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

DEVELOPMENT OF THE COMPACT SOURCE OF MONOCHROMATIC
COHERENT X-RAY FOR CANCER MEDICAL TREATMENTIsamu SatoA), Kzutaka ShintomiA), Hiroki NagaseA), Noboru FukudaA), Ken HayakawaB), Toshirari TanakaB),
Yasushi HayakawaB), Keisuke NakaoB), Yumiko TakahashiB),Takao KuwadaB), Kyoko NogamiB), Manabu InagakiB),
Koichi IshikawaC), Motoichirou TakahashiC), Katsumi AbeC), Tsutomu SaitoC), Shigeki FukudaD), Atsushi EnomotoD),
Satoshi OhsawaD), Takayuki TomaruD), Mitsuhiro YoshidaD), Hiroshi IwaseD),Toshikazu TakatomiD), Kenji YajimaE)
A)
Advanced Research Institute for the Science and Humanity, Nihon University,
2-1 Kudan-kita 4-chome, Chiyoda-ku, Tokyo, 102-0073, Japan
Ｂ)
Institute of Quantum Science, Nihon University,7-24-1 Narashinodai, Funahashi-shi, Chiba-ken, 274-0063 JapanＣ)
School of Medicine, Nihon University, 30-1 Ohyakchi-Kamimachi, Itabashi-ku, Tokyo, 173-0032 Japan
D)
Inter-University Research Institute Corporation High Energy Accelerator Research Organization,
1-1 Oho, Tsukuba-shi, Ibaragi-ken, 305-0801 JapanＥ)Mitsubishi Materials Co, 1-5-1 Ohtemachi,Chiyodaku, Tokyo 100-8117, JapanAbstract
The monochromatic coherent X-rays are generated from single crystal irradiated by 100MeV electron beam in Nihon University.
The excellent X-ray generator enables new cancer medical treatment and diagnosis. The development of compact X-ray generator
based on the electron cryo-linear accelerator has been studied in collaboration with Nihon University, High Energy Accelerator
Research Organization and Mitsubishi-Materials. The miniaturization is also advanced based on the electron linear accelerator. Thetest cavity cave designed in the C band 2π/3 mode was manufactured with super-high purity copper (RRR-6000). This cavity wascooled to 20K and the temperature dependency of that Q value was measured. The phenomenon of the anomalous skin effect wasobserved in this measurement. The electron cryo-linear accelerator was also designed using this measurement data. As a result, thecharacteristic of the linear accelerator suggested that an energy recovery system could be realized.

がん治療用コンパクト空間干渉単色Ｘ線源の開発
１．はじめに日本大学では、ＫＥＫと共同で電子リニアックの高度化研究を進め、普通の電子リニアックを使って短波長自由電子レーザー発振とパラメトリックＸ線放射（ＰＸＲ）の開発を試みた。２０００年４月に、電子線利用研究施設（ＬＥＢＲＡ）は私立大学学術高度化の研究拠点に選定され、「可変波長高輝度単色光源の高度利用に関する研究」が私立大学学術研究高度化推進事業（学術フロンティア）に採択され、ＦＥＬやＰＸＲの共同利用実験を推進することになった。２００１年５月に、ＦＥＬは１.５μｍ発振に成功、２００３年１０月、可変波長ＦＥＬとしては世界最短波長発振領域（８００～６０００ｎｍ）を担う、世界最大のＦＥＬ実験施設（ビームライン９本）が完成し、共同利用実験を開始した。更に、可変波長の単色Ｘ線源の開発を進め、２００４年４月、共同利用実験が可能な世界最初のＰＸＲの実用化に成功した。また、ＰＸＲはブラック条件を満たす方位に対してＸ線エネルギーが一次関数的に僅かに変化する準単色Ｘ線源[１]であることを示し、更に、動植物のイメージング映像[２、３]からブラック条件を満たす方向に放射されるＸ線波束は空間コヒーレンスに富むＸ線（位相の揃ったＸ線）、即ち、ＰＸＲが空間干渉Ｘ線源であることを明らかにした。一方、イメージング撮像に要するＸ線照射の実時間が非常に短いことから、ＰＸＲは高輝度Ｘ線源であることを示めした。
現在、
１００ＭｅＶの電子ビームでＳｉ単結晶（１１１）並びに（２２０）を照射すると、４～３４ｋｅＶのエネルギー可変範囲の空間干渉単色Ｘ線が得られ、これらのＸ線は共同利用実験に供与している。
空間干渉性Ｘ線源の進展は、最近であり、ＰＸＲの干渉性の特性を活用して、Ｘ線を集束すると、Ｘ線の３次元照射が可能になり、これは、X線やγ線などの放射線治療における理想的な定位照射である１個の単色放射線を４π方向（全立体角）から同時に照射することに、一歩近づいたことを意味する。また、この特性は、ハドロン粒子などのブラックピーク特性を凌駕する可能性を示唆している。
また、ガンなどの腫瘍に集合する分子標的物質にＸ線共鳴吸収特性を有する物質を含有させ、単色Ｘ線照射による腫瘍などの軟組織のＸ線映像を立体画像として構築し、ガン腫瘍の治療と診断を同時に行うことが可能となる。
これは、PET、CT、MRI、重粒子線治療の特長を兼ね備えた、全く新たな放射線ガン治療、医療診断が実現する可能性を示唆している。

２. 各種放射線の線量損失評価
運動エネルギーと質量の大きい荷電粒子は運動量が大きいために、水などの軽元素中を通過の当初は、物質との相互作用する確率が小さく、また散乱の影響も小さく、電-219-

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離損失もほぼ一定である。しかし、通過距離が長くなると電離損失などで運動エネルギーを失い、速度が低減し急激に電離損失エネルギーが増大する。これが、陽子線や炭素線に特徴的なブラックピークである。そこで、ＰＨＩＴＳとＥＧＳ５の計算コートを使って、深さ１００ｍｍの水中でエネルギー損失が最大になるように炭素線と陽子線の入射エネルギーを調整したエネルギー損失分布と３次元照射４０ｋｅV単色X線のエネルギー損失分布を計算、その結果[４]を図１に示す。

や炭素線の放射線治療より卓越した治療効果が得られる可能性を示唆している。
各種放射線の総合比較の参考資料として、白色γ線、中性子、白色Ｘ線、４０ｋｅＶ単色Ｘ線、陽子、炭素線の１次元的照射による生体内線量分布に、４０ｋｅＶ単色Ｘ線
３次元照射に於けるモンテカルロシミュレーション計算
による相対線量損失（％）を対数で表した図を図３に示す。
各種放射線の水中相対線量（％）
100

直接線量損失分布10

規格化相対線量（％）

Ｃ（220MeV/u）Ｐ（116.5MeV）
Ｘ線（40keV）

γ 線
中性子線
白色Ｘ線
40keVＸ線
陽子線
重粒子線
集束40keV

10.10.01

図１ 水中における炭素線、陽子線の 1 次元照射と４０ｋｅＶ単色Ｘ線３次元照射の単位体積当たりの線量損失分布

0.001
0

炭素線及び陽子線の一次元的照射と４０ｋｅV単色X線３次元照射のエネルギー損失量を比較規格化した単位体積当たりのエネルギー損失分布の計算結果を図２に示す。
単位体積当たりの規格化エネルギー損失は、２２０ＭｅＶの炭素粒子１個に対して、１１７ＭｅＶの陽子粒子は２０個、４０ｋｅＶ単色Ｘ線は５個に相当している。このことから、４０ｋｅＶ単色Ｘ線の３次元照射は、生体表面から患部近くまで正常細胞に与える放射線損失が非常に尐ないことがわかる。
規格化線量損失分布
1 ×Ｃ （220MeV/u）
29×Ｐ（116.5MeV）
4.9×Ｘ線 （40keV）

図２ 水中における炭素線、陽子線の 1 次元照射と４０ｋｅＶ単色Ｘ線３次元照射の単位体積当たりの規格化線量損失分布
また、生体軟組織の被爆線量が水の被爆線量に相当すると仮定すると、４０ｋｅＶ単色Ｘ線の３次元照射は陽子線

24681012水の深さ（ｃｍ）

図３ 水中の各種放射線の 1 次元照射、並びに４０ｋｅＶ単色Ｘ線３次元照射の規格化線量損失分布
がん組織の大きさに合わせて、４０ｋｅＶ単色Ｘ線の３次元照射を前後にシフトさせてプラットトップの形成を試みた結果は、がん組織と正常細胞の被爆線量比を５程度確保できることが分かった。

３．エネルギー回収型クライオ電子リニアック
当初は、エネルギー回収システムに超伝導電子リニアッ
クを予定していた。即ち、超伝導加速管を用いて電子ビームを加速し、図４に示すように、用途を終えた電子ビームを再び加速管の減速位相に入射して電子ビームを減速させながら、電子ビームからエネルギーを高周波電力として回収する。 超伝導加速空洞は高電界にすると電界放出電子が大量に発生し、加速空洞の超伝導状態が壊れるために、高電界加速の上限は自ずと制限される。現在、２５ＭｅＶ/ｍが実用的な限界であり、１００ＭｅＶ級の加速システムの長さは５ｍを超える。これは加速装置のコンパクト化を制約する。そこで、超伝導電子リニアックと同様にエネルギーが回収できるコンパクトな加速システムの探究を開始した。最初は、無酸素銅材（ＲＲＲ－３０相当）で製作されたＳバンド（２８５６ＭＨｚ）の加速管の加減速特性を、図４に示すようなモデルを使って検討した。
しかし、無酸素銅を２０Ｋの低温に冷却しても、エネルギー回収は、-220-

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温度範囲では、ＱＬ値が大きく低減した。常温（３００Ｋ）の平均ＱＬ値は、ＱＬ＝６１７４であった。

高周波環流加速システム
クライストロン

方向性結合器
無反射終端器

高周波電力

高周波電力

導波管

テスト空洞Q L の温度依存性
40000
35000

入射部

加速管

QL

減速管

電子ビーム

Ｗｏｒｋ Ａｒｅａ

ビームダンプ

図４ エネルギー回収型の高周波環流加速システムの概念図
無理なことが判った。次に、ＲＲＲｰ１０００, ＲＲＲｰ３０００、ＲＲＲー６０００などの色々な銅材の加速管で閉回路を構成し、液体水素温度に冷却した場合、閉回路の加減速特性がどのテス ト空洞のＱ Ｌ

30000
25000
20000
15000
10000

ように変化するかを検討した。また、加速電界強度を高めるため、加速周波数をＳバンド（２８５６ＭＨｚ）からＣバンド（５７１６ＭＨｚ）に変え、加速空洞構造の最適化を選択し、２０Ｋに冷却した場合の加速特性を求めた。計算
結果では、エネルギー回収が可能で卓上型クライオ電子リニアックが実現可能であることを示唆した。しかし、マイクロ波領域では、異常表皮効果による加速性能低下が予測され、ＲＲＲ－６０００でテスト空洞を製作し、テスト空洞の高周波損失の温度依存性を測定することになった。
テスト空洞は、図５に示すように、Ｃバンド２π／３モードの３空洞構造で設計され、拡散接合方法で作成［５］された。

5000
010100
温度（Ｋ）

1000

図６ テスト空洞の高周波損失係数ＱＬの温度依存性

高純度銅材（７Ｎ：ＲＲＲ－６０００）の直流抵抗を基準とする比抵抗ρは、常温でρ＝１.７２×１０－８Ω/ｍ、２０Ｋでρ＝９.５×１０－１２Ω/ｍである。
もし、異常表皮効果がないと仮定し、２０Ｋに冷却したテスト空洞の無負荷利益係数：Ｑ０は、表皮の深さδで計算すると、Ｑ０＝３６７０００となる。しかし、テスト空洞の負荷利益係数ＱＬの実測値は、ＱＬ＝３３８５８であった。計算値のＱ０と実測値のＱＬの大きな差は、異常表皮効果によるものと推定される。
高純度銅に応力歪みがなく、ＱＬとＱ０の測定に大きな誤差がない場合、C バンドテスト加速空洞の測定結果から、ＲＲＲ－６０００を２０Ｋに冷却した場合、異常表皮効果を考慮した５.７３９ＧＨｚに於ける高周波抵抗成分は、直流抵抗に換算してＲＲＲ－６１以上であると推定される。ここでは、テスト空洞のＱＬとＱ０の比が０.９、ＲＲＲ－６０００がＲＲＲ－６６に相当すると仮定し、これを基準にして、クライオ電子リニアックのＣバンド図５ 拡散接合で製作したＣバンド２π /３モードテスト加速管をＤＤＣコード［７］を使って再設計した。
空洞
長さ約５０ｃｍのＣバンド加速管２本を１対とする加テスト空洞のＱＬの温度依存性［６］は、図６に示すように、減速ができる閉回路システムを２０Ｋに冷却し、閉回路１０～２０Ｋの温度範囲では、ほぼ一定であり、その平均に２２.５ＭＷの高周波電力を環流させ、０.２Ａの電子はＱＬ＝３３６１８であった。また、２０Ｋ～３００Ｋのビームを供給すると、図７に示すように、電子ビームは-221-

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約２５ＭｅＶに加速できる。この電子ビームで単結晶を照射し、約５０ｃｍの減速管に輸送して電子ビームを減速すると、約１９.５ＭＷの高周波電力を回収でき、これを加速管に還流し再利用ができる。図４に示すような閉回路では、加速管入力空洞に供給される高周波電力と減速管終端の出力空洞から回収する高周波電力の差が加減速管で消費された高周波電力を意味する。閉回路では、加速ビーム電流が増加すると、閉回路の消費電力も低減される。この加速システムでは、加速管と減速管を１セットにした閉回路に小電力高周波電力を積み上げ、大電力が還流する状態にしてから、閉回路の加速管に電子ビームを入射することになる。電子ビームが加速管に入射すると、高周波電力が電子ビームエネルギーに変換され加速管終端で電子ビームのエネルギーは最大になり高周波電力は最小になる（図７の左半分を参照）。
２０Ｋに於ける還流型ＥＲＬシステム(２２.５ＭＷ）
還流電力（ＭＷ）とエネルギー利得（ＭｅＶ）

2520

P-0.2
E-0.2
P-0.4
E-0.4
P-0.6
E-0.6
P-0.8
E-0.8
P-1.0
E-1.0151050020406080100120

加速管の長さ（ｃｍ）

図７ Ｃバンドクライオ電子リニアックの加減速特性
この加速システムで、電子ビームを１００ＭｅＶに加速するには、閉回路を４セット直列に接合する必要がある。また、閉回路に２２.５ＭＷを積み上げには、加減速管で消費する高周波電力より多い電力を高周波源（クライストロン）から方向性結合器を通して供給することになる。閉回路を還流する高周波電力が短時間で定常状態（２２.５ＭＷ）になるには、高周波源から大電力を閉回路に供給し、閉回路が所定電力（２２.５ＭＷ）に達した時点で、高周波源からの供給電力を閉回路の消費電力に低減する。従って、高周波電力が閉回路を短い時間で周回し、クライストロン出力電力の変調比が大きくすることが重要になる。閉回路を４段に並べた最もシンプルなテーブルトップ電子リニアックをベースに、コンパクトなコヒーレント単色Ｘ線源のモデルを基盤とする具体的な構成図を図８に示す。
エネルギー回収型電子リニアックの必要性のもう一つの理由は、単結晶を通り抜けた電子ビームのエネルギーを再び高周波電力に変換して、高周波電力を電子リニアックの加速に再利用することにより、放射線遮蔽を軽減することにある。また、照射用単結晶から放射されるγ線や中性子の線量は非常に尐ないので、治療室に直接Ｘ線発生装置を持ち込める可能性が高く、使い勝手は非常によくなる。
図９には、Ｘ線発生装置を含むクライオ電子リニアッ
クのブロック配置図の凡例を示す。また、図９には冷却装置と高周波パルス電源を除いた加速器とＸ線発生装置の主要な装置は含まれており、電子リニアック本体は４.
０×１.５ｍ２の面積に収まり、テーブルトップ型コレー
レントＸ線源が実現する可能性を示唆している。
表１には、１０１１／秒個を目標したＸ線発生装置を含むテーブルトップ型クライオ電子リニアックのパラメー
ターの凡例を示す。
表１
クライオ電子リニアックのパラメーター
クライオ加速システム
エネルギー回復方式
冷却温度－２５３ﾟ C
冷却保全
クライオスタット
加速管素材
ＲＲＲ－６０００
電子銃
熱陰極３極管電子銃電圧-１５０ｋＶ
最大ビーム電流１.５Ａ
規格化エミッタンス＜５πｍｍ･ｍｒａｄ
入射ビームエネルギー
２.５ ＭｅＶ
マクロパルスビーム電流
０.２～１.０Ａ
加速周波数
５.７１２ GHz
加速モード
２π/３進行波環流
加減速管空洞数
２９～３０
加速管の全長１０１４×４ ｍｍ
環流周回時間５００ｎｓ
加速エネルギー
１０１～７４.４ＭｅＶ
高周波電力
２２.５×４ ＭＷ
高周波尖頭電力損失
１.１×４ ＭＷ
ジュール損失（平均）～８８０Ｗ
高周波電力負荷率
２×１０－４
平均ビーム電力
２.９～２０.２ｋＷ
平均ビーム電流４０～２００μＡ
Ｘ線の全線束数～１０１１/S
パルス持続時間
１０ μｓ×１０ ｐｐｓ
高周波源クライストロン
出力変調型
尖頭高周波出力電力
３～３０ＭＷ
平均高周波出力電力
１２ｋＷ
パルス電源
３０ｋＷ-222-

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オシレーター

変調クライストロン
供給高周波電力
スクリーン電圧
ダミロード

グリッド電圧環流高周波電力
方向性結合器

ダミロード
位相器
導波管
電子ビーム

ビームダンプ
減速管

減速管

減速管

減速管

電子銃
加速管

加速管

加速管

加速管
バンチャー

クライオスタット

電子ビーム

図８ クライオ・電子リニアックの構成図
加速管

偏向電磁石

加速管

クライオスタット

バンチャー

電子銃
減速管 方向性結合器
ビームダンプ 単結晶

偏向電磁石
０ｍ

クライストロン

ダブレット
導波管 方向性結合器

電子ビーム
単結晶
２ｍ

１ｍ

トリプレット

偏向電磁石

パラメトリックＸ線放射３ｍ

図９ クライオ・電子リニアックのブロック配置図

４．おわりに空間干渉単色Ｘ線源によるガン治療・診断の接点は始まったばかりであり、放射線、医学物理、生命科学、加速器などに係わる多くの研究者や技術者の力を結集し、これから派生する諸問題と真摯に対峙することが重要であり、政府による真摯な対応に期待を寄せている。γナイフ、サイバーナイフ、或いはブラックピーク特性を活用した粒子線など高尚な定位照射には、それぞれ特長があり、単純に優务を比較することは難しいが、ここで、理想的な定位照射とは何かを、もう一度衆智を集めて、詳細に検討する時期に来ていると思われる。一方、クライオ電子リニアックは、異常表皮効果に対峙した、これまでの加速器の常識に対する新たな加速器への挑戦でもあり、加速管の素材、環境、構造を融合させ複合的に検討しない限り、決して成し得ない代物であったことを、一言申し添える。
Reference[１] Y. Hayakawa, et al., Phys. Soc. Jpn. 67 (1998) 1044.
[２] Y. Hayakawa, et al., Nucl. Instr. and Meth. B227 (2005) 32[３] T. Kuwada, et al., “Phase Contrast Imaging of BiologicalMaterials Using LEBRA-PXR”, SRI2006 The 9th Inter. Conf.
on Synchrotron Radiation, May 28-June, 2006 Daegu, Korea.
[４] ＫＥＫの波戸、岩瀬の両氏と情報交換[５] ＫＥＫの高畠氏との情報交換[６] ＫＥＫの吉田氏との情報交換.
[７] Masao NAKAMURA, "A Computational Method for Disk
Loaded Waveguides with Rounded Disk- Hole Edges"
JJAP,Vol.7,No.3, (1968) p257-271.

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