高強度レーザー開発と粒子加速への応用�
Development of high intensity laser system and its application to particle acceleration 
量研関西研 1�○近藤�公伯 1 
KPST, QST 1, ○Kiminori Kondo1 
E-mail: kondo.kiminori@qst.go.jp 
レーザー応用の醍醐味は様々であるが、やはりパワーレーザーの時空コヒーレンスを高くする
ことで実現できる極高強度の光の利用は興味深い。 
技術の進歩は目覚ましく、達成できるピーク出力は、今や 4 PW（４千兆ワット）に達するもの
が論文発表されるに至っている。1999 年に Perry が核融合用の大型ガラスレーザーを CPA(Chirped 
Pulse Amplification)レーザーとして利用することで 1 PW の出力をシングルショットベースで達成
した時代は、はるか昔となり、1 PW は 10 Hz での繰り返し出射も可能になりつつある。先に記し
た 4 PW は 0.1 Hz の繰り返しで動作する。ここまで来ると PW レーザーで初めて起こせる物理現
象は、レーザーの信頼性を向上することで 10 年程度の近い将来に産業や医療にも実用化できるか
もしれない。 
本講演では、このようなピーク出力の大きな、すなわち高強度レーザー装置について、量研で
開発してきた J-KAREN-P レーザーを紹介しながら説明する。世界では、欧州 3 拠点で 10 PW の
レーザー施設が本格的な運用を開始すべく開発が進められており、中国では 100 PW 装置建設の
予算が決まった。 
一方、その応用として注目されているのは、レーザープラズマを利用した荷電粒子の加速技術
である。極短パルスレーザーを利用することで、レーザープラズマ中に空間的な電荷分離状態を
作り出し、そこに生じた強力な加速電界で荷電粒子を一気に加速する。レーザー加速には、電子
の加速と、粒子線、すなわちイオンの加速とではそのスキームが大きく異なる。電子は質量が小
さく、現在の技術では比較的容易に電子に対し相対論的な光強度で照射ができるため、電子プラ
ズマ波に波破砕を起こすことで光速近くの位相速度の電子プラズマ波に自己入射が可能となる。
これに対し、イオンは光速近くまで光で直接加速するのは困難なので、例えば固体薄膜裏面に上
述の電荷分離を発生し、一気に加速する。QST の J-KAREN-P レーザーを用いれば、集光強度 1022 
W/cm2 が薄膜ターゲット表面で実現でき、最大 54 
MeV の陽子線発生に成功している。また、炭素線
であれば核子あたり最大 12 MeV、すなわち 144 
MeV の加速が可能になっており、およそ 10 年後の
達成を目標に、図に示す第 5 世代重粒子線がん治療
装置「量子メス」の開発を目指している。 
な お 、 本 研 究 は 、 JST 未 来 社 会 創 造 事 業�
JPMJMI17A1 の支援を受けたものである。 
量子メス（第 5 世代重粒子線がん治療装置） 
第79回応用物理学会秋季学術講演会 講演予稿集 (2018 名古屋国際会議場 (愛知県名古屋市))18p-233-2 
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