Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

Cancer therapy facility of C6+ ion Injector linac by direct injection method
T.Hattori, H.Kashiwagi, N.Hayashizaki, Y.Takahashi, T.Hata, K.Yamamoto, S.Ueda,J.Takano, A.Takano, K. Sakakibara and M.OkamuraA)
Research Laboratory for Nuclear Reactors, Tokyo Institute of Technology
2-12-1 O-okayama, Meguro-ku, Tokyo 152-8550
A)
The Institute of Physical and Chemical Research
2-1 Hirosawa, Wako-shi, Saitama 351-0198
Abstract
In order to verify direct injection method, an acceleration test was carried out using Titech RFQ linac and CO2 laser
heavy-ion source. The accelerated C4+ beam was observed successfully and the obtained current was much 10 times
higher than designed currents. Using this method for C6+, We studied design of a very compact injector linac of Heavyion cancer therapy. The compact linac is APF-IH type cavity with high acceleration and power efficiency. The
synchrotron of 1turn injection for cancer therapy has compact size and high efficiency. Total size and cost are increased
by direct injection method.

炭素6+イオン直接入射線形加速器によるガン治療装置
１．はじめにYAGレーザーで数百mJを投入したレーザーイオン源では50％近くのＣ6+イオンを数十mA発生させることができることを見いだしたため、ガン治療用入射線形加速器に利用することを検討した。重イオン
ガン治療用シンクロトロンの入射線形加速器のエネ
ルギーは、炭素イオンがストリッパーフォイルで十分にＣ 6+ イオンを発生する6〜7MeV/uに選ばれている。しかし、入射線形加速器からＣ 6+イオンを加速すれば、エネルギーを2〜3MeV/uに低減することが可能となる。そこで前述のYAGレーザーイオン源によるＣ 6+ イオン直接入射法を用いることにより、RFQ型やAPF-IH型線形加速器で6mAを加速する小型ガン治療装置を検討したので報告する。

２．レーザーイオン源
レーザーイオン源による直接入射RFQ線形加速器の実験は、東工大で8JのCO2レーザーを使用しておこない、PARMTEQプログラムによるデザイン値よりＣ 4+イオンを〜10倍程度高い9mA加速するのに成功した[1-4]。CO2レーザーイオン源は最大強度を示すのはＣ 4+ イオンで100mA以上を発生することができる。一方600mJのYAGレーザーイオン源は短パルスレーザーのため、多価イオンを発生可能であり、炭素 タ ー ゲ ッ ト で C6+ イ オ ン を 40cm の と こ ろ で 、4.4mm穴で約70mA出すことが可能であった。これ
らのビームを入射線形加速器に直接入射する。

３．高強度Ｃ6+イオン加速線形加速器
高強度Ｃ 6+ イオン加速線形加速器は、低エネルギーから高強度を加速可能なRFQ型線形加速器と、加速電力効率が格段に優れたAPF-IH型から構成される。各加速器の検討状況を以下に述べる。

①RFQ型線形加速器
ガン治療用シンクロトロンの1ターン入射用線形加速器のビーム強度は6mAで十分である。しかし、RFQ 型 線 形 加 速 器 だ け で は 、 入 射 エ ネ ル ギ ー を2MeV/uとしても必要な加速電圧は4MVで線形加速器の全長は4〜5ｍになるため、それほど小型とはいいにくい。そこで加速電力効率の格段に優れたIH型線形加速器と組み合わせると、1.5ｍのRFQ型線形加速器で300keV/uに加速後、1ｍのIH型線形加速器
で 2MeV/u ま で 加 速 す る こ と が 可 能 で あ る 。 し たがって、2台の線形加速器で2.5ｍの小型入射器システムが可能である。この実証のために現在、理研、放医研、ゲーテ大学と共同でC4+ イオンで100mA、C6+イオンで60mAを加速する4rod-RFQ型線形加速器を製作し、ビーム加速試験中である。
②APF-IH型線形加速器[5-11]
加速電力効率の格段に優れたIH型加速空洞について、これまで各種の収束構造を検討してきている。
そのなかで低エネルギーからの加速に適した、APF（Alternating Phase Focusing）構造を採用した超小型のガン治療入射器について検討を進めている。詳細は次項以降に述べる。

４．超小型重イオンガン治療用入射線形加速器①Ｃ6+イオン源
ビーム幅が1〜3μsでＣ 6+ イオンを70mA発生するYAGレーザーイオン源を入射器のイオン源として採用する。
②2MeV/u APF‑IH型線形加速器
40keV/uのＣ 6+イオンを入射し2MeV/uまで約1ｍで加速可能であるのがAPF-IH型線形加速器である。

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服部研究室が製作してきた、ガン治療入射器のＣ 4+の拡がりが無くなる
加速2MeV/uテスト機のデータにより概算を行った。
・炭素ストリッパーの膜の厚さ及び、照射効果に
ここでは、運転周波数が100MHzの入射器を採用すよる膜厚の変動が無いため、加速器の運転条件ると、40keV/u入射、2MeV/u出射の線形加速器を検の調整が不要討した。以下に超小型入射線形加速器の主要パラメータを表1に、普及型ガン治療装置内での配置を②高強度ビームによる効果
図1に示す。全長1.3ｍで内径は56cmの加速空洞で十重イオンシンクロトロンに１ターン入射が可能な分な超小型の入射器が設計可能となる。
ビーム強度を入射できれば、マルチターン入射は必イオン源から70mA入射すれば、バンチャーなし要無くなる。
で、位相アクセプタンスが30度あることで、十分に・１ターン入射であるので、マルチターン入射に6mAアクセプトし加速できる。APFの収束効果は小必要な装置類やシステムが不要
さいのでビームの空間電荷効果が大きい大電流では・シンクロトロンの各種の電磁石はマルチターン加速出来ないが、予備的空間電荷効果を含んだ軌道入射のために、大きなアクセプタンスを持つよ
シミュレーションでは2〜3mAのビームは十分に透う磁極幅を大きくしてあるが、これを小さくす過することが分かった。今後、空間電荷効果を含んることができ、磁石の小型化や省電力化が可能だ軌道シミュレーションを予定している。となる（20〜30％）
表1 APF‑IH型線形加速器の主要パラメータ
Charge to mass ratio
1/2（C6+）
Operation frequency
100 MHz
Input energy
40 keV/u
Output energy
2 MeV/uSynchronous phase-30°,-30°,30°,30°
Number of Cell
22Cavity Length
1.3 m
Focusing Sequence-30°,-30°,30°,30°
Longitudinal Acceptance
30°
Transverse Acceptance
100πmm mrad
Acceleration average Voltage 60 kV/cm
RF Power
70 kW
Acceleration Rate
3.0 MV/m

以上のことより、入射器の性能は核子当たり2MeV/uのＣ6+イオンを発生させることで十分である。
そして重イオンシンクロトロン電磁石類の軌道アクセプタンスは入射エネルギーの低下を考慮しても、1/5〜1/10となり、電磁石の小型化、省電力化が実現する。普及型ガン治療装置の計画例を図1に、検討したシンクロトロンの主要パラメータを表2に示す。

５．ガン治療用重イオンシンクロトロンの入射条件
現在世界に有る4台（日本の千葉県と兵庫県の2台は運転中、ドイツのハイデルベルグは建設中、日本の放医研の普及型重イオンガン治療装置はデザイン中）のガン治療用重イオンシンクロトロンでは、Ｃ4+イオンをECRイオン源で発生させ、線形加速器で5〜7MeV/uに加速後、Ｃ4+イオンを炭素ストリッパーにより荷電変換してＣ 6+とし、これをシンクロトロンにマルチターン入射法で強度を上げて入射することで、必要な高エネルギーまで加速している。本研
究の、パルスレーザーイオン源によるＣ 6+高強度入射を以下に検討する。

図1

普及型ガン治療装置

表2 小型ンシンクロトロンの主要パラメータ
Particles
Proton and Carbon
Injection Energy2 MeV/u
Extraction Maximum Energy 250 MeV(proton)
400 MeV/u(carbon)
Circumference
62.8 mBeam Intensity
5x1010 ppp(proton)
4x109 ppp(carbon)
Maximum Bending Field
1.27 T
Bending Magnet Radius
5m
Synchrotron Mean Radius
10 m
1 Turn Injection Time
3.2µs
Maximum Repetition Rate
0.5 Hz (carbon)①Ｃ6+イオン入射による効果
Ｃ 6+イオンの直接入射のため炭素ストリッパーによる荷電変換および同装置が不要となる。
・ Ｃ 4+ イ オ ン か ら Ｃ 6+ イオンへの荷電変換時のビーム減衰が無くなる
・シンクロトロンの入射エネルギーが、これまでの5〜7MeVuから2〜3MeV/uに下げられる
・炭素ストリッパーによるエネルギーロス、ストラグリングによるエネルギーの拡がり、ビーム151Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

６．まとめと将来計画
レーザーイオン源を使用してＣ 6+イオンを直接入射法により6mA以上加速する、長さ1.3ｍのAPF-IH型線形加速器は重イオンガン治療装置の超小型入射器として、十分可能性があることが分かった。今後は既存の2MeV/u APF-IH型線形加速器を使ってＣ 6+イオン直接入射の加速試験を行う予定である。
また、RFQ型線形加速器については、理研、放医研、ゲーテ大と共同でC4+イオンを100mA、C6+イオンを60mA加速する4rod-RFQ型線形加速器を製作した。これは放医研において現在加速試験中で、予備的に30mAのビーム加速に成功した。

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[4] T.Takeuchi, M.Okamura, T.Hattori et al. Nucl, Inst.
and Meth., in Physics Research B188(2002)233-237.
[5] T,Hattori, H.Kashiwagi et al., Nucl, Inst. and Meth., inPhysics Research B188(2002)221-224.
[6] T.Hata,T.Hattori, et al., Nucl, Inst. and Meth., inPhysics Research B188(2002)238-242.
[7] K.Yamamoto, T.Hattori, et al., Nucl, Inst. and Meth.,in Physics Research B188(2002)229-232.
[8] H.Kashiwagi, T.Hattori, et al., Nucl, Inst. and Meth.,in Physics Research B188(2002)225-228.
[9] H.Kashiwagi, T.Hattori, et al., Review of Scientific
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[10] M.Muramatsu, T.Hattori et al., Review of Scientific
Instruments, 73(2002)573-575.
[11] K.Yamamoto, T.Hattori, et al., Proc. of 4th Symp. on
Accelerator and Related Technology for Application,
4(2001) 27-30.

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