レーザー駆動イオン加速器開発における産学官連携
国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
榊 泰直
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

Contents◼ 量⼦メスプロジェクトの概要◼ 量研におけるレーザー駆動イオン加速技術の先駆的開発◼ 産学官連携によるレーザー駆動イオン加速器の開発「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

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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

第5世代装置より小型化と高性能化
45x34m (1/6程度)

さらなる小型化
10x20m (1/40程度)

超伝導シンクロトロン
マルチイオン照射

レーザー加速課題解決⚫ 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⚫ 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

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レーザープラズマ加速技術
基盤技術：
高強度レーザーによる新しい粒子加速手法の発見
超短パルスレーザーシステム

レーザー駆動イオン加速シミュレーション

薄膜「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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既存RF型加速器とレーザー駆動の比較
イオン源および加速部

既存の装置（高周波型）

ビーム性能

イオン源
イオンビーム

高周波空洞（電場勾配：～MV/m)

約30m (陽子を 50MeVまで加速させるには)イオン発生用
ターゲット

ビーム輸送系電子レーザー加速レーザー

イオン>1020W/cm250mm

電場勾配~ MV/m

バンチ長さ

DC～ナノ秒(with beam chopper)

エネルギー幅単色エネルギー

ビーム発散角< 1 degree

エミッタンス

横方向 ~1 [π mm ・mrad]
縦方向 ~5 [eV・s]

電場勾配～ TV/m

バンチ長さ

ピコ秒程度 at target

エネルギー幅ブロード

ビーム発散角~ 10 degrees

エミッタンス

横方向 ~10-4 [π mm ・mrad]
縦方向 ~10-5 [eV・s]「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レーザー駆動イオン加速器の構成
ビーム輸送系（ビーム仕様を高精度に保つ装置）

イオン発生部（イオンを加速する装置）

イオン発生用
ターゲット

収束用四重極磁石

レーザー
イオン

エネルギー弁別
偏向磁石

電子

デブリ

デブリシールドエネルギー補正
高周波空洞（位相回転空洞）利用に応じた仕様のビーム加速器をつくるには輸送系装置に求められる仕様を確定する必要有「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レーザー駆動陽⼦加速器の基礎研究
レーザー駆動陽子ビームの輸送の基礎実験（日本が先駆者：京大＆関西研）
位相回転空洞レーザー駆動で発生したイオンを高周波空洞（±40kV）を使ってエネルギー整形した
Shu NAKAMURA, et. al., Japanese Journal of Applied
Physics, Vol. 46, No. 29, 2007, pp. 717-720.

永久磁石型四重極磁石

発散角が大きい2.0MeV の陽子を磁石軌道で収束させた

Nishiuchi, et. al., Appl. Phys. Lett, 94, 061107(2009)「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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レーザー駆動陽⼦加速器の基礎研究
陽子によるビーム輸送デモンストレーションa

2010年＠量研関西 (J-KAREN)

偏向電磁石

収束磁石

陽子ビーム軌道ビーム計測器Proton/MeV/msr/shot
Proton/MeV/msr/shot

2.5x107 7
2.5x10高周波空洞（位相回転）

1

Proton Spectrum at (b-1)（ 偏向磁石と位相回転無）72.0x10 7
2.0x107

1.5x10 7
1.5x107

1.0x10 7
1.0x106

5.0x10 6
5.0x10

0.0
0.0

c
1.0
1.0

1.5

2.0
2.0
Energy [MeV]

1.5

2

2.5

3.0
3.0

2.5

Energy [MeV]
偏向電磁石

陽子ビーム
収束磁石

Laser
0.8J, 35fs~8x1019W/cm2

ターゲットbProton/MeV/msr/shot
Proton/MeV/msr/shot

高周波空洞72.5x10 7
2.5x102.0x1072.0x107

Proton Spectrum at (b-2)（偏向磁石と位相回転有）71.5x10 7
1.5x101.0x1071.0x10765.0x10 6
5.0x100.00.0

d1.0
1.0

1.5

1.5

2.0
2.0
Energy [MeV]

2.5

2.5

3.0
3.0

Energy [MeV]

M. Nishiuchi, et al., Phys. Rev. ST Accel. Beams 13, 071304 (2010).

「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

7小型陽⼦線治療器の製品化
2014年、北大や相澤病院で小型陽子線装置による治療が開始

北大（日立製作所製）

相澤病院（住友重機製）

https://www.hitachihyoron.com/jp/100th/innovators/chapter_05/index.html
https://www.shi.co.jp/info/2014/6kgpsq0000001ry0.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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レーザー駆動重イオン加速

極めて強力なレーザー光で、電子をまとわない「裸」イオン状態の鉄の原子核を作り出し、その原子核を光の1/5の速さに一気に加速することに、日本原子力研究開発機構量子ビーム応用研究センターが世界で初めて成功した。

現状の加速器より重イオンを高効率で加速できる
M. Nishiuchi, et al., Physics of Plasmas 22, 033107 (2015).
https://scienceportal.jst.go.jp/newsflash/20150310_03/index.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レーザー駆動炭素イオン加速器に向けて2016年の量研発足時における我々の判断
１）陽子線治療装置の小型化
陽子の場合はレーザー加速でなくとも通常型の加速でも小型化が可能
２）重イオンの高効率加速の成功
通常では簡単に生成できない多価の重イオンが生成・加速できる知見を得た
レーザー加速にて高効率で重イオンを加速させる加速器を世界に先駆けて実証し、製品化することで日本の技術の優位性を示す（量子メス）「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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世界的な動き2020年ころから、利用に向けたビームラインでの輸送に関するデータが出始めた（陽子）ピーク電流は大きいが一緒に動いている電子を磁石のフリン
ジ磁場で取り払っても陽子の場合は“空間電荷の問題はない”
H. Al-Omari, et al. Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A 981 (2020)
164523

エミッタンスを計測し輸送中に大きく変化がない

M. J. WU et al. PHYS. REV. ACCEL. BEAMS 23, 031302 (2020

レーザーで効率的に重イオンを加速する手法で基本特許の獲得は優位性が大「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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量⼦メスの早期実現に必要な技術
重粒子線治療装置用レーザー駆動イオン加速型入射器の開発
ターゲット

ターゲット駆動部
レーザー

ビーム輸送系

レーザー光学部

イオン輸送部

イオン加速に最適なレーザーシステム:

小型高強度レーザーの実現⇒ 高強度レーザー光学素材

国内メーカーが有する技術にて入射器を実現する。

イオン発生用ターゲット:

高純度炭素・高繰り返し炭素ターゲットの実現⇒ ターゲット素材（消耗品）、ターゲット駆動装置、デブリ対策素材（消耗品）
コンパクトなイオンビーム輸送系:

エネルギーとイオンの選別&シンクロトロンへのマッチングの実現⇒ ビーム輸送計算、小型電磁石システム、ビーム計測回路・制御システム「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
未来社会
創造事業炭素イオン加速手法の確立（基礎研究）

2017

2018

2019

2020

ステージ1（サイエンス）

2021

2022

2023

ステージ2（テクノロジー）

2024

2025

2026

最終ステージ（エンジニアリング）・ターゲット素材評価
・加熱による不純物除去評価

知財

実施企業A
実証装置の開発（企業連携）

実証装置による実験

装置の最適化

実施企業B
ノウハウ
炭素ビーム輸送の検討（基礎研究）

・陽子ビーム輸送での知見
・低エネルギーイオンでの知見「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

13産学官連携による装置の実現
国内メーカーの有する技術を発展させレーザー駆動イオン加速の実現へ
日立造船が有する「成膜加工技術、加速器制御技術」

住友重機械が有する「小型イオンライナック技術」
ビームエネルギー補正、イオン価数制御
1）高周波ビーム加速技術、装置開発
2）ビームイオン価数制御、装置開発
ビーム軌道補正
３）ビーム光学による炭素ビーム高純度化技術
４）空間電荷効果抑制技術、装置開発

ターゲットテープ交換の高純度、高繰り返し化
1）ターゲット材料を真空槽で加工しながら供給する技術粒子加速器用システムの制御技術
2）加速器用システムおよび遠隔自動制御技術

レーザー駆動イオン入射器システム
レーザーシステムおよびターゲット供給装置、ビーム輸送系を介してシンクロ入射までを一体化システムとして組み上げる技術

ロールtoロール成膜装置

重粒子線治療用
小型イオンライナック

アンジュレータ制御、真空制御、電磁石電源制御、タイミング制御等の設計製作「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

14産学官連携による装置の実現
2020

2021

2022-2023

炭素加速基礎実験、ビーム輸送手法およびビーム計測手法の確立（QST)

実証装置の開発（住友重機＆日立造船）

住友重機械が有する「小型イオンライナック技術」

日立造船が有する「成膜加工技術、加速器制御技術」

SPring-8から移管されるビーム輸送系にて実証試験

SPring-8から移管される「電磁石ビームライン」

ロールtoロール成膜装置

重粒子線治療用小型イオンライナック

加速器制御システム「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

15ビーム輸送系移管によるビーム実証
量子メス用炭素ビーム実証機の開発＠量研

レーザー駆動炭素線発生装置(~1MeV/n)

関西研内（2022年度完成予定）

炭素線
BM: 1TQM: 10T/m

QTM: 26T/m

量子メスレーザー駆動加速の実証機

1m

レーザーシステム

4m
加速実験
真空槽

レーザー
圧縮機
Contrast： 10-10〜
1.0E+00
1.0E-01

2020-06-25

1.0E-022021-04-05

Normalized Intensity

1.0E-03

ビーム診断
真空槽

1.0E-04
1.0E-05
1.0E-06
1.0E-07
1.0E-08
1.0E-09
1.0E-101.0E-114m-150-100-50

050

100Time (ps)

住友重機械工業・日立造船と共同開発「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

16シンクロトロンへのビーム入射設計
ビーム軌道

計算条件
発生イオン数：~7m

Simulated by E.Noda ＠HIMAC (QST)

計算結果
アクセプタンス：
1回入射粒子数：
20回入射粒子数：

1x108個/10%b.w./msr

1.9msr (±25x12mrad)1.3x108個
1.6x109個

第5世代の量子メス全体システム設計が高精度にできるようにする！！

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Summary◼ 重粒⼦線治療が誰でもが受けられる治療となるためには、病院内に設置できる装置（＝量⼦メス）が必要であり、そのためにはレーザー駆動イオン加速による小型化が期待される。
◼ 量研はレーザー駆動イオン加速のビーム輸送に関する基礎実験においては、世界的に先導してきた。その知見から、陽⼦加速を対象にすることでは開発における優位性が得られないと判断し、重イオンにおいて加速器を実証することを主眼とした。
◼ レーザー駆動イオン加速器の早期実現を産学連携で目指し、新規ユーザーを発掘していきたい。
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