2017年2月13日

本研究成果のポイント

・レーザーの光を使った粒子加速に、新しい手法を発見
・必要なレーザー強度が従来の100分の1に効率化、陽子を光速の25%まで加速することに成功
・粒子線がん治療などの医療応用や橋などのインフラの非破壊検査への応用に期待

概要

大阪大学レーザーエネルギー学研究センターの余語覚文(よご あきふみ)准教授、(兼)JST「さきがけ」研究 者らのグループは、レーザーの光を使って粒子を加速する新しい手法を発見し、必要なレーザー強度を従来の100 分の1に効率化しました。この技術は「粒子線がん治療」や「非破壊検査」への応用が期待されます。

強いレーザーの光を使えば、イオンなどの微小な粒子を加速することができます。しかしながら、イオンを1000万電子ボルト※1 (光速の15%)を超える非常に高いエネルギーまで加速するためには、極めて高い強度のレーザーが必要であるとされてきました。
今回、余語准教授らの研究グループは、粒子加速の効率を上昇させる「時間幅効果」の原理を発見し、イオンの 一種である陽子を、従来の研究例と比べて100分の1のレーザー強度で同等の効率(エネルギー:3300万電子ボルト)まで上昇させることに成功しました。
この成果は、「切らずに治すがん治療」である粒子線がん治療や、「橋などのインフラを透かして診断」する非破壊検査など、安全・安心に貢献する技術につながります。

本研究成果は、国際オンライン科学誌「Scientific Reports」に、2月13日(月)19時(日本時間)に公開されました。

図1
「時間幅効果」を用いた 加速エネルギー向上の成果 。従来の100分の1のレーザー強度で、同等の加速が可能になった

研究の背景

レーザーの光を極めて短い時間(およそ1兆分の1秒)に小さい領域(数10ミクロン)に集中させると、あらゆる物質が電子とイオンに分離した「プラズマ」になります。このレーザーの光でつくり出した高密度のプラズマからは、高エネルギーの粒子や光が発生します。特に、イオンを加速する技術は、粒子線がん治療※2 や中性子非破壊検査※3 、核融合の点火などに役立つと期待されています。しかしながら、以上に挙げた応用のためには、イオンを1000万~1億電子ボルトのエネルギーまで加速する必要があり、レーザー装置には極めて高い強度が要求されます。

研究の内容

今回、余語准教授らの研究グループは、プラズマの温度が時間と共に成長する「時間幅効果」の原理を発見しました。この原理では、プラズマの温度が従来の法則を超えて上昇するため、イオンの一種である陽子の加速に利用すると、加速エネルギーとして3300万電子ボルト(=33 MeV, 光速の25%に相当)を得ることができました。この結果は、従来ならば100倍のレーザー強度でなければ得られなかった成果(Robsonら Nature Physics Vol. 3, P58, 2007年)であり、レーザーによる粒子加速を、大幅に効率化することができました。

同研究グループは、髪の毛の太さ程度(およそ100 ミクロン=100分の1 センチ)の短い範囲に、3300万ボルトという極めて大きな電圧をつくり出すことに成功しています。

本研究成果が社会に与える影響(本研究成果の意義)

従来の「加速器」と呼ばれる粒子を加速する装置は、同等の加速エネルギーを得るために数メートル程度の長さが必要でした。今回の成果をさらに発展させれば、加速器を用いていた粒子線がん治療やインフラ非破壊検査の中性 子源などに、レーザーの応用が可能となり、社会の安全・安心に貢献する新基盤技術創生につながります。

特記事項

本研究成果は、ネイチャー・パブリッシング・グループのオンライン科学誌「Scientific Reports」 (http://www.nature.com/scientificreports)に2月13日付で掲載されました。
タイトル:“Boosting Laser-Ion Acceleration with Multi-Picosecond Pulses”
著者名:A. Yogo, K. Mima, N. Iwata et al.

本研究は、大阪大学レーザーエネルギー学研究センターの大出力レーザー「LFEX※4 」を用いた成果であり、大阪大学、量子科学技術研究開発機構、広島大学、光産業創成大学院大学、核融合科学研究所の共同研究として、JST・さきがけ「光の極限制御・積極利用と新分野開拓」、JST・研究成果最適展開支援プログラム「コンパクト中性子源とその産業応用に向けた基盤技術の構築」、日本学術振興会・科学研究費補助金、核融合科学研究所・双方向型共同研究、および大阪大学レーザーエネルギー学研究センター・共同利用研究からの支援のもと実施されました。

用語解説

※1 電子ボルト(eV)
エネルギーの単位の一つを指す。素電荷をもつ荷電粒子(イオンや電子など)が、1 Vの電位差を抵抗なしに通過すると1 eVのエネルギーを得る。

※2 粒子線がん治療
イオンを「加速器」によって光速の数百分の一から数分の一程度にまで加速した、「粒子線」を用いるがん治療法。体内に粒子線の一種である陽子または炭素を照射してがん細胞を破壊する。従来のエックス線などによる治療と違い、体の表面ではなく、病巣に近い場所で放射線量が最大となるため、高精度でがんの病巣のみを破壊することができる。身体機能の喪失や副作用といった人体の悪影響も少ない。現在、国内には15カ所の「加速器」による 粒子線がん治療施設がある。

※3 中性子非破壊検査
中性子は原子核を構成する粒子の一種。中性子はシリコンやカルシウムなどの元素を多く含む媒体に対する透過力が高く、比較的深部まで入り込むことができる一方で、水素、リチウム、ホウ素といった軽元素に対しての相互作用が強く、水や有機物などに感度が高い。この特性を利用して、コンクリート内の水分の有無や分布を測定する技術の開発が進められており、「加速器」からのイオンを用いて中性子を発生させて非破壊検査に利用する研究開発が、理化学研究所などで進められている。

※4 LFEX(エルフェックス)
短いパルスで高出力が得られるレーザー装置。一瞬(1兆分の1秒=1ピコ秒)ではあるが、世界中の総発電量をも上回る超高強度出力(2千兆 ワット=2 ペタワット)が得られる。これは、典型的な発電所(100万 キロワット)が発生する電力の200万基分に相当する。また、パルスのクリーンさを示す性能(パルスコントラスト)も世界有数であり、パルスの足元に発生してしまう余分な光(ノイズ光)を、パルスピークに対して10桁低く抑えること(10桁のパルスコントラスト)に成功している(平成27年7月21日に記者発表)。高出力レーザー装置 「LFEX」は日本の光技術の粋を結集した最先端装置であり、国内企業の技術競争力の向上に大きく寄与するとともに、世界的に高く評価されている。

参考URL

大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
http://www.ile.osaka-u.ac.jp/jp/index.html

この組織の他の研究を見る

Tag Cloud

back to top