【注目ニュース】イオンビームで世界最高速…量研機構などが高速の50％を達成した意義

2024年5月19日 07:39

発表日：2024年5月13日

みなさんこんにちは。【注目ニュース】では、最近発表された半導体関連のニュースの中から、専門家が厳選してお届けします。通勤・通学時間、始業前などにぜひチェックしてみてください。

概要

量子科学技術研究開発機構の西内満美子上席研究員らとドイツのドレスデンヘルムホルツ研究所、英インペリアルカレッジロンドンの国際共同研究グループは、レーザー光によるイオンビーム発生で世界最高速度となる光速の約50％を達成しました。

この成果により、大規模な加速器を使わずレーザー技術のみでがん治療に必要な速度のイオンビーム発生が期待でき、超小型の粒子線がん治療装置の実現につながるとされています。成果は英科学誌ネイチャー・フィジックス電子版に13日掲載されました。

研究グループは、レーザー光の条件を最適化し、イオンを多段階で加速させる手法で実験を行いました。第1段階ではレーザー光を照射した薄膜の前面でイオン群が加速され、第2段階では薄膜の裏面側に残ったイオン群が自ら作る電場によりさらに加速が進みます。そして第3段階では、先に加速したイオン群が後から生成したイオン群との反発力でさらに加速されます。

この実験にはドレスデンヘルムホルツ研究所の出力約20ジュールの「Dracoレーザー」が用いられ、これまでの世界最高記録だった光速の約40％を更新しました。

粒子線がん治療は大規模な加速器と専用の建物が必要で、普及を妨げる要因の一つとされています。この新技術の実現により、より多くの医療施設で粒子線がん治療が利用可能になることが見込まれています。

解説

日本では毎年約100万人のがん患者が新たに発生し、30万人以上ががんで亡くなっています。重粒子線がん治療は患者の身体負担が小さく、治癒後の社会復帰が容易なため、QOLの観点から注目されています。しかし、適用患者数に対し治療できる患者は8％程度であり、治療装置の小型化と普及が望まれています。QSTではレーザー技術を活用した”量子メス”と呼ばれる次世代の小型重粒子線がん治療装置の開発を進めています。

粒子線がん治療は、患者の身体の外側から体内深部にあるがん細胞に向けて高速の陽子や炭素イオンなどのイオンビームを照射し、がん細胞を死滅させる治療法です。

その治療装置には大規模な加速器と専用の建物が必要であり、これが粒子線がん治療装置の普及を妨げる要因の１つとされています。加速器の大幅な小型化を可能とする技術として、高強度のレーザーを利用して高速のイオンを発生する「レーザーイオン加速」があり、その技術の高度化が、がん治療装置の大幅な小型化を実現し、その結果として治療の普及につながると期待されています。

そのため、世界中の研究機関が過去四半世紀の間に世界最大規模のレーザー施設を活用して多くのイオン加速実験を実施してきました。しかしながら、これまで光速の40%を超えるイオンビームは発生できておらず、がん治療への応用の障害となっていました。

今回、レーザー光の条件（時間波形）を最適化することで多段階のイオン加速を実現した結果、世界最高速度に当たる光速の50%のイオンビームを、～20ミクロンメートル程度の領域で発生させることに初めて成功したというのが、このニュースのポイントです。

本研究結果をさらに進展させることで、陽子を治療に必要な速度に相当する光速の55%に加速する原理実証を目指すとのことです。さらに将来的には、炭素イオンを治療に必要な速度に当たる、光速の73%まで加速することを目指し、その先にある超小型の重粒子線がん治療装置の実現につなげるとのことです。

世界におけるレーザーを用いた陽子線加速の最大エネルギー。赤丸は大型のシングルショットレーザー（右下写真が一例）による結果。青丸は比較的小型の・繰り返しの効くレーザー（右上写真が一例）による結果（引用元）

参考文献

よろしければサポートもよろしくお願いいたします．頂いたサポートは主に今後の書評執筆用のために使わせていただきます！