[論文レビュー] CERN Yellow Reports: Monographs, Vol 1 (2017): Feasibility Study for BioLEIR

Sharif Ghithan, G. Roy+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2017

Radiation Therapy and Dosimetry参考文献 8被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、CERNの低エネルギーイオンリング（LEIR）を、放射線生物学および放射線計測器開発に向けた高品質な光イオンビームを提供する生物医学研究施設であるBioLEIRに変換する提案を行う。研究では技術的妥当性を確認し、ビームパラメータとインfra構築要件を特定し、2017年半ばまでに承認および資金が確保されれば、2021年までにBioLEIRを稼働可能と結論づけている。

ABSTRACT

The biomedical community asked CERN to investigate the possibility to transform the Low Energy Ion Ring (LEIR) accelerator into a multidisciplinary, biomedical research facility (BioLEIR) that could provide ample, high-quality beams of a range of light ions suitable for clinically oriented fundamental research on cell cultures and for radiation instrumentation development. BioLEIR would be operated when LEIR is not providing heavy ions for the CERN physics programme. The study group was mandated to write a Feasibility Study Report, using high-level engineering estimates based on previous experience, with the aim to: - collect the requirements for such a facility from the biomedical community in close collaboration with the International Strategy Committee for CERN Medical Applications; - determine a coherent set of beam parameters, based on the requirements; - explore whether the beam requirements can be met throughout the facility, from the source to the biomedical end-stations; - perform a feasibility study of the facility, taking into consideration the overall CERN schedules and programmes; - favour simplicity and robustness of the facility design, while minimizing the cost of maintenance and operation; - establish a high-level costing of material and personnel needed for project implementation; - describe the preferred installation scenario; - perform a high-level risk analysis for the project; - identify the areas of potential difficulty, and the required R&D should the study go ahead and become a project.

研究の動機と目的

• in vitro放射線生物学研究のための専用で高品質な光イオンビーム施設への生物医学コミュニティのニーズに対応する。
• LEIRを生物医学的用途に再利用する技術的および運用上の妥当性を評価し、CERNのコア物理学プログラムへの影響を最小限に抑える。
• 生物医学研究要件を満たすとともに、既存のCERNインfra構造と互換性を持つビームパラメータ（イオン種、エネルギー、強度）を定義する。
• プロジェクト実施に向けた概算コスト、設置シナリオ、リスク分析を確立する。
• 将来のプロジェクト意思決定を支援するためのR&Dニーズと潜在的な技術的課題を特定する。

提案手法

• CERNの既存加速器経験に基づく高水準の工学的推定を用いた可能性調査。
• 国際CERN医療応用戦略委員会と連携し、生物医学コミュニティからのビーム要件を収集・統合する。
• ビーム源から終端ステーションまでのビームパラメータをマッピングし、輸送、焦点化、ビーム損失制約を評価する。
• CERNの長期シャットダウン（LS2）スケジュールへの統合を評価し、既存の重イオン運用への最小限の影響を優先する。
• シンプルさと低メンテナンス性を重視した、モジュール式で頑丈かつ費用対効果の高い設計を提案する。
• 標準化された放射線生物学的RBE研究のための制御照射源（例：137-Cs、リニアック）を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存のLEIRインfraは、放射線生物学に必要なビームパラメータを満たす新しい生物医学ビームラインをサポートできるか？
• RQ2 基礎的な放射線生物学的研究および計測器開発に最適なビームパラメータ（イオン種、エネルギー、電流）は何か？
• RQ3 CERNの長期シャットダウン2（LS2）スケジュール内に、BioLEIRを設置・稼働化するための実現可能で低リスクの道筋はあるか？
• RQ4 LEIRを生物医学的用途に再利用するにあたり、主な技術的・財政的・運用上の課題は何か？
• RQ5 標準化された臨床的関連性のある放射線生物学的RBE測定に最も適した制御照射源は何か？

主な発見

• BioLEIRプロジェクトに技術的障害は同定されず、全体的な技術的妥当性が確認された。
• 2017年半ばまでに意思決定および資金が確保されれば、2021年までにBioLEIRは稼働可能となる。これはCERNのLS2スケジュールと整合する。
• プロジェクト承認後、設計、調達、設置、試験に最低3.5年が必要である。
• LS2の期間を逃した場合、現在のCERNスケジュールに基づくと、最短でLS3終了後の2026年以降に稼働可能となる。
• 標準化された制御照射のために、垂直配置の137-Csおよびメガボルト電子リニアックが推奨される。
• 建物393に既存のGBAR 9 MeV電子リニアックを副次的（パラサイト的）に使用する方法は、制御照射のための実現可能かつ妥当な選択肢とされる。