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医療用炭素ビームの入射核破砕反応

日本物理学会 @ 東京理科大　 2005.3.25. 医療用炭素ビームの入射核破砕反応. 炭素 - 水　入射核破砕反応断面積の測定. 炭素 - 水　入射核破砕反応断面積の測定. 歳藤利行 ( 名古屋大学 ). NIRS HIMAC P152 実験. 名古屋大学、 NIRS 、 GEANT4 日本グループ（ＫＥＫ，ＳＬＡＣ）、 JAXA 、東邦大学など.

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医療用炭素ビームの入射核破砕反応

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Presentation Transcript

  1. 日本物理学会@東京理科大　2005.3.25 医療用炭素ビームの入射核破砕反応 炭素-水　入射核破砕反応断面積の測定 炭素-水　入射核破砕反応断面積の測定 歳藤利行(名古屋大学) NIRS HIMAC P152実験 名古屋大学、NIRS、GEANT4日本グループ（ＫＥＫ，ＳＬＡＣ）、JAXA、東邦大学など • 名大理，放医研A，高エ研B，宇宙研C，東大理D，神戸大発達E，東邦大理F，愛知教育大教育G，鳴門教育大H，群馬大医I，SLACJ，立命館大理工K　歳藤利行，丹羽公雄，中野敏行，中村琢，伴尊行，高橋覚，兼松伸幸A，遊佐顕I，小森雅孝A， • 村上晃一B，佐々木節B，尼子勝哉B，吉田肇H，田中覚K，小井辰巳A，浅井慎J，尾崎正伸C，国分紀秀D，青木茂樹E， • 渋谷寛F，児玉康一G

  2. 入射核破砕反応 ビーム 標的(人体ではH,C,N,O,Ca,Pなど) 炭素ビーム　 180MeV/u zの小さな複数個の核に破砕 150μm P152実験の目的 エマルション すべての荷電2次粒子を検出・測定 個々の事象ごとに反応を再構成 原子核の多重度、角度、運動量などを測定。データベース化 GEANT4の重粒子線治療応用を確立させるのに必要な 調整用・検証用データとして利用 炭素-水　入射核破砕反応断面積の測定

  3. 2004年1月照射＠HIMAC 水 3mm 遮光防水フィルム 厚さ~128μm 炭素-水反応収集用　　水ターゲットチェンバー 30cm 人体の主要構成物質 87層 430MeV/u β=0.72 12Cビーム 87層 12000本/2cm×2cm 水中飛程~30cm ビームが静止するまでの エネルギー領域をカバー エマルションフィルム 44μm両面塗り205μmTACベース

  4. エマルションフィルム 12.5cm 厚さ 293μm 10cm OPERA実験用に大量生産中 水槽 87層 40cm 21cm

  5. ~120μm 飛跡の高速自動読み取り 44μm 16層の断層映像 3次元画像解析 中野敏行:三次元素粒子飛跡の並列画像処理 日本物理学会誌2001年6月号 S.Aoki, et al. NIM B 51(1990)466 重イオントラックに対して 位置精度～1μm 角度精度～5mrad 検出効率～100%(tanθ≦0．4) 3視野/秒

  6. オンライン：各プレート上でのトラックの読み出しオンライン：各プレート上でのトラックの読み出し

  7. オフライン処理：直線トラックを再構成

  8. オフライン処理：バーテックスの再構成

  9. 3mm 2cm 22cm エマルションフィルム 44μm両面塗り205μmTACベース 上流側から77層(27cm）分を解析Ekine=430~100MeV/u バーテックスの再構成 水 インパクトパラメータ(μm) 多重度(2次粒子の本数)

  10. 430MeV/u 12C ~4000事象 ~12000本 2cm 22cm 上流側から66層(22cm）分のデータEkine=430～200MeV/u

  11. Nint Nbeam(1) P(反応確率)= M(=18分子量)P NAρ(密度)x(厚さ) σ= Nbeam(1) Nint Nbeam(2) 仮定： 破砕反応=2本以上の2次粒子をともなった反応 入射核破砕反応断面積の導出方法 x ビームと2次粒子を同時測定して 反応を再構成・検出 P<<1ならば 任意の深さ(=エネルギー)で分析

  12. Energy Scaling 物質量の補正 • 始点：加速器によるビームエネルギー(430MeV/u) • 終点：反応を起こさないビームが到達する深さを3mm間隔のサンプリングで測定 • 途中：GEANT4によるモンテカルロ計算で内挿 反応点の深さ⇔炭素ビームのエネルギー エネルギー絶対値の誤差＜2% エネルギー 12Cビーム 430MeV/u 深さ 終点：測定点

  13. A.N.Golovchenko I.Schall L.Sihver モデル計算 Our results 統計誤差のみ考慮 検出効率などの補正なし preliminary / 5layers 過去に測定されたCharge changing cross sectionとの比較 = σ(total)-σ(elastic)-σ(neutron removal)

  14. ・・・・・・ 検出された飛跡 ピクセル数のカウントによる電荷の分離 Z=1 Z=2 Z≧3 44μm ピクセル 0.3μm× 0.3μm パルスハイト 16層 入射粒子 2次粒子 Z=6 Ekine=430~100MeV/u パルスハイト：プレート1枚あたりの平均ピクセル数

  15. 2cm 22cm Ekine=430~100MeV/u 2次粒子の電荷別角度分布 Z=1 Z=2 Z≧3 0.1 0.3 0.5 入射粒子との角度差(tanθ)

  16. 2次粒子に含まれる水素原子核(Z=1)の速度分布 Ekine:430~395MeV/u Ekine:395~360MeV/u Ekine:360~325MeV/u Ekine:325~285MeV/u Ekine:285~245MeV/u Ekine:245~195MeV/u 炭素ビームのエネルギー 領域ごとに区別 β パルスハイト⇔dE/dx⇔速度

  17. 検出器のアップグレード 2004年12月1日　照射チェンバー 水(H2O)とアクリル(C5H8O2)の複合ターゲット 電荷の区別可能:低感度エマルションの導入 アクリル(厚さ1mm) リフレッシュ ビーム照射後、高温、高湿環境下に エマルションをさらし、潜像を破壊。 2004秋JPS高知 水 水 水 低感度:~1/5 38℃リフレッシュ 2mm 低感度:~1/7 40℃リフレッシュ Normal エマルション

  18. 100 77 破砕反応の2次粒子 (多重度2以上) C B 40℃リフレッシュ Be Li He 10.7cm パルスハイト 38℃リフレッシュ Z=6まで電荷識別可能

  19. 放医研P152実験 2004年1月マシンタイム　430MeV/u 12C 炭素-水 入射核破砕反応のデータ収集 Ek=430~100MeV/uにおいて断面積を測定した 多重度、電荷、放出角、速度分布も測定 まとめと今後の展開 検出効率などの評価 オフライン処理の改良 2004年12月マシンタイム　400MeV/u 12C　：電荷情報を付加 炭素-水、炭素-アクリル反応のデータ収集　飛跡読み取り進行中 データベース化 GEANT4 に組み込まれたQMDに基づく核破砕反応ルーチン(JQMD)の検証、調整 2005年秋：C-Ca,C-P反応のデータ集収

  20. 430MeV/u 12C ~12000本 2cm 22cm 青:Z=1,緑:Z=2,赤:Z≧3 3840事象

  21. φ 0 角度依存性 θ依存性:放物線で近似 Ph(θ,φ,dE/dx) =A(dE/dxの3次式)+B(φ,dE/dx)×tan2θ φ依存性:三角関数で近似 B(φ)=－cos(2φ)×(B(90o)－B(0o))/2 + (B(90o)+B(0o))/2 B(φ) B(90o) φ=90° φ=0° B(0o) 実はB(φ)=B(φ,dE/dx) :KEKテストビームの測定結果に合うように滑らかに補間

  22. 速度・角度相関

  23. Track Fiducial Cut 各trackのend pointに対して要求

  24. 水中反応の選び出し • ECC : 549 micron • margin : +- 150 micron

  25. Z=1 Z=2 Z=6 ビーム照射後のフィルムを高温・高湿下に さらして、主にデルタ線(電子)が生成した 潜像核を消去する。 リフレッシュ処理による電荷の分離 現像後の飛跡が細くなる δ線～5本/44μm Z=6 ピクセル数 Z=2 180MeV/u 12Cビーム リファレンス Z=1 リファレンス リフレッシュ処理 38℃ R.H.98% 3日 リフレッシュ処理後 ピクセル数

  26. リフレッシュ 2004年12月　40℃リフレッシュ試験 (2次ビーム：2004年5月照射フィルム) He Li Be B 40℃ 30℃ C no refresh 45℃ 38℃ 40℃と38℃(いずれもR.H.98%,3日間)の2種類に決定 2005年1月　水ターゲットチェンバーのフィルムをリフレッシュ処理 　リファレンス用2次ビーム照射フィルムも同時に処理 すべて現像を完了した

  27. 鉛ECC 400MeV/u 12C OPERA-film(29)+Pb(1mm) +OPERA-film(28)+Pb(1mm)+ … +Pb(1mm)+OPERA-film(1) アクリル窓(厚さ1mm) 100 99 98 37 36 ・・・ 28.75cm 4.65cm スペーサー(厚さ2mm) OPERA-film4枚とアクリル板(厚さ1mm)をパックしたもの

  28. リフレッシュなしフィルムのスキャン 水ターゲットチェンバー、スポット１、３　 2.5cm×2.5cm 15000×2スポット=30000本 プレート100から77まで(24層)上流側スキャン完了(1月30日) 上流

  29. Normal エマルション パルスハイト 低感度38℃リフレッシュ 低感度40℃リフレッシュ

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