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BNCT のための加速器中性子源の現状

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京都大学原子炉実験所
BNCT推進室
田中浩基、櫻井良憲、鈴木実、増永慎一郎、
木梨友子、近藤夏子、楢林正流、仲川洋介、
藤本望、高田卓志、渡邉翼、代谷誠治、高橋千太郎、
丸橋晃、小野公二
平成27年1月16日京大炉におけるビーム利用のための次期中性子源検討WS3
中性子捕捉療法
Boron Neutron Caputure Therapy
悪性黒色腫
Collaboration research with dept. of radiation oncology of Kawasaki Medical College
KURのBNCT症例
世界のBNCT施設
FiR-1フィンランド研究炉(1999~2012)311例
R2-0スウェーデン研究炉(2001~2005)52例
LVR-15チェコ研究炉(2000~)2例 JRR-2日本原子力研究開発機構33例
JRR-4日本原子力研究開発機構 107例
HFRPペッテン研究炉(1997~)22例
HTR日立炉(1968~1974)13例
イタリア研究炉(2002~)2例
BMRR
ブルックヘブン医学研
究炉(1951~1961、
1994~1999)99例
MuITR武蔵工業大学原子炉(1977~1989)108例
KUR京都大学原子炉 511(+53例)
MITR
マサチューセッツ工科大学
(1959~1961、1994~
THOR台湾研究炉 37例 (2010~)
1999)42例
アルゼンチン研究炉(2003~)7例
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Copyright (C) 2001-2008 ZENRIN CO., LTD. All Rights Reserved.
原子炉中性子源
重水設備
加速器中性子源
加速器
減速体系
照射台
ビーム輸送系
加速器中性子源
減速体系
加速器
ビーム電流
ビーム強度
IAEA-TECDOC-1223推奨値
熱外中性子束>1×109 cm-2s-1
ターゲットの熱除去
高速中性子線量含有<
2×10-13Gy cm-2(現状4-10×10-13Gy cm-2)
ガンマ線線量含有<
2×10-13Gy cm-2
加速器中性子源
Proton Energy
Accelerator
Ep<3MeV
静電型加速器、高周波型加速器
3MeV<Ep<8MeV
直線加速器、サイクロトロン
8MeV<Ep<100MeV
サイクロトロン、FFAG
Ep>100MeV
シンクロトロン、サイクロトロン、FFAG
Reaction
Proton
Energy
Ep
Yield
(Neutron/
Proton)
Melting
Conductivity Neutron
(W/m/K)
Energy
Moderator
Size
7Li(p,n)7Be
2.5
1.46x10-4
180
84.7
0.1~0.5MeV
小
9Be(p,
n)9B 4
1.6x10-4
1278
201
陽子エネル
ギーに依存
大
9Be(p,
n)9B 30
3.0x10-2
1278
201
陽子エネル
ギーに依存
大
7.0x10-2
3017
57.5
陽子エネル
ギーに依存
大
Ta(p,xn)
50
ビーム電流
トレードオフ
減速体系のサイズ
ターゲットの熱除去
減速体系後の中性子強度
加速器中性子源考慮すべき項目
①ターゲットでの熱除去
②ターゲットのブリスタリング
③放射化
④生成中性子量
⑤減速体系の設計
⑥加速器電流、電源、冷却水
①ターゲットでの熱除去
1kWの熱負荷を、毎分1リットルの水で冷却するときの 陽子エネルギー2.5MeV×20mA
水温の上昇は14.4℃=1kWx60secx0.24/1000
=50kW
熱負荷密度が均一に2MW/m2 (50kW/250cm2)よりも大
きい場合は核沸騰領域での熱伝達にしなければならず、
ヒートシンクの冷却水配管内部の温度は100℃以下にで
きない。
陽子
沸騰を継続的に起こすために流速を高速にする必要
あり(水圧を数気圧)→沸点上昇(5atmで150℃)
バッキング材での温度勾配を考えるとさらに高くなる
・陽子ビームを均一に照射する技術
・熱勾配による熱応力発生
陽子
・液体Liを用いたプロジェクト
核沸騰領域
拡大図
②ターゲットのブリスタリング
ブリスタリング:ターゲット内に荷電粒子が留まり、
バッキング材と
気泡が発生、剥離する原因
冷却水路
ブリスタリング
陽子
ベリリウムターゲット
ターゲット
10 MeV 陽子 1uA 2 hours.
ブリスタリングを起こしに
くいバッキング材の開発
が必須。
陽子
陽子の飛程0.8 mm 10MeV in Be
陽子の飛程0.23mm 2.5MeV in Li
飛程の2~3%が飛程ストラグリングで
ばらつきを生じる
ベリリウム厚さ5.5 mm
(陽子の飛程5.8 mm 30MeV)
冷却水中に陽子を放出
③放射化
中性子エネルギーを上げると
反応チャンネルが開く
熱中性子による放射化
27Al(n,) 0.2 barn
約2分の半減期
③ターゲットの放射化
Irradiation Period
Cooling Period
メインテナンス
④生成中性子量
4MeVの場合に比べて
30MeVは約50倍高い
9MeVの場合に比べて
30MeVは約10倍高い
2.5MeV入射Liの場合に比
べて30MeVBeは約125倍
平均エネルギーが326keV
と低い
⑤減速体系の設計
単色の中性子を水ファントム中に入射した際の線量分布
Tumor dose = (Dn + Dh) × RBEn + D × RBE + D10B × CBEt × Ct
Normal dose = (Dn + Dh) × RBEn + D × RBE + D10B × CBEn × Cn
10 keV付近の中性
子が深部まで線量を
付与する事ができる。
RBE,CBE
Normal Tumor
10B
1.35
3.8
N
3
3
H
3
3
G
1
1
Normal
Tumor
13 ppm
45.5 ppm
J.C.Yanch et al.,Radiation Research 126, 1-20, 1991.)は~40keVまでが有効
加速器中性子源
リチウム
ベリリウム
・低融点(180℃)
・トリチウム発生
・高融点
陽子エネルギー小
・低中性子発生量
タンタル
・高融点
陽子エネルギー大
・高中性子発生量
・トリチウム発生
・放射化しにくい
・放射化しやすい
(熱中性子には放射化) ・発生中性子エネルギー高い
・減速体系が小
・減速体系が大
・ブリスタリング有
・ブリスタリング無
・大電流(熱負荷)
・小電流
世界における加速器BNCTプロジェクト by A. [email protected]
Institute
Accelerator(Status)
Target
reaction
Beam
Beam
energy(MeV) current(mA)
Budker
Vacuum insulated
Institute Russia Tandem(Ready)
Solid 7Li(p,n) P:2.0
N:<1
2
Birmingham
University UK
Dynamitron(Ready)
Solid 7Li(p,n) P:2.8
N:<1
1-2
KURRI Japan
Cyclotron(Completed,
Clinical trials started)
Be(p,n)
P:30
N:up to 28
1
SARAF Israel
RFQ-DTL(Ready)
Liq. 7Li(p,n)
P:up tp 4
N:<1
1-2
Legnaro INFN
Italy
RFQ(Under construction)
Be(p,n)
P:4-5
N:up tp 2-3
30
Be(p,n)
P:8
N:up to 6
10
P:1.4
N:up to 6
P:1.9-2.3
N:<1
30
Tsukuba Japan RFQ-DTL(Under
construction)
Be(d,n),
CNEA Buenos Single ended Tandem
Aires Argentina Electrostatic
Solid 7Li(p,n)
Quadrupole(TESQ)(Unde
r construction)
NCC-CICS
Japan
RFQ(Under
development)
Solid 7Li(p,n) P:2.5
N:<1
30
20
日本における加速器BNCTプロジェクト
SouthernTOHOKU-SHI
SouthernTOHOKU-SHI
Tsukuba-MHI
Osaka-SC
Nagoya
CICS-NCC
KURRI-SHI
KURRI-FFAG
Tsukuba-MHI
Okinawa
KURRI-FFAG
Osaka-SC
KURRI-SHI
CICS-NCC
Cyclotron Based Epithermal
Neutron Source(C-BENS)
2007年 8月
京大炉と住友重機械工業と共同研究開始
2008年12月
2009年3月
2012年10月
2014年4月
C-BENSインストール
中性子発生試験開始、施設検査合格
再発悪性神経膠腫に対する治験開始
頭頸部がんに対する治験開始
イノベーションリサーチラボ医療棟
加速器室
Kyoto University Research
Reactor [email protected]
3F
2F
KUR
イノベーション
リサーチラボ
1F
照射室
KUCA
Cyclotron Based epi-thermal Neutron
Source(C-BENS)
住友重機械工業社製:HM30
加速粒子: 水素負イオン(-H)
最大エネルギー:30MeV
電流値: 1mA (Maximum ~2mA)
最大出力 : 30kW
1620 mm
3030 mm
1724 mm
減速体系
Pb : 高速中性子に対するブリーダーと減速材
Fe : 高速中性子に対する減速材
減速体系
Al and CaF2 : 熱外中性子を生成するためのフィルター
Polyethylene : 高速中性子の遮蔽
減速過程
Pb、Feにより高速中性子を
減速
Calculation using MCNPX
D
AlとFを用いて熱外中性子
の生成
C
B
A
C-BENSとKURとの比較
1.22E09
総合南東北病院
2013年3月
センター起工
2014年4月
機器搬入
2014年9-10月
中性子発生試験開始、
施設検査
2015年夏
頭頸部がん治験開始予定
JAPANHealth Facilities: 70
General Hospitals : 6
http://www.minamitohoku.or.jp/index.ph
今後
2015年~2017年
中性子が出れば日本各地で治験が開始される。
原子炉実験所の役割
・KURにおける臨床研究の推進,適応拡大,
共同利用推進
・C-BENSにおける治験の推進
・BNCTに関わる人材育成
・BNCT国際拠点
・C-BENSの高強度化
・新規薬剤の開発には細胞・動物照射が必須
→基礎研究用照射場の整備、共同利用への展開
→病院には設置困難
ありがとうございました
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