JP6748110B2 - エネルギーデグレーダ、及びそれを備えた荷電粒子線照射システム - Google Patents

エネルギーデグレーダ、及びそれを備えた荷電粒子線照射システム Download PDF

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Description

本発明は、エネルギーデグレーダ、及びそれを備えた荷電粒子線照射システム、並びにグラファイト膜の製造方法に関する。
荷電粒子を加速させる加速器の分野において、加速ビームの荷電粒子を遮断するストッパーや荷電粒子のエネルギー（速度）を低減させるエネルギーデグレーダといったビーム遮断装置が知られている。
また、加速器を用いた設備としては、例えば、陽子ビーム等の荷電粒子線を患者に照射してがん治療を行う陽電子治療設備が挙げられる。このような設備は、イオン源により生成されたイオン（荷電粒子）を加速させるサイクロトロンと、サイクロトロンにより加速された荷電粒子を輸送する輸送ラインと、患者に対して任意の方向から荷電粒子を照射する回転自在の照射装置（回転ガントリ）と、を備えている。
例えば特許文献１には、ビームライン（輸送ライン）にビーム吸収体（減衰材）を挿入してビームエネルギーを減衰させるデグレーダが開示されている。
陽子ビーム等の荷電粒子線は、エネルギーに依存した特定の深さまで物質中を進み、そこで最大の線量分布を有する。それゆえ、陽電子治療では、被照射体（患者）の照射位置（深さ）に応じて荷電粒子線のエネルギーを調整しており、エネルギーデグレーダによって荷電粒子線のエネルギー（速度）を落とし、最適な深さ（がん部分）にて最大線量分布を持たせる必要がある。特許文献２及び３には、このような荷電粒子線の調整に用いられる、減衰部材を有するエネルギーデグレーダが開示されている。
特開平１−２８６３００号公報 特許第５７２６５４１号明細書 特開２０１２−２４９９４０号公報
一般的に、エネルギーデグレーダに備えられた減衰部材として、耐久・耐熱性の観点からチタン等の金属膜、また、放射能化し難いという観点から炭素部材が使用されることが多い。しかしながら、減衰部材がグラファイト等の炭素部材によって構成されている場合であっても、放射能化の程度を十分に小さくできないという問題がある。強く放射化した減衰材は、人が取り扱うことができなくなるので、放射化の程度が進まない間に加速器を停止して減衰材を交換する必要がある。これは、実質的な加速器の駆動時間が短くなることにつながる。
本発明の一態様は、前記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、十分な耐久性、耐熱性を有し、放射能化の程度を小さくし得る減衰部材を有するエネルギーデグレーダ、及びそれを備えた荷電粒子線照射システム、並びにグラファイト膜の製造方法を実現することにある。
本発明の一態様に係るエネルギーデグレーダは、上記の課題を解決するために、入射した荷電粒子線のエネルギーを減衰させる、１以上の減衰部材を備えたエネルギーデグレーダであって、前記減衰部材のうち少なくとも１つは、膜面に荷電粒子線が入射するように配されたグラファイト膜であり、前記グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度は、１２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、前記グラファイト膜の厚さは、０．１μｍ以上、５０μｍ以下であることを特徴としている。
また、本発明のさらに他の態様に係るエネルギーデグレーダは、入射した荷電粒子線のエネルギーを減衰させる複数の減衰部材により構成された減衰構造体を備えたエネルギーデグレーダであって、前記減衰構造体は、膜面に荷電粒子線が入射するように配されたグラファイト膜よりなる複数の減衰部材が膜厚方向に積層された積層構造を有することを特徴としている。
また、本発明のさらに他の態様に係るグラファイト膜の製造方法は、上記の課題を解決するために、エネルギーデグレーダの減衰部材に使用されるグラファイト膜の製造方法であって、高分子膜を２４００℃以上の温度で焼成してグラファイト膜を得ることを特徴としている。
本発明の一態様によれば、従来よりも減衰部材の放射能化の程度を小さくし得るという効果を奏する。
本発明の実施形態に係る粒子線治療システム１の構成を示す配置図である。 本発明の実施形態に係るエネルギーデグレーダ１０を示す概略図である。 Ｂｅｔｈｅの式に基づく阻止能と粒子の運動エネルギーとの関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るエネルギーデグレーダ１０の変形例を示す概略図である。
上述のとおり、従来、荷電粒子のエネルギーを低減させる減衰部材として、放射能化の程度が比較的小さいといわれるグラファイト等の炭素部材が用いられてきた。しかし、たとえグラファイトを原材料として減衰部材を作製した場合でも、荷電粒子のエネルギーによっては放射能化の程度を十分に抑制できない場合があることを本願発明者らは独自に見出した。かかる課題は、本願発明が属する技術分野においてこれまで全く認識されてこなかった課題であり、新規な課題といえる。加えて、荷電粒子の運動エネルギーを減衰させる際に、減衰部材には非常に大きな熱負荷がかかる。そこで、本願発明者らは、放射能化の程度を小さくするとともに、上述した熱負荷にも十分に耐え得る減衰部材の開発を目指して鋭意開発した。
その結果、特定の特性を有し、かつ所定の寸法としたグラファイトを用いることにより、放射能化の程度を小さくできるとともに、熱負荷に対しても十分に耐え得る減衰部材を開発することに成功した。具体的には、グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度を所定値以上とし、かつ厚みを所定範囲内とすることで、上述した課題を解決し得るという新規知見を見出し、本願発明を完成させた。
通常、グラファイト膜の厚みを小さくすると、物理的な強度が弱くなる。このため、グラファイトの厚みを小さくすることは、減衰部材の荷電粒子に対する衝突阻止能の向上とは相反するように思われる。また、荷電粒子の運動エネルギーを減衰させる際には大きな熱負荷が発生することから、厚みの薄いグラファイト膜では耐えられないと考えることは一般的であろう。加えて、そもそも厚みの小さいグラファイト膜につき、熱伝導度、電気伝導度、あるいは耐折れ性等の諸特性が優れたものを製造することは極めて困難なことである。
しかしながら、本願発明者らは、独自の研究を重ねることにより、厚みが小さく、かつ熱伝導度等の諸特性に優れたグラファイト膜を製造する技術を確立した。さらに研究開発を進めたところ、驚くべきことに、かかるグラファイト膜であれば、放射能化の程度を小さくし得るとともに、荷電粒子のエネルギー減衰時に発生する熱負荷にも耐え得るという新規知見を見出した。かかる知見に基づく本願発明の技術思想は、従来の知見から予測できるものではなく、本願発明者らが独自に完成させたものである。
また、イオンビーム等の荷電粒子ビームの強度を目的の強さにコントロールする場合、通過させるグラファイト膜の膜厚を精密に制御することが好ましい。本発明であれば、どのような膜厚に対しても柔軟に対応でき、優れた方法である。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、本実施形態では、荷電粒子線照射システムを粒子線治療システムとした場合について、説明する。図１は、本実施形態に係る粒子線治療システムの構成を示す配置図である。
（荷電粒子線照射システムの構成）
粒子線治療システム１は、例えばがん治療に適用されるものであり、患者の体内の腫瘍（照射目標物）に対して、陽子ビーム（荷電粒子線）を照射する装置である。
図１に示されるように、粒子線治療システム１は、イオン源（図示せず）にて生成されたイオン（水素の陽イオン）を加速させて陽子ビームを生成するサイクロトロン（粒子加速器）２と、患者に対して任意の方向から陽子ビームを照射する回転自在の回転ガントリ（照射装置）３と、サイクロトロン２で生成された陽子ビーム（サイクロトロンで加速された荷電粒子ビーム）を回転ガントリ３まで輸送する輸送ライン４と、を備えている。
サイクロトロン２にて加速された陽子ビームは、輸送ライン４に沿って偏向され、回転ガントリ３へ輸送される。輸送ライン４には、陽子ビームを偏向させるための偏向磁石が設けられている。また、輸送ライン４には、荷電粒子のエネルギーを減衰させるエネルギーデグレーダ１０が設けられている。エネルギーデグレーダ１０の構成については、後述する。
更に、輸送ライン４には、エネルギーデグレーダ１０の後段（下流）に、ＥＳＳ（Energy Selection System：エネルギー選択システム）３０が設けられている。このＥＳＳ３０は、輸送されてきた所定のエネルギー分布を有する陽子ビームから所望のエネルギー幅の陽子ビームを選択的に取り出すものである。ＥＳＳ３０では、陽子ビームのエネルギー幅が、所望の範囲となるように選択される。
回転ガントリ３は、患者が横たわる治療台、患者に向けて陽子ビームを照射する照射部を備えている。エネルギーデグレーダ１０によってエネルギーが減衰された荷電粒子線は、照射部から出射され、患者の対象部位に照射される。
（エネルギーデグレーダ１０の構成）
図２は、本実施形態に係るエネルギーデグレーダを示す概略図である。図２に示すエネルギーデグレーダ１０は、陽子ビームＢの経路上（ビームライン上）に設けられ、陽子ビームＢのエネルギーを減衰させるものである。
エネルギーデグレーダ１０は、透過する陽子ビームＢのエネルギーを減衰させる減衰部材１１を備えている。減衰部材１１は、グラファイト膜によって構成されている。このグラファイト膜は、図２に示されるように、膜面に荷電粒子線が入射するように配されており、好ましくは、膜面が陽子ビームＢの入射方向に対して垂直になるように配されている。ここでいう「垂直」とは、グラファイト膜と陽子ビームＢの入射方向との角度が、該角度を測定する測定装置の測定限界内で垂直であることを意味する。なお、図２において簡略化する意味で記載していないが、減衰部材１１は単層であっても、積層化してあってもよい。
減衰部材１１は、支持部材（不図示）によって一体的に支持されている。また、エネルギーデグレーダ１０は、減衰部材１１に駆動力を付与する駆動源（例えば、駆動モータ）、減衰部材１１の移動を案内する案内手段（例えば、ガイドレール）など備えている。
エネルギーデグレーダ１０は、陽子ビームＢを透過させる減衰部材１１を、陽子ビームＢの経路上に移動させることによって、陽子ビームＢのエネルギーを減衰させている。
なお、エネルギーデグレーダ１０は、複数の減衰部材１１が別個に設けられた構成であってもよい。この場合、複数の減衰部材１１は、互いに厚さが異なっている。そして、エネルギーデグレーダ１０は、減衰部材１１の厚さに応じて、陽子ビームＢのエネルギーの減衰量が異なるように構成される。
（粒子線治療システム１の作用）
粒子線治療システム１では、サイクロトロン２によって陽子ビームＢが加速され、加速された陽子ビームＢ（例えば２３０ＭｅＶ±数ＭｅＶのエネルギー範囲を有する）は、エネルギーデグレーダ１０に導入される。エネルギーデグレーダ１０では、駆動手段によって減衰部材１１が駆動されて移動し、陽子ビームＢの経路上に減衰部材１１が配置されている。そして、この減衰部材１１を通過した陽子ビームＢは、減衰部材１１によって減速されて、エネルギーが減衰させられる（例えば２００ＭｅＶ±十数ＭｅＶ）。
エネルギーデグレーダ１０を通過した陽子ビームＢは、ＥＳＳ３０に導入される。ＥＳＳ３０では、導入された陽子ビームＢうち、所望のエネルギー範囲の陽子ビームＢが選択的に取り出される（例えば２００ＭｅＶ±１ＭｅＶ）。エネルギー幅が選択された陽子ビームＢは、輸送ライン４によって輸送されて回転ガントリ３に導入されて、被照射体に照射される。これにより、被照射体の内部の所定の深さ位置に到達するように陽子ビームＢが照射される。
（減衰部材１１について）
減衰部材１１を構成するグラファイト膜は、膜面方向の熱伝導度は、１２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、厚さが、０．１μｍ以上、５０μｍ以下であれば、その他の構成は特に限定されない。かかるグラファイト膜は、強度が高く、かつ、高い熱伝導性を有しているので、好ましい。なお、ここでいう厚さとは、減衰部材１１の荷電粒子線の透過方向における長さをいう。また、減衰部材１１の厚さは、同じ厚さまたは異なる厚さの複数のグラファイト膜を積層化することによって、目的の厚さに調整されていてもよい。例えば減衰部材１１の厚さが４０μｍである場合、減衰部材１１は、膜厚２０μｍのグラファイト膜が２枚積層した構成であってもよく、膜厚１０μｍのグラファイト膜が４枚積層した構成であってもよい。
また、エネルギーデグレーダ１０は、定期的に交換、点検される。エネルギーデグレーダ１０の交換時に減衰部材１１、およびその周辺の部材が放射化している場合、作業者が被曝するおそれがある。さらに、これらの部材が放射化した場合、その放射性廃棄物としての処理などが問題となる。エネルギーデグレーダ１０の使用時に減衰部材１１の発熱量が大きくなると、発熱により放射化の度合いが強くなり、減衰部材１１だけでなく周辺の部材が放射化される。そのため、減衰部材１１の高い放熱性により荷電粒子ビーム照射時の発熱を防ぐことは、減衰部材１１の寿命を単に延ばすというだけでなく、放射化を防ぐという観点からも非常に重要である。
（グラファイト膜の製造方法）
本実施形態におけるグラファイト膜の製造方法は、特に限定されないが、例えば、高分子フィルム（高分子膜）を焼成等の熱処理することによって、グラファイト膜を作製する方法が挙げられる。具体的には、本発明の一例のグラファイト膜の製造方法は、炭化工程と黒鉛化工程を含む。
＜炭化工程＞
炭化工程は、出発物質である芳香族ポリイミドフィルムを減圧下もしくは窒素ガス中で予備加熱処理して炭化を行う。この予備加熱は室温〜１５００℃の温度で行われる。炭化の熱処理温度としては、最低でも８００℃以上が必要で、好ましくは９００℃以上、より好ましくは１０００℃以上で熱処理することが、柔軟性、熱拡散性に優れたグラファイトを得るためにはよい。昇温の段階では、出発高分子フィルムにシワが発生しないように、フィルムの破損が起きない程度にフィルムの厚み方向に圧力を加えてもよい。
＜黒鉛化工程＞
黒鉛化工程では、炭化したポリイミドフィルムを一度取り出した後、黒鉛化用の炉に移し変えてから黒鉛化を行ってもよいし、炭化から黒鉛化を連続的に行ってもよい。黒鉛化は、減圧下もしくは不活性ガス中でおこなわれるが、不活性ガスとしてはアルゴン、ヘリウムが適当である。熱処理温度（焼成温度）としては２４００℃以上、好ましくは２６００℃以上、更に好ましくは２８００℃以上まで処理するとよい。なお、黒鉛化工程において、フィルムの厚み方向に圧力を加えてもよい。
上記の方法によれば、良好なグラファイト結晶構造を有し、かつ、熱伝導性に優れたグラファイト膜を得ることができる。
本実施形態で使用する高分子フィルムは、ポリイミド、ポリアミド、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾビスチアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾビスオキサゾール、ポリパラフェニレンビニレン、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾビスイミダゾール、ポリチアゾールのうちから選ばれた少なくとも一種類以上の高分子フィルムである。特に、本発明のグラファイト膜の原料フィルムとして好ましいのは、芳香族ポリイミドフィルムである。
（グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度）
本実施形態におけるグラファイト膜の膜面方向の熱伝導度は、１２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、１４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、１６００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることがより好ましく、１８００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることがさらに好ましい。
膜面方向の熱伝導度が１２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上のグラファイト膜を用いれば、より高い放熱性を有するグラファイト積層体を得ることができる。また、膜面方向の熱伝導度が１２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上のグラファイト膜は、金属材料（例えば、銅、アルミなど）に対して、３倍以上の熱伝導性を有することになる。
また、グラファイト膜は、膜面方向の熱伝導度が膜厚方向の熱伝導度の５０倍以上である異方性（配向性）を有していることが好ましい。
グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度は、次式（１）によって算出する。
Ａ＝α×ｄ×Ｃｐ ・・・・（１）
ここで、Ａは、グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度、αは、グラファイト膜の膜面方向の熱拡散率、ｄは、グラファイト膜の密度、Ｃｐは、グラファイト膜の比熱容量をそれぞれ表わしている。なお、グラファイト膜の膜面方向の熱拡散率、密度、および比熱容量は、以下に述べる方法で求める。
グラファイト膜の膜面方向の熱拡散率は、光交流法に基づく熱拡散率測定装置（例えば、アルバック理工（株）社の「ＬａｓｅｒＰｉｔ」）を用い、４ｍｍ×４０ｍｍの形状に切り取られたグラファイト膜のサンプルについて、２０℃の雰囲気下、レーザー周波数１０Ｈｚにおいて測定する。
グラファイト膜の密度は、１００ｍｍ×１００ｍｍの形状に切り取られたグラファイト膜のサンプルについて、重量および厚さを測定し、測定された重量の値を、算出された体積の値（１００ｍｍ×１００ｍｍ×厚さ）にて割ることにより、算出する。
グラファイト膜の比熱容量は、エスアイアイナノテクノロジー株式会社製の熱分析システムである示差走査熱量計ＤＳＣ２２０ＣＵを用い、２０℃から２６０℃まで１０℃／ｍｉｎの昇温条件下で測定する。
なお、グラファイト膜の膜厚方向の熱伝導度は、上記式（１）において、αをグラファイト膜の膜厚方向の熱拡散率として、同様に算出することができる。
ここで、グラファイト膜の膜厚方向の熱拡散率はパルス加熱法（レーザーフラッシュ法）によって測定する。この方法では膜の片方の面に照射したレーザーによる加熱後の膜裏面における温度応答（温度変化）を測定し、温度が一定温度に達するまでの時間（ｔ）のハーフタイム（ｔ1/2）を以下の式（２）を用いて算出する。
Figure 0006748110
式（２）において、αは熱拡散率、τ0熱拡散時間、ｄは試料厚さ、ｔ1/2はハーフタイム、0.1388は用いた装置の装置定数である。
（グラファイト膜の厚さ）
本実施形態におけるグラファイト膜の厚さは、０．１μｍ以上、５０μｍ以下であり、より好ましくは０．２μｍ以上、４０μｍ以下であり、より好ましくは０．４μｍ以上３０μｍ以下であり、特に好ましくは０．８μｍ以上、２０μｍ以下である。この様な厚さの場合ビーム照射した場合でも、減衰部材１１が放射能化し難いため好ましい。
グラファイト膜の厚さは、次の方法で測定する。厚さゲージ（ハイデンハイン（株）社製、ＨＥｌＤＥＮＨ：ＡＩＮ−ＣＥＲＴＯ）を用い、５０ｍｍ×５０ｍｍの形状に切り取られたグラファイト膜のサンプルについて、２５℃の恒温室にて任意の１０点における厚さを測定し、当該測定値の平均値として、グラファイト膜の厚さを算出する。
（グラファイト膜の膜面方向の電気伝導度）
本実施形態におけるグラファイト膜の膜面方向の電気伝導度は、特に限定されないが、１２０００Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましく、１４０００Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましく、１６０００Ｓ／ｃｍ以上であることがより好ましく、１８０００Ｓ／ｃｍ以上であることがより好ましく、２００００Ｓ／ｃｍ以上である事がより好ましい。
また、グラファイト膜は、膜面方向の電気伝導度が膜厚方向の電気伝導度の１００倍以上である異方性（配向性）を有していることが好ましい。
グラファイト膜の電気伝導度は、４探針法で定電流を印加（例えば、（株）三菱化学アナリテック製ロレスタＧＰ）することによって測定する。
（グラファイト膜の密度）
本実施形態におけるグラファイト膜の密度は、特に限定されないが、１．４０ｇ／ｃｍ３以上が好ましく、１．６０ｇ／ｃｍ３以上が好ましく、１．８０ｇ／ｃｍ３以上がより好ましく、２．００ｇ／ｃｍ３以上がより好ましく、２．１０ｇ／ｃｍ３以上がより好ましい。グラファイト膜の密度が１．４０ｇ／ｃｍ３以上であれば、グラファイト膜自体の自己支持性、機械的強度特性に優れるので好ましい。
また、グラファイト膜の密度が高いほど荷電粒子ビームとの相互作用する割合が高くなるため、エネルギーデグレーダとしての効果に優れる。また、高密度のグラファイト膜では、構成するグラファイト層間に隙間がないために、熱伝導度が高くなる傾向がある。グラファイト膜の密度が低い場合、荷電粒子ビームの減速効率が悪く、さらに構成するグラファイト層間の空気層の影響により熱伝導度も低下してしまうため好ましくない。また、空気層としての空洞部分では熱伝導性が悪くなることにより、熱が蓄積しやすくなると考えられる。それゆえ、低密度のグラファイト膜は劣化しやすい。また、グラファイト膜の密度が高い場合、荷電粒子ビームは、グラファイト膜を通過するとき、散乱しにくい。このため、グラファイト膜が積層された場合でも、高密度のグラファイト膜では荷電粒子ビームが散乱しにくい。これらのことから、グラファイト膜の密度は大きいことが好ましく、１．４０ｇ／ｃｍ３以上が好ましく、１．６０ｇ／ｃｍ３以上が好ましく、１．８０ｇ／ｃｍ３以上がより好ましく、２．００ｇ／ｃｍ３以上がより好ましく、２．１０ｇ／ｃｍ３以上がより好ましい。また、グラファイト膜の密度の上限について、グラファイト膜の密度は、理論値である２．２６ｇ／ｃｍ３以下であり、２．２０ｇ／ｃｍ３以下であってもよい。
グラファイト膜の密度は、１００ｍｍ×１００ｍｍの形状に切り取られたグラファイト膜のサンプルについて、重量および厚さを測定し、測定された重量の値を、算出された体積の値（１００ｍｍ×１００ｍｍ×厚さ）にて割ることにより、算出する。
（グラファイト膜のＭＩＴ耐屈曲耐性）
グラファイト膜のＭＩＴ耐屈曲試験における屈曲回数は、５００回以上が好ましく、より好ましくは１０００回以上、更に好ましくは５０００回以上、特に好ましくは１００００回以上であるとよい。
グラファイト膜のＭＩＴ耐屈曲試験は次のとおり行う。１．５×１０ｃｍの試験片３枚を抜き出す。東洋精機（株）製のＭＩＴ耐揉疲労試験機型式Ｄを用いて、試験荷重１００ｇｆ（０．９８Ｎ）、速度９０回／分、折り曲げクランプの曲率半径Ｒは２ｍｍで行う。２３℃の雰囲気下、折り曲げ角度は左右へ１３５度で切断するまでの折り曲げ回数を測定する。
（本実施形態における荷電粒子線のエネルギーについて）
エネルギーデグレーダ１０においては、荷電粒子線は、グラファイト膜からなる減衰部材１１を通過する。減衰部材１１を通過する荷電粒子線のエネルギーは、比較的低い。標的物質（ここでは減衰部材１１）の荷電粒子に対する衝突阻止能（エネルギー損失）は、下記のＢｅｔｈｅの式（３）によって表される。
Figure 0006748110
ここで、ｅは電子の素電荷、ｍは電子の質量、ｖは電子の速度、ｚは入射粒子の核電荷数、Ｚは標的物質の原子番号、Ｎは標的物質の単位体積中の原子数、Ｉは標的物質の平均励起ポテンシャル、βはｃを光速度としてｖ／ｃを表す。
図３は、Ｂｅｔｈｅの式（３）に基づく阻止能と粒子の運動エネルギーとの関係を示すグラフである。図３に示されるように、標的物質の荷電粒子に対する衝突阻止能（エネルギー損失）は、粒子の運動エネルギーが低いＡからＢまで阻止能が増加し、Ｂにて最大になる。そして、ＢからＣまでＩ／ｖ２に比例して減少し、Ｃにて最小になる。そして、ＣからＤまで、Ｂｅｔｈｅの式（３）の対数項が実効的になり、緩やかに増加する。
本実施形態に係るエネルギーデグレーダ１０の減衰対象となる荷電粒子線は、Ｂ〜Ｃのエネルギー範囲にある荷電粒子線であり、比較的低エネルギーである。Ｂにおける荷電粒子線のエネルギーはＭｅＶオーダー（例えば１ＭｅＶ）であり、ＣにおけるエネルギーはＧｅＶオーダー（例えば３ＧｅＶ）である。そして、Ｂにおける標的物質の阻止能は、Ｃにおける標的物質の阻止能と比較して１００倍程度高い。
それゆえ、本実施形態に用いるエネルギーデグレーダ１０は、荷電粒子の数が同じである場合には、Ｃ〜Ｄのエネルギー範囲（例えば３ＧｅＶ以上のエネルギー）の荷電粒子線を加速する加速器に用いる減衰部材と比較して、約１００倍の耐久性が要求される。荷電粒子の数はそれぞれの加速器の目的によって異なるので、必ずしも常に１００倍の耐久性が要求されるわけではない。しかし、本実施形態の主要用途であるガン治療用の小型加速器のエネルギー領域１〜１００ＭｅＶにおいては、３ＧｅＶ以上の高エネルギー加速器よりも遥かに高い耐久性が要求されることは間違いない。
このような過酷な条件下において、本実施形態に係るエネルギーデグレーダにおける上述のグラファイト膜は、上記した厚さであっても上記要求に耐えうるものである。
（エネルギーデグレーダの変形例）
本実施形態に係るエネルギーデグレーダの変形例について、説明する。本実施形態に係るエネルギーデグレーダは、複数の減衰部材により構成された減衰構造体を備えた構成であってもよい。減衰部材は、上述のように、膜面に荷電粒子ビームが入射するように配されたグラファイト膜から構成されている。減衰構造体は、複数の減衰部材が膜厚方向に積層された積層構造を有している。また、各減衰部材を構成するグラファイト膜は、上述した特性を有するものであればよい。
イオンビーム、陽子ビーム等の荷電粒子ビームは、患者の病状の進行具合や患部の位置により精密に制御する必要がある。必要以上のイオンビームを照射した場合、または患部以外の部分に当てた場合には、患者の病状を悪化、または回復を遅らせてしまうおそれがある。
このため、粒子線治療システムでは、患部に対し照射するビーム強度を厳密に制御することが非常に重要である。荷電粒子ビームの強度を目的の強さにコントロールする場合、通過させる減衰構造体の膜厚が精密に制御される。減衰構造体が通常のグラファイトブロックやグラファイトディスクである場合、減衰構造体の膜厚は、精密加工や研磨などの工程により調整される。このため、減衰構造体の膜厚調整が煩雑化する。
一方、上記エネルギーデグレーダの構成によれば、減衰構造体は、複数の減衰部材が膜厚方向に積層された積層構造を有している。また、減衰部材は、膜面に荷電粒子ビームが入射するように配されたグラファイト膜から構成されている。それゆえ、グラファイト膜からなる減衰部材を積層化することにより、減衰構造体の厚さを目的の厚さに簡便に調整することができる。
また、減衰構造体は、荷電粒子ビームが照射されると、最表面のグラファイト部分のダメージが大きい。減衰構造体が通常のグラファイトディスクである場合、最表面のグラファイト部分の損傷が大きいと、グラファイトディスク全てを交換する必要がある。
これに対し、上記エネルギーデグレーダの構成によれば、減衰構造体は、複数の減衰部材が膜厚方向に積層された積層構造を有しているので、損傷した最表面の減衰部材から数枚を取り替えるだけでよい。それゆえ、本実施形態における減衰構造体は、経済的にも非常に優れている構造である。
減衰構造体の最適な厚さは、荷電粒子ビームの強度、荷電粒子ビームの種類（イオン種）等に応じて異なり、適宜設定される。
以上のように、本実施形態の変形例に係るエネルギーデグレーダは、減衰構造体について、どのような膜厚に対しても柔軟に対応できる構造になっている。それゆえ、イオンビーム等の荷電粒子ビームの強度を目的の強さにコントロールするために、簡便に減衰構造体の膜厚を制御することができる。例えば、減衰構造体の膜厚が１００μｍ以上に設定される場合であっても、グラファイト膜からなる複数の減衰部材を積層することにより、柔軟に対応可能となっている。
なお、減衰構造体を構成する複数の減衰部材それぞれの厚さは、０．１μｍ以上、５０μｍ以下であれば、互いに同じ厚さであってもよいし、互いに異なる厚さであってもよい。また、減衰構造体の積層構造を構成する減衰部材の枚数は、特に限定されないが、１００枚以下であることが好ましい。
また、減衰構造体の積層構造は、積層構造を構成する各減衰部材を減衰構造体から出し入れすることが可能な構造であってもよい。このように減衰部材を減衰構造体から出し入れ可能な構造とすることにより、簡便に減衰構造体の膜厚を調整できるとともに、様々な膜厚に対応することができる。好ましい積層構造の形態は、各減衰部材が接着剤を介さずに積層され、減衰部材の積層状態が保持具等により物理的に維持された構造である。
また、減衰構造体の積層構造では、構成する減衰部材間に隙間が設けられていてもよい。このように隙間が設けられている場合、隙間部分の距離は、減衰構造体の厚さに含まれない。
また、減衰構造体の積層構造は、陽子ビームの経路と交差する膜面方向において、膜厚が異なる構造であってもよい。このような積層構造の形状としては、膜面方向において、減衰部材の中央に向かうに従い膜厚が小さくなるすり鉢状、図４に示すような階段状等が挙げられる。
図４は、本実施形態の変形例に係るエネルギーデグレーダの構成例を示す概略図である。図４に示されるように、変形例としてのエネルギーデグレーダ１０Ａは、透過する陽子ビームＢのエネルギーを減衰させる複数の減衰部材１１ａ〜１１ｇにより構成された減衰構造体１１Ａを備えている。加速ビームの荷電粒子のエネルギー（速度）の低減の程度は、エネルギーにおける減衰部材としてのグラファイト膜の厚さによって異なる。このため、図４に示すような構成とすることによって、加速ビームの荷電粒子のエネルギー（速度）を好ましい程度に低減することができる。
減衰構造体１１Ａの厚さは、１μｍ以上、２００μｍ以下であり、より好ましくは２μｍ以上、１５０μｍ以下であり、特に好ましくは５μｍ以上、１００μｍ以下である。
減衰部材１１ａ〜１１ｇは、グラファイト膜から構成されており、互いに一方向の寸法が異なっている。本実施形態では、陽子ビームＢの経路と交差するＸ方向において、減衰部材１１ａ〜１１ｇは、互いに寸法が異なる。減衰部材１１ａ〜１１ｇは、例えば、それぞれのＸ方向の一端部が揃い、陽子ビームＢが進む方向に従いＸ方向の寸法が小さくなるように積層している。このような減衰部材１１ａ〜１１ｇの積層により、減衰構造体１１Ａは、Ｘ方向において、陽子ビームＢを入射する端面が部分Ｉから部分ＶＩＩへ順に厚さが増加する階段状を成すように構成される。なお、減衰部材１１ａ〜１１ｇは、陽子ビームＢが進む方向に従いＸ方向の寸法が大きくなるように積層してもよい。
エネルギーデグレーダ１０Ａは、陽子ビームＢを透過させる減衰構造体１１Ａの部分Ｉ〜ＶＩＩを、陽子ビームＢの経路上に移動させることによって、陽子ビームＢのエネルギーの減衰量を変更する。エネルギーデグレーダ１０Ａは、陽子ビームＢが透過する減衰構造体１１Ａの厚さに応じて異なる減速度で陽子ビームＢを減速させる。陽子ビームＢは、運動エネルギーが減少して減衰する。
ここで、エネルギーデグレーダ１０Ａでは、減衰構造体１１Ａの部分ＶＩＩの外側にグラファイト膜よりも陽子ビームＢの透過率が高い材質から構成される高透過率部分が設けられていてもよい。この高透過率部分は、減衰構造体１１Ａの部分ＶＩＩよりも厚さが厚く、減衰させるエネルギー量が部分ＶＩＩよりも大きい。上記高透過部分には、炭素よりも原子番号が小さい物質が採用される。これは、減衰材料の原子番号が大きいほど陽子ビームＢの散乱が大きく広がるため、透過できる陽子の数が減ることによる。上記高透過部分の具体的な材質としては、原子番号が小さい安定固形物質であるベリリウム（Ｂｅ）が採用される。
エネルギーデグレーダ１０Ａを通過した陽子ビームＢは、ＥＳＳ３０及び輸送ライン４を経て回転ガントリ３に導入されて、被照射体に照射される。これにより、被照射体の内部の所定の深さ位置に到達するように陽子ビームＢが照射される。
エネルギーデグレーダ１０Ａを備えた粒子線治療システム１では、被照射体の内部の深い位置に到達するように陽子ビームＢを照射する場合、エネルギーデグレーダ１０Ａによる減衰量を小さくし、被照射体の内部の浅い位置（例えば体表付近）に到達するように陽子ビームＢを照射する場合には、エネルギーデグレーダ１０Ａより減衰量を大きくすることができる。
エネルギーデグレーダ１０Ａの減衰構造体１１Ａに上記高透過率部分が設けられている場合、減衰させるエネルギー量が最も大きい部分がベリリウムによって構成されているため、製造コストの増加を抑えつつ、上記高透過率部分を透過する陽子の数の減少を抑制することができる。すなわち、照射される陽子の数の減少を抑制することができる。これにより、体表付近の浅い位置へ、有効に陽子ビームＢを照射することができ、信頼性の高い粒子線治療システム１を実現することができる。
なお、図４に示された構成では、陽子ビームＢの経路と交差するＸ方向において、減衰部材１１ａ〜１１ｇは、互いに寸法が異なる構成であった。しかし、減衰部材１１ａ〜１１ｇは、図４に示された構成に限定されず、例えば、陽子ビームＢの経路と交差するＸ方向において互いに寸法が同一である構成であってもよい。この場合、減衰構造体１１Ａは、Ｘ方向において、陽子ビームＢを入射する端面が部分Ｉから部分ＶＩＩまで平面になるように構成される。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
〔まとめ〕
減衰部材の放射化は、通過するイオンビームと部材中の原子との相互作用によって起きるために、その程度は部材の原子密度、すなわち部材の比重に関係している。軽元素である炭素部材は、比重が小さいために、放射化し難いという特徴を持つ。例えば、チタンの比重は４．５１であり、炭素（グラファイト）の比重は２．２６である。しかし、一般に炭素部材からなる膜は、金属膜に比べて、耐久性、機械的強度、耐熱性などの特性が劣るために、減衰部材として用いるにはある程度の厚さが必要となる。一方で、厚い炭素膜を使用した場合には、ビームと部材中の原子との相互作用が多くなるという上記の理由から、放射化し難いという炭素部材からなるエネルギーデグレーダの優れた特徴は、失われてしまうことになる。
本願発明者らは、グラファイトからなる減衰部材について、放射能化の程度が小さい構成を鋭意検討した結果、減衰部材を構成するグラファイト膜につき、特定の特性を有するものを使用することで、その耐久性、耐熱性の問題を解決し、かつ厚さを小さくすることによって放射能化の程度を小さくできることを見出し、本発明に至った。
すなわち、本発明の一態様に係るエネルギーデグレーダは、上記の課題を解決するために、入射した荷電粒子線のエネルギーを減衰させる、１以上の減衰部材を備えたエネルギーデグレーダであって、前記減衰部材のうち少なくとも１つは、膜面に荷電粒子線が入射するように配されたグラファイト膜であり、前記グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度は、１２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、前記グラファイト膜の厚さは、０．１μｍ以上、５０μｍ以下であることを特徴としている。
上記の構成によれば、前記減衰部材のうち少なくとも１つは、膜面に荷電粒子線が入射するように配されたグラファイト膜であり、前記グラファイト膜は、前記グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度は、１２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、前記グラファイト膜の膜厚は、０．１μｍ以上、５０μｍ以下であるので、従来のエネルギーデグレーダと比較して減衰部材の放射能化の程度を著しく小さくすることができる。
また、本発明の一態様に係るエネルギーデグレーダにおいて、前記グラファイト膜は、膜面方向の熱伝導度が膜厚方向の熱伝導度の５０倍以上であることが好ましい。このように本発明のエネルギーデグレーダの減衰部材を構成するグラファイト膜は、高い配向性・熱物性の高い異方性を有している。
また、本発明の一態様に係るエネルギーデグレーダにおいて、前記グラファイト膜の膜面方向の電気伝導度は、１２０００Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましい。
また、本発明の一態様に係るエネルギーデグレーダにおいて、前記グラファイト膜は、膜面方向の電気伝導度が膜厚方向の電気伝導度の１００倍以上であることが好ましい。
また、本発明の一態様に係るエネルギーデグレーダにおいて、前記グラファイト膜の密度は、１．４０ｇ／ｃｍ３以上、２．２６ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
また、本発明の他の態様に係るエネルギーデグレーダは、入射した荷電粒子線のエネルギーを減衰させる複数の減衰部材により構成された減衰構造体を備えたエネルギーデグレーダであって、前記減衰構造体は、膜面に荷電粒子線が入射するように配されたグラファイト膜よりなる複数の減衰部材が膜厚方向に積層された積層構造を有することを特徴としている。
また、本発明の他の態様に係るエネルギーデグレーダにおいて、前記積層構造は、膜面方向において、厚さの異なることが好ましい。
上記の構成によれば、減衰構造体は、複数の減衰部材が膜厚方向に積層された積層構造を有している。また、減衰部材は、膜面に荷電粒子ビームが入射するように配されたグラファイト膜よりなる。それゆえ、グラファイト膜からなる減衰部材を積層化することにより、減衰構造体の厚さを目的の厚さに簡便に調整することができる。
また、本発明の他の態様に係るエネルギーデグレーダにおいて、前記積層構造は、膜面方向において、荷電粒子線を入射する端面が減衰構造体の一方の端部から他方の端部へ順に厚さが増加する階段状を成すように構成されることが好ましい。
減衰部材として作用するグラファイト膜の厚さが変われば荷電粒子線のエネルギー（速度）も変わるため、上記の構成を採用することによって好ましい荷電粒子線のエネルギー（速度）を得ることができる。
また、本発明のさらに他の態様に係る荷電粒子線照射システムは、上記の課題を解決するために、上述のエネルギーデグレーダを備え、前記荷電粒子線を照射する荷電粒子線照射システムであって、前記エネルギーデグレーダに入射される荷電粒子を加速する加速器と、前記エネルギーデグレーダによってエネルギーが減衰された前記荷電粒子線を照射する照射装置と、を備えたことを特徴としている。
これにより、従来の荷電粒子線照射システムと比較して十分な耐久性・耐熱性を有し、しかも減衰部材の放射能化の程度が著しく小さくなる。
また、本発明のさらに他の態様に係るグラファイト膜の製造方法は、上記の課題を解決するために、エネルギーデグレーダの減衰部材に使用されるグラファイト膜の製造方法であって、高分子膜を２４００℃以上の温度で焼成してグラファイト膜を得ることを特徴としている。
これにより、従来のエネルギーデグレーダと比較して放射能化の程度が著しく小さい減衰部材を製造することかできる。
本発明は、加速器を用いた技術分野、特に電陽子によるガン治療の分野に利用することができる。
１ 粒子線治療システム（荷電粒子線照射システム）
１０、１０Ａ エネルギーデグレーダ
２ サイクロトロン
３ 回転ガントリ
４ 輸送ライン
１１、１１ａ〜１１ｇ 減衰部材
１１Ａ 減衰構造体

Claims (5)

  1. 入射した荷電粒子線のエネルギーを減衰させる、１以上の減衰部材を備えたエネルギーデグレーダであって、
    前記減衰部材のうち少なくとも１つは、膜面に荷電粒子線が入射するように配されたグラファイト膜であり、
    前記グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度は、１８００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、
    前記グラファイト膜の厚さは、０．１μｍ以上、５０μｍ以下であり、
    前記グラファイト膜の膜面方向の電気伝導度は、２００００Ｓ／ｃｍ以上であり、
    前記グラファイト膜は、膜面方向の熱伝導度が膜厚方向の熱伝導度の５０倍以上であり、
    前記グラファイト膜は、膜面方向の電気伝導度が膜厚方向の電気伝導度の１００倍以上であり、
    前記グラファイト膜の密度は、２．００ｇ／ｃｍ ３ 以上、２．２６ｇ／ｃｍ ３ 以下であることを特徴とするエネルギーデグレーダ。
  2. 入射した荷電粒子線のエネルギーを減衰させる複数の減衰部材により構成された減衰構造体を備えたエネルギーデグレーダであって、
    前記減衰構造体は、膜面に荷電粒子線が入射するように配されたグラファイト膜よりなる複数の減衰部材が膜厚方向に積層された積層構造を有し、
    前記グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度は、１８００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、
    前記グラファイト膜の厚さは、０．１μｍ以上、５０μｍ以下であり、
    前記グラファイト膜の膜面方向の電気伝導度は、２００００Ｓ／ｃｍ以上であり、
    前記グラファイト膜は、膜面方向の熱伝導度が膜厚方向の熱伝導度の５０倍以上であり、
    前記グラファイト膜は、膜面方向の電気伝導度が膜厚方向の電気伝導度の１００倍以上であり、
    前記グラファイト膜の密度は、２．００ｇ／ｃｍ ３ 以上、２．２６ｇ／ｃｍ ３ 以下であることを特徴とするエネルギーデグレーダ。
  3. 前記積層構造は、膜面方向において、厚さの異なることを特徴とする請求項２に記載のエネルギーデグレーダ。
  4. 前記積層構造は、膜面方向において、荷電粒子線を入射する端面が減衰構造体の一方の端部から他方の端部へ順に厚さが増加する階段状を成すように構成されることを特徴とする請求項３に記載のエネルギーデグレーダ。
  5. 請求項１〜４の何れか１項に記載のエネルギーデグレーダを備え、前記荷電粒子線を照射する荷電粒子線照射システムであって、
    前記エネルギーデグレーダに入射される荷電粒子を加速する加速器と、
    前記エネルギーデグレーダによってエネルギーが減衰された前記荷電粒子線を照射する照射装置と、を備えたことを特徴とする荷電粒子線照射システム。
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