JPWO2017094802A1 - 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
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Abstract
Description
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 (10)
- 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するエネルギーデグレーダ。 - 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倍以上であることを特徴とする請求項1に記載のエネルギーデグレーダ。
- 前記グラファイト膜の膜面方向の電気伝導度は、12000S/cm以上であることを特徴とする請求項1または2に記載のエネルギーデグレーダ。
- 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倍以上であることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載のエネルギーデグレーダ。
- 前記グラファイト膜の密度は、1.40g/cm3以上、2.26g/cm3以下であることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載のエネルギーデグレーダ。
- 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するエネルギーデグレーダ。 - 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6に記載のエネルギーデグレーダ。
- 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7に記載のエネルギーデグレーダ。
- 請求項1〜8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。 - 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するグラファイト膜の製造方法。
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