| 研究課題/領域番号 |
21H03838
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分90130:医用システム関連
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
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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| 研究分担者 |
高橋 一匡 長岡技術科学大学, 工学研究科, 助教 (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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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
2023年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2022年度: 7,670千円 (直接経費: 5,900千円、間接経費: 1,770千円)
2021年度: 6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円)
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| キーワード | レーザーイオン源 / 凝結気体標的 / レーザーアブレーション / 高電離イオン / 重粒子線治療 / クライオ標的 / 炭素イオンビーム |
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| 研究開始時の研究の概要 |
重粒子線癌治療への世界的なニーズの高まりを受け，本研究では重粒子加速器システムの小型化および低コスト化を目指し，高電離炭素イオンの長時間安定供給が可能な「無限寿命・氷結気体標的レーザーイオン源」を開発する．液体窒素温度に保持されたクライオヘッド表面に炭素化合物の気体分子を凝結させた「氷結気体標的」に高強度レーザーを照射して完全電離炭素イオンを生成し加速器に供給する．これにより，従来型レーザーイオン源の連続運転時間を制約していた標的寿命の問題を解決し，レーザーイオン源の持つ優れた高電離炭素イオン供給能力を最大限に生かした安価で小型の次世代型重粒子線治療加速器の構築を可能にする．
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| 研究実績の概要 |
2022年度は、前年度に開発した原理実証用のクライオ標的レーザーイオン源試験装置を用いて、CO2ガスを昇華させて形成した固体標的へのレーザー照射実験を重点的に実施した。昇華層の厚さや形成速度をパラメータにして、レーザー照射により生成されたプラズマの特性、特に含まれる炭素イオンの生成量や価数分布の変化、クライドヘッド基板への影響等について詳細に調べた。CO2昇華層の厚さが増すと、昇華層のレーザーアブレーションに伴い発生する衝撃波によって破砕される氷結層の面積が増大すること、特に厚さが100μm程度を超えると、重力の作用も相まって、クライオヘッド表面の広範囲にわたって昇華層の欠損が生じることが分かった。昇華層が500μmよりも厚くなると、昇華層の表面のみがアブレーションされ、氷結層の破砕が生じない場合があることも明らかになった。また、昇華層の形成速度を早めると、同じ厚さの昇華層でもレーザー照射による破砕のされ方に違いが出ることも分かった。CO2ガスの供給流量を大きくして、短時間で形成した昇華層は比較的衝撃に対して脆い傾向が見られた。一方、レーザー照射による基板の損傷（クレーター）については、昇華層の厚さを増すと徐々に大きくなるが、50μm程度を超えると逆に軽減できることが分かった。この結果はレーザーピーニング効果が基板損傷において重要な役割を果たしていることを示唆している。現状は、熱伝導性の観点から、銅基板を使用しているが、より硬度の高いタンタルやタングステン等を基板として用いることで、ピーニング効果による基板損傷を低減できる見込みが得られた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
当初の計画では、2022年度にプロトタイプ機の設計製作を行う予定であったが、最適な昇華層形成条件を見出すための実験に大きく時間を割かれたため、設計の詳細が詰めきれていない状況である。200kVテストスタンドについては、必要な部品等の調達はすでに完了しているものの、構築はこれからである。以上の理由から、当初の計画より若干進捗が遅れていると評価した。
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| 今後の研究の推進方策 |
当研究開発の最終的な目標である10Hz動作可能なクライオ標的レーザーイオン源の実証を行うために、プロトタイプ機の設計・製作を行う。従来はCO2昇華層を用いてプラズマ生成を行ってきたが、不純物のより少ないプラズマを生成するためにブタンガスを代わりに用いて、高価数炭素イオンの生成実験を行う。製作したプロトタイプ機を200kV高電圧ターミナル上に設置し、炭素イオンビームの高繰り返し引き出し実験も行い、イオンビームの波形再現性やエミッタンスについて計測し、評価する。
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