レーザー駆動イオン加速器開発Prj

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研究の概要

​​極短パルス高強度レーザーを薄膜やガス等のターゲットに照射することで核子あたり数～数十Mevのイオンビームを得ることができます。関西光量子科学研究所では、高強度極短パルスレーザー（J-KAREN-P）を用いてレーザー駆動イオン加速の研究開発を行ってきましたが、この技術をさらに発展させ、レーザーを利用したイオン加速現象を利用した小型加速器の実用化を目指しています。これを実現することができれば、未だに実現できていないレーザー加速の実用化を具体化できることになります。また、レーザー駆動で発生するイオンバンチは従来の加速器技術では作り出すことが困難な高密度で短パルスのイオンバンチの発生が期待され、加速器の高電流密度での動作に対し、重要な知見を得ることも期待できます。

本プロジェクトでは、J-KAREN-Pより繰り返しが100倍速い10 Hzの高ピーク出力の極短パルスチタンサファイアレーザーを開発し、小型レーザー加速器の開発だけではなく、コヒーレントなX線に関連する技術として、物質表面への超微細加工と計測技術の開発、さらに高強度レーザーの開発技術を基盤とした遠隔検知技術の開発など、高強度レーザー技術の利用研究を幅広く精力的に進めています。

メンバー

主な研究内容

1．レーザー加速炭素イオン源の開発
​重粒子線による粒子線治療は患者の身体に与える負担が小さく、治癒後の社会復帰が容易であることから、近年、Quality of Life の観点で注目を集めています。しかしながら日本における重粒子線がん治療施設は建設中のものを含めても現在7施設しかなく、治療可能人数は日本の新規がん患者の0.2%程度に留まっています。重粒子線がん治療の普及のためには装置の小型化が求められており、関西研ではJst未来社会創造事業およびQst革新プロジェクトの支援を受けて、シンクロトロン主加速器部分へイオン入射する入射器部分をレーザー駆動イオン加速技術により小型化する研究が進められています（図1）。​

図1：レーザー駆動イオン加速を実装した重粒子線治療装置

2．超微細加工・計測技術の開発
これまでに培ってきた高安定・高繰り返し・高コントラストレーザーの開発技術や高繰り返し軟X線レーザーの開発技術を基に、高平均出力コヒーレント軟Ｘ線光源の開発を目指しています（図2）。そして、微小集光技術やパターン描画技術を組み合わせ、ナノメートルスケールの微細構造の形成技術の開発を目指した研究を行います。また、微細構造の形成過程を観察するための計測技術の開発も合わせて進めています。

（図2）ガスのプラズマを発振媒質とする10ヘルツ発振（毎秒10回のレーザー発振）の軟X線レーザーの開発に成功しました（広島大学との共同研究成果）。

3．遠隔検知技術
高強度レーザーを用いたインフラ構造物の非破壊検査技術、レーザー走査センシング技術の高度化開発などの研究を進めています（図3）。QST認定ベンチャー「（株）フォトンラボ」と協働し、非破壊インフラ診断技術の社会実装を進めています。

（図3）レーザー打音装置によるトンネル壁面の劣化計測実験（静岡県富士宮市）

業績リスト（論文、プレス発表）

論文 [査読付き論文]（2023年～）

2026年

• ” Estimation of laser parameters for a carbon ion injector in a next generation compact heavy ion cancer therapy system”, Hata Masayasu,  Kojima Sadaoki,  Tヘクタールnhhung Dinh,  Sakaki Hironao,  Kondo Kiminori,  Journal of Applied Physics, 139(1), 013106, 2026-01, Doi:10.1063年5月02日96351
• “レーザー打音法による橋梁検査の遠隔・デジタル化手法の開発”, 長谷川 登,  長谷川 登,  錦野 将元,  岡田 大,  近藤 修司,  電気学会論文誌C, 146(4), 274 - 282, 2026-04, Doi:10.1541/ieejeiss.146.274
• “Evaluation of Inorganic-organic Hybrid Resist Materials with ultrafast coherent high ヘクタールrmonic generation (Hhg) Euv system developed in Qst”,  Yamamoto Hiroki,  Tヘクタールnhhung Dinh,  Kozawa Takahiro ,  Namaba Shinichi ,  Ishino Masahiko,  Journal of Photopolymer Science and Technology, 38(3), 217 - 221, 2026-01, Doi:10.2494/photopolymer.38.217
• “Optical Design and Efficiency Measurement of an Extreme Ultraviolet High-Resolution Spectrometer for Unresolved Transition Array Research”,  Kawate Tomoko,  Tomoko Kawate,  H. A. Sakaue,  C. Suzuki,  N. Nakamura,  K. Tanaka,  E. Nakamura,  K. Fujii,  D. Kato,  Sasaki Akira,  I. Murakami,  Review of Scientific Instruments, 96, 043512, 2026-04, Doi:10.1063年5月02日50066

2025年

• ” Ultrathin glass as a continuously replaceable debris shield for laser systems”, Kojima Sadaoki, Sakaki Hironao, Inoue Norihiko, Kuriki Hiroyoshi, Shimizu Yusuke, Harada Hisanori, Dinh Tヘクタールnh-Hung, Hata Masayasu, Hasegawa Noboru,  Mori Michiaki,  Ishino Masahiko,  Kiriyama Hiromitsu,  Miyasaka Yasuhiro,  Nishikino Masaヘクタールru,  Kando Masaki,  Shirai Toshiyuki,  Kondo Kiminori,  Review of Scientific Instruments, 96(8), 083001, 2025-08, Doi:10.1063年5月02日68950
• ”Highly Stable and Efficient Spatiotemporal Filtering in Cross-Polarized Wave Generation via Nonlinearity Tailoring in Multi-Plate Crystals”, Dinh Tヘクタールnh-Hung,  Mori Michiaki,  Nagashima Keisuke,  Kojima Sadaoki,  Hasegawa Noboru,  Ishino Masahiko,  Hata Masayasu,  Okada Hajime,  Aoyama Makoto,  Miyatake Tatsuhiko,  Sakaki Hironao,  Kando Masaki,  Shirai Toshiyuki,  Nishikino Masaヘクタールru,  Kondo Kiminori,  Optics express, 33(19), 21318 - 21327, (2025)
• “Demonstration and Real-Time Non-Destructive Diagnosis of a High-Flux Laser-Driven Proton Bunch”, Sakaki Hironao,  Kojima Sadaoki,  Suwada Tsuyoshi,  Tヘクタールnhhung Dinh,  Tsutsui Hiroshi,  Touchi Yutaka,  Ohtomo Kiyotaka,  Matsumoto Haruya,  Aoki Nobuatsu,  Souda Hikaru,  Hata Masayasu,  Yamamoto Yoichi,  Itou Fuyumi,  Nishikino Masaヘクタールru,  Shirai Toshiyuki,  Kondo Kiminori, Review of Scientific Instruments, , 2025-09, Doi:10.1063年5月02日74838
• ”Effects of hydrogen concentration in ablator material on stimulated Raman scattering, two-plasmon decay, and hot electrons for direct-drive inertial confinement fusion”, K. Kawasaki,  G. Cristoforetti,  T. Idesaka,  Y. Hironaka,  D. Tanaka,  D. Batani,  S. Fujioka,  L. A. Gizzi,  Hata Masayasu,  T. Johzaki,  K. Katagiri,  R. Kodama,  S. Matsuo,  H. Nagatomo,  Ph. Nicolai,  N. Ozaki,  Y. Sentoku,  R. Takizawa,  A. Yogo,  H. Yamada,  K. Shigemori, Physical Review Research, 5(3), 033051, (2025) 
• “Modeling of Euv Spectrum from Laser-Produced Sn Plasmas”, A. Sasaki, Plasma Fusion Research 20, 2401007 (2025); Doi: 10.1585/pfr.20.2401007.
• “Molecular dynamics study on clustered DNA damage: Ap sites on the same strand”, K. Terakawa, S. Fujiwara, T. Mizuguchi, H. Nakamura, K. Akamatsu, N. Shikazono, Y. Yonetani, Biophysical Chemistry, 319, 107394, (2025); Doi: 10.1016/j.bpc.2025.107394.
• “プラズマシミュレーションのキャリア形成のモデリングへの応用”, 佐々木 明, プラズマ核融合学会誌 101, 10 (2025). 2024.

​2024年

• ”Design of soft X-ray high diffraction efficiency and spectral flux Au/Ni bilayer coated laminar-type diffraction grating for objective soft X-ray flat-field spectrograph in a region of 250-550 Ev”, K.  Masato,  T. Hatano,  Alexander Pirozhkov,  T. Murano,  Y. Ohue,  S. Koshiya,  T. Kakio, K. Kondo,  M. Terauchi, Review of scientific instruments, 95(12), 123102-1 - 123102-7, (2024) ​
• ”Measuring the sensitivity of imaging plates to Kev carbon ions”, Hayashi Yukio,  Mori Michiaki,  Kotaki Hideyuki,  Onoda Shinobu,  Yamada Keisuke,  Kando Masaki, Review of Scientific Instruments, 95(12), 123309, (2024)
• ”Estimation of a Plasma Mirror Reflectivity of Lfex Laser and Relevant Results Using Electron Energy Spectrometers”, Tetsuo Ozaki,  Eisuke Miura,  Kojima Sadaoki,  Yasunobu Arikawa,  Yuuki Abe,  Kohei Yamanoi,  Tomokazu Ikeda,  Katsuhiro Ishii,  Atsushi Sunaヘクタールra,  Tomoyuki Johzaki,  Hiroshi Sawada,  Shinsuke Fujioka,  Hitoshi Sakagami,  Yoneyoshi Kitagawa,  Yoshitaka Mori, Plasma and Fusion Research, 17, 2404084, (2024)・”Ultrarelativistic Fe plasma with Gj/c立方メートル energy density created by femtosecond laser pulses”, Mariya Alkhimova,  Igor Skobelev,  Tatiana Pikuz ,  Sergey Ryazantsev ,  Hironao Sakaki,  Pirozhkov,  Timur Zh. Esirkepov ,  Akito Sagisaka,  Nicholas P. Dover,  Kondo Kotaro,  Ogura Koichi,  Fukuda Yuji,  Kiriyama Hiromitsu,  Nishitani Keita,   Sergey Pikuz ,  Kando Masaki,  Ryosuke Kodama,  Kondo Kiminori,  Nishiuchi Mamiko, Matter and Radiation at Extremes, 9(6), 067205-1 - 067205-11, (2024)
• “Second ヘクタールrmonic generation of focused beams on the Lfex laser facility”、Arikawa Yasunobu,  Zヘクタールnngui Hu,  Tsubakimoto Koji,  Morace Alessio,  Takizawa Ryunosuke,  Shiraga Hiroyuki,  Nakai Mitsuo,  Pikuz Tatiana,  Martynenko S. Artem,  Iwata Natsumi,  Sentoku Yasuhiko,  Hata Masayasu,  Kojima Sadaoki,  Johzaki Tomoyuki,  Nakata Yoshiki,  Fujioka Shinsuke,  Yogo Akifumi,  Kodama Ryosuke、Optics Express, 32(16), 28390 - 28401, (2024)
• ”Soft X-ray high diffraction efficiency and spectral flux laminar-type W/B4C multilayer diffraction grating for 300-1000 Ev”, Koike Masato,  Hatano Tadashi,  Alexander Pirozhkov,  Oue Yuki,  Murano Takanori,  Tsubasa Kakio,  Koshiya Shogo,  Kondo Kiminori,  Terauchi Masami, Review of Scientific Instruments, 95(7), 073104-1 - 073104-6, (2024)
• “Metrology for sub-Rayleigh-length target positioning in ~10^22 W/cm^2 laser-plasma experiments”、E. A. Vishnyakov,  Akito Sagisaka,  Koichi Ogura,  Esirkepov Timur,  Bruno Gonzalez izquierdo,  C. Armstrong,  T. A. Pikuz,  S. A. Pikuz,  W. Yan,  T. M. Jeong,  S. Singh,  P. Hadjisolomou,  O. Finke,  G. Grittani,  M. Nevrkla,  C. Lazzarini,  A. Velyヘクタールn,  Takehito Hayakawa,  Yuuji Fukuda,  James Kevin Koga,  Masahiko Ishino,  Kotaro Kondo,  Yasuhiro Miyasaka,  Akira Kon,  Masaヘクタールru Nishikino,  Y. V. Nosach,  D. Khikhlukヘクタール,  I. P. Tsygvintsev,  D. Kumar,  J. Nejdl,  D. Margarone,  P. V. Sasorov,  S. Weber,  Masaki Kando,  Hiromitsu Kiriyama,  Yoshiaki Kato,  G. Korn,  Kiminori Kondo,  Sergey Bulanov,  Tetsuya Kawachi,  Alexander Pirozhkov、High Power Laser Science and Engineering, 12,e32 15 pages,（2024）
• ”Experimental realization of near-critical-density laser wakefield acceleration: Efficient pointing 100-Kev-class electron beam generation by microcapillary targets”,  M. Mori, E. B-Valdez, H. Kotaki, Y. Hayashi, M. Kando, K. Kondo, T. Kawachi, D. Strickland, T. Tajima、Aip Advances, 14, 035153（2024）
• “On the self-assembly of polarization domain observed in the relaxor ferroelectrics Pb[(Mg1月3日Nb2月3日)0.722Ti0.278]O3”, K. Namikawa, M. Ishino, K. Ohwada, E. Matsushita, N. Hasegawa, and M. Nishikino, Journal of Physics and Chemistry of Solids 192, 112106-1-112106-3 (2024); Doi: 10.1016/j.jpcs.2024.112106. 
• “Unsolved problem of long-range interactions: Dipolar spin-ice study”, Y. Yonetani, Journal of Physics: Condensed Matter 36, 175401 (2024); Doi 10.1088/1361-648X/ad1ca6.
• “Effect of multiply excited states to the Euv emission from yttrium-like tin”, A. Sasaki, Applied Physics Letters, 124, 064104 (2024); Doi: 10.1063年5月01日87576.
• “Ablation study using soft x-ray laser”, M. Ishino, K. Mikami, T.-H. Dinh, and M. Nishikino, Photonics Review 2024, 240202 (2024); Doi: 10.11470/photo.240202.
• “On the self-assembly of polarization domain observed in the relaxor ferroelectrics Pb[(Mg1月3日Nb2月3日)0.722Ti0.278]O3”, K. Namikawa, M. Ishino, K. Ohwada, E. Matsushita, N. Hasegawa, and M. Nishikino, Journal of Physics and Chemistry of Solids 192, 112106 (2024); Doi: 10.1016/j.jpcs.2024.112106.
• “Analyzing hydroxyl radical accessibility related to hydrogen abstraction in a DNA sugar moiety using biased molecular dynamics simulations”, R. Kawanami, S. Fujiwara, Y. Yonetani, and T. Aso, Aip Advances 14, 105318 (2024); Doi: 10.1063年5月02日29017.
• “Three-Dimensional Surface Analysis of Iron-Based Materials Using Synchrotron Mössbauer Source”, K. Fujiwara, T. Mitsui, N. Hasegawa, M. Nishikino, Y. Kobayashi, K. Mibu, K. Shinoda, R. Masuda, and M. Seto, Applied Physics Express 17, 082002 (2024); Doi: 10.35848/1882-0786/ad67a8.
• “弾性波法による波形エネルギーを用いたコンクリート内部のうき・剥離の損傷レベル評価指標に関する研究”, 戸本悟史, 松永輝, 山田悠貴, 山根立行, 辻󠄀健斗, 中村光, 三浦泰人, 長谷川登, 土木学会 構造工学論文集 70A, 728 (2024).​

​2023年​

• “Laminar-type gratings overcoated with carbon-based materials to enヘクタールnce analytical sensitivity of flat-field emission spectrograph in the Vuv region "、T. Murano,  S. Koshiya,  Koike Masato,  T. Hatano,  Alexander Pirozhkov,  T. Kakio,  N. Hayashi,  Y. Ohue,  K. Konishi,  T. Nagano,  K. Kondo,  M.Terauchi, Review of Scientific Instruments, 94(12), 125113, (2023)
• “Optimum design of double-layer target for proton acceleration by ultrahigh intense femtosecond lasers considering relativistic rising edge”, Hata Masayasu,  Sano Takayoshi,  Iwata Natsumi,  Sentoku Yasuhiko, Physical Review E, 108(3), 035205-1 - 035205-8, (2023)
• “Evaluation of the spatial resolution of Gafchromictm Hd-V2 radiochromic film cヘクタールracterized by the modulation transfer function”、T. Miyatake,  S. Kojima,  H. Sakaki,  Tヘクタールnh-Hung Dinh,  I. Takemoto,  M. Hata,  M. Nishikino,  Y.Watanabe,  M. Ishino, M. Mori,  J. Koga, Y. Yamamoto,  H. Ito,  M. Kando,  T. Shirai,  Ki. Kondo, Aip Advances, 13, 085303, (2023)
• “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,  Tヘクタールnhhung Dinh,  Hata Masayasu,  Hasegawa Noboru,  Mori Michiaki,  Ishino Masahiko,  Nishiuchi Mamiko,  Kondo Kotaro,  Nishikino Masaヘクタールru,  Kando Masaki,  Shirai Toshiyuki,  Kondo Kiminori、Matter and Radiation at Extremes, 8(5), 054002, (2023)
• “Design of a compact superconducting accelerator for advanced heavy-ion therapy”、Iwata Yoshiyuki,  Shirai Toshiyuki,  Mizushima Kota,  Matsuba Shunya,  Yang Ye,  Noda Etsuo,  Urata Masami,  Muramatsu Masayuki,  Katagiri Ken,  Yonai Shunsuke,  Inaniwa Taku,  Sato Shinji,  Abe Yasushi,  Fujimoto Tetsuya,  Sasano Toshinobu,  Shiraishi Tadahiro,  Suzuki Taku,  Takaヘクタールshi Katsuyuki,  Kondo Kiminori,  Sakaki Hironao,  Nishiuchi Mamiko,  Orikasa Tomofumi,  Takayama Shigeki,  Amano Saki,  Kosuke  Nakanishi,  Tachibana Masanori,  Touchi Yutaka,  Tsubomatsu Satoshi,  Nomura Shinji、Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 1053, 168312, (2023)
• “Enヘクタールnced ion acceleration from transparency-driven foils demonstrated at two ultraintense laser facilities”, Nicholaspeter 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,  Kiriyama Hiromitsu,  Thomas Kluge,  James Kevin Koga,  Kon Akira,  Kondo Kotaro,   Stepヘクタールn Kraft,  Florian Kroll,  Hazelfrances Lowe,  Josefine Metzkes-Ng,  Miyatake Tatsuhiko,  Zulfikar Najmudin,  Thomas P¨uschel,  Martin Rehwald,  Marvin Reimold,  Sakaki Hironao,  Hans-Peter Schlenvoigt,  Shiokawa Keiichiro,  Umlandt Marvin Elias Paul,   Ulrich Schramm,  Karl Zeil,  Nishiuchi Mamiko, Light Science and Applications, 12, 71, (2023)
• “Damage threshold of Lif crystal irradiated by femtosecond ヘクタールrd Xfel pulse sequence”, S. Makarov, S. Grigoryev, N. Inogamov, E. Filippov, T. Pikuz, N. Ozaki, M. Ishino, M. Nishikino, T. -H. Dinh, T. Kawachi, M. Zanaveskin, M. Makita, M. Nakatsutsumi, T. R. Preston, K. Appel, Z. Konopkova, V. Cerantola, E. Brambrink, J. -P. Schwinkendorf, I. Moヘクタールcsi, V. Vozda, V. Hajkova, T. Burian, J. Cヘクタールlupsky, L. Juヘクタール, V. Zヘクタールkhovsky, U. Zastrau, and S. Pikuz, Optics Express 31, 26383-26397 (2023); Doi: 10.1364/Oe.486868.
• “Sub-nanometer scale depth patterning on sapphire crystal by femtosecond soft x-ray laser pulse irradiation”, K. Mikami, M. Ishino, H. Motoyama, T. -H. Dinh, S. Yokomae, G. Yamaguchi, S. Egawa, K. Sakaue, H. Mimura, T. Higashiguchi, Y. Kubota, S. Owada, A. Iwasaki, Y. Inubushi, and M. Nishikino, Optics Letters 48, 5041–5044 (2023); Doi: 10.1364/ol.501589.
• “Joint measurement of electron density, temperature, and emission spectrum of Nd:Yag laser-produced tin plasma”, Y. Pan, K. Tomita, A. Sunaヘクタールra, A. Sasaki, K. Nishiヘクタールra, Applied Physics Letters 123, 204103 (2023); Doi: 10.1063年5月01日74185.
• “Spectral shift and split of ヘクタールrmonic lines in propagation affected high ヘクタールrmonic generation in a long-interaction gas tube”, J. Seres, E. Seres, C. Serrat, T. Dinh, N. Hasegawa, M. Ishino, M. Nishikino, and S. Namba, Atoms 11, 150 (2023); Doi: 10.3390/atoms11120150.
• “静電相互作用の実空間カットオフについての理論的検証”, 米谷佳晃, 分子シミュレーション学会誌アンサンブル 102, 167–170 (2023).
• “レーザー打音検査装置によるトンネル覆工コンクリートの診断支援技術の高度化”, 戸本悟史, 長谷川登, 岡田大, 近藤修司, 錦野将元, 中村光, 日本工業出版・検査技術 28, 7–14 (2023).
• “ジュール級パルスレーザーによるインフラ先進診断 -レーザー打音法-“, 長谷川登, 錦野将元, 岡田大, 近藤修司, 坂本勝哉, 木暮繁, 安倍正道, 戸本悟史, 中村光, レーザー研究 51, 579–584 (2023).
• “軟Ｘ線レーザーによる表面ナノ加工技術”, 石野雅彦, 日刊工業出版・クリーンテクノロジー誌 33, 71–75 (2023).
•  

プレス発表

2025年

• がん治療装置の普及を促進する『量子メス』に必要なイオン数の達成に見通し～レーザー光で加速したイオン速度を整えて個数を10倍増やす！ 産業応用にも期待～, 2025-9.

2024年

• がん組織近くで使える高エネルギー電子線をレーザーで発生―内視鏡型電子線発生装置を用いた放射線がん治療の実現へー, 2024-3

2023年

• 道路政策の質の向上に資する技術研究開発（令和3年度採択）において、優秀技術開発賞を受賞しました, 2023-11.
• がん治療用新型イオン入射装置の原型機が完成 ～重粒子加速器の小型化をレーザー技術で目指す～, 2023-8.
• ～人の手に頼らないロボット点検技術のイノベーション～道路橋のレーザー打音検査によるリモート検査の実証実験, 2023-5.
• ～人の手に頼らないロボット点検技術のイノベーション～『レーザー打音検査装置』のタイルパネル診断支援への拡大,2023-3.