成果報告書詳細
管理番号20110000001128
タイトル平成21年度~平成22年度成果報告書 SBIR技術革新事業/大強度レーザーイオン源の開発
公開日2011/7/28
報告書年度2009 - 2010
委託先名加速器エンジニアリング株式会社 株式会社トヤマ
プロジェクト番号P08015
部署名技術開発推進部
和文要約レーザーイオン源は1980年代よりロシアおよびヨーロッパ(CERN)において高エネルギー重イオン加速器のイオン源として精力的に開発が進められてきた。またこれらの技術を応用した直接プラズマ入射法(DPIS)は2000年より、岡村(BNL:当時理研)らによって研究が開始された。開発された炭酸ガスレーザーイオン源と東京工業大学のRFQ線形加速器を使用して原理実証実験が行われ、全ビーム電流で9mA、炭素4価ビームで3mAの加速に成功した。その後、新規に作成した大強度RFQと炭酸ガスレーザーイオン源ンの組み合わせで炭素4価ビームで38mAを、Nd:YAGレーザーイオン源との組み合わせで炭素6価ビームを17mA加速することにそれぞれ成功している。このようにレーザーイオン源を使った加速システム(DPIS)は原理実証が達成されているものの、装置の安定動作や基本構造に対して解決すべき課題は多い。本事業目的は、直接プラズマ法に用いるレーザーイオン源に関し、実用化を目指した際の課題の解決を図り、製品化、事業化の目処をつけることにある。本研究開発は、F/S(実証研究)およびR&D(開発研究)の2カ年に及ぶ計画として立案されていた。F/Sの研究ターゲットは、R&Dで製作する試験機の性能を机上検討のベースで担保することであり、要求性能を実現するために必要な基本仕様を策定し、それに基づいた機械図面の作成を実施した。また「事業化」を見据え、レーザーイオン源の炭素線がん治療装置への適用だけでなく、多価重イオンビームの産業応用について調査を実施した。達成できた成果として、引出電圧30 kV、ターゲット表面から1170 mmの位置での測定において、ピーク67 mA× 1 μsec×1 Hz、およびピーク60 mA×1 μsec×10 Hzを得ることができた。また、高繰り返し運転の際の懸念事項であった、真空度の悪化についても、排気コンダクタンスを意識した設計が効果を上げ、10Hzにおいても安定な運転を行うことができた。1カ月の治療装置運転に必要なレーザーショット数はおよそ24万ショットと見積もれる。今回の測定の結果、ショットあたり0.36度(1000ショット/回転)での運転でもビーム強度を維持することができることが分かった。この場合、ターゲット1個あたり20万ショットが可能となる。なお、さらなる微調整でターゲットあたり24万ショットの達成は容易に行われるものと考えている。ビームパルスごとの強度変化は、レーザー光源のQスイッチを用いて行った。全ビームでの観測を行う限り、測定前に懸念していた、Qスイッチを使用することによる、プラズマ状態の変動(ビームの不安定性)はほとんど観測されず、安定に強度の変更を行うことができた。ダイナミックレンジは現状4(強度最大から1/4程度まで)であるが、今後の微調整で10程度に広げることができると予想している。フルストリップである炭素の6価も観測されており、これは、本R&D機の基本性能の高さを裏付けるものであり、今後の性能向上にも大変に期待が持てるものとなっている。
英文要約Recently, applications of high charge-state, or fully-stripped, heavy ion beams are interested in both physics and industry. Especially, a cancer therapy with carbon ions is in the limelight as a promising heavy ion application. At present, popular ion sources to generate high charge-state heavy ion beams are an ECRIS and an EBIS. Through the growth of a laser technology, a laser ion source (LIS) has become one of the preferable sources to generate highly charged heavy ion beams. Therefore, LIS, which has an excellent performance as a heavy ion source, gradually takes the place of the conventional ones. In such situation, development of a high intensity laser induced ion source has been started in June 2009. The aim of the project is put a high performance laser ion source, which generate carbon beam current of 20mA with a pulse duration more than 1 ms, to practical use, focused on a heavy ion accelerator for cancer therapy.The test bench, which is just as important as the LIS itself, is used to measure various parameters of the laser plasma and the ion beam. It consists of the following components: a laser source, optical devices, a target chamber, an ion focusing system, diagnostic devices such as a Faraday cup, an electrostatic analyzer, and an ion detector. The test bench is approximately 1.2 m wide and 2.6 m long. We selected a Nd:YAG laser with a Gaussian-coupled resonator for our LIS. The laser beam is reflected from several multilayer dielectric mirrors and then enters the evacuated target chamber through a fused-silica vacuum window. A cylindrical graphite target was chosen to gain the target area irradiated by focused laser. The target size is 10cm high and 10cm in diameter, as it can be irradiated with up to 2×105 laser shots. It can be positioned with an accuracy of less than ±0.1 mm. The high-voltage deck is designed to withstand potentials of up to 50 kV. The measured laser performances are as follows; output laser energy and pulse width (FWHM) are 596 mJ and 9.69 ns, respectively, transmission efficiency through whole optical devices is 0.73. Power density on the graphite target is 3.92×1013 W/cm2 which is enough to generate intense plasma including higher charge-state ions. In the ion beam extraction at 30 kV, we have attained a peak current of 70 mA with a pulse width of 1 ms at a repetition frequency of 1 Hz, measured by the Faraday cup of 1.1 m apart from the graphite target. Repetition frequency can be increased up to 10 Hz and therefore intensed highly charge-state carbon ions are obtained stably. Fully stripped carbon ions are observed easily after the ion separation both magnetic and electrostatic force. Beam intensity canbe changed easily with a Q-switch.
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