量子科学技術研究開発機構（理事長　小安重夫、以下「QST」）関西光量子科学研究所（以下「関西研」）量子応用光学研究部、QST革新プロジェクト・量子メスプロジェクトの榊泰直上席研究員（九州大学 大学院総合理工学研究院 連携講座　客員教授を兼任）、小島完興主幹研究員らは、高エネルギー加速器研究機構（機構長　浅井祥仁、以下「KEK」）の諏訪田剛シニアフェロー、住友重機械工業株式会社（代表取締役社長　下村真司）、九州大学（総長　石橋達朗）、山形大学（学長　玉手英利）との共同研究にて、レーザーによって生成した高速のイオンをがん治療装置用に制御する技術を実証しました。

現在の先端がん治療装置には大規模な加速器を用いるため、治療装置全体が巨大にならざるを得ず、普及の妨げになっています。QSTは、既存の加速器をコンパクトなレーザー加速装置に置き換えることで治療装置の大幅な小型化を目指す「量子メスプロジェクト」を産学官連携にて進めており、このプロジェクトにて2023年には、レーザー加速イオン入射装置の原型機を世界で初めて完成させました。

​重粒子線（炭素イオンなどの比較的重いイオン）を用いたがん治療では、速度の揃ったイオンを治療に必要な数だけ生成することが求められます。加速器と違いレーザー加速で生成したイオンは速度が不揃いであり、そのままでは重粒子線がん治療装置に導入することはできません。導入に最適な速度を持つイオン集団内の個数を増やす必要があるため、原型機にイオンの速度を目標値に整えるための「位相回転空胴」という装置を導入しました。この装置により、目標速度を持つイオン集団内の個数を最大で10倍程度増大させ、10 Hz運転すれば量子メスに必要な個数（10⁹個）に到達する見込みを得ることができました。また、この制御にて、非常に短い時間（10億分の1秒、1ナノ秒）に多数のイオン（1平方センチメートルあたり1000万個）が集められているという事をリアルタイムで観測することにも成功しました。

この観測により、レーザーを照射するたびに生成されるイオン集団は、従来の加速器よりも非常に短い時間においてイオン個数が100倍以上高密度であることが実証され、今回開発した技術は量子メスに適用できるだけでなく、短い時間に大量にイオンや中性子が衝突するような原子力材料の脆化過程において時間を追って調査する耐久性評価試験等、材料科学や生命科学等での応用が期待できます。今後、更なる開発を通じて必要なデータを集め、量子メスの最終形の設計を進めていくとともに、産業応用への可能性も検討していきます。

本研究成果は2025年9月27日（土）（日本時間0：00）にReview of Scientific Instrumentsに掲載されました。本研究は、科学技術振興機構（JST）未来社会創造事業大規模プロジェクト型「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」（JPMJMI17A1）の支援を受けて行われました。

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