| 粒子治療装置のための新しい加速器 ‐FFAG Accelerator‐ 高エネルギー加速器研究機構 森義治 |
現在日本には７ケ所の粒子線治療施設がある。そのうち、５ケ所は陽子線、２ケ所は炭素線である。陽子線施設にはサイクロトロンあるいはシンクロトロンが使われている。これまでは、粒子線治療の評価の確定のための先進性開拓という色彩が強いものであったが、ある程度の評価がかたまりつつある現在においては、今後これらを発展させるためにどのような装置性能が要求されるかについて考える時期にきているといえよう。 １陽子線治療加速器に要求される性能 今後、一般の病因等に陽子線治療が今後広まるために必要とされる性能は次のとおりである。 （１）高率良い治療．年間の治療患者数＞５００人／年 （２）高い照射線量＞５Ｇｙ／分 （３）照射方式の自由度（フレキシビリティ） 呼吸同期 照射エネルギー可変 スポットスキャンニング （４）運転の容易さ （５）メインテナンス性の高さ低い残留放射能 （６）低コスト建設コスト（＜５０億円） 運転・維持保守コスト（く１〜２億円／年） これらの点は、加速器の性能に直接・関節に関わるのものである。なかでも、（１）〜（５）の点は加速器の性能に影響を与える。従来用いられている加速器、すなわちシンクロトロン、サイクロトロンいづれにおいてもこれらの諸条件がすべて満たされてはいない。 加速器のビーム強度陽子線治療においてビーム強度は決定するのは、ａ）陽子線の生物的効果：［ＲＢＥ］、ｂ）照射線量等価陽子数：［ＰＥＤ］、ｃ）呼吸同期係数（デュティファクター）：およびｄ）ビームコリメーション、レンジフィルター等によるビーム効率の低下：である。陽子線の相対的生物効果（ＲＢＥ）はＸ線と同程度の［ＲＢＥ］＝１〜１．１である。陽子線において等価照射線量は、筑波大／ＫＥＫ：の測定で、２０ｃｍ四方の照射野において２５０ＭｅＶのエネルギーの陽子では、［ＰＥＤ］＝10 ＊＊11protons／0.1Gyとされている。呼吸同期のデュティファクターを ＝０．３、また、総体的なビーム効率低下を ＝0.5（５０％）とし、治療に必要な照射線量を毎分5Gy/分とすると、必要な陽子線強度は次式であたえられる。  このように陽子線治療装置においては、およそ１００ｎＡ程度のビーム強度が加速器に要求される。ビーム強度の観点から、これまで用いられている加速器すなわちシンクロトロン、サイクロトロンの性能はどうであろうか？ シンクロトロンでは、ビーム強度は入射エネルギーによって決まる。ビーム内の空間電荷による発散力が入射時にもっとも強く働き、かつその発散力は入射エネルギーの大きさに反比例する。入射用加速器としては、一般にリニアツクが用いられるが、そのコストはエネルギーとともに増す。したがって、３ＭｅＶ〜７ＭｅＶ程度が選ばれている。この程度のエネルギーでは、パルス当たりの陽子数は１ｘ１０＊＊１１個程度であり、平均ビーム強度としては１６ｎＡ程度（１Ｈｚの加速繰返し）しか得られない。したがって、シンクロトロンでは陽子線治療に必要なビーム強度は得られない。 一方、サイクロトロンはビーム強度の点では連続ビームが得られることから十分である。しかしながら、ビームエネルギーを変えることができない、ビーム取り出し効率が低い（〜７０％）点から間題がある。特にビーム取り出し効率の点は、加速器の高放射化による保守・維持に深刻な間題を生じている。このように既存の加速器では、粒子線がん治療特に陽子線治療用としては満足できる性能を有しているものは無い。こうした点から、医療用、特に粒子線がん治療用加速器として近年注目を集めているものに、ＦＦＡＧ加速器がある。ＦＦＡＧ加速器はその名（Flxed Fiedld Alternating Gradient：固定磁場強集束）の示すとおり、一定（時間的に変化しない）静磁場でかつ強いビーム集束力を有するリング形状の加速器である。 ＦＦＡＧ加速器の主な特徴には次の３つが有る。 （１）Strong Focusing：強いビーム集束性 （２）Moving Orbit :ビーム軌道変化 （３）Zero Chromaticity：零色収差 （１）の強いビーム集束性は、横方向ビーム運動の強集束すなわちいわゆるAGfocusingのみならず、縦方向ビーム運動でのphase focusing位相集束）も含めた３次元方向全てに働いている。この点ではシンクロトロンと同様である。（２）のビーム軌道が変化するという点は、一定磁場からくるものであり、これはサイクロトロンと同様なふるまいである。ただし、サイクロトロンのように大きくビーム軌道は変化しない。（３）の零色収差は、ビームエネルギーが加速によって変化しても、横方向のビーム集束性は変わらない、すなわち、横方向のベータートロン振動数は変化しないという性質である。これが保たれることにより、ビーム損失の原因となるベータートロン共鳴を避けることができる。ただし、加速速度が極めて早い場合には、この共鳴による効果が低減されるので、零色収差性を有しないものも可能である。これはnon-scalingFFAG加速器と呼ばれる。 （ＦＦＡＧ加速器の長所） ＦＦＡＧ加速器には上で述べたような特徴があるが、これらを具体的な応用に用いる場合には、以下のような利点がある。 （１）Fast acceleration これは、一定静磁場からもたらされる点で、ビーム加速は磁場に無関係にすべてＲＦ加速パターンのみにより決定される。したがって、原理的にはどのような速い加速も、ＲＦ電圧が十分に高ければ可能となる。この点は、ミューオン等の短寿命の粒子を加速するために有効である。 （２）High averaghe current これも磁場が一定ということからくる長所で、高加速繰返しが可能であるので、平均の加速ビーム電流を高く保つことができる。また、波パルス当たりの粒子数は少なくてすむので、空間電荷効果等のビーム制限以下で安定なビーム加速が可能となる。 （３）Large acceptance ＦＦＡＧ加速器は、極めてビームアクセブタンスが大きい。特に、縦方向では、零色収差の性質から大きい。（ｄｐ／ｐ〉数１０％） （ＦＦＡＧ加速器の開発の歴史） ＦＦＡＧ加速器の原理は、１９５３年に大河千弘により最初に提案された。５０年代後半から６０年にかけて米国のMURAprojectで研究され、電子モデルが開発された。しかしながら、陽子加速ＦＦＡＧはその後、ほぼ５０年にわたって開発されることがなく１９９９年に高エネルギー加速器研究機構の我々のグルーブによって世界で始めて開発に成功した。陽子加速ＦＦＡＧがその実現にこのように長い年月を要した原因は、次の２つの点での技術的困難があったためである。（１）零色収差を実現するために必要な非線形磁場分布を設計するために３次元磁場計算が必須である。（２）陽子加速のためには、広帯域で高加速勾配の高周波加速装置が必要である。（１）の非線形磁場設計については高速、大容量のシミュレーションがコンピューターの開発で可能となったが、（２）については大きな間題として残されていた。しかしながら、１９９５年に我々のグループ（当時は東京大学原子核研究所）で「高透磁率金属磁性体（Magetic Ally:MA）」を用いた「広帯域・高勾配」の高周波加速装置が開発され、この間題が一挙に解決された。図は、１９９９年に世界で始めて開 発に成功したＦＦＡＧ陽子加速器（PoP‐FFAG）および最近ビーム試験に成功した１５０ＭｅＶ陽子ＦＦＡＧ加速器である。本セミナーでは、このＦＦＡＧ加速器を中心に粒子線がん治療用加速器の将来について紹介する。 |
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