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榊 泰直; 西内 満美子; 前田 祥太; 匂坂 明人; Pirozhkov, A. S.; Pikuz, T.; Faenov, A.*; 小倉 浩一; 深見 智代; 松川 兼也*; et al.
Review of Scientific Instruments, 85(2), p.02A705_1 - 02A705_4, 2014/02
被引用回数：2 パーセンタイル：11.24(Instruments & Instrumentation)高強度レーザーとプラズマの相互作用によるイオン発生において、電子特性の計測は不可欠である。そのため、様々な計測手法が提案されているが、今回我々は、光核中性子反応による中性子を計測することで、精度よく電子特性の計測を行う新規性の高い手法を提案する。この手法は、イオン加速エネルギー計測と共にピークパワー1
10
W/cm
のJ-KARENレーザーによって実証された。イオン加速エネルギーと本手法による計測結果は極めて相関をもつことがわかり、改良を重ねて行けば非常に良い計測器になり得ることがわかった。
余語 覚文; 佐藤 克俊; 錦野 将元; 前田 拓也*; 榊 泰直; 堀 利彦*; 小倉 浩一; 西内 満美子; 手島 昭樹*; 西村 博明*; et al.
Japanese Journal of Applied Physics, 50(10), p.106401_1 - 106401_7, 2011/10
被引用回数：8 パーセンタイル：34.67(Physics, Applied)To investigate the radiobiological effects of high dose rates that are attributed to high current, short bunch beam generation with laser-dreven ion acceleration, we have developed an experimental setup that uses laser-accelerated protons. 
human lung cancer cells: A549 pulmonary adenocarcinoma are irradiated with a laser-accelerated proton bunches with a duration of 
s and flux of 
cm
s
, amounting to single bunch absorbed dose at the 1 Gy level. The double-strand break (DSB) yield in cell DNA is analyzed for the laser-accelerated proton beam at an average LET of 41 keV/
m.
余語 覚文; 前田 拓也; 堀 利彦; 榊 泰直; 小倉 浩一; 西内 満美子; 匂坂 明人; Bolton, P.; 村上 昌雄*; 河西 俊一; et al.
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 653(1), p.189 - 192, 2011/10
被引用回数：9 パーセンタイル：57.01(Instruments & Instrumentation)We report on the development of quasi-monoenergetic proton irradiation system driven by laser and its application to radiobiological studies. Protons accelerated by 
W/cm
laser pulses are energy-selected by quadruple-dipole magnets (QDM) and delivered with an energy peak at 2.25 MeV and energy spread of 0.66 MeV on the full width at half maximum (FWHM). Cell survival ratio is measured with a colony formation assay for 
cell samples from human salivary grand tumor (HSG cells) after the proton irradiation up to 8 Gy with successive bunches having a dose rate of 
Gy/s. We report on the results of RBE (relative biological effectiveness) measurement, which is the first one for laser-accelerated ions.
余語 覚文; 前田 拓也*; 堀 利彦*; 榊 泰直; 小倉 浩一; 西内 満美子; 匂坂 明人; Bolton, P.; 村上 昌雄*; 河西 俊一*; et al.
Proceedings of SPIE Europe Optics + Optoelectronics 2011, Vol.8079, 8 Pages, 2011/04
Human cancer cells are irradiated by laser-driven quasi-monoenergetic protons. Laser pulse intensities at the 
W/cm level provide the source and acceleration field for protons that are subsequently transported by four energy-selective dipole magnets. The transport line delivers 2.25 MeV protons with an energy spread of 0.66 MeV and a bunch duration of 20 ns. The survival fraction of in-vitro cells from a human salivary gland tumor is measured with a colony formation assay following proton irradiation at dose levels up to 8 Gy, for which the single bunch does rate is 
Gy/s and the effective dose rate is 0.2 Gy/s for 1-Hz repetition of irradiation. Relative biological effectiveness at the 10% survival fraction is measured to be 
using protons with a linear energy transfer of 
keV/m.
余語 覚文; 前田 拓也; 堀 利彦; 榊 泰直; 小倉 浩一; 西内 満美子; 匂坂 明人; 桐山 博光; 岡田 大; 金沢 修平; et al.
Applied Physics Letters, 98(5), p.053701_1 - 053701_3, 2011/02
被引用回数：97 パーセンタイル：94.23(Physics, Applied)Human cancer cells are irradiated by laser-driven quasi-monoenergetic protons. Laser pulse intensities at the W/cm level provide the source and acceleration field for protons that are subsequently transported by four energy-selective dipole magnets. The transport line delivers 2.25 MeV protons with an energy spread of 0.66 MeV and a bunch duration of 20 ns. The survival fraction of in-vitro cells from a human salivary gland tumor is measured with a colony formation assay following proton irradiation at dose levels up to 8 Gy, for which the single bunch does rate is Gy/s and the effective dose rate is 0.2 Gy/s for 1-Hz repetition of irradiation. Relative biological effectiveness at the 10% survival fraction is measured to be using protons with a linear energy transfer of 17.1 keV/m.
榊 泰直; 西内 満美子; 堀 利彦; Bolton, P.; 余語 覚文; 小倉 浩一; 匂坂 明人; Pirozhkov, A. S.; 織茂 聡; 近藤 公伯; et al.
Proceedings of 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (DVD-ROM), p.312 - 315, 2010/08
原子力機構・関西光科学研究所(関西研)では、文部科学省の「先端融合領域イノベーション創出拠点の形成プロジェクト」に採択され、平成19年度より「レーザー駆動型粒子線治療装置」の実用化を目指している。このプロジェクトは、高強度・短パルスのレーザーによる、従来のRF加速よりも高い100GeV/mという電界勾配を利用した加速手法にて、既存のシンクロトロン型粒子線治療装置を小型化するというものである。そこでレーザー駆動型粒子線に対して、これまで単体性能試験が行われた位相回転空洞,PMQ及び偏向電磁石を組合せたプロトタイプビーム輸送系を開発し、PARMILAを用いて空間電荷効果評価を行い装置の標準設計手法の確立を目指した。
西内 満美子; 榊 泰直; 堀 利彦; Bolton, P.; 小倉 浩一; 匂坂 明人; 余語 覚文; 森 道昭; 織茂 聡; Pirozhkov, A. S.; et al.
Physical Review Special Topics; Accelerators and Beams, 13(7), p.071304_1 - 071304_7, 2010/07
被引用回数：25 パーセンタイル：79.43(Physics, Nuclear)1.9MeVレーザー駆動陽子線のビームライン中に伝送した。ビームラインは、PMQ, RF cavity,monochrometerからなり、伝送の様子をPARMILAのシミュレーションによって再現した。このような試みは世界初のことである。ビームラインの最終端において、6nsのバンチ幅を道、5%のエネルギースプレッドを持つビームが10%の効率で検出された。この様子はPARMILAにより再現でき、PARMILAコードがレーザー駆動陽子線のビームラインの構築に使用できることを証明した。
西内 満美子; 榊 泰直; 堀 利彦; Bolton, P.; 小倉 浩一; 匂坂 明人; 余語 覚文; 森 道昭; 織茂 聡; Pirozhkov, A. S.; et al.
Proceedings of 1st International Particle Accelerator Conference (IPAC '10) (Internet), p.88 - 90, 2010/05
レーザー駆動陽子線の研究の発展により、加速器の小型化が期待されるようになってきている。ここでは、日本原子力研究開発機構、関西光科学研究所内のPMRCセンターにおけるレーザー駆動陽子線加速器開発の現状について述べる。われわれは、医療用のレーザー駆動陽子線加速器開発の一環として、レーザー駆動陽子線のトランスポートラインを構築し、伝送実験を行った。
新村 信雄; 茶竹 俊行; 栗原 和男; 前田 満
Cell Biochemistry and Biophysics, 40(3), p.351 - 369, 2004/06
被引用回数：24 パーセンタイル：25.29(Biochemistry & Molecular Biology)本論文は、中性子構造生物学に関するレビュー論文である。中性子回折は、タンパク質中の水素の位置を直接観察できる実験的手段である。われわれは、高分解能の生物物質用中性子回折装置(BIX-type)を原研に設置した。最大1.5オングストローム分解能で、タンパク質の結晶構造解析が可能であり、本論文では、これらの回折装置で得られたタンパク質中の水素・水和構造の興味深い結果を紹介した。
上原 和也; 前田 満; 津島 晴*; 雨宮 宏*
Journal of the Physical Society of Japan, 72(1), p.94 - 100, 2003/01
被引用回数：2 パーセンタイル：21.42(Physics, Multidisciplinary)周辺プラズマの輸送モデルについての研究の集大成である。トカマクの周辺プラズマにおける磁気面に垂直な輸送が、粒子保存則及びエネルギー保存則を用いて評価される。従来のモデルに電離と荷電変換による損失項を加えさらに温度勾配による輸送への寄与を含めて精密化した。シースポテンシャルで加速される粒子束を含んだ、連続長についての詳細な考察もAppendixに含めた。得られた表式により、JFT-2Mの静電プローブで測定されている実験値を代入して、輸送係数を評価した。
上原 和也; 前田 満; 津島 晴*; 雨宮 宏*
Contributions to Plasma Physics (CD-ROM), 42(2-4), p.384 - 388, 2002/04
実験的に得られているトカマク周辺のプラズマパラメーターから電子及びイオンの粒子拡散係数D
,D
や熱拡散係数
,を求めるためのスクレイプオフ層の輸送モデルをさらに発展させ、より精密なものにした。粒子保存の式とエネルギー保存の式が解かれ、今まで無視していた電離と荷電交換損失によるソース項も正確に取り入れた。D
と(j=e,i)は磁力線に沿った結合長L,イオン温度T
,電子温度T
,密度と温度勾配の減衰長
,
,
それにマッハ数Mの関数として表現される。JFT-2Mの静電プローブ類でこれらのデータは得られているので、Dやが正確に求められる。評価の一例として、JFT-2Mで得られているT/T=2
6,M=0.060.2のパラメーターでは
D
DD
という結果が得られた。ただし、D
とは測定点におけるボーム拡散係数と新古典論に基づく拡散係数である。
前田 満; 藤原 悟; 米澤 康滋*; 新村 信雄
Journal of the Physical Society of Japan, Vol.70, Supplement A, p.403 - 405, 2001/05
タンパク質の機能、安定性を明らかにするためには、異なったpHでのタンパク質におけるアミノ酸のプロトネーションの状態を知ることが重要である。この問題に答えるために、異なったpHにおけるニワトリ卵白リゾチームの中性子結晶構造解析を行っている。本研究においては、pH4.9のニワトリ卵白リゾチームの中性子回折実験を日本原子力研究所の生体物質用中性子回折計(BIX-II)において行った。pH4.9のニワトリ卵白リゾチームの中性子結晶構造解析により、酵素活性部位において、グルタミン酸35(Glu35)のカルボキシル基に1つの水素がプロトン化され、アスパラギン酸52(Asp52)のカルボキシル基には、プロトン化されていなかった。この結果は、リゾチームの触媒機構のモデルと一致した。
前田 満*; 上原 和也; 雨宮 宏*
Japanese Journal of Applied Physics, Part 1, 38(5A), p.2971 - 2972, 1999/05
被引用回数：4 パーセンタイル：23.78(Physics, Applied)トカマク周辺プラズマの流れ(マッハ数)の測定方法を拡張する研究を行った。従来、流れの測定にはマッハプローブが用いられているものの、電子温度≧イオン温度の仮定のもとで、マッハ数を求めることが一般的であった。しかし、近年JFT-2MやTEXTORにおいて、イオンプローブを用いた周辺プラズマの測定では、イオン温度電子温度の結果が得られている。本研究においては、これらの点に鑑み、非対称ダブルプローブと、マッハプローブから構成されるプローブを製作して測定を行った。イオン温度と電子温度は非対称ダブルプローブを用いて、マッハ数はマッハプローブの平板が磁力線に平行になった位相での両電極の飽和電流比にイオン温度/電子温度の比を考慮して求めた。その結果、より正確なマッハ数が求められる測定方法が可能となった。
前田 満*; 上原 和也; 雨宮 宏*
Japanese Journal of Applied Physics, Part 1, 36(11), p.6992 - 6993, 1997/11
被引用回数：6 パーセンタイル：36.78(Physics, Applied)トカマクプラズマの輸送の解明には、周辺プラズマのイオンの振る舞いや流れが重要な鍵を握ると言われている。そのような観点から、周辺プラズマのイオン温度に関する情報と流れの情報を同時に計測することは重要である。今回、非対称ダブルプローブ法を拡張させることにより周辺プラズマのイオン温度とプラズマの流れを同時に計測できるようにした。イオン温度は非対称円筒ダブルプローブを磁場中で回転させ、プローブ円筒軸が磁力線に平行になった位相での両電極のイオン飽和電流の比からイオン温度を求める。プラズマの流れは位相が垂直になった場合のデータを解析することによって求める。このようなイオン温度とプラズマの流れの同時計測は今後周辺プラズマの解明に役立つものと考えられる。
前田 満*; 上原 和也; 雨宮 宏*
Proc. of 24th European Physical Society Conf. on Controlled Fusion and Plasma Physics, 21A, p.709 - 712, 1997/00
トカマク周辺領域では、プラズマ輸送に対してイオン温度は重要な因子となる。われわれはこれまでJFT-2Mにおいて、おもに非対称ダブルプローブ法により周辺プラズマの温度計測を行ってきた結果、イオン温度が電子温度よりも上回ることを明らかにした。本方法は、非対称ダブルプローブを磁場中で回転させプローブ円筒軸が磁力線に平行になった位相での両電極のイオン飽和電流の比からイオン温度を求めるものである。今回、位相が垂直になった場合のデータを解析することによって、周辺プラズマのイオンの流れに関する知見が得られ、プラズマ流速の計測にも適用範囲を拡張できた。このようなプラズマの流れはその程度に依存してイオン輸送や周辺プラズマに影響を与えることが予想され、周辺プラズマの解明に役立つものと考えられる。
西内 満美子; 榊 泰直; 堀 利彦; Bolton, P.; 小倉 浩一; 余語 覚文; Pirozhkov, A. S.; 匂坂 明人; 織茂 聡; 森 道昭; et al.
no journal, ,
医療用レーザー駆動陽子線加速器の実現には、(1)レーザー,(2)陽子線源,(3)ビーム伝送・照射系の開発が必要である。本講演では、(3)「ビーム伝送・照射系の開発」の項目における現状報告を行う。レーザー駆動陽子線は、既存加速器におけるビームとは全く異なる特徴:短パルス・超高電流・低エミッタンスを持つ。これらの類稀なパラメータを活かした加速器を設計するには、既存の加速器において使用されている伝送・照射系をそのまま適応するのではなく、固有の設計をする必要がある。設計のためには信頼のおける粒子線伝送コードが必要不可欠であるが、レーザー駆動陽子線に対するベンチマーク済みの粒子線伝送コードは存在しない。そこでわれわれは、J-PARCの設計にも用いられている汎用粒子コードPARMILAを選択、ベンチマーク実験のためのテストビームラインを設計、ベンチマーク実験を行った。原子力機構関西光科学研究所におけるJ-KARENレーザーを用いて2.0MeVのレーザー駆動陽子線を1Hzで安定に発生させ、テストビームラインに導いた。陽子源において100%のエネルギー広がりを持ち半角10度以上の広がり角を持って発生する陽子線を永久四重極磁石からなる収束系で空間的に収束、さらに位相回転空洞と偏向電磁石によって2.0MeV付近にバンチングさせ単色化を行い収束点へ導き、空間分布と時間波形を計測した。結果はPARMILAによるシミュレーションと非常によく一致し、PARMILAコードがレーザー駆動陽子線に対しても適応可能であり、実機の設計に使用可能であることを示す。
余語 覚文; 西内 満美子; 榊 泰直; 堀 利彦; 佐藤 克俊; 錦野 将元; 前田 拓也; 森 道昭; 小倉 浩一; 織茂 聡; et al.
no journal, ,
高強度・短パルスのレーザーを用いたイオン加速は、1MV/mに及ぶ急峻な電場勾配を発生するため、従来のイオン加速器を大幅に小型化する技術として注目されている。レーザー駆動イオン加速装置の特徴の1つとして、シンクロトロンなど通常のがん治療に使われている加速器と比較して、高電流・短時間幅のイオンビームを発生することが挙げられる。将来的に、レーザー駆動加速装置が治療に用いられることを想定して、前述のような特徴を持つレーザー駆動陽子線の生物学的効果を、実験的に究明する必要がある。この目的のために、レーザー駆動による陽子線の細胞照射装置を開発し、生物学的影響を評価する実験を開始した。照射装置の開発の現状と、ヒト由来のがん細胞に対して照射実験を行った結果について報告する。
余語 覚文; 佐藤 克俊; 錦野 将元; 前田 拓也; 西内 満美子; 榊 泰直; 堀 利彦; 森 道昭; 小倉 浩一; 織茂 聡; et al.
no journal, ,
レーザー駆動加速装置が治療に用いられることを想定して、レーザー駆動による陽子線を用いた細胞生物学実験を実施した。実験では、機構のJ-KAREN装置からの超短パルスレーザー(パルス幅:40fs,エネルギー:1.8J,中心波長:800nm)を510
W/cmの集光強度で厚さ12.5mのポリイミド薄膜に照射し、最大エネルギー4MeVの連続スペクトルを持つ陽子線を発生させ、磁場分析器でエネルギーを選別した後、薄膜窓を介して培養状態のヒト肺腺がん細胞株に照射した。陽子線バンチの時間幅は20ns、ビームフラックスは10
cms、1バンチによる吸収線量は約1Gyであった。この結果、吸収線量あたりの2本鎖切断収量を測定して、生物効果を示す指標である、生物学的効果比(RBE: Relative Biological Effectiveness)を、レーザー駆動粒子線として初めて評価することができた。
榊 泰直; 西内 満美子; 堀 利彦; 近藤 公伯; 小倉 浩一; 余語 覚文; 匂坂 明人; 織茂 聡; 森 道昭; 反保 元伸; et al.
no journal, ,
原子力機構では、JSTプログラム「先端融合領域イノベーション創出拠点の形成」の支援を受け、レーザー駆動型粒子線治療器を早期に商用化レベルまで実現するべく研究開発拠点を確立している。粒子線治療器の早期実現には、レーザー駆動型イオン生成のエネルギーを医療応用可能なレベルまで向上させる必要性が最も最優先されることではあるが、この治療器が先行するシンクロトロン型治療器の市場の中に入り込むためにはレーザー駆動型イオンの特性が活かせる治療系の開発も並行して進めていかねばならない。そこでわれわれは、原子力機構J-KARENレーザーを用いて、2.0MeV陽子線プロトタイプ輸送系を構築し、レーザー駆動型陽子線の輸送特性計測及び解析を行った。
Bolton, P.; 阿部 光幸*; 赤城 卓*; Nuesslin, F.*; 堀 利彦; 岩下 芳久*; 河西 俊一; 近藤 公伯; 前田 拓也; Molls, M.*; et al.
no journal, ,
The rapid advancement of high power laser technology combined with laser-accelerated ion yields from intense laser-plasma interactions sustains a strong interest in the development of integrated laser-driven ion accelerator systems (ILDIAS) that can be used for laser-driven ion beam radiotherapy (L-IBRT). A prime motivation is the promise of significantly reduced size and cost that would afford much greater patient access. Bunch duration of several nanoseconds and high peak current (with a low duty factor) make laser-driven ion irradiation unique. En route to a compact laser-driven "clinical" radiotherapeutic facility it is essential to develop multipurpose "preclinical" or test beamlines that can be used for (1) testing suitable transport optics, diagnostics and control instrumentation, (2) medical and radiobiological studies at the cellular level and in tissue to validate the radiobiological effectiveness of laser-driven ion beam radiotherapy and (3) applications to nonmedical science and technology. Preclinical and clinical beamline development calls for delivering proton energies near 50 MeV and at least 80 MeV respectively with beam energy spread and dose accuracy at one to few percent levels. Control instrumentation and diagnostics capable of single bunch resolution at required repetition rates will be essential to verify and optimize ILDIAS machine performance and capability. In the context of L-IBRT we will discuss the ILDIAS concept as well as beam delivery and instrumentation requirements.
