Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 1-3, 2017, Sapporo, Japan

PASJ2017 WEP115

RI ビームがん治療用 ISOL システムに用いる 1 価イオン源のイオン生成効率
ION PRODUCTION EFFICIENCY OF SINGLY CHARGED ION SOURCE FORHEAVY-ION CANCER THERAPY WITH RADIOACTIVE IONS
片桐 健，野田 章，涌井崇志，北條 悟，白井 敏之，野田耕司
量子科学技術研究開発機構 放射線医学総合研究所

Ken Katagiri,∗ Akira Noda, Kotaro Nagatsu, Takashi Wakui, and Koji Noda
QST/NIRS

Abstract
Ion production efficiency of an electron impact singly charged ion source (SCIS) has been investigated. The SCIS
has been developed to be employed for an ISOL (Isotope Separation On-Line) system, which provides 11 C ions totreatment rooms for heavy-ion cancer therapy simultaneously with real-time verification of an irradiation field using
PET (Positron Emission Tomography). To provide sufficient 11 C ions to the treatment rooms, the SCIS has to realize
ionization efficiency of 1% for production of singly charged 11 C ions. In previous work, the SCIS was designed basedon particle in cell simulation [1]. With the fabricated SCIS, we measured the ion production efficiency for CO+2 ion
production from CO2 molecules and that for C+ ion production from CH4 ions. We found that the SCIS achieved theefficiency of εC+ = 5×10−3 (0.5%) for the C+ production, and εCO+ = 5.5×10−2 (5.5%) for CO+
2 production [2].
2

はじめにz

11C Ion Production SystemTo
HIMAC

11C4/5+ ~ 1010

∆T ~ 100 µs↑GoalParameters

ChargeBreeder
Ion Source:
C+ →C4+/5+MS

11C1+~ 1011

∆T ~ 10 ms

1%xCMPS

SinglyChargedIon Source

Separator:ℇsep  ~ 111C mol.~ 1013

∆T ~ 10 msProtonIrradiation
Target:NC-11~1013

11C mol.~ 1013

∆T ~ 20 min

ProtonBeams

SmallCYC.

∆T ~ 20 min
18 MeV, ~18 µA
protonFigure 1: One of the possible schemes for 11 C ion production.
∗ katagiri.ken@qst.go.jp

e-e-Direction

B+2a+Anodee-se

Hot Cathode

個の 11 C イオンの生成 · 加速を目指して ISOL システムの開発を進めている．この ISOL システムは，小型サ放射線医学総合研究所の HIMAC 加速器を用いた重イクロトロン，11 C 分子生成分離装置 (CMPS)，1 価イ粒子線治療は，1994 年の治療開始から今年で 23 年目をオン源 (SCIS) と荷電増幅用 EBIS イオン源から構成さ迎え，10,000 人以上もの患者に治療が適用されてきたれる．CMPS では，ターゲットにプロトン照射を行い，[3]．より高精度な治療照射を行う為に，細い炭素ビー生成された 11 C 分子と混入した不純物分子の分離を行
ムでがんの病巣を塗りつぶすように照射を行うスキャう．この CMPS の特徴は，混入する不純物量を可能なニング照射法による治療が 2011 年より開始された [4]．
限り低減するために，プロトン照射から分離プロセス
さらなる高精度化のために，照射野をリアルタイムにまでを真空中で行うことである．そのため，プロトン検証する技術の実現が期待されている．現在治療に用い照射のターゲットは固体である必要がある．これまで12ている安定核の C ビームの代わりに，陽電子放出核に，固体のホウ素化合物を照射ターゲットとして用い，11である C ビームを用いることができれば，体内でのプロトン照射 (18 MeV，18 µA) を 20 分間照射するこ
停止位置から放出される消滅 γ 線を PET 装置により測とにより，'5×1012 個の 11 CH4 分子を効率的に生成 ·定することで，随時ビーム位置を検出することができ，回収できることが明らかになった [5]．また，CMPS のその結果として，リアルタイムに照射野を検証すること分離性能評価実験も行われ，不純物と混合した CH4 分が可能となる．我々は，この重粒子線治療のための照射野検証技術の実現のために，Isotope Separation On-Line(ISOL) 法により 11 C ビーム生成し，HIMAC で加速し1+ Ion Source(a)治療室へと供給することを検討している．この計画の概念図を Fig. 1 に示す．HIMAC シンクロトロンにおけSolenoid
る一度の入射-加速-供給シーケンスにて，109 個の 11 C
GasInlet
イオンを治療室に供給することを想定すると，上流のDrift Tube
イオン源からは 1010 個の供給が必要となる．この 1010
Ion-extraction

1.

+Einzele-⟶MSL⟵
CMPS

PullerElectron RepellerV(b)V=0

Vca VeVaccsFigure 2: (a)Schematic diagram of the prototype 1+ ion
source. (b)Voltage distribution of the ion source.

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VacuumChamber

Solenoid
Gas Inlet

Cathode:Vacc

0V(Puller) VEinz

Partition!

ElectronRepeller: Vacc!!10mm0V

EinzelAnode: Vacc + Vca
Holder:
Vacc

Drift Tube:
Vacc + Vcd

L ! 70mm

Figure 3: Assembled SCIS.
子を高い効率で回収 · 取出しできることが明らかになった [6]．
このような進展のもとに，次のステップとして CMPSの下流に置かれる 1 価イオン源の開発を進めてきた．この 1 価イオン源には，(1) 限られた 11 C 分子の生成量から要求量を賄うために高いイオン化効率であること (∼1%，Fig. 1)，また (2) 後段に EBIS イオン源を用いるために高い真空度で動作可能であることが要求される．これらの理由から，イオン源は電子ビームを用いた電子衝撃型とした．この 1 価イオン源の模式図を Fig. 2 に示
す．熱陰極から取り出された電子は，ドリフトチューブに入射する．1 価イオンの生成効率を上げるために，電子ビームのエネルギーが 1 価イオンへのイオン化断面積のピークに近い EEB ∼100 eV となるように，ドリフトチューブの電位を設定する．イオン生成効率を向上させるためには，ドリフトチューブ内の実効電子電流を増加させる必要が有る．そのために，ドリフトチューブを通過した電子ビームは，電子リペラーにて反射されて，再度ドリフトチューブを通過する．これらのドリフトチューブを運動する電子によって，1 価イオンは生成される．
この SCIS により高いイオン生成効率を得ることを目指して，電子ビーム · 取り出しイオンビームの軌道をPIC 法によるシミュレーションで解析し，その結果をもとに内部電極形状の検討 · 設計が行われた [1]．今回，この SCIS を製作し，非放射性の 12 CH4 ガス，12 CO2 ガスを用いて，1 価イオンである 12 C+ ，及び 12 CO+2 の生成効率の測定を行ったので報告する．

一般的な Pierce 型とは異なった形状となっている．これまでの実験 · シミュレーションの両結果では，P =20 µA/V3/2 ものパービアンスを得られることが確認できている [1]．陰極-陽極間の電位差は Vca = 500 V であり，陰極-ドリフトチューブ間の電位差は Vcd = 400 Vである．陰極-陽極間の電位差を陰極-ドリフトチューブ間のものより少し高めにすることで，引き出し電子電流の向上を狙うと共に，カソードへのイオンの流れを防ぐ．ソレノイドにより，軸方向に磁場が印加される．
軸上の中心における最大の磁場強度は 0.1 T である．ソレノイドの中心から軸方向に離れるに従って磁場強度が低下するために，ドリフトチューブを通過する電子ビームの径は広がる．この径の変化に合わせて，ドリフトチューブの内径を広げている．電子ビームは電子リペラーによって反射され，再びカソード側に進んで行く．電子リペラのさらに下流には，引き出し電極が備わる．引き出されたビームは，Einzel レンズにより収束されて，下流のドリフトチェンバーへと輸送される．
Figure 4 は SCIS を駆動する電源システムである．陰Holder

EinzelCathodeAnodePuller
RFSR

2.

R1

Vca

方法!TEB

Figure 3 はシミュレーションによって設計された SCISである [1, 2]．陰極には，バリウム含浸型ディスペンサーカソードを用いている．パービアンスの向上を狙って，陰極-陽極間距離を 3 mm まで狭めたため，電子銃として- 1194 -ElectronRepeller

Drift TubeVaccVcd

R2

R1 ! R2

Figure 4: Circuit of SCIS.

RProceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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L1 ! 660

Analyzing
Magnet

SCIS

=250

Gas
Inlet

R

CMPS

BA
Gauge
TMP

Mass
Flow
Controller

Horizontal
Slit

L2 ! 590

Isolated

最終的にファラデーカップに到達する．ファラデーカップに流れる電流を 1 MΩ の終端抵抗により，高速データロガー (YOKOGAWA, SL1000) により測定を行った．
なお，Figure 5 のシステムには，別の目的で製作された分析電磁石を流用しており，SCIS から得られるビームに対して M/q = 43 (11 CO2 ) と M/q = 44 (12 CO2 ) の分
離には十分な質量分解能を持たない．実際の ISOL システムを構築する際には専用の質量分析システムの製作を行う．

3.

結果

Figure 6 に CH4 分子を供給して生成されたイオンの価数分布を示す．CH4 分子は，流量 R = 4.5×1014 s−1で供給した．また，イオンの加速電圧は Vacc = 4.0 kVGasFaradayCylinderである．この価数分布の測定は，分析電磁石の磁場強Cup度を増加させながら，パルス運転により得られた波形Proﬁleを収集することで行っている．残留ガスの影響を考慮Monitorに入れるために，バックグランド測定も行っている．こ(3-wires)のバックグランド測定は，マスフローコントローラー
Figure 5: SCIS and mass separation systemの上流のバルブを閉じ，マスフローコントローラー内部のバルブを全開にすることで行っている．質量分解+能が十分でないために，特に CH+4 (M/q = 16) と CH3極-陽極間にはパルス電圧 (∆TEB ∼ 10–100 ms) が印加 (M/q = 15) のスペクトルは完全に分離できていない. こされ，熱陰極からはパルス化された電子ビームがドリ のように，隣接するスペクトルの寄与を考慮に入れるフトチューブに供給される．ドリフトチューブ内で電 ために，得られた価数分布の波形を 5 つのガウス関数
子ビームにより生成されたイオンは，加速電圧 Vacc = によりフィットした．この結果により，C+ スペクトル2–4 kV で引き出される．電子ビームはパルス化されて の波高に関するフィッティングエラーは 6%程度であり，いるので，取り出されたイオンもパルスイオンビーム CH+ スペクトルの C+ スペクトルに及ぼす影響は十分となる．に小さいことが判明した．また，このフィッティングにFigure 5 は，荷電分布の測定に用いた質量分析系であ より，C+ の生成効率は εC+ = 5×10−3 (0.5%) であることが分かった．この結果は，ISOL システムにおいて，る．今回，イオン生成効率の測定は，12 CO2 及び 12 CH414 −1−3ガスを用いて行った．R ≥ 4.5 × 10 s (1×10 sccm) この SCIS により 11 CH4 分子から 11 C+ イオンの生成をの流量で定量化が行えるマスフローコントローラー 行う場合には，プロトン照射により生成される 11 CH4(LINTEC, MC-3102L) を用いて，SCIS へ供給する分子 分子の量を 2×1013 にまで増やす必要があることを示す数の定量化を行った．SCIS により生成されたイオンは， (Fig. 2)．
分析電磁石と水平方向スリットにより質量分析されて，Figure 7 に CO2 分子を供給して生成されたイオ
Valve

VerticalSlit-25.5G10-24.8G10-35G10-39G10

Figure 6: Charge state distribution and the production efficiency of C+ ions from CH4 molecules. The ion acceleration voltage was Vacc = 4.0 kV.

Figure 7: Charge state distribution and the production effi++ciency of CO+
2 , CO , and C ions from CO2 molecules.
The ion acceleration voltage was Vacc = 4.0 kV.

- 1195 -Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 1-3, 2017, Sapporo, JapanPASJ2017 WEP115ンの価数分布を示す．CO2 分子の流量は同様に R =4.5×1014 s−1 である．測定の方法は，Fig. 6 と同様である．CO2 分子からの CO+= 5.5×10−22 の生成では，εCO+2(5.5%) もの効率を得ることができた．この効率は，想定していた 1%(Fig. 2) よりも 5 倍程度大きいために，このSCIS により 11 CO2 分子から 11 CO+2 イオンの生成行う
ことで，後段の荷電増幅器に要求される効率を 10%から 2%程度にまで下げることが可能となる．

4.

結論

今回開発した SCIS により CH4 分子から C+ イオンの生成を行う場合には，εC+ = 5×10−3 (0.5%)，CO2 分子から CO+= 5.5×10−22 イオンの生成行う場合には εCO+2(5.5%) もの効率を得られることが実験により明らかになった．この結果より，11 CH4 分子から 11 C+ イオンの生成を行う場合には，プロトン照射により生成される 11 CH4 分子の量を 2×1013 にまで増やす必要があり，一方で 11 CO2 分子から 11 CO+2 イオンの生成行う場合には，後段の荷電増幅器に要求される効率を 10%から2%程度にまで下げることが可能となる．
現在，Figure 5 に示す分析系には，スリットとワイヤースキャナーからなるエミッタンスモニターが備えられている．このシステムを用いて，今後エミッタンスの評価を行う予定である．また，放医研サイクロト
ロン施設の RI 照射ポートにて，プロトン照射によりオンラインで 11 C の 1 価イオンを生成する実験の準備を現在進めている．来年度早々にこのオンライン実験が開始される予定である．

謝辞
本研究は，公益財団法人三菱財団の助成により行われたものです．

参考文献[1] K. Katagiri et al., Singly charged ion source designed
using three-dimensional particle-in-cell method , submitted
to Rev. Sci. Instrum..
[2] K. Katagiri et al., ”Ion production efficiency of singlycharged ion source for radioactive carbon ion production”,
to be submitted.
[3] K. Noda et al., Nucl. Instrum. And Meth. B, 6 (2014) 331.
[4] T. Furukawa et al., Med. Phys., 37 (2010) 5672.
[5] K. Katagiri, K. Nagatsu et al., Rev. Sci. Instrum., 85 (2014)
02C305.
[6] K. Katagiri, A. Noda et al., Rev. Sci. Instrum., 86 (2015)
123303-1-7.

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