Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SUP119

高温超伝導磁石を使った炭素線ガントリーの設計	 
DESIGN OF HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTING GANTRY FOR CARBON
盛田義弥#), 畑中吉治, 福田光宏, 依田哲彦, 山根浩義, 鎌倉恵太, 植田浩史,森信俊平, 斉藤高嶺, 永山啓一, 田村仁志, 安田裕介, 横山久美子
Yoshiya Morita#), Kichiji Hatanaka, Mitsuhiro Fukuda, Tetsuhiko Yorita,
Hiroyoshi Yamane, Keita Kamakura, Hiroshi Ueda, Shunpei Morinobu, Takane Saito,Keiichi Nagayama, Hitoshi Tamura, Keisuke Yashuda, Kumiko Yokoyama
Research Center for Nuclear Physics, Osaka University

Abstract
In recent years, the cancer therapy using heavy ions is paid attention. That is because heavy ions have the ability toirradiate a cancer focus with the maximum dose at pinpoint from the feature of heavy ions for Bragg peak. In thisresearch, we choose carbon ions as heavy ions. However, a device for heavy ions is larger-sized than a device forprotons, so we must install that in the suburbs. In order to install in general hospitals, the downsizing of the device isnecessary. Then, the purpose of this research is to design the down-sized gantry for carbon. The gantry is composed ofdipole magnets and quadrupole magnets. We expect the downsizing of the gantry by using high-temperature
superconducting magnet as dipole magnets. We also optimize gantry beam line in order the carbon beam to be
achromatic and waist in isocenter for raising the quality of cancer therapy.

1.

はじめに放射線がん治療において、重粒子イオン（ここでは炭素イオンとする）を用いた粒子線治療法が注目されている。重粒子のもつ Bragg peak の特徴から、標的となる体内のがん病巣にピンポイントで最大線量を照射できることがその理由である。炭素線は、陽子線に比べて高 LET（Linear Energy Transfer）で最大 RBE（Relative Biological Effectiveness）に到達するという特長をもつが、炭素線の治療装置は陽子線のものと比べて大型になる。そのため、装置を郊外に設置せざるを得ず、一般病院への普及のためには装置の小型化が必要になる。
このような背景から、小型化に向けた 430 MeV の炭素線ガントリーを設計することが本研究の目的である。ガントリーのビームラインには双極磁石と四重極磁石を配置する。その際、双極磁石として高温超伝導磁石を用いることで装置の小型化を目指す。
照射スポットであるアイソセンターで、照射ビームが治療で求められる条件を満たすようにビームラインの最適化を行わなければならない。これまでに、
計算コード TRANSPORT を用いて１次までの matrixで概念設計を行い、四重極磁石の励磁パラメータを求めた。今回、設計の精度を上げるために２次、３次までの効果を考慮して計算コード TURTLE を用いてシミュレーションを行い、その影響を調べた。

2.

ガントリーの構成

2.1	  ガントリーにおける磁石の配置
ガントリーにおけるビームの収束点である照射スポット（アイソセンター）でビームに求められる条件として、以下の３点が挙げられる。
・	  二重無分散を満たす。
・	  horizontal, vertical の両方向においてビームがwaist である。
・	  horizontal, vertical 方向について beam size が可変（2-10 mm）である。

Figure 1: The composition of High-temperature superconducting gantry.
____________________________________________#yoshiya@rcnp.osaka-u.ac.jp- 1363 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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双極磁石を BND、ドリフトスペースを L と記述
す る と 、 構 成 要 素 の 配 列 は L1-Q1-L2-Q2-L3BND1-L4-Q3-L5-Q4-L6-BND2-L7-Q5-L8-Q6-L9-Q7L10-BND3-L11-ISC である。（Fig. 1 参照）	  アイソセンターにおいてビームが以上の条件を満たすために、７つの四重極磁石、２つの４５°双極磁石、１つの９０°双極磁石、スキャニング
磁石でガントリーを構成する。四重極磁石を Q、Table 1: Magnetic Field Gradient of Quadrupole Magnet
x half beam size [mm]y half beam size[mm]

1.00
1.00

1.50
1.50

2.00
2.00

2.47
2.52

3.00
3.00

3.50
3.50

4.00
4.00

4.99
5.01

Q1[T/m]Q2[T/m]Q3[T/m]Q4[T/m]Q5[T/m]Q6[T/m]Q7[T/m]-24.1921.87-17.1220.97-11.38
24.78-14.24-5.99
13.29-15.05
32.69
7.30
12.45
-15.8

6.75
4.00
-14.79
32.46
6.47
13.54
-16.4911.96-1.95-13.61
21.45-15.2427.12-17.1614.03-5.19-13.21
21.65-14.7426.90-17.0913.84-5.61-13.11
21.98-13.8426.58-17.1413.21-5.37-13.12
22.52-12.1925.92-17.10

11.89-4.75-13.24
24.01
-7.78
23.80
-16.632.2	  ビームラインの最適化	  今回は計算コード TURTLE を用いた。Fig. 2 ににて算出されたアイソセンターにおける水TURTLE	  これまでに TRANSPORT を用いて Q1-Q7 の励磁パラメータについて１次近似解が求められている。 平方向の beam size の RMS を示す。first-order は１[1]ビームの収束条件は point to waist 収束としており、 次、second-order は１次・２次、third-order は１次・また入射ビームのエミッタンスを 2πmm･mrad と仮 ２ 次 ・ ３ 次 を 考 慮 し て 求 め た 値 で あ る 。 横 軸 はTRANSPORT で求められた beam radius である。Fig.
定している。Table 1 にその結果を示す。
2 から、TURTLE において１次では TRANSPORT の計算結果が再現されていること、また２次、３次の3. 最適化計算の評価	  前節におけるシミュレーションの結果は１次まで 効果を考慮しても水平方向の beam size の RMS にはしか考慮されていない。そこで、高次の効果（２次、 大きな影響が見られないことが分かる。

5.50
5.00
4.50
4.00
3.50
3.00
2.50
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00

RMS of beam size by TURTLE[mm]	 

RMS of beam size by TURTLE[mm]	 

３次まで）を考慮して、前節の励磁パラメータを用いてシミュレーションを行い、その影響の有無をしらべた。今回、２次・３次の効果として、軌道計算における幾何学的高次成分、双極磁石における磁場の２次の分布の影響を考慮した。

first-ordersecond-orderthird-order

5.50
5.00
4.50
4.00
3.50
3.00
2.50
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00

first-ordersecond-orderthird-order

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
beam radius by TRANSPORT[mm]	 

Figure 3: RMS of vertical beam size by TURTLE.

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
beam radius by TRANSPORT[mm]	 	 	  同様に Fig. 3 に鉛直方向の beam size の RMS を示す。鉛直方向においては、最大 6%のずれが生じた。	  	  	  	  	 	  また、beam size が 10 mm になるように励磁した
ビームラインについて、アイソセンターでの位相空

Figure 2: RMS of horizontal beam size by TURTLE.

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間分布を Fig. 4, 5 に示す。ここでは、２次・３次の効果を考慮している。Fig. 4, 5 から、アイソセン
ターにおいてビームが waist であることが確認できる。

106%以内であった。また、高次歪みによってアイソセンターにおいてビームが waist でなければならないという条件が破れることはなかった。	  今後は、さらに四重極磁石における高次の効果についても評価する必要がある。その結果、必要なら四重極磁石の配置を再検討する。	  今回の計算ではガントリーのビームラインにスキャニング磁石は挿入していない。スキャニング磁
石を組み込み、シミュレーションをする必要がある。	  また、小型・軽量で一様性の良い磁場が得られるよう、高温超伝導双極磁石の磁気設計を行う。そして、高温超伝導コイルの電磁力に対する強度および熱的安定性の検討を行い、クライオスタットの設計を行う。

参考文献

-1

[1] 横山久美子	  大阪大学理学研究科物理学専攻修士論文
超伝導磁石を使った炭素線ガントリーの設計(2014).

-20020x[mm]Figure 4: Phase space [x,x′ ] at isocenter with secondorder and third-order.

10-1-20020y[mm]Figure 5: Phase space [y,y′ ] at isocenter with secondorder and third-order.

4.

まとめと今後の課題	  今回は、これまでに TRANSPORT で求めた１次近似解によるビームラインについて、デザインの精度を高めるために、TURTLE で高次の効果を考慮してシミュレーションを行い、影響を調べた。２次、３次の効果として、軌道計算における幾何学的高次成分、双極磁石の磁場の２次の分布について考慮した。	  その結果、高次の効果による beam size の変化は

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