Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 WEP012

HIMAC 及びその入射器を用いた放射性 11C ビーム加速の可能性
POSSIBLE ACCELERATION OF RADIOACTIVE 11C BEAM
WITH HIMAC AND ITS INJECTOR LINAC
野田 章#，片桐 健，中尾 政夫，北條 悟，杉浦 彰則，鈴木 和年，野田 悦夫，野田 耕司
Akira Noda#, Ken Katagiri, Masao Nakao, Satoru Hojo, Akinori Sugiura, Kazutoshi Suzuki, Etsuo Noda, Koji Noda
National Institute of Radiological Sciences, Chiba, JapanAbstract
At National Institute of Radiological Sciences (NIRS), cancer therapy with the use of carbon ion beam has been
performed since 1994 and recently the number of treated patients becomes close to 1000 per year and similar facilities
have been constructed under the support of NIRS. Capability to apply medical irradiation with the use of radioactive
11
C beam has been also pursuit in order to monitor the irradiation distribution real time online. “Projectile FragmentScheme” to provide 11C ion beam was applied by irradiation of 12C beam on the Be target, which, however, was rather
limited by its low beam intensity and larger emittance due to spread of production angle. In parallel to this, requirement
for high intensity irradiation by the cyclotrons has been increased so as to respond to the needs of Targeted Radionuclide
Therapy. Based on the activity for radio-active nuclide production using the accelerated ion beam by cyclotrons, thecapability of such a scheme as utilizes the ionized 11C ion created by irradiation of the target with a high intensity(~20 μA) proton beam accelerated by the cyclotron (“Target Frangment Scheme”) has been investigated to be further
accelerated by HIMAC and its injector.

1.

はじめにイムで PET により照射位置の確認を行う可能性が提案 さ れ て い る [4] 。 本 稿 で は 以 下 に こ の Target
Fragment を用いた ISOL Scheme により生成した 11Cイオン源からの RI ビームを HIMAC およびその入射器ライナックで加速を行う可能性について考察する。

放 射 線 医 学 総 合 研 究 所 （ National Institute ofRadiological Sciences: NIRS）では 1994 年の重粒子線（炭素線 12C）による臨床研究の開始以来、着々と治療患者数が増大し、近年は年間 1000 人に迫りつつある。また、照射の手法も当初のワブラ－と散乱体 2. 放医研サイクロトロンによる放射性薬剤生成の組み合わせによりサイズを拡大したビームをボーラス、コリメータを用いて腫瘍部のみに限局して照放医研は設立以来、放射線がん治療や診断に関す射するワブリングの手法から、ペンシルビームを用 る知見を蓄積してきたが、特に近年は分子イメージいて腫瘍部の形状に従って照射を行うスキャンニン ング研究の推進の中で、様々な RI を製造し、200 以グの手法へと重心が移行しつつあり、ビームのエネ 上の放射性薬剤の開発を行い、画像診断を総合的にルギーもリッジフィルターを用いて Bragg Peak を拡 行ってきた[5]。また、RI 薬剤を利用した診断及び治大する手法から取り出しビームエネルギーそのもの 療 [6] の世界的な進展に鑑み、いち早く標的アイソを変更して照射点の奥行きを変更する 3 次元スポッ トープ治療(Targeted Radionuclide Therapy :TRT)の実トスキャニングの手法へと進みつつあり[1]、実際の 現に向けた研究開発にも取組み、LET の高いα線や患者さんの体内での照射位置のリアルタイムでの確 オージェ電子放出 RI による基礎実験および動物実験認をオープンペットで行うことの重要性が指摘され を行ってきた[7]。Table 1 及び table 2 に夫々、これらている[2]。
薬剤の生成の基礎となる、放医研の大型サイクロト
こうした要請に応えるべく、Be ターゲットに 12C ロン NIRS930 及び小型 HM-18 サイクロトロンからビームを照射して Projectile Fragment の手法で放射性 のビームによって生成される放射性核種の一覧を示の 11C ビームを生成する試みが実施されてきた[3]が、 した[5]。
生成角の拡がりに起因して、ビームのエミッタンスや運動量の拡がりが大きく、また強度も～105pps と 2.1 C3 垂直ビームラインでの 11C 放射性イオンビー限られるという制約が大きく、実際の患者さんの治ム生成療に供するには至っていない[2]。
大型サイクロトロン NIRS930 では 40 年前の建設当
この状況の改善のため、サイクロトロンからの大初に速中性子治療に使用されていた垂直 C3 ビーム
強度陽子ビームの照射により Target Fragment で生成コースにワブラを用いたビームサイズ拡大システム
し た 11C の イ オ ン を イ オ ン 源 か ら 取 り 出 し て 、を導入し、放射性イオン生成のために使用する改造
HIMAC とその入射器で加速を行い、実際の炭素線治療を 11C の放射性ビームを用いて実施、リアルタ___________________________________________# a_noda@nirs.go.jp- 424 -

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Table 2: Ion Beams from HM-18 Cyclotron and Their
Created Radionuclides

Table 1: Ion Beams from the NIRS930 Cyclotron and
Their Created Radionuclides
Beam Particle

ProtonH2+Deuteronα-particle

Beam Particle

Radionuclide89
Zr
11C62
Zn/62Cu68
Ge67
Cu
74
As
186
Re64
Cu
124
I177
Lu67
Cu
43
Sc
155
Tb
211
At28MgProtonDeuteronRadionuclide
11C13N
18F
15O

2.2 HIMAC での加速に向けた ISOL(Isotope SeparatorOnline)システムによる 11C イオンビームの供給が進められている[8]。その一環として垂直照射ラインに固体 NaBH4 ターゲットを設置し照射により精製した 11C ガスをイオン化して 1 価で効率良く収集するイオン源システムの開発を進めている[4]。

上記のイオン源で生成される１価の 11C ビームをHIMAC のインジェクターで加速を行うためには既存 の 入 射 器 の 受 け 入 れ 可 能 な ２ 価 以 上 に charge
breeding を行う必要がある。
放医研では小型サイクロトロンの 18MeV(on targetで 14.2MeV)の proton ビームをガスターゲットに照射して 14N(p,α)11C 反応により、20μA の proton ビームの 20 分の照射で 37GBq (1Ci) (6.5x1013atom の 11C)を生成している実績をベースに、ESIS イオン源からパルス当り～1x109 の 11C イオンの供給が可能として、HIMAC のビーム透過効率 10%を仮定して 1 ビーム
パルス当り 108 の 11C イオンビームの供給が可能との提案がなされている[9]。このガスターゲットを用いるシステムは不純物の混入により非放射性の 12C にA
Alvarez

RFQ

B

10 m

10 m

(a)

(b)

Figure 1: (a) Layout of the injector linac system of HIMAC, (b) rough scale of HM20 (with shielding).

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比して 11C の存在比が劣化する危険性が指摘されており[10]、最近は固体ターゲットに真空中で照射を行い比放射能の向上を図る手法が追及されている[4]。

3.

治療用炭素線ビームの加速スキーム

3.1 Injector Linac System of HIMAC
HIMAC の入射器は Figure 1(a)に示したようにイオン源及び共振周波数 100MHz の RFQ 及び Alvarez 型のライナックから構成されている。このライナックを用いて炭素イオンが建設当初に加速された際のパラメータを table 3 に示した[11]。

Table 3: Main Parameters of the Injector Linacs
Injection Energy
Output Energy
Input Current
Transport Efficiency
LEBTRFQ
Alvarez
Stripping Efficiency
MEBT Transmission
Emittance (90%)
Momentum Spread

8 keV/u
800 keV/u(RFQ), 6MeV/u(DTL)
140eμA(C4+), 300eμA(C2+)
93%(C4+), 80%(C2+)
92%(C4+), 92%(C2+)
96%(C4+), 86%(C2+)
93%
95%(C4+),84%(C4+)
0.7 πmm・mrad
0.1%

3.2 Linac 出力ビームの HIMAC への入射
HIMAC へ の 治 療 炭 素 イ オ ン ビ ー ム の 入 射 は6MeV/u フルストリップの 6 価イオンでの入射を想定している。ライナックの C6+出力ビーム電流をタン
グステンワイヤメッシュで 50eμA に減衰した後HIMAC に入射を行い、照射エネルギー290 MeV/u の取り出しポートで 1.8x109 pps を実現している[11]。
（水平方向位相空間への多重入射に依る 1 桁程度の強度増大がなされていると推定している。）Projectile Fragment Scheme による～105pps のビーム強度[2]に比して 3 桁近く強度の大きい放射性 11C イオンビームによる治療が可能となり、online PET の S/N比の格段の向上が期待される。

参考文献[1] K. Noda et al., “Status of the HIMAC injector”, Proc. ofIPAC2014, Dresden, Germany, pp. 2812-2814 (2014).
[2] 山谷泰賀、展望「開放型 PET 装置による粒子線治療の照射野イメージング」、Isotope News 2012 年 7 月号
3.3 ESIS イオン源からの 11C イオンの加速
No699, 2-6.
Figure 1(a)の A または B の位置に、Figure 1(b)に示 [3] E. Urakabe et al., “Spot scanning using radioactive 11C
beams for heavy-ion radiotherapy”, Jap. J Appl. Phys., 40,
したような HM20[12] 程度の 小型サイクロトロンを(2001), pp2540-2548.
HIMAC の入射器に隣接して設置し、ターゲットの[4]K.
Katagiri et al., “11CH4 molecule production using a NaBH4照射で生成された 11C ガスをホットラボで分離生成
target for 11C ion acceleration”, Rev. Sci. Instrum. 85,
02C305 (2014) and K. Katagiri et al., contribution to this
した後イオン源に導けば、サイクロトロンを用いたmeeting.
薬剤生成の実績から NaBH4 固体ターゲットの 18μA、[5] 杉浦彰則他、平成 26 年度サイクロトロン利用報告書.
18MeV の陽子ビームによる 20 分の照射により、 [6] G. Stöcklin, S.M. Qaim and F. Rösch, "The Impact ofESIS[13]を用いた charge breeding によりこのイオン源
Radioactivity on Medicine”, Radiochimica Acta 70/71, 249272 (1995).
から 100μs のシングルパルス当り 1010 の 11C イオン[7] 放射線医学総合研究所平成 28 年度概算要求資料.
が供給可能と考えられる。ライナックシステムによ [8] K. Katagiri et al., “Design of Beam Transport Lines for
る加速と荷電変換による効率は table 3 によると～Radioisotope Production Systems in NIRS Cyclotron
Facility”, Proc. of IPAC14, Dresden, Germany, pp216250 %と考えられるので 6MeV/u の 11C6+イオンビーム
216of IPAC14, Dresden, Germany, pp2162-2164)of IPAC14,の HIMAC への入射時の強度は約 50eμA と推定でき、Dresden, Germany, pp2162-21644)(of IPAC14, Dresden,
サイクロトロンの照射時間 20 分毎に HIMAC のシンGermany, pp2162-21,(2014).
グル加速サイクルでトータル~109 の 11C6+の取り出し [9] S. Hojo et al., “Production of 11C-beam for particle therapy”,
Nucl. Instr. And Meth. in Phys. Res. B240 (2005) pp75-78.
ビームが供給可能と推定できる。
[10] K. Suzuki et al., “Specific activity of [11C]CO2 generated ina N2 gas target: eefect of irradiation dose, irradiation history,
4. 結論
oxygen content and beam energy”, Rdiochem. Acta 88,
pp211-215 (2000).
以上のべたサイクロトロンからの大強度ビームの[11] S. Yamada et al., “Present status of the HIMAC injector”,
照射で生成された放射性イオンビームをセレクトしProc. of 1994 International Linac Conference, Tsukuba,(ISOL)、HIMAC とその入射器で加速を行う Target
Japan, pp. 768-770, (1994).
Fragment Scheme を用いれば HIMAC の 1 周期の加速 [12] http://www.shi.co.jp/quantum/jp/product/pet/hm20.html[13] D/E. Donets et al., “Design and construction of tubular
当り、~109 の 11C イオンビームの供給が可能となり、
electron string ion source”, Proc. of IPAC’10, Kyoto, Japan,
HIMAC からのビームの取り出し、供給を 10 秒のpp.4208-4210, (2010).

オーダーで行うとすれば～108 pps の照射が実現し、- 426 -