Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

TEST BEAM-LINE FOR LASER-DRIVEN PROTON THERAPY
H.Sakaki # A), M.Nishiuchi A), T. Hori A), P. Bolton A), A. Yogo A), K. Ogura A), A. Sagisaka A), A. S. Pirozhkov A),
S. Orimo A), K. Kondo A), H. Kiriyama A), H. Okada A), S. Kanazawa A), S. Kondo A), T. Shimomura A), M. Tanoue A),
Y. Nakai A), H. Sasao A), D. Wakai A), H. Souda B), A. Noda B), Y. Iseki C), T. Yoshiyuki C), T. Nagafuchi C), K.Maeda C),
and K. Hanawa C)A)
JAEA, 8-1-7 Umemi-dai, Kizugawa, Kyoto, 619-0215, JapanB)
Kyoto University, Gokasho, Uji, Kyoto, 611-0011, JapanC)
TOSHIBA Corp., 1-1-1, Shibaura, Minatoku, Tokyo, 105-8001, Japan

Abstract
The beam transport test is carried out through the test beam line of the laser-driven proton accelerator which consistsof the phase rotation cavity, PMQ, and bending magnet. The laser system used is J-KAREN at JAEA. The final
transmitted bunch duration and transverse profile are well predicted by the PARMILA particle transport code byassuming relatively low initial current of the proton beam. The most probable explanation for this is the space charge
neutralization by the laser-plasma-electrons.

レーザー駆動型粒子線装置のための陽子線プロトタイプ輸送系の開発
ることで特定のエネルギー領域にピークを形成、利用できる粒子数を増加させることに成功している [4]。
原子力機構・関西光科学研究所（関西研）では、 また、レーザー駆動型粒子線のビーム発散角は、全文部科学省の『先端融合領域イノベーション創出拠 幅で 10 度を超える様な拡がりを有するが、これに点の形成プロジェクト』に採択され、平成 19 年度 対しても 4 極永久磁石(PMQ)を用いてビーム収束を[5]
より「レーザー駆動型粒子線治療装置」の実用化を させることに成功している 。このようにレーザー目指している。このプロジェクトは、高強度・短パ 駆動型粒子線に対して各要素の単体機能評価は順次
ルスのレーザーによる、従来の RF 加速よりも高い 成功しているが、医療用装置として実用化するには100GeV/m という電界勾配を利用した加速手法[1-3]に これらの要素を複合的に組み合わせ、医療に最適なて、既存のシンクロトロン型粒子線治療装置を小型 ビームを提供出来るようにしなければならない。また、それら装置はベンチマーク評価が実施された化するというものである。
これまで、レーザー駆動型粒子線の特徴を計測す コードを用いて標準設計手法が確立され、設計通りると共に、レーザー駆動型粒子線を応用する際に問 のビーム仕様が達成されて医療用として安心・安全題となる点の解決のための技術的手法を試してきた。 なものとなっていなければならない。
そこでレーザー駆動型粒子線に対して、これまで例えば、レーザー駆動粒子線は、エネルギー広がり単体性能試験が行われた位相回転空洞、PMQおよがブロードで分布する上に、エネルギーの増加ととび偏向電磁石を組み合わせたプロトタイプビーム輸
もに指数関数的に粒子数が減少するという特徴があ[6]
り、このビームに位相回転空洞による RF を印加す 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。

1. はじめに5000

Energy spread (1sigma)

4000

0.711 MeV

Particle counts
粒子数[1.29%@55MeV]

3000

2000

1000001020304050607080

Energy (MeV)

図 1：レーザー駆動型粒子線治療装置の概念図および、PARMILA で求められた患部でのビーム仕様。
____________________________________________#sakaki.hironao@jaea.go.jp-312-Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

2. レーザー駆動型治療装置の概念設計
装置を小型化するには、生成されたレーザー駆動粒子線が発生した直後から、治療に最適なビームとなり、つまり磁石などの複数のコンポーネントを介すことなく患者にそのまま照射できるのが理想である。しかし、現状観測されている高強度レーザーを用いた加速イオンビームの特徴は [7]、ブロードエネルギーで、エミッタンスは小さいが非常に大きな発散角を持つため、レーザー駆動型粒子線をビーム加工せずして治療に用いるということは出来ない。
そのため、治療装置概念設計を行うに当たってはレーザー駆動型粒子線を治療に最適な形になるように磁場を用いて整形することを考えた。この概念設計計算は、PARMILA にインプットとして、将来的に達成されるレーザー駆動型粒子線のビーム特徴を模擬した粒子(80MeV ピークでブロードエネルギー、発散角±5 度、エミッタンス～0.01mm-mrad、粒子数 109個)を自作ソフトウエアで発生させて用いた。

図１に概念設計で考えられたレーザー駆動型治療器と、ビーム輸送系で治療用に切り出されたビームを示す [8]。治療装置は、レーザー本体と治療用ガントリ含めて約 20m 程度のサイズとなっている。このビーム輸送系で治療エネルギー55MeV、ビームサ
イズ 0.114mmφが切り出され、目のメラノーマ治療を模擬したビーム条件を満足出来ることが得られた。

たく評価が行われておらず、本手法が将来の標準的な設計手法として位置づけられるものではない。そこで、我々は関西研 J-KAREN レーザー（630mJ、波長 800nm、45 フェムト秒）を 12.5μm 厚さのポリイミドターゲットに照射することで、最大エネル
ギー約 2.5MeV の陽子線を発生させて、これまでに特性計測が行われた位相回転空洞、PMQ を組み合わせることで PARMILA コードのベンチマーク評価を行うことにした[9]。
3.1 プロトタイプ輸送系の構成
図 2 に PARMILA を評価するために構築されプロトタイプ輸送系を示す。レーザーは、照射部に置かれたポリイミド薄膜に対して、45 度入射で照射される。そして、照射点から下流に向かって
55T/m(50mm 長)・40T/m(50mm 長)・60T/m(20mm 長)の PMQ トリプレットを配置し発散角を抑えられる。
その下流に 80MHz で 115kV の位相回転空洞を置いて、ビーム数増加のためのバンチングを行う。最後に、偏向電磁石とその直後に 2cm 幅の x 方向スリッ
トを置き 1.9MeV 陽子を準単色化してビームを弁別する。ビームは、図 2 の上図の(a)(b)(c)点で、シンチレータを用いた TOF スペクトロメータ固体飛跡検出器(CR39)にて、エネルギーとビーム形状が診断されるという構成になっている。

2.5x107

3. プロトタイプ輸送系の構築(b)

Proton/MeV/msr/shot

前章で行われた概念設計は、あくまで現状得られているビーム仕様ではなく、将来的にビームが高エネルギーになったと仮定して PARMILA で計算されたものである。よって、実際のビームを用いてまっ(a)2.0x1071.5x1071.0x1075.0x1060.0

偏向磁石
陽子線PMQ
トリプレット位相回転空洞1.0

レーザービーム1.5

2.0

2.5

3.0

Energy [MeV]i) 図２(a)点での準単色化前スペクトル(5 ショット)(c)

2.5x107

照射点
Proton/MeV/msr/shot

2.0x107レーザー

1.5x1071.0x1075.0x106

0.0

陽子線

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Energy [MeV]ii) 図２ (b)点での準単色化後スペクトル(5 ショット)

図 2：関西研に設置された 2.0MeV 級陽子ビームライン。

図 3：TOF 計測されたプロトタイプ輸送系を通過した後の陽子ビームエネルギースペクトルの安定度。
-313-

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3.2 ビームの安定度
図 3 に、図 2 の(a)(b)で TOF 計測されたエネル
ギースペクトルを示す。i)は、PMQ トリプレットを入れ位相回転空洞と偏向磁石を OFF した状態で直線的にビームを(a)まで輸送したスペクトル、ii)
は PMQ トリプレットを入れ位相回転空洞、偏向磁石ともに ON にした状態のスペクトルである。
レーザー駆動型は、レーザーの安定度がそのままビーム安定度になっている。しかし、位相回転空洞や偏向磁石を用いると、安定化されたビームだけが効率的に切り出され見かけ上の安定度が確保されている。
図 5：図 2 の(b)において蛍光膜モニタによって観測3.3 横方向ビーム形状
PMQ トリプレットを通過させた後、アルミ厚さ された横方向形状。
でコントロールするエネルギーフィルターを付けた CR39 で 横 方 向 ビ ー ム 収 束 状 況 を 計 測 し 、回転空洞、偏向電磁石を通過させて蛍光膜モニタ
PARMILA の計算結果と比較した。
で観測した結果である。（a）は位相回転空洞に RF
図 4 に、レーザー照射点から 650mm、750mm、 を入れ、(b)は RF を OFF している。また、図中850mm、950mm と距離を変えた地点にて CR39 で計 (c)(d)は、蛍光膜モニタ観測地点と同じところでの測されたビーム形状結果(写真)と、PARMILA の計 PRMILA での計算結果である。(a)(b)に対応させ、算結果(グラフィカル)を示す。レーザー駆動型粒子 (c)が RF ON で、(d)が RF OFF である。位相回転空線は 100％といえるエネルギー幅を持つために、今 胴のギャップ間電場の動径方向成分による発散効果
回はエネルギーフィルターを使って、0.9MeV と の影響 [10]により、RF ON の場合の方がビームの輪1.9MeV のエネルギーのビーム形状を観測している。 郭が不明瞭となっている。よって、RF 効果につい0.9MeV では縦長形状、1.9MeV では横長形状であ て、PARMILA モデル(SUPERFISH のデータを利用)ることわかる。エミッタンスが小さいために、観測 は適切なモデルであると考える。
された収束ビーム幅は極めて狭いことが見てとれる。

図 6：図 2 の(b)において TOF 計測された陽子ビームエネルギースペクトル(左)と、PARMILA から求められたビーム時間幅(右)。

図 4：図 2(c)点(照射点から 650mm~950mm)でアルミ製エネルギーフィルター付 CR39 にて計測された、ビーム収束形状と、PARMILA によるビーム形状比較。

3.4 縦方向ビーム形状
図 6 には、PMQ トリプレットを通過させ位相回転空洞 ON、偏向電磁石 ON とした場合の図 2 の(b)点で計測された TOF のデータと PARMILA の計算結果を示す。図 5(a)は、PARMILA の計算結果にTOF 計測で用いているシンチレータと光電子増倍管の回路定数を考慮した値（○）とオシロスコープで計測された TOF の生データを表示している。また
図 5(b)は、(a)で考慮された TOF の回路定数を考慮せず PARMILA の計算結果を横軸時間にして表示したものである。

次に、図 2(b)点における横方向ビーム形状を図 5に示す。図中の(a)、(b)は PMQ トリプレット、位相-314-

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4.

6. 謝辞

空間電荷についての議論

イオンビームは電子ビームと比較して空間電荷効
ビーム計測に用いた、蛍光膜モニタは原子力機構果の影響を受け易いために、空間電荷によるビーム J-PARC センターの片桐政樹氏が快く提供してくだ形状の変化の評価が必要となる。今回のビームライ さった中性子計測用高機能蛍光物質を用いて開発さンでは PMQ トリプレットの入り口部分で 1.9MeV れた。また、予備実験の際にビーム位置を計測するのビームピーク電流は、計測されたビーム時間と 際に用いた多芯比例係数型位置モニタは、原子力機ビーム個数から求めれば約 52mA となる。この値を 構先端基礎研究センターの西尾勝久氏、J－PARC
PARMILA の初期データとして計算すると、全く計センターの石山達也氏の協力にて開発した。それら測結果とビーム形状が一致せず、PRMILA シミュの計測装置が無ければ本実験の成功は無かった。まレーションの結果は、空間電荷の影響で発散方向にた、原子力機構 J-PARC センターの池上雅紀氏、長大きくずれる。
実測のビーム形状と、PRMILA シミュレーション 谷川和男氏には、PARMILA の計算に関してご相談の形状を一致させるには、PARMILA の入力電流値 させていただいた。ここに敬意を表す。
を 1/10 の『~5.0mA』にしなければ形状および透過
本研究は、文部科学省の科学技術振興調整費『先率が一致してこない。なお、0.0mA（零）のビーム[9]
端融合領域イノベーション創出拠点の形成プロジェ
形状は、5.0mA と変わらない程度の差であった 。
このことから、レーザー駆動型粒子線においては、 クト』に平成 19 年度採択された「光医療産業バ発生点からビーム輸送中において空間電荷効果の影 レー」の研究開発の一環として行われた。
響がほとんど見られないという特徴があると考える。
この原因は、レーザーショット時に起こる、プラズマ状態という電荷中性化状態、つまり「ショット 参考文献時に生成される大量の電子」により、空間電荷中性化がビーム加速後にも何らかのメカニズムで維持さ [1] A. P. Fews et al., Phys. Rev. Lett. 73, 1801 (1994)
れ、エミッタンスが良いままビームが輸送されてい [2] F. N. Beg et al., Phys. Plasmas 4, 447 (1997).
くという状況を生み出しているように推測される。 [3] R. A. Snavely et al., Phys. Rev. Lett. 85, 2945, (2000).
なお、発散角はレーザーショット直後に電子によっ[4] S. Nakamura et al., Jpn. J. Appl. Phys. 46 L717 (2006).て作られる加速電場の電場形状によって発生してい[5] M. Nishiuchi et al., Appl. Phys. Lett., 94, 061107
ることが、ターゲットの物理的構造を変えることで(2009).
発散角が抑制されるということから確かめられてい
[11]
[6]
H.
Takeda , 2005, Parmila LANL (LA-UR-98-4478).
る 。つまり、レーザー駆動型粒子線は、｢空間電[7]M.
Nishiuchi et al., Phys. Plasmas 15, 053104 (2008).
荷中性化により空間電荷の影響を受けず、初期エ[8]
H.Sakaki,et al.,PAC09, TU6PFP009, (2009).
ミッタンスは極めて良い(発散角は悪い)ビームが発[9] M. Nishiuchi, et al., Phys. Rev. ST-AB., 13, 071304
生している｣といえる。
(2010).
[10] M, Ikegami et al., Phys. Rev. ST-AB., 12, 063501
5. まとめ(2009).
[11]
P. K. Patel et al., Phys. Rev. Lett. 91, 125004 (2003).
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 トリプレットおよび偏向電磁石を組み合わせたプロトタイプビーム輸送系を組み上げて、標準設計手法の確立を目指し、ビーム横方向形状および縦方向形状を計測し空間電荷効果を PARMILA に評価した。
その結果、初期電流量を 5mA という実際の陽子個数から考えると 1/10 の電流量でシミュレーションしなければビーム形状の一致が難しいということが判った。これはレーザー照射で陽子と同時発生する電子群の影響で、空間電荷中性化が長時間維持されビーム形状が悪化しないためと推測する。
今後は、空間電荷中性化のメカニズムと、その効果を定量的に表現し、レーザー駆動型粒子線のビーム輸送系の設計方法を明確にしていきたいと考えている。

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