平成26年8月10日
日本加速器学会年会
＠リンクステーションホール⻘森

省エネルギー運転法確⽴のためのがん治療⽤
炭素線シンクロトロン電磁石の磁場測定

岩井岳夫、後藤

山形大学
彰、名雪哲夫、河野和利、根本建⼆、嘉山孝正
三菱電機
高橋 功、大⾕利宏

背景

全国の重粒⼦線がん治療施設の設置状況
東北地域は重粒⼦線がん治療の空白地帯

北海道

稼働中× ４施設
建設中× １施設
計画中× 3か所

山形大学
沖縄県
大阪府

秋田

沖縄

山形

岩
手

宮
城

群馬

福島

兵庫
千葉

大阪

佐賀

神奈
川

⻘
森

山形大学・医学部

群馬大学重粒⼦線医学研究センター

放射線医学総合研究所
兵庫県粒⼦線医療センター
九州国際重粒⼦がん治療センター

神奈川県⽴がんセンター

2

背 景• 山形大学における重粒⼦線がん治療装置設置計画
2004年から医学部で設置計画開始

2012年 結城学⻑が全学的に取り組むことを決定
2012年に「山形大学重粒⼦線がん治療施設設置準備室」（室⻑：嘉山孝正学⻑特別補佐）を組織し、本格的活動開始
2012年 放医研と教育・研究・医療協⼒に関する協⼒協定締結
2012年度補正予算で研究開発費約10億円措置
2013年度補正予算で研究開発費約10億円措置2015年度概算要求で本体設置予算を⽂科省に要求中
最短で2019年度治療開始

山形大学モデル 次世代型重粒⼦線装置
エコ型＆総合病院接続型• ４つのコンセプト① 省エネルギー
ランニングコストの削減② 省スペース
都市型・総合病院接続型③ 廃棄物削減
ランニングコストの削減④ 運転管理の容易化
ランニングコストの削減

山形大学モデル 次世代型重粒⼦線装置
エコ型＆総合病院接続型• ４つのコンセプトに関する研究開発
三菱電機・東芝と共同研究（2013年開始）① 省エネルギー
ビーム不要時に電磁石出⼒大幅減
電磁石磁極間隙短縮② 省スペース
加速器本体と治療室の⽴体配置による敷地⾯積削減⇒ 40m × 40m③ 廃棄物削減
スキャニング照射法の採用によるボーラスおよび患者
医学部内に建設された重粒⼦線がん治療装
コリメータ撤廃
置研究棟（2014年3月完成）④ 運転管理の容易化
ビーム軸調整自動化、遠隔監視等

研究棟開所式(8/4)

http://mainichi.jp/life/edu/news/20140806ddlk06100207000c.html• 遠藤利明 衆院議員、吉村美栄⼦ 山形県知事など出席

重粒⼦線がん治療に使⽤する炭素線シンクロトロン（小型普及型）• 20°偏向電磁石×18台• 偏向電磁石は18台を直列接続して台形状のパターン運転。最大2220Aの大電流を流すため、消費電⼒大きい小型普及型シンクロトロン（群馬大学）
Yamazaki et al., Proc. PASJ 7

シンクロトロン偏向電磁石の消費電⼒量の低減• 待機時にはパターン運転を停止してフラットベース(FB)待機状態に出⼒を落とし、消費電⼒量の低減を目指す。
• そのため、FB待機⇒パターン運転⇒FB待機のサイクルを繰り返し、偏向電磁石の磁場の変動を測定する。

試験セットアップ Data logger• シンクロトロン偏向電磁石（今回製作）
H型、ケイ素鋼板積層鉄心

温度測定 PT100• パターン励磁用電源（今回製作）• NMRプローブ
Metrolab PT2025• ホール素⼦Group3 DTM-151

励
磁電源

Halle

磁場測定
DCCTout
励磁電流測定• 励磁電流DCCT出⼒電圧を高精度DMMで測定• 各所温度計測
⽩⾦抵抗測温体

NMR

DMM Halle
NMR
Controller Controller
GP-IB試験セットアップ写真

通電パターン（実機模擬）• ユニポーラ電源使用
I

フラットトップ(FT)電流= 2210 A
1710 A
830 A

FB電流=180A
1.0 s

3.4 s

5.1 s
10.3 s• 磁場・温度測定時間間隔

1s

0.8 s

通電パターン（実測値）• 2210A時の電流値 グラフ タイトル
2500

NMRプローブによる磁場測定

励磁電流 (A)

2000

1500

1000

500

005

1015時間(s)2025シンクロトロン偏向電磁石磁場の経時変化• FT2210, 1710および830A連続運転時の磁場の経時変化• 100サイクル目の磁場で規格化
1.00030
1.00025

2210 A
1710 A
830 A

1.00020

B/B100th

1.00015
1.000101.00005
1.00000
0.99995
0.99990020406080

初期化後のパターン回数100• 初期化直後は1710, 830Aでは偏差が10-4よりも大きい。
• FT電流が小さいほど安定までにかかる回数多い。

FT電流変更時の磁場挙動• 初期化（FT電流>2210A)から1710Aに変更した場合と、830Aから1710Aに変更した場合の⽐較
1.24201710A
1.2419

初期化直後
初期化後

FT磁場(T)

1.241880MeV/u→5min
830Aパターン運転⇒5分休止
FB→300MeV/u
後±５×10-5

1.24171.24161.241504080

パターン励磁回数120• 高電流パターン運転からFT電流を下げた場合も、低電流パターン運転からFT電流を上げた場合も、挙動はほぼ同⼀。

シンクロトロン偏向電磁石
パターンON-OFF運転• パターン休止（FB⼀定）⇔パターン再開3分 を繰り返した時の磁場の高精度測定。FT電流は2210A固定。
1.000021.00002

Run #2Run #11.00001

B/1.539615

B/1.539615

1.00001

1.00000

5分 5分 10分 10分 10分

0.99999

0.9999802040

1.00000

0.99999 5分 10分 10分

60

Time (min)

80

100

0.99998

02020分

20分

4060

80

Time (min)• 5, 10, 20分パターン休止前後で磁場の変化は極めて小さい。

100

シンクロトロン偏向電磁石
パターンON-OFF運転• パターン休止（FB⼀定）⇔パターン再開3~5分 を繰り返した時の磁場の高精度測定。FT電流は1710A(左)と830A(右)。
1.00031.0003830 A

1.00021.00021.00011.0001

B/0.60492

B/1.2416

1710 A

1.00000.99990.9999

各5分

0.99980.99971.0000020

10分 10分

4060

20分

80

Time (min)100

5分 5分 10分 10分 20分

0.9998120

0.9997

020

4060

80

100120Time (min)• 各FT電流とも5, 10, 20分パターン休止前後で磁場の変化は極めて小さい。

まとめ• 炭素線治療用シンクロトロンの消費電⼒量低減のため、実機仕様の各種電磁石を製作し、連続運転および間欠運転時の磁場の精密測定を実施した。
• シンクロトロン偏向電磁石では、フラットトップ磁場の変更直後は安定値よりも高めの磁場を⽰し、徐々に安定値に近づいていく。高電流パターンからフラットトップ電流を下げた場合も、低電流パターン運転からフラットトップ電流を上げた場合も、挙動はほぼ同⼀。
• パターン運転を休止してフラットベース電流で５〜20分程度保持しても、パターン運転再開時の磁場は休止前の磁場とほとんど変化ない。