～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～
総合理工学研究院
榊 泰直 客員教授
ポイント
・重粒子線がん治療装置の小型化のカギを握るレーザー加速技術はイオン数の不足が課題であった
・位相回転空胴の導入により、目的の速度のイオン個数を10倍増やすことに水素イオンで成功
・重粒子線がん治療１）の普及に役立つだけでなく、原子力材料の耐久性研究など幅広い応用にも期待
概要
量子科学技術研究開発機構（理事長 小安重夫、以下「QST2）」）関西光量子科学研究所（以下「関西研」）量子応用光学研究部、QST革新プロジェクト・量子メスプロジェクトの榊泰直上席研究員（九州大学 大学院総合理工学研究院 連携講座 客員教授を兼任）、小島完興主幹研究員らは、高エネルギー加速器研究機構（機構長 浅井祥仁、以下「KEK」）の諏訪田剛シニアフェロー、住友重機械工業株式会社（代表取締役社長 下村真司）、九州大学（総長 石橋達朗）、山形大学（学長 玉手英利）との共同研究にて、レーザーによって生成した高速のイオンをがん治療装置用に制御する技術を実証しました。
現在の先端がん治療装置には大規模な加速器を用いるため、治療装置全体が巨大にならざるを得ず、普及の妨げになっています。QSTは、既存の加速器をコンパクトなレーザー加速装置に置き換えることで治療装置の大幅な小型化を目指す「量子メスプロジェクト」を産学官連携にて進めており、このプロジェクトにて2023年には、レーザー加速イオン入射装置3）の原型機を世界で初めて完成させました。
重粒子線（炭素イオンなどの比較的重いイオン）を用いたがん治療では、速度の揃ったイオンを治療に必要な数だけ生成することが求められます。加速器と違いレーザー加速で生成したイオンは速度が不揃いであり、そのままでは重粒子線がん治療装置に導入することはできません。導入に最適な速度を持つイオン集団内の個数を増やす必要があるため、原型機にイオンの速度を目標値に整えるための「位相回転空胴4）」という装置を導入しました（下図）。この装置により、目標速度を持つイオン集団内の個数を最大で10倍程度増大させ、10 Hz運転すれば量子メス5）に必要な個数（109個）に到達する見込みを得ることができました。また、この制御にて、非常に短い時間（10億分の1秒、1ナノ秒）に多数のイオン（1平方センチメートルあたり1000万個）が集められているという事をリアルタイムで観測することにも成功しました。
この観測により、レーザーを照射するたびに生成されるイオン集団は、従来の加速器よりも非常に短い時間においてイオン個数が100倍以上高密度であることが実証され、今回開発した技術は量子メスに適用できるだけでなく、短い時間に大量にイオンや中性子が衝突するような原子力材料の脆化(ぜいか)過程において時間を追って調査する耐久性評価試験や、材料科学や生命科学などでの応用が期待できます。
今後、さらなる開発を通じて必要なデータを集め、量子メスの最終形の設計を進めていくとともに、産業応用への可能性も検討していきます。
本研究成果は2025年9月27日（土）（日本時間0：00）にReview of Scientific Instrumentsに掲載されました。本研究は、科学技術振興機構（JST）未来社会創造事業大規模プロジェクト型「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」（JPMJMI17A1）の支援を受けて行われました。
用語解説
1）重粒子線がん治療
炭素イオンなどを用いてがん細胞を死滅させる放射線治療。炭素イオンは鋭いブラッグピークと、少ない内部散乱の特徴を持ち、腫瘍への高い線量集中性を持っている。また、従来のX線よりも強い殺細胞効果も有する。これらの結果、正常組織へのダメージが少なく短期間で治療できるだけでなく、放射線の効果が期待できなかった腫瘍に対しても有効な治療になり得るため、高いQOL（Quality of Life：生活の質）が維持できる治療として近年、注目を集めている。
2）QST
2016年に放射線医学総合研究所（NIRS）と、日本原子力研究開発機構（JAEA）が担っていた一部の業務を統合して「国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構（QST）」が新たに設立された。QSTは、重粒子線がん治療や標的アイソトープ治療などの研究・臨床実績と、粒子加速器やレーザー技術などの先端量子科学技術、超伝導体などの先端材料技術の研究開発力を総合的に持つ組織である。
3）イオン入射装置
イオン入射装置は、炭素イオンをシンクロトロンへ入射するために必要なエネルギーまで予備的に加速する装置で、従来のシステムでは、イオン源と線型加速器で構成される。イオン源はメタンガスから炭素イオンを作り出す。線型加速器はRFQライナックとAPF IH-DTLから構成され、高周波電圧により炭素イオンを光の速度の約10 %にまで加速する。
4）位相回転空胴
レーザーによって加速されるイオンは、加速する瞬間に幅広いエネルギー分布（いろいろな速度でターゲットから飛び出す）を持ってテープ状のターゲットから飛び出す。この速度分布から目標とする特定の速さの成分を選び出し、かつその速さにイオンの数を集中させるために、イオンを1 mほど飛行させて速い速度のイオンから遅い速度のイオンという順に整列させたうえで、早い速度のイオンを遅く（減速）、遅い速度のイオンを速く（加速）するように時間的に変化する高周波電場をかけることで一定の速度（エネルギー）に揃える。加速・減速で速度を揃えることのできるイオンの範囲は位相回転空胴を通過する時間幅で決まるが、その幅をできるだけ長くできるように装置を最適化できれば、同じ速度のイオンの個数が大きく増大する。
5）量子メス
QSTでは「がん死ゼロ健康長寿社会」の実現に向けた研究プロジェクトを進めている。この目標を実現するためにプロジェクトの中核となるのが、高い治療効果が明らかになっている重粒子線がん治療装置の高性能化・小型化を目指す“量子メス”プロジェクトである。
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