レーザー駆動イオン加速器開発Prj

量子応用光学研究部　レーザー駆動イオン加速器開発Prj

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。

一方、量研では人に優しく実績も十分な放射線がん治療として重粒子線がん治療を実施しています。重粒子線による治療は、高い生物効果と局所制御効果という優れた特徴を持ち、例えば切除不能の膵臓がんに対してもその有効性が十分高いことが確かめられています。一方で重粒子線がん治療では治療に十分なエネルギーの重粒子線を得るために大型の加速器が必要とされ、広く普及するためにはその小型化が課題となっています。量研では、QST革新プロジェクトとして超伝導加速器技術とレーザー加速技術を利用した装置の小型化を実現するべく次世代重粒子線がん治療装置（量子メス）の開発を行っています。この中で本プロジェクトでは、JSTの未来社会創造事業「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」の中で、上述の先端的なレーザー加速技術の研究開発能力を活かして量子メスの入射器として次世代型超電導シンクロトロンに適合するレーザー駆動型入射加速器の概念実証研究を実施しています。

具体的には、X線超微細加工技術研究プロジェクトと協力して高繰り返し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用いて炭素線をはじめとしたレーザー駆動イオンビームを発生し、この特性の評価を行います。これにより上述の量子メス入射器の開発を具体化するとともに、発生した特殊な高エネルギーイオンと物質や生体との相互作用研究も展開いたします。

メンバー

主な研究内容

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

業績リスト（論文、受賞、プレス発表など）

論文　[査読付き論文]（2018年～）

2021年

• “Denoising application for electron spectrometer in laser-driven ion acceleration using a Simulation-supervised Learning based CDAE” T. Miyatake,  K. Shiokawa,  H. Sakaki,  N. P. Dover,  M. Nishiuchi,  H. F. Lowe,  Kootaro Kondo,  A. Kon,  M. Kando,  Kiminori Kondo, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 999, 165227, (2021)
• “Improvement of ignition and burning target design for fast ignition scheme” H. Nagatomo, T. Johzaki, M. Hata, Y. Sentoku, S. Fujioka, K. Mima, H. Sakagami, Nuclear Fusion 61, 126032 (2021).
• “Pulse duration constraint of whistler waves in magnetized dense plasma” M. Hata, T. Sano, S. Yasuhiko, H. Nagatomo, H. Sakagami, Physical Review E 104, 035205 (2021).
• “Absolute response of a Fuji BAS-TR imaging plate to low-energy protons (< 0.2 MeV) and carbon ions (< 1 MeV)” S. Kojima,  M. Tatsuhiko,  S. Inoue,  T. Dinh,  N. Hasegawa,  M. Mori,  H. Sakaki,  N. Mamiko,  N. P. Dover,  Y. Yoichi,  S. Teru,  I. Fuyumi,  Kotaro Kondo,  T. Yamanaka,  M. Hashida,  S. Sakabe,  M. Nishikino,  Kiminori Kondo, Review of Scientific Instruments, 92(3), 033306, (2021)

2020年

• “Characterization of Accumulated B-Integral of Regenerative Amplifier Based CPA Systems” S. Bock,  Franziska M. Herrmann,  T. Püschel,  U. Helbig,  R. Gebhardt,   J. J. Lötfering,  R. Pausch,  K. Zeil,  T. Ziegler,  A. Irman,  T. Oksenhendler,  A. Kon,  M. Nishiuchi,  H. Kiriyama,  Kiminori Kondo,  T. Toncian,  U. Schramm, Crystals , 10(9), 847 - 869, (2020)
• “High-Intensity Laser-Driven Oxygen Source from CW Laser-Heated Titanium Tape Targets” Kotaro Kondo,  M. Nishiuchi,  H. Sakaki,  N. P. Dover,  H. F. Lowe,  T. Miyahara,  Y. Watanabe,  T. Ziegler,  K. Zeil,  U. Schramm,  E. J. Ditter,  G. S. Hicks,  O. C. Ettlinger,  Z. Najmudin,  H. Kiriyama,  M. Kando,  Kiminori Kondo, Crystals, 10(9), 837, (2020)
• “Petawatt femtosecond laser pulses from titanium-doped sapphire crystal” H. Kiriyama,  A. Pirozhkov,  M. Nishiuchi,  Y. Fukuda,  A. Sagisaka,  A. Kon,  Y. Miyasaka,  K. Ogura,  N. P. Dover,  Kotaro Kondo,  H. Sakaki,  J. K. Koga,  E. Timur,  K. Huang,  N. Nakanii,  M. Kando,  Kiminori Kondo,  S. Bock,  T. Ziegler,  T. Püschel,  K. Zeil,  U. Schramm, Crystals, 10(9), 783-1, (2020)
• “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,  Kotaro Kondo,  Keietsu Kondo,  Y. Iwata,  Y. Watanabe,  Kiminori Kondo, Review of Scientific Instruments, 91(9), 093305, (2020)
• “Single-shot measurement of post-pulse-generated pre-pulse in high power laser systems” A. Kon,  M. Nishiuchi,  H. Kiriyama,  M. Kando,  S. Bock,  T. Ziegler ,  T. Pueschel,  K. Zeil,  U. Schramm,  Kiminori Kondo, Crystals, 10(8), 657 - 666, (2020)
• “Dynamics of Laser-driven Heavy Ion Acceleration Clari_x000C_ed by Ion Charge States” M. Nishiuchi,  N. P. Dover,  M. Hata ,  H. Sakaki,  Kotaro Kondo,  H. F. Lowe,  T. Miyahara,  H. Kiriyama,  J. Koga,  N. Iwata,  M. Alklhimova,  A. Pirozhkov,  A. Faenov,  P. Tatiana,  A. Sagisaka,  Y. Watanabe,  M. Kando,  Kiminori Kondo,  E. Ditter,  O. Ettlinger,  G. Hicks,  N. Zuflkar,  T. Ziegler,  K. Zeil,  U. Schramm,  Y. Sentoku, Physical Review Research, 2(3), (2020)
• “Compact Thomson parabola spectrometer  with variability of energy range and measurability  of angular distribution for low-energy laser-driven  accelerated ions” S. Kojima, T. Dinh, N. Hasegawa, M. Mori, H. Sakaki, Kotaro Kondo, M. Nishikino,  Kiminori Kondo, Review of Scientific Instruments, 91, 1 - 11, (2020)
• “Observation of Burst Intensification by Singularity Emitting Radiation generated from relativistic plasma with a high-intensity laser” A. Sagisaka,  K. Ogura,  E. Timur,  D. Neely,  T. Pikuz,  J. Koga,  Y. Fukuda,  H. Kotaki,  Y. Hayashi,  B. Gonzalez-Izquierdo,  K. Huang,  S. Bulanov,  H. Kiriyama,  Kiminori Kondo,  T. Kawachi,  M. Kando,  A. Pirozhkov, High Energy Density Physics, 36, 100751, (2020)
• ” Status and progress of the J-KAREN-P high intensity laser system at QST” H. Kiriyama,  A. Pirozhkov,  M. Nishiuchi,  Y. Fukuda,  K. Ogura,  A. Sagisaka,  Y. Miyasaka,  H. Sakaki,  N. Dover,  Kotaro Kondo,  H. Lowe,  A. Kon,  J. Koga,  E. Timur,  N. Nakanii,  K. Huang,  M. Kando,  Kiminori Kondo, High Energy Density Physics, 36, (2020)
• ” Multiple colliding laser pulses as a basis for studying high-field high-energy physics” J. Magnusson,  A. Gonoskov,  M. Marklund,  Esirkepov Timur,  James Kevin Koga,  Kiminori Kondo,  M. Kando,  S. V. Bulanov,  G. Korn,  C. G. R. Geddes,  C. B. Schroeder,  E. Esarey,  S. S. Blanov, Physical Review A, 100(6), 063404, (2020)
• “Demonstration of repetitive energetic proton generation by ultra-intense laser interaction with a tape target” N. Dover,  M. Nishiuchi,  H. Sakaki,  Kotaro Kondo,  M. A. Alkhimova,  A. Ya. Faenov,  M. Hata,  N. Iwata,  H. Kiriyama,  J. Koga,  T. Miyahara,  T. A. Pikuz,  A. Pirozhkov,  A. Sagisaka,  Y. Sentoku,  Y. Watanabe,  M. Kando,  Kiminori Kondo,  H. Lowe,  E. J. Ditter,  O. C. Ettlinger,  G. S. Hicks,  Z. Najmudin,  U. Schramm,  T. Ziegler,  K. Zeil, High Energy Density Physics, 37, 100847, (2020)
• ” Experimental investigation on temporal contrast of pre-pulses by post-pulses in a petawatt laser facility” H. Kiriyama,  Y. Miyasaka,  A. Sagisaka,  K. Ogura,  M. Nishiuchi,  A. Pirozhkov,  Y. Fukuda,  M. Kando,  Kiminori Kondo, Optics Letters, 45(5), 1100 - 1103, (2020)
• ” Effect of small focus on electron heating and proton acceleration in ultra-relativistic laser-solid interactions” N. Dover,  M. Nishiuchi,  H. Sakaki,  Kotaro Kondo,  M. A. Alkhimova,  A. Ya. Faenov,  M. Hata,  N. Iwata,  H. Kiriyama,  J. Koga,  T. Miyahara,  T. A. Pikuz,  A. Pirozhkov,  A. Sagisaka,  Y. Sentoku,  Y. Watanabe,  M. Kando,  Kiminori Kondo, Physical Review Letters, 124, 084802, (2020)

2019年

• “Optimized highly charged ion production for strong soft x-ray sources obeying a quasi-Moseley’s law”,  Y. Shimada, H. Kawasaki, K. Watanabe, H. Hara, K. Anraku, M. Shoji1, T. Oba, M. Matsuda, W. Jiang, A. Sunahara, M. Nishikino, S. Namba, G. O’Sullivan, T. Higashiguchi, AIP Advances 9, 115315 (2019).
• “Atomic kinetics calculations of complex highly-charged ions in plasmas in non-local thermodynamic equilibrium by using a Monte-Carlo approach”, A. Sasaki, R. More, K. Fujii, D. Kato, and I. Murakami, High Energy Density Physics 32, 051-7 (2019).
• “An estimation of line width roughness of photoresists for the extreme ultraviolet lithography due to photon shot noise using the percolation model” A. Sasaki, M.Ishino, and M. Nishikino, Jpn. J. Appl. Phys. 58, 055002 (2019).
• “Self-supporting tetrahedral amorphous carbon films consisting of multilayered structure prepared using filtered arc deposition” T. Harigai,  Y. Miyamoto,  M. Yamamoto,  T. Tanimoto,  Y. Suda,  H. Takikawa, T.  Kawano,  M. Nishiuchi,  H. Sakaki,  K. Kondo,  S. Kaneko,  S. Kunitsugu, Thin Solid Films, 675, 123 - 127, (2019)
• “Laser-Particle Collider for Multi-GeV Photon Production” J. Magnusson,  A. Gonoskov,  M. Marklund,  E. Timur, J. Koga, K. Kondo, M. Kando, S. Bulanov, G. Korn,  S. S. Bulanov, Physical Review Letters, 122(25), 254801, (2019) 

2018年

• “High-contrast high-intensity repetitive petawatt laser” 桐山 博光,  ピロジコフ アレキサンダー,  西内 満美子,  福田 祐仁,  小倉 浩一,  匂坂 明人,  宮坂 泰弘,  森 道昭,  榊 泰直,  ドーバー ニコラス ピーター,  近藤 康太郎,  コーガ ジェームズ,  エシロケポフ ティムル,  神門 正城,  近藤 公伯, Optics Letters, 43(11), 2595 - 2598, (2018)
• “Ultra-intense X-Ray Radiation Photopumping of Exotic States of Matter by Relativistic Laser-Plasma in the Radiation-Dominated Kinetic Regime (RDKR)” A. Ya. Faenov,  J.Coglan,  S. A. Pikuz,  A. Zhidkov,  T. A. Pikuz,  J. Abdallah Jr.,  E. Tubman,  N. M. H. Butler,  R. J. Dance,  I. Yu. Skobelev,  M. Z. Alkhimova,  N. booth,  J. Green,  C. Gregory,  A. Andreev,  M. Nishiuchi  H. Sakaki,  Akito Sagisaka,  Alexander Pirozhkov,  Koichi Ogura,  Yuuji Fukuda,  Masato Kanasaki,  Noboru Hasegawa,  Masaharu Nishikino,  Masaki Kando,  Tetsuya Kawachi,  Kiminori Kondo,  P. McKenna,  G. J. Tallents,  N. Woolsey,  R. Kodama, Proceedings of the 15th International Conference on X-Ray Lasers, 202, 149 - 158, (2018)
• “Research on Laser Acceleration and Coherent X-RAY Generation Using J-KAREN-P Laser” M. Kando,  A. Pirozhkov,  M. Nishiuchi,  H. Kiriyama,  A. Kon,  H. Sakaki,  Y. Fukuda,  N. Dover,  K. Sekiguchi,  K. Nishitani,  A. Sagisaka,  T. A. Pikuz,  A. Ya. Faenov,  K. Ogura,  Y. Hayashi,  H. Kotaki,  T. Zh. Esirkepov,  K. Huang,  N. Nakanii,  Kiminori Kondo,  J. Koga,  Katsuya Kawachi, Proceedings of the 15th International Conference on X-Ray Lasers, 202, 135 - 142, (2018)
• “High-Order Harmonic Generation by Relativistic Plasma Singularities: The Driving Laser Requirements” Alexander Pirozhkov,  Esirkepov Timur,  T. A. Pikuz,  A, Ya. Faenov,  Koichi Ogura,  Y. Hayashi,  Hideyuki Kotaki,  E. N. Ragozin,  D. Neely,  Hiromitsu Kiriyama,  James Kevin Koga,  Yuuji Fukuda,  Akito Sagisaka,  Masaharu Nishikino,  Takashi Imazono,  Noboru Hasegawa,  Tetsuya Kawachi,  Hiroyuki Daido,  Yuta Kato,  S. V. Bulanov,  Kiminori Kondo,  Masaki Kando, Proceedings of the 15th International Conference on X-Ray Lasers, 202, 85 - 92, (2018)
• “The Observation of Transient Thin Film Structures During the Femto-Second Laser Ablation Process by Using the Soft X-Ray Laser Probe” 長谷川 登,  錦野 将元,  石野 雅彦,  N. Onishi,  A. M. Ito,  Y. Minami,  M. Baba,  A. Ya. Faenov,  N. Inogamov,  河内 哲哉,  近藤 公伯,  T. Suemoto, Proceedings of the 15th International Conference on X-Ray Lasers, 202, 273 - 278, (2018)
• ” Laser Requirements for High-Order Harmonic Generation by Relativistic Plasma Singularities” ピロジコフ アレキサンダー,  エシロケポフ ティムル,  T. A. Pikuz,  A. Ya. Faenov,  匂坂 明人,  小倉 浩一,  林 由紀雄,  小瀧 秀行,  E. N. Ragozin,  D. Neely,  コーガ ジェームズ,  福田 祐仁,  錦野 将元,  今園 孝志,  長谷川 登,  河内 哲哉,  大道 博行,  加藤 義章,  ブラノフ セルゲイ,  近藤 公伯,  桐山 博光,  神門 正城, Quantum Beam Science, 2(1), 7, (2018)
• “UV Harmonic Generation and Laser-Driven Proton Acceleration from Thin-Foil Target” Akito Sagisaka,  Alexander Pirozhkov,  Mamiko Nishiuchi,  Koichi Ogura,  Hironao Sakaki,  Anatoly Ya. Faenov,  Tatiana A. Pikuz,  Esirkepov Timur,  Sergey Bulanov,  Masaki Kando,  Hiromitsu Kiriyama,  Kiminori Kondo, The Review of Laser Engineering）, 46(3), 148 - 151, (2018)
• “The J-KAREN-P facility laser performance status” 桐山 博光,  西内 満美子,  ピロジコフ アレキサンダー,  福田 祐仁,  榊 泰直,  匂坂 明人,  ドーバー ニコラス ピーター,  近藤 康太郎,  小倉 浩一,  森 道昭,  宮坂 泰弘,  中新 信彦,  黄 開,  コーガ ジェームズ,  エシロケポフ ティムル,  神門 正城,  近藤 公伯, The Review of Laser Engineering, 46(3), 134 - 137, (2018)
• “Ion acceleration experiment with the high intensity, high contrast J-KAREN-P laser system” 西内 満美子,  桐山 博光,  榊 泰直,  ドーバー ニコラス ピーター,  近藤 康太郎,  宮原 巧,  コーガ ジェームズ,  ピロジコフ アレキサンダー,  匂坂 明人,  福田 祐仁,  小倉 浩一,  渡辺 幸信,  神門 正城,  近藤 公伯, The Review of Laser Engineering, 46(3), 145 - 147, (2018)
• “Development of Carbon-Ion Radiotherapy Facilities at NIRS” 岩田 佳之,  藤田 敬,  古川 卓司,  藤本 哲也,  原 洋介,  近藤 公伯,  水島 康太,  村上 健,  村松 正幸,  西内 満美子,  野田 悦夫,  野田 耕司,  榊 泰直,  早乙女 直也,  皿谷 有一,  佐藤 眞二,  白井 敏之,  丹正 亮平, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 28(3), 4400807, (2018)