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

PASJ2014-SAOLP4

いばらき中性子医療研究センターにおける加速器 BNCT 施設の建設
CONSTRUCTION OF ACCELERATOR-BASED BNCT FACILITY AT IBARAKINEUTRON MEDICAL RESEARCH CENTER
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)
Hitoshi Kobayashi #,A,B,F), Toshikazu Kurihara A), Masakazu Yoshioka A), Hiroshi Matsumoto A), Noriyuki MatsumotoA),
Hiroaki Kumada B), Hideyuki Sakurai B), Susumu Tanaka B), Akira Matsumura B) , Toumei Sugano C),
Tatsuomi Hashirano C), Hiroshi Nakashima D), Takemi Nakamura D), Fujio Hiraga E), Toshiyuki Ohba F),
Hajime Kobayashi F), Nobuaki Nagura F),Shin-ichi KurokawaG), Takashi NakamotoG), Tilen ZagarG)
A)
KEK, Accelerator Research Organization
B)
Tsukuba UniversityC)
Mitsubishi Heavy Industries, LTD.
D)
JAEA, Japan Atomic Energy Agency
E)
Hokkaido UniversityF)
Nippon Advanced Technology CO., LTD.
G)
Cosylab

Abstract
An accelerator-based BNCT (Boron Neutron Capture Therapy) facility is being constructed at the Ibaraki Neutron
Medical Research Center. It consists of a proton linac of 80kW-beam-output with 8 MeV energy and 10mA average
current, a beryllium target, and a moderator system to provide an epi-thermal neutron flux enough for patient treatment.
We are aiming at a “Hospital and Patient friendly BNCT”. Very low residual radio-activity is our guiding principle.
Development of a klystron modulator, which has 1ms pulse width, 90kV-30A output pulse and 200Hz repetition rate, isa big challenge. Commissioning of the klystron modulator has just started. Blistering is the most crucial issue for lowbeam energy BNCT. In order to make a detailed study of blistering phenomenon, an experimental setup for observationof the metal surface that have high sensitivity and high spatial resolution has been developed. Surface roughness due tothe formation of blisters is detected by the change of reflectivity using a glancing incidence He-Ne laser beam. Apolarized long distance microscope is used to be able to obtain images with high-sensitivity and high-spatial-resolution
in real time while under the irradiation of a proton or H- beam on the sample of test materials. The system has successfully
detected blistering surface dynamics.
.

「Hospital and Patient Friendly」であり､放射化物を少なく､患者および医療従事者の被曝量を極力小さく
ホ ウ 素 中 性 子 捕 獲 療 法 (Boron Neutron Capture することを最優先にしている｡そこで陽子ビームエ
Therapy: BNCT)用の加速器の建設を進めている｡装置 ネルギーを 8MeV と低く設定し､標的にはベリリウム[1], [2]｡勿論平均電流 10mA の加速器の実現
は「いばらき中性子医療研究センター」に設置され を選択したそのものが非常に高度な技術を要する｡わけても低ている｡本年は､BNCT 加速器がいよいよ放射線発生装置として位置づけられることより､「 筑波大学中 エネルギー大電流陽子ビームの引き起こす標的のブ[3]性子医学研究開発室」が新たに発足した｡この加速 リスタリングはもっとも重要視される課題である ｡
建設作業の観点からは昨年度から今年にかけて､器の主要パラメータは､陽子ビームエネルギー8MeV､加速器の全機器の設置､配線,配管が完了し､安全系,ビーム電流 10mA(50mA, 1ms, 200Hz)でビームパワー制御系が機能しだし､2014 年 7 月 7 日に管理区域の80kW である｡この加速器 BNCT で掲げる目標は設定を行い､いよいよビーム加速に向けた作業に入った｡
#

1.

はじめに

___________________________________________

hitoshi.kobayashi@kek.jp- 14 -

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加速器建設状況

2.1

イオン源

50kV イオン源の調整ではビーム引き出し､プロファイルモニタ上でのスポット像を確認した｡まずはこのイオン源を使用してビーム調整を進める｡
現状ではイオン源は多くの医療用陽子加速器で見られるように､イオン源を直接 RFQ に取り付けてある｡しかし､後述するようにブリスタリングの研究がある程度進む中で低エネルギーのビームによる銅表面への影響を懸念するようになった｡つまり､ブリスタリングにより RFQ のベイン表面が荒れ､それがマイクロ波の放電を引き起こす可能性を否定出来ない｡
イオン源は安定に放電事象を維持するために継続的に運転しておき､ビーム加速時以外も加速用のマイクロ波は止めるが､イオン源を動作させたままで待機させることが多い｡待機中はイオン源から出射された陽子ビームは RFQ のベインに当たると考えられる｡陽子ビーム治療装置に置けるビーム電流と BNCTにおけるビーム電流では低く見積もっても BNCT のそれが 3 桁大きい｡もしイオン源からのビームでブリスタリングが起きるとすると､BNCT 用の大電流加速器では極端に短い期間でこのような事象が発生することになる｡さらに､待機中のビームを加速管に入れないことは勿論､イオン源で発生する他のイオン種､つまり H2+, H3+についても対策が必要と考えられる｡
陽子に対する H2+の混入率を 10%以下と見積もっても､H2+ビーム電流は陽子ビーム治療用の加速器における陽子の電流値よりはるかに大きい｡J-PARC やIFMIF の よ う な 研 究 用 大 電 流 陽 子 加 速 器 で はLEBT(Low Energy Beam Transport)を設置している｡
そこにはビームストッパ､モニタ等の安全用機器や診断機器を設置し､さらにイオンの種類によって収束条件が異なることを利用して H2+､H3+をほぼ全量取り除いている例もある｡BNCT 用加速器は非常に大電流であり､大型の加速器でよく用いられている
LEBT と同等の機能を持つ入射部の設置の検討を開始した｡
2.2

加速管

加速管は 3MeV の RFQ と 5MeV の DTL の 2 本で構成されるが､これらは以前に設置済であり本年の主要作業は冷却系､真空排気系の接続､並びに加速管の温度制御系の準備である｡この加速管の RF 設計およびビームダイナミクスは以前に報告したように JPARC のフロントエンドと同じになっている [1] ｡JPARC ではこのシステムの最適電流は 30mA としている｡BNCT では加速ビームの最大値は 50mA を想定しており､この加速管で 50mA を加速するケースまでシミュレーションを行って採用した｡
J-PARC と大きく異なっている点は､そのデューティファクタが､J-PARC の約 3%に対し､20%と非常に大きいことである｡冷却方法に工夫を凝らし､冷却水量は J-PARC よりも少なくて済む方式を採用している｡温度をダイナミックに制御する方式で､いよいよマイクロ波の加速管への投入が始まりこの新しい冷却方法の試験が開始された｡
2.3

ビームトランスポート

BNCT 加速器のビームパワーは大きく,加速されたビームサイズのままで標的を打つと標的にダメージを与える｡そこで拡大系を用いてビームサイズを大きくし､標的上でのビームの熱密度を減じている｡ここでは 4 極電磁石と 8 極電磁石の組み合わせによるビーム拡大系を構築した｡この方式では磁石は直流励磁でよく､直流励磁の電磁石は万が一電源が落ちるようなことがあっても､時定数の関係で一定時間磁場を維持することが出来､その間にビームを止めて標的の健全性を確保できる｡基本的なパラメータが決まれば電磁石を永久磁石で置き換えることも可能で､電源停止の危険を回避できるであろう｡この方式ではビームの拡大系の中心軸とビーム中心位置にミスアライメントがあるとビームの平坦度が損なわれる｡4 極電磁石と 8 極電磁石にさらに 6 極電磁石を併用することでこのようなミスアライメントに起因する平坦度の著しい変化を抑えることが出来るが[4]､今回はビームトランスポートに許される空間サイズの制約から 4 極電磁石と 8 極電磁石のみの組み合わせで拡大系を構築した｡ビームトランスポートは拡大系の設置範囲で分散関数をゼロにしており､エネルギー変動によるビーム位置の変動が起きないように設計した｡
2.4

マイクロ波源

昨年から今年にかけてのハイライトは､パルス幅1ms の広いクライストロン用モジュレータを調整してきたことである｡パルス幅が 1ms を超えるモジュレータはリニアコライダなどで研究・開発がすすめられている｡リニアコライダと比較した場合 BNCTのモジュレータはその繰り返しが 200Hz と高い｡ク
ライストロンは､万が一その内部で放電が起きた場合などでも 20 ジュール以上のエネルギーが注入されないことが保護上重要である｡模擬放電を発生させ規定以内の 20 ジュール以下でエネルギーの注入を止める保護回路の調整などが慎重に進められた｡1ms の長いパルス幅における平坦度の確保に droop の補償が重要となり､droop 補償回路(DRC)の動作によって平坦度 0.1%を保つことが出来る｡
以下にこのモジュレータのパラメータを整理する｡
電圧: 90kV
電流: 30A
パルス幅: 1ms
繰り返し: 200Hz一方､東芝製クライストロン:E37619 は､この BNCT用に開発されたハイデューティ・クライストロンである｡その主要パラメータを以下にまとめる｡- 15 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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周波数: 324MHz
出力電力: 1.2MW
パスル幅： 1ms
パルス繰り返し: 200Hz
利得: 45dB
Fifure 1 にモジュレータの出力波形を示す｡

Figure 2: Heat conductivity measurement using laser
flashing.

Figure 1: Pulse output of klystron modulator
2.5

標的開発

低放射化を図るために 8MeV という低いエネルギーを選択したことで生じる大きな技術課題は標的の開発である｡この技術開発が本システムの成否を決めると言って過言ではない｡つまり､全プロトンを標的構成部材の中で止めることによる①ブリスタリング対策､②エネルギーが低いために非常に薄い層に集中する大きな熱負荷対応､は重要課題である｡加えて前述のように熱密度を調整するための③多極磁石を用いたビーム平坦化がこれに加わる｡これらを全てクリアすることが必須である｡本年はベリリウ
ムのサイズが 180Φの実機用標的の製作へと進んだ｡
この加速器は大パワーであり､標的は熱の除去は勿論のこと､プロトンが標的内で電子と再び結合することで引き起こすブリスタリング対策が大きな課題となる｡標的技術は今後も継続して進める方針であるが､従来からの知識を総合して製作する標的を第 1 世代標的と位置づけて､ブリスタリング耐性を持つ標的を開発した｡
標的の熱伝導度が重要な要素になる｡そこで標的の冷却性能を確認するために作ったサンプルの熱伝導度をレーザーフラッシュ法で計測した｡方式としては Figure 2 に示すように､片側から非常に速いレーザーパルスを照射し､裏面の温度の上昇の速度を測ることで熱伝導度を求めた｡その測定結果を Figure 3に示す｡レーザーの入射から最終温度の 1/2 に達する
時間 t1/2 は約 15ms で､熱伝導度は 200W/m/K であった｡この結果は各々の金属が理想的に接合された場合に実現できる値である｡この熱伝導度で､最大パワーにおける表面温度はシミュレーションによって300 度を少し超える程度と推定している｡

Figure 3: Result of t1/2 measurement.
2.6

中性子用モデレータ・コリメータ

このモデレータ・コリメータ部分は加速器と治療部の接点であり､広い範囲の専門性が要求される｡このモデレータ・コリメータ部はいばらき BNCT に参加している全機関が協力して進めている｡中性子発生用ターゲットで発生した比較的高エネルギーの中性子を減速して､治療用として定義される 0.5eV10keV のエネルギーのエピサーマル中性子強度を上げ て ､ こ の 範 囲 以 外 の ､ つ ま り 0.5eV 未 満 お よ び
10keV 超えのエネルギーの中性子を IAEA の推奨する強度にまで減衰させる｡この治療に有効なエネルギー(0.5eV-10keV)エピサーマル中性子を治療部位に効率よく導くことは非常に重要である｡中性子強度を上げるのに加速器のパワーを上げて対応するのは製作コスト並びに運転コストがアップするが､モデレータの形状,材質,それらの組み合わせ等で発生エピサーマル中性子の発生効率が上がれば､パッシブな機材での効率向上であり､その意義は非常に大きい｡我々は各種の材料､並びにその材料の形状をいろいろと組み合わせて計算を進め､中性子発生効率の向上を図り､シミュレーション上 4.66x109/(s・cm2)の中性子束出力を得ることの出来る体系を求め,これを基本体系とした｡この強度は IAEA の要求する強度を4.66 倍上回る｡この体系をベースとし実際の治療にあたっては患部の状況に応じて､これに付随する種々- 16 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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PASJ2014-SAOLP4のコリメータや必要機材をつけることから中性子束強度はその体系に応じて変化する｡

3.

ブリスタリング研究

3.1

低エネルギー陽子ビームとブリスタリング

いばらき BNCT では放射化をできるだけ避ける意
味で 8MeV の低エネルギー陽子ビームを選択したこ
加速器制御システムには EPICS を、運転画面には と は 最 初 に 述 べ た ｡ 陽 子 ビ ー ム の エ ネ ル ギ ー がCSS(Control System Studio)を採用した。コントロー 13.4MeV 以下では 9Be(p,t)7Be 反応､つまり半減期がラには一部を除き横河電機社製 FA-M3 PLC を採用 12.3 年のトリチウム並びに半減期 53.3 日の 7Be を生し 、 CPU に つ い て は シ ー ケ ン ス CPU と 成する核反応のチャンネルが開かない[5]｡F3RP61(Linux CPU)の併用とした。シーケンス CPU
ここで陽子ビームのエネルギー領域によって標的には、機器との入出力、ローカル制御並びにイン の構造に大きな違いがあることを言わなければならターロック動作を行わせている。F3RP61 上では ない｡エネルギーが高い場合､例えば 30MeV ほどであEPICS IOC を走らせ、主にシリアル通信機器の監視 ればベリリウム標的は 5mm を超える厚さに出来､機制御とシーケンス CPU とのデータのやり取りを行わ 械強度が高くなり真空隔壁兼ビーム窓として使用でせている。これにより、CSS で全サブシステムの監 き､プロトンは中性子発生後にベリリウム窓を透過視制御を統一的に行えるようにするとともに、複数 し､裏面の冷却水で止めることが出来る｡この状況でのサブシステム間の連携動作を柔軟に行うことがで はブリスタリングは起きにくいであろう｡一方､低エきるようにした。また、迅速なコミッショニング・ ネルギー陽子ビームとベリリウム標的の組み合わせメンテナンスが行えるよう、試験的にタブレットを はベリリウムがほとんど放射化しないが､インデア導入した。CSS をタブレットで実行することで、制 ナ大学で経験しているベリリウムの剥離問題の対策御室で行うのと同じように、各機器の操作、監視、 が必要となる｡つまり､インデアナ大学では､当初履歴の閲覧などを現場で行うことができる(Figure 4)。 ビームの飛程より厚い 4mm 厚のベリリウム標的を使
例えば、別の部屋に設置された真空系や冷却系の各 用したが､ベリリウム内のブラックピーク近傍で止機器の現在値とその推移を確認しながら、加速管の まった陽子が電子と結合して水素となり､その圧力調整作業を行うなどといった用いられかたをしてい でベリリウムが剥離する現象が起きた[6]｡そこで陽子る。
ビームが透過する厚さ(1.2mm)にまで厚さを減じ､裏面の冷却水中で陽子を止めることで長寿命化を図った [7]｡しかし､この厚さでは水圧に対応する機械強度の観点から標的の面積を大きく出来ず､熱密度の上限でビームパワーが制限される｡
我々が推進する 8MeV ビームによる中性子発生では､8MeV の陽子のベリリウム中の飛程が約 0.6mm と非常に薄く､機械強度の点からベリリウムの裏面に水を流す直接冷却方式は採用出来ない｡このような状況でブリスタリングに強い標的を開発するには必然的にブリスタリングに対する理解が必要である｡
過去の研究がブリスタリング耐性の高い材料についてある程度の指針を与えてくれるが[8]､必ずしも各材料が定量的に研究されているわけではない｡そこでブリスタリングをその場観察出来る装置の開発へと進んだ｡
2.7制御及び PPS

3.2

Figure 4: Monitoring using TABLET.
加速器の人的安全設備(PPS)はハードワイヤと PLCの組み合わせをベースとしている｡PPS の設計・設置も並行して進められた｡

実験装置の開発

高エネルギー加速器研究機構の 750kV のコックク
ロフトウォルトン加速器を用いた基礎研究を開始した｡銅などの基本的な材料についてブリスタリングをその場観察する装置の開発を行った｡照射光として偏光を用い､試料面からの反射光を偏光子を通して望遠顕微鏡で観察した｡これでコントラスト並びに空間分解能よく表面の細かい膨らみなどを観察出来た｡またレーザー光を照射光として用いブリスタリングにともなう試料の表面の反射率の変化を利用して､高い感度で表面粗度の変化を検出した [3]｡この- 17 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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実験は我々にブリスタリングを実感させ､より慎重に取り組むことの必要性を知らしめた｡ブリスタリングの研究は将来に亘ってより良い標的の開発に欠くことのできないことであり､ブリスタリング研究を継続して行う｡
勿論ブリスタリングの問題は前述のように BNCTのような大電流加速器では標的材料に限定されず､加速管等でもビームが当たるところでは検討が必要である｡

4.

放射化と保守標的は前述のようにベリリウムを透過したプロトンをブリスタリングに強い金属中で停止させ､発生する水素を吸蔵させる｡したがって一定量の水素を吸蔵すればそれ以上は吸蔵できなくなる｡これをこの標的の寿命とする｡寿命に至った標的は交換するが､その際の環境の放射線レベルが交換シナリオを決めることになる｡通常の運転では標的はモデレー
タ・コリメータで囲われる｡したがって残留放射能による患者部位での放射線レベルは極めて低い｡毎日 2 時間､週 5 日､1 年間使用したケースで､照射終了直後からの患者部位における放射線レベルのシミュ
レーション結果を Figure 5 に示す｡非常に短時間で100μSv/h 以下になることが期待できる｡一方､標的の交換時にはモデレータ・コリメータは移動させて標的は露出する｡標的を露出させた状態での放射線レベルは､10mSv/h@30cm 程度を交換の環境放射線レベルとシミュレートして交換シナリオを検討している｡[3] T. Kurihara, “Three tier blistering tolerant neutron target foriBNCT by using 80kW proton linac” HPT14, May 20th-23rd,
2014, Fermilab, Batavia, Illinois, USA[4] Y. Yuri, et al. “BEAM UNIFORMIZATION USINGMULTIPOLE MAGNETS AT THE JAEA AVF
CYCLOTRON” Proceedings of EPAC08, Genoa, Italy[5] M.B. Leuschner, et al. “LENS: A new university-based
neutron source for science and education” Nucl. Instrum.
Methods. B 261 (2007) 956-959[6] P. Sokol, “Design and operation experience with a beryllium
target for neutron generation” ICAS 2010[7] T. Rinckel “Target Performance at the LENS Neutron Source”
ICANS 2011[8] V.T. Astrelin, et al. “Blistering of the selected materials
irradiated by intense 200 keV proton beam” Journal ofNuclear Materials 396 (2010) 43-48

Figure 5: Simulated residual radioactivity at the patientposition (one year use).

参考文献[1] M. Yoshiokai, et al., “いばらき中性子医療研究センター
における加速器 BNCT 施設の建設”, 「加速器」Vol. 9,No. 4, 2012 (229-241).
[2] H. Kobayashi, et al. “CONSTRUCTION OF A BNCTFACILITY USING AN 8-MeV HIGH POWER PROTON
LINAC IN TOKAI” Proc. IPAC 2012, New Orleans,Louisiana, USA, 4083-4085.

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