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 （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

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 や中性子非破壊検査 、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。

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。

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。

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 」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。