| 研究課題/領域番号 |
17H03522
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
魚住 裕介 九州大学, 工学研究院, 准教授 (00232801)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 炭素線がん治療 / アルファ粒子 / 陽子 / 二次粒子 / 二重微分断面積 |
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| 研究実績の概要 |
炭素線がん治療では、高エネルギーのイオンビームを使用するため、高エネルギー原子核反応から放出される二次粒子による晩発影響を評価する方法の開発が急務となっている。正常組織が受ける被ばく量を計算するには二次粒子の生成量や放出角度を与える二重微分断面積が必要となるが、現在は測定データが全く不足しており、また理論的に予測するための反応模型は予測精度が著しく低い状況となっている。本研究では、炭素イオン等による原子核反応の理論模型の確立を目的として、炭素線がん治療において典型的な原子核反応の二重微分断面積を測定すると共に、申請者らが世界で初めて成功したα粒子原子核反応模型を改良・発展させる。実験を行う際には、ターゲットは人体構成元素に限らず幅広く選択し、ビームエネルギーも広い範囲で選ぶ。また、放出粒子は陽子から炭素イオンまでの範囲で可能な限り全ての放出粒子を全エネルギー範囲で測定して、反応機構を明らかにして信頼性の高い核反応模型を確立する。開発した核反応模型は粒子輸送コードに搭載して、高精度の被ばく線量計算を可能にする。以上の事を背景として本年度は、実験と理論の両面の研究を行った。
実験研究では、昨年までに開発した高エネルギー荷電粒子測定のための測定器について、検出器内部での核反応や検出器からの飛び出しによる検出効率のシミュレーション計算の精度を高めるための研究を進め、この結果として測定した断面積データの高精度化が達成できた。一方では、炭素イオン、α粒子、および陽子を入射粒子とする原子核反応実験を実施して、各種ターゲットについて二重微分断面積データを得た。
理論研究では、昨年までに取得した実験データを用いて核反応モデルの構築と検証を行い、ブレークアップ反応や後方放出など核反応機構に関する理解を深め、理論計算による実験データ再現性を高めることに成功した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
今年度は重イオンがん治療二次被ばく計算の精度向上に向けて実験と理論両面の研究を行った。実験では炭素イオン、α粒子および陽子を入射ビームとして用いた実験を行った。炭素イオン、α粒子はビームエネルギー100MeV/u、陽子は70 MeVであった。炭素イオンとα粒子入射反応実験では、測定した反応放出粒子は陽子、重陽子、三重陽子、ヘリウム３、α粒子であり、測定角度は30度から120度まで4点であった。標的としては炭素、アルミニウム、コバルトを用いた。過去に測定されたデータを含めて系統性を調べた所、十分信頼できる精度でデータを確定する事ができたと考えている。従来dE-E法で得たデータの標準的な解析方法では検出器不感領域の確定が困難となっていたが、エネルギー損失シミュレーションとdEシングルスペクトル分析とを併用することで、不感領域のギャップを埋める方法を開発した。さらに、次年度に計画する炭素イオン入射反応重イオン測定実験に向けて重イオン用測定器開発を進めることができた。このため次年度にはビーム実験を実施して重イオンデータを測定をする計画である。陽子は二次粒子として圧倒的に多く発生し、高エネルギーのものも多くレンジが長いため、その追跡は被ばく計算において重要であることから、特にデータが少なく反応機構が解明されていない180度近傍で実験を行った。
理論面では、α粒子入射反応の全チャネルをカバーする非弾性ブレークアップ理論模型を提案し、その成果は原著論文として投稿して受理・公開されているが、この模型が高エネルギー領域でも有効であるかは大変興味深い。今年度取得したデータについてパラメータ値を変更することで、良い一致が得られる事が分かった。特に弾性ブレークアップ過程においては、エネルギーおよび運動量保存のアルゴリズムの精度改善は大きな影響がある事を確認した。
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでに行った実験で取得したα粒子入射反応の二重微分断面積データは確定して、原著論文として公開を急ぎたい。平成30年度からは炭素イオン入射反応の実験を開始して陽子からα粒子までの軽イオンを測定し、入射エネルギー100MeV/uで二重微分断面積データを取得に成功した。
平成31年度は炭素イオン入射反応からの重イオン測定を開始する。昨年度までデータ収集と並列して、重イオン測定用CsI(Tl)検出器の開発を進めており、動作最適化により十分な性能が実現できている。本年度前期の加速器マシンタイムは既に配分を得ており、実験では開発した測定器を用いてLi、Be、B、C等の重イオン測定を行う予定である。炭素イオンでの実験は初めてとなるため、収量の少ない重イオン測定に備えてバックグランド低減の方策を十分に検討して準備を行う。本年度後期には炭素ビームエネルギーを、治療で用いられる最大エネルギーである230MeV/uにまで上げてデータを収集する。一方、陽子入射反応については順調にデータ取得が進んでおり、本年度前期の加速器マシンタイムが確定していることから、ターゲットの種類を変えつつデータ収集を継続していく。
一方、理論研究では陽子入射反応によって基礎付けを進めてきたエネルギー・運動量保存アルゴリズムの精度を上げると共に、クラスターブレークアップの運動学計算への適用も進める。一方、炭素イオン反応に対応するため粒子多重放出に対するアルゴリズムに拡張させて炭素イオン入射反応への適用を可能にする。このため、終状態チャネルの増大に伴う入射粒子の分解過程アルゴリズムを整理し最適化を図る。以上の作業を進め、実験データを取得すると直ちにパラメータ探索・調整の作業に取り掛かれるように準備を進めて行く。更に、炭素イオンだけでなく他のイオンに対しても適用可能とするようにアルゴリズムの一般化を進めていく計画である。
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