RF周波数スイープ法による遅い取り出しビームのエネルギー変動補正
Energy compensation of the slow extracted beamby RF sweeping method.

藤本哲也#, A), 山田聰A), 金井達明A), 想田光A), 野田耕司B)A) 群馬大学
B) 放医研August 10 , 2014

Contents
1. はじめに
2. 群馬大学の取組み（スキャニング照射）
3. 群馬大学重粒子線施設の遅い取り出し4. エネルギー変動補正実験
5. まとめ2群馬大学重粒子線医学センター
スキャニング研究用照射室 (D室)SynchrotronInjector(RFQ+IHDTL)

普及型炭素線治療装置

治療照射開始 2010年～
今年度600人の治療を目標
加速器構成
・小型ECRイオン源（永久磁石）
・RFQ ＋IH-DTL （4MeV/n）・シンクロトロン
周長63.3m
最大エネルギー400MeV/n
遅い取り出し（3次共鳴）＋RF加速照射系
・治療室 A(水平) B(水平/垂直) C(垂直)・照射方式拡大ビーム照射法
・最大照射野15cm×15cm

3現状の照射野形成(拡大ビーム照射法）
主モニタ（加速器室）
散乱体

副モニタ

平坦度モニタリッジフィルタ

ワブラー電磁石（治療室）

多葉コリメータ(MLC)
照射中心
（患者）

レンジシフタ

重粒子線

ボーラス

腫瘍外はMLCで遮断
約7m

単円ワブラー法

ワブラー電磁石 散乱体

螺旋ワブラー法

コリメータ

正常組織への付与線量4研究背景 1
現状の拡大ビーム照射法
メリット
・シンプルなビームコントロール
・ビーム位置、強度の多少の変動が許容
デメリット
・正常組織への線量の付与が避けられない。（副作用）・複雑な形状の腫瘍への適用が困難

群馬大学の取り組み
群馬大学では普及型炭素線治療装置での3次元スキャニング照射の実現に向けたR&Dに取り組んでいる。

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研究背景 2
スキャニング照射
細いビームを使って腫瘍の形状に合わせて塗りつぶすように照射する方法。ビームコントロールが難しくなるが、メリット

・腫瘍の形に合った照射が可能
・ボーラス、コリメータが不要
・照射期間中の腫瘍形状の変化への対応が可能

スキャニング照射を実現させるためにビームの横方向位置変動、サイズ変動の抑制ビームのエネルギー変動の抑制。
⇒ 3次共鳴による遅い取り出しを行うために、RF周波数掃引による加速をしているため、時間とともにエネルギーが変動している。

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2次元照射野平坦度へのビーム安定度の影響
Δx、Δy～0.3mm、 Δσx、 Δσy～0.3mm

測定条件
・照射野 □102mm
・2000counts/spot
・3mm pitch
・ZnSシンチレーションシート
＋CCDカメラ

Δx、Δy～0.1mm、 Δσx、 Δσy～0.1mm

平坦度 ＜2%7

2次元照射野平坦度へのエネルギー変動の影響
横方向動的補正有り。
SOBP末端の線量が落ちる位置での照射野は縞模様ができる。

測定条件
・照射野 □102mm
・5000counts/spot
・3mm pitch
・ZnSシンチレーションシート
＋CCDカメラ

群馬大学普及型炭素線施設でスキャニング照射を実現するためにエネルギー変動の抑制が必要
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群馬大学における遅い取り出し １
群馬大学重粒子線施設では有限のクロマティシティーのもと、リングRF周波数を掃引することでチューンを変化させて、3次共鳴による遅い取り出しを行っている。
出射時リングチューン（Qx, Qy）=（1.68, 1.23）

pp :クロマティシティー

チューンダイアグラム

セパラトリクスの変化Q  

9群馬大学における遅い取り出し 2
リング加速周波数掃引による遅い取り出し・メリット
電場を利用⇒磁場と比較して高速でのビームオフが可能になる。
精密な線量コントロール、呼吸同期照射が可能
・デメリットリングRF周波数を変化させるのでエネルギー変動が生じる。

エネルギー変動幅（RF周波数幅）低減のためにドーナツ入射↓取り出し時のリングRF周波数幅（エネルギー変動幅）の低減
入射器からのビーム強度 ＋照射系側からの要求粒子数(1.0×109pps)
入射ターン数 25Turn（58μs）
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群馬大学における遅い取り出し 3
取り出しビームのエネルギー変動幅
例：290MeV/n
ΔT＝ 1.5MeV/n
Δp/p ＝ 0.3％
Δrange in water＝ 1.6mm

これを電場で補正することは難しいことから、荷電粒子が物質中を通過した時に生じるエネルギーロスを利用した補正を検討⇒エネルギーアブソーバー

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エネルギー補正実験（原理）
Extraction period
Without absorberWith absorber

荷電粒子が物質中を通過した時に生じるエネルギーロスを利用して一定のエネルギーを得る⇓
エネルギーロス量のコントロール⇓
アブソーバーを回転させることでビームから見た厚さを調整⇓
連続的に変化するエネルギーを補正可能

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エネルギー補正実験(アブソーバー回転角度)
アブソーバーの回転角度⇒ビーム取り出し区間のRF周波数パターンから算出
表：1mm厚アルミ板をアブソーバーとして使用した場合のアブソーバー回転角度
400MeV/n

290MeV/n

140MeV/n

start

end

start

end

start

end

Beam energy[MeV/n]400402.68

290292.02

140141.05

Scatter thickness

[mm]

1.155

2.523

1.155

2.031

1.015

1.295Scatter rotation angle[degree]

30.00

66.64

30.00

60.50

10.00

39.46

Energy after scattering[MeV/n]

397.8

⇐

287.2

⇐

134.7

⇐

＊アブソーバー回転角度幅を変えることで様々なエネルギーに対応可能⇒装置の小型化に有効

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エネルギー補正実験(実験)
エネルギー補正の確認のためアイ
ソセンターに水厚可変水槽を配置し、ブラッグピーク測定を行った。

正線量モニターアブソーバー

実験条件
実験コース：D室（スキャニング実験室）
ビームエネルギー：290MeV/n
アブソーバー材質：アルミニウム
アブソーバー厚：1mm（サーボモーター駆動）

水厚可変水槽

電離箱

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エネルギーアブソーバー実験
(結果)
（B)

71.5mm
（A)
6（B)
5（C)
432
10122 123 124 125 126 127 128 129 130
Range [mm]（C)

76Dose [arb. unit]

Dose [arb. unit]

（A)

54（A)
（B)
（C)

32
10
119 120 121 122 123 124 125 126 127
Range [mm]ブラッグピーク測定結果 (左:アブソーバーなし、右：あり）
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エネルギー補正実験(オプティクス)エネルギーアブソーバーをスキャニング照射に利用するには① アブソーバーによるemittance growthを出来るだけ小さくする。
② アブソーバー厚の変化によりアイソセンタースポットサイズが変化しない。
⇒高エネルギービーム輸送ラインのオプティクス最適化(1) アブソーバー設置位置のβ関数で出来るだけ小さくする。
(2) アブソーバーおよびアイソセンター間のphase advanse（μx,y）をn×πにする。
(3) アブソーバーおよぶアイソセンターのα=0にする。
表：計算によるビームパラメータ
アブソーバー位置

アブソーバーのために最適化したΒ関数（ESD～アイソセンター）
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まとめ
群馬大学重粒子線医学センターでは3次元スキャニング照射の実現に向けたR&Dに取り組んでいる。

RF周波数掃引による遅い取り出し ⇒ エネルギー変動が問題
エネルギー変動をエネルギーアブソーバーを使って補正。
・実験により計算通りエネルギー補正できる・計算によりアイソセンターでのビームサイズが変化しない条件を求めた。
スキャニング照射に要求される高品質ビームの供給が加速器側から可能になる。

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