2021 年 1 月 25 日

Gafchromic フィルムによる強度分布測定－Ar ビーム広がりの散乱体依存性
神原 正
概要2021 年 1 月 16 日に E5A ビームラインで行った ML 社有償利用ビームタイムの際に GafchromicTM フィルム（EBT3、以下「Gaf フィルム」）により照射強度分布を測定した。加速エネルギー95 MeV/Aの Ar-40 ビームを空気中に取り出し、客先試料照射位置で約 85mm×85mm の Gaf フィルムに照射した。照射後の Gaf フィルムの解析手順は以前の報告と同様である。
今回の照射の目的は、通常行っている照射用ビームの一様性の評価に加えて、散乱体中の多重散乱で生じるビームの角度広がりを評価し、理論および以前の測定結果と比較することである。
Ar ビーム照射1 月 16 日 6 時 57 分頃から 7 時 56 分頃まで（ログノート p. 155）
、Ar-ビームを Gaf フィルム 7 枚に照射した。そのうち 3 枚（Gaf 05-07）は照射に使われるビームの一様性を評価するため散乱体と Wobblerを通常照射と同じ設定にした。あとの 4 枚（Gaf 01-04）は散乱体の材料と厚さによる多重散乱効果の違いを見るため Wobbler を OFF にした。以前同じ目的で行った照射では線量が高すぎて Gaf フィル
ムの吸光度が飽和していたようなので、今回はアテネータを増やして低線量で照射した。さらに生ビー
ムの形状を見るため 1 月 17 日 21 時 15 分に散乱体も空気中物体も無し、Wobbler を OFF で 1 枚照射した（Gaf 11）。表 1 は照射条件である。
表1Gaf 番号Wobbler

散乱体厚さ(m)

IC1+PL1

コリメータ

ATT

照射時間（s）

01

Off

金75

無無12004

12002

Off

金50

無無12003

12003

Offアルミ50

無無120032004

Off

金5無無12003

2505

R=38

金75

無無1200212006

R=38金75

有無12002

12007

R=38金75

有30mm□

12002

9011OFF無0

無無120042

図 1 に照射された Gaf フィルムのスキャナ画像を示す。画像はビームに乗って見た方向で、緑色の円は Gaf フィルムの取付板に開けられた穴の外周である。
Gaf 01、02、05、06 のビームスポットの外縁は直径約 52mm の円形で、取付板に対して右上に少しずれている。それに対して Gaf 03、04、11 のビームスポットは取付板のほぼ中央にある。

Gaf 01

Gaf 02

Gaf 03

Gaf04

Gaf 05

Gaf 06

Gaf 07

Gaf11

図 1：Ar イオンで照射した Gaf フィルム。
図 2 に吸光度差の二次元分布を示す。二次元表示の原点は Gaf フィルム上に描かれていた円の中心に合わせた。

Gaf 01

Gaf 02

Gaf 03

Gaf 04

Gaf 05

Gaf 06

Gaf 07

Gaf 11

図 2：Ar ビーム照射による吸光度差の二次元分布。

ビームの輪郭はスキャン画像と同様に右上にずれているが、ビームの最大強度を示す赤い部分の中心はフィルムの中心に近い。なお Gaf01 の 2 次元分布では中心を通る x 方向の線上に乱れがあるが、Gaf フィルムの bmp 画像のコントラストを上げると右図のように同じ場所に縞模様がある。いまのところ原因は不明。
照射ビームの強度分布
散乱体と Wobbler を客先照射時と同じ条件にして照射した Gaf 05-07 のフィルムの解析結果を図 3 に示す。フィルム中心を通る x 方向と y 方向の直線に沿った吸光度差の一次元分布で、幅 15 画素（約5mm）で平均している。いずれの場合も吸光度差分布は±5%の範囲で一様である。

図 3： 客先照射条件の Ar ビームによる吸光度差の x 方向・y 方向分布

散乱体中の多重散乱による角度広がり
Wobbler を Off にして散乱体の種類を変えて照射した Gaf 01 から Gaf 04 までのフィルムに対して、中心を通る x 方向と y 方向の直線に沿った吸光度差の一次元分布を図 4 に示す。幅が狭いピークがあるのでスムージング平均の幅を 3 画素（約 1mm）とした。

図 4：材質と厚さが異なる散乱体を通過した Ar ビーム照射による吸光度差のx 方向・y 方向分布と Bethe-Moliere の多重散乱計算の結果。
測定結果は Bethe-Moliere（B-M）の多重散乱理論（文献 2）による計算と比較した。文献 2 で与えられる散乱角分布の展開第 1 項であるガウス分布の幅を（24）式、（24a）式および（27）式により求めて、散乱体とフィルムの距離を 4m と仮定して横方向の位置に対する分布幅に換算し、図中に青線でプロットした。SRIM-2013 によると薄膜に 95MeV/A で入射した Ar イオンは、通過後に金の 50m の散乱体では 91.93 MeV/A、75m の散乱体では 90.36 MeV/A になるので、B-M の計算ではイオンのエネルギーを通過前後の平均値である 92.68 MeV/A および 93.465 MeV/A に設定した。金の 5m およびアルミの 50m ではエネルギー損失が小さいので 95MeV/A にした。
金の 75m と 50m では B-M の計算が測定結果をかなり良く再現している。一方、金の 5m とアルミの 50m では計算の方が測定より幅が狭い。この 2 つの場合と Gaf 11 の生ビームのスポットについて、位置の範囲を±10mm にして図 5 に示す。いずれも分布幅は x 方向が y 方向より大きく、B-M の計算結果は測定値より 30%くらい小さい。散乱体がある場合の x 方向と y 方向の分布幅の違いが生ビームの形状が横長であることによると考えたくなるが、そう簡単ではなさそうである。

図 5：厚さ 5m の金、50m のアルミ散乱体通過後および散乱体無しの Ar ビーム照射による吸光度差の x 方向・y 方向分布を拡大してBethe-Moliere の多重散乱計算と比較。

今回の結果を 2020 年 12 月 23 日の N07 有償利用と 2021 年 1 月 11 日の R01 有償利用の際に行った同様の測定と比較する（図 6）。今回を含めた測定は厚さ 50m と 75m の散乱体でそれぞれ 2 回である。図中の青い線は B-M 計算の結果でそれぞれの測定結果に適当に合わせて引いた。

図 6：厚さ 50m と 75m の散乱体を通過した Ar ビーム照射による吸光度差の x 方向・y方向分布と Bethe-Moliere の多重散乱計算の結果を過去のデータと比較。

いずれの散乱体も ML01 では吸光度差の最大値が 0.3 以下で B-M の計算によく合っているが、R01 では吸光度差が 0.4 を超えると計算値より低くなり、0.6 付近で飽和するように見える。これは Kr ビームの場合（Gaf 報告_scatterer_Kr_210125.docx）と同様である。
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)
2． H. A. Bethe, “Molière’s Theory of Multiple Scattering”, Phys. Rev., 89, 1256 (1953).