Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
July 31 - August 3, 2019, Kyoto, JapanPASJ2019 FRPI042

RI ビームがん治療の実現を目指した 1 価 C-11 イオン生成実験の状況
PRODUCTION OF SINGLY-CHARGED C-11 IONS FOR HEAVY-ION CANCER
THERAPY
片桐 健,∗ 涌井崇志，北條 悟，野田 章，白井 敏之

Ken Katagiri, Takashi Wakui, Satoru Hojo, Akira Noda, Toshiyuki Shirai
量子科学技術研究開発機構 放射線医学総合研究所

NIRS-QST

Abstract
An isotope separation on-line (ISOL) system is necessary to provide 11 C ions for heavy-ion cancer therapy withsimultaneous veriﬁcation of the dose distribution using positron emission tomography. To realize the ISOL system, wehave developed elementary instruments in the ISOL system, such as a proton-irradiation target, a molecule separation
system, and a singly-charged ion source, and performed tests to verify their performances. As a next step of the development, we started an experiment of on-line production of singly-charged 11 C ions at the proton irradiation port of theNIRS-cyclotron facility. In this paper, we present the results and the status of the on-line production experiments.

1.

はじめに放射線医学総合研究所の HIMAC 加速器を用いた重粒子線治療は，1994 年の治療開始から今年で 25 年目を迎え，11,000 人以上もの患者に治療が適用されてきた [1]．
より高精度な治療照射を行う為に，細い炭素ビームでがんの病巣を塗りつぶすように照射を行うスキャニング照射法による治療が 2011 年より開始された [2]．さらなる高精度化のために，照射野をリアルタイムに検証する技術の実現が期待されている．現在治療に用いている安定核の 12 C ビームの代わりに，陽電子放出核である 11 Cビームを用いることができれば，体内での停止位置から放出される消滅 γ 線を PET 装置により測定することで，随時ビーム位置を検出することができ，その結果として，リアルタイムに照射野を検証することが可能となる．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．この ISOL システムは，小型サイクロトロン，11C 分子生成分離装置 (CMPS)，1 価イオン源 (SCIS)，及び荷電増幅用から構成される．HIMAC シンクロトロ
ンにおける一度の入射-加速-供給シーケンスにて，109

To
HIMAC:
Linac andSynchrotron

11C4+/5+ ~ 1010

∆T ~ 100 µs↑GoalParameters

ISOL System for 11C Ion Production

ChargeBreeder
Ion Source
𝓔CB ~1%is required.

MS

SinglyChargedIon Source(SCIS)!

CMPS(11C molecule production/separation system)

Vacuum

Separator:ℇsep≈0.6−0.8ℇSCIS ≈0.1
11C+ or
11CO +~ 1011
2

∆T ~ 10 ms

11C mol.~ 1013∆T ~ 10 ms

ProtonIrradiation
Target:Nmol.~1013

11C mol.~ 1013

ProtonBeams

SmallCYC.

Irradiation:∆T ~ 20 min∆T ~ 20 min

Figure 1: One of the possible schemes for 11 C ion production.
∗ katagiri.ken@qst.go.jp

個の 11 C イオンを治療室に供給することを想定すると，ISOL システムからは 1010 個の供給が必要となる．このISOL システムにより，一度の入射-加速-供給シーケンスにて要求される 1010 個の 11 C イオンをおよそ 20 分のプロトン照射により製造し，患者 1 人の治療のために供給する．パルス運転を行うシンクロトロン加速器へ
11C イオンを供給する際は，生成量の限られた 11 C 粒子を無駄にすることの無いように，一旦蓄積し短いシンク
ロトロンの入射時間 (HIMAC は ∆t ≃100 µs) に合わせて 11 C イオンのパルス化 · 時間幅の短縮を行う必要がある．この理由から，CMPS では供給する 11 C 分子の時間幅を 20 min→10 ms に短縮し，荷電増幅器ではイオンのトラップが可能な EBIS/ESIS イオン源を用いることで，10 ms→100 µs に短縮する．
CMPS は，このパルス化だけでなく，ターゲットのプロトン照射により生成された 11 C 分子と混入した不純物分子の分離も行う．混入する不純物量を可能な限り低減するために，このプロトン照射–不純物分離のプロセスは真空中で行う．そのため，CMPS 内に置かれるプロトン照射ターゲットは固体である必要がある．これまでのターゲットの性能評価実験では，固体のホウ素化合物をターゲットとして用いプロトン照射 (18 MeV，18 µA) を20 分間行うことで，1012 – 1013 個の 11 C 分子を効率的に生成 · 収集できることが明らかになった [3]．また，安定同位体の 12 C ガスを用いた分離性能評価実験では，不純物と混合した CH4 分子を高い効率 (εsep ≃ 60 – 70%)で回収 · 取出しできることが明らかになった [4]．さらに，荷電増幅器へと供給する C+ 或は CO+2 イオンを生成する SCIS に関しても，独自に開発した Particle-in-Cell(PIC) コードを用いて，設計 · 開発を行った [5]．これまでに行った性能評価実験では，CO+2 イオンの生成に関して，εCO+ = 10% もの効率を得られることが明らかに2なった [6].
以上の進展を元に，実際に生成される 1 価 11 C イオンを定量化することによって ISOL システムの実現性を確認するために，これまでに開発した個々の機器を放医- 1139 -Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
July 31 - August 3, 2019, Kyoto, JapanProton

BeamWindow

PASJ2019 FRPI042

C3 Irradiation Portat NIRS Cyclotron Facility

Cooling
water for foils

Window Foils

Target
Box

VTRGV

VTRG

TMP

VCMPS

CMPS
Impurity Trap

Molecule
FlowTarget
Stage

4-keV ions

FaradayCup

Molecule-gate
Plate

Fast H.V.
SwitchCooling
water

H.V.

SCIS
Capacitor

BatterﬂyValve

C = 1.7 µF
RC ~10 ms
V max= 6 kVImax = 1 A

Num. of1+ C-11 ions

TMP
Main Trap:
30x30xt1,~1 kΩ (50 K)

Cryocooler

Faraday Cup
for Current and Activity
Measurements
Activity

Qt
DryPumpt

Buﬀer Chamber
for Unsealed
Radioisotopes

Figure 2: Production system of singly-charged 11 C ions.

(a)Chiller
Cntr.

Cernox

ITPS

MT
PS

VGCMPS
VGTRG

Hot labo.
Irradiation room

TRG
HPS

PulserSOLPS

SCISPSVGSCIS

Proton
Beams

VG
VG
BTFC

Einz.
HVPS

ACC.
HVPS

(a)

Beam Window
Target Box

FC

Detector

WindowTRG

TMP3

Faraday
Cup

VTRG

VolEC

VBT

EC
ExhaustChamber

Chiller

CMPS

VEC

Cryo-cooler

RI beams

SOL
VSCIS

SCIS

Compr.

VFC

VECv

VFCe

VCMPSU VCMPSL
VTRGv
TMP1U

Mag

Mag
PS
FC

Wien

TMP2

KickerHVEinzel

HV-Cage

Mol.Ref.

HV(-20 機器種別kV)
監視/制御
監視

TMP1L

RRP

制御
VTMP2eVTMP1eVacuum Line

独立制御
TMP3

何もなし(b)(b)
CMPS

Faraday
SCIS Cup

Figure 3: (a)Control/Interlock system for production system of singly-charged 11 C ions. (b)Typical screen shot of
a touch panel for the control/interlock system.

研サイクロトロン施設の RI 生産用照射ポートへと移設
し，1 価 11 C イオンをオンラインで生成する実験を開始した．本発表では，このオンライン生成実験の進捗の状
況とこれまでの試験にて得られた結果を報告する．

2.

オンライン生成実験系の構築

Figure 4: Set up of the production system of singlycharged 11 C ions in an irradiation port of NIRS-cyclotron
facility; (a)Side view and (b) top view.

2.1 1 価 11 C イオン生成システム
Figure 2 に 1 価 11 C イオン生成システムの模式図を示す．このシステムの各要素機器の役割や仕組みに関しては文献 [7] に示されている．この実験では，SCIS から生成されるイオンを質量分析せず，全イオンの電流をファラデーカップにより測定し，全イオンの電荷量を導出する．一方で，ファラデーカップのイオン照射面にはアルミ箔膜を取り付け，その放射能と半減期を円筒型電離箱で測定する．以上の結果から，11 C 原子を含むイオンと- 1140 -Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
July 31 - August 3, 2019, Kyoto, Japan

PASJ2019 FRPI042(a)

Ion Beams

B: ISO100MF

G: Inlet

I: Evaculation
Port

A: Main Body
E: Cooling Water
Channel

H: OutletD: Foil

F: Water
ChannelFlange
J: Insulator

C: ISO100BF(b)ばならない．この安全対策の一例として，バッファ容器の体積監視が挙げられる．真空ポンプからの排気が貯められるバッファ容器 (Fig. 3(a) 中の “EC”) の体積は，シンプルな機械式の機構により監視されている．排気ガス量の過多が原因でバッファ容器の破裂等によるガス漏れが生じないように，ある閾値よりも容器の体積が大きくなると照射は停止し，さらなる放射性同位元素の生成が生じない安全機構が備えられている．
本装置は，11 C 分子の生成 · 収集，11 C 分子と不純物の分離，精製された 11 C 分子の取り出し · イオン化，3 つのモードにより運転される．Figure 3(b) に，これらモードの指令を行うためのタッチパネルを示す．“Coll.”，“Sep.”，“Ext.”は，それぞれ生成 · 収集，分離，取り出し · イオン化を示しており，各々のボタンを押す事でFig. 3(a) に示した制御対象の機器をそのモードで要求される状態にし，状態監視を行い，さらにヒーターによるCMPS の温度制御や SCIS の動作指令を一括して行う．
このようなシーケンスにより，実験中の操作エラーを無くし，それにより生じる機械の損壊 · 事故を防ぐように考慮されている．

3.

オンライン試験の結果

これまでに開発した個々の要素機器を放医研サイクロ
トロン施設の RI 生産用照射ポートへと移設し，プロト
ンビーム照射により 1 価 11 C イオンをオンラインで生成する実験を開始した．Figure 4 に RI 生産用照射ポー
トに移設 · 構築された 1 価 11 C イオン生成システムを示す．第 1 回目のオンライン試験は 2019 年 7 月 6 日 (終日)，第 2 回目は 2019 年 7 月 8 日 (午後) に実施された．
これら二度のマシンタイムにより下記の項目の試験を実施した:

Figure 5: (a)Schematic diagram of the water-cooled beam
window; (b)luminescence of the water-cooled beam window.

i. 要素機器の放射線耐性試験
ii. 水冷式ビーム窓，及びターゲット台の熱耐性試験
iii. 真空中でのターゲットのプロトン照射試験
以下にこれら試験の結果を示す．

その他 12 C 原イオンを含む不純物イオンの比率が判明
し，また 11 C イオンの絶対量が得られる．さらに，これまでに 12 C ガスを用いたオフライン実験での結果判明している各 1 価炭素イオンのイオン化効率 [6] を元に，目11 +的の 11 CO+C イオンの絶対的な2 イオン，もしくは生成量の導出を行う．
本装置では，真空容器内で非密封放射性同位元素の生成が行われるために，真空ポンプからの排気は一旦バッファ容器に封入される．バッファ容器に封入されたガスは，十分な減衰を検出器にて確認した後に処理される．

2.2 制御 · インターロック系
Figure 3(a) に 1 価 11 C イオン生成システムの制御 · インターロック系の系統図を示す．各要素機器は，４種類の分類 (監視/制御，監視のみ，制御のみ，独立に制御されるもの) 毎に色付けされている．本実験では真空容器内での非密封放射性同位元素の生成が行われるために，その大気中への拡散などが生じないように，制御 · イン
ターロック系は安全性を十分に考慮して構築されなけれ

i 要素機器の放射線耐性試験
実験中照射室内に置かれる機器類は，実験で使用する18-MeV, 20-µA のプロトンビーム照射によって二次的に生じる高いレベルの γ 線や中性子線の環境下で動作させることになる．制御系機器，ターボ分子ポンプコントローラーなど照射室内に置く必要の無い物は照射室外に設置し，また粗挽き用ルーツポンプやコンプレッサー用チラーの半導体集積回路を用いた制御部についても改造により本体と別体にし照射室外に設置しているが，照射室に置かざる得ない，ターボ分子ポンプ (制御 · 通信回路が本体に備わる)，CMPS に備わるクライオクーラー (制御回路が本体に備わる) 等の機器がある．実験中に放射線の影響によって，これらの機器の誤動作や故障，それにより重大なトラブルが生じることの無いように，ターゲットを用いず非密封の放射性同位元素生成をしない状態でプロトンビーム照射により試験を行った．試験では実際の実験と同様に，18-MeV, 20-µA のプロトンビーム照射を 20 分間行ったが，どの機器にも誤動作等の問題は生じなかった．

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July 31 - August 3, 2019, Kyoto, Japan

PASJ2019 FRPI042

HeaterBeamWindow TargetProton(a)窓が必要となる．RI 生産を行う加速器施設では，高い電流のビームにより金属製のビーム窓が高温にまで加熱されてしまうために，一般的には二つの金属膜の間に高圧のヘリウムガスを流し膜の冷却を行なっている．しかしこの場合には，膜が破断した際の真空系への高圧ガスの流入，それによる真空排気系の損傷，及び加速器系ビームトランスポートへの放射性同位元素の飛散が問題となる．この問題を解決するために，冷却にガスを一切使わず，円環上の水冷機構により窓となる金属膜を冷却する新たなビーム窓を開発した．このビーム窓の模式図をFig. 5(a) に示す．
プロトンビーム照射により，この水冷式ビーム窓の試験を行った．その結果，18-MeV, 20-µA のプロトンビー
ム照射を数時間渡って続けても，金属膜は損壊すること無く，問題無く使用出来ることが確認された Fig. 5(b)．

View-port

VacuumTargetStage

Produced
Molecules

To
Molecule
Separator

Thermo-couple

Cooling-waterInlet(b)

真空でのターゲットのプロトン照射試験

iii

(c)

Figure 6: (a)Schematic diagram of the target box; (b)thetarget material before the proton irradiation; (c)the target
material after the 20-min irradiation of 18-MeV, 20-µA
proton beam.

本システムに用いられるターゲットボックスの模式図を Fig. 6(a) に示す．ボックス内は CMPS に繋がり，真空に保たれる．ステージ上に乗せられたターゲットをプロトン照射することで生じる 11 C 分子及び不純物分子は，熱運動により CMPS に輸送される．ターゲットス
テージは裏面から冷却水により冷却される．実験開始前にステージのベーキングを行うためにステージにはヒーターと熱電対を備える．また，照射中のターゲットの状態を耐放射線カメラにより確認するためにビューポートを備える．
Figure 6(b) に，ターゲットステージ，及びそれに載せたターゲットの酸化ホウ素 (B2 O3 ) を示す．この写真の示す通り，プロトン照射前において酸化ホウ素は白色の結晶状である．この酸化ホウ素にプロトンを照射することで，11 B(p,n)11 C 反応により 11 C が生じ，そのホットアトムは周辺にいる酸素原子と結合して 11 CO2 が得られる．そのため，かつて PET 診断用 11 C 標識薬剤の製造のために使われていた化合物である [8]．しかし，真空中でのプロトンビーム照射を行った実験例は調査の限り見当たらず，照射中にどのような形態に保たれるかが大きな懸念の一つであった．そのため，実際にプロトンビームの照射を行い，酸化ホウ素の状態の変化を検証する試験を実施した．試験の際には，酸化ホウ素が昇華/気化等により急激な圧力の上昇が生じる可能性があるので，CMPS に通じるバルブ (VTRG , see Fig. 2) は閉じ，ベントバルブ (VTRGv ) を開けて真空引きをした状態で実施した．プロトン照射後の酸化ホウ素を Fig. 6(c) に示
す．酸化ホウ素の融点は 450◦ C であるので，照射によって液化し透明に変化している．照射前と比較して液化により形状は変化しているが，ターゲットステージ上に留まり，適切なプロトン照射が行えたことが確認できた．

4.

結論

1 価 11 C イオンを定量化することによって ISOL シスii 水冷式ビーム窓，及びターゲット台の熱耐性試験ターゲットボックスと加速器系ビームトランスポートを放射性同位元素の飛散防止のために隔て，尚且つターゲットボックスへとビームを供給するためには，ビームテムの性能を評価するために，これまでに開発した個々の ISOL 要素機器を放医研サイクロトロン施設の RI 生産用照射ポートへと移設し，1 価 11 C イオンをオンラインで生成する実験を開始した．これまでに 2 度のマシン
タイムにより，- 1142 -Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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PASJ2019 FRPI042

i. 要素機器の放射線耐性試験
ii. 水冷式ビーム窓，及びターゲット台の熱耐性試験
iii. 真空中でのターゲットのプロトン照射試験を実施した．これらの試験により，問題無くプロトン照射有りのオンライン試験を実施できることが確認できた．次のマシンタイムでは，ターゲットボックスで生成された 11 C 分子を CMPS に導入し，不純物分離の後にSCIS に供給することで 1 価 11 C イオンを生成し，その定量化を行う実験を実施する．

謝辞
本研究は，公益財団法人三菱財団 平成 27 年度助成金(自然科学，27110)，住友財団 2016 年度基礎科学研究助
成 (161240)，及び， JSPS 科研費 17K14130 の助成により進められています．本研究の装置設計にあたり，三樹工業株式会社新井氏には，ご提案を通して多大なご協力を賜りました．深く感謝申し上げます．

参考文献[1] K. Noda et al., Nucl. Instrum. And Meth. B, 6 (2014) 331.
[2] T. Furukawa et al., Med. Phys., 37 (2010) 5672.
[3] K. Katagiri et al., Rev. Sci. Instrum., 85 (2014) 02C305.
[4] K. Katagiri et al., Rev. Sci. Instrum., 86 (2015) 123303-1-7.
[5] K. Katagiri, T. Wakui et al., Rev. Sci. Instrum., 89 (2018)
113302.
[6] K. Katagiri, T. Wakui et al., Rev. Sci. Instrum., 90 (2019)053303.
[7] K. Katagiri et al., Proc. of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Nagaoka, Japan, 2018,
pp. 711 (WEP130).
[8] J. Steinback, E. Loesel, K. Guenther, R. Brueckner, G.J.
Beyer, Appl. Radiat. Isot. 40, 625 (1989).

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