CN100420353C - 带电粒子束加速器、粒子束照射医疗系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

过去，当利用同步加速器进行束流加速时，由于高频电场发生要使用三台函数发生器和高频加速装置来进行控制，因此控制系统存在的问题是复杂、价格高且可靠性低。问题还有，对于要求以各种能量的束流射出或束流强度的条件，为了优化控制，需要很长时间控制，且需要稳定度高的电磁铁电源。本发明是以解决上述问题为目的的，提供一种简化束流射出控制、高可靠性、构成设备数量少、而且不需要稳定度高的电磁铁电源的带电粒子束加速器和使用该加速器的粒子束照射医疗系统。

Description

带电粒子束加速器、粒子束照射医疗系统及其运行方法

技术领域

本发明涉及从离子源射入低能量束流、射出在回旋轨道上进行加速的高能量束流的带电粒子束加速器和使用上述加速器的粒子束照射医疗系统及其运行方法。

背景技术

过去，用同步加速器等圆形加速器使带电粒子回旋加速，用束流输送系统输送从该回旋轨道中取出的束流，供照射所希望的对象的物理实验、或医疗使用。关于这时从上述圆形加速器取出束的方法，可使用向回旋束流提供高频电场以加大电子回旋(betatron)振动的振幅、并使其超出稳定界限之外而射出的方法，利用该高频电场的接通/断开来实施射出开始、停止。

关于上述内容，例如在专利文献1中记载了向束流提供高频电磁场并加大电子回旋的振动振幅而射出的方法，但没有关于RFKO的实用性频率控制的记载。

另外在专利文献2中描述了下述的内容，它使用上述专利文献1所述的射出方法来照射任意的点位，然后阻止射出并设定束流偏转装置，使得束流射入下一个的点位，反复用该射出方法进行射出，这样进行照射。

另外在非专利文献1中描述了一种方法，它以上述专利文献1所述的方式为基础，具有灵活的射出束流的时间结构，能以高速实现束流射出及停止。

还在非专利文献2中更详细地描述了上述非专利文献1所述的方法。

还在非专利文献3中详细地描述了设备的控制方法。

〔专利文献1〕专利第2596292号公报

〔专利文献2〕专利第2833602号公报

〔非专利文献1〕“PROGRESS OF RF-KNOCKOUT EXTRACTION FORION THERAPY”，欧洲加速器会议(EPAC)论文集(2002)，pp2739-2741

〔非专利文献2〕“Fast beam cut-off method in RF-knockout extractionfor spot-scanning”，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 489(2002)59-67

〔非专利文献3〕“Advanced RF-KO slow-extraction method for thereduction of spill ripple”，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A492(2002)253-263

发明内容

但是，在描述上述专利文献1、2的实用化的上述非专利文献1～3中，为了产生高频电场，必须使用三台函数发生器，作为用于束流的射出及停止的设备控制，必须控制该三台函数发生器和高频加速装置(在文献中称为longitudinal RF-field)，控制系统很复杂。所以，问题在于价格高，且对于医疗设备来说最重要的可靠性方面也存在问题。

另外，由于同步加速器要求以各种能量射出束流、或束流强度，而这些都有不同的束流参数，因此对于所有的条件必须对上述控制进行优化，为了进行装置建设及调整时的参数调整优化要花费很长时间，其结果提高了装置的成本。

另外，虽然在上述非专利文献1～3中不存在用使用高稳定度的电磁铁电源而产生的问题，但问题是，若为了降低成本而降低电源稳定度，则由于电源变动使稳定区域的界限也变动，因此即使全部停止射出装置，但因电源变动也会在这之从后射出束流。

本发明是为了解决上述问题而提出来的，提供一种简化束流射出控制且可靠性高并能减少构成设备的台数、允许电磁铁电源有较宽的波动范围等而得以降低成本的带电粒子束加速器、使用该加速器的粒子束照射医疗系统及其运行方法。

发明内容

在有关本发明的带电粒子束加速器中，设置使带电粒子束加速、同时沿着回旋轨道回旋的单元；在共振的稳定界限的外侧使上述带电粒子的电子回旋振动处于共振状态的单元；加大上述共振的稳定界限内的带电粒子束的电子回旋振动振幅的单元；以及改变上述共振的稳定界限的单元，

以上述回旋束流不超过上述共振的稳定界限的范围的频带运转控制加大上述电子回旋振动振幅的单元，同时以束流射出所需的时间运转控制改变上述共振的稳定界限的单元，以射出上述带电粒子束。

有关本发明的带电粒子束加速器，其射出束流时的控制对象少，能连续射出束流，同时能够简单地控制射出束流的射出/停止，使装置小型化。另外即使电磁铁电源的波动很大，也能避免在不需要的时间内射出束流，能提高可靠性，降低成本。

附图说明

图1是本发明实施方式1～7、9～15的带电粒子束加速器和粒子束照射系统的示意图。

图2是接收加速中的带电粒子束的说明图。

图3是接收加速中的带电粒子束的说明图。

图4是本发明实施方式1～15的射出束流的说明图。

图5是平行扫描方式的照射装置的示意图。

图6是本发明实施方式1、3～15的带电粒子束加速器的运行模式的示意图。

图7是本发明实施方式1～15的粒子束照射系统的同步加速器运行模式的示意图。

图8是本发明实施方式2的运行模式的示意图。

图9是本发明实施方式2的运行模式的示意图。

图10是本发明实施方式2的运行模式的示意图。

图11是本发明实施方式3的屏蔽电磁铁的运行模式的示意图。

图12是本发明实施方式5的使用高频加速装置时的运行模式的示意图。

图13是本发明实施方式5的高频加速装置的电场波形的示意图。

图14是本发明实施方式6的射出方法的说明图。

图15是本发明实施方式7的射出方法的说明图。

图16是表示本发明实施方式5的高频加速系统的方框图。

图17是本发明实施方式8的用束流输送系统照射停止的示意图。

图18是本发明实施方式8的用束流输送系统控制照射停止的运行模式的示意图。

图19是本发明实施方式9的考虑电源波动时的分界面的说明图。

图20是点扫描照射装置的示意图。

标号说明

4    主偏转电磁铁

5    主四极电磁铁

6    高频加速装置

7    六极电磁铁

8    高频发生装置(RFKO设备)

9    射出四极电磁铁

17   照射装置

18   屏蔽电磁铁

20   偏转电磁铁

31   位移检测器

200  加速器(加速系统)

300  束流输送系统

400  照射系统

具体实施方式

实施方式1

以下，根据附图来说明本发明实施方式1。

图1是表示将带电粒子束加速器和粒子束照射医疗系统进行组合的状态下的粒子束照射系统图。在图中，带电粒子束加速器200由射入切割板(septum)3、主偏转电磁铁4、主四极电磁铁5、高频加速装置6、六极电磁铁7以及是高频发生装置的RFKO设备8、射出四极电磁铁9、射出切割板10组成。该带电粒子束加速器200在该前段设置低能量束流的射入系统100。该射入系统由离子源1、线性加速器2组成。另外，利用设置在医疗室的照射系统400的照射装置17，通过束流输送系统300，向照射对象体、例如患者的腹部照射从带电粒子束加速器200的射出切割板10中射出的射出束流。上述束流输送系统300设置偏转电磁铁20、束流监视器15、屏蔽电磁铁18、束流挡板19(damper)、照射路径偏转电磁铁16。另外在有的情况下，上述照射路径偏转电磁铁16不包含在束流输送系统300中，而是包含在照射系统400中。

在上述照射系统中还设置照射对象体的位移检测器31。

接着，说明该实施方式1的带电粒子束加速器200的动作。

由离子源1产生粒子束即离子束流，用直线加速器2将其加速到带电粒子束加速器即同步加速器所需的射入能量。通过射入切割板3射入的离子束利用主偏转电磁铁4的作用而进行回旋运动，利用主四极电磁铁5的作用而受到聚焦力，不扩展束流的大小而一直回旋。在该实施方式中，是采用配置四组由一台主偏转电磁铁4和一台主四极电磁铁5组成的组合体的结构。一般，为了在水平及垂直方向上使束流聚焦，使用极性不同的两种四极电磁铁，但在该实施方式1中，由于主偏转电磁铁4在半径方向上磁场强度发生变化，或者具有棱角，因此作用具有在垂直方向上都给予聚焦力的功能的偏转电磁铁4，通过这样主四极电磁铁5采用一种。偏转电磁铁4在原理上在偏转的同时，还在水平方向上给予聚焦力。

射入的束流虽然用高频加速装置6加速，但主偏转电磁铁4和主四极电磁铁5也随着束流能量(运动量)的增加而加强磁场，以便不改变回旋轨道。加速之后，主偏转电磁铁4和主四极电磁铁5的磁场强度为恒定，不管高频加速装置6是处于断开状态、还是处于接通状态，都以不进行加减速的相位运行。由此，加速后的束流以恒定的能量一直回旋。

接着，在描述射出束流之前，简单地说明粒子(离子)一个一个的动作情况。粒子通过由根据主偏转电磁铁4和主四极电磁铁5决定的聚焦力的作用，从而边振动边绕中心轨道回旋。这称为电子回旋振动。若该振动频率的小数点以下的尾数为零、1/2、1/3(或1-1/3)，则因电磁铁的误差磁场而使其处于共振状态，电子回旋振动振幅将增大，最终与真空室等碰撞而消亡。各个共振称为一次共振、1/2(两次)共振、1/3(三次)共振。尾数即使为1/4、1/5...时，虽也因误差磁场产生共振，但一般应注意的是到1/3为止。在电子回旋振动频率远离该共振的情况下，若用相位空间坐标(水平x、垂直y的坐标和前进方向的倾斜度x′、y′)来看粒子一个一个地运动，则在如图2所示的椭圆中移动。在电子回旋振动频率为例如n.25的情况下(n为整数)，最大振幅的粒子每回旋一次就在图2的椭圆最外周上移动一次，回旋四周之后就回到原位。振幅小的粒子是这样运动，它回旋四周就回到与图2的椭圆相似形状的小的椭圆上的原位。若描画由初始相位不同的各式各样的粒子组成的束流的轨迹，则全部填满图2的椭圆内。该椭圆的大小不变。

接着说明射出束流。通过改变主四极电磁铁5的磁场，从而使水平方向的电子回旋振动接近1/3共振，同时一般对六极电磁铁7进行励磁，使得容易形成共振状态。不增加电子回旋振动的振幅能稳定地回旋的区域称为接收区域，但由于六极磁场的非线性，接收区域为如图3所示的三角形(称为分界面，其最外周称为共振的稳定界限或稳定区域界限)，从这里射出的粒子沿分枝部分向外侧前进(每回旋一次就移动3根分枝)，超过射出切割板10的粒子用射出切割板10向外侧偏转，在同步加速器200的外部取出。

在上述专利文献、非专利文献中使用的方法是，使分界面恒定，利用高频电场加大电子回旋振动振幅，使粒子移动到分界面的外侧。产生该高频电场的装置相当于利用该实施方式1的图1中的RFKO(高频击出(knockout))设备8。

以上，说明了现有的射出方法，接着说明该实施方式1的射出方法。图1的射出四极电磁铁9是以高速改变磁场的电磁铁，可以考虑采用只由绕组构成的型式或将铁氧体磁心、或硅钢片等薄钢片层叠而成的电磁铁等各式各样的型式。能达到最高速的类型最好只用绕组构成。即只要是四极电磁场发生装置即可。若对该射出四极电磁铁9进行励磁，则更接近共振条件，先前的分界面变小。若用图4说明，则通过将射出四极电磁铁励磁(接通)，分界面变小，取出从分界面中散出的粒子(图4(a))。然后，断开射出四极电磁铁9，就成了图4(b)的状态，在分界面边界附近就不存在回旋束流。所以，在该状态下即使再次接通射出四极电磁铁9，也不能取出束流。因此对回旋束流施加高频发生装置(RFKO设备)8产生的高频磁场，使其扩散来填满该空间。然后，如接通射出四极电磁铁9，就能够与先前一样取出束流。

由于高频电场只使用于扩散束流，因此只要一台射出用的高频发生装置8即可。但是，电子回旋振动频率因粒子不同而不同，还因振幅不同而不同，因此只以单一频率不能取出的束流增多，所以希望比过去更适用的FM调制的高频。调制幅度选择利用该信号不射出束流且分界面中心附近的束流也扩散出去的值。另外，与过去相同，对振幅调制也有效。该RFKO设备8即使以高频磁场也能得到同样的效果。

射出束流通过束流输送系统300引向治疗室，通过照射装置17向患者30照射。照射装置17由向适当的部位照射束流用的扫描电磁铁、剂量监视器、束流位置监视器、改变束流能量的量程转换器(range shifter)等构成。

这里，说明使用照射装置17的点位扫描照射的一个例子。图5描述照射装置17内部的一部分。利用使束流位置平行移动的平行扫描电磁铁21，能够使束流位置设定在半径方向的任意位置。通过使该平行扫描电磁铁21以相同的角度旋转，能够使束流位置设定在二维的任意位置。若取平均的话，则能形成每一角度的点位数为3、旋转角在50步左右均匀的剂量分布。束流的深度方向的控制是通过改变量程转换器22的厚度来进行。在该三个变更中最化时间的是电磁铁21的旋转约为500ms。电磁铁21的磁场变化为数十ms，量程转换器的转换时间约为30ms。因此，作为照射步骤，是反复半径方向移动→量程转换器转换→半径方向移动，在深度方向上的所有照射都结束的时刻，旋转电磁铁21，用同样的步骤反复照射。每一点位的照射时间为数ms到数十ms，完成能照射任意点位的准备，并从同步加速器200中射出束流进行照射。由于全部点位数在数千点以上，因此在照射准备完成之后，要求尽可能快地从同步加速器200中射出束流。

运行模式的一个例子如图6所示。在完成能照射规定点位的准备之后(a)，从总控制系统中输出射出开始信号(b)，接受该信号使射出四极电磁铁9产生磁场(d)。然后，从同步加速器200中射出束流(e)，用点位扫描照射装置17内的剂量监视器开始剂量测量，在达到规定剂量的时刻，发出剂量满了信号(c)。射出四极电磁铁9接受剂量满了信号(c)后，就停止产生磁场。然后，用RFKO设备8产生高频电场(f)，使回旋束流扩散到分界面内的界限附近，并停止产生高频电场。同时，在点位扫描照射装置17中，进入准备下一次点位照射，完成该准备之后，与上述的一样，按照上述照射装置17的照射时间反复同样的动作。

例如在向患者30照射中，对如肺或肝脏这样的因呼吸而起伏很大的内脏，通过采用在呼气中起伏较稳定的状态时进行照射的方法，能够减少对正常组织的照射。因此有效的方法是，例如，对相当于照射位置的腹部位置的位移使用能用远程检测的呼吸位移检测器31来检测因呼吸引起的变动，当该信号水平到达预先设定的范围内时就照射。图6的可照射信号是该信号水平达到预先设定的范围内时发出的信号，一般是1秒到2秒左右的长信号，但在图6中，画得很短，以便能明白与其它信号间的关系。射出四极电磁铁9只在该照射信号接通、发出射出开始信号时产生磁场。

因呼吸而引起的腹部运动，与内脏的位置关系当然预先可用MRI或CT进行测量。

接着，用图7来说明同步加速器200的运行模式的例子。其中，在平行扫描方式的情况下，考虑扫描回转的时间进行减速，最初加速的开始在呼吸信号为最大附近进行。在例如患部基本上不动的情况下，或即使在动也能忽视该运动而进行照射的情况下，向规定点位照射与患部变动无关的加速粒子，在无加速粒子的时刻，使电磁铁4、5的磁场或高频加速装置6的加速电场下降到射入时的值(减速)，进行再射入及加速，持续照射。

与上不同的是，在随着患部的运动进行照射的情况下，如图7(b)所示，加速后到减速为止的平顶(flat top)的时间变长。患部进行与呼吸近似同步的运动，但一次呼吸的周期通常为大致12秒左右，在该期间，患部的稳定时间为1秒至2秒左右(图7中稳定时间画得很长)。另外，点位扫描照射中，在同步加速器200中的加速粒子数能比在一次呼吸能照射的粒子数要多，有的情况下能应付2～3次呼吸以上。所以，加速后，对患部的变动在能照射的时刻开始点位照射，若患部的变动加大就停止，等到在下次呼吸患部稳定了之后，再开始点位照射。然后，在回旋束流达到预先设定的强度以下的时刻，减速并进行再射入及加速，以同样的条件再开始点位照射。

本方式不仅在医疗领域，在物理实验领域中也很有效。在物理实验中加速粒子碰到目标，会检测出从那里产生的二次、三次粒子，但若一次使很多的加速粒子碰撞，则产生检测器饱和的问题，因此束流只能一点点地取出。所以，在本方式中一点点地取出，只要弄清该取出的时间，就能高效地进行测量。

这样，该实施方式1的带电粒子束加速器具有的效果是，对于射出束流所需的控制设备少，且容易控制。

实施方式2

接着说明实施方式2。在上述实施方式1中，如图6(d)(f)所示，运行射出四极电磁铁9时，要断开高频发生装置(RFKO设备)8，但如图8(f)所示，如连续运行产生从频率f1变到f2的FM调制信号的高频发生装置8，也能得到同样的效果。另外如图9(f)(g)所示，若与现有的例子一样使用两台该高频发生装置8，使用将FM调制的相位错位的方法，则能进行更有效的取出。进一步，如图10(f)所示，如使用产生含有从f1到f2的频率的信号的高频发生装置8，也能得到同样的效果。这里，从频率f1到f2，是从电子回旋振动振幅为零的回旋带电粒子到振幅大的回旋带电粒子为止加大其振幅、但是不超过共振的稳定区域界限的频带。

在上述实施方式1的图6(f)中描画了高频发生装置8的运行时间，在图8到图10中描画了输出信号的频率或频率分量。

还有，这些信号的振幅随着时间渐渐地加大，由于共振的稳定界限附近的束流密度接近恒定，所以很有效。该振幅调制包含两种情况，一种是在FM调制周期内调制，另一种取出全部加速粒子为止的时间内调制，但也有的情况下只有后者。

还有，如上述图8到图10(d)所示的射出四极磁场波形与上述实施方式1所示的图6(d)的波形不同，但在本实施方式2中，射出四极电磁铁9的电源是采用反馈控制方式，使得取出束流强度为恒定。取出束流强度用例如设置在同步加速器与照射装置之间的束流监视器测量，或用设置在照射装置内的束流监视器测量。

在该实施方式2中，利用FM调制信号的相位与射出四极电磁铁9的运行时间间的关系，虽有可能改变取出束流强度，但由于减少了控制时间的设备数量，因此效果是能更容易地进行系统的运行控制。

还有，在图8、图9、图10中，是与可照射信号无关，连续运行高频发生装置8，但即使只在发出可照射信号的期间连续运行高频发生装置8时，也能得到同样的效果。

实施方式3

接着说明实施方式3。因主偏转电磁铁4、主四极电磁铁5的电磁铁电源、或RFKO设备8电源的干扰等，为了使得在上述图6所示的射出开始信号(b)与剂量满了信号(c)之间以外的时间段，即使有束流射出也不输送到点位扫描照射装置17，因此更有效的方式是，将只在射出开始信号(b)与剂量满了信号(c)之间产生磁场的屏蔽电磁铁18设置在如图1所示的束流输送系统300中。该屏蔽电磁铁18的运行模式如图11(g)所示。在该情况下，束流输送系统300的偏转电磁铁20的偏转角定为较小，在屏蔽电磁铁18处于断开状态时，使束流偏离中心轨道碰撞束流挡板19。屏蔽电磁铁18处于接通状态时，通过中心轨道引入点位扫描照射装置17。还考虑一种方法，就是取代偏转电磁铁20的偏转角较小的情形，将作为偏转电磁铁20之的转向(steering)电磁铁设置在紧靠屏蔽电磁铁18的旁边，一直接通转向电磁铁，只要屏蔽电磁铁18断开，使束流就碰撞挡板，在屏蔽电磁铁18处于接通状态时，引入点位扫描照射装置17。或者相反，采用在屏蔽电磁铁18处于接通状态时、束流碰撞束流挡板19的方法，也能得到同样的效果。另外，在该情况下，在射出开始信号(b)与剂量满了信号(c)之间以外的时间段中，必须接通屏蔽电磁铁18。当然，该屏蔽电磁铁18不是必须的设备。在这样的实施方式3中，在不必要的时间段中不射出束流。

实施方式4

接着说明实施方式4。上述实施方式1的图6(d)所示的射出四极电磁铁的磁场波形为三角形，但不只限于该波形。还有以下的方式也很有效，即用设置在束流输送系统300的束流监视器15测量射出束流强度，对射出四极电磁铁电源的输出进行反馈控制，使得该测量值成为预先设定的值。在该情况下，若将分界面的大小变得过大，则在射出切割板10的入口的束流的倾斜度就变大，其结果，由于在照射位置束流不到规定位置，因此设定射出四极电磁铁电源输出的上限的方式更有效。根据这样的实施方式4，则射出束流的时间结构的均匀性更好。

实施方式5

接着说明实施方式5。在上述实施方式中，没有涉及有关照射动作中的高频加速装置6的运行及控制，但也有一种方法是，与高频发生装置(RFKO设备)8的运行同步，运行高频加速装置6。采用该方法的理由是，尖峰信号产生较少，从时间上说能取出一样的束流。该情况的运行模式如图12所示。如前所述回旋粒子的电子回旋振动频率不是全部相同的，而具有一定宽度。在高频加速装置6中，若高频电场产生在束流前进方向，则一会儿加速回旋粒子，一会儿减速回旋粒子，开始能量振动(同步(Synchrotron)振动)。在该情况下，由于中心相位为零，所以平均能量为恒定。同步加速器一般具有有限的色品(chromaticity)ξ(色差)，能量(运动量p)不同的粒子的电子回旋振动频率υ不同。然后，在运动量宽度Δp与电子回旋振动频率宽度Δυ之间有Δυ/υ＝ξΔp/p的关系。所以，由于一个粒子有各式各样的电子回旋振动，因此增加了变为共振状态的机会，通过与FM调制的RFKO设备8的高频电场的组合，能够实现更有效的束流扩散。

还有，由于同步加速器振动的Δp的最大值由高频加速装置6的电场强度决定，因此电场强度设定在粒子不超出到分界面外的值。

接着说明高频加速系统的实施例。通常，在粒子束同步加速器中，必须使电磁铁电源正确地与高频加速电源的加速运行模式同步，且加速电源的模式复杂地变化。因此，实用的方法是，将模式存储在存储器中，依次输出存储器，用高频放大器进行放大。模式通过束流试验等进行最优化。还可考虑对在该高频信号发生器添加图12所示的运行模式的方法，但在如图16所示的分离功能的系统中也能得到同样的效果。模式发生器41相当于上述的高频信号发生器，取出束流时使用的是函数发生器42。模式发生器在加速后停止输出。一般由于以整个控制系统送出的时钟来进行存储器输出，因此如用加速后停止时钟的控制方式即可。函数发生器用图12(e)的时间例1所示的运行模式进行运行，根据现有的技术完全没有问题。能够采用单一频率输出、AM及FM调制等各式各样的运行方法。

有关使高频加速装置6的电场强度发生变化的实施例示于图13(e)(f)中，如图13(e)(f)所示电场渐渐地增强的情况较有效。是由于若反复突然增强的情形，则运动量宽度渐渐地加大，有可能改变射出束流的质量。另外，在如图12、13所示的例中，高频加速装置6的运行时间宽度比RFKO设备8的运行时间宽度要长，但不只限于此。通过采用该实施方式5，由于利用高频加速装置搅乱稳定区域内的束流，因此得到良好的均匀性，能得到更好的射出束流的时间结构的均匀性。

实施方式6

接着说明实施方式6。上述的实施方式5的图12(f)的加速装置运行时间例2是在射出束流中实施高频加速装置6的运行的例子。图14是用称为施泰因巴哈图来显示实施方式1中说明的图4的束流射出的说明图，在非专利文献2中也使用。根据该图14可知，由于即使在初始状态的射出四极电磁铁处于断开、RFKO设备处于断开的状态，若高频加速装置接通时，则各个粒子的Δp/p就改变，因此在图的左右边界的范围内移动，所以位于稳定区域边界附近的粒子不会扩散到非稳定区域中。所以，有的情况下，若是图12(e)所示的加速装置运行时间例1，则因运行参数的不同，束流扩散时射出的束流就扩散到外面。如包括屏蔽电磁铁18，则没有问题，但最好是采用不发生这样的事情的方法。由于图12(f)的加速装置运行时间例2是束流射出中处于接通状态的方法，因此不发生这样的问题。在这样的实施方式6中，由于左右搅乱图14的粒子坐标，因此使粒子密度分布均匀，能期待射出束流的时间结构更平坦的效果，同时在不需要的时间段中不射出束流。

实施方式7

接着说明实施方式7。加速器的色品通过调整六极电磁铁，能以接近零的值来运行。在该情况下，图15所示的施泰因巴哈图中的稳定界限与Δp/p无关，大致上为恒定。所以，其效果在于能消除上述实施方式6所述的问题。另外，通过高频发生装置8进行的稳定界限附近的束流扩散与高频加速装置6的接通/断开无关，变得更容易，能有效地取出束流。

实施方式8

接着说明在实施方式8的束流输送系统300中控制照射停止的方法。在要求射出四极电磁铁9产生强磁场的情况下，电磁铁9的电感加大，很难进行高速控制，结果是，可认为有的情况下从收到剂量满了信号开始到束流射出停止的时间不符合规格。在这样的情况下，如图17的整个系统图所示，如在束流输送系统300中配置高速的脉冲电磁铁(照射束流控制电磁铁25)，则能高速停止的照射。运行模式的例子示于图18(f)(g)。该照射束流控制电磁铁25的作用基本上与实施方式3所示的屏蔽电磁铁18相同，可以也同时具有屏蔽电磁铁18的效果。由于照射束流控制电磁铁25需要以微秒或数十微秒数量级(order)的快速磁场上升(或下降)，因此采用具有使用铁氧体磁心等的高频响应特性的电磁铁。控制发出剂量满了信号(c)后射出的束流，使其碰撞束流挡板19。

另外，射出束流虽比射出开始信号稍微慢一点射出，但如照射束流控制电磁铁25的接通时间比射出开始信号慢的话，则能够与该接通时间一致进行照射。

RFKO设备8或高频加速装置6的运行方法与上述实施方式1相同。在这样的实施方式8中能够快速进行照射停止，且在不需要的时间段内向点位扫描照射装置17不输送束流。

实施方式9

该实施方式9说明考虑同步加速器200的主偏转电磁铁4或主四极电磁铁5的电磁铁电源的波动的情况的实施例。同步加速器的主四极电磁铁电源或主偏转电磁铁电源的输出变动(波动)将改变分界面的大小。例如，图19的网格部分(a)～(b)发生周期地变动。该周期一般为数ms到10ms左右。因此，在束流扩散到整个分界面的情况下，如这时是分界面为最小的时候，则没有问题，如不是为最小的情况下，在随后接近最小的时候将发生束流射出，变成在希望的时间段以外进行射出。

作为避免该情况的方法，是考虑因波动而产生的分界面的变动，来决定RFKO设备8的高频的FM调制宽度或高频加速装置6的电场强度。也就是说，使束流扩散限于因波动使分界面成为最小的边界以内。

在现有的例子中，由于使用极高稳定度的电源，可认为不出现这样的问题，但根据该实施方式9，则由于能适合稳定度较差的电源，因此对低成本的装置是有效的。

实施方式10

接着说明实施方式10。在到这里为止说明的实施方式1～9中表示了使用射出四极电磁铁9作为缩小分界面的方式的例子，但用高频加速装置6也能得到同样的效果。上述的图14的横轴为运动量，但由于对束流进行加速时涂有颜色的部分整体向右侧移动，因此就射出扩散到边界线外的束流。若停止束流加速，并进行减速，则束流返回到原来的位置，停止射出。加大电子加速振动振幅的方法与上述的实施方式相同。加速能通过改变频率(通常是增加)来实施。另外，根据同步加速器200的不同的参数，通过减速也能达到这样的状态。这样，通过用高频加速装置6适当地控制频率，从而能得到与射出四极电磁铁9同样的效果，同时能够不用射出四极电磁铁9，来达到低成本。

实施方式11

接着说明实施方式11的粒子束照射医疗系统的运行方法。

关于同步加速器的运行模式，在上述实施方式1中，是在回旋束流达到预先设定的强度以下时刻进行减速，但例如照射对象为人体的情况下，对于在一次呼吸中的照射完成后的回旋束流强度在下次呼吸周期中的可照射时间来说，不能对应长时间的情况下，若转移到减速及再次射入及加速的模式，则能得到减少时间损失的效果。转移到减速及再次射入及加速的模式的条件，虽认为有各式各样的情况，但能举出例如，束流强度只能照射预先测量的可照射时间的平均值一半以下的点位等情况。通过采用这样的运行方法，从而能减少时间损失，能缩短全部照射时间。

实施方式12

接着说明实施方式12。在用上述实施方式1的图5说明的平行扫描方式的点位扫描照射中，由于每个旋转角照射后的平行扫描电磁铁21的旋转需要0.5秒左右的时间，因此若根据该旋转驱动的时间实施同步加速器200的减速、射入、加速的模式，则能够进行时间损失少的照射。进而，若根据吸气的时间进行该旋转驱动，则能进行时间损失更少的照射，能够缩短全部照射时间。

实施方式13

接着说明实施方式13。在上述实施方式12中举出了平行扫描方式作为例子，但用一般的点位扫描方式也能得到同样的效果。图20表示该原理图。使用偏转方向相差90度的两台扫描电磁铁，用照射到二维的任意位置的方式，深度方向与用平行扫描方式说明的方式相同。在该方式的情况下，是一般对于任意的量程转换器的厚度照射二维平面所有的点位，然后改变量程转换器的厚度，反复同样的照射。RFKO设备8或高频加速装置6的高频电磁场的时间或运行模式等与平行扫描方式的适用例相同。

这样，该实施方式13能适用于其它的点位扫描照射方式。

实施方式14

在上述的实施方式中，每个点位的照射(射出)是连续的，但不只限于此。由于各个点位所需的剂量不同，因此例如反复下述的过程，即交替运行RFKO设备8和射出四极电磁铁9，以便射出给于最少点位的剂量的照射时间以下的脉冲束流，对某个点位照射必要的剂量之后，至少停止RFKO设备8和射出四极电磁铁9中的一个，在完成了下次点位照射的准备之后，再次运行两个装置，照射必要的剂量。束流射出期间的时间为利用RFKO设备8扩散束流所需的时间。另外，高频加速装置6的使用也具有与上述实施方式5相同的效果。

根据该实施方式14，能使控制更容易，由于能在照射与照射之间停止所有的与照射相关的设备，因此具有能完全停止射出束流的效果。

实施方式15

在上述实施方式中描述了适用于扫描照射方式的情况，但也能适用于一般的宽束方式。宽束方式是指使用散射体或摆动电磁铁扩散束流、使用准直器(collimator)或团块(bolus)减少患部以外部位的照射的方式。

在能向患部进行照射的时刻，交替运行射出四极电磁铁9和RFKO设备8，断断续续地射出束流，若得到来自照射控制系统的停止指令，就至少停止射出四极电磁铁9和RFKO设备8中的一个的运行，来停止射出束流。与上述实施方式一样使用高频加速装置6也很有效，基本上能适用与上述实施方式相同的运行方式。

照射剂量误差要求与点位照射的情况同等程度的值，但在宽束照射的情况下，由于与点位照射不同，最好是全部照射时间的百分数即可，因此例如，在发出照射停止信号后的1ms左右，能停止射出束流的话就没有问题。若在该情况下的射出四极电磁铁9的每一次射出的输出时间为1ms左右，则能够应对只用射出四极电磁铁9的接通/断开的控制。在射出四极电磁铁9的输出时间长的情况下，只要使用束流输送系统300的照射控制偏转电磁铁6或屏蔽电磁铁18即可，由于1ms左右的电磁场的变化没有问题，因此能适应廉价的装置。关于输出时间的长短，由于若太长，则加大稳定区域的缩小宽度，增加了射出束流的倾斜度的变化，因此在输出时间变长的情况下，将其设定在能允许的值。

这样在该实施方式15中，能得到与点位扫描照射方式同样的效果，具有能够只在必要的时间段中射出束流、以廉价的装置结构来实现的效果。

工业上的实用性

本发明实施方式1～15可用于关于癌等恶性肿瘤的治疗的医疗用带电粒子照射系统、利用带电粒子束照射进行的杀菌及消毒、或金属材料等的特性改善、甚至的物理实验等。

Claims (15)

1. 一种带电粒子束加速器，其特征在于，

在所述带电粒子束加速器中，设置使带电粒子束加速、同时沿着回旋轨道回旋的单元；在共振的稳定界限的外侧使所述带电粒子的电子回旋振动处于共振状态的单元；加大所述共振的稳定界限内的带电粒子束的电子回旋振动振幅的单元；以及改变所述共振的稳定界限的单元，

以所述回旋束流不超过所述共振的稳定界限的范围的频带运转控制加大所述电子回旋振动振幅的单元，同时以束流射出所需的时间运转控制改变所述共振的稳定界限的单元，以射出所述带电粒子束。

2. 如权利要求1所述的带电粒子束加速器，其特征在于，

交替运转控制加大所述共振的稳定界限内的带电粒子束的电子回旋振动振幅的单元和改变所述共振的稳定界限的单元，或反复运转这两个单元中的一个单元，然后再进行交替运转控制，以射出所述带电粒子束。

3. 如权利要求1所述的带电粒子束加速器，其特征在于，

使所述带电粒子束加速、同时沿着回旋轨道回旋的单元是高频加速装置、偏向电磁铁和四极电磁铁，

在共振的稳定界限的外侧使电子回旋振动处于共振状态的单元是六极电磁铁，

加大所述共振的稳定界限内的带电粒子束的电子回旋振动振幅的单元是高频击出设备，

改变所述共振的稳定界限的单元是四极电磁场发生装置，

通过控制所述四极电磁铁和六极电磁铁，从而形成射出所述带电粒子束时的所述共振的稳定界限，同时运转控制加大所述共振的稳定界限内的带电粒子束的电子回旋振动振幅的单元和改变所述共振的稳定界限的单元。

4. 如权利要求3所述的带电粒子束加速器，其特征在于，

利用改变所述共振的稳定界限的单元，

缩小所述共振的稳定界限，并开始射出束流，在所述共振的稳定界限达到规定缩小宽度之后就停止进一步的缩小，通过这样从而停止射出所述束流，

利用加大所述稳定界限内的带电粒子束的电子回旋振动振幅的单元，使所述电子回旋振动振幅加大到所述共振的稳定界限内的边界附近。

5. 如权利要求3所述的带电粒子束加速器，其特征在于，

缩小所述共振的稳定界限，并开始射出束流，在射出规定束流量之后就停止缩小动作，通过这样从而停止射出所述束流。

6. 如权利要求4所述的带电粒子束加速器，其特征在于，

所述射出束流的等待状态的所述共振的稳定界限设定为即使因构成所述带电粒子束加速器的电磁铁的电源波动而变动缩小也不射出束流的区域。

7. 如权利要求3所述的带电粒子束加速器，其特征在于，

改变所述共振的稳定界限的单元是四极空心绕组、或具备有高频响应特性的磁性铁心的四极电磁铁中的任何一种。

8. 如权利要求1所述的带电粒子束加速器，其特征在于，

改变所述共振的稳定界限的单元是利用高频加速装置对所述带电粒子束进行加速或减速的单元。

9. 如权利要求1所述的带电粒子束加速器，其特征在于，

改变所述共振的稳定界限的单元是使用构成使所述带电粒子束进行加速、沿着回旋轨道进行回旋的单元的高频加速装置对所述带电粒子束进行加速或减速的单元。

10. 一种粒子束照射医疗系统，其特征在于，

在所述粒子束医疗照射系统中，包括带电粒子束加速器和向治疗室输送所述带电粒子束加速器射出的带电粒子束的束流输送系统，所述带电粒子束加速器使用权项1至9中所述的任何一种带电粒子束加速器。

11. 如权利要求10所述的粒子束照射医疗系统，其特征在于，

在所述治疗室设置照射装置，根据所述照射装置的照射时间，从所述带电粒子束加速器射出束流。

12. 如权利要求11所述的粒子束照射医疗系统，其特征在于，

在所述治疗室设置检测照射对象物的照射位置变化的位移检测器，在所述位移检测器检测的信号在预先设定的电平范围内时，利用照射装置进行束流照射。

13. 如权利要求11所述的粒子束照射医疗系统，其特征在于，

在所述束流输送系统设置带电粒子束的偏转装置，

在所述照射装置的照射时间以外，利用所述偏转装置阻止向所述照射装置输送所述带电粒子束。

14. 如权利要求11所述的粒子束照射医疗系统，其特征在于，

在所述束流输送系统中设置在利用所述照射装置进行的使束流照射达到规定剂量时、以高速截断所述带电粒子束用的偏转装置，所述偏转装置由空心绕组或具备有高频响应特性的磁性铁心的电磁铁中的任何一种构成。

15. 一种粒子束照射医疗系统的运行方法，其特征在于，

是如权利要求11所述的粒子束照射医疗系统的运行方法，利用所述照射装置照射规定时间之后，在所述带电粒子束加速器的回旋束流的强度只能在下一次照射中照射不到预定时间的情况下，使所述带电粒子束加速器转移到减速、射入、加速模式。

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