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論文

Technical Note: Validation of a material assignment method for a retrospective study of carbon-ion radiotherapy using Monte Carlo simulation

Chang, W.*; 古場 裕介*; 古田 琢哉; 米内 俊祐*; 橋本 慎太郎; 松本 真之介*; 佐藤 達彦

Journal of Radiation Research (Internet), 62(5), p.846 - 855, 2021/09

 被引用回数:1 パーセンタイル:48.53(Biology)

炭素線治療の治療計画をモンテカルロシミュレーションによって再評価するためのツール開発の一環として二つの重要な手法を考案した。一つは治療計画装置に含まれる校正済みのCT-水阻止能表を反映しつつ、患者CT画像から物質識別を行う手法である。もう一つの手法は、粒子およびエネルギー毎に生体物質と水との阻止能比を考慮し、水等価線量を導出することを目的としたものである。これらの手法の有効性を確認するため、生体物質および水で構成される均質および不均質ファントムに対し、SOBPサイズ8cmの炭素線を400MeV/uで照射するシミュレーションをPHITSで計算し、得られた線量深さ分布を従来の治療計画装置による結果と比較した。その結果、従来の治療計画装置で採用されている生体物質を全て水に置換する手法では、異なる物質において二次粒子の発生率が一次粒子の阻止能に単純に比例するため、二次粒子による線量寄与を評価する上で不適切であることが分かった。一方、各物質の二次粒子の発生率を適切に考慮した新しい手法は炭素線治療の再評価において、重要な役割を果たすことが期待できることが分かった。

論文

Soft-lithographic methods for the fabrication of dielectrophoretic devices using molds by proton beam writing

椎根 康晴*; 西川 宏之*; 古田 祐介*; 金光 薫*; 佐藤 隆博; 石井 保行; 神谷 富裕; 中尾 亮太*; 内田 諭*

Microelectronic Engineering, 87(5-8), p.835 - 838, 2010/05

 被引用回数:6 パーセンタイル:40.3(Engineering, Electrical & Electronic)

Proton Beam Writing (PBW) is a direct writing process using a MeV focused proton beam. The previous performance examinations of the dielectrophoretic (DEP) devices, the high-aspect-ratio micro-structures with the pillar arrays and the fluidic channels fabricated by PBW, showed that spatially modulated electric fields were effective for trapping Escherichia coli. The reproduction of the DEP device using PBW only is, however, unsuitable because it takes a lot of time to fabricate complicated and large area structures. In this study, the fabrication technique of the micro fluidic channel, combining a soft lithography and PBW techniques, was introduced to improve the productivity of the DEP devices. The prototypes of DEP deceives including SU-8 high-aspect-ratio pillar arrays in the micro fluidic channel were developed using the fabrication technique. Especially the pillar arrays in these devices were produced by 1.0 or 1.7 MeV proton beams focused around 1 $$mu$$m in diameter. The observation of the DEP devices using an optical microscope image showed that the pillar arrays were successfully included in the micro fluidic channel. The prototyping capability of PBW combined with the soft lithography technique was highlighted by increasing the productivity of the DEP devices.

論文

Fabrication of nanowires by varying energy microbeam lithography using heavy ions at the TIARA

神谷 富裕; 高野 勝昌; 石井 保行; 佐藤 隆博; 及川 将一*; 大久保 猛; 芳賀 潤二*; 西川 宏之*; 古田 祐介*; 打矢 直之*; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 267(12-13), p.2317 - 2320, 2009/06

 被引用回数:7 パーセンタイル:48.52(Instruments & Instrumentation)

In TIARA facility of Japan Atomic Energy Agency (JAEA) Takasaki, three-dimensional micro/nano structures with high aspect ratio based on cross linking process in negative resist such as SU-8 have been produced by a technique of mask less ion beam lithography. By bombarding high-energy heavy ions such as 450 MeV Xe$$^{23+}$$ to SU-8, a nanowire could be produced just with a single ion hitting. Then we tried to produce nanowires, of which both ends were fixed in the three-dimensional structure. This paper shows a preliminary experiment using a combination of 15 MeV Ni$$^{4+}$$ ion microbeam patterning and the 450 MeV $$^{129}$$Xe$$^{23+}$$ hitting on SU-8.

論文

Development of micromachining technology in ion microbeam system at TIARA, JAEA

神谷 富裕; 西川 宏之*; 佐藤 隆博; 芳賀 潤二; 及川 将一*; 石井 保行; 大久保 猛; 打矢 直之; 古田 祐介*

Applied Radiation and Isotopes, 67(3), p.488 - 491, 2009/03

 被引用回数:4 パーセンタイル:32.3(Chemistry, Inorganic & Nuclear)

原子力機構高崎量子応用研究所のイオン加速器施設(TIARA)のマイクロビームにおいて、芝浦工業大学との共同研究で、マスクレスイオンビームリソグラフィ技術の開発が進められている。マイクロビームサイズ評価とレンズ系の最適化、又は空間分解能として最小100nmのレベルの高空間分解能の測定手段を確立するために、開発している加工技術自身と電鋳技術との組合せにより二次電子マッピングに使用する標準試料としてNiレリーフパターンを作成した。本発表ではこの標準試料を用いて、100nmレベルの最小のビームサイズを測定することができたことを述べるとともに、その試料中をイオンが透過する際の散乱効果が測定結果に与える影響をモンテカルロシミュレーションコードを使用して評価した結果について報告する。

論文

Ni electroplating on a resist micro-machined by proton beam writing

打矢 直之*; 古田 祐介*; 西川 宏之*; 渡辺 徹*; 芳賀 潤二; 佐藤 隆博; 及川 将一; 石井 保行; 神谷 富裕

Microsystem Technologies, 14(9-11), p.1537 - 1540, 2008/10

 被引用回数:15 パーセンタイル:62.46(Engineering, Electrical & Electronic)

Proton Beam Writing (PBW) is a direct irradiation (writing) technique for the fabrication of 3D structures of resists by photo-mask less micro-machining using MeV micro-/nano-proton beams. The MeV proton beams having a small scattering and a long penetration enable us to fabricate 3D high-aspect-ratio structures by the combination of the PBW and photofinishing with etching liquid. The PBW also has the advantage of fabrication of the 3D structures with cavities using the different penetration depths depending on beam energies. A pillar and an Arch-of-Triumph shape of 3D structures on silicon substrates were fabricated at JAEA using a positive resist. A prototype nickel mold was also fabricated by electroplating a nickel layer on a 3D line and space structure using a negative resist. The SEM images of two types of 3D structures of positive resists show that the PBW could be a versatile tool for fabrication of a prototype micro-photonics, micro-fluidic channels, MEMS and so on. Furthermore, fabrication of the prototype nickel mold leads us to manufacture 3D fine structures for imprint lithography, by coupling with the electroplating technique.

口頭

集束プロトンビーム描画による3次元構造体の作製

古田 祐介*; 打矢 直之*; 西川 宏之*; 芳賀 潤二; 及川 将一*; 佐藤 隆博; 石井 保行; 神谷 富裕

no journal, , 

有機物への自由度の高い微細加工を可能とするため、マイクロからサブマイクロメートル径の高エネルギー集束プロトンビームを用いた直接描画(PBW)技術の研究開発を進めている。この高エネルギー集束プロトンビームは従来技術の電子線に比べ横方向の散乱が少なく、物質中での飛程をビームエネルギーにより制御できるため、高アスペクト比の3D有機物構造体の製作に適している。この3次元有機物構造体製作における深さ制御技術の開発のため、ネガ型レジスト(SU-8)への高エネルギープロトンマイクロビーム照射を、レンジシフターによる飛程制御及びビームエネルギー可変による飛程制御を行った後、現像し、2種類の3次元有機物構造体を作製した。これらの構造体における深さの制御性は走査型電子顕微鏡(SEM)を用いた観察により行い、二つとも設計した3D図形をマイクロメートル級の精度で有機物に忠実に転写できることがわかった。今回の講演ではこれらの3次元有機物構造体の製作とSEM像観察に基づく深さ制御の評価について発表するとともに、今回使用した材料以外でのPBW技術使用による3次元構造体の製作の可能性についても言及する。

口頭

集束プロトンビーム描画によるレジスト材料のマイクロマシニング,2; ネガ型レジストを用いた三次元構造体の作製

打矢 直之; 古田 祐介*; 西川 宏之*; 芳賀 潤二; 佐藤 隆博; 及川 将一*; 大久保 猛; 石井 保行; 神谷 富裕; 山本 春也

no journal, , 

集束プロトンビーム描画(Proton Beam Writing: PBW)とはマイクロ・ナノサイズの微細加工のための直接描画技術である。PBWは任意の照射パターンをマスクレスで描画することが可能である。また、数MeVまで加速したプロトンは電子線に比べはるかに高い直進性を有する。さらに、加速電圧により加工深さを数十$$mu$$mオーダで制御可能である。以上のような優れた特徴から、PBWは高アスペクト比加工・厚膜加工及び三次元加工に有望であると考えられる。前回の報告でPBWによりPMMAやSU-8などのレジストに対し加工を行い、平滑性と垂直性に優れた加工が可能であることを確認した。本研究ではネガ型レジストであるSU-8に対し、ビームエネルギーを変えてプロトンの飛程を制御した照射をすることにより三次元構造体を製作し、その構造を走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察・評価した。本発表では、三次元構造体の製作方法の詳細及び観察・評価結果を報告する。

口頭

Development of dielectrophoretic devices with high-aspect ratio microstructures using proton beam writing

椎根 康晴*; 西川 宏之*; 古田 祐介*; 佐藤 隆博; 石井 保行; 神谷 富裕; 中尾 亮太*; 内田 諭*

no journal, , 

New types of electric micro filter with the high-aspect-ratio structures having a capability of electrically trapping food poisoning bacteria such as Escherichia coli ($$it E.coli$$) were developed as an application of the Proton Beam Writing (PBW). A 14-$$mu$$m-thick negative-resist layer of SU-8 was spin-coated, as a specimen, on a silica substrate a part of which was, in advance, covered with a pair of Au thin layer electrodes on its surface. High-aspect-ratio pillar arrays were fabricated by PBW. In this study, the trapping capability of the high-aspect-ratio pillar arrays was evaluated using the suspension including $$it E.coil$$ stained with SYTO9. The photoluminescence (PL) from the stained $$it E.coil$$ trapped among the pillar arrays in the Au electrode gap was measured for the evaluation by applying an AC voltage to its Au electrodes, flowing the suspension. We also evaluated electric micro filters with and without the pillar arrays for the trapping capability. The amount of the stained $$it E.coli$$ trapped among the pillar arrays was higher than the conventional electric micro filter without pillar arrays. The improved performance of the new electric micro filter is reported on the basis of changing the height and spacing of the pillars.

口頭

原発事故由来の放射能汚染が建築空間に及ぼす影響に関する研究,2; フィールド調査を意図した$$gamma$$線方向線量率の測定手法の検討

山守 諒*; 小林 光*; 本多 祥平*; 吉野 博*; 野崎 淳夫*; 一條 祐介*; 吉田 浩子*; 古田 琢哉

no journal, , 

広範囲の土壌中に放射線源が存在する環境中で、新たに建築する建物内の線量率を予測するためには、その環境での放射線場を理解する必要がある。建物の遮蔽を考える上で、敷地での線量率の情報だけでは不十分であり、どの方向からどの様なスペクトルの放射線が寄与するかという情報が重要である。方向線量率及びスペクトルの測定は、鉛遮蔽体を使用したシンチレータで行えるが、その際の視野角は使用する遮蔽体とシンチレータの形状で異なり、目的に応じて適切に組み合わせる必要がある。本研究では、直径3インチのシンチレータを備えた計測器を用いて、遮蔽体無しの計測値から計測面前に鉛遮蔽板を配置した計測値を差し引きすることで方向線量率を測定する手法を採用する。シミュレーションにより、視野角90度の計測値を得るための最適な鉛遮蔽板の大きさ及び計測面までの距離を調べた。取り回しのために遮蔽版の重さを考慮すると、直径15cmの遮蔽版(10kg)を計測面から3cmの距離に設置する測定手法が最適であることが分かった。

口頭

測定精度およびフィールド調査を意図した$$gamma$$線方向線量測定器の開発

山守 諒*; 小林 光*; 本多 祥平*; 吉野 博*; 野崎 淳夫*; 一條 祐介*; 土方 吉雄*; 吉田 浩子*; 古田 琢哉

no journal, , 

広範囲の土壌中に放射線源が存在する環境中で、新たに建築する建物内の線量率を予測するためには、その環境での放射線場を理解する必要があり、フィールドでの方向線量(特定視野角からの$$gamma$$線空間線量)の測定が不可欠である。そこで、遮蔽体無しの計測値から計測面前に鉛遮蔽板を配置した計測値を差し引きすることで方向線量率を測定する手法を採用し、測定精度を考慮した上での測定器総重量の軽量化の検討を行った。この検討では、遮蔽板径$$phi$$、遮蔽板と計測面の距離$$ell$$$$phi$$=10, 15, 20cm、$$ell$$=1, 3, 5cmと変化させた12の条件について、各方向から入射する$$gamma$$線に対するレスポンスをPHITSで解析した。解析によると、目的とする90$$^{circ}$$視野に対応する条件が3ケース見つかり、遮蔽版径を大きくするほど測定精度が良くなることが明らかになった。一方で、遮蔽版径を大きくすることは測定器が重くなることを意味し、フィールドでの運用性は悪化する。そこで、十分な測定精度を持つだけでなくフィールドでの運用性も考えた測定器として、直径15cmの遮蔽版(10kg) + 検出器(3.4kg) + 支持具1.0kgの測定器の開発に至った。

口頭

Development of a Monte Carlo dosimetry system for retrospective study of heavay-ion therapy

古田 琢哉; 古場 裕介*; Chang, W.*; 橋本 慎太郎; 米内 俊祐*; 松本 真之介*; 佐藤 達彦

no journal, , 

重粒子線(重粒子線(炭素線)治療は従来の放射線治療よりも腫瘍部への線量集中性がよく、生物学的効果比が高いなどの優位性を持っている。一方、複合粒子である炭素をビームとして使用するため、核反応によって生成する二次粒子による発がんリスクの評価が要求される。この評価では、二次粒子の輸送を正確に模擬する必要があり、モンテカルロ輸送計算コードを利用したシミュレーションが有効である。そこで、PHITSを中核とした炭素線治療の線量評価システムを構築した。本システムでは、治療計画を記録したDICOMデータを読み込んで自動でPHITSの入力ファイルを作成し、PHITSシミュレーションの実行によって腫瘍および周辺正常組織での線量分布を計算する。PHITSの様々な機能を利用することで、粒子毎の線量寄与や二次粒子の発生場所の特定など、詳細な解析が実施可能である。今後、本システムは放射線医学総合研究所の実際の患者データに対するシミュレーション解析に利用される予定である。

口頭

Development of a CT-number parameterization method and validation for Monte Carlo simulation of carbon-ion radiotherapy; A Preliminary study

Chang, W.*; 古場 裕介*; 古田 琢哉; 米内 俊祐*; 橋本 慎太郎; 松本 真之介*; 佐藤 達彦

no journal, , 

放射線治療の計画装置では、計算時間の短縮を図るため、全ての物質を水に置換して、密度のみを変化させた計算がしばしば行われる。一方、治療を模擬したモンテカルロシミュレーションでは、患者のCT画像データから元素組成と密度の分布を導出する必要がある。特に、炭素線治療の二次がんリスクの評価においては、入射炭素イオンと体内物質との核反応によって生じる二次粒子が重要となるため、物質の違いが本質的な問題となる。そこで、治療計画を適切に再現し、二次粒子の輸送を正確に記述するモンテカルロシミュレーションを実行する目的で、治療計画装置で採用された水置換と一貫するCT値から元素組成と物質密度を導出する手法を考案した。ここでは、生体組織の元素組成はICRP Publication 110を参照し、炭素線の生体組織内での阻止能を治療計画装置の水阻止能表に一致するようにCT値に対応する生体組織の密度を決定する。9種類の異なる生体組織に対して、治療計画装置による計算結果とPHITSを用いたモンテカルロシミュレーションの計算結果を比較したところ、全ての物質において1mm以内で炭素線の飛程が一致し、本手法の妥当性が確認できた。

口頭

Particle and Heavy Ion Transport code System: PHITS

佐藤 達彦; 岩元 洋介; 橋本 慎太郎; 小川 達彦; 古田 琢哉; 安部 晋一郎; 甲斐 健師; Tsai, P.-E.; 松田 規宏; 松谷 悠佑; et al.

no journal, , 

PHITSとは、原子力機構が中心となって開発を進めている汎用モンテカルロ放射線輸送計算コードであり、あらゆる物質中での様々な放射線挙動を模擬することができる。その計算精度は、包括的に行ったベンチマーク計算により保証されており、加速器遮蔽、医学物理、放射線防護、粒子・宇宙線物理、環境科学など様々な分野で応用されている。PHITSは、Windows, Mac, Linuxなどほぼ全てのコンピュータ上で動作し、メモリ分散型(MPI)及びメモリ共有型(OpenMP)並列計算に対応している。発表では、最新版PHITSの特徴について解説するとともに、ベンチマーク計算結果などを紹介する。

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