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論文

Towards laser driven hadron cancer radiotherapy; A Review of progress

Ledingham, K.*; Bolton, P. R.*; 鹿園 直哉; Ma, C.-M.*

Applied Sciences (Internet), 4(3), p.402 - 443, 2014/09

 被引用回数:70 パーセンタイル:89.95(Chemistry, Multidisciplinary)

It has been known for about sixty years that proton and heavy ion therapy is a very powerful radiation procedure for treating tumors. It has an innate ability to irradiate tumors with greater doses and spatial selectivity compared with electron and photon therapy and, hence, is a tissue sparing procedure. For more than twenty years, powerful lasers have generated high energy beams of protons and heavy ions and it has, therefore, frequently been speculated that lasers could be used as an alternative to radiofrequency (RF) accelerators to produce the particle beams necessary for cancer therapy. The present paper reviews the progress made towards laser driven hadron cancer therapy and what has still to be accomplished to realize its inherent enormous potential.

論文

Instrumentation for diagnostics and control of laser-accelerated proton (ion) beams

Bolton, P.; Borghesi, M.*; Brenner, C.*; Carroll, D. C.*; De Martinis, C.*; Fiorini, F.*; Flacco, A.*; Floquet, V.*; Fuchs, J.*; Gallegos, P.*; et al.

Physica Medica; European Journal of Medical Physics, 30(3), p.255 - 270, 2014/05

 被引用回数:64 パーセンタイル:88.24(Radiology, Nuclear Medicine & Medical Imaging)

Suitable instrumentation for laser-accelerated proton (ion) beams is critical to the development of integrated, laser-driven ion accelerator systems. Instrumentation aimed at beam diagnostics and control must be applied to the driving laser pulse, the laser-plasma that it forms at the target and the emergent proton (ion) bunch in a correlated way to develop these novel accelerators. This report is a brief overview of established diagnostic techniques and new developments based on material presented at the first workshop on "Instrumentation for Diagnostics and Control of Laser-accelerated Proton (ion) Beams" in Abingdon, UK. It includes radiochromic film (RCF), image plate (IP), the micro-channel plate (MCP), the Thomson spectrometer, prompt inline scintillation, time and space-resolved interferometry (TASRI) and nuclear activation schemes. Repetition-rated instrumentation requirements for target metrology are also addressed.

論文

Correlation between laser accelerated MeV proton and electron beams using simple fluid model for target normal sheath acceleration

反保 元伸; 粟野 信哉*; Bolton, P.; 近藤 公伯; 三間 圀興*; 森 芳孝*; 中村 浩隆*; 中堤 基彰*; Stephens, R. B.*; 田中 和夫*; et al.

Physics of Plasmas, 17(7), p.073110_1 - 073110_5, 2010/07

 被引用回数:11 パーセンタイル:42.17(Physics, Fluids & Plasmas)

High density energetic electrons that are created by intense laser plasma interactions drive MeV proton acceleration. Correlations between accelerated MeV protons and electrons are experimentally investigated at laser intensities in the range, 10$$^{18}$$ - 10$$^{19}$$ W/cm$$^2$$ with $$S$$-polarization. Observed proton maximum energies are linearly proportional to the electron slope temperatures with a scaling coefficient of about 10. Experimental results also indicate that, in the context of the simple analytical fluid model for transverse normal sheath acceleration, the ion (proton) density is comparable to density of the hot electron cloud near the target rear surface if an empirical acceleration time is assumed.

論文

Generation of above 10$$^{10}$$ temporal contrast, above 10$$^{20}$$W/cm$$^2$$ peak intensity pulses at a 10 Hz repetition rate using an OPCPA preamplifier in a double CPA, Ti:sapphire laser system

桐山 博光; 森 道昭; 中井 善基; 下村 拓也; 田上 学*; 岡田 大; 近藤 修司; 金沢 修平; 匂坂 明人; 大東 出; et al.

AIP Conference Proceedings 1153, p.3 - 6, 2009/07

レーザー駆動粒子加速をはじめとした超高強度光利用研究を推進するために、高コントラスト・高強度レーザーシステムの整備を進めている。高コントラスト・高ピーク出力を両立させるため、前置増幅器に過飽和吸収体によりASEペデスタルを除去された高エネルギー・クリーンパルスをシード光とした光パラメトリックチャープパルス増幅器(OPCPA)、後段にチタンサファイアチャープパルス増幅器を用いたシステムを開発している。パルス幅1nsに伸張されたマイクロジュールの比較的高いエネルギーのシード光は、OPCPA前置増幅器により10mJまで増幅され、その後、チタンサファイア前置増幅器で300mJ、チタンサファイア主増幅器で3Jまで増幅される。チタンサファイア主増幅器では熱負荷を低減させるために、結晶は100Kまで冷却されている。この結果、メインパルス前のピコ秒の時間領域において10$$^{10}$$桁以上の高いコントラストを達成するとともに、放物面鏡で集光することにより10$$^{20}$$W/cm$$^2$$以上の高い集光強度を10Hzの繰り返し動作で得た。

論文

Ion acceleration in the interaction of short pulse laser radiation with the cluster-gas target

福田 祐仁; Faenov, A. Y.; 反保 元伸; Pikuz, T. A.*; 中村 龍史; 神門 正城; 林 由紀雄; 余語 覚文; 榊 泰直; 亀島 敬; et al.

AIP Conference Proceedings 1153, p.85 - 93, 2009/07

本研究では、ガスと固体との中間体であり、不連続媒質であるクラスターに着目し、高強度レーザーとクラスターターゲットとの高度に非線形な相互作用により生成する臨界密度近傍プラズマ中での磁場を介したイオン加速実験を行った。真空中でレーザーと相互作用するクラスターターゲットは、背景ガス(アンダーデンスプラズマを生成)とクラスター(オーバーデンスプラズマを生成)との混合体であるため、レーザーとクラスターターゲットのパラメータを適切にコントロールすることで、臨界密度近傍プラズマ"を自在に生成させることができる。われわれは、このクラスターターゲットを用いた実験により、レーザー光の"自己収束"による2$$sim$$3mm長のレーザー光ガイディングと10$$sim$$20MeV/nのイオン加速を実証した。

論文

精密に時間制御された高強度レーザーによるイオン加速

余語 覚文; 大道 博行; 森 道昭; 桐山 博光; Bulanov, S. V.; Bolton, P. R.; Esirkepov, T. Z.; 小倉 浩一; 匂坂 明人; 織茂 聡; et al.

レーザー研究, 37(6), p.449 - 454, 2009/06

パルス時間波形の高度に制御された1Hz繰返し運転可能なレーザーを用いて、密度の制御されたターゲットからの陽子線加速機構を検証した。実験の結果、高コントラストのレーザーを用いた、固体密度ターゲットを用いた陽子線加速では、エネルギーの安定した陽子線を再現性よく発生させることが可能となった。一方、臨界密度近傍に制御されたターゲットでは、ビームの高エネルギー成分が低エネルギー成分とは異なる方向に加速される結果を得た。計算機シミュレーションの結果、ターゲット裏面の磁場が陽子線加速電場を傾かせる効果をもつことが明らかになった。これをさらに発展させて、ターゲットの密度分布を高度に制御すれば、ビーム方向をエネルギーに応じてコントロールすることが可能になると考えられる。高強度レーザーの時間・空間制御技術の発展は、レーザー駆動粒子線の利用研究において、今後さらに重要な役割を担うことになるものと結論する。

論文

Focusing and spectral enhancement of a repetition-rated, laser-driven, divergent multi-MeV proton beam using permanent quadrupole magnets

西内 満美子; 大東 出; 池上 将弘; 大道 博行; 森 道昭; 織茂 聡; 小倉 浩一; 匂坂 明人; 余語 覚文; Pirozhkov, A. S.; et al.

Applied Physics Letters, 94(6), p.061107_1 - 061107_3, 2009/02

 被引用回数:54 パーセンタイル:87.07(Physics, Applied)

2.4MeVのレーザー駆動陽子線を永久四重極磁石で1Hzで収束させた。磁場勾配は、55T/m, 60T/mであった。陽子線は、ターゲットから650mmにおける2.7mm$$times$$8mmの大きさ(半値全幅)の領域に収束された。この結果は、モンテカルロシミュレーションとよく一致した。

論文

New method to measure the rise time of a fast pulse slicer for laser ion acceleration research

森 道昭; 余語 覚文; 桐山 博光; 西内 満美子; 小倉 浩一; 織茂 聡; Ma, J.*; 匂坂 明人; 金沢 修平; 近藤 修司; et al.

IEEE Transactions on Plasma Science, 36(4), p.1872 - 1877, 2008/08

 被引用回数:7 パーセンタイル:29.91(Physics, Fluids & Plasmas)

本グループでは、京都大学・電力中央研究所・GIST等と共同でレーザー駆動プロトンビームの利用に向け、レーザー・ターゲット双方からエネルギー/変換効率/Emittanceの最適化に関する研究を進めている。本論文はその研究の過程において開発したレーザー駆動高エネルギープロトンビーム発生におけるチャープパルスを用いた高速パルススライサー装置の新たな性能評価法と、その後に行ったイオン加速実験に関する結果をまとめたものである。この研究開発によって、新手法の有意性を明らかにするとともに、プレパルスの抑制により最大2.3MeVのプロトンビームの発生を実証しプレパルスがプロトンビームの高エネルギー化に重要な役割を果たすことを明らかにした。

口頭

Generating energetic protons with intense lasers for photo-medical applications

Bolton, P. R.

no journal, , 

The case is presented for proton therapy of malignant tumors. The advantages of laser-driven proton sources are given. The state-of-the-art for laser acceleration of protons is presented with scaling quantities that are important. Finally the Photo-Medical Research Center (PMRC) is described followed by a general summary.

口頭

レーザーとクラスターとの相互作用による量子ビーム発生

福田 祐仁; Faenov, A. Y.; Pikuz, T. A.*; 神門 正城; 小瀧 秀行; 大東 出; 林 由紀雄; 本間 隆之; 川瀬 啓悟; 亀島 敬; et al.

no journal, , 

X線による物質のイメージングは、医学,生物学,物質科学の分野で広く診断ツールとして用いられている。薄膜や生体物質のようなナノ構造体のイメージングを行う場合、サンプルが非常に"薄い"ため、透過性の強い硬X線を用いて高コントラスト像を得るのは困難である。一方、軟X線は、硬X線に比べ物質に吸収されやすい、及び、大きな位相差が得られるため、軟X線を用いたナノ構造体の位相差像の計測に適している。本研究では、高強度フェムト秒レーザーと二酸化炭素クラスターとの相互作用により発生した軟X線を線源とし、高ダイナミックレンジのフッ化リチウム結晶を軟X線検出器として用いることで、ナノ構造体(100nm厚Mo薄膜)の広視野(数ミリメートル領域)、かつ、高分解能(横方向分解能: 700nm,深さ方向分解能: 100nm)の"吸収差像"、及び、"位相差象"の取得に成功した。また、クラスターを含むプラズマを用いたレーザー電子加速研究では、クラスターからの電子注入という新たなメカニズムにより、約60MeVまでに加速された電子が観測された。現在、クラスターを含むプラズマを用いたイオン加速手法の開発に取り組んでいる。

口頭

Laser-driven proton accelerator development at the Photo-Medical Research Centre in Japan

Bolton, P. R.

no journal, , 

Proton and ion facilities for cancer treatment are rapidly being established around the globe. Energetic proton and ion yields from intense laser-plasma interactions have shown promise for the development of compact laser-driven hadron therapy facilities. Scaled laser system requirements for 200 MeV proton generation call for repetition rated PW power levels. The Japan Atomic Energy Agency (JAEA) has established the Photo-Medical Research Centre (PMRC) which brings together researchers from academic, national laboratory, industrial and medical communities. Our main goal at PMRC is to develop efficient laser-plasma-accelerated proton and ion beams that are suitable for many applications of which the primary one is hadron cancer therapy. PMRC will be introduced and our recent progress will be presented.

口頭

Ion acceleration in the interaction of short pulse laser radiation with the cluster-gas targets

福田 祐仁; Faenov, A. Y.; 反保 元伸; 余語 覚文; Pikuz, T. A.*; 神門 正城; 小瀧 秀行; 大東 出; 林 由紀雄; 川瀬 啓悟; et al.

no journal, , 

高強度レーザーとクラスターターゲットとの相互作用により生成した臨界密度近傍プラズマ中に置いて、3mm長の安定な自己収束を観測した。レーザー光進行方向に設置した固体飛跡検出器により、10MeV/nを越える高エネルギーイオンを観測した。

口頭

レーザー駆動陽子線によるヒトがん細胞への照射効果

余語 覚文; 佐藤 克俊*; 錦野 将元; 森 道昭; 手島 昭樹*; 沼崎 穂高*; 村上 昌雄*; 小倉 浩一; 匂坂 明人; 織茂 聡; et al.

no journal, , 

高強度レーザー-プラズマ相互作用を用いて、最大エネルギー約2.5MeVの陽子線を発生させ、これを培養状態(in-vitro)のヒト肺腺がん細胞に照射して、その生物学的効果を評価した。$$gamma$$H2AX免疫蛍光染色法によるDNA損傷評価を行った結果、陽子線20Gyを照射したサンプルに対して、DNA2本鎖切断の発生を示す結果を得た。講演では、レーザー駆動陽子線の特徴についても議論する。

口頭

レーザー駆動陽子線細胞照射装置の開発

余語 覚文; 佐藤 克俊*; 錦野 将元; 森 道昭; 手島 昭樹*; 沼崎 穂高*; 村上 昌雄*; 小倉 浩一; 匂坂 明人; 織茂 聡; et al.

no journal, , 

高強度レーザー駆動による、MeVエネルギー陽子線の細胞照射装置を開発した。レーザー駆動加速では、陽子線と同時に、X線,電子線が発生するため、照射装置は永久磁石による分別装置を備えている。また、生きた培養状態(in-vitro)の細胞に対して陽子線を照射するために、培養液の圧力を1気圧に保ったままの状態で細胞をカプセルに密封して、これを真空中に導入する装置を開発した。このほか、発表では20Gyのレーザー駆動陽子線を照射したヒト肺腺がん細胞の照射効果についても紹介する。

口頭

Toward integrated, laser-driven, ion accelerator systems for hadron therapy at PMRC

Bolton, P. R.; 堀 利彦; 榊 泰直; Sutherland, K.*; 鈴木 将之; Wu, J.*

no journal, , 

The science case for cancer treatment with hadron beams continues to be made as hadron treatment facilities are being developed around the globe with state-of-the-art accelerator technology. The promise of compact generation of energetic protons and ions from laser-plasma interactions, has made laser-driven hadron radiotherapy a subject of strong interest. Experimental proton yields suggest that scaled laser requirements for generating $$sim$$ 200 MeV protons call for repetition-rated PW class systems. Proton bunches with high peak current and ultralow emittance are typical of ultrafast laser-foil interactions. However, these bunches also exhibit large divergence and energy spread. Our challenge at PMRC is not only to use high power lasers to accelerate ions to energies appropriate for hadron therapy but, as importantly, to develop integrated, laser-driven, ion accelerator systems (ILDIAS) that demonstrate desired beam characteristics for such therapy. We will introduce PMRC and discuss some key issues associated with laser-driven ion accelerator development.

口頭

Toward integrated, laser-driven ion accelerator systems for hadron therapy at PMRC

Bolton, P. R.; 堀 利彦; 榊 泰直; Sutherland, K.*; 鈴木 将之; Wu, J.*

no journal, , 

The development of laser-driven proton/ion accelerators using intense laser drivers is now feasible especially at low particle energy. The promise of compactness and reduced cost also makes affordable many new applications. This talk summarizes our main application to hadron therapy of cancer but also presents concepts for beamline control and diagnostic requirements for proton irradiation of cancerous tissue.

口頭

レーザー駆動MeV級陽子線の実用化に向けた伝送; 四重極磁石による空間収束とエネルギースペクトルの準単色化

西内 満美子; 大東 出; 森 道昭; 織茂 聡; 小倉 浩一; 匂坂 明人; 榊 泰直; 堀 利彦; 余語 覚文; Pirozhkov, A. S.; et al.

no journal, , 

われわれのこれまでの研究から、フェムト秒テラワットレーザーと固体ターゲットとの相互作用により、エネルギーMeV級の陽子線を安定に繰り返し1Hzで生成することに成功してきた。生成される陽子線は、既存加速器からのビームと比べて低エミッタンスで、個数が10$$^{13}$$個以上である。しかしながら、約10度もの非常に大きな発散性を持ち、エネルギースペクトルがブロードであるという、実用上問題となる特徴もある。本研究では、レーザー駆動陽子線の実用化に向けて、永久四重極磁石を用いたレーザー駆動陽子線の伝送を行い、空間的な収束・エネルギースペクトルの準単色化に成功した。陽子線の収束点における空間分布、及びスペクトルの準単色化の様子は、空間電荷効果を無視したモンテカルロシミュレーションにより十分再現することがわかった。

口頭

Toward laser-driven proton therapy of cancer at PMRC in Japan

Bolton, P. R.

no journal, , 

Bolton-san will discuss the advancement of laser-driven proton acceleration applied to therapy of cancer. He will outline progress to date from laser-plasma experiments and specific challenges in the near future. Also, generic beamline design will be presented for candidate treatment facilities. Laser, targets and proton beamline optics requirements will be discussed. Exemplary dose distribution simulations will also be presented and an outline of the PMRC organization.

口頭

High intensity, high beam quality laser pulses with a double CPA, OPCPA/Ti:sapphire laser system for studying relativistic light-matter interactions

桐山 博光; 森 道昭; 中井 善基; 下村 拓也; 田上 学*; 岡田 大; 近藤 修司; 金沢 修平; 匂坂 明人; 大東 出; et al.

no journal, , 

チャープパルス増幅(CPA)法により高強度レーザー技術は著しく進展し、現在、相対論領域でのレーザーと物質との相互作用の実験的研究が可能となっている。最近、原子力機構において、60TW, 30fs, 10Hzで動作するJ-KARENレーザーを用いることにより、10$$^{10}$$桁以上の高いコントラスト、10$$^{20}$$W/cm$$^2$$以上の高い集光強度を達成した。ここでは、J-KARENレーザーのPWレベルへのアップグレードについて述べる。既存の60TW級J-KARENレーザーからの3Jのチャープパルスは50mm$$phi$$のビーム径にアップコリメーションされ、80mm$$phi$$の大口径チタンサファイア増幅器によりさらに増幅される。励起レーザーにはNd:ガラスレーザーの第二高調波光を用い、高信頼性,高安定性動作のために、回折光学素子を用いて空間パターンの均質化を行っている。圧縮前で30Jを超える高い増幅エネルギーを高いビーム品質で得た。本システムにより、再圧縮することにより、約500TW級の高いピーク強度のレーザーパルスがポテンシャルとして生成可能であることを確認した。

口頭

Recent advances on the J-KAREN laser upgrade

桐山 博光; 森 道昭; Pirozhkov, A. S.; 小倉 浩一; 西内 満美子; 神門 正城; 榊 泰直; 今 亮; 金崎 真聡; 田中 宏尭; et al.

no journal, , 

原子力機構関西光科学研究所では、ターゲット上で10$$^{22}$$W/cm$$^{2}$$と世界最高の集光強度を0.1Hzの高い繰り返し率で実現するため、既存の超高強度レーザーシステム(J-KARENレーザーシステム)のアップグレードを行っている。本アップグレードについて、世界の超高強度レーザーとその利用研究に携わる研究者が集まる国際会議(CLEO 2015)で報告する。講演では、システム設計、システムを構成するコンポーネントの評価、現在までの開発状況、及びスケジュールを含めた今後の展開について報告する。

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