粒子線治療装置のためのコンパクトなイオンビーム純度QAシステムの開発

开发用于粒子束治疗设备的紧凑型离子束纯度 QA 系统

• 批准号: 21K07581
• 负责人: 水島 康太
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: National Institutes for Quantum Science and Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K07581/
• 关键词: 粒子線治療; 放射線検出器; イオンビーム; QAシステム

重粒子線がん治療では数100MeV/uまで加速された炭素イオンが用いられているが、複数の核種を併用して最適化する「マルチイオン照射法」を実用化することで、膵臓がんに代表されるような再発リスクの高い難治性がんの臨床成績を向上できると期待されている。マルチイオン照射法による治療を安全に運用するためには、照射中に正しく核種が切り替わっているか、イオンビームの純度が許容値を満たしているかを監視する新たなチェック機構を治療装置に設けなければならない。本研究では入射イオン価数に対して応答が異なる２つの検出器（電離箱とファラデーカップ）を用いた新しいビーム純度測定方法の実用化を目指し、マルチイオン治療装置のビーム監視システムとして求められる性能を実現できるか検証することを最終目的としている。研究初年度では、治療で使用されるビーム条件をもとに設計したファラデーカップを製作し、ビーム実験にて増幅回路との組合せによる応答性検証を行った。ガス電離による増幅を伴う電離箱とは異なり、ファラデーカップは入射するイオン粒子の電荷量そのものの計測となるため、10G[V/A]の高ゲインアンプを使用して電離箱と同等程度の出力強度を得ることとした。10kHzのサンプリングでは心配された出力信号の鈍りは問題とならなかった。一方で、ビーム遮断時には出力信号が数msかけて減衰するような予期していなかった現象がみられた。研究2年目では、コレクタとなる銅ブロックとそれを覆うシールドシース間の浮遊容量に問題があると調査から考え、シールド部の改造を行った。その結果、減衰時定数は大幅に改善し影響が見られなくなった。そして、新たに設計製作した電離箱と合わせて試験用システムを構築した。実際に不純物イオンが混ざったコンタミビームを生成、比較測定し、この方法にて純度99.9%のビームを識別可能であることを検証した。

碳离子加速至数百meV/U，用于重离子癌处理中，但是通过实际使用多种核素组合使用多个离子辐射方法，可以预期，具有高复发风险的顽固性癌症的临床结局，例如胰腺癌。为了使用多离子辐照方法安全操作治疗，该处理装置必须具有一种新的检查机制，该机制可以监视核能是否正确切换在辐照过程中，以及离子束纯度是否符合可接受的值。这项研究旨在使用两个对入射离子价响应不同的检测器（电离室和法拉第杯）来实现一种新的光束纯度测量方法，最终目标是验证是否可以实现多离子治疗设备的光束监测系统所需的性能。在研究的第一年，法拉第杯是根据治疗中使用的光束条件制造的，并在梁实验中与放大器电路结合验证了响应能力。与涉及通过气体电离扩增的电离室不同，法拉第杯测量了入射离子颗粒的电荷量，因此使用高增益放大器为10g [v/a]，以获得与电离室相当的输出强度。输出信号中令人担忧的钝度并不是10kHz采样的问题。另一方面，观察到出乎意料的现象，使得切断梁时的输出信号会在几个MS上减弱。在研究的第二年中，我们调查了铜块之间的浮动能力存在问题，该铜块用作收集器和覆盖它的盾牌护套，并修改了盾牌部分。结果，衰减时间常数显着改善，未观察到效果。然后，与新设计和制造的电离盒一起构建了一个测试系统。实际产生并测量了一个杂质离子实际混合的污染物束，并已证实该方法可以区分纯度为99.9％的梁。