2023 Fiscal Year Annual Research Report
A Long-life Cryogenic Laser Ion Source for Next Generation Heavy Ion Therapy Accelerators
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21H03838
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
長谷川 純 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (90302984)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高橋 一匡 長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (10707475)
高山 健 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, その他部局等, 名誉教授 (20163321)
田村 潤 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 J－PARCセンター, 研究職 (90647017)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | レーザーイオン源 / クライオ標的 / 炭素イオンビーム / レーザーアブレーション / 重粒子線治療 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度に引き続き，開発したクライオ標的レーザーイオン源に改良と原理実証実験を行なった．具体的な改良点は，従来のCO2ガスに代わりブタンガスを新たにクライオ標的の原料ガスに用いたこと，クライオヘッドを内包するガス閉じ込め室の構造を工夫しクライオ標的（ガス固化層）の一様性を改善したこと，長時間自動運転のためのPC制御システムを構築したこと，である．改良の結果，ブタンガスを昇華して形成した固化層のレーザーアブレーションにより，酸素等の不純物が極めて少ない高純度の炭素プラズマを生成できること，重粒子線がん治療用加速器で必要とされる5価および6価の炭素イオンを供給する十分な能力を有することを明らかにした．また，レーザー照射点に対するクライオ標的の位置を高精度で制御しながら連続的に変えることで，繰り返し率1Hzもと10時間の安定動作を実証した．
クライオ標的上に形成された固化層はレーザーアブレーションとそれに続く衝撃波による破砕によりレーザー照射点を中心に失われる．固化層の消失範囲の大きさやプラズマ供給量が，昇華層の厚さやレーザー集束条件，基板材質にどのように依存するかについても系統的に調査した．その結果．長焦点の集束レンズを用いることで，固化層の厚さの変化の影響を受けにくくなり安定なプラズマ供給が可能になること，また，固化層が厚くなると消失範囲は大きくなるが，厚さがあるしきい値を超えると固化層の破砕が生じなくなることを見出した．さらに基板としてタングステン等の高融点・高硬度の材料を用いることで，レーザーアブレーションに伴う基板損傷を大幅に軽減できることを明らかにした．繰り返し率やプラズマ供給安定性の向上といった課題を残すものの，上記の成果から，本研究で掲げた「再生可能なクライオ標的を用いた長寿命レーザーイオン源」のコンセプトは十分に実証されたと言える．
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| Research Progress Status |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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