽐︓0.46

1.4 µm
電界Eの方向直径25cm磁界Hの方向レーザーの進む方向

2016年11月に瞬時集光強度 1022 W/cm2 を達成!
光強度 I：1022 W/cm2 → 光電界 E：280 TV/m
(ただし I = 0.5×ce0E2).
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量⼦メス開発プロジェクト
重粒⼦線がん治療装置

量⼦メス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
l 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
l 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」 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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」 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

5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−+−−− + + −++−−+−−++−+−

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」 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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極限的レーザー強度の電界の強さ
レーザー瞬時強度(W/cm2)@1μm

レーザー瞬時電界(V/m) @1μm

対応事象

1.3×109108

⼀億

加速管の放電限界

3.5×1016

5.1×1011

五千億

電離

1.4×1018

3.2×1012

三兆

電⼦が光速に

1020

2.8×1013

三⼗兆

イオン加速⽤に開発するレーザー

1022

2.8×1014

三百兆

J-KAREN極限集光

磁界

4.6×1024

5.9×1015

六千兆

陽⼦が光速に

I

4.6×1029

1.3×1018

⼀百京

真空破砕

水素原子
電界

B

F

レーザーの進行方向 z

pz = mc(g-1)
g = ( 1- (v/c)2 )-0.5

陽子質量/電子質量 〜 1800

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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
凹面鏡でターゲットにミクロンサイズに絞り込む+−+− −+ −− −+ − +−+− + − +− − −++− + − −+−++ −+− + +−

高ピーク出力レーザー
ペタワット、テラワット

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！
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＋ ＋＋ ＋＋ ＋＋ ＋

加速長がミクロン程度
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！

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8⾼品質なレーザーパルスが必要
理想的なフェムト秒パルス

フェムト秒パルスが時間的に先行する光ノイズ成分を含む

薄膜ターゲット
フェムト秒レーザー

フェムト秒
レーザー
高エネルギー電子発生

強⼒な電荷分離電子
イオン 短時間に加速

時間的に先行する光ノイズ成分
フェムト秒パルスが薄膜にた
どり着く前にプラズマ化⇒ 裏面が膨張強⼒な電荷分離が作れない
イオンの加速は難しい！

プラズマの膨張「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炭素イオンより陽⼦が優先的に加速される・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 ) EP

炭素膜n PPPn Pn n
P n Pn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」 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

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」 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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量⼦メス開発プロジェクト
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JST-MIRAI LPA

技術実証機建設
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」 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」 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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要素技術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.

相互作用 （レーザーと薄膜プラズマの相互作用物理）
必要なレーザーのスペック ターゲットや周辺 炭素ビーム発生特性「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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イオン加速プラットホームを整備し⾼度化
2021/10/13 1270mJ, 40fs, 5µm (FWHM)
2019/11/20 640mJ, 80fs, 5µm (FWHM)
3.9×1019 W/cm2(4.4 µmスポット内平均)
5.4×1018 W/cm2 (5 µm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-11-500-400-300-200-100
Time (ps)0100

By T. Dinh, S. Kojima et al.

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⼩型⾼出⼒レーザーで⼗分な炭素線を発⽣を⽬指す
炭化ポリイミド標的（ QST 2020 ）C4+イオンJ.Schreiber et al.
Review of Scientific Instruments 87, 071101 (2016)
4 MeV/u

イオン数 (/msr/10% Ekin/shot)

1010
109
108個
108

量子メス
目標性能

107106105104核子当たりのイオンエネルギー Ekin（MeV/u）

Ni基板+多層グラフェン（ QST 2020 ）量子メスプロジェクトの目標性能にイオン数（縦軸）が3倍、エネルギー（横軸）が6倍で達成可能な領域に到達した。

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今後の取り組み
2017-20202021-2023

2024-2026

ステージ１

ステージ２

ステージ３

レーザー

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

ターゲット（⽇⽴造船）

⾼純度炭素発⽣の⼯夫
10 Hzデモ10 Hzで⾼純度炭素発⽣可能なター
ゲット

⾼度化

相互作⽤

イオン加速PFJKAREN
3D PIC

MeV/u級炭素線の発⽣

⾼効率化

ビーム⼊射・モニター（住友重機）

10 keV/u輸送デモMeV/u級輸送デモ

⾼度化

JST-MIRAI LPA

⾼度化

統合実
験

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」 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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まとめ
n 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。
n 未来社会創造事業の⼤規模プロジェクト型LPAの⼀つとして2026年度の最終年度にPOCを達成すべく、研究開発を進めている。
n 現在のステージ２では、核⼦あたりMeV級の炭素イオンを発⽣し、有限⽴体⾓分の診断をするためにレーザー、ターゲット、ビーム⼊射とモニターの開発を進めている。
n 相互作⽤実験の結果、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なので対応を検討中。
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