μpic を用いた電子飛跡検出型 コンプトンカメラの開発と応用 第 6 回 MPGD 研究会 Dec 11, 2009 神戸大学百年記念館六甲ホール 京大理 ISAS/JAXA 1) 株木重人 谷森達, 窪秀利, 身内賢太朗, Parker Joseph, 上野一樹, 黒澤俊介, 岩城智, 高橋慶在澤野達哉, 谷上幸次郎, 中村輝石, 東直樹 高田淳史 1)
目次 1. 緒言 2. 開発 1. μpic の大面積化 2. ガススタディ 3. 応用 1. 気球用カメラ基礎開発 2. 対生成モード試験 3. 陽子線治療 4. 核医学 創薬 4. 結語
緒言 : 京大 μpic チーム Sub-MeV γ-ray Imaging Loaded-on-balloon Experiment (SMILE) NEWAGE experiment Dark Matter Search with a micro-tpc 医療応用 X 線結晶構造解析 中性子イメージング Parker Joseph 応用開発 (2)
緒言 : MeV ガンマ線カメラプロジェクト 宇宙ガンマ線観測 : Sub-MeV γ-ray Imaging Loaded-on-balloon Experiment (SMILE) SMILE-I 2006 年 9 月 1 日放球 約 33km で 4 時間の水平フライト 水平フライト中 400 光子を検出 (0.1 1 MeV, Live time 3h) SMILE-II 2011 年予定 : Crab or Cyg X-1 の観測を目標 医療用ガンマ線カメラ開発 : 陽子線治療モニター用ガンマ線カメラ 核医学 創薬用ガンマ線カメラ 高感度化が必要
電子飛跡検出型コンプトンカメラ Electron Tracking Compton Camera (ETCC) Electron Tracking Compton Camera (ETCC) μ -PIC (2 次元平面検出器 ) μ -TPC (Time Projection Chamber) α GSO or LaBr 3 シンチレータ 1μ TPC(Time Projection Chamber) GEM (F.Sauli(1997), Inuzuka et al (2004), Tamagawa et al (2005)) + μ PIC ガス封じ切り 反跳電子のエネルギーと三次元飛跡を検出 2 シンチレーションカメラ シンチレータピクセルアレイ (GSO or LaBr 3 )+ マルチアノード PMT(H8500,HPKK) 散乱 γ 線のエネルギーと吸収を検出 ガンマ線 1 事象毎に γ 線到来方向を再構成 α 角によるバックグラウンド除去 広い視野 (3str)
高感度化に向けて 大型化試験 20 20 10 cm 3 TPC Ar 90% + C 2 H 6 10% 1atm 封じ切り GEM: 200 200mm, LCP P140-Φ 90-50t ガス組成試験 10 10 10 cm 3 TPC ETCC 1atm 封じ切り GEM: 100 100mm, カプトン P140-Φ 70-50t 加圧試験 10 10 10 cm 3 TPC ETCC Ar 90% + C 2 H 6 10% 封じ切り GEM: 100 100mm, カプトン P140-Φ 70-50t
開発 : μpic の大面積化
現状の μpic 400um 10cm ピクセル状の電極構造ストリップ読出し 2 次元位置情報 典型的 Gain~3000 Gain~6000 で 1 ヶ月以上安定動作 位置分解能 ~120um (10cm) 2 (30cm) 30cm 2 のサイズ
20cm 分割 μpic (20cm) 2 検出面シートが中継基板端から 0.2mm 以下でマウント 4 枚で有効面積は (10cm) 2 の 16 倍 First Stepとして1 枚単体での性能評価を行う 10cm 20cm 通常の基板仕様も開発中 ( 来年 3 月完成 )
ガスゲイン μtpc としての評価 エネルギースペクトル Ba-133 @ 480V GEM: 200 200mm,LCP P140-Φ90-50t Vi: 1kV/cm V GEM: 320V Vd: 400V/cm Preliminary ADC count ガスゲイン 10 3 10 4 10 5 (10cm) 2 GEM340V 増幅率 : ~ 34000@470V 分解能 : 40%@31keV (FWHM) 一様性 : 12.7% (RMS) GEM 320V GEM 300V GEM 280V 300 350 400 450 V μpic Anode Voltage
開発 : ガススタディー 1 ガス組成試験 2 加圧試験
CF4 ガスの導入 ~Ar90%+C2H610% から CF420%+Ar72%+C2H68% へ ~ シミュレーション Preliminary 検出効率を従来の 1.25 倍 (@356keV) を最初の目標に実験 CF4 20%+Ar72%+C2H68% で従来の 1.1 倍を達成 GEM: 100 100mm, カプトン P140-Φ70-50t
ガス組成の最適化 Preliminary CF4: 20% CF4: 30% CF4: 40% CF4: 50% i-c 4 H 10 を導入して効果的にゲインを稼ぐ 現在 study 中
1 気圧に対する検出効率の比 加圧試験 Preliminary 2.0 atm:g4 1.5atm: G4 2.0 atm ~1.8 倍 1.5 atm ~1.6 倍 エネルギー [kev] @ 355 kev CF 4 study + 加圧試験 = 2~3 倍の高感度化を目指す GEM: 100 100mm, カプトン P140-Φ70-50t
応用 気球用 ETCC 基礎開発 30 30 30 cm 3 TPC ETCC 30 30 30 cm 3 TPC ETCC Ar 90% + C 2 H 6 10% 1atm 封じ切り 分割 GEM: 280 230mm, カプトン P140-Φ 70-50t 対生成モード原理実証試験 ( 産総研 ) 10 10 10 cm 3 TPC ETCC Ar 90% + C 2 H 6 10% 1atm 封じ切り GEM: 100 100mm, カプトン P140-Φ 70-50t 陽子線治療モニター ( 筑波大学病院 RCNP) 10 10 10 cm 3 TPC ETCC Ar 90% + C 2 H 6 10% 1atm 封じ切り GEM: 100 100mm, カプトン P140-Φ 70-50t 薬剤開発 ( 京大医 薬 筑波大医 数物 ) 10 10 10 cm 3 TPC ETCC Ar 90% + C 2 H 6 10% 1atm 封じ切り GEM: 100 100mm, カプトン P140-Φ 70-50t
気球用 ETCC 基礎開発 30 30 30 cm 3 μtpc ETCC サイズ : 30 30 30 cm 3 ガス : Ar 90% + C 2 H 6 10% 1atm 封じ切り ドリフト電場 : ~250 V/cm ドリフト速度 : ~4 cm/μ sec gain : ~50000 エネルギー分解能 : 36%@31keV(FWHM) 位置分解能 (3 次元 ) : ~500μ m GEM: 300 300mm, カプトン P140-Φ70-50t 23 28 cm micro-tpc
性能評価 今後 現在は性能評価 安定性のチェック 角度分解能 (ARM) 9.6 @ 662 kev 今後 側面にシンチを配置し さらに高感度 低エネルギー領域を狙う 約 2 か月で 5% 以内の安定性
X [strip] X [strip] 対生成モード原理実証試験 Preliminary 産総研 : 豊川弘之 高エネルギーガンマ線の対生成を捉える. 10 MeV ガンマ線 シミュレーションで予測される角度分解能 10MeV : 5.5 (68%containment) 20MeV : 3.2 (68%containment) Z[clock] 産総研レーザー逆コンプトンガンマ線発生装置 (LCS) で 10 11 月試験! 現在解析中 GEM: 100 100mm, カプトン P140-Φ70-50t Z[clock]
応用 : 陽子線治療モニター
陽子線治療って? 陽子線治療の特徴と課題 特徴深部方向の線量分布に鋭いピーク ( ブラッグピーク ) 正常組織への被曝を抑え 放射線量を患部に集中課題ピーク位置の治療計画変動 患部に十分な線量を付与できないそもそもピーク位置が正しいのか不明従来のブラッグピーク位置決定手段 治療前に水ファントムで陽子線の線量分布測定 治療中に陽子線飛程を確認不可 治療後に β + 崩壊核種の位置を PET で画像化 治療中に陽子線飛程を確認不可ブラッグピーク位置の決定精度不足 陽子線 患部 ブラッグピーク位置のリアルタイムモニターが必要
筑波大学病院実験 Preliminary 筑波大学病院の陽子線治療施設で実験 筑波大陽子利用研究センター : 榮武二 安岡聖 照沼俊之 日立製作所 : 藤井祐介 高柳奏介 National Cancer Center Korea : Jongwon Kim, Seoul National Unv. :Dokyun Kim 511keV annihilation 0.84MeV gantry 由来 2.2MeV 2 H 3.0MeV? 4.6MeV? GEM: 100 100mm, カプトン P140-Φ70-50t 0 1 2 3 4 5 6 MeV 既存の医学用ガンマ線カメラでは画像化が難しいコンプトンカメラであれば可能!
イメージング結果 シミュレーションで期待されるシミュレーションで期待される 511 kevの分布即発ガンマ線の分布 Preliminary Proton ビームエネルギー 155 MeV ビーム強度 8.8pC/0.3sec 0 10 20 30 40 cm 0 10 20 30 40 cm 次はこのデータが取得目標 RCNP でも 12 月に実験現在解析中 511 kev (EW:447-581keV) 14hours 127 events
応用 : 核医学 創薬
ETCC を用いた放射性薬剤 イメージングのメリット A B A B A Target B A Target 薬物の動態研究 スクリーニングにこれまでと異なるアプローチの仕方を提案できると期待 B 複数核種の同時計測 PET SPECT 薬剤以外の核種は 本研究で開発しているコンプトンカメラを用いることで可能
ポリフィリン系化合物の開発 Zn-65-porphyrin ポルフィリン系イメージング薬剤の開発 京大薬 : 木村寛之 天野博夫 佐治英郎筑波大医. 松井研究室高等研中井研究室 削除しました 撮像条件 Energy Activity Time 1116 kev 0.16MBq 110.5 hours 腫瘍周辺部への薬剤の集積を描出
新規薬剤の開発 : I-131- 架橋ミセルの体内動態評価 I-131- 架橋ミセルイメージング コンプトンカメラを用いた DDS(Drag Delivery System) の評価 4 時間後 24 時間後 京大薬 : 木村寛之 天野博夫 佐治英郎 筑波大. 高等研 長崎研究室中井研究室 削除しました 撮像後各臓器の強度腫瘍 : 0.16MBq 肝臓 :0.40MBq 腎臓 :0.13MBq その他 : 1.96 MBq BG : 0.02MBq 撮像後各臓器の強度腫瘍 : 0.58MBq 肝臓 :0.49MBq 腎臓 :0.12MBq その他 : 1.27 MBq BG : 0.03MBq 腫瘍周辺部への薬剤集積を描出
中動物のイメージング ( ウサギ ) 中動物イメージング試験 (I-131-MIBG) 京大薬 : 木村寛之 天野博夫 佐治英郎 10cm 30cm 削除しました 撮像条件 Energy Activity Time 60cm 365 kev 24.7MBq 44.5 hours 中動物のイメージングに成功
System update 高速化 Two heads ETCC Ba-133 (355 kev) point source 3D image. Transverse Coronal 2 台のカメラの稼働に成功 システムの改良に成功 去年の GEM:100x100mm P140-Φ70-50t カプトン 5 倍 x2=10 倍になる予定 1~2 時間でマウスの全身 1 台の検出効率を 10 倍以上にしてカメラヘッドを 6~8 台にする予定 =PET と同等
結語 : 開発 20cm 分割 μpic 開発を始めました Gain:1300@480V 分解能 :40%@31keV ガススタディー CF 4 ガスの MeV モード安定動作 1.1 倍の効率 up に成功 ガス成分 study を開始 2atm での 1.8 倍の効率 up に成功 今後は 2atm - CF4 で study 開始 Ar90%+C2H610% の 2 倍以上の高感度を目指す
結語 : 応用 気球用 ETCC カメラの開発 長期安定性を確認 側面シンチレータ導入試験開始 陽子線治療モニター ビームラインでの実験を開始 筑波大学病院 RCNP Bragg peak のイメージングに成功した 核医学 創薬 新しい薬剤の開発を進めています 2 剤同時 DDS 抗体医薬品 β 線治療薬の画像化に成功 広視野を用いて 中動物 ( うさぎ ) のイメージングに成功 ヒトサイズの画像化の可能性 高感度化を目指しマルチヘッド ETCC の開発