Evaluation of a CdTe semiconductor-based gamma camera for real-time dose dosimetry in boron neutron capture therapy

Chiu, I.-H.; 大澤 崇人; 墨田 岳大*; 二宮 和彦*; 武田 伸一郎*; 高橋 忠幸*

Medical Physics, 52(10), p.e70062_1 - e70062_14, 2025/10

https://doi.org/10.1002/mp.70062

Boron neutron capture therapy (BNCT) is a cancer treatment that leverages the nuclear reaction between boron-10 (B) and thermal neutrons to generate high-energy particles and Li nuclei that selectively destroy cancer cells while sparing healthy tissues. However, BNCT is limited by current dosimetry methods that are incapable of monitoring boron distribution during therapy. An imaging system capable of real-time dosimetry is essential for optimizing treatment efficacy and minimizing collateral damage. This study aimed to develop a high-resolution real-time boron dosimetry system for BNCT by employing a cadmium telluride double-sided strip detector (CdTe-DSD). The CdTe-DSD enables precise mapping of B distribution by detecting the 478 keV prompt -rays emitted during the B(n, )Li reaction. The imaging system was constructed by integrating a CdTe-DSD with a 2-mm diameter pinhole collimator. The CdTe-DSD, comprising a 2-mm-thick CdTe semiconductor, has a sensitive area of 3232 mm. Neutron irradiation experiments were performed at Japan Research Reactor No.3 using various boron-containing samples, including boric acid solutions, powders, and granular boron, with boron masses ranging from 0.02 to 2.00 mg. We implemented the neutron shields using a 5-mm-thick LiCO plate and LiF tiles to reduce the background from scattered neutrons during the measurement. The imaging system successfully detected the 478 keV -ray signal with an energy resolution of 7.3 keV at 511 keV. The reconstructed two-dimensional B images demonstrate the capability of the CdTe-DSD to accurately map the B distribution in the samples. Notably, we evaluated the important background contributions from the scattering neutrons in the development of the CdTe-DSD-based imaging system. When the scattering neutrons in a neutron experiment hit the CdTe-DSD, 558 keV -rays of Cd were produced. Under three experimental conditions with different neutron shielding configurations, we found that enhanced neutron shielding considerably reduced the background contribution created by the Cd background signal, thereby improving the contrast-to-noise ratio (CNR) in the image quality assessment. Upon comparing the condition with minimal neutron shielding to that with maximal shielding, a 14-fold enhancement in the CNR was observed. This study demonstrates that a CdTe-DSD-based gamma camera is a promising tool for real-time boron dosimetry in BNCT. The detector's high energy resolution and excellent spatial resolution enable precise detection of 478 keV prompt -rays, facilitating accurate mapping of boron distribution during neutron irradiation. These findings support the developed system's potential to enhance BNCT treatment planning and patient-specific dose monitoring. Future research will optimize neutron shielding and explore advanced collimator designs to improve sensitivity in clinical settings.

Development of a real-time boron imaging method for BNCT using CdTe-DSD at the JRR-3

Chiu, I.-H.; 大澤 崇人; 墨田 岳大*; 池田 瑞*; 二宮 和彦*; 武田 伸一郎*; 南 喬博*; 高橋 忠幸*; 渡辺 伸*

Applied Radiation and Isotopes, 222, p.111845_1 - 111845_7, 2025/08

https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2025.111845

Boron neutron capture therapy (BNCT) is a neutron-based cancer treatment requiring a real-time B dose monitor to optimize effectiveness. We report the use of a cadmium telluride double-sided strip detector (CdTe-DSD), which has a full width at half maximum energy resolution of 7.3 keV at 511 keV and a spatial resolution of 250 m for accurate boron imaging. Using the CdTe-DSD with a pinhole collimator, our experiment at Japan Research Reactor No. 3 (JRR-3) evaluated the B distribution in a solid sample containing a 0.3 mg B concentration during neutron exposure. Although measurement of the B signal was significantly affected by background gamma rays from 113 Cd, we successfully obtained a circular projection image with a diameter of 11.5 mm, revealing the precise location of B, with a counting rate of 0.115 cps and a signal-to-noise ratio of approximately 25.7 %. The results demonstrate the capability of the CdTe-DSD to enhance BNCT by providing high-fidelity insights into the B distribution within the sample.

Nondestructive 3D elemental imaging of Edo's archaeological artifacts via muonic X-ray measurements

Chiu, I.-H.; 大澤 崇人; 二宮 和彦*; 武田 伸一郎*; 高橋 忠幸*; 桂川 美穂*; 渡辺 伸*; 久保 謙哉*; 齋藤 努*; 水本 和美*; et al.

npj Heritage Science (Internet), 13, p.154_1 - 154_9, 2025/05

https://doi.org/10.1038/s40494-025-01741-8

Cultural heritage artifacts often display complex, multi-layered structures. Therefore, an in situ noninvasive method is required for determining the elemental distribution of such materials. We present a nondestructive 3D elemental analysis approach for an Edo-period ceramic crucible using muonic X-ray measurements. The system employs four CdTe semiconductor imaging detectors to acquire 2D elemental distributions at 12 measurement angles, and 3D images were reconstructed based on computed tomography. We adjusted muon energy to penetrate the metallic layer covering the crucible bottom and analyze the interior of the crucible. Silicon(Si) and oxygen(O) signals were successfully identified, and these signals, originating from highly abundant silica (SiO) within the crucible matrix, confirmed the ceramic composition. These findings demonstrated the capability of muonic X-ray imaging in achieving depth-resolved analysis by controlling the observation position of an object. The presented method is broadly valuable for the cultural heritage study.

HTTR1次ヘリウム循環機フィルタの差圧上昇事象,2; フィルタ付着物の調査と再発防止対策

根本 隆弘; 藤原 佑輔; 荒川 了紀; 長山 侑矢; 長住 達; 長谷川 俊成; 横山 佳祐; 渡部 雅; 大西 貴士; 川本 大樹; et al.

JAEA-Technology 2024-003, 17 Pages, 2024/06

JAEA-Technology-2024-003.pdf:1.91MB

RS-14サイクルに発生した1次ヘリウム循環機フィルタの差圧上昇の原因を調査するため、フィルタ付着物を調査した。調査の結果、フィルタエレメント表面にシリコンオイルに起因する付着物を確認した。この結果から、フィルタ差圧上昇の原因は、1次ヘリウム純化設備ガス循環機のチャコールフィルタの性能劣化により、1次系内にシリコンオイルが混入したためであることが明らかとなった。また、この再発防止対策として、従来の1次ヘリウム純化設備ガス循環機の運転時間による管理に加え、チャコールフィルタの交換頻度を3年毎とする定期交換計画を新たに策定した。

Non-destructive elemental analysis of lunar meteorites using a negative muon beam

Chiu, I.-H.; 寺田 健太郎*; 大澤 崇人; Park, C.*; 竹下 聡史*; 三宅 康博*; 二宮 和彦*

Meteoritics & Planetary Science, 58(9), p.1333 - 1344, 2023/09

https://doi.org/10.1111/maps.14059

We report the result of a non-destructive elemental analysis of lunar meteorites using a negative muon beam at J-PARC. An experimental system of six Ge semiconductor detectors and a newly designed He analysis chamber (to enable quantitative analysis of Al) was used to provide a high signal-to-noise ratio for the detection of major elements from lunar rocks (Mg, Si, Fe, O, Ca, and Al). We performed a Monte Carlo simulation to determine the chemical compositions at two sides and the center of a sample (at depths of 0.33 and 0.96 mm below the sample surface, respectively) of the lunar meteorite DEW 12007. These results indicate that the three interior regions of DEW 12007 are likely to be 55.8:44.2, 51.4:48.6, and 54.4:45.6 wt% mixtures of anorthositic and basaltic clasts, respectively. This study is the first quantitative analysis of a heterogeneous meteorite interior using a negative muon beam. As elemental analysis using a muon beam is non- destructive and highly sensitive to light elements, including C, N, and O, the protocols established in this study are applicable to initial characterization of returned samples from the South Pole of the Moon.

Development of nondestructive elemental analysis system for Hayabusa2 samples using muonic X-rays

大澤 崇人; 長澤 俊作*; 二宮 和彦*; 高橋 忠幸*; 中村 智樹*; 和田 大雅*; 谷口 秋洋*; 梅垣 いづみ*; 久保 謙哉*; 寺田 健太郎*; et al.

ACS Earth and Space Chemistry (Internet), 7(4), p.699 - 711, 2023/04

https://doi.org/10.1021/acsearthspacechem.2c00303

小惑星試料中の炭素をはじめとする主要元素の濃度は、地球上の生命の誕生や太陽系の進化について非常に重要な情報を与えてくれる。ミュオンX線を用いた元素分析は、固体物質の元素組成を決定する最も優れた分析方法の一つであり、特にバルク試料中の軽元素濃度を非破壊で測定できる唯一の方法である。我々は、探査機「はやぶさ2」が小惑星リュウグウから回収した貴重な微小試料中の炭素などの主要元素の濃度を測定するために、ミュオンX線を用いた新しい分析システムを開発した。この分析システムは、ステンレス製の分析チャンバー、クリーンな環境で小惑星サンプルを操作するためのアクリル製のグローブボックス、分析チャンバーを囲むように配置されたGe半導体検出器から構成されている。測定に重要なバックグラウンドレベルを含め、分析装置の性能は初期から後期まで大幅に向上した。フィージビリティスタディの結果、最新型のミュオンX線分析装置は、「はやぶさ2」のサンプルモデル中の炭素濃度を6日間の測定で10%以下の不確かさで決定できることがわかった。

Improving the safety of the high temperature gas-cooled reactor "HTTR" based on Japan's new regulatory requirements

濱本 真平; 清水 厚志; 猪井 宏幸; 栃尾 大輔; 本間 史隆; 澤畑 洋明; 関田 健司; 渡辺 周二; 古澤 孝之; 飯垣 和彦; et al.

Nuclear Engineering and Design, 388, p.111642_1 - 111642_11, 2022/03

https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2021.111642

日本原子力研究開発機構は、2011年の福島第一原子力発電所事故を契機に作られ2013年12月に施行された新しい規制要件に、高温工学試験研究炉(HTTR)を適合させた。様々な高温ガス炉(HTTR)安全試験を通じて得られたHTGRに関する知見を基に、既存の構造物,系統及び機器の安全性及び耐震分類が議論された。防護の対象となる構築物,系統及び機器が再検討し、安全機能に影響を及ぼす内的・外的脅威への対策が強化された。さらに、設計基準を超える事故として、多量の放射性物質が放出されるおそれのある事故に対する措置を講じた。我々のこの対応が、新しい規制要求に適合していることを、原子力規制委員会は厳格かつ適切に審査した。2014年11月に提出したHTTRの設置許可変更申請書は、9回の修正を経て2020年6月に承認された。この対応は、高温ガス炉の特性を反映すれば、強化された規制要件を満たすためでも合理的に設計できることを示しており、今後の高温ガス炉の開発の参考になると考える。

Deexcitation dynamics of muonic atoms revealed by high-precision spectroscopy of electronic X rays

奥村 拓馬*; 東 俊行*; Bennet, D. A.*; Caradonna, P.*; Chiu, I. H.*; Doriese, W. B.*; Durkin, M. S.*; Fowler, J. W.*; Gard, J. D.*; 橋本 直; et al.

Physical Review Letters, 127(5), p.053001_1 - 053001_7, 2021/07

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.053001

超伝導遷移エッジ型センサーマイクロカロリメーターを用いて、鉄のミュー原子から放出される電子X線を観測した。FWHMでの5.2eVのエネルギー分解能により、電子特性およびX線の非対称の広いプロファイルを約6keVの超衛星線線とともに観察することができた。このスペクトルは、電子のサイドフィードを伴う、負ミュオンと殻電子による核電荷の時間依存スクリーニングを反映している。シミュレーションによると、このデータは電子殻および殻の正孔生成と、ミュオンカスケードプロセス中のそれらの時間発展を明確に示している。

Establishment of numerical model to investigate heat transfer and flow characteristics by using scale model of vessel cooling system for HTTR

高田 昌二; Ngarayana, I. W.*; 中津留 幸裕*; 寺田 敦彦; 村上 健太*; 澤 和彦*

Proceedings of 27th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-27) (Internet), 13 Pages, 2019/05

高温工学試験研究炉(HTTR)を使った炉心冷却喪失試験では、財産保護上の観点から、炉容器冷却設備(VCS)において自然対流により加熱される構造物の温度分布の評価精度向上を課題としている。伝熱流動数値解析コードFLUENTをHTTRのVCSに適用するために、予測精度を維持しつつ計算資源を節約できる合理的な2次元モデルの構築を始めた。本評価モデルの検証のため、HTTR用VCSの1/6スケールモデルによる構造物の温度に関する試験結果を使用し、解析による計算結果と比較した。本試験データは、圧力容器の温度を200C前後に設定することで、全除熱量における自然対流伝熱の割合を20%前後と有意なレベルの伝熱現象として測定したものである。自然対流による上昇流の影響で高温となる圧力容器上部の伝熱流動特性の評価精度向上のためには、実形状の模擬および自然対流に適した乱流モデルの選定が重要となる。乱流モデルとして、剥離,再付着及び遷移流れを考慮できるk--SSTモデルを選定し、従来のk-モデルでは再現されなかった圧力容器の温度分布の試験結果とよく一致していることを確認した。このことから、k--SSTモデルは、圧力容器上部の温度分布を剥離、再付着および遷移流れを再現できたと考えられ、本モデルはVCSの温度評価の精度向上に有効であることを明らかにした。

Non-destructive elemental analysis of a carbonaceous chondrite with direct current Muon beam at MuSIC

寺田 健太郎*; 佐藤 朗*; 二宮 和彦*; 川島 祥孝*; 下村 浩一郎*; 吉田 剛*; 河井 洋輔*; 大澤 崇人; 橘 省吾*

Scientific Reports (Internet), 7, p.15478_1 - 15478_6, 2017/11

AA2017-0455.pdf:1.15MB

https://doi.org/10.1038/s41598-017-15719-5

電子やX線を用いた特性X線分析は基礎的化学分析手法として様々な分野で用いられている。近年、その高い透過性からミュオン捕獲特性X線を用いた分析手法が注目を集めている。我々はここに最新の強力なDCミュオン源であるMuSICを用いて行った炭素質コンドライトの分析結果について報告する。炭素を約2%含むJbilet Winselwan隕石を測定した結果、Mg, Si, Fe, O, S, Cからのミュオン捕獲特性X線を検出し、元素存在度のパターンはCMコンドライトとして無矛盾であった。本非破壊分析手法は炭素に高い感度を持つことから、C型小惑星からのサンプルが持ち帰られた場合にも、それを分析する強力な新手法となりえる。