イオン加速技術の開発成果と展望
量子科学技術研究開発機構 量子ビーム科学部門
関西光科学研究所 光量子科学研究部
近藤 公伯
JST-MIRAI「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
2021年6月25日（金）10時～14時
Zoom webinarによるオンライン開催

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
2021/06/25開催

研究開発体制
PI: 近藤 公伯

サブPI: 白井 敏之

QST関西研西内 満美子、榊 泰直、近藤 康太郎、今 亮、神門 正城、宮坂 泰弘、福田 祐仁、
桐山 博光、守田 利昌、James Koga、Timur Esirkepov、錦野 将元、森 道昭、Dinh Thanh Hung、小島 完興、⾧谷川 登、石野 雅彦、岡田 大、近藤 修司、
畑 昌育
QST放医研岩田 佳之、水島 康太、野田 悦夫
京大化研
橋田 昌樹、井上 峻介、阪部 周二
民間企業
住友重機械工業（株）、日立造船（株）

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内容
レーザープラズマによるイオン加速研究重粒子線がん治療とレーザー加速器の利用
JST-MIRAIの目標
現在の研究開発と成果
展望

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内容
レーザープラズマによるイオン加速研究重粒子線がん治療とレーザー加速器の利用
JST-MIRAIの目標
現在の研究開発と成果
展望

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4放電限界を超えるレーザー加速技術
光の圧力で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

+
− + +
−
+

−
−

+−+
−

+

−
−+
−+−
+−

高出力
極短パルス
レーザー++++

−
−
−

−
−
−

−
+ +−
+ + − −−

加速電場：>>1012V/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
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5レーザー出力尖頭値が十ペタワット
2018年のノーベル物理学賞は Arthur Ashkin, Gérard Mourou
and Donna Strickland.

Chirped Pulse Amplification (CPA)
10 PW

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高出力パルスレーザーの先頭出力
CW高出力レーザー

出力

平均出力
時間

高出力パルスレーザー
尖頭出力が高い→ パルス幅：マイクロ秒

出力
尖頭出力
平均出力

高出力極短パルスレーザー

時間

出
ピコ秒、フェムト秒 尖頭出力はマイクロ秒の百万倍、一億倍!
→ 尖頭出力はペタワット（千兆ワット）やテラワット（一兆ワット） 力
時間
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レーザー駆動イオン加速の原理
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
レーザーが強いと電子が激しく振動し、振動の速さは光の速さに達し、さらにレーザー進行方向へ高エネルギーに加速される！
e×(光電場)×(光の波⾧/2p) >> (電子の静止エネルギー)

高ピーク出力レーザー
ペタワット、テラワット

ミクロン厚さの薄膜

電子-e

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
Target Normal Sheath Acceleration :TNSA＋＋＋＋ー＋ー ＋ー ＋ー＋

薄膜裏面に強力な電荷分離(TV/m)が発生
裏面へ正イオンが一気に加速される！

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内容
レーザープラズマによるイオン加速研究重粒子線がん治療とレーザー加速器の利用
JST-MIRAIの目標現在の研究開発と成果
展望

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QSTが目指す「がん死ゼロ」健康⾧寿社会
次世代重粒子線治療（量子メス）• 分子標的治療

微小転移がんをピンポイントに治療• 標的アイソトープ治療

治療抵抗性の多発転移巣にも高い治療効果を期待

転移巣

分子標的治療標的アイソトープ治療

α線

固形がん（原発腫瘍塊）
賦活化効果

・副作用が少ない 免疫系
・高いQOL維持・免疫機能温存・免疫活性化作用もある可能性がん
死ゼロを目
指す

ブレーキ阻止or アクセル増強• 免疫制御治療併用

ブレーキの抑制（免疫チエックポイント療法）やアクセル増強等によりがん免疫を賦活化する

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QST法医研は重粒子線がん治療のパイオニア
量子科学技術研究開発機構
放射線医学総合研究所 QST病院
千葉県稲毛 炭素ビームは、生物効果が高く、線量を腫瘍に集中できるため、体にメスを入れずにがんを“切除”することが可能。

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11次世代炭素線がん治療施設とレーザー加速器
既存の炭素線がん治療施設

次世代炭素線がん治療施設

入射器 (高周波線形加速器)
超伝導シンクロトロン
レーザー駆動イオン加速器
20m・レーザー駆動イオン加速技術による入射器の大幅な小型化
・超伝導電磁石技術によるシンク
ロトロンの小型化
シンクロトロン

炭素線治療室・治療短期化の臨床技術開発による治療室数の削減

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12内容
レーザープラズマによるイオン加速研究重粒子線がん治療とレーザー加速器の利用
JST-MIRAIの目標
現在の研究開発と成果
展望

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量子メスのためのレーザー駆動炭素線入射器
治療に必要な炭素イオン数は4×109個程度であり、超伝導シンクロトロンでは、空間電荷効果の制限から蓄積粒子数は109個程度である。治療時間（通常100秒程度）を顕著に延ばさないために、1回の入射時間を2秒とし、多重入射効率を50%と仮定すると、 109個を蓄積するた
めには 、 1 %エネルギー幅、10Hzで、炭素イオンを108個/パルス以上入射できることが求められる。
108個/パルス × 10 Hz × 2秒 × 0.5 ＝ 109個
さらに、炭素イオンに酸素などの不純物イオンが混入した場合、線量の均一性を悪化させる。
粒子線治療ガイドラインの線量一様性の基準である+/-3%から、不純物の許容量を1%と設定し、炭素線純度は99 %以上とした。

10 m

20 m

シンクロトロン 加速器内に設置可能なコンパクト入射器

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14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

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内容
レーザープラズマによるイオン加速研究重粒子線がん治療とレーザー加速器の利用
JST-MIRAIの目標
現在の研究開発と成果
展望

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16レーザー加速入射器の要素技術開発
レーザー加速入射器

レーザー部
高繰り返しパワーレーザー

10 Hzの高出力レーザー

ターゲット部
レーザー薄膜相互作用による高エネルギー多価イオン発生

2秒間で2✕109個相当の4 MeV/u
炭素線の発生@±10%b.w.

ビーム輸送・診断部
1✕109個4 MeV/u炭素線@±1%b.w.
ビーム輸送・マッチング・セクション
シンクロトロン加速器
ガントリー
患者
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17イオン加速プラットホーム
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

イオン加速プラットホームレーザー

軸外し放物面鏡
F=2.8
回折限界 2.9 µm

相互作用チャンバー
FWHM X 4.0 um
FWHM Y 3.9 um

パルス圧縮器ビーム輸送・診断装置

最大強度レーザー@850 m J, 80 fs～5x1019 W/cm2
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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
時間的に先行する光ノイズ成分

高エネルギー電子発生
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

強力な電荷分離電子
炭素イオン

強力な電荷分離が作れない
短時間に加速炭素イオンの加速は難しい！

プラズマの膨張

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イオン加速プラットホームレーザーの高度化
フェムト秒パルス発振器

R3年4月まで

80 MHz, 790 nm, d=20 nm
フェムト秒パルス発振器

80 MHz, 790 nm, d=40 nm
パルス伸⾧器CPAとXPWを挿入することでイオン加速に適した高コントラストパルスが出せる

パルス伸⾧器

再生増幅器
前置増幅器

0.2 J/10 Hz
Nd:YAG,

E=30 mJ
主増幅器
パルス圧縮器E=~1 J, 10 Hz, 80fs

マルチパス増幅器

励起

5J/10 Hz,
Nd:YAG,

2 W/100 Hz
LD励起Nd:YAG

パルス圧縮器XPW： パルスクリーナ―

0.03mJ/10 Hz
Nd:YAG,

E= 1 mJ

SG1後励起光源のLD励起レーザー化と100Hz運転により安定性が高められる

パルス伸⾧器
マルチパス増幅器
E= 1 mJ前置増幅器

励起

励起

E=30 mJ
主増幅器

励起

3 W/100 Hz
LD励起 Nd:YAG
25 W/100 Hz
LD励起 Nd:YAG
5J/10 Hz, Nd:YAG,

パルス圧縮器
E= ~1 J, 10 Hz, 40fs
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前置増幅部40mJ@100 Hz、コントラスト1010
前置増幅部（ 第1 段）

前置増幅部（ 第２ 段）

5-pass Amplifier
＠pump 155mJ, 100 Hz

空間プ ロ フ ァ イ ル

5-pass Amplifier
＠pump 155mJ, 100 Hz

R=1000 mm

直径～Φ2 m m (e -2 )入力エネルギー~200 nJ/pulse

出力エ ネルギー
1.2 µJ/pulse

最大利得： x5.7 / rtp

スペクトル幅入力エ ネルギ： 0.3~0.4 mJ
ビ ーム直径： ～Φ3mm(e-2)

出力エ ネルギー～4 0 m J, RM S 3 .6 %

補助圧縮器～60 nm

パルス幅 ～30 fs

Dinh、森 他
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テープターゲットを10 Hzで照射
薄膜テープターゲット・駆動機構の開発
空気中でのレーザー照射 10mJ-10Hz

テープターゲット安定駆動評価試験

500発の連続照射を実現

2cm/sの速度 で±2.5 µm程度
（OAPレイリー長：30µm程度）

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不純物を除去して炭素イオンを加速
通常のレーザー駆動イオン加速
裏面処理なし高強度レーザー

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
高強度
レーザー

炭化水素、水分（コンタミ層）

主に陽子線が発生

CWレーザーで加熱して不純物を除去

炭素線が発生高純度炭素コート
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イオンビーム加速・輸送部の設計
Beam Envelope

計算条件
発生イオン数： 1x108個/10%b.w./msr
計算結果
アクセプタンス： 1.9msr (±25x12mrad)
1回入射粒子数： 1.3x108個
20回入射粒子数： 1.6x109個
野田 他

８m

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内容
レーザープラズマによるイオン加速研究重粒子線がん治療とレーザー加速器の利用
JST-MIRAIの目標
現在の研究開発と成果
展望

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レーザー駆動イオン加速器開発とその展望
2019

2025

2030

2035

量子メス（第5世代量子線がん治療器）

オールレーザー化
による更なる小型化・低価格化

第5世代へ向けた小型化
第4世代の開発

超電導加速器設計・製造・試験
マルチイオン臨床試験

レーザー駆動イオン加速器

レーザー加速により2秒で>4MeV/uの炭素線を1%バンド内に109個入射する技術

要素技術開発基盤技術開発QoLの高い量子線がん治療の普及が進み粒子線がん治療分野にイノベーション創出

プロト機開発ターゲット技術、診断・モニター技術、制御技術、ビーム伝送結合技術

新しいレーザープラズマ加速スキームによる高エネルギー化と準単色化

加速器医療によるイノベー
ションを加速

2秒で最大450 MeV/uの炭素線を1%バンド内に109個照射できる技術

小型医療用RI製造装置
小型BNCT用中性子源

パワーレーザー百ジュール級、百フェムト秒帯域、10 Hz以上のパワーレーザー

GeV/u粒子（光速ハドロン）の発生技術→ J-PARCが小型化できる！

航跡場多段加速器
相対論的イオンビームを航跡場多段加速器で追加速

小型高エネルギーハドロン加速器の実現
宇宙物理、基礎科学に新しいツールを提供

どこでも設置可能なミューオン、ニュートリノ発生装置

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新たな透視技術

国土強
靭化を加速26