大強度超短パルスレーザーによる高エネルギーイオン生成とその入射器としての応用
野田章1,A)、岩下芳久 A)、白井敏之 A)、中村松門宏治 C)、高橋謙次郎 C)、黎忠 C)、山田衆 A)、森田昭夫 2A)、大道博行 B)、林由起雄 B)

聰 C)、上坂充 D)、木下健一 D)、細貝知直 D)、渡部貴弘 D)、

吉井康司 D)、久保田哲夫 E), 和田芳夫 E)
A)
B)

日本原子力研究所関西研究所、〒619-0215 京都府相楽郡木津町梅美台 8-1
C)D)

京都大学化学研究所、〒611-0011 京都府宇治市五ヶ庄

放射線医学総合研究所、〒263-8555 千葉市稲毛区穴川 4-9-1

東京大学大学院工学系研究科附属原子力工学研究施設、〒319-1188 茨城県那珂郡東海村白方白根 2-22
E)

広島大学先端物質科学研究科, 〒739-8526 東広島市鏡山

がん治療専用のイオンビーム加速器の小型化を目指して、日本原子力研究所、放射線医学総合研究所、東京大学、広島大学との共同研究により、大強度超大強度超短パルスレーザーを固体ターゲット上に182短パルス (100TW, 20fs) レーザーにより生成される集束し、レーザーのパワー密度が 10 W/cm を越える
イオンビームをがん治療専用のパルスシンクロトロ
状況で生成される高温プラズマからの生成イオンビ9ンの入射ビームとして使用する可能性を追求していームを±５％のエネルギー幅で切り出し、10 イオン
る。具体的にはレーザーで生成される高密度プラズ／秒のビーム強度を実現し、これをレーザーと位相マからのイオンビームをパルスレーザーと位相同期同期した高周波電場により加・減速することによりした高周波電場により位相空間内で回転させること位相空間内で回転させてエネルギー拡がりを±１％によりこのイオンビームのエネルギー幅の縮減を図以下に縮減し、後段のビーム冷却との併用により、り、更に後段のビーム冷却によりパルスシンクロト
パルスシンクロトロンの入射器として応用すること
ロンのエネルギーアクセプタンスと整合を取ることを目指す。
を想定している。ここでは、このうち、線形加速器を置き換えることを目指している、レーザーによる
１．はじめにイオン生成とその位相空間回転に関する部分の取り
京都大学化学研究所附属原子核科学研究施設では、 組みを紹介したい。

概要Electron Beam Cooler
Dipole Magnets
Carbon (200MeV)
RF Acceleration Cavity
Induction Accelerator

100 TW Laser Ion Source

100TW Laser

RF Acceleration
CavityInner Ring

RF Cavity for
Phase Rotation
Target Chamber toFocus the Laser Beam

Outer Ring
RF Acceleration Cavity~6m~5mCompact Heavy-Ion (Carbon Ion) Synchrotron
図１
12

レーザーイオン源の採用により小型化を目指すがん治療専用シンクロトロンの概念図

E--mail: noda@kyticr.kuicr.kyoto-u.ac.jp
Presenr address:KEK, Oho 1-1, Tsukuba-city, Ibaraki, 305-0801, Japan

２．大電力レーザーによるイオンビーム生成の現状
近年のレーザー技術の発展により達成可能なレーザーのパワー密度は飛躍的に増大し、1021W/cm2 を超える状況にまで到達しつつある。こうした状況の下、米国の Lawrence Livermore National Laboratory(LLNL)や英国の Rutherford Appleton Laboratory(RAL)からパワー密度が 1019W/cm2 を超えるレーザーを固体薄膜に集束することにより生成した高密度プラズマから数十 MeV に及ぶ高エネルギーイオンが生成される事が報告されている。LLNL では幅 500fs の 1PW 電力のレーザーの照射（パルス当たりエネルギーは~500J）により、3x1020W/cm2 のパワー密度を実現し、レーザーと反対側のターゲットの法線方向への最大55MeV に及ぶエネルギーのイオン放射を観測している[1]。一方、RAL では幅 1ps の 50TW レーザーを5x1019W/cm2 まで収束し（パルス当たりエネルギーは~50J）、45°方向の照射により、レーザー側へのイオンの放射を観測しており、そのエネルギーは陽子で最大 30MeV, Pb46+では 430±40MeV に達している[2]。
また、LULI の 100TW、 500fs レーザー（パルス当たりのエネルギーは〜30J）を用いた実験では、通常の加速器で得られるビームよりも良い 0.06πmm.mradという normalized emittance がレーザー生成イオンビームについて報告されている[3]。これらのレーザーは慣性核融合向けに開発された大強度レーザーで、繰り返しは数十分に一回と極めて遅いので、実用化の段階には至っていない。我々はこの状況を改善する目的で、がん治療専用のシンクロトロンの入射器に要求される仕様を表１に示したようなものと仮定して、実用化可能な程度にまで繰り返しを高める目的
から、以上述べたようなイオン生成が実現可能なパルス当たりのレーザーエネルギーの下限を調べることを主要な研究項目として設定し、大電力超短パルスレーザーによるイオン生成実験を開始した。
表１レーザー生成イオンビームに要求されるパラメータ
イオン種」
中心エネルギー
目標強度
エネルギー幅レーザーイオン源出力位相回転後
電子ビーム冷却後

図２高周波電場とパルスレーザーの位相同期系
きれば、実用化という観点から大きく前進することになる。こうした認識の上に立って、我々はイオン生成のために最適化したターゲット、レーザーのパルス形状等の条件を探ることを目指している。
前章で述べた大電力レーザーによる生成イオンビームのエネルギー分布は、エネルギーの増大とともに指数関数的にビーム強度が減少しており、これが実用化の上での大きな障害となっている。この状況の改善のため、我々はパルスレーザーと位相同期した高周波電場でレーザー生成イオンビームの加・減速を行うことによりイオンビームのエネルギー幅の縮減を行い、同一エネルギー幅内のイオンビーム強度の増大を図ることを提案した[4]。図２にパルスレー
ザーと高周波電場の同期系の概念図を示す。ここではレーザーの原発振の２倍の周波数の高周波電場を用いることとし、図３に示したような 160MHz 近辺のλ/4-Two Gap 共振器の設計を進めている。

3.2 東大・工学部・原子力研究施設の 12TW
レーザーによる実験
12C6+2 MeV/u
109 /秒
±5%
±1%
±0.1%

関西研の 100TW, 20fs レーザーによる実験に先立
ち、イオン生成のためのレーザー集束、最適ターゲ
ット条件及び高繰り返しを想定したターゲット駆動方式の確立等を目指して、平成 13 年 10 月及び 12 月に東大・工学研究科原子力工学研究施設の 12TW

３．レーザーによるイオン生成実験
3.1 原研・関西研の 100TW, 20fs レーザーによる実験
日本原子力研究所関西研究所の光量子科学研究センターの 100TW, 20fs レーザーは繰り返しが 10Hz と高く、このパルス当たりエネルギーが~2J のレーザーでも上述のような高エネルギーイオン生成が確認で

図３

位相同期のためのλ/4 高周波空胴(a) チェンバー外観(b)チェンバー内部
図４ レーザー照射用チェンバーた位相空間回転と電子ビーム冷却を適用して所要の特性を有するビームとして実現できることを実証することが不可欠である。この目的のため、京都大学
化学研究所、原子核科学研究施設の現有の施設の中に設置可能なサイズ（周長~20m）の小型の冷却リン
グ LSR と 50TW 程度（ピークパワーは TNSA の実現可能な下限に近い値を考えている）を併設し、イオン生成から位相空間回転、電子ビーム冷却に至る全系の実証実験を行う予定である。図５に現在建設を進めつつある LSR を中心とするレ− ザー生成イオンビームの評価施設のレイアウトを示す。

レーザーを用いた実験を行った。ターゲットとしては、Al, Ti, Ta,ポリプロピレン及びポリエチレンを使用し、種々の厚さのターゲットに対する照射実験を行った。図４にレーザーの照射に用いたチェンバーの外観及びその内部を示す。実験時には波長 800nm、 参考文献
[1] P. Stephen et al., “Electron, photon and ion beams from
ピーク強度 4~5TW 時間幅 50fs のレーザーを直径
the relativistic interaction of Petawatt laser pulses with
15µm に集束しているのでターゲット上でのレーザ
solid targets”, Physics of Plasma 7 (2000) pp2076-2082.
ーのパワー密度は 2~3x1018W/cm2 に達していたと推[2] E. L. Clark et al., “Energetic heavy-ion and proton
generation from ultraintense lasetr-plasma interactions with
定している。またこの実験の場合のパルス当たりのsolids”, Phys. Rev. Lett. 85(2000) pp1654-1657.
エネルギーは 0.2~0.25J であった。
[3] E. Brambrink et al., “Intense ion beams from relativistic
laser plasmas-a promising acceleration mechanism”, Proc.
この条件ではポリエチレンやポロプロピレンのタof EPAC2002, Paris, France, June(2002) in print.
ーゲットと比して、Ti 等の金属ターゲットからのイ[4] A. Noda et al., Collection and cooling scheme of heavy
オン生成が多く、またイオンの生成はレーザーの進
ions produced by a high power pulse laser”. Beam Scienceand Technology 6 (2001) pp21-23.
行方向よりも後方に多くなっていることが観測され[5] 松門宏治、「癌治療用超小型陽子・重イオンシンクロ[5]ている 。また、生成イオンビームのエネルギーもトロンの開発に向けたイオン発生実験」、日本原子力
1MeV に比して低く 500keV 程度以下に止まっている。
研究所、関西研究所、光量子科学研究センター 超高強度レーザーの切り拓く科学技術 研究会、平成 14これに関しては、今後より定量的な研究を進める予年 2 月 19 日〜20 日、資料集
定であるが、前述の大強度レーザーで高エネルギー[6] S.C. Wilks, et al., Phys. Plasmas 8 (2001) p.542.
イオン生成を達成している場合の、レーザーと反対[7] H. Fadil et al., “Electron Cooling of Ion Beams with Large
Momentum Spread”, Proc. of EPAC2002, Paris, France,
面での Target Normal Sheath Acceleration (TNSA)[6]はJune(2002) in print.
この実験ではまだ実現するに至って居らず、レーザーと同一サイドの表面のプラズマからの大立体角への blow off が生じているものと理解している。今後、レーザーのプリパルスを定量的に把握した実験を行い、TNSA を達成するための条件を明確にしたいと考えている。

４．レーザーイオン生成からビーム冷却に至る全系評価システムの構築
至る全系評価システムの構築
パルスレーザーで生成したイオンビームは、縦方向のエミッタンスについては位相空間内で回転し、エネルギー幅の縮減を図るが、通常の加速器によりこれを加速可能とするためには、さらに電子ビーム冷却により、縦・横両方向のエミッタンスの縮減を実現する必要がある。こうしたホットイオンビームの電子ビーム冷却に関しては、ドイツ、ハイデルベ 図５ レーザーイオン生成から位相空間回転、ビールグの重イオン蓄積・冷却リング TSR を用いたテス
ム冷却に至る全系評価施設のレイアウト
ト実験を遂行してきている[7]、が実用化のためには実際のレーザー生成イオンビームに対して、こうし