いばらき中性子医療研究センターにおける加速器BNCT
おける加速器BNCT施設の建設
BNCT施設の建設
小林 仁#,A,B,F)，栗原 俊一A)，吉岡 正和A)，松本 浩A)，松本 教之A), 熊田 博明B)，櫻井英幸B)，田中 進B)，松村 明B)，菅野 東明C)，柱野 竜臣C)､中島 宏D)，中村 剛実D)，平賀富士夫E)，大場 俊幸F)，小林 創F)，名倉 信明F)､黒川真一A,G)､中本崇志G)､Tilen Zagar G)A) KEK, Accelerator Research Organization
B) Tsukuba UniversityC) Mitsubishi Heavy Industries, LTD.
D) JAEA, Japan Atomic Energy AgencyE) Hokkaido UniversityF) Nippon Advanced Technology CO., LTD.
G) Cosylab

iBNCT
Industry-Government-Academia ResearchTsukuba UniversityKEK Accelerator Target Moderator
 Collimator Rad. shielding Project management
 JRR-4 (nuclear reactor)
 Medical system
 Monitoring

Hokkaido University
 Neutron science, moderator

JAEA
 JRR-4
 Moderator design
 Radiation safety

Mitsubishi heavyindustries LTD.
 Manufacturing

NAT, ATOX, Taiyo Valve, Toyama, Nihon Koshuha,
NEC/Tokin,,,,many companies are involved

Ibaraki prefecture

iBNCT の建設サイト:の建設サイト:
いばらき中性子医療研究センター内
いばらき中性子医療研究センター内 (J(J-PARC サイト近くサイト近く)近く)

75 km

Ibaraki Neutron Medical ResearchCenter

iBNCT
J-PARC の加速部をベース:の加速部をベース: ビームダイナミクス
DTL: Drift Tube Linac

RFQDTLRFQ

i-BNCT linac

Main parameters of i-BNCT linac;
8MeV, 80kW High duty proton Linac
 Peak current: 50mA
 Pulse width:
1ms
 Repetition rate: 200Hz
 Duty factor:20%
 RF frequency: 324MHz
 RFQ + DTL + 1.2MW klystron Beam size expansion
 Beryllium target
 Moderator
 Collimator Radiation shielding現在の加速器室と照射室
現在の加速器室と照射室の加速器室と照射室-標的主要パラメータの決定
基本方針:
基本方針:
Hospital & Patient Friendly
Guiding Principle: Very low residual
radioradio-activity.
エネルギーと標的材料が最重要パラメータ
その他の材料の選択等
その他の材料の選択等でも注意深く低放射化の材料の選択等でも注意深く低放射化の優先度を高く

IAEA照射照射野
照射野での中性子強度
での中性子強度指標
中性子強度指標-原子原子炉
原子炉ベースベース
熱外中性子 (0.5eV-10keV): 1X109n/(s・・cm2)
治療時間の観点から(1
治療時間の観点から(1回で終了｡(1回で終了｡30回で終了｡30分内外30分内外)分内外)

加速器の観点からはかなりのハイパワービームが必要
当初基本的なモデレータ系を想定しての見積もりから､当初基本的なモデレータ系を想定しての見積もりから､8MeV8MeV-80kW程度必要と判断
80kW程度必要と判断加速器パラメータ

J-PARC()比 プロトンビームエネルギー: 8MeV
 電流: 50mA peak; 10mA
average ビームパワー: 80 kW
 0.5mm厚 ベリリウム

ピーク電流:
同繰り返し:200(50)Hz
パルス幅1(0.5)ms

Ion source(50kV)

RFQ(3MeV)

加速器の構成加速器の構成DTL(8MeV)

デューティ:
20(2.5)%

プロトンエネルギーと中性子発生
9Be(p,n)9B

Neutron energy spectrum for various production angle

30MeV Proton
3mm Target

8MeV Proton
0.4mm target
28MeV

中性子発生効率
中性子発生効率:中性子発生効率: 高エネルギー有利
モデレータ効率
モデレータ効率:
モデレータ効率: 低エネルギー有利

6MeV

air
Radiation
shieldreflector

γ,n absorber

moderator

heavy-metal
Heavy-metal

Reflector

Radiation
shieldRadiation
shieldRadiation
shieldRadiation
shieldModerator design(Plan view)

i-BNCT, much better than JRR-4 (more than 4-times)

Simulation:
4.66××109 n/s/cm2

Real data

治療体系で線量強度は変わるsteellead

8MeV proton neutron energy < 6MeVWe can avoid many nuclear reaction
channels
Low residual radiation

構造材の放射化検討の放射化検討
コリメータ側の光子空間線量率分布

100μSv/h

ビーム照射

患者・医療従事者のエリアでは､患者・医療従事者のエリアでは､1年間の使用後も急速に10μSv/h
年間の使用後も急速に10μSv/h以下
10μSv/h以下
14個々の機器の状況
 モジュレータ イオン源
 加速管
 標的
 制御
 ブリスタリング研究ロングパルスロングパルス-高繰り返しモジュレータの高繰り返しモジュレータの開発

要求仕様
パルス幅:
パルス幅: 1ms
電圧:
電圧: -90kV
電流:
電流: 30A
繰り返し:
繰り返し: 200Hz
パルス平坦度
パルス平坦度:
平坦度: 0.1%

コンデンサバンク小型化技術
Accelerator Laboratory

サグ補償回路でサイズを１／１０程度にC=

Switch

V0V0τ
R ⋅ Dr

Dr 1C
サグ補償回路

サグ補償回路20%R

容量Cを１／２０tVB(t)•バウンサー方式（LC共振）
長パルス(1.7ms)では大型化、コスト高

τ
サグ補償回路の電圧

サグ補償回路の出力電圧波形
VB(t)

VB (t) =V0⋅tC⋅R

C：コンデンサバンク容量、R：負荷抵抗値t•チョッパ、インバータ方式
PWM制御で三角波•マルクス方式

KEK第第27回技術部会
回技術部会 M. Akemoto

サグ補償回路(DRC)
サグ補償回路(DRC)
It will be used for 50 modules toprovide an order of 10-4 flat-top.

#01
••
#30

サグの補償回路:
サグの補償回路50分割のモジュール
分割のモジュール

出力の平坦度調整
200µs/div

200µs/div

30A
100V-90kV

200µs/div

100V

200µs/div

100V

簡便なDROOP
簡便なDROOP補償DROOP補償:
補償: タイミング調整のみ

過電流保護回路試験
CH4

WATER-LOAD

万一の放電時:万一の放電時:20ジュール20ジュール以下ジュール以下

Ø0.12

VOLTAGEINTERLOCK TURN ON

64A

CURRENT LIMIT: 40A-94kV
CURRENT

2µs

NO EVAPORATED
COPPER WIRE

12J (black color dotted line area)

COPPER: ~7J
170mm
SPECIFIC GRAVITY: 8.9 [Ton/m3]
SPECIFIC HEAT: 0.09 [kcal/kg]
MELTING TEMP.: 1084 [°C]
WEIGHT: 0.017 [g]イオン源チューニング

加速管の温度制御
ITEMS

UNIT

BNCT

J-PARC

RFQ

DTL

RFQ

DTL

LENGTH

m

3.1

3.004

3.1

9.921

BEAM CURRENTmA50505050

BEAM PULSE WIDTH

msec

1.01.00.60.6

INJECTION ENERGY

MeV

0.05

30.05

3OUTPUT ENERGY

MeV

38319.716

PEAK RF WALL LOSS POWER

MW

0.34

0.32

0.34

1.06

PEAK BEAM POWER

MW

0.15

0.25

0.15

0.84

TOTAL RF POWER(@50mA)

MW

0.49

0.57

0.49

1.90

Repetition Rate

Hz200

200

5050

AVERAGE BEAM POWER

kW

8050

AVERAGE RF WALL LOSS
POWER/m (RFQ+DTL)

kW

21.6 (132)

3.2 (42)COOLING WATER FLOW RATE
@ @T=0.1°C

L/min.

3,000 (19,000)

460 (6,000)

COOLING WATER FLOW RATE
@ @T=10°C

L/min30 (190)∆T = 14.3×

kW[°C ],L / min .

1[ Joul ] = 0.239 [Cal ]iBNCT COOLING SYSTEM USINGDYNAMIC TEMP. CONTROL

RFQ: 90 L/min.
DTL: 100 L/min.

℃：∆TMAX
10 @200Hz

45°C

40°C

35°C

OUTLET WATER TMP.
ACC. BODY TMP.
(ideal case)
INLET WATER TMP.
∆T [°C ] = 14.3 ×

WATER SPECIFICATION FOR KLYSTRON TUBE (@TOSHIBA)
1) pH: 7-8, 2) OXYGEN DENSITY: 1-6 ppm, 3) SPECIFIC RESISTANCE: >10kΩ·cm, 4) PARTICLE SIZE: <50µmkW
L min .

MAR.012012 H. MATSUMOTO

加速管の温度制御試験:
加速管の温度制御試験: FROM 30°
30°C TO 60°
60°C
OVER SHOOT DUE TO TEMP. CONTROL SYSTEM

0.05C° °±TARGET TEMP: 60 C

INLET WATER TEMP..
STARTED @30 C, SLOPE: 10DEG.-C PER 30MIN.

°

JULY122014 H. MATSUMOTO

標的開発:
標的開発: ブリスタリング対応
Backup layer

Ibaraki target (separated function)
Target thickness is 0.5mm
needs backup plate for beam window
Proton beam

Heat sinkwith coolingwater channel
BeBlistering
mitigation metal

Target Failure: ブリスタリング
BeALBe is always in the short time limit
7 MeV 0.42 mm
13 MeV 1.28 mm

6µ~5% lP = 2.3 x10 −7 l − atm

P(kw)t (sec)E ( MeV ) A(cm 2 )ε (cm)P≈

2 Ey w
1−υ A

Lifetime 13 MeV ~ 6.5 days Good agreement with
7 MeV ~ 2 days

operating experience

ICANS; 4 March, 2010 P. Sokol

実機大標的の製作

180mm

標的とモデレータ
2014/8/18

ベリリウム標的ベリリウム標的試験用標的を付けた加速器

第1期
期10万分の万分の1の万分の のパワー申請
Neutron target

標的試料の製作と試験

29

熱伝導率、引っ張り試験他
熱伝導率、引っ張り試験他

Laser flashing標的温度のシミュレーション

320x316 ℃

300②z①280)℃( 260erut
a 240rpmet

220
200
180

012345678910z (mm)Temperature: surface to cooling pipe

過酷事故対応
701.16℃(Δ674.3℃)

800700) 600℃
( 500er 400ut
a 300rpm200et 1000400

Be表面t5.0mm
冷却配管冷却配管上部
27.6℃(Δ0.75℃)) 300
Wk(r 200ewop 100

03.Be 12.56cm2 (φ40)に400kWの熱量を入射した時の過渡解析
10パルス(0-50msec)
010203040

50time (msec)

10パルスにおけるBe表面とCu部分と冷却配管上部の温度の時間変化(上段)
10パルスにおける入射熱量の時間変化(下段)フルパワー時､フルパワー時､万が一ビーム万が一ビーム拡大系が止まると10パルス10パルス(パルス(50ms)で50ms)で700度を超える
700度を超える:
度を超える: 時間的余裕あり

EXAMPLE OF CONTROL PANEL USING CSS (Control System Studio)ブリスタリング研究:
ブリスタリング研究: PLDMを用いた表面観察
PLDMを用いた表面観察− Incident angle dependency of reﬂecvity of s, p polarized light −SmallLarge

Polarizing Long Distance Microscope(PLDM)SP34

KEK700keVコッククロフトウォルトン
KEK700keVコッククロフトウォルトン
In situ observation of blistering
RGA

Polarized Long Distance Microscope(PLDM)

Laser Light Reflectivity Measurement (LRM)35reflected laser intensity

Blistering observation using reflection laser light
Copper:Equivalent to
3.5 hour operation

Research will be continued
36まとめ20142014年
2014年7月7日に放射線管理区域に設定
加速管の加速管のコンデショニング開始
加速管のコンデショニング開始
概ね
概ね順調
概ね順調に動いているが立ち上げ特有の問題
順調に動いているが立ち上げ特有の問題もあり