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摘 要：研究小组在激光加速离子注入装置原型机中引入了一种名为“相位旋转空腔”的装置，用于将离子的速度调整到目标值。通过该装置，具有目标速度的离子数量最多可增加约10倍，若以10赫兹的频率运行，有望达到量子手术刀所需的数量（109个）。
关键词：激光加速器、量子手术刀、离子速度控制、日本QST、相位旋转空腔
要点
- 掌握重粒子束癌症治疗设备小型化关键的激光加速技术，面临着离子数量不足的课题
- 通过引入相位旋转空腔，利用氢离子成功将目标速度的离子数量增加了10倍
- 不仅有助于重粒子束癌症治疗的普及，还有望在核能材料耐久性研究等广泛领域得到应用
通过相位旋转空腔控制离子速度的装置示意图
本研究验证了一项技术，该技术可控制激光产生的高速离子，使其适用于癌症治疗设备。
目前的尖端癌症治疗设备中使用了大型加速器，导致整个治疗设备体积庞大，阻碍了其普及。日本量子科学技术研究开发机构（QST）正在通过产学研合作推进“量子手术刀项目”，旨在用紧凑的激光加速装置取代现有的加速器，从而大幅缩小治疗设备的体积。基于该项目，2023年世界上首台激光加速离子注入装置的原型机研制成功。
在使用重粒子束（如碳离子等相对较重的离子）的癌症治疗中，需要产生治疗所需数量且速度一致的离子。与加速器不同，激光加速产生的离子速度不一致，无法直接应用于重粒子束癌症治疗设备。由于需要增加具有最适合导入速度的离子数量，因此在原型机中引入了一种名为“相位旋转空腔”的装置，用于将离子的速度调整到目标值。通过该装置，具有目标速度的离子数量最多可增加约10倍，若以10赫兹的频率运行，有望达到量子手术刀所需的数量（109个）。此外，通过这种控制，还成功实时观测到在极短时间（1纳秒）内聚集了大量离子（每平方厘米1000万个）。
通过这次观测，证实了每次照射激光产生的离子群在极短时间内，密度比传统加速器高出100倍以上。此次开发的技术不仅可适用于量子手术刀，还有望用于对短时间内大量离子和中子碰撞等核材料脆化过程进行逐时调查的耐久性评估试验，以及材料科学和生命科学等领域。
今后，通过进一步开发收集必要的数据，推进量子手术刀最终形态的设计，并探讨其在产业应用方面的可能性。
