Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 7-10, 2018, Nagaoka, JapanPASJ2018 WEP130

RI ビームがん治療用 ISOL システムの開発: 1 価 C-11 イオン生成実験
ON-LINE EXPERIMENT OF SINGLY-CHARGED C-11 ION PRODUCTION
片桐 健,∗ 涌井崇志，永津弘太郎，北條 悟，野田 章

Ken Katagiri, Takashi Wakui, Kotaro Nagatsu, Satoru Hojo, Akira Noda
量子科学技術研究開発機構 放射線医学総合研究所

QST/NIRS

Abstract
An isotope separation on-line (ISOL) system is necessary to provide 11 C ions for heavy-ion cancer therapy with simultaneous verification of the dose distribution using positron emission tomography. To realize the ISOL system, we havedeveloped elementary instruments in the ISOL system, such as a proton-irradiation target, a molecule separation system,
and a singly-charged ion source, and performed tests to verify their performances. As a next step of the development,
we are planning to start an experiment of on-line production of singly-charged 11 C ions at the proton irradiation port of
the NIRS-cyclotron facility. In this paper, we present those elementary instruments, their performance and the on-lineproduction experiment.

1.

はじめに放射線医学総合研究所の HIMAC 加速器を用いた重粒子線治療は，1994 年の治療開始から今年で 24 年目を迎え，10,000 人以上もの患者に治療が適用されてきた [1]．
より高精度な治療照射を行う為に，細い炭素ビームでがんの病巣を塗りつぶすように照射を行うスキャニング照射法による治療が 2011 年より開始された [2]．さらなる高精度化のために，照射野をリアルタイムに検証する技術の実現が期待されている．現在治療に用いている安定核の 12 C ビームの代わりに，陽電子放出核である 11 Cビームを用いることができれば，体内での停止位置から放出される消滅 γ 線を PET 装置により測定することで，随時ビーム位置を検出することができ，その結果として，リアルタイムに照射野を検証することが可能となる．
我々は，この重粒子線治療のための照射野検証技術の実現のために，Isotope Separation On-Line (ISOL) 法により11C ビーム生成し，HIMAC で加速し治療室へと供給することを検討している．この計画の概念図を Fig. 1 に示す．HIMAC シンクロトロンにおける一度の入射-加速供給シーケンスにて，109 個の 11 C イオンを治療室に供給することを想定すると，ISOL システムからは 1010 個の供給が必要となる．この 1010 個の 11 C イオンの生成 ·加速を目指して ISOL システムの開発を進めている．この ISOL システムは，小型サイクロトロン，11 C 分子生成分離装置 (CMPS)，1 価イオン源 (SCIS)，及び荷電増幅用 EBIS イオン源から構成される．この ISOL システ
ムにより，一度の入射-加速-供給シーケンスにて要求される 1010 個の 11 C イオンをおよそ 20 分のプロトン照射により製造し，患者 1 人の治療のために供給することを計画している．CMPS では，ターゲットにプロトン照射を行い，生成された 11 C 分子と混入した不純物分子の分離を行う．混入する不純物量を可能な限り低減するために，このプロトン照射–不純物分離のプロセスは真空中で行う．そのため，CMPS 内に置かれるプロトン照射ターゲットは固体である必要がある．これまでのターゲットの性能評価実験では，固体のホウ素化合物をターゲットとして用いプロトン照射 (18 MeV，18 µA) を 20 分間行うことで，1012 – 1013 個の 11 C 分子を効率的に生成 · 収集できることが明らかになった [3]．また，安定同位体の12C ガスを用いた分離性能評価実験では，不純物と混合した CH4 分子を高い効率 (εsep ≃ 60 – 70%) で回収 · 取出しできることが明らかになった [4]．さらに，荷電増幅器へと供給する C+ 或は CO+2 イオンを生成する SCISに関しても，独自に開発した Particle-in-Cell (PIC) コードを用いて，設計 · 開発を行った．これまでに行った性能評価実験では，CO+2 イオンの生成に関して，εCO+ =25.5% もの効率を得られることが明らかになった [5].
ToHIMAC:
Linac andSynchrotron

11C4+/5+ ~ 1010

∆T ~ 100 µs↑GoalParameters

ISOL System for 11C Ion Production

ChargeBreeder
Ion Source
𝓔CB ~1%is required.

MS

SinglyCharged
Ion Source(SCIS)!

Vacuum

Separator:ℇsep≈0.6−0.8ℇSCIS ≈0.1
11C+ or
11CO +~ 1011
2

∆T ~ 10 ms以上の進展を元に，これまでに開発した個々の機器を組み合わせ，1 価 11 C イオンのオンライン生成実験を実施する予定である．本発表では，ISOL システムの要素
機器の特徴，昨年度行われたこれら機器の改良 · 性能評
価実験の結果，及び 1 価 11 C イオンのオンライン生成実
験に用いる 1 価 11 C イオン生成システムを紹介する．

CMPS(11C molecule production/separation system)

11C mol.~ 1013

∆T ~ 10 ms

ProtonIrradiation
Target:Nmol.~1013

11C mol.~ 1013

ProtonBeams

SmallCYC.

Irradiation:∆T ~ 20 min∆T ~ 20 min

Figure 1: One of the possible schemes for 11 C ion production.

2.

ISOL システムの要素機器

2.1 CMPS
ターゲットの検討
固体のプロトン照射ターゲットとして，ホウ素化合物

2.1.1∗ katagiri.ken@qst.go.jp- 711 -

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Table 1: Proportion of collected 11 C molecules. Boron atoms were not enriched in either target (10 B/11 B = 19.9/80.1).
He-carrier gases were used in both measurements. Energy of incident-proton beams was 18 MeV.
Beam current× Irradiation time (µC)

NaBH4 [3]1.94×104(18 µA, 18 min)B 2 O3

1.92×104(16 µA, 20 min)Produced
11C mol.

Residualin target (%)

Corrected 11 Cmol. (%)

No. of corrected
11C mol.

11CH470.4%

29.3%

5.0×1012

11CO2

21.2%

76.4%

1.4×1013の水素化ホウ素ナトリウム (NaBH4 ) を用いた場合には，生成された 11 C 原子を 29% の収集効率効率で得られることが実験的に確かめられている [3]．11 B(p,n)11 C 反応により生成された 11 C 原子は，ターゲット中に豊富に有る H 原子と結合し，揮発性の 11 CH4 分子となる．そのため，固体ターゲット中に留まる 11 C 原子は少なくなり，この高い収集効率が達成されていると考えられる．
一方で，この NaBH4 化合物をターゲットとして用いた
場合には，その融点の低さ (およそ 400 度) と低い熱伝導率のために，ビーム照射中に融解してしまうことが問題となっていた．この対処法として，ビーム径拡大により入射プロトンビームの電流密度を下げることを検討し，そのために，新たに設置された放医研サイクロトロン施設 RI 生成用ビーム照射ポートには，拡大ビーム照射用の Wobbling beam 照射システムの設置を行った [6]．
この NaBH4 の他，これまでに酸化ホウ素 (B2 O3 ) の検討も行った．この B2 O3 は，かつて PET 診断用 11 C
標識薬剤の製造のために使われていた化合物である [7]．
ターゲットに NaBH4 を用いた場合に 11 CH4 分子が生成· 収集されることと同じ理由で，ターゲットに B2 O3 を用いた場合には 11 CO2 分子が生成 · 収集される．NaBH4の場合と同じ測定法 [3] により，入射ビームの電荷量(ビーム電流 × 時間) をほぼ合わせた実験では，表 1 に示した通り，NaBH4 の場合よりも更に高い 76% もの収集効率を達成した．また，この結果として 1.4×1013個の 11 CO2 分子の収集が行えた．この優れた収集効率は，ビーム照射の熱によりターゲットが液化するために，ターゲット自体に穴が生じる様なことは無く，安定してプロトン照射が行えることが理由として考えられる．
以上の結果によれば，B2 O3 をターゲットとして用いることが好ましいと考えられる．しかし，現段階で実験的に確かめられていない幾つかの懸念 (例えば，最後段の荷電増幅用 EBIS イオン源に 11 C+ 或は 11 CO+2 イオンを入射した場合の荷電増幅効率の違い等) が存在する
ために，これら二つのターゲットを今後行うオンライン実験にて引き続き検討して行く予定である．

2.1.2 不純物分離 · 分子パルス発生装置
CMPS 内では，上記の 11 C 分子の生成と共に，生成された 11 C 分子と他の不純物分子の分離も行う．Figure 2(a)に CMPS の模式図を示す．CMPS には，不純物トラップ(輻射シールド) とメイントラップが備わる．これらの冷却トラップの温度を適切に調節することで，分子種ごとに異なる蒸気圧の温度依存性を利用して，不純物分子と収集目的の分子 (CH4 或は CO2 ) の分離を行う [4]．不純物トラップはクライオクーラーの 1st ステージに接続されると共に，ヒーターによる加熱でおよそ 100 K 程度に保たれる．不純物トラップには，収集目的の分子よりも蒸気圧の低い分子 (例えば H2 O やビーム照射により生じる高分子化合物等) を凝縮させる．メイントラップはクライオクーラーの 2nd ステージに接続されて 30 K 程度にまで冷却され，メイントラップ自体に電流を流すことで加熱を行う．メイントラップには，収集目的の分子とそれよりも蒸気圧の高い分子 (例えば，窒素，酸素，アルゴン) を一度凝縮させる．そして，温度を上昇させて行くことによって，不純物分子をメイントラップから気化させて排気し，最終的に目的の分子のみを残す．この状(a)Molecule Flowfrom Target

TargetImpulity Trap

Butterfly
Valve

VacuumChamberMolecule-inlet
Gate
C-11 Molecule
Extraction to SCIS

GND

PulsedH.V.

Main-trap Plate
Insulator

Heat Bridge(Copper)(b)

2nd Stage

Main-trap
Plate
Insulator
HeatBridge
Radiation
ShieldFigure 2: (a) Separation system in the CMPS，(b) Maintrap plate, insulator and heat bridge.

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VacuumChamber

Solenoid
Gas Inlet

Cathode:Vacc

0V(Puller) VEinz

Partition!

ElectronRepeller: Vacc!!10mm0V

EinzelAnode: Vacc + Vca
Holder:
Vacc

Drift Tube:
Vacc + Vcd

L ! 70mm

Figure 3: Singly-charged ion source (SCIS) [5].
態で，11 C 分子のパルス化 ·SCIS への供給の準備は整う．
コンデンサーバングを利用したパルスパワー (充電電圧∼ 1 kV, エネルギー ∼ 10 J，放電の時定数 ∼ 1–10 ms)
によりメイントラップの温度を急激に上昇 (温度上昇≃ 20 K) させることで，時間幅 ∼10 ms 程度のパルス化した 11 C 分子を発生させる．この際，“Molecule-inletGate”(プロトン照射中は開) を閉じ，“Butterfly Valve”(プロトン照射中は閉) を開けることで，パルス化した 11 C分子を SCIS へと導入する．このパルス化システムを実現するために重要であるのは，メイントラップ及び絶縁体 (Fig. 2(b)) の材質である．分子凝縮のために冷却でき，尚かつパルス加熱を行うためには，以下の 3 つが要求される:• メイントラップ及び絶縁体は低温時に高い熱伝導率を持つこと

ビームは，電子リペラーにて反射されて，再度ドリフトチューブを通過する．これらのドリフトチューブを運動する電子によって，1 価イオンは生成される．
この SCIS により高いイオン生成効率を得ることを目指して，電子ビーム · 取り出しイオンビームの軌道をPIC 法により解析し，その結果をもとに内部電極形状の検討 · 設計が行われた [8]．また，この SCIS を製作し，非放射性の 12 CH4 ガスを用いて 12 C+ ，12 CO2 ガスを用いて 12 CO+2 を生成し，その生成効率の測定を行った．
その結果，12 C+ は 0.5%，12 CO+2 は 5.5% の生成効率が得られ，上記の必要条件をみたすことが判明した [5]．
さらなる性能向上を狙って，ビーム取り出し後の輸送系の改良も行った．この改良後におけるイオン生成効率の測定結果を Fig. 4 に示す. 測定の方法は前回の実験 [5] と同様である．実際の ISOL システム (Fig. 1)• メイントラップは 1–10 kΩ 程度の抵抗を持つこと(但しコンデンサーバンクの静電容量は C ≃ 1 µF)• 絶縁体はメイントラップに比べて十分高い (100 倍程度) 高い抵抗率であること-68×10-67.5x10 A-6(A)これらの条件を満たす材料を，半導体を中心に検討を続けている．

-69×107×102.2SCIS

この 1 価イオン源には，限られた 11 C 分子の生成量から要求量を賄うために高いイオン化効率であること，また後段に EBIS イオン源を用いるために高い真空度で動作可能であることが要求される．これらの理由から，イオン源は電子ビームを用いた電子衝撃型とした．この 1 価イオン源の模式図を Fig. 3 に示す．熱陰極から取り出した電子はドリフトチューブに供給される．1 価イオンの生成効率を上げるために，電子ビームのエネルギーが 1 価イオン生成のイオン化断面積のピークに近い EEB ∼100 eV となるように，ドリフトチューブの電位を設定する．イオン生成効率を向上させるためには，ドリフトチューブ内の実効電子電流を増加させる必要が有る．そのために，ドリフトチューブを通過した電子

Current of CO2+ ion-66×10-65×10-64×10-63×10-6CO2+ ion current: 7.5x10 A-7Background current: 1.7x10 A14-1Injected CO2 molecules: 4.5x10 (s )= 0.10 (10%)
CO-62×10-61×10

200+0.05
Time (s)0.1

Figure 4: Current of 12 CO+
2 ions produced with the modified SCIS. A mass-separation system [5] was used for themeasurements. Experimental details for the IPE for eachion species will be given elsewhere [9].

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ProtonPASJ2018 WEP130

C3 Irradiation Portat NIRS Cyclotron Facility

Cooling
water for foils

Window Foils

TMPCMPSValve

Impurity TrapValveValve

Molecule
Flow
TargetStage

4-keV ions

Molecule-inlet
Gate

Faraday Cup
for Current and Activity
Measurements

Fast H.V.
SwitchCoolingwater

SCIS
H.V.

Capacitor
C = 1.7 µF
RC ~10 ms
V max= 6 kVImax = 1 A

Num. of1+ C-11 ions

Batterﬂy
Valve

Main Trap:
30x30xt1,~1 kΩ (50 K)

Cryocooler

Activity

Q

TMPt
Dry
Pumpt

Buﬀer Chamber
for Unsealed
Radioisotope

Figure 5: Experimental setup for online 11 C+ -ion production.

で運転される際には CMPS から供給されるパルス化ガスが供給されるが，このイオン化効率測定ではマスフ
ローコントローラーにより一定のフローレート (RMFR =4.5×1014 s−1 ) で連続的に 12 CO2 ガスを導入している．
イオンがパルス化しているのは，電子ビーム取り出しにゲート (0.1 s) をかけているためである．イオン化効率の導出に必要なバックグラウンド電流は，ガスシリンダー–マスフローコントローラー間のバルブを閉じて測定している．この結果の示す通り，12 CO+2 の生成効率でεSCIS ≃10% まで増加させることに成功した．

3.

1 価 11 C イオンのオンライン生成実験

実際に生成される 1 価 11 C イオンを定量化することによって，ISOL システムの実現性を確認するために，1価 11 C イオンオンライン生成実験の計画も進めている．
この実験では，これまでに開発された機器を統合し，放医研サイクロトロン施設の垂直ビーム照射ポートにて供給されるプロトンビームを照射することで，オンラインで 1 価 11 C イオンを生成しその生成量の測定を行う．
Figure 5 にその実験系の模式図を示す．この実験では，SCIS から生成されるイオンを質量分析せず，全イオンの電流をファラデーカップにより測定し，全イオンの電荷量を導出する．一方で，ファラデーカップのイオン照射面にはアルミ箔膜を取り付け，その放射能と半減期を円筒型電離箱で測定する．以上の結果から，12 C 原子を含むイオンと 11 C 原子を含むイオンの比率が判明し，また 11 C イオンの絶対量が得られる．さらに，これまでに12C ガスを用いたオフライン実験での結果判明している
各 1 価炭素イオンのイオン化効率を元に，目的の 11 CO+2イオン，もしくは 11 C+ イオンの生成効率の導出を行う．
現在この 1 価 11 C イオンオンライン生成システムの構築がサイクロトロン施設の垂直ビーム照射ポートにて進められており，本年度内には実験が開始される予定である．

4.

結論

これまでに，RI ビームがん治療の実現を目指して，C イオン生成用の ISOL システムの開発を進めてきた．プロトン照射ターゲットはおよそ 1013 個の 11 C 分子を生成することが可能であり，不純物分離 · 分子パルス生成分離装置は εsep ≃ 1 の効率を持ち，さらにその下流の一価イオン源 (SCIS) は，εSCIS ≃ 0.1(10%) の効率11を備えることが明らかになっている．以上の結果から，治療に必要な 1010 個の 11 C イオンを ISOL システムから供給するためには，最後段の EBIS 型荷電増幅器には1% の効率が要求されることになる．EBIS 型の荷電増幅器の変換効率は，炭素イオンのような低い質量数 · 荷電数のイオンであっても，数 % 程の値を得られることが報告されている [10]．したがって，本研究で提案しているISOL システムの実現は期待できる．
一方で，実際に生成される 1 価 11 C イオンを定量化することによって，ISOL システムの実現性を確認するために，1 価 11 C イオンオンライン生成実験の計画も進めている．この実験に用いるシステムの構築がサイクロトロン施設の垂直ビーム照射ポートにて現在進められており，本年度内には実験が開始される予定である．

謝辞
本研究は，公益財団法人三菱財団 平成 27 年度助成金(自然科学，27110)，住友財団 2016 年度基礎科学研究助
成 (161240)，及び， JSPS 科研費 17K14130 の助成により進められています．

参考文献[1] K. Noda et al., Nucl. Instrum. And Meth. B, 6 (2014) 331.
[2] T. Furukawa et al., Med. Phys., 37 (2010) 5672.
[3] K. Katagiri et al., Rev. Sci. Instrum., 85 (2014) 02C305.
[4] K. Katagiri et al., Rev. Sci. Instrum., 86 (2015) 123303-1-7.
[5] K. Katagiri et al., Proc. of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Sapporo, Japan, 2017, pp.

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August 7-10, 2018, Nagaoka, JapanPASJ2018 WEP130

1193 (WEP115).
[6] K. Katagiri et al., Proc. of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Tsuruga, Japan, 2015, pp.
1380 (THP130).
[7] J. Steinback, E. Loesel, K. Guenther, R. Brueckner, G.J.
Beyer, Appl. Radiat. Isot. 40, 625 (1989).
[8] K. Katagiri et al., “Singly charged ion source designed using three-dimensional particle-in-cell method”, submitted toRev. Sci. Instrum..
[9] K. Katagiri et al., “Ion production efficiency of singly
charged ion source for radioactive carbon ion production”,
to be submitted.
[10] F. Wenander, J. Instrum. 5, C10004 (2010).

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