「次世代DDS型悪性腫瘍治療システムの研究開発事業／中性子補足療法(BNCT)」

（事後評価）分科会

加速器中性子源の開発森　義治

京都大学原子炉実験所

　 「次世代DDS型悪性腫瘍治療システムの 　　研究開発事業／中性子補足療法(BNCT)」 　　　　　　（事後評価）分科会 　　　　　　　　　資料 6-2

BNCT加速器中性子源

病院設置を目指す加速器中性子源の成立条件小型設置面積　～120平米

維持・運転が容易中性子発生標的の寿命が長く交換可能

低放射能生成陽子ビーム：低エネルギー　　

事業原簿P21　

事業目標

新方式加速器中性子源FFAG-ERIT開発

事業原簿P4

開発体制研究開発統括（京都大学・FFAG-DDS技術組合）設置場所：京都大学原子炉実験所各要素開発負水素イオン源　　　　NHV Co.

入射器リニアック　　　日立製作所ERITリング標的系　　 三菱電機ERITリング電磁石　　 日立製作所ERITリング高周波　　 日本製鋼所ERITリング真空系　　 IHI

全体システム　　　　　三菱重工　

BNCT用加速器中性子源の課題陽子エネルギー加速器技術的問題はない。軽核標的（複合核反応）　低エネルギー　-10MeV

重核標的（核破砕反応）　高エネルギー >30MeV

ビーム強度従来加速器技術での難易度大軽核標的（複合核反応）　高強度 >10mA

重核標的（核破砕反応）　中強度 >0.5-1mA

中性子発生標的の寿命熱負荷・放射線損傷�従来技術で極めて困難高熱負荷　ビームパワー >数10kW

標的厚さ　　0.1-1mm（阻止能>数10MeV/g/cm2:陽子エネルギーに依存）放射線損傷　swelling：結晶構造破壊（低エネルギーで顕著）

�線発生高エネルギー核反応では問題大�標的冷却材（中性発生に寄与しない）からの発生

放射能生成と放射線遮蔽　トリチウムetc.　施設に高負荷

新方式FFAG-ERIT中性子源

陽子貯蔵リング（FFAG)と内部標的の組み合わせイオン化ビーム冷却によるエミッタンス回復による高効率化と従来方式の困難を克服世界初のアイデア提案論文: Y.Mori, Nucl. Instr. Meth.,PRS, A563(2006) 591-595

基本特許: 特願２００４�３４０１０９

ERIT Emittance Recovery Internal Target （FFAG陽子貯蔵リングを用いた中性子源）

エミッタンス回復 – 高周波再加速を用いたイオン化冷却

高効率– 入射ビーム強度の大幅な低減

大アクセプタンス– 零色収差FFAG陽子貯蔵リングが必須

内部標的Be

高周波加速

陽子ビーム

エネルギー損失-ΔE

+�E

中性子発生

リング内ビーム電流　　　　　　　Is

入射ビーム電流　IaIa=Is/Nt

入射ビーム電流＝必要ビーム電流／リング周回数

FFAG-ERIT中性子源の特長ビームの高効率化中性子発生に寄与しない陽子を再利用することで、入射ビーム強度を大幅に低減できる。�外部標的方式の数十分の一中性子発生標的の熱・放射線負荷の大幅な低減標的冷却は自然放射冷却で、温度上昇は500~700�(融点1200�)。標的寿命＞数ヶ月�外部標的方式の10倍以上。一次ガンマ線発生の軽減一次ガンマ線源はBe標的のみである。�外部標的方式は中性子発生標的の冷却水、ビームダンプ等からの多量の一次ガンマ線発生（発生中性子の数倍）し、患者への影響（放射線障害）大。少ない放射能生成と放射線遮蔽が容易従来のPET診断装置と同程度の放射線遮蔽・建物で良い。トリチウム発生が極めて少ない。�外部標的（Ep=30MeV)方式では年間~数Ciのトリチウムが生成。病院内にトリチウム処理施設が必要。多方向・複数照射が可能中性子発生標的をリング内数カ所に設置できる。�外部標的方式では不可能。

内部標的を使うERIT方式

イオン化ビーム冷却

ビーム横方向�冷却：強集束(AG)ならばビームサイズは一定。

ビーム進行方向�加熱：エネルギー巾が増大（+->20%)。

強集束(AG)で、エネルギーアクセプタンスの極めて大きな（すなわち色収差の無い）陽子貯蔵リングが必要

FFAGリング�”強集束(AG)” & ”零色収差(zero-chromaticity)”

FFAGリング以外の加速器（サイクロトロン、シンクロトロン）では実現不可能

　FFAG陽子貯蔵（加速器）リングFFAG加速器とは？

FFAG � Fixed Field Alternating Gradient発明、実証ともに日本人による。発明　大河千弘(1953)

世界初陽子加速FFAG （森他,東大-KEK,2000）サイクロトロン（固定磁場）とシンクロトロン（３次元方向の強集束）の両方の長所をもった加速器ERIT方式にFFAG陽子貯蔵リングが最適である。強集束。大きなエネルギーアクセプタンス�零色収差

零色収差（ビーム集束力がエネルギーによらない）

動作点

Qh（水平方向ビーム集束力に相当）

Qv（垂直方向ビーム

集束力に相当）

色収差がある場合：エネルギー拡がりがあるとビーム集束力が大幅

に低下する。FFAGでは色収差が零であるので集束力（動作点）は変わらない

ERIT方式では貯蔵陽子ビームのエネルギーが大きく広がる。（dp/p>20%)：色収差�零が必要

FFAG-ERIT方式中性子源基本パラメターの設定

中性子束目標値モデレータ表面での熱・熱外中性子束が1x109n/cm2/sec以上を得る。ERITリング陽子エネルギー　>10MeV(<15MeV:トリチウム生成閾値）標的　　　Be, 厚さ:10�m

周回ビーム平均電流　>50mA

� モデレータ設計最適化より検証された値。

事業原簿P4　

FFAG-ERIT中性子源必要性能：目標値

FFAG-ERIT リングビームエネルギー 11MeV周回平均ビーム電流　 >70mA平均ビーム周回数　 500-1000turnアクセプタンス　　　横方向 >500mm.mrad(rms)エネルギー >10%(full)高周波空洞 周波数　　　 20MHz(h=5)電圧　　　 >200kV入射器ビームエネルギー　　　 11MeV平均ビーム強度　　　　 >70�A

事業原簿P4　

研究開発成果FFAG-ERIT中性子源・モデレータ

目標達成度

世界初のイオン化冷却を用いるFFAG-ERIT中性子源を開発し、必要な中性子束を得るための中性子源としての性能を得た。�リング周回ビーム電流:82mA

�ビーム周回数:1000ターン以上�入射器ビーム強度:80�A

以上はいずれも目標性能値を達成している。熱・熱外中性子束を得るためのモデレータを設計製作しシミュレーションにより中性子束・2次�線量が目標値を達成することを確認した。

成果発表

論文発表:欧文査読論文　　　　　１国際会議招待講演　　　　　　　４国際会議発表論文　　　　　　　９解説（和文）　　　　　　　　　２国内学会発表等　　　　　　　　７特許（取得済）　　　　　　　　１実用新案（出願中）　　　　　　１

今後の中性子源開発のロードマップ

2009 2010 2015 2020

中性子発生標的最適化　3次元ビーム冷却開発

入射リニアック高強度化検討建屋・遮蔽設計（細胞・生物実験）

治験用実機への改良