第19回日本加速器学会年会

陽子線がん治療向け
超電導AVFサイクロトロンのコミッショニング

江原 悠太（住友重機械）[THOB04] Y. Ebara

住友重機械工業における加速器事業
・住友重機械工業

加速器

・加速器事業開始から50年

超電導

極低温冷凍機

K140AVFサイクロトロン（大阪大学RCNP）

1972～ 研究向け加速器

1981～ PETサイクロトロン
1988～ 炭素線治療向け入射器
1996～ 陽子線治療システム
2009～ BNCTシステム[THOB04] Y. Ebara

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当社の医療用加速器
PET

BNCT

重粒子線治療用ライナック

内用療法

陽子線治療システム[THOB04] Y. Ebara

3目次➢ 陽子線治療➢ 超電導サイクロトロンの開発➢ 陽子線治療向けAVFサイクロトロン➢ コミッショニング試験➢ 中心領域、加速領域、ビーム引出しの様子➢ ビーム性能[THOB04] Y. Ebara

4背景：陽子線治療
QOL；Quality Of Life（生活の質）

・陽子線治療は患者のQOLを維持するがん治療
炭素線

外科療法

がん治療

陽子線治療における線量分布

化学療法

光子線

中性子放射線療法

粒子線

陽子線

全世界の陽子線治療施設

日本における保険適用範囲の拡大
2016年5月～
・小児腫瘍・骨軟部腫瘍
・前立腺がん・頭頸部悪性腫瘍
2022年4月～
・肝細胞がん
・肝内胆管がん・膵臓がん
・大腸がん術後局所再発

陽子線治療は患者に優しいがん治療、期待は大きい。
[THOB04] Y. Ebara

5背景：陽子線治療システム
当社の陽子線治療システム
ガントリー

治療室

ビーム輸送系

加速器

新設用地・費用が大きく導入可能な病院は限定される。
加速器も大型なコンポーネントの一つである。
[THOB04] Y. Ebara

6背景：陽子線治療向け加速器の超電導化
・近年、相次いで超電導加速器が開発されている。

・超電導マグネットで高磁場を発生させ、加速器を小型化
𝒎𝝂
𝝆=𝒒𝑩

𝝆：軌道半径
𝑩：磁場𝒎：質量𝝂：速度𝒒：電荷小型化を狙った超電導加速器が開発されている。
[THOB04] Y. Ebara

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超電導AVFサイクロトロンの開発
・陽子線治療向けの超電導AVFサイクロトロン

従来機（P235）

項目

従来機

開発機

重量
直径
高さ

220 t
4.3 m
2.1 m

65 t
2.8 m
1.7 m

開発機（SC230）

項目

従来機

開発機

従来機比

重量

220 t

65 t

0.3 倍

消費電力

330 kW<200 kW

0.6 倍

最大ビーム電流300 nA

1000 nA

3.3 倍「小型・省エネ・大電流」なサイクロトロンが開発された。
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8超電導AVFサイクロトロンの開発
H. Tsutsui, et al. (2013)

・主要な仕様開発機（SC230）

項目仕様

ビームエネルギー

233-237 MeV

最大ビーム電流≥ 1000 nA

ヨーク直径

2.8 m

ヨーク重量

65 t

起磁力

1 × 106 AT/coil

引出半径0.6 m

システム全消費電力< 200 kW・特徴的な設計を採用
・セクター形状
・大きなスパイラルアングル（最大約70deg）
・狭いギャップ（最小±6mm）
・Dee電極・低いDee電圧（50/75 kV）
・少ないDeeの数（2 dees）

𝑞𝐵𝑧
𝜔=.
𝛾𝑚

𝜈𝑧2 ≅ −𝑟𝐵𝑧

𝜕𝑟+ 𝐹 2 1 + 2 tan2 𝜀 ,𝜕𝐵𝑧

𝐹2 =𝐵h − 𝐵ത 𝐵ത − 𝐵v
𝐵ത 2

Isochronous field
𝑩𝒛 = 𝜸𝑩𝟎

・歳差引出（𝜈𝑟 = 1の共鳴）コンセプト実現を目指し、各コンポーネントが設計された。
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9開発：各コンポーネント
J. Yoshida, et al. (2019).

・無冷媒NbTi超電導マグネット・冷凍機を用いた伝導冷却方式の採用
・外部保護抵抗を用いたクエンチ保護
項目

導体仕様値

導体厚さ2.10 mm

導体幅3.40 mm

導体材料NbTi/OFC

構成

上下1対のソレノイドコイル

巻数2208 Turns/Coil方式

伝導冷却冷凍機

4つの4K-GM冷凍機

コイル

冷却

定格電流

約440 A

最大電流

488 A

コイル内のピーク磁場@最大電流

4.4 T

臨界温度 @最大電流

7.4 K

コイル温度

約4.7 K (参考値)

初期冷却時間14 days

蓄積エネルギー

5.3 MJ

クエンチ復旧時間

17 時間

安全性・保守性の高い超電導マグネットが開発された。
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10開発：各コンポーネント
Y. Ebara, et al. (2020).

・磁場測定と調整

磁場測定装置項目

仕様値

センサータイプ
センサー数
ステージ
ステージ材質
アクチュエータ
測定点数
測定領域

ホールセンサ6
リニア、回転CFRP
USMs~52 000
直径1,260 mm

測定時間

2.5 時間磁場調整方法

ヒル加工
シム調整
コイル位置調整測定した磁場分布

等時性磁場

磁場測定と調整によって磁場分布形成を実現[THOB04] Y. Ebara

11開発：各コンポーネント・サイクロトロン内部機器（イオン源、RFキャビティ、引出機構など）
サイクロトロン内部の様子
項目

仕様値

イオン源

熱カソード PIGイオン源

RFキャビティ数2RF周波数95.3 MHz（h=2）

DEE電圧50 kV（内側）75 kV（外側）

キャビティ消費電力<70 kW

引出機構

EHCs, ESD, MCs

引出方式

歳差引出

ESD引出電場

1×107 V/m

真空機構

クライオポンプ（2つ）
粗挽き用ドライポンプ（1つ）

運転可能真空度< 1×10-2 Pa

材料制約・空間制約のなかで性能確保するよう要素試験も含めた開発で各コンポーネントは実現された。
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12コミッショニング
・テストサイト建設・輸送・組付けを完了（2020年）
・コミッショニング（2020年末～）
・ビームの流れに合わせてパラメータを調整

各半径に配置されたプローブを用いてビームの状態を確認[THOB04] Y. Ebara

13コミッショニング：中心領域

運転時のイオン源

ビーム痕

中心領域の軌道計算

中心領域ではイオン源などのパラメータ調整[THOB04] Y. Ebara

14コミッショニング：加速領域

測定結果に基づいたビーム加速シミュレーション
等時性磁場

加速領域は調整なしでビーム通過を確認[THOB04] Y. Ebara

15コミッショニング：ビーム引出チューンダイアグラム

𝐵𝑧1 調整ビーム引出コンポーネント

コイル位置調整
引出Hコイル

歳差引出により高い引出効率を実現[THOB04] Y. Ebara

16コミッショニング：ビーム引出の成功
・ ビーム引出しに成功（2021年7月）[THOB04] Y. Ebara

17コミッショニング：ビーム性能・各要求仕様を満たすパラメータセットを探索
項目

要求

Pass/Fail

引出効率≥ 60 %✔ Pass

最大ビーム電流≥ 1,000 nA✔ Pass最小ビーム電流< 1 nA✔ Pass

ビーム電流安定度（2分間、3ms積分時間）≤ 1 % (1σ)✔ Pass

ビーム電流安定度（1秒間、3ms積分時間）≤ 2 % (1σ)✔ Passビーム応答性≤ 50 μsec✔ Pass

加速エネルギー

233-238 MeV✔ Pass

ビームエネルギー再現性< 0.2 MeV

✔ Pass

ビーム位置安定性（2分間）< 0.1 mm for 2minutes✔ PassRMSエミッタンス< 2.2 pi mm mrad (X)< 1.4 pi mm mrad (Y)✔ Pass

消費電力< 250 kW✔ Pass

各要求を満たすビーム性能を得ることができた。
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18コミッショニング：結果➢ コミッショニングを完了（2021年11月）

項目

従来機

目標値

Pass/Fail

重量

220 t

65 t

✔ Pass

消費電力

330 kW<200 kW✔ Pass

ビーム電流300 nA>1000 nA

✔ Pass「小型×省エネ×大電流」の超電導サイクロトロンを実現[THOB04] Y. Ebara

19コミッショニング：結果➢ コミッショニングを完了（2021年11月）「小型×省エネ×大電流」の超電導サイクロトロンを実現[THOB04] Y. Ebara

20まとめ➢ 陽子線治療向け超電導AVFサイクロトロンを開発➢ コミッショニングを完了「小型・省エネ・大電流」

超電導サイクロトロンを採用した
次世代陽子線治療装置

今後、陽子線治療への貢献が期待されている。
[THOB04] Y. Ebara

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ご清聴ありがとうございました[THOB04] Y. Ebara