ガン治療用入射重イオン IH 型線形加速器の研究（Ⅶ）
山本和男1,A)、服部俊幸 A)、林崎規託 A)、柏木啓次 A)、高橋康之 A)、畑 寿起 A)、青木 学 A)、山田 聡 B)
A)

東京工業大学原子炉工学研究所〒152-8550
B)

東京都目黒区大岡山 2-12-1

放射線医学総合研究所〒263-8555 千葉県千葉市稲毛区穴川 4-9-1

概要
ガン治療用シンクロトロンの入射器として、電力効率のよい IH 型加速空胴に収束要素を必要としないAPF 構造を取り入れることにより、低エネルギーからの入射を可能とした APF-IH 型線形加速器の開発研究を行っている。今回、APF-IH 型線形加速器の重イオン加速の実証器として、実際のガン治療に必要な炭素イオンを核子あたり 40keV から２MeV まで加速するテスト機の 1/2 コールドモデルによる試験結果について報告する。

１．はじめに重イオンガン治療用シンクロトロン入射器は放射線医学総合研究所や兵庫県立粒子線医療センターの例のように RFQ 型線形加速器とアルバレ型線形加速器の２台の長大な線形加速器システムとなっている。
研究用としては適当であるとしても、医療用の実用機として普及するには小型、省電力が重要な要素で、１台で小型の入射器が理想的である。
そこで、小型化に必要な高い加速電力効率を実現する入射器として IH 型加速空胴を採用し、入射器を１台にするために、低エネルギーのビーム収束にはAPF(Alternating Phase Focus)構造を考え、現在東工大で開発研究を行っている。
その第 1 段階として、APF-IH 型線形加速器の低エネルギー入射原理実証機の研究を行い、2002 年 1 月に実証し終えた。第 2 段階として重イオン加速の原理実証器として、実際のガン治療に必要な炭素イオンを核子あたり 2MeV まで加速するテスト機を検討し、現在開発を行っている。そして、第 3 段階として核子当たり炭素イオンを 6MeV に加速する実用機の開発を予定しているが、ここでは、2MeV テスト機の 1/2 コールドモデルを用いた電場電圧分布測定結果について報告する。

加速器中の粒子の計算機シミュレーションを行った。
その方法として、① 粒子収束は APF の各種の位相シークエンスによる計算を行う② 加速電圧はセル長に従って電圧が増加する電圧傾斜型の電圧分布を採用した③ ガン治療用入射器の安定性を重視して、加速電界をキルパトリック限界の 1.5 倍に抑えた設計とした④ APF 収束の位相は電圧分布の安定性を考慮して位相は±ψとする 0 度を中心とする同位相を採用した
その結果求まったテスト機の主要パラメーターを
表 1 に示す。それを基に 1/2 コールドモデルを製作し、所望の電場電圧分布を達成すべく測定を行った。製
作した 1/2 コールドモデルを図 1 に示す。
表1

2MeV/u テスト機の主要パラメーター

Acceleration Particle
Input Energy
Output Energy
Operation Frequency
Synchronous Phase
Number of Cell
Cavity LengthDiameter of Cavity
Focusing Sequence
Transverse AcceptanceLongitudinal AcceptanceTransmission
Acceleration Voltage/Gap

q/A > 1/4
40 keV/u
2.0 MeV/u
100 MHz-30 , -30 , +30 , +30
221380 mm
560 mm-30 , -30 , +30 , +30
97.6π mmmrad
35°
65% by Buncher
90-540 kV

２．2MEV/U
テスト機の初期設計
２．
テスト機の設計概念として、ＥＣＲ型重イオン源からの数 100μA のＣ４+イオンを核子あたり 40keVに加速して本加速器に入射するものとし、出射エネ
ルギーは核子あたり 2MeV として実用入射器の 3 分の 1 のテスト機を想定した。そこで、APF-IH 型線形
1E-mail: 02d19092@nr.titech.ac.jp

図11/2 コールドモデル３．低電力試験測定システム
測定システムは信号発生器 SG とベクトル電圧計VVM、そしてオシロスコープから構成される。測定システムを図２に示す。SG の RF 信号をモデル空胴にカプラーを通じて入力し、モデル空胴のピックアップ出力信号との位相差を VVM で測定することによりギャップ間の電場分布を求める。位相差波形はオシロスコープに保存する。摂動体は直径 1mm のアルミニウム球に糸をつけ、インダクションモーターを回転させてモデル空胴内に挿入する。
この電場分布から算出される電圧分布が設計段階におけるそれに近づくように調節する。一般に IH 型
加速空胴でギャップ間の電場分布を調節する場合、加速空胴内の共振磁場をステム支持部に加速軸方向に貼り付けられた金属板（リッジ）の長さ、端を切り欠くことにより行う。この磁場の流れの調整機構をインデューサーと呼び、その概念図を図３に示す。
また、共振周波数と Q 値の測定は、SG を周波数ごとに変え VVM により測定する。図 4 に共振周波数波形の例を示す。

図４４．測定結果
測定の結果採択されたリッジ状態と電場分布を図5 に、それを基に算出された電圧分布を図 6 に示す。
リッジ長は 460mm、切りかけ部分は下流側に 120mm、端板とリッジとの距離は上流側 10mm、下流側 50mmであり、共振周波数は 205.595MHz、無負荷 Q 値は5800 であり、この共振周波数波形は図 4 である。電場分布が入射側付近と出射側付近で相対的に高くなるため、中梁と端板との距離を狭めて磁場が流れ込まないようにし、電場強度を下げた。その結果、空胴長が 690mm から 640mm に減少したため共振周波数が増加した。

図5

図２

図３

共振周波数波形の例

リッジ状態と電場分布測定システム図

インデューサーの働き

図 6 測定結果の電圧分布と理論値との比較（横軸はセル番号、縦軸は相対電圧値）

図７

中間板の設計図

５．電場測定後のテスト機設計

６．まとめ

モデル電場測定より求まった図 6 の電場分布、共重イオン加速の原理実証機として実際のガン治療
振周波数を用いて再び計算機シミュレーションを行に必要な炭素イオンを核子あたり 2MeV まで加速すった。共振周波数の増加に伴い入射エネルギーは増る実用機の 3 分の 1 テスト機を検討した。初期設計加したが、位相シークエンス「-30、-30、+30、+30」 により製作された 1/2 コールドモデルにより電場分で出射エネルギー、全体のセル長、ビームアクセプ
布測定を行い、インデューサーにより所望の電場分タンスがほぼ予定どおりの結果を得ることが出来た。 布を達成すべく調整を行い、その結果採用されたデ
そこで、このデーターを用いてテスト機を製作するーターを基に再度数値シミュレーションを行いテスことにした。テスト機のパラメーターを表 2 に示す。
ト機の設計を行った。その結果、入射エネルギー
加速空胴は組み立ての容易さ、実験環境、メンテ
42keV/u 、 出 射 エ ネ ル ギ ー 2.0MeV/u 、 共 振 周 波 数
ナンスの容易さから上下タンクと中間リッジ板から102.7MHz、加速空胴長 1280mm、加速空胴径 560mm構成される 3 枚下ろし構造とした。図 7 に中間板ののテスト機の設計を行った。
図面を示す。加速空胴上下タンクはチャンネルを溶
今後はこの製作する加速器を用いて C4+イオンの接してチャンネル内を空冷し、中間板はドリル穴工加速実験を行い重イオン加速の原理を実証する。
作により直接冷却する。ドリフトチューブは中間板中の冷却水からステムの熱伝導で冷却される。

参考文献
表2

2MeV/u テスト機の主要パラメーター

Acceleration Particle
Input Energy
Output Energy
Operation Frequency
Synchronous Phase
Number of Cell
Cavity Length
Diameter of Cavity
Focusing Sequence
Transverse AcceptanceLongitudinal AcceptanceTransmission
Acceleration Voltage/Gapq/A > 1/4
42 keV/u
2.0 MeV/u102.7 MHz-30 , -30 , +30 , +30
221280 mm
560 mm-30 , -30 , +30 , +30
99.5π mmmrad
30°
65% by Buncher
120-560 kV[1] S,Yamada, et .al. ; Proceeding 1990 International
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al.
;
Nucl.
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A145(1998)287-290[7] T.Hata, et. al. ; Proceeding 26th Linear Accelerator Meeting,26 (2001) 186-188[8] K.Yamamoto et. al. ; Proceeding 26th Linear Accelerator
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