未来社会創造事業 大規模プロジェクト型 平成29年度（2017年度）採択
技術テーマ： 粒子加速器の革新的な小型化及び高エネルギー化につながるレーザープラズマ加速技術

レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証
プロジェクト紹介および成果概要
2024年8月5日
プログラムマネージャー（PM）
佐野 雄二（分子科学研究所）「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
開催日 ： 2024/08/05 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

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 Pj 紹介： 目的、体制、スケジュール レーザーによる電子加速の開発成果
 レーザーによるイオン加速の開発成果
 高強度レーザー技術の開発成果

Pj： プロジェクト「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
開催日 ： 2024/08/05 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

2

レーザー加速で加速器を小型化
加速器は学術・産業・医療などの広範な分野で不可欠な基盤技術
 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
www.zmescience.com/science/physics/lhc-produces-first-results

LHC（周長27km）
数10MeV/mLBNL
8GeV/100mm(80GeV/m)
JST未来
LBNL
300MeV/3mm(100GeV/m)

LHC（陽子･陽子衝突型リング 周長27km）

レーザー加速は従来の1千倍超の加速勾配

加速器を小型化するポテンシャル「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
開催日 ： 2024/08/05 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

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レーザーによる電子加速とイオン加速
 レーザーによる電子加速
電子ガスへの高強度レーザーの照射で電子が押し退けられ､プラズマ波（航跡波）が発生。電子がプラズマ波に波乗りするようにして加速（LWFA：Laser Wake-fieldAcceleration）。

ーーー

レーザーパルスーー
ー＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋

レーザー航跡波
加速勾配（～50 GeV/m）

電場（～TV/m） レーザーによるイオン加速

薄膜への高強度レーザー照射による電荷分離（～TV/m）で、シース場が形成。
ターゲットの裏面からイオンが引出され、加速（TNSA: Target Normal SheathAcceleration）

高強度レーザー++––+–

イオン加速

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」 2024年度シンポジウム
開催日 ： 2024/08/05 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

4

レーザープラズマ加速の社会実装イメージ
レーザー加速SPring-8

利用機会の提供・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）
治療機会の提供・拡大（医療費の抑制）
レーザー加速レーザー

治療室

超伝導シンクロトロン
20m

重粒子線がん治療装置 HIMAC

次世代重粒子線がん治療装置（量子メス）

https://www.qst.go.jp/site/qms/1584.html「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
開催日 ： 2024/08/05 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

5

プロジェクト目標（POC）・実施内容・成果
レーザープラズマ加速の社会実装の姿
 超小型のレーザー粒子加速器を、学術・産業・医療など広範な分野で活用
 最先端レーザー加速器を備えたプラットホームの整備とユーザー利用

ステージ３（2024～26年度）の目標
 電子加速 イオン加速 レーザー 電子加速 イオン加速 レーザー

10KeV領域のXFELの実現に必要な電子ビームの発生・加速（シミュレーション＋要素検証）、入射器の高度化・応用の推進
4MeV/u 炭素イオンのシンクロトロンへの入射器としての実証
加速用レーザーシステムの設計、要素技術の更なる展開
ステージ２（2021～23年度）の成果
XUV波長域のFEL発振、電子ビームの創薬・医療応用に着手
入射器に必要な一連の動作確認（イオン発生・輸送・検出）
高出力パルスレーザー要素技術の開発・産業展開

ステージ１（2017～20年度）の成果
 体制構築、加速システム検討、要素技術の発掘・育成、研究インフラの整備「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
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6

LPA プロジェクトにおける技術開発
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
プラズマ加速場加速システム開発

小型重粒子線がん治療装置
将来開発テーマC-2：LD（VCSEL）
超電導磁石

将
来
小型FEL装置

レーザー

応用展開

加速用レーザー技術

広帯域増幅

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「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
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LPA プロジェクトのロードマップ「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
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LPAプロジェクトの体制と本日の講演者
JST（科学技術振興機構）

研究開発運営会議
運営統括／運営委員

HQ @分子研
プログラム・マネージャー： 佐野 雄二（プログラム・マネージャー補佐）

電子加速

イオン加速

レーザー

・阪大産研：・QST関西研： 近藤 公伯
小島 完興
・QST量医研： 白井 敏之
・奈良女子大： 石井 邦和

・阪大レーザー研： 余語 覚文・理研／分子研： 平等 拓範
A. Kausas
・電通大：
米田 仁紀
道根 百合奈細貝 知直
楊 金峰・QST関西研： 神門 正城
・KEK：
吉田 光宏
山本 樹
・JASRI：
熊谷 教孝
大竹 雄次（～2023年度）

参画企業（2024年度～）

参画企業
LPA： レーザープラズマ加速
QST： 量子科学技術研究開発機構
KEK： 高エネルギー加速器研究機構
JASRI： 高輝度光科学研究センター

参画企業

青字： 本日の講演者「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
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LPA プロジェクト 開発体制
2023年度で終了「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
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10本日の講演の位置づけ
レーザー開発電子加速プラットホーム（播磨）電子加速① 高品質電子ビームとFEL 増幅の実証④ アクティブミラーによる高平均出力レーザー

非公開⑤ 常温接合による小型高出力レーザーチップ



高出力レーザーによる安定な電子加速と自由電子レーザー（FEL）を実証、高エネルギー加速高エネルギー電子ビームの創薬・医療応用に着手② 電子ビームの創薬・医療応用

イオン加速プラットホーム（木津）300MeV 電子加速器

イオン加速③ レーザー加速によるイオン入射器⑥ オゾンガスによる高耐力光学素子



高出力レーザーによる炭素イオン加速、量子メスイオン入射器の一連の動作を実証レーザー加速イオン（高電荷密度）の応用に着手「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
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● レーザーによる電子加速〇 レーザーによるイオン加速〇 高強度レーザー技術開発

レーザーによる電子加速
成果概要「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
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12電子加速プラットホーム（理研播磨地区）

制御室

ポンプレーザー

パルス圧縮器電子加速部
ポンプ
レーザー制御室

パルス圧縮器搬入口
エリア

電子ビームモニター

プラズマ診断X線ビーム診断／拠点整備

アンジュレータ

ビームダンプ
X線診断

矢橋
放射線モニター

レーザーシステム（～20m）
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

アンジュレータ
ビーム診断「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
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13

レーザー加速電子ビームの性能
レーザー波面の改善
64 MeV(16%)

19 MeV
(6.3%)

ノズルの改良加速エネルギー安定性
2021年

2022年

電子ビームの位置安定性
2023年
電荷 : 20 pC
E : 1.5%（ESMの分解能）

エネルギースペクトル「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
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14

レーザー電子加速 ベンチマーク
JST未来

SIOM
（中国）

Hamburg（独）

HZDR/SOLEIL（独/仏）LBNL
（米国）

レーザー
パワー

23 TW (小型)(0.5 J, 22 fs)

200 TW(~4.8 J, 24 fs)

50 TW(2 J, 42 fs)

70 TW(2.1 J, 30 fs)

850 TW(31 J, 35 fs)

入射方式

衝撃波入射

衝撃波入射

イオン化入射イオン化入射

自己入射

電子
エネルギー

360 MeV(±6%)

490 MeV

368 MeV(±2.4%)

188 MeV(±3.2%)

7.8 GeV

エネルギー
拡がり（rms）

0.59%
Best 0.36%

Best 0.34%

6%(±27%)

6.3%(±0.8%)–

0.25 mm-mrad

エミッタンス
電荷量20 pC(±60%)

22.8 pC

バンチ長（rms）< 3 fs（推定値）

1.6 fs（推定値）

繰返し

0.03 Hz

特記事項（開発状況）

・低エネルギー
ノイズなし
・FEL増幅0.36 mm-mrad
25 pC(±11%)~75 pC(Max 110 pC)

5 pC(7 - 8.5 GeV)

6.3 fs(±10%)
1 Hz

SASE FEL
増幅（27 nm）

連続運転で安定電子発生

Seed FEL
増幅（260 nm）

最高加速エネルギー「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
開催日 ： 2024/08/05 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

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レーザー加速による電子ビームの応用
Phys Rev Accel Beams 22, 074701 (2019)10 MeV LPA

電子線ラジオグラフィ（～50 MeV LPA）

電子線回折

J Nucl Sci Technol 51, 1024 (2014)

GeV電子によるミュオン生成

FEL（400 MeV LPA）

レーザー加速単機能化
300 MeV 電子加速器（創薬・医療応用）

30MeV ライナック（数十mの建屋）
https://www.youtube.com/watch?v=0JeIXZuWCAE

Metals 10, 1490 (2020)

電子蓄積リング（光源利用）

材料物性評価（ポンププローブ実験）

電子ビームの創薬・医療応用（プロドラッグ活性化）「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
開催日 ： 2024/08/05 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

16

FEL 実証用アンジュレータの開発
 磁力相殺による構造簡素化とアルミニウム合金の多用により、小型・軽量化を達成（～500kg/m）
 1m 長さのユニット化設計

ニーズに応じた対応

ビーム高さ：
1200mm旧SCSS アンジュレータ（4.5m ユニット）

小型・軽量化

ビーム高さ：
800mm

JST未来アンジュレータ（1m×2）「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
開催日 ： 2024/08/05 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

17

FEL 実証用アンジュレータの設置

反発磁石2m
2023年8月設置

No.1

No.2

「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
開催日 ： 2024/08/05 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

18

高エネルギー電子ビームの創薬・医療応用
電子ビームをトリガーとするプロドラッグ化学治療

プロドラッグ＋電子ビーム
電子ビーム
プロドラッグ「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
開催日 ： 2024/08/05 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

19

電子ビームによるプロドラッグ活性化試験
Lバンドライナック（阪大・産研）

Lバンドライナック

レーザー電子加速（SPring-8）
レーザー電子加速施設「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
開催日 ： 2024/08/05 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

20

〇 レーザーによる電子加速● レーザーによるイオン加速〇 高強度レーザー技術開発

レーザーによるイオン加速
成果概要「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
開催日 ： 2024/08/05 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

21

重粒子線がん治療装置の状況
 重粒子線がん治療は世界に誇る日本発の技術。装置の半数以上が日本製
 大規模病院への導入は一段落。大幅な小型化で更なる普及・差別化を図る
 超伝導・レーザー加速技術により装置を革新し、競争力の更なる向上を図る
 レーザー加速による実用的なイオン入射技術を開発し、システム化

MEDraysintell Proton Therapy
Edition 2016

世界の放射線治療装置（粒子線は治療室数）

世界の重粒子線がん治療装置（2022/3現在）「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
開催日 ： 2024/08/05 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

22

新技術によるがん治療装置の高度化
重粒子線がん治療施設

次世代重粒子線がん治療装置（量子メス）
レーザー入射器（高周波線形加速器）

治療室

超伝導
シンクロトロン

20m

治療室

 レーザー加速による入射器小型化

シンクロトロン 超伝導によるシンクロトロン小型化

治療室

治療室

（QST量子メスプロジェクト）
 臨床技術開発（治療短期化）による60m

治療室数の削減（QST）「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
開催日 ： 2024/08/05 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

23

入射器のイメージと開発課題
レーザー

非管理
区域

レーザー
高品質パルス
パルスエネルギー
繰り返し, etc.
ターゲット
高純度炭素の繰り返し供給
真空度、デブリ対策, etc.

ターゲット
ビーム入射

管理
区域

超伝導シンクロトロン

ビーム輸送・入射有限立体角成分の捕集
ビーム輸送
バンチ圧縮（位相回転）
真空度、モニター, etc.
相互作用
レーザーと薄膜プラズマ
炭素ビーム発生特性
レーザー仕様、効率, etc.

「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
開催日 ： 2024/08/05 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

24イオン加速プラットホーム（QST関西研）
 ローカル空調による温度制御
 レーザーコントラスト改善： 10-11
 集光強度 4×1019 W/cm2
 ターゲット技術の進展
 加速イオン高純度化

パルス
圧縮器

レーザー室

 ビームライン構築
 ビーム輸送実験「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
開催日 ： 2024/08/05 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

25

ターゲット加熱による炭素イオンの高純度化
ターゲット加熱 あり
ターゲットの加熱でプロトンを抑制、炭素を効率的に加速ターゲット加熱 なし

S. Kojima, H. Sakaki, et al.,Matter and Radiation atExtremes, 8, 054002, 2023

「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
開催日 ： 2024/08/05 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

26

イオンビーム輸送実験結果の一例
WCM

FC

FC

直線ライン

WCM（ウォールカレントモニタ）

プロトン（1.25MeV）
電流

FC（ファラデーカップ）

炭素1.60E-03
1.40E-03

WCM出力

1.20E-03
1.00E-03
8.00E-04
6.00E-04
4.00E-04
2.00E-04
0.00E+00
0.00E+00

5.00E-07

1.00E-06

1.50E-06「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
開催日 ： 2024/08/05 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

2.00E-06 時間（秒）27QST量子メスプロジェクトにおける位置づけ
 QST稲毛に量子メス棟の建設を開始、今年度（2024年度）完成予定
 超伝導シンクロトロンを開発・導入し、第４世代量子メス実証機を建設
 レーザー入射器の導で第４世代を更に小型化、第５世実証機とする新治療研究棟HIMACシンクロトロン

第５世代
量子メス
実証機

シンクロトロン
直径 ～42m

量子メス棟
レーザー

治療室

超伝導シンクロトロン

第５世代量子メス普及機

大幅な小型化

超伝導シンクロトロン（直径 ～7m）

重粒子線棟
第４世代
量子メス
実証機

「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
開催日 ： 2024/08/05 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

28

〇 レーザーによる電子加速〇 レーザーによるイオン加速● 高強度レーザー技術開発

高強度レーザー技術開発
成果概要「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
開催日 ： 2024/08/05 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

29

電子・イオン加速におけるレーザー技術
レーザー加速は従来の1千倍超の加速勾配を持ち、システム小型化に期待



加速部に比べてレーザーが巨大、レーザーの小型化・高効率化開発が必須



光学部品も大型で高価、高耐力素子開発によるシステム小型化を目指す
電子加速部
パルス圧縮器（ガスジェット）（回折格子）
X線ビーム診断／拠点整備
矢橋レーザー

電子加速プラットホーム（播磨）イオン加速部

レーザー
パルス圧縮器（回折格子）

イオン加速プラットホーム（関西研）

レーザー: 100m2

電子加速
チェンバー
http://engineering.lbl.gov

BELLA（米LBNL）

フラッシュランプ励起
Ti:sapphire

10 PW レーザー（ルーマニア ELI-NP）「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
開催日 ： 2024/08/05 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

30

電子・イオン加速におけるレーザー技術
レーザー加速は従来の1千倍超の加速勾配を持ち、システム小型化に期待



加速部に比べてレーザーが巨大、レーザーの小型化・高効率化開発が必須

光学部品も大型で高価、高耐力素子開発によるシステム小型化を目指す
電子加速部
パルス圧縮器（ガスジェット）（回折格子）
X線ビーム診断／拠点整備
矢橋レーザー

イオン加速部

レーザー
パルス圧縮器（回折格子）

電子加速プラットホーム（SPring-8）

イオン加速プラットホーム（関西研）

高出力レーザー用回折格子

超高耐力光学素子（オゾン素子）開発

封入型オゾン光学光学素子
Plymouth Grating Laboratory / Okamoto Optics / ILE, Osaka Univ.

損傷閾値（LIDT）の系統的な評価と改善「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
開催日 ： 2024/08/05 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

31

加速用レーザーの小型・高効率化
POC
フラッシュランプ励起 Ti:S

次世代
LD励起： 高繰返し（Ti:S）

次々世代
新媒質： 高効率

電気

電気

電気

フラッシュランプ

LD×0.5AM / DFC

×0.3

２倍波

×0.6

固体レーザー
２倍波
Ti:S
パルス圧縮×0.02×0.6×0.3

効率 ～0.4%

Ti:S
パルス圧縮×0.3

効率 ～3.6%

LD×0.5広帯域DPSSL ×0.3
パルス圧縮×0.8

効率 ～12%
広帯域レーザー媒質（セラミックス）
スペクトル合成による広帯域化

BELLA（米LBNL）

Ti:sapphire 10 PW レーザー

Yb:YAG アクティブミラー

「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
開催日 ： 2024/08/05 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

32

電通大 超高耐力光学素子の開発
 オゾンガス光学素子（1kJ/cm2）
 高耐力ミラー（電子多段加速）
 回折格子（電子・イオン加速）
 空間フィルター（レーザー） デブリシールド（イオン加速）
 レーザー加工への展開、など
 高耐力光学薄膜（100J/cm2 ）による光路径縮小、システム小型化
ガスジェットガスジェットミラー
電子ビームソレノイドレーザー
電子入射レーザー
電子加速

電子多段加速： ミラーとガスジェットの距離を短くしたい「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
開催日 ： 2024/08/05 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

33

分子研／理研 光学素子の接合技術開発

表面活性とアモルファス層による常温接合
A. Kausas and T. Taira, Opt. Lett. 47 (2022) 3067
表面
界面

バルク

Annealing

表面

常温接合装置

界面の TEM / EDX

界面バルク

損傷閾値

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開催日 ： 2024/08/05 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

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分子研／理研 2J超小型レーザーモジュール

DFCチップ

DFCチップ片側励起モジュール

簡易DFCチップ

水冷ジャケット

簡易DFCチップ片側励起モジュール

簡易DFC（ブロック）で > 2J×10Hz、DFCで > 2J×25Hz を達成「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
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阪大レーザー研 10J/100Hz レーザー開発
Fiber amp.

Cryo-cooled
Yb:YAG-rod
6-passIsolator(FR)

Cryo-cooled
Yb:YAG-rod
2-pass1.2J, 100Hz

500mJ, 100Hz

Yb:YAGロッド増幅器の構成

非公開

非公開

「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
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36

阪大レーザー研 10J/100Hz レーザー開発
 10J級では世界最高平均出力（1kW）
 独自技術で実現した世界初の5cm級

熱伝導冷却型アクティブミラー
 純国産（５社以上の国内企業の連携）

J. Ogino et al., Opt. Continuum 1 (2022) 1270

Yb:YAG アクティブミラー

非公開
 次世代加速用 Ti:sapphire レーザー

（10J, 100TW, 100fs, 100Hz）向けの励起レーザーとして活用可能

30×35×40 cm「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
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37

まとめ


2017年11月、「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Pj型に採択（最長10年、2026年度まで）



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」、それらの実現に必要な「高強度レーザー」の開発を推進

ステージ１～２（2017～23年度）の主要な開発成果
 電子加速： 安定な電子入射器の開発、XUV領域のFEL増幅
電子ビームを使用した創薬・医療応用研究の立上げ
イオン加速： 次世代重粒子線がん治療装置（量子メス）入射器

要素技術開発、加速～輸送の一連のシステム動作
 レーザー： 新構造小型高出力レーザー（AM、DFC）、超高耐力光学素子、新奇広帯域レーザー媒質など

ステージ２までの成果を基に、ステージ３（2024～26年度）の目標（POC）を達成するとともに、産業界との連携・共創による技術の高度化・成熟化とシステム化を推進し、社会課題の解決に貢献していく「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
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