測定器開発室セミナー@KEK June 14 2007

エマルションによる医療用炭素ビームの核破砕反応の測定
歳藤利行
KEK 計算科学センター

Carbon ion therapy
Ref. http://www.nirs.go.jp/tiryo/himac/himac2.htm

Relative Dose (%)

100

Ｘ-ray

Bragg
peak

γ-ray
neutron50

protoncarbonDepth - Human Body (cm)

15Amaldi & Kraft
Rep. Prog. Phys. 68 (2005) 1861

BEVALAC バークレイ 1975 - 1992 Ne, Si ~400人
放医研 1994 - 12C これまでに 3000人以上
GSI 1997- 12C
兵庫県立粒子線医療センター 2002 - 12C

I. Pshenichnov et al.,Phys. Med. Biol. 50 (2005) 5493

12C

16O

B, Be, Li,He, H, n
12V~V( C)・70% の一次炭素線はブラッグピークに達する前に破砕反応を起こして消滅する(400MeV/nの場合)・破砕反応はdepth-dose profileに大きく影響する
tail dose、横方向へのdoseのしみだしの原因となる

治療計画、線量計算
・治療の現場ではCT値を用いて、患者体内を水で近似、半経験的な核破砕反応モデル(例えばSihverモデル)を用いて計算する・基礎研究としてはMonte carloコードを使った計算が始まっている
例えばGeant4, PHITS, Fluka
・ところが核破砕反応の断面積の実験データは非常に乏しい
・線量計算の精密化のためには実験データが不可欠エマルション実験を考案

180MeV/n
12C150μm

Emulsion as a detector of fragmentation
Carbon beam
180 MeV/nInteraction
HeliumProtonHeliumProton・4π tracking device with 3D resolution of ~1μm
・Track by track particle identification
・Event by event full reconstruction
capable of detailed analysis
such as correlation of multiple tracks

オペラフィルム

10cm

12.5cm

富士フィルム社製

OPERA実験用に大量生産

乳剤
44μm

乳剤
44μm
TACベース
200μm

桑原、西山 日本写真学会誌 67 521(2004)

機械塗布
リフレッシュ機能 (5-メチルベンゾトリアゾールを添加)

AgBr結晶
密度6.47g/cm3
バンドギャップ2.6eV

200nm
乳剤中での体積充填率30%
結晶あたりM.I.P.の場合Max(Edep)~250eV
約100個の電子-ホールペア

自由電子の一部は格子間銀イオンと出会い潜像核(安定な銀原子のかたまり)を形成
現像:還元反応により潜像核を銀微粒子に成長させる
Grain Density（100micron当たりの現像粒子数）35個 for M.I.P
量子効率 10~20%

2keV/銀粒子

イオンの飛跡の見え方

H (z=1)He (z=2) Li (z=3)

Be (z=4)

The Study of Elementary
Particles by the Photographic
Method C.F.POWELL et al.

B (z=5) C (z=6)

High speed emulsion read-out system

Developed at Nagoya university
DONUT: ντ discovery (1998)
OPERA: νμ→ντoscillation (since 2006)

~120μm

44μm

16層の断層映像
3次元画像処理中野敏行:三次元素粒子飛跡の並列画像処理
日本物理学会誌2001年6月号
S.Aoki, et al. NIM B 51(1990)466

M.I.P.付近でのｄE/dxの測定
KEK PSπ2
P=1.2GeV/c
Positive charge
π+,P,・・・
50mradExposed on Nov.2002

dE/dx measurement by pulse height of Track Selector

T. Toshito et al., NIM A 516(2004)436

π+Proton放医研 HIMAC-P152実験
・2003～2006年
・100~430MeV/n 炭素ビームを使用
・原子核写真乾板を核破砕反応の研究に導入するために必要な開発研究
・炭素線が体内で起こす破砕反応のデータ収集
・Geant4を検証、改良する研究機関
名古屋大学、高エネルギー加速器研究機構、
放医研、東邦大学、神戸大学、愛知教育大学、鳴門教育大学、群馬大学、JAXA、SLAC

2003~ Detector R&D for particle identification
2004~ Physics data taking and analysis

Emulsion Cloud Chamber
オペラフィルム

10cm

135MeV/n 12C

OPERA実験用に大量生産

44μm両面乳剤塗布、200μm TACベース

オペラフィルムを炭素ビームが電離によりエネルギーを失って止まるまで積層116枚（厚さ３．５ｃｍ）

ビームトラックの再構成
135MeV/n 炭素ビーム２万本を追跡、再構成

Charge identification
Ekine=430~100MeV/n

Z=1Detected track
Z=2Z≧344μm

pixel
0.3μm× 0.3μm

Volume pulse height
Z=6secondarybeam
飽和する
Volume pulse height∝dE/dx(β) near MIPs・・・・・・ 16layerリフレッシュ処理による解決～8 grains/100μm

35 grains/100μm

30℃,R.H.98%,3days
Z=1

Refreshing is used as a method
to reduce sensitivity

Z=2
Z=6

δray～5tracks/44μm

45℃ 38℃ 30℃

Apr.May.2004

Secondary beam from Z=2 to 6 producedby 290MeV/u 12C
β~0.653Heaverage
Be

7LiLi9BeB

11B
12C

45℃ 38℃ 30℃ Reference

Volume pulse heightNot refreshed

Capable of charge identification up to Z=6T. Toshito et al., NIM A 556 482 (2006)

Physics run with 400 MeV/n 12C and water target
水は組織等価物質として最適
・Wide energy range
・Build-up of thin (2mm :~0.015λint)
water target
・Large angular acceptance: tanθ<0.5・Track by track charge identification

水槽

87層40cm

21cm

Physics run with 400 MeV/n 12C and water target@ NIRS-HIMAC
65layer
Stopping point of carbon

beam

30cm

Track and vertex reconstruction
after emulsion read-out: NETSCAN
12C Beam ~10000 particles~4000 interactions

2.5cm25cm

Z=1Z≥2

Film A: sensitive for M.I.P.

Film B: desensitized

Charge identification by pulse heights

Z=6Z=5
Z=4
Z=3
Z=2
Film D: desensitizedバーテックスの深さ分布

インパクトパラメータ(μm)

入射核破砕反応断面積の導出

ビームと2次粒子を同時測定して反応を再構成・検出

xNint
P(反応確率)=Nbeam(1)P<<1ならばM(=18分子量)Pσ=NAρ(密度)x(厚さ)Nbeam(1) Nint
Nbeam(2)Carbon-Water
charge-changing cross sections 200-400MeV/n
Total

Our results

C→B (ΔZ=1)

Sihver (HIBRAC)
Geant4 binary cascade

C→Be (ΔZ=2)

C→ Li (ΔZ=3)

Angular distributions of H and He
fragments in Carbon-Water interactions
HHe

Our dataGeant4
Binary cascadetanθtanθ

200-400MeV/n

Detection of 8Beground state
Small Q-value :~90keV
Opening angle between twoα< 20mrad
αCarbon-Water 200-400MeV/n12C

α8Becτ~10nm
TargetOpening angle between two He (Z=2)~400events

preliminary

20mradtanΘ

2次粒子で8Beが作られた反応の候補
2本のヘリウムがほぼ平行に出る
12C 300MeV/nHeHeHe25cm

9
Detection of B
Carbon-Water 200-400MeV/n

9B→8Be+p12C

ground statecτ~0.1nm cτ~10nm
9B 8Be2αTarget
Small Q-value :~200keV
Opening angle between α and p < 30mrad
Opening angle between He and H
after cut: tanΘ( two He)<0.02~80events

・First observation
in a few 100 MeV/n region
・Bumpy structure in tanΘ
would be explainedby contribution
from excited states
30mradtanΘ

preliminary

ααp

9B
Side-viewg.s. candidate
HeH
He

12C 350MeV/n

H
25cm
Top-view

He HeH12C 350MeV/nH

開発要素• 電荷の同定 金沈着現像• 同位体の同定 磁場中でのトラッキング金沈着現像Prof. K. Kuge (Chiba Univ.)
RedOx• 通常現像Ag+ はAgBr結晶から供給される

Latentimagee-Silver
filament

Ag+AgBrgold thiocyanate complex• 金沈着現像solution
Au
Auが現像液(金チオシアネート錯体
Latentイオンを含む)から供給される
imageAgBr

hemisphere金沈着現像Carbon track
203[MeV/n]

M.I.P.×50

120100GD [/100m icron]

通常現像

光学顕微鏡観察B C

80Be6040Li

20002040

6080

dE/dx [MeV･cm 2/g]

100

潜像核密度 [個/micron]

電子顕微鏡観察

炭素線
従来の現像

炭素線
金沈着現像

α線
金沈着現像

65Preliminary

4α線

32

炭素線

100200400
電離損失 [MeVcm2/g]

撮影:久保田寛隆 名古屋大学

潜像生成機構の解明
破砕片粒子同定への応用
ナノスケールでの線量測定の可能性
ガイガー管と比例計数管の関係と類似Tracking test in magnetic field

248mm

B 1T

６５×６５×２００mm3

18．3cmToho university

zx3．0cm
180MeV/n 12C~1000 tracks

This technique can be applied
to identify mass of fragments.

Summary
・エマルション技術を炭素線治療における線量計算の精密化に応用するための研究を行った。
ニュートリノ実験のための開発要素が基盤
オペラフィルム、飛跡読取装置
・物理量として炭素-水反応のCharge-changing cross sectionを測定した。
・Geant4の検証・改良に着手
・現在も主に粒子同定の性能をあげるための研究を続けている。

今年度後期から放医研で照射実験を行う準備中
様々なビーム・ターゲットの組み合わせ