「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 JPMJMI17A1

量子メス加速器のためのレーザー駆動イオン入射器の開発
国立研究開発法人 量子科学技術研究開発機構（QST）
関西光量子科学研究所
レーザー駆動イオン加速器開発プロジェクト
主任研究員
博士（理学）

小島 完興

本研究は、JST未来社会創造事業・ＱＳＴ革新プロジェクトの予算支援のもと実施されています
QST（関西地区）:

榊 泰直，ヂン タンフン，畑 昌育, 森 道昭, 長谷川 登，石野 雅彦,
青山 誠, 伊東 富由美, 山本 洋一, 錦野 将元, 神門 正城, 近藤 公伯
日立造船株式会社:
黒木 宏芳，清水 祐輔，原田 寿典，井上 典洋
住友重機械工業株式会社: 大友 清隆, 戸内 豊, 筒井 裕士, 松原 雄二
九州大学:松本 悠椰, 村川 真宙
奈良女子大学:
大石 沙也加, 岡野 朱莉, 熊谷 嘉晃, 石井邦和
QST（千葉地区）:
宮武 立彦, 白井 敏之「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

重粒子線（炭素線）がん治療のメリット
治療に使う放射線の種類

ブラッグピーク

高エネルギーな電磁波

重粒子線（炭素線） 陽子線

X線・ガンマ線

出典：大阪重粒子線センターHPからQST病院の治療例（X線との比較）「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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世界に広がる重粒子線がん治療装置
出典：SankeiBiz

2018年から関連部門を日立製作所と統合（新規）

保険診療の範囲が13個の病例に拡大している。例えば、●早期肺癌※ （Ⅰ期からⅡＡ期までの肺癌に限る）●限局性の骨軟部腫瘍
●頭頸部悪性腫瘍（口腔・咽喉頭の扁平上皮癌を除く）●限局性および局所進行性前立腺癌（転移を有するものを除く）●局所進行性膵癌●局所大腸癌 ※（手術後に再発したものに限る）など

出典：がん治療費.com

治療の選択肢になってきた「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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重粒子線がん治療装置の歩み

1994年

326億円 146億円（建物）180億円（装置）＠山形大学（出典：東日本重粒子センタ-HP）

１台当たり年間700人を治療

2010年
150億円
直径 20m

2030年?

直径 32m

50億円？

放医研HIMAC

120 m×65 m
課題解決⚫ 装置が巨大で高額

群馬大学

60 m×45 m（1/3）

建設費の半分は専用の建物の建設費⇒既設の建物への設置はコスト面と敷地確保の面でも有利

直径 8m

次世代加速器“量子メス”

20 m×10 m（1/40）「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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次世代小型加速器開発 “量子メスプロジェクト”
原因①. イオン入射器が長い

原因②.シンクロトロン加速器が大きい

レーザー駆動イオン加速超伝導電磁石15m ⇒量子メス 5m
1.48T ⇒
量子メス 3.5T
加速
光速の11%→超伝導技術とレーザー加速技術により画期的な小型化・国際的な普及へ「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2000年にイオン加速の歴史的な発見
レーザー駆動イオン加速の原理①. 高強度レーザーの照射により電子が激しく振動し標的薄膜レーザー進行方向へ（最大でも数μm）高エネルギー（MeV級）に加速される

集光強度>1019 W/cm2

レーザー駆動炭素イオン②. 裏面へ飛び出した高速電子が標的中のイオンとの間で分極電場を生成する

高強度
レーザー

スポット径数μm

高速電子③. 分極電場がレーザー駆動イオンを加速する

分極電場 ～TV/m (従来加速器 100 MV/m)

加速電場の強度は、これまでの加速器の数万倍
いままで 15m 必要であった加速距離が、数μmに桁違いに短縮「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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世界初のレーザー駆動イオン入射器の原型機が完成①. 高強度レーザー（関西光量子科学研究所）②. イオン加速部(日立造船との共同研究)

４m

標的テープ

③. イオン輸送部

レーザー(住友重工との共同研究)

超伝導シンクロトロンリングの内側を模擬した面積に、レーザー駆動イオン入射器の原型機を建設し性能試験を開始した「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

7研究成果①： 炭素イオンの高繰り返し・高安定な加速2層標的薄膜テープ
ニッケル基板 2m＋炭素層100nm

レーザー駆動
炭素イオン

裏面

プラズマ化

高強度レーザー10度

非加熱

電場による偏向

表面＋表面吸着層（水や油）プロトン

高エネルギー電子

磁場による偏向

分極電場 ～TV/m（従来加速器 100 MV/m）
表面吸着層の除去 ⇒ 250℃以上に加熱するレーザー照射すると、標的に穴が空く ⇒ 標的を入れ替える

1秒間に10回の速さで標的を入れ替え・加熱する装置を開発「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 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

8研究成果①： 炭素イオンの高繰り返し・高安定な加速
テープの幅20 mm

磁束密度 (mT)

変動磁場

コイルの直径25 mm

渦電流密度 (MA/m2)

B

加熱温度 (℃)

I

渦電流
600

温度（℃）

誘導加熱のメリット500①非接触で加熱⇒高速で標的交換が可能
100 msで温度が上昇
400②表皮効果によって、実効的な抵抗値が高くなる⇒高速で昇温が可能
300
250℃目標温度③コイル形状によって電流の流れ方を制御可能⇒周囲の光学部品を熱から守る
200
100

実験データ(2022_4_2)

000.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

1

時間（s）

加熱開始後、わずか100msで300℃まで温度が上昇「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

9研究成果①： 炭素イオンの高繰り返し・高安定な加速
どんな標的を加熱するか？
⇒①炭素原子を含み、②水素を含まない、③厚さ数μmに加工が容易、④高繰り返し供給が可能
高純度な炭素標的（グラファイト）(出典：カネカ HP)×〇 μm級のニッケル薄膜を標的に採用
・触媒作用（遷移金属）によって加熱されたNi表面ではCH結合が切断⇒水素（H）は気体として排出⇒炭素（C）はニッケル表面に固溶
・強磁性体のため、誘導加熱に効果的・融点が高い

電場による偏向

厚さ25μmのグラファイトシート（市販化）⇒μm級の厚みでは脆く、搬送が難しい
非加熱のNi標的（室温）

炭素イオン

加熱した
Ni標的（300℃）

2+

C+ C C3+C4+
プロトン
磁場による偏向プロトンとの共同研究

論文： Sadaoki Kojima et al., Matter and Radiation at Extremes 8, 054002 (2023).
特許申請： 特願：2022-190747, 国際出願：PCT/JP2023/ 41213「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

10研究成果②： 加速されたイオンの全体粒子数の計測との共同研究

三連四重極磁石（磁場によるイオン用レンズ）

6 msr
表面

裏面
レーザー駆動炭素イオンプラズマ化

高強度
レーザー

5度

35 mmφ10度

分極電場 ～TV/m（従来加速器 100MV/m）

400 mmラジオクロミックフィルム（イオンビームによって着色）

全角約10度のイオンビームの内、約5度以内のビームを収束する

10°

5°

均一なイオンビームが全角で10度の発散角で加速されている「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

11研究成果②： 加速されたイオンの全体粒子数の計測との共同研究

電圧（mV）

5°

電流 = 電圧/抵抗

電荷量 = (電圧/抵抗)/時間ステップ

イオン数 = 電荷量/素電荷（抵抗 = 50Ω）

（時間ステップ = 1.6 ns）

素電荷 = 1.602e-19 [クーロン]

Total

1nC

レーザーからの変換効率： 0.26%1010 protons/shot@1.25 MeV

イオン用レンズとファラデーカップの組み合わせによってmsr級の大きな立体角でレーザー駆動イオンの粒子数の計測が可能になった「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

12研究成果③： 加速された炭素イオンのリアルタイム計測との共同研究

イオン加速部

壁電流計測（非破壊）によるの炭素イオンのエネルギー分布の全数計測(日立造船と共同)

イオン輸送部

C4+(住友重機械と共同)

C3+ （1.63 MeV）
（0.92 MeV）

C2+（0.41 MeV）

炭素イオンの空間分布（C4+,1.63MeV3%バンド幅）
5 mm/div⇒4価の炭素イオンを直径10mm程度で輸送

C5+（2.53 MeV）

四重極磁石で収束し加速した炭素イオンの全数を計測⇒4×107個の炭素イオンを観測「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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レーザー駆動イオン入射器の達成値
HIMACにおける既存のイオン入射器

C4+
10 keV/u

C4+610 keV/u

C4+
4 MeV/uC6+
4 MeV/u
荷電変換膜

イオン源

Y. Iwata, et al,"PERFORMANCE OF ACOMPACT INJECTOR
FOR MEDICALACCELERATORS",HIMAC-121 (2006).

ECRIS

現在の実験値・価数： ５価・エネルギー ： 400 keV/u（最大）・イオン数 ： 5×107個/shot程度
・エミッタンス： 0.055 π mm mrad
必要なレーザー強度

1019 W/cm2 (0.75J)

最終目標値
・価数： 6価
・エネルギー ： 4 MeV/u
・イオン数 ： 108個/shot・エミッタンス： 1 π mm mrad

1020 W/cm2 (2J)「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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皆様
本日はご来場ありがとうございました

今後とも、未来社会創造事業 JPMJ17A1「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」
へのご支援宜しくお願い致します

ご清聴ありがとうございました「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