Abstract

1.
はじめに
ホウ素中性子捕捉療法( Boron  Neutron  Capture Therapy; BNCT)はホウ素の高い中性子捕獲断面積並びにがん細胞に選択的に吸着するホウ素薬剤を利用する新たながん治療法として近年注目を集めている。その歴史は古く、長年中性子源として原子炉を用いた臨床研究が行われてきたが、原子炉を利用した治療ではその建設や長期保守を含めた規制により一般的な治療方法として普及する事は困難である。そこで近年では中性子源として加速器を用いる手法に移行しているが、中性子生成に必要な加速器構成や中性子生成標的の選択には未だ統一的な標準は無く、様々な手法で研究開発が行われているのが現状である。筑波大学、高エネルギー加速器研究機構、近隣民間企業及び茨城県が協力して発足した iBNCT (いばらきBNCT)プロジェクト[1]では東海村のいばらき中性子医療研究センター内に陽子を8 MeVまで加速する加速器構成及びビーム輸送系を設置している。中性子生成標的としてベリリウムを採用し、9Be(p,n)反応によって生成した高速中性子から治療に必要な熱中性子を得るためのコリメーター・モデレータ等の装置群を有している。加速器構成を簡単に述べると、マルチカスプECRイオン源から50 kVの静竜場によって引き出された陽子ビームは後段のRFQ及びDTLによって各々3 MeV、8 MeVに加速される。RFQ及びDTLからなる加速管構成はJ-PARCで実績のある一方、1台の324 MHzクライストロン（東芝竜子管デバイスE37619)により2つの加速空洞に合計で最大1.2 MWの高周波を供給する。 BNCTの治療に必要な熱外中性子束としてIAEAが策定した基準に1 × 10 9 n/cm²/secという値があり[2]、 iBNCT加速管構成及び8 MeVの陽子エネルギーで上記の値を達成するためには標的に照射する陽子平均電流として1 mAを超える値が要求され、結果としてJ- PARCのそれよりも高いデューティーファクターが必要となる。 iBNCT プロジェクトでは現在までに、繰り返し75 Hz、陽子ビーム幅920 μsで平均電流およそ2 mAの安定運転を行っており、この条件で上記の熱外中性子束を達成している。 2021年11月より非臨床試験を開始し、2022年度内に非臨床試験を完了の後、2023年度には初発悪性脳腫瘍に対する第I相治験を開始する予定である。上記に述べたように iBNCT 加速器には高いデューティーファクターが要求される為、その加速管冷却水システムは極めて重要なコンポーネントの一つであると言える。本稿では iBNCT プロジェクトで現在まで行ってきた冷却水システムの増強と調整に関して報告する。 Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)
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iBNCT加速管冷却水システム
2.
システム概要
2.1
Figure 1にiBNCT加速管冷却水システムのダイアグラムを示す。容量400 Lのバッファタンクから冷却水循環ポンプによりRFQ及びDTLから構成される加速管系統並びにビームライン電磁石群へと冷却水が供給される。電磁石は加速器室及び照射室内に配置された電磁石群から構成され二系統に分かれているが、以降ではそれらを合計した一系統として記述する。加速管冷却水系統はRFQ及びDTLに分岐した後、RFQではタンクとベーン、DTLではタンクとドリフトチュープの各二系統に流路が分岐している。どちらの空洞もタンクの系統にはチューナーやカプラーなどの冷却系統が含まれている。各々二空洞二系統には 5 kW のヒーター (EH1~4)が設置されており入口水温の微調整を行っている。各々の冷却水流量は手動の流量調整弁で制御する事が可能であり、各空洞内の二系統で流量が同程度になるように調整している。各空洞の熱負荷はピークでRFQが340 kW、 DTLが320 kWである一方、電磁石系統は総量で13 kWである。各系統の戻りの冷却水は冷却水循環システムユニット前で合流する。ユニット内部の三方弁で流量の一部が交換熱量最大で200 kWの熱交換器に送られ、残りの流量は直接バッファタンクに戻る事でバッファタンクからの供給冷却水の水温(TE102)を調整している。この三方弁は2台の電動ボール弁(CMV-102, CMV- 103)で構成され、2台のバルプ開度の合計が100 %になるように連動制御しており、熱交換器側が CMV-102、バッファタンク側が CMV-103 となっている。以後 CMV- 102側の開度をこの三方弁の開度として定義する。後述するが流量増加を目的として三方弁の制御方式を 2020年に変更している。一方、バッファタンク内には出力21 kW のヒーター(EH5)が設置されており、そちらを用いても供給水温の調整が可能となっている。 Figure 1では詳細なダイアグラムは省略しているが熱交換器の低温側は600 Lのバッファタンクを有するチラー水循環システムユニットがあり、循環チラー水は建屋屋上に設置されている空冷チラーによって冷却されている。プロジェクト開始時にはその冷却能力は 129 kW であったが、繰り返し200 Hz程度までの運転を許容できるように2021年1月に最大85 kWのチラーを追加した[3]。 2.2プロジェクト当初の加速管冷却水概念設計iBNCTプロジェクトでは装置全体を病院内に設置できるようコンパクトにする事を目指し、冷却水システムも可能な限り最小にする事が開始当初の基本概念設計であった。そのため、加速管冷却水量も最小限にし、各空洞に対し流量を100 L/min程度に制限し、繰り返し200 Hz運転時に空洞入口出口温度差(ΔT)を最大で10 ℃まで許容する設計となっていた。RFQの共振周波数は冷却水温を用いて調整するが、RF立ち上げ時の空洞温度の変動に対しては冷却水入口と出口水温の平均を一定に保つ事で、空洞全体の温度を一定に保ちつつ徐々に空洞タンクレベルを定格まで上げるという考えであった。しかし空洞内部で放電が発生した際に、空洞保護のためのインターロックによりRFを一時停止した場合、温度差が大きいとRF 停止による温度変動も大きく、RFを短時間で投入する機能(クイックリカバリー) [4]を用いても共振周波数からずれた事に起因し、反射過多により再投入できず、もはやRFが入らないと言った状況が生じていた。 iBNCTプロジェクトでは空洞の温度変化を最小限にするため、J-PARCで使用されていたクイックリカバリーのRF再投入時間を20～30 ms程度にまで短縮し実装している[5]が、それでも復旧できず再度、低い振幅から数十分かけて立ち上げる必要が何度も生じ、効率的な運転が出来ていなかった。このような症状は繰り返し50 Hzの段階ですでに問題となっており、iBNCTプロジェクトではRFQの安定化のため、加速管冷却水システムの増強が重要な課題の一つであった。その為、次節で現在までに行った冷却水増強を述べる。 Figure 1: A diagram of the iBNCT accelerator cooling system. EH1 to EH5 are heaters for accelerators (EH1-4) and the buffer tank (EH5). Abbreviations, PI (PT), TE, LIS, and FIA, are sensors for pressure, temperature, tank liquid level, and water flow rate, respectively. A detail of the low-temperature side of a heat exchanger (a chiller-water circulation system unit and an air-cooled chiller system) is omitted for simplicity. 2.3冷却水設備の増強冷却水循環ポンプの出力増強.前節で述べたように冷却水全体の設計流量に合わせ当初出力5 kWの循環ポンプ(グルンドフォスポンプ社製CRN24-4)を採用していた。冷却水量を増やすために2018年5月に出力11 kWのポンプ(同社製 CRN32-4)に変更した結果、総流量がそれまでの330 L/minから600 L/minに増加した[5]。 RFQ内冷却水流路及び配管の変更RFQは本体が上流、中央、下流の3ユニットからなるが、冷却水は中央ユニットの中心から供給され上流、下流の端で折り返した後、再度中心まで戻る設計であった。ヘッダからの本数は増えるが、流路をユニット毎にすることで短くし、RFQ内部での圧力損失を軽減させた。またヘッダと本体の接続には銅配管を用い90度エルボ継手を多用していたが、圧力損失を軽減させる目的から配管径の大きいシンフレックスチュープを用いかつ曲率を持たせる事とした[6]。 RFQ冷却配管の大口径化RFQの冷却水へッダの直前•直後の配管は設計流量に合わせ25 Aの流量計を使用し、直前まで65 Aで来ていた配管を25 Aの配管に絞っていた。そのためRFQ流量を向上させるうえでその25 A配管がボトルネックとなっていた為、2021年1月にはそれまで25 Aであった配管を全て撤去しかつ、流量計及び配管を65 Aに増強し流量を増加させた[3]。冷却水循環ポンプの再増強2022年3月には更なる流量増加を目指し、循環ポンプ出力を11 kWから22 kWに増強した。同時にバッファタンクから循環ポンプまでの配管径をそれまでの65 Aから100Aに大口径化した。その結果、総冷却水量がそれまでの 750  L/min から1070 L/minと大幅に増加した。
2.4 冷却水流量の調整方法の検討
各系統の冷却水流量調整.共振周波数を冷却水で調整するRFQに対しDTLは可動チューナーを有しているため、水温の変化に対する安定性の要求はRFQの方が厳しい。また、 DTLの放電頻度は極めて低い(2022年1月から7月末で0回)事から、DTLに比較的大きなΔTを許容する事で冷却水を絞り、その分の冷却水量を可能な限りRFQに割り振る事で流量を確保する事としていろ。三方弁制御方式の変更Figure 1の冷却水システムユニット内の三方弁は2台の電動ボール弁を熱交換器側(CMV-102)とバッファタンク側(CMV-103)に配置し、それらの開度を合計で100 %になるように制御していた。一方、バルプの固有流量特性を元に、開度と冷却水総流量の関係を調べた結果、三方弁開度が共に50 %の際に流量が最小となっていた。その原因として、開度50％では全開時の15％程度のCv値しかなく結果として、開度の連動制御では両バルプのCv値の合計として最小になっている事に起因する。そこで2020年４月に２台のボール弁の連動制御をやめ、独立制御とする方式を検討した。Figure 2が独立制御方式を導入した際のバルプ開度の調整結果であり、初めのRF投入から定格に至るまでにバルプ開度が50 %に近づくにつれ前述の理由により、総流量(FIA101)が下がっている事が分かる。図中、定格到達後の15:25頃に三方弁を独立制御に切り替え、 CMV-103 開度を上げると、バッファタンクに直接戻る流量が増えるために温度が上がりそれを制御するため、EH5ヒーター出力が下がる。CMV-102の開度はEH5ヒーターの出力範囲が20～80 %の範囲に入るように開度を調整する制御方式となっているため徐々にCMV-102の開度が上がる。この一連の調整で最終的に CMV-103 が 75 %、CMV-102が60％でバッファタンク出口水温(TE102)を一定に保つ事が出来ている。この方式をとる事により、それまでの冷却水流量を600  L/minから680 L/minに増加させることが出来た。その後は CMV-103 側の開度は冷却水流量により75 %以上の開度で固定しており、2022年３月のポンプ増強後は85 %に固定している。 Figure 2: A trend of cooling water flow rate, buffer tank temperature, and EH5 heater output during a test of independent control of CMV-102 and CMV-103.
冷却水流量変化まとめ
2.5
Table 1に設計流量と上記冷却水増強•調整を行った結果の現在の流量の比較を示す。安定運転に課題が
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あったRFQのタンク及びベーン両系統の冷却水流量を設計時の値に比べ大幅に増加させる事が出来た。増強後、繰り返し75 Hz運転でのRF定格時のΔTはおよそ0.35 ℃であり次節で述べる冷却水温調整方式の簡略化に多大に貢献している。
RFQ冷却水の水温調整
3.
3.1
繰り返し75 HzのRF立ち上げ時の水温制御2018年12月にRF繰り返しをそれまで行ってきた50 Hzから66.7 Hz を経て75 Hzに上げた。その際、RFが定格に到達する直前に RFQ 離調が徐々に大きくなり反射波過多インターロックにより停止する事象が発生した。この事象は 66.7 Hz に繰り返しを上げた頃から出始めたが、66.7 Hz運転時にはRFの立ち上げ速度を調整したところ回避できるようになった。しかしその後、繰り返しを75 Hzに上げた際に頻発するようになった。Figure 3にその事象発生時の典型的なRFQ冷却入出口水温、タンクレベル及び離調のトレンドを示す。図中、点線で示した時刻からRFQ 離調が徐々に大きくなるとともに空洞タンクレベルが下がり、最終的にRFQ反射波過多によるインターロックでRFが停止している。このような状況では放電による場合と異なり空洞共振周波数がずれてしまっているため、クイックリカバリーで復旧する事は出来ず、再度低い振幅からの立ち上げを余儀なくされる。空洞立ち上げ時の条件を色々試した結果、次節で説明するRFQ水温特性を利用してRF立ち上げ時の離調を低く保つ事で事象を大幅に回避できるようになった。 Figure 3: A trend of inlet and outlet temperature, the cavity RFQ.
3.2
RFQ水温特性
75 Hz運転時に測定したRFQ水温特性結果をFig. 4に示す。横軸はタンク及びベーンの冷却水入口水温であり縦軸はRFQ離調である。図が示すようにRFQのタンク及びベーンで水温の変化と離調の応答が逆になっている。この特性の違いのため、RFQ入り口水温であるバッファタンク水温を変化させるだけではタンク及びベーンの水温特性が打ち消しあい、結果的に離調を変化させるには大きな温度差が必要となる。RF 立ち上げ時間を考慮するとそのような大きな温度差は立ち上げ時間を長くする必要があり効率的ではない。そこで、立ち上げ時のタンクとベーンの水温を独立に設定し、タンクとベーンの設定温度に差をつけて立ち上げる事で離調を低く保ちつつRF投入を行う事とした。その調整結果をFig. 5に示す。RF立ち上げ時の離調を導入前より小さく保つことが出来、前述の定格直前での離調が増大する事象は大幅に減少した。尚、Fig. 5のRF立ち上げ時ではタンク及びベーンに温度差をつけているが、ビーム照射時にタンク及びベーンの温度差を如何に設定するかはRFQ放電頻度及びクイックリカバリーの成功率などに関連しており、その評価に事象の発生数の統計が必要な為まだ最適化はできておらず今後の研究課題となっている。現状ではこれまでの75 Hz運転の安定性から定格到達後に温度差を無くしていろ。
RF立ち上げ方式の簡略化と時間の短縮
3.3
RFインターロックによる停止後のRF再立ち上げにはFig. 5に示すように75 Hz運転時には30分弱かかっていた。これは空洞入口出口温度差(ΔT)が依然として大きい事から、徐々に設定水温を変化させていきながらRF 振幅を上げて行く必要がある事に起因している。前述の冷却水流量増加によりΔTが0.6 ℃[5]と小さくなった事からRF立ち上げ時間を短縮できるか検討する事とした。まずRF振幅を上げる速度を徐々に短くしていき、それまでの24分から6分に大幅に短縮してもRF投入可能である事が分かった。一方、定格に到達してから温度が安定するまで5、6分程度かかりRF停止からビーム運転の再開まで合計で11〜12分程度かかっていた。その後2022年3月に行った循環ポンプの増強による冷却水流量増加によって更にΔTが0.35  ℃程度まで小さくなり、立ち上げ時間の短縮と合わせて、立ち上げ時の水温設定を簡略化する事を検討した。まずΔTの減少によりRF立ち上げ時間をそれまでの6分から2分半に短縮する事ができた。更には、定格到達後の水温が安定する時間を短くするため、Fig. 3, 5に示したような、それまで行ってきたRF振幅に合わせて設定水温を動的に変更する方式を止め、入口水温は常に一定に保つ方式を試み、問題なくRFを立ち上げられる事が分かった。その結果、RF定格到達後の水温が安定する時間を3分程度に短縮する事が出来、その結果としてビーム再開の時間が合計で８分に短縮できるようになった。 Figure 6が2022年5月に起こったRFインターロック停止のRFQにおける入口・出口水温、空洞タンクレベル及び離調のトレンドである。RF停止直後における入口水温(TE103, TE104)の変動はおよそ0.1 ℃と小さく、RF定格到達後1、2分程度ですぐに温度の変動はおさまっている。その後の水温変動も標準偏差で0.015 ℃程度であり、入口水温の安定性は高い。運転再開までの時間短縮で現在ボトルネックになっているのは離調がどの程度一定になるのを待つかによっているが、今後回数を重ねる事により、ビーム運転の再開時間の最適化を行い、更なる時間の短縮が可能であると考えている。
4.
まとめ
iBNCTプロジェクトではRFQ及びDTLの加速管構成で加速器ベースBNCTの実現を目指す。プロジェクト当初よりRFQの安定性が問題となっていたが、加速管冷却水システムの循環ポンプの交換、配管・流路の変更などの装置の増強に加え、流量調整・制御方式の変更によってRFQの冷却水流量を大幅に増加させ、水温の安定性が増した。また、入口・出口水温の温度差を小さくする事によりRFQ 放電による停止時の復旧時間を大幅に短縮する事が出来、照射に対するRF停止の影響を少なくする事が可能となった。 iBNCT プロジェクトでは2021年度には繰り返し75 Hz、ビーム幅920 μsでの安定運転を実現し、2021年11月より非臨床試験を開始し、 2023年度には第I相の治験を開始する予定である。 iBNCT加速器の研究開発を進めるにあたり、ご支援を頂いている筑波大学附属病院関係者の皆様に感謝を申し上げます。また、KEK加速器研究施設並びにJ- PARC加速器の皆様には日頃からご協力頂き御礼申し上げます。いばらき中性子医療研究センター内、冷却水設備改修に関しては茨城県担当者の方々にはご尽力頂き有難うございます。冷却水設備増強に関しては大洋バルプ製作所の方々には設備改修に関して様々な議論をさせて頂き、誠に有難う御座います。また本稿では割愛させて頂きましたが、ストレーナー目詰まりによる流量低下が発生した際には、KEK 放射線科学センター環境計測グループの石田様並びに関係者の方々には御依頼させて頂いた化学分析に対して迅速に対応頂き、感謝致します。 [1] H. Kumada et al. , "Project for the development of the linac based BNCT facility in University of Tsukuba", Applied Radiation and Isotopes, 2014, pp. 211-215. [2] International Atomic Energy Agency, "Current status of neutron capture therapy", IAEA-TECDOC-1223, 2001. [3] M. Sato et al. , "iBNCT加速器の現状", Proceedings of the 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, online, Aug. 9-Aug. 12, 2021, pp. 585-589. [4] H. Suzuki et al. , "PLC control of J-PARC Low Level RF System", Proceedings of the 4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Wako, Aug. 1-3, 2007, pp. 513-515. [5] M. Sato et al. , "iBNCT加速器の現状報告", Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Nagaoka, Japan, Aug. 7-10, 2018, pp. 1350-1354. [6] T. Sugimura et al. , "iBNCT加速器の現状報告2019", Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Kyoto, Japan, Jul. 31-Aug. 3, 2019, pp. 1210-1214.