重イオン小型入射器の研究開発

研究開発の課題

本プロジェクトでは、「重イオン小型入射器」の実現に向けて、以下の課題に取り組んでいます。

1. 高輝度・MeV級イオンビームの生成とビームのマニピュレーション技術の確立。
2. 高繰り返し動作可能な薄膜ターゲット技術。
3. エネルギー拡がりを圧縮するデバンチャー技術。

研究開発の成果概要

　本プロジェクトに参加している研究開発機関(研究開発グループ)がこれまでに達成した成果の概要および発表論文を、以下、年度毎に掲げます。

「QSTイオン加速」グループ

2023年度

• レーザーによる核子あたりMeV級のイオン発生・加速、輸送、診断の入射器の一連の機能を確認し、第２ステージの目標を達成した。
• 炭素線発生実験やイオン化を考慮したPICシミュレーションにより、POC達成にはレーザー装置の更なる集光性能および出力向上が必要なことを明らかにすると同時に、統合試験に向けたレーザー高度化の準備を開始した。
• ターゲット薄膜表面に付着する汚染層の除去特性を評価し、より高度化した装置の提案を行った。
• シンクロトロン入射部分に関しては、シミュレーションによる検討を引き続き進めた。
• ビーム損失が十分抑制可能な真空度および真空度確保のための薄膜隔壁挿入効果の検討を行った。

2022年度

• イオン加速プラットホームにおける炭素線発生実験やイオン化を考慮したPICシミュレーションにより、レーザー装置の更なる集光性能および出力向上が必要なことを明らかにすると同時に、2023年度の統合試験に向けたレーザー高度化の準備を開始した。
• ターゲット薄膜表面に付着する汚染層を連続的に除去する装置の特性を評価し、より高度化した装置の提案を行った。
• イオンビームの制御に必要な加速器部品を準備することで、核子あたりMeV級のイオンビームの捕集と伝送・評価の準備を進めた。
• シンクロトロン入射部分に関しては、シミュレーションによる検討を引き続き進めた。
• ビーム損失が十分抑制可能な真空度および真空度確保のための薄膜隔壁挿入効果の検討を行った。

2021年度

イオン加速プラットホームのレーザーシステムの高度化を進めイオン加速実験を行った。

• 2020年度に開発した100Hzの2段のチタンサファイアCPAを10Hzの最終段増幅器に導入し、パルスあたりの出力エネルギ-0.75Jで、圧縮パルス幅40fs程度、パルスコントラスト10¹⁰程度が得られることを確認した。
• 観測された炭素イオンスペクトルは、現状ではC⁴⁺とC⁵⁺が支配的であり、C⁶⁺が支配的な状態まで電離が進んでいないことがわかった。この結果は比較的簡単な理論モデルやPICシミュレーションによる計算結果と矛盾しておらず、イオン入射器の置き換えに必要なイオン価数、イオンエネルギー、イオン数の目標値を満たすためには、レーザー集光強度および標的の最適化によるシース電場の増強が必要であることが分かった。
• 炭素イオン発生の高純度化に必要な条件を明らかにするとともに、炭素イオンの連続発生を目指して高繰り返し発生可能なターゲットシステムを試作した。

2020年度

イオン加速プラットホームレーザーシステムでのイオン加速実験を開始し、連続標的供給装置によるイオン発生の安定性を評価した。

• レーザーシステムについては、昨年度開発した100Hzの１段目CPAを２段目以降へと繋げ、40mJのレーザー出力を100Hzで達成し、この状態でパルス圧縮することで、スペクトル幅60nm程度、圧縮パルス幅30fs程度、パルスコントラスト10^-10程度であることを確認した。
• ターゲットの炭素高純度化では、真空下でのCWレーザー加熱の有効性をポリイミド炭化薄膜、およびグラファイト薄膜、ニッケル基板+グラファイト蒸着薄膜、それぞれに対して確認し、レーザー加熱しながら汚染物を除去して炭素の加速効率を上げる手法が基盤技術として使えることが明らかになった。
• イオンビームの診断系の開発では、低エネルギー（～10keV/u）の炭素イオンを用いて、荷電粒子ビーム光学技術を用いたビーム計測技術の開発、ならびにペッパーポッドシステムによるエミッタンス評価をおこなった。
• イオン加速スキームの最適化では、励起レーザーの分散制御により発生イオンの最大エネルギーと発生量が制御できることを実験的に明らかにした。また、2D、3DPICシミュレーションにより各種パラメータ依存性を評価した。

2019年度

イオン加速については、整備を完了した「イオン用レーザー加速先行試験プラットフォーム」（以下、「イオン加速プラットフォーム」と記す。）を用いて、高繰り返しターゲットによるレーザーイオン加速試験を実施した。レーザー加熱による被加速粒子の炭素イオン高純度技術開発とリアルタイム診断装置による計測を合わせて実施した。炭素イオンの高純度化については、レーザー加熱を用いてターゲット裏面に付着する不純物の比率を大幅に抑制することができた。

また、イオン加速のためのプラットフォームレーザーの高コントラスト化整備を加速し、直交偏光波発生（XPW : Cross-polarized wave generation）方式のパルス整形技術開発を終え、2020年度にイオン加速のための照射実験を開始できるように開発を進めた。レーザー、プラズマ、イオンに関するリアルタイム計測装置については、レーザーはイオン加速プラットフォームの整備と合わせ、スペクトルやパルスエネルギーのリアルタイムモニターを導入し安定性評価に利用することで設計を開始した。プラズマについてはリアルタイム計測の高精度化に用いるために、電子分光の高速デコンボリューションアルゴリズムの開発を通じ設計を開始した。イオンについてはリアルタイムモニター可能な小型トムソンパラボラ分光器を設計、開発し実験におけるデータ取得に利用した。

さらに加速スキーム決定に必要な実験として、J-KARENレーザーによる炭素イオンのビーム加速メカニズム診断系の開発を行うとともに、イオン加速プラットフォームや京大の10 TWチタンサファイアレーザー（T⁶レーザー）を利用して、加速スキーム決定を視野に入れたレーザー駆動イオン加速実験を行った。

2018年度

イオン加速については、パルスコントラスト性能が改良されたJ-KARENを利用し、加速スキームの最適化実験をリアルタイム診断装置開発と合わせて実施した。炭素線については、銀薄膜照射において１ショットあたり4 MeV/uの炭素線を1msrあたり10 %帯域内にH29年度に得られたものより多く発生できることがわかった。

また、イオン加速のためのプラットフォームレーザーの整備を加速し、ダブルCPAシステムの１段目の開発を終え、2020年度の夏にイオン加速のための照射実験を開始できるように開発を進めた。

発表論文

2024年度

• 医療応用を目指したレーザー駆動型小型イオン加速器開発, 榊泰直，白井敏之, 加速器, Vol. 21, No. 2, pp. 112–118 (2024). doi: 10.50868/pasj.21.2_112

2023年度

• Optimum design of double-layer target for proton acceleration by ultrahigh intense femtosecond lasers considering relativistic rising edge, Masayasu Hata, Takayoshi Sano, Natsumi Iwata, and Yasuhiko Sentoku, Physical Review E, Vol. 108, Iss. 3, 035205 (2023). doi: 10.1103/PhysRevE.108.035205
• Evaluation of the spatial resolution of Gafchromic™ HD-V2 radiochromic film characterized by the modulation transfer function, Tatsuhiko Miyatake, Sadaoki Kojima, Hironao Sakaki, Thanh-Hung Dinh, Ibuki Takemoto, Masayasu Hata, Masaharu Nishikino, Yukinobu Watanabe, Masahiko Ishino, Michiaki Mori, James Kevin Koga, Yoichi Yamamoto, Fuyumi Itou, Masaki Kando, Toshiyuki Shirai, and Kiminori Kondo, AIP Advances, Vol. 13, 085303 (2023). doi: 10.1063/5.0160754
• Induction heating for desorption of surface contamination for high-repetition laser-driven carbon-ion acceleration, Sadaoki Kojima, Tatsuhiko Miyatake, Hironao Sakaki, Hiroyoshi Kuroki, Yusuke Shimizu, Hisanori Harada, Norihiro Inoue, Thanh Hung Dinh, Masayasu Hata, Noboru Hasegawa, Michiaki Mori, Masahiko Ishino, Mamiko Nishiuchi, Kotaro Kondo, Masaharu Nishikino, Masaki Kando, Toshiyuki Shirai, and Kiminori Kondo, Matter and Radiation at Extremes, Vol. 8, 054002 (2023). doi: 10.1063/5.0153578
• Design of a compact superconducting accelerator for advanced heavy-ion therapy, Y. Iwata, T. Shirai, K. Mizushima, S. Matsuba, Y. Yang, E. Noda, M. Urata, M. Muramatsu, K. Katagiri, S. Yonai, T. Inaniwa, S. Sato, Y. Abe, T. Fujimoto, T. Sasano, T. Shiraishi, T. Suzuki, K. Takahashi, Ki. Kondo, H. Sakaki, M. Nishiuchi, T. Orikasa, S. Takayama, S. Amano, K. Nakanishi, M. Tachibana, Y. Touchi, S. Tsubomatsu, and S. Nomura, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Vol. 1053, 168312 (2023). doi: 10.1016/j.nima.2023.168312

2022年度

• Enhanced ion acceleration from transparency-driven foils　demonstrated at two ultraintense laser facilities, Nicholas P. Dover, Tim Ziegler, Stefan Assenbaum, Constantin Bernert,Florian-Emanuel Brack, Stefan Bock, Thomas E. Cowan, Emma J. Ditter,Marco Garten, Lennart Gaus, Ilja Goethel, George S. Hicks, Hiromitsu Kiriyama,Thomas Kluge, James K. Koga, Akira Kon, Kotaro Kondo, Stephan Kraft,Florian Kroll, Hazel F. Lowe, Josefine Metzkes-Ng, Tatsuhiko Miyatake,Zulfikar Najmudin, Thomas P¨uschel, Martin Rehwald, Marvin Reimold,Hironao Sakaki, Hans-Peter Schlenvoigt, Keiichiro Shiokawa, Marvin E. P. Umlandt,Ulrich Schramm, Karl Zeil, and Mamiko Nishiuchi, Light: Science & Applications, Vol. 12, 71 (2023). doi: 10.1038/s41377-023-01083-9
• Characteristics of laminar ion beams accelerated via a few-joule laser pulse, T. Morita, Physical Review Research, Vol. 4, 043020 (2022). doi: 10.1103/PhysRevResearch.4.043020
• Nanoscale subsurface dynamics of solids upon high-intensity femtosecond laser irradiation observed by grazing-incidence x-ray scattering, Lisa Randolph, Mohammadreza Banjafar, Thomas R. Preston, Toshinori Yabuuchi, Mikako Makita, Nicholas P. Dover, Christian Rödel, Sebastian Göde, Yuichi Inubushi, Gerhard Jakob, Johannes Kaa, Akira Kon, James K. Koga, Dmitriy Ksenzov, Takeshi Matsuoka, Mamiko Nishiuchi, Michael Paulus, Frederic Schon, Keiichi Sueda, Yasuhiko Sentoku, Tadashi Togashi, Michael Bussmann, Thomas E. Cowan, Mathias Kläui, Carsten Fortmann-Grote, Lingen Huang, Adrian P. Mancuso, Thomas Kluge, Christian Gutt, and Motoaki Nakatsutsumi, Physical Review Research, Vol. 4, 033038 (2022). doi: 10.1103/PhysRevResearch.4.033038
• Characterization of plasma mirror system at J-KAREN-P facility, Akira Kon, Mamiko Nishiuchi, Yuji Fukuda, Kotaro Kondo, Koichi Ogura, Akito Sagisaka, Yasuhiro Miyasaka, Nicholas P. Dover, Masaki Kando, Alexander S. Pirozhkov, Izuru Daito, Liu Chang, Il Woo Choi, Chang Hee Nam, Tim Ziegler, Hans-Peter Schlenvoigt, Karl Zeil, Ulrich Schramm, and Hiromitsu Kiriyama, High Power Laser Science and Engineering, Vol. 10, e25 (2022). doi: 10.1017/hpl.2022.15
• フェムト秒レーザー生成プラズマ駆動重イオン源, 近藤康太郎, プラズマ・核融合学会誌, Vol.98, No.6, pp. 261-266 (2022).
• フェムト秒レーザー生成プラズマ駆動イオン源からのイオンビーム輸送, 榊泰直，宮武立彦, プラズマ・核融合学会誌, Vol.98, No.6, pp. 267-272 (2022).

2021年度

• レーザー加速炭素ビーム粒子数のシングルショット診断, 宮武立彦，小島完興，榊泰直, レーザー研究, 50巻1号, pp.42-46 (2022).
• 日本発の荷電粒子線治療技術, 白井敏之, 医学物理, 41巻, 3号, pp. 122-126 (2021). doi: 10.11323/jjmp.41.3_122
• Proton beam quality enhancement by spectral phase control of a PW-class laser system, T. Ziegler, C. Bernert, S. Bock, F.-E. Brack, T. E. Cowan, N.P. Dover, M. Garten, L. Gaus, R. Gebhardt, I. Goethel, U. Helbig, A. Irman, H. Kiriyama, T. Kluge, A. Kon, S. Kraft, F. Kroll, J. Metzkes-Ng, M. Nishiuchi, L. Obst-Huebl, T. Püschel, M. Rehwald, H.-P. Schlenvoigt, U. Schramm, and K. Zeil, Scientific Reports, Vol. 11, 7338 (2021). doi: 10.1038/s41598-021-86547-x

2020年度

• Denoising application for electron spectrometer in laser-driven ion acceleration using a simulation-supervised learning based CDAE, Tatsuhiko Miyatake, Keiichiro Shiokaw, Hironao Sakaki, Nicholas P. Dover, Mamiko Nishiuchi, Hazel F. Lowe, Kotaro Kondo, Akira Kon, Masaki Kando, Kiminori Kondo, and Yukinobu Watanabe, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Vol. 999, 165227 (2021). doi: 10.1016/j.nima.2021.165227
• Absolute response of a Fuji BAS-TR imaging plate to low-energy protons (< 0.2MeV) and carbon ions (< 1 MeV), S. Kojima, T. Miyatake, S. Inoue, T. H. Dinh, N. Hasegawa, M. Mori, H. Sakaki, Y. Yamamoto, T. Sasaki, F. Ito, K. Kondo, T. Yamanaka, M. Hashida, S. Sakabe, M. Nishikino, and K. Kondo, Review of Scientific Instruments, Vol. 92, 033306 (2021). doi: 10.1063/5.0035618
• Characterization of accumulated B-Integral of regenerative amplifier based CPA systems, Stefan Bock, Franziska Marie Herrmann, Thomas Püschel, Uwe Helbig,René Gebhardt, Jakob Johannes Lötfering, Richard Pausch, Karl Zeil,Tim Ziegler, Arie Irman, Thomas Oksenhendler, Akira Kon, Mamiko Nishuishi, Hiromitsu Kiriyama, Kiminori Kondo, Toma Toncian, and Ulrich Schramm., Crystals, Vol. 10, Iss. 9, 847 (2020). doi: 10.3390/cryst10090847
• Ion species discrimination method by linear energy transfer measurement in Fujifilm BAS-SR imaging plate, M. Nishiuchi, H. Sakaki, N. P. Dover, T. Miyahara, K. Shiokawa, S. Manabe, T. Miyatake, Ko. Kondo, Ke. Kondo, Y. Iwata, Y. Watanabe, and Ki. Kondo, Review of Scientific Instruments, Vol. 91, 093305 (2020). doi: 10.1063/5.0016515
• Single-shot measurement of post-pulse-generated pre-pulse in high-power laser systems, Akira Kon, Mamiko Nishiuchi, Hiromitsu Kiriyama, Masaki Kando, Stefan Bock,Tim Ziegler, Thomas Pueschel, Karl Zeil, Ulrich Schramm, and Kiminori Kondo, Crystals, Vol. 10, Iss. 8, 657 (2020). doi: 10.3390/cryst10080657
• Dynamics of laser-driven heavy-ion acceleration clarified by ion charge states, M. Nishiuchi, N. P. Dover,M. Hata, H. Sakaki, Ko. Kondo, H. F. Lowe, T. Miyahara1,7, H. Kiriyama, J. K. Koga, N. Iwata, M. A. Alkhimova, A. S. Pirozhkov, A. Ya. Faenov, T. A. Pikuz, A. Sagisaka, Y. Watanabe, M. Kando, K. Kondo, E. J. Ditter, O. C. Ettlinger, G. S. Hicks, Z. Najmudin, T. Ziegler, K. Zeil, U. Schramm, and Y. Sentoku, Physical Review Research, Vol. 2, 033081 (2020) doi: 10.1103/PhysRevResearch.2.033081
• New algorithm using L1 regularization for measuring electron energy spectra, H. Sakaki, T. Yamashitab, T. Akagi, M. Nishiuchi, N. P. Dover, H. F. Lowe, K. Kondo, A. Kon, M. Kando, Y. Tachibana, T. Obata, K. Shiokawa, T. Miyatake, and Y. Watanabe, Review of Scientific Instruments, Vol. 91, 075116 (2020). doi: 10.1063/1.5144897
• Demonstration of repetitive energetic proton generation by ultra-intense laser interaction with a tape target, N. P. Dover, M. Nishiuchi, H. Sakaki, Ko. Kondo, H.F. Lowe, M. A. Alkhimova, E. J. Ditter, O. C. Ettlinger, A. Ya. Faenov, M. Hata, G. S. Hicks, N. Iwata, H. Kiriyama, J. K. Koga, T. Miyahara, Z. Najmudin, T. A. Pikuz, A. S. Pirozhkov, A. Sagisaka, U. Schramm, Y. Sentoku, Y. Watanabe, T. Ziegler, K. Zeil, M. Kando, and K. Kondo, High Energy Density Physics, Vol. 37, 100847 (2020). doi: 10.1016/j.hedp.2020.100847
• Compact Thomson parabola spectrometer with variability of energy range and measurability of angular distribution for low-energy laser-driven accelerated ions, Sadaoki Kojima, Shunsuke Inoue, Thanh Hung Dinh, Noboru Hasegawa, Michiaki Mori, Hironao Sakaki, Yoichi Yamamoto, Teru Sasaki, Keiichiro Shiokawa, Kotaro Kondo, Takashi Yamanaka, Masaki Hashida, Shuji Sakabe, Masaharu Nishikino, and Kiminori Kondo, Review of Scientific Instruments, Vol. 91, 053305 (2020). doi: 10.1063/5.0005450

2019年度

• Effect of small focus on electron heating and proton acceleration in ultra-relativistic laser-solid interactions, N. P. Dover, M. Nishiuchi, H. Sakaki, Ko. Kondo, M. A. Alkhimova, A. Ya. Faenov, M. Hata, N. Iwata, H. Kiriyama, J. K. Koga, T. Miyahara, T. A. Pikuz, A. S. Pirozhkov, A. Sagisaka, Y. Sentoku, Y. Watanabe, M. Kando, and K. Kondo, Physical Review Letters, Vol. 124, Iss. 8, 084802 (2020). doi: 10.1103/PhysRevLett.124.084802

2017年度

• Development of carbon-ion radiotherapy facilities at NIRS, Y. Iwata, T. Fujita, T. Fujimoto, T. Furukawa, Y. Hara, K. Kondo, K. Mizushima, T. Murakami, M. Muramatsu, M.Nishiuchi, E. Noda, K. Noda, H. Sakaki, N. Saotome, Y. Saraya, S. Sato, T. Shirai, and R. Tansho, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.: 28 Iss.: 3, 4400807 (2018). doi: 10.1109/TASC.2017.2785835