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
2021年6⽉25⽇
プログラム・マネージャー（分⼦科学研究所）
佐野 雄⼆

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
 レーザープラズマ加速の原理・特徴
 開発の目標・体制
 ステージ１の成果概要
 ステージ２の計画

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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）
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レーザー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 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）

レーザー加速⽤
真空容器内

電⼦⼊射

船による波（航跡波）
電⼦密度

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

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電⼦発⽣（電⼦⼊射）のイメージ

https://youtu.be/FeXP7SxCKKE

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5レーザーによるイオン加速の原理
 真空中の薄膜に⾼強度レーザーを集光 電⼦が激しく振動し、レーザーの進⾏⽅向へ加速
 ⾼エネルギーの電⼦は薄膜を貫通し、外部に放出
 電荷分離（TV/m）が発⽣し、イオンが加速・放出（TNSA︓Target Normal Sheath Acceleration ）シース場（TV/m）でイオンが加速される

レーザープラズマ加速の特徴
 加速電界強度が通常型の加速器の３〜５桁⾼い ➡ 原理的に⼩型化･⾼エネルギー化が可能

通常型電⼦加速器（〜20 MeV/m）

電⼦加速⽤プラズマチャネル（〜20 GeV/m）

 ⾼強度化（⼤電荷）、⾼品質化（安定性･再現性･単⾊性）の実現には⾼い技術的課題

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レーザープラズマ加速による未来社会の例
SPring-8

利用機会拡大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）
医療機会の提供（医療費の抑制）

www.global.toshiba/jp/news/corporate/2012/02/pr0801.html

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）未来社会創造事業・⼤規模プロジェクト型「レーザー駆動による量⼦ビーム加速器の開発と実証」シンポジウム
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開発内容とプロジェクトの POC（概念実証）
イオン加速技術

電子加速技術シミュレーション・計測技術
プラズマ加速場

小型重粒子線がん治療装置

POC（電子加速）システム開発 XFEL（10 keV）の実現に必要
将な電子ビーム発生・加速技術
将来開発テーマC-2：LD（VCSEL）
POC（イオン加速）治療室

超伝導シンクロトロン

レーザー

来

 量子メスの入射器として利用できる C6+ ビーム生成システム

応用展開

加速用レーザー技術

広帯域増幅

小型XFEL装置

アクティブミラー

超高耐力光学素子

共通基盤技術・加速器技術
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開発体制（2021年度）
JST（科学技術振興機構）
運営委員（学識経験者）
プログラムマネージャー： 佐野 雄二（2017年度 ～ 2020年度： 熊谷 教孝）
プログラムマネージャー補佐

イオン加速技術開発

レーザー技術開発細貝 知直

・QST関西研： 近藤 公伯

・理研／分子研：・QST関西研： 神門 正城

・QST放医研： 白井 敏之

・阪大レーザー研： 河仲 準二

電子加速技術開発
・阪大産研：
・JASRI：

熊谷 教孝

協力機関

・電通大：

大竹 雄次
・KEK：平等 拓範
米田 仁紀

協力機関

吉田 光宏
山本 樹
協力機関

青字： 本日の講演者
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開発の展開と POC への道すじ
ステージ２

ステージ１

ステージ３
POC
（概念実証）

 EUV領域のFEL増幅
 イオン入射器システム

技術
成熟度

社会
実装

 要素技術高度化
 優れた要素技術の育成と見極め 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（10 keV）の実現に必要な電子ビーム発生・加速技術 量子メスの入射器として利用できる卓上サイズのC6+ ビーム生成システム
量子メス： 次世代重イオンがん治療装置

2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026
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ステージ１の成果概要

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11電⼦加速プラットフォームの整備（播磨）ポンプレーザー

制御室

制御室

パルス圧縮器

電⼦加速部 電⼦ビーム
モニター
パルス圧縮器

ポンプ
レーザー

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

搬⼊⼝
エリア
⽮橋

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

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アンジュレータ

放射線モニター実験エリア

12安定性を重視した加速スキーム･レーザー構成
レーザー出⼒︓⼩ガス密度︓⼩多段加速スキーム

電場︓弱サブPWレーザー

安定
な加速

電⼦⼊射

加速（準単⾊化）

1GeV
（安定）

加速

課題︓⾼い位置･時間精度(数m, 数fs）
レーザー構成１段加速スキーム

レーザー出⼒︓⼤ガス密度︓⼤電場︓強⼊
射･
強い
加速

数PWレーザー
1J, 20fs
2J, 50fs（50TW）（40TW）

10J, 100fs（100TW）>数GeV（不安定）

電⼦⼊射＋加速
電⼦⼊射
加速（準単⾊化）

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加速13レーザー加速電⼦による放射光発⽣

アンジュレータ磁⽯検出器（EMCCD）

レーザー加速プラットフォーム（播磨）磁⽯間隔 3mm

4mm

5mm

6mm

9mm

20mm

レーザー加速プラットフォーム（播磨）レーザー加速電⼦とマイクロアンジュレータによる放射光の観測
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シミュレーションを活⽤した電⼦ビーム制御
プラズマで加速された電子ビームのエネルギースペクトル（PIC シミュレーション）
Uniform plasma
density△E/E ~ 4.14 %Uniform plasma
density△E/E ~ 1.15 %Tailored plasma density△E/E ~ 0.46 %未来社会創造事業・⼤規模プロジェクト型「レーザー駆動による量⼦ビーム加速器の開発と実証」シンポジウム
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15レーザープラズマ（航跡場）診断⽤線型加速器
RF電源開発RF電⼦銃開発

クライストロンモジュレータ

PFN充電電圧・安定度

2.6セルRF電⼦銃空洞

世界最⾼⽔準の電圧ジッタ︓
3.16 ppm (rms)を達成

ビーム軸上の加速電界分布
⻘点がシミュレーション、オレンジ線がビード摂動法による測定値
よく⼀致、⾼い加⼯・製作技術を確認

電⼦ビーム軌道解析（3D時間発展シミレーション）

レーザープラズマ（航跡場）に入射電⼦⼊射⽤線型加速器の構成
RF電⼦銃（原点＝0）、ビームバンチャー圧縮器(1m付近)、RF冷却型加速管(2m付近)、四重極電磁⽯(3m)

フェムト秒レベルのタイミング系開発

SACLAで開発された技術を更に⾼度化した機器開発で実現
マスターオシレータと空洞フィルター(TE01,1,16mode）

線型加速器の安定な電子ビームをレーザープラズマに入射し、加速場の計測・診断に活用-150 dBc at 10MHz 空洞フィルター挿⼊後パルスジッターとして10fs程度に対応

プラズマ航跡場加速の⼊射点での電⼦ビーム仕様（バンチ⻑=〜6 fs、x=35.6μm、y=21.2μm(rms)@~20MeV, 100fC)
を空間電荷効果を⼊れた3D粒⼦トラッキングコードで確認

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16イオン加速プラットフォームの整備（⽊津）レーザー駆動炭素線発生装置
トムソンパラボラ
イオン分析器
テープターゲット
駆動装置

イオン加速用レーザー

軸外し放物面鏡
F=2.8
回折限界 2.9 m

FWHM X 4.0 m
FWHM Y 3.9 m

パルス圧縮器

最大強度レーザー
850 mJ, 80 fs
5x1019 W/cm2

コントラスト： 10-8〜

2019年8⽉末よりターゲット照射を開始
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17室温動作 DFC チップレーザーの開発
ミラー

ミラー
レーザー媒質

励起光源

ロッド型レーザーの構成
21枚の常温接合DFC(0.5mm Nd:YAG/ 2mm sapphire)

冷却を促進する構造を接合で実現

励
起冷却基板
形状最適化

･･････@ 1064 nm

高出力化のためのDFC構造（DFC: Distributed Face Cooling）@ 532 nm

DFCチップ(10mm□)２個を搭載した>2J,銅製ヒートシンクの外観
50Hz を室温動作で実証

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アクティブミラーによる⼤出⼒パルスレーザー
世界最⾼平均出⼒ 1 kW パルスレーザーを実現
小型・堅牢

プロトタイプ（これまで）

3D配置・一体化ホルダー構造

小型（光学サイズ < 1/25）

30 cm x 35 cm x 40 cm
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堅牢（がっしり固定）

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レーザー書込み気体回折光学素⼦の開発② 回折格子生成
ガス中に密度変調δρ生成（＝ 屈折率変調Δnを生成）① O3 生成flow controlvalveRF
RF0 nsozone mixedgas grating

O
20th

Open
window

O2+ O335 ns

55 ns

1th
Diffracted beam

O2

248nm laser(KrF, 10ns pulse)

回折格子生成の様子

248nm laser

Incident laser

PumpingsystemY. Michine and H. Yoneda, Com. Phys. 3, 24 (2020)
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ステージ２の計画

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ステージ２の開発計画（電⼦）電子加速プラットフォーム（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ーに入射し、EUV領域で放射光の増幅を確認する。アンジュレーター長さは 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

電⼦加速部 電⼦ビームモニター
パルス圧縮器

ポンプ
レーザー

プラズマ診断X線ビーム診断／拠点整備

搬⼊⼝
エリア
⽮橋

レーザーシステム（〜35m）

プラットフォームレーザー整備

アンジュレータの開発・整備
電⼦⼊射部

ビームダンプ

EUV領域でのFEL発振

X線診断

放射線モニター

計測系の開発・整備
アンジュレータ

電子加速プラットフォーム（播磨）
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ステージ２の開発計画（イオン）イオン加速プラットフォーム（QST関西研）にて、プラットフォームレーザー（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。

プラットフォームレーザー整備

イオン入射器の構想

入射器とシンクロトロンの関係
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ステージ２の開発スケジュール
２０２１

２０２２

２０２３

入射器（ガスジェット）高度化
キャピラリー加速実験（多段加速）
バンチ計測システム開発

電子加速

EUV・X線計測器の開発
プラットフォームレーザー整備（10Jライン）

EUV-FEL実験開始

EUV-FEL実験

アンジュレータ設計・製作
ライナック整備・試験移設準備（JASRI ➡ 阪大・産研）

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

イオン加速

炭素イオンビームライン開発
プラットフォームレーザー整備（1020W/cm2）
入射器（実験機）統合試験
励起レーザー安定化レーザー

Ti:sapphireへの組込み開始

要素技術開発／FS（超高耐力素子、大口径素子、広帯域増幅技術、新結晶開発）
加速用レーザーシステムの検討

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おわりに
 「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（大規模プロジェクト型）に採択され、2017年11月に10年プロジェクトとして始動
 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」、およびその実現に必要な「高強度小型レーザー」にかかわる研究開発を推進 今年度より、ステージ２ の開発（2021～2023年度）を開始。

電子加速では「EUV領域の放射光の増幅」を、イオン加速では「入射器の実証」を目指す。レーザー技術の更なる高度化を推進し電子・イオン加速に貢献、産業展開を図る
 ステージ１の開発をご支援いただいた皆様に感謝。ステー

ジ２でも、変わらぬご支援をいただきたい
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25With accelerators and lasers, we can realize a new era that has never been imagined before.

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