2016 Fiscal Year Research-status Report
がん治療用RI多量製造及びBNCT用熱中性子高強度化のためのハーモニック加速研究
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16K09018
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
福田 光宏 大阪大学, 核物理研究センター, 教授 (60370467)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
倉島 俊 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 放射線高度利用施設部, 上席研究員(定常) (50370391)
宮脇 信正 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 放射線高度利用施設部, 主任研究員(定常) (90370478)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | サイクロトロン / 位相バンチング / ハーモニック加速 / 共振空洞 / アルファ線内用療法 / ホウ素中性子捕捉療法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
転移がんや浸潤がんなどの進行がんの治療を可能にするため、アルファ線放出核種を合成した内用薬を投与し、がん細胞に直接取り込ませて、細胞サイズと同程度の短い飛程と100keV/μm前後の高LETを有するアルファ粒子で周りの正常細胞を傷つけずにがん細胞だけをピンポイントで死滅させるアルファ線内用療法の実用化を目指した高強度小型加速器の要素開発研究を実施する。これにより、従来、数十分～1時間程度かかる中性子捕捉療法の治療時間も10分以下に大幅に短縮する。H28年度は、10mA級の高強度イオンビームがサイクロトロンに入射した際に問題となる、進行方向の空間電荷力によるビーム発散を抑制するため、加速電圧波形の勾配を大きくして初期加速段階で加減速する新しい位相バンチングシステムの設計を実施した。具体的には、90°ディー電極を2台向かい合わせた条件において幾何学的な軌道解析手法を用いて位相圧縮が最小になるような中心領域の電極配置を検討し、加速ハーモニクスH=2の場合には容易に位相バンチングが実現できるものの、H=3の場合には周回する間に位相の圧縮と拡大が繰り返され、限定された電極の位置とサイズの条件でのみ最終的に位相バンチングが達成できることを示した。また、3倍波・5倍波などのハーモニック加速電圧を発生させる電極のサイズ・形状、基本波用加速電極との位置関係を変化させ、共振空洞のQ値と高調波電場が最大になる条件についても3次元高周波電場解析コードHFSSを用いて検討し、より大きな加速電圧勾配を形成するためには基本波電圧振幅の50～70％の大きなハーモニック電圧を発生させる必要があることも明らかにした。
サイクロトロン内部での位相バンチングは、他では実現されていない極めてユニークな手法であり、進行方向の空間電荷効果を抑制する要素技術として、ビームの大強度化には欠かせない重要な技術である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
幾何学的軌道解析モデルをベースに位相バンチングの度合いを見極めながら、基本波加速電極から分離した形でサイクロトロン中心側に配置したハーモニック加速電極に大きな勾配を有する加速電圧を発生させる励振モードの解析が進んでおり、H29年度に予定しているモデル電極の製作に向けて仕様がほぼ決まりつつある。
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| Strategy for Future Research Activity |
基本波加速電極にパワーを供給して基本波電圧を発生させる共振空洞を製作する。設計に当たっては、加速に必要とされる加速周波数帯域をカバーできる基本波励振モード確認すると共に、加速電極のサイズに依存した寄生励振モードも注意深くチェックして最適な空洞形状・サイズ・結合位置などを決定する。製作した共振空洞を加速電極に結合させ、ネットワークアナライザーを用いてローレベル信号での励振特性を調べる。得られた結果をハーモニック加速電極用の共振空洞の設計にもフィードバックし、2つの電極、さらに対向する電極間の干渉などを検討する。
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| Causes of Carryover |
位相バンチングを実現する電極サイズや形状は、サイクロトロンの加速電極の数や加速ハーモニクス、加速周波数帯域などの仕様に応じて変えなければならないことが明らかになったため、異なる条件でモデルテストを実施できるように仕様を見直し、ベースとなる共振空洞（内筒、外筒）や加速電極などの共通化を図ったことから、ローレベルテストベンチと基本は共振空洞を一括して製作することにしたため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
ハーモニック加速電極ローレベルテストベンチ（加速電極、加速箱、架台など） 400千円
基本波共振空洞（内筒、外筒、ショート板など） 1,000千円
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