2019 年 4 月 17 日

線量測定用フィルムの試験報告 (revised 1)
神原 正
1．概要
2019 年 3 月の生物照射ビームタイムの際に線量測定用フィルムの試験を行った。フィルムは米国
Ashland 社製の GafchromicTMで、可視光ではほとんど感光しないが、放射線を照射すると線量に従って色が変わり、PC 用のスキャナで読み取って 2 次元の線量分布を推定できる。詳しくは文献 1 参照。
なお今回の試験は昨年 12 月に引き続き 2 回目である。
今回の照射の目的は以下の事項である。
1.

Fe イオン照射：前回は Fe イオンの照射ビームタイムが中止になった。

2.

前回より低い線量で照射： 前回は 10Gy から 1000Gy の線量で照射したが、10Gy でも十分着色したので今回もっと低い線量で照射した。

3.

別種のフィルムの試験：前回と同じ高線量測定用の型番 HD-V2 に加えて、今回新たに低線量測定用の EBT-3 を試験した。

カタログ上の使用可能な線量範囲は HD-V2 で 10-1000 Gy、EBT-3 で 0.1-10Gy であるが、これは X線・ガンマ線に対する値と考えられる。
前回の重イオン照射によると HD-V2 で測定可能な上限は 300Gy程度で、10Gy でも十分使用できた。
HD-V2 は感光面が露出しているので取り扱いに注意が必要であるが、ビームが感光膜を直接照射するのでブラッグピーク付近でも使用できる。EBT-3 は感光膜がプラスチックの保護膜 2 枚の間に挟まれているので取り扱いが楽であるが、ビームが保護膜を通過する際に LET が変化するのでブラッグピーク付近での使用には注意が必要で、今回はデグレーダなしの照射のみを行った。
ビームタイムの日時とイオン種、エネルギーを表 1 に示す。
表 1：生物照射ビームタイムの概要
日時【2019 年】

イオンエネルギー(MeV/A)

3 月 12 日 9:00-13:00 (4h)Ar-40

160 (IRC)

3 月 13 日 9:00-12:00 (3h)Fe-5690

3 月 14 日 9:00-15:00 (6h)C-12135なお、以下では生物照射の慣例に従い、LET は水中の値を keV/µm で表す。また吸収線量（Gy）は生物照射の通常の手順で測定した。

2．照射条件
今回使用したイオンビームの LET とデグレーダ厚さの関係を図 1 に示す。生物照射前の線量測定によると、デグレーダなしの LET は C イオンで 22.5 keV/µm、Ar イオンで 184 keV/µm、Fe イオンで 637keV/µm である。

図 1：照射したイオンと LET、赤丸は今回の照射条件
HD-V2 フィルムに対する照射条件を表 2 に示す。それぞれのイオンでデグレーダなしの照射を行い、同じ LET で異なるイオン核種による効果を比較するため、C イオンの LET を Ar イオンのデグレーダなしとほぼ同じ 179keV/µm に、Ar イオンの LET を Fe イオンのデグレーダなしとほぼ同じ 673keV/µmに設定して照射し、さらに高い LET として 1000 keV/µm の Fe イオンで照射した。なお表 1 の中のエネルギー値と水中飛程長は LET の測定値から SRIM-2013 を用いて逆算した。
表 2：HD-V2 フィルムの照射条件
イオン
C-12
Ar-40
Fe-56

LET

デグレーダ

エネルギー

水中飛程

線量

線量率

(keV/µm)(mm)(MeV/A)

(mm)

(Gy)

(Gy/s)

22.5

なし

12136.345

1, 2, 5, 10

0.12 - 0.16

179

18.6

9.7

0.387

10, 20, 50, 100, 200, 300

3.3 7.9

184

なし

15018.79

1, 2, 5,10, 20, 50

0.12 - 0.15

6738.425.50.901

2, 5, 10, 20, 50, 1000.4 - 0.54637なし

69.4

3.58

10, 20, 50, 100, 200

1.6 - 2.11061

134.6

1.119

10, 20, 50, 100, 200

2 - 3.9

使用したイオンの水中飛程は最短でも 380μm で感光膜の厚さ 12μm より十分長いので、感光膜内でのイオン減速による LET 変化は重要ではない。
EBT-3 フィルムに対する照射条件を表 3 に示す。いずれのイオン種でもデグレーダなしで線量は 0.2
Gy から 10 Gy の範囲である。感光膜までにイオンが通る保護膜の厚さは 125μm であるが、イオンの飛程はそれより十分長いので通過による LET の変化は重要ではない。

表 3：EBT-3 フィルムの照射条件
LET

デグレーダ

エネルギー

線量

線量率

(keV/µm)(mm)(MeV/A)(Gy)(Gy/s)

イオン
C-1222.5なし

1210.2, 0.5, 1, 2, 5, 10

0.05 - 0.16

Ar-40184

なし

1500.2, 0.5, 1, 2, 5, 100.06 - 0.15

Fe-56637

なし

69.4

0.2, 0.5, 1, 2, 5, 100.06 – 0.53．装置設定
Gaf フィルムは 4cm×5cm の長方形に切って、写真１のように試料用カセットに貼り付けた。ビームは写真の手前側から照射される。HD-V2 フィルムは感光膜側を上流にして照射した。なお照射中の室内環境放射線の効果を見るために、イオン照射をしない参照用試料を 1 枚取り付けた。

写真１：照射前の試料カセット
写真 2 は生物照射装置で、ビームは別途製作した厚さ 10mm の真鍮製コリメータ（ZnS 蛍光板の左）の中心にある直径 20mm の円形開口を通って試料に照射された。

写真 2 照射装置とコリメータ

4．照射後のフィルムの見た目：
写真 3 は Ar ビーム照射後の試料カセットで、上は 184keV/μm で照射した EBT-3 フィルム、中は673keV/μm、下は 184keV/μm で照射したいずれも HD-V2 フィルムである。線量は左から右に向かって高くなるが、一番右のフィルムはビーム照射なしの参照用である。

写真 3：Ar ビームで照射したフィルム。
Gaf フィルムは線量が高いほど変色している。前列と後列のデグレーダなし照射では変色域がコリメータの開口と同じ大きさであるが、中列のデグレーダあり照射ではそれよりも大きく広がっている。図 2 にデグレーダあり・なしで Ar ビームの 50Gy を照射した
HD-V2 フィルムを比較する。右側の Gaf フィルムのビーム像がぼやけているのは、エネルギーを LET=673 keV/μm に対応する約25.5MeV/A まで下げるために厚さ約 8.4mm のデグレーダを通したので、ビームが多重散乱で広がったためと考えられる。

図 2：Ar イオンで 50Gy 照射した HD-V2 フィルム、左はデグレーダなし、右は 8.4mm のデグレーダあり。

5. 画像処理
文献 1 の手順に従い、照射による Gaf フィルムの吸光度の変化を測定した。照射前後に Gaf フィルムの吸光度分布を求め、照射後の値から照射前の値を差し引いて吸光度差とした。前回の測定では照射前の吸光度として別途用意した未照射試料で測定した吸光度の平均値（定数）を用いたが、今回はそれに比べて照射線量が少なく着色が薄いのでより厳密を期すため、照射前に全 Gaf フィルムの吸光度を実測した。スキャナは仁科棟地下 2 階奥廊下の PC に接続されている CANOSCAN9000F、PC ソ
フトは主として Microsoft のペイントと Microsoft Office Picture Manager を使用した。
以下図 3 参照：照射前のフィルム（20 cm×25cm）に４cm×5cm 間隔のマス目を引き、25 等分した区画にサインペンで通し番号を書く。

スキャナでフィルムを読み取り、解像度 75dpiのビットマップ(.bmp)ファイルにする。



ペイントで 40mm×50mm の赤枠の bmp 画像を作り、フィルム画像上の区画に貼り付ける。
（現物のフィルムに赤枠を描くのではない。
）



それぞれの区画を赤枠のすぐ外側でトリミングして同じサイズの bmp 画像ファイルとする（図 3 右上）。



それを 16 色の bmp 画像に変換し、枠と文字を残して白で塗りつぶして別のファイル名で保存する。これが照射後のフィルムの位置合わせ用

図 3：照射前の Gaf フィルム全体とその 1 区テンプレート画像になる（図 3 右下）。

画と位置合わせ用テンプレート画像

以下図 4 参照：照射後のフィルムを白紙の上にならべて貼ってスキャナで読み取り、まとめ撮り画像の bmp ファイルにする。



まとめ撮り画像ファイルの各フィルム部分に同じ通し番号の位置合わせ用テンプレートの画像を重ね、透明を選択して両方の手書き文字が最も重なるように位置を合わせて貼り付ける。



赤枠のすぐ外側でトリミングする。照射前フィルム
画像と同じ位置・同じ大きさの照射後フィルム画像ファイルができる（図 4 右上）。



照射後画像の上でビームスポット外周にできるだけ重なるような円を描き、その中心のピクセル位置を記録する。これがビームスポット中心位置となる。
ビーム外周がぼやけて視認困難な場合は円を重ねる
前に「Microsoft Office Picture Manager」でコントラストと明るさと中間色を調整する（図 4 右下）。

図 4：照射後の Gaf フィルム全体とその1 枚とそのビームスポット中心さがし用の調整画像



只ソフト「bmp2csv」で照射前・照射後の画像の bmp ファイルを画素ごとに数値化してテキストファイルに収める。各画素の色は 3 原色の赤緑青それぞれに対して 0 から 255 までの数値で表されるので、テキストファイルは画像 1 つに対して赤緑青の各 1 つ、合計 3 つできる。

作成したテキストファイルを自家製のプログラム（VEE 言語）で読み込み、文献 1 にある所定の演算を行って照射前後それぞれの Gaf フィルムの吸光度分布を求め、その差（吸光度差）を照射線量に対応する量としてプロットした。
6. 結果

6.1 HD-V2 フィルム
吸光度差の位置依存性
HD-V2 フィルムで三原色それぞれに対して測定した吸光度差の水平方向位置(x)依存性を図 6-8 に示す。図 5 の赤色長方形のようにビームスポット中心をx 方向に通る帯をとり、吸光度差をその y 方向の幅（11 画素＝約 3.7mm）で平均して x の関数としてプロットした。図 6-8 で左のグラフは C イオン、中央は Ar イオン、右は Fe イオンで、それぞれ上はデグレーダなし、下はデグレーダありの結果である。
図 5：赤枠は吸光度差のx 依存性を取った範囲

図 6：緑色の吸光度差

図 7：赤色の吸光度差

図 8：青色の吸光度差
吸光度差の位置分布にはどの色でも以下のような傾向がある。
デグレーダなしの照射（それぞれの色の上半分のグラフ）では、コリメータの開口部±10mm の範囲内で吸光度差がほぼ一定で、その外では急速に減少する。ただし外側でも少し裾を引いているが、これはコリメータ板中の核破砕反応で生成して板を通過してきた p、αなどの軽い二次核種による可能性がある。



デグレーダありの 179keV/μm の C イオンでは、ビームスポットの裾が直径 30mm 以上まで広がって、スポット中心付近でもフラットトップにならない。これは厚いデグレーダでビームが多重散乱されて角度広がりが大きくなったためと思われる。



デグレーダありの Ar イオンと Fe イオンの照射では、ビームスポット中心付近でほぼフラットトップになるが、コリメータ開口部の外側ではデグレーダなしの場合より裾が高い。これもデグレーダ中の多重散乱によると思われる。

その一方で、解析された色による違いもある。


感度は青色がもっとも低く、赤色が高い。緑色はその中間である。たとえば 22.5keV/μm で 10Gyの C イオン照射の場合、青色解析では吸光度差がほとんど見えないが、赤色解析では顕著に見える。この感度の違いは文献 1 と定性的に一致する。



赤色では 100Gy 程度で吸光度差が飽和し、その付近で吸光度差の分布がフラットトップから外れるように見える。たとえば Fe イオンの 200Gy 照射ではデグレーダあり・なしどちらも左のほうが高く、100Gy では逆に右が高く見える。より低い照射線量ではほぼ一定なのでビームの強度分布のせいではなく、飽和に近い線量で Gaf フィルムの感光特性にムラがあるためかもしれない

照射線量依存性
ビームスポット中心に描いた一辺 4.4mm の正方形内で吸光度差の平均値を求め、照射線量の関数としてプロットした結果を図 9 に示す。上は測定結果全体、下は 55Gy 付近までの部分の拡大図である。なお 179keV/μm の C イオンでは吸光度差の分布がフラットトップになっていないので、この平均値は過小評価の可能性がある。また図中の破線は 2018 年 12 月の測定結果である。

図 9：HD-V2 フィルムのビームスポット中心付近で平均した吸光度差の照射線量依存性で左から緑色、赤色、青色の解析結果。破線は 2018 年 12 月の測定結果。

吸光度差は照射線量に従って増加し、赤色では 100Gy 付近、緑色では 200Gy 付近で飽和する。青色では約 300Gy までほぼ線形に増加するが、20Gy 付近以下の低線量領域ではほとんど増加しないように見える。ただし吸光度そのものが低いのではっきりしたことは言えない。イオン種と LET 別にみると、飽和する線量以下では 22.5keV/μm の C イオンが一番大きく、次が 184keV/μm の Ar イオンで、それ以外はほぼ同じ値となる。LET は照射条件により 50 倍近く異なるが、吸光度差のちがいは 50％程度であまり顕著ではない。また破線で示した 2018 年 12 月の測定結果と今回の結果はよくつながるので、Gaf フィルムの線量測定も生物照射の線量測定も再現性がいいと言える。
HD-V2 フィルムの取扱説明によると Dynamic Dose Range は 10-1000 Gy であるが、今回の測定によれば高速重イオンに対する実用的な測定範囲は緑色では 1Gy から 200 Gy くらい、赤色では 1Gy から100Gy くらい、青色では 50Gy から 300Gy くらいの間と思われる。

LET 依存性
同じ照射線量で LET 依存性を見るために、異なる照射条件で 50Gy 照射した Gaf フィルムの各色の吸光度差を図 10 に比較した。ただし 22.5 keV/μm の C イオンの吸光度差は 2018 年 12 月のビームタイムで測定された値である。また青色の吸光度差が低いので見やすくするため 3 倍している。いずれの色でも吸光度差の LET依存性は緩やかで、LET が低いところではやや高いが500keV/μm 以上ではほぼ一定に見える。ただしどの色でも LET が 180keV/μm の吸光度差は C イオンよりAr イオンのほうが高いが、C イオンのビームスポット

図 10：同じ照射線量で LET 依存性が多重散乱で広がってフラットトップではなかったので過小評価されている可能性があり、今後さらに確認する必要がある。
もし吸光度差がイオンの種類によらず LET と照射線量のみで決まるのであれば、吸光度差の実測値に対して LET で適当な補正をすれば、照射線量を 20%くらいの精度で得ることは可能と思われる。

6.2 EBT-3 フィルム
EBT-3 フィルムで HD-V2 フィルムと同様の解析を行った。

吸光度差の位置依存性
EBT-3 フィルムで三原色それぞれに対して測定した吸光度差の水平方向位置(x)依存性を図 11 に示す。図中上は緑色、中央は赤色、下は青色の解析で、それぞれ左から C イオン、Ar イオン、Fe イオ
ンのいずれもデグレーダなしの照射である。

図 11：EBT-3 フィルムの吸光度差の水平方向分布。
EBT-3 フィルムでは解析した色による違いが目立つ。緑色ではコリメータ開口部内で吸光度差の分布がフラットトップで、高さが 10Gy まで単調増加している。赤色では 5Gy 付近で飽和して、分布も左がやや高めに傾いている。青色では他の色に比べてかなりややこしいことが起こっているようで、吸光度差の絶対値が他の色に比べて小さいだけでなく、低線量領域ではビームスポット内でマイナスになり、５Gy 以上でプラスに転じる。なお青色のグラフ中の赤い線は１Gy 照射に対する吸光度分布である。またグラフを見やすくするために、吸光度差の曲線が x=-10mm 以下で大体重なるようにそれぞれを適当にかさ上げ・かさ下げしている。

照射線量依存性と LET 依存性
ビームスポット中心に描いた一辺 4.4mm の正方形内で吸光度差を平均し、照射線量および LET の関数としてプロットした結果を図 12 に示す。一番右の青色では吸光度差が低線量でマイナスなので吸光度差=0 の線が縦軸の中央付近を通ることに注意。

図 12：EBT3 フィルムのビームスポット中心付近で平均した吸光度差の照射線量依存性（上）と LET 依存性（下）。左から緑色、赤色、青色の解析結果。
EBT-3 フィルムの吸光度差は照射線量に対して HD-V2 フィルムと似たような依存性を示す。すなわち赤色は緑色より立ち上がりが早いが 5Gy 付近で飽和し、青色は立ち上がりが遅いだけでなく低線量で線形性から大きく外れる。また LET 依存性も HD-V2 と同様で、LET が低いイオンでは吸光度差が大きい。実用上 EBT-3 フィルムは緑色解析が最も便利で、LET に対する適当な補正をすれば 0.1-10 Gyの範囲の照射線量を 20%以内の精度で推定できると思われる。
7．まとめ
Gaf フィルムを LET が 22.5 – 1000keV/μm の範囲で試験した結果をまとめると、この LET 範囲で適当な補正をすれば HD-V2 フィルムは 1 -200 Gy の範囲、EBT-3 フィルムは 0.1-10 Gy の範囲の照射線量を±20%の精度で推定し、また線量の 2 次元相対分布を 0.3mm あるいはそれ以上の分解能で測定できると期待される。HD-V2 と ETB-3 を組み合わせれば、0.1-200 Gy の範囲で線量とその分布の推定が可能と期待される。
Gaf フィルムは取り扱い・持ち運び・保存が容易で市販の PC 用スキャナで画像データを取り込むことができる。したがって、たとえば遮光性の袋に封入した Gaf フィルムを照射試料と一緒に照射して保存すれば、後日必要になった時に線量値を推定できる。ただし多数の Gaf フィルムで取った画像データから吸光度差を求めるには、PC 上でペイントより効率のいい専用のソフトが必要である。
参考文献
1．上松 敬、花屋博秋、小嶋拓治：「Gaf フィルム線量計とイメージスキャナを組み合わせた簡便なイオンビームの 2 次元線量相対分布計測システム」、RADIOISOTOPES, 57, 87 (2008)