CN104008942A - 激光离子源以及重粒子线治疗装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种容易进行聚光透镜的轴对中，并且构造简单的激光离子源以及重粒子线治疗装置。根据实施方式，具有：被真空排气，形成有用于入射激光（L）的入射窗（1a）的真空容器（1）；设置在真空容器（1）内，通过激光（L）的照射产生离子的靶（2）；以及将激光（L）聚光到靶（2）的聚光透镜（4），将聚光透镜（4）安装在真空容器（1）的入射窗（1a）上，将该聚光透镜（4）作为真空隔壁。

Description

激光离子源以及重粒子线治疗装置
技术领域
本发明的实施方式涉及通过照射激光产生离子的激光离子源以及利用该激光离子源的重粒子线治疗装置。
背景技术
众所周知，作为产生离子的方法，一般地有在离子源中使气体中产生放电而得到离子的方法。作为产生放电的方法，使用微波或电子束。
另外，利用激光器的激光离子源，将激光聚光并照射到靶上，使该靶元素蒸发，离子化而生成等离子体。另外，激光离子源是将该等离子体中含有的离子以等离子体的方式输送，在引出该离子时加速，生成离子束的装置（例如，参照专利文献1、2）。
所以，激光离子源通过将激光照射到固体靶上，能够产生离子，有利于产生脉冲大电流、多价离子。
在激光离子源中产生的离子，具有相对于固体靶的面的垂直方向的初速度。因此，激光离子源能够通过将与离子产生部同电位的输送管延伸到输送方向的下游而输送离子。另外，激光离子源通过在等离子体的输送路径上设置电极而施加正电场，由此也能使不需要的离子不能通过（参照专利文献3）。
另外，在非专利文献1中记载有激光离子源中的激光入射系统的构造。该技术将从YAG激光出射的激光从真空容器的外部经由两个反射镜导入到真空容器。该激光通过真空容器的真空窗导入真空容器内。在该真空容器内，激光通过反射镜被反射而入射到透镜，通过该透镜进行聚光而照射到靶上。
专利文献
专利文献1：特许第3713524号公报
专利文献2：特开2009-37764号公报
专利文献3：特开2012-99273号公报
非专利文献
非专利文献1：Review of Scientific Instruments81,02A510（2010发行）
在上述非专利文献1中记载的激光入射系统中，需要将反射镜和透镜轴对中。该情况下，由于在真空容器内作为光学系统配置有反射镜和透镜，为了从真空容器外调整反射镜和透镜的相对的轴方向位置需要电机等的驱动机构。
因此，上述非专利文献1的激光离子源存在将配线引绕到真空容器外等的结构复杂化的课题。
另外，在上述非专利文献1的激光离子源中，在等离子体生成部设置反射镜和透镜后，附着消融粒子引起的污垢，引起向靶的激光照射性能的下降。
因此，需要进行反射镜和透镜的更换或设置它们的污垢防止机构（真空容器内设置卷取式透明薄膜等）。
因此，在上述激光离子源中，在进行反射镜和透镜的更换时，需要再次调整光学系统的轴方向位置。另外，若在真空容器内配置污垢防止机构则存在有结构复杂化的课题。
发明内容
本发明的实施方式要解决的课题为，其目的在于提供一种容易进行聚光透镜的轴对中，结构简单的激光离子源以及使用该激光离子源的重粒子线治疗装置。
为了达成上述目的，本发明的实施方式的激光离子源具有：被真空排气，形成有用于入射激光的入射窗的真空容器；配置在上述真空容器内，通过上述激光的照射产生离子的靶；以及在上述靶上对上述激光进行聚光的聚光透镜，在上述真空容器的入射窗设置上述聚光透镜，将该聚光透镜作为真空隔壁。
另外，本发明的实施方式的激光离子源具有：被真空排气，形成有用于入射激光的入射窗的真空容器；配置在上述真空容器内，通过上述激光的照射产生离子的靶；设置于上述真空容器的入射窗，具有真空隔壁功能用于导入上述激光的真空窗；以及配置在上述真空容器外，通过上述真空窗在上述靶上对上述激光进行聚光的聚光透镜。
本发明的实施方式的重粒子线治疗装置具有上述实施方式的激光离子源的任一种。
发明的效果：
通过本发明的实施方式，能够容易地进行聚光透镜的轴对中，结构简单。
附图说明
图1是表示具有本发明的实施方式中的激光离子源的重粒子线治疗装置的构成的一例的图。
图2是表示本发明的激光离子源的第一实施方式的构成的概略剖面图。
图3是表示图2的透镜安装机构的放大剖面图。
图4是表示本发明的激光离子源的第二实施方式的透镜安装机构的放大剖面图。
图5是表示本发明的激光离子源的第三实施方式的构成的概略剖面图。
图6是表示图5的透镜安装机构的放大剖面图。
图7是表示本发明的激光离子源的第四实施方式的真空窗以及透镜安装机构的放大剖面图。
图8是表示本发明的激光离子源的第五实施方式的真空窗以及透镜安装机构的放大剖面图。
图9是表示本发明的激光离子源的第六实施方式的构成的概略剖面图。
图10是表示图9的反射镜安装机构的放大图。
符号说明
1：真空容器；1a：入射窗；2：靶；3：透镜安装机构；4：聚光透镜；5：激光消融等离子体；6：离子；7：绝缘管；8：线性加速器；9：输送管；10：电极；11：电极；12：透镜保持器；12a：压环；12b：固定环；12c：小螺栓；12d：压环；13：O形环；13a：O形环；14：保持器安装部件；15：真空窗；16：可动透镜保持器；16a：压环；17：反射镜；17a：反射镜保持器；20：激光离子源；30a：X用电磁铁；30b：Y用电磁铁；31：真空管；40：加速器；50：剂量监视器部；60：脊形过滤器；70：射程移位器；80：控制器；201：患部；300：重粒子线治疗装置；L：激光
具体实施方式
下面参照附图对本发明的激光离子源的实施方式以及具有该激光离子源的重粒子线治疗装置的实施方式进行说明。
（重粒子线治疗装置）
图1是表示具有本发明的实施方式中的激光离子源的重粒子线治疗装置的构成的一例的图。
如图1所示，重粒子线治疗装置300具有激光离子源20、含有线性加速器8（图2所示）的加速器40、X用电磁铁30a、Y用电磁铁30b、真空管31、剂量监视器部50、脊形过滤器60、射程移位器（range shifter）70、控制器80等。
重粒子线治疗装置300为，将激光离子源20产生的重粒子等离子体通过加速器40加速为高速而生成粒子线束，将该粒子线束朝向患者200的患部（肿瘤细胞）201照射而使重粒子离子进行作用从而进行治疗的装置。在重粒子线治疗装置300中，将患部201离散化为三维格子点，能够对各格子点依次扫描小径的粒子线束从而实施三维扫描照射法。
具体地，将患部201在粒子线束的轴方向上（图1右上所示的坐标系中的Z轴方向）以称做切片的平板状的单位进行分割，对分割后的切片Zi、切片Zi+1、切片Zi+2等各切片的二维格子点（图1右上所示的坐标系中的X轴和Y轴的格子点）依次进行扫描而进行三维扫描。
将激光离子源20产生的重粒子离子通过线性加速器8、同步加速器等的加速器40加速到能够到达患部201的深处的能量而生成粒子线束。
在X方向上进行扫描的X用电磁铁30a和在Y方向上进行扫描的Y用电磁铁30b使粒子线束向X方向和Y方向偏向，在切片面上进行二维扫描。射程移位器70控制患部201的Z轴方向的位置。射程移位器70例如由多个厚度的亚力克板构成，通过将这些亚力克板进行组合而能够将通过射程移位器70的粒子线束的能量、即体内飞射路程对应于患部201切片的Z轴方向的位置进行阶段性地变化。
由射程移位器70进行的体内飞射路程的大小通常被控制为等间隔地变化，该间隔相当于Z轴方向的格子点的间隔。另外，作为体内飞射路程的切换方法，除了如射程移位器70那样地在粒子线束的路径上插入衰减用的物体的方法之外，也可以采用通过上游设备的控制变更粒子线束的能量本身的方法。
脊形过滤器60是为了使称为布拉格尖峰的体内深度方向的剂量的陡峭的峰值扩散而设置的。在此，由脊形过滤器60进行的布拉格尖峰的扩散幅度设定为与切片的厚度即Z轴方向的格子点的间隔相等。
三维扫描照射用的脊形过滤器60，构成为排列多个剖面为大致等腰三角形的铝棒状部件。能够通过粒子线束经过等腰三角形时产生的路径长度的差异使布拉格尖峰的峰值扩散，能够通过等腰三角形的形状将扩散值设定为希望的值。
剂量监视器部50为用于监视照射的剂量的单元，在其箱体内通过由平行电极收集由粒子线的电离作用产生的电荷的电离箱、对从配置在箱体内的二次电子放出膜放出的二次电子进行计测的SEM（Secondary ElectronMonitor）装置等构成。
（激光离子源的第一实施方式）
图2是表示本发明的激光离子源的第一实施方式的构成的概略剖面图。图3是表示图2的透镜安装机构的放大剖面图。
如图2所示，真空容器1为具有优良的耐腐蚀性和耐药性并且放出气体少的材料，例如不锈钢制。在真空容器1的内部，配置有作为离子的元素或含有该元素的靶2。该靶2例如通过碳系的板状部件形成。
在真空容器1中，施加有来自未图示的高压电源的高电压。在生成正离子束时施加正电位，在生成负离子束时施加负电位。在本实施方式中，施加正的高电压。在真空容器1中，形成有未图示的排气口，该排气口与未图示的真空泵连接，真空容器1内被真空排气。
真空容器1，在壁面的一部分上，具体地在侧面的上部上形成有用于入射激光的入射窗1a。该入射窗1a上，固定有透镜安装机构3。在该透镜安装机构3上，安装有作为用于对激光L进行聚光的光学系统的聚光透镜4。从未图示的光源出射的激光L通过聚光透镜4而入射到真空容器1内后，聚光照射到靶2上。作为上述光源，能够利用例如CO2激光器或Nd-YAG激光器。
在真空容器1的一个侧面上（在图2中为右侧面），设置有用于取出离子的输送管9。在该输送管9内，配置有通过施加正电场排除不需要的离子的电极10。输送管9为正的高电位，设置在保持真空的绝缘管7内。该绝缘管7一端与真空容器1的侧面连接，另一端与接地电位的线性加速器（RFQ:Radio Frequency Quadrupole）8连接。电极11为接地电位，配置于输送管9的轴方向延长线上的线性加速器8侧。电极11具有加强引出电场的功能。
透镜安装机构3通过将透镜保持器12（图3所示）焊接到真空容器1而被固定。该透镜保持器12形成为圆筒形状。在透镜保持器12内，如图3所示安装有聚光透镜4。该聚光透镜4被机械定位，由透镜保持器12支撑。透镜保持器12为了将聚光透镜4作为真空隔壁，将聚光透镜4压接密封在O形环13上。
用于压接聚光透镜4的机构，具有抵接于聚光透镜4的压环12a、介由该压环12a按压聚光透镜4的固定环12b、以及将该固定环12b固定在透镜保持器12上的小螺栓12c。
透镜保持器12、O形环13、压环12a以及固定环12b设置为同心状。压环12a由例如聚四氟乙烯（PTFE）树脂等不伤害聚光透镜4的材料形成。这样，聚光透镜4与真空容器1一体化，构成为真空隔壁。
下面，说明本实施方式的作用。
另外，真空容器1内，通过与未图示的排气口连接的真空泵等被充分排气。在真空容器1上，例如被施加了正电位，在输送管9上被施加了比真空容器1的电位高的正电位，在电极10上被施加了正电场，另外在电极11上被施加了接地电位。
该状态下，通过与真空容器1一体化的聚光透镜4，将来自于脉冲驱动的激光光源（未图示）的激光L聚光并照射在靶2上。通过聚光在靶2上的激光L，在激光聚光点上，靶2的微小部分被加热为高温。该加热为高温的部分等离子体化，生成激光消融等离子体5。
该激光消融等离子体5，通过正的高电位的输送管9输送，通过该输送管9与接地电位的线性加速器8之间的电位差，只有需要的离子6被加速，形成离子束并入射到线性加速器8。在此，不需要的离子通过电极10被排除。离子束通过线性加速器8被进一步加速。
另外，用于聚光激光L的聚光透镜4，根据激光透镜4的焦点距离和真空容器1的形状，可以配置在真空容器1的内或外。但是，由于在焦点距离短的一方的靶2上的激光能量密度被提高，在生成价数多的离子时一般将聚光透镜4配置在真空容器1内。该情况下，一般地将激光L透过的真空窗作为真空隔壁，将聚光透镜4配置在真空容器1内的光轴上。
在本实施方式中，由于可以在真空容器1内的等离子体生成部省去反射镜和聚光透镜4，因此不需要更换反射镜和透镜、它们的污垢防止机构，能够使结构简单化。
另外，在本实施方式中，将聚光透镜4作为真空隔壁，不需要真空窗，因此在削减构成要素的同时能够降低激光L的损失。
另外，在本实施方式中，将聚光透镜4作为真空隔壁，因此不需要真空窗的构成要素。另外，由于将聚光透镜4与真空容器1一体化，能够不需要聚光透镜4的轴对中。
通过这样的本实施方式，能够使聚光透镜4的轴对中简单，并且结构简单。
（聚光离子源的第二实施方式）
图4是表示本发明的激光离子源的第二实施方式的透镜安装机构的放大剖面图。另外，在以下的激光离子源的各实施方式中，与上述第一实施方式相同或对应的部分上附与了相同的符号并省略了重复说明。
如图4所示，本实施方式中，将上述第一实施方式的聚光透镜4构成为能够在激光光轴方向移动。具体地，在保持器安装部件14的内周面上刻设阴螺纹，在透镜保持器12的外周面上刻设与该阴螺纹螺合的阳螺纹。保持器安装部件14形成为圆筒状，通过焊接而固定在真空容器1上。
由此，通过使透镜保持器12旋转，能够将聚光透镜4在激光光轴方向移动而调整焦点位置。
透镜保持器12的真空密封结构构成为与上述第一实施方式相同。另外，在透镜保持器12和保持器安装部件14之间，通过例如透镜保持器12上固定的O形环13a能够真空密封。
通过这样的本实施方式，能够不需要聚光透镜4的轴对中，并且将聚光透镜4作为真空隔壁不需要破坏真空状态就能够在光轴方向上移动聚光透镜4而调整焦点位置。
（激光离子源的第三实施方式）
图5是表示本发明的激光离子源的第三实施方式的构成的概略剖面图。图6是表示图5的透镜安装机构的放大剖面图。
如图5和图6所示，本实施方式利用真空窗15和O形环13将上述第一实施方式的透镜保持器12的真空隔壁密封，在真空隔壁外配置聚光透镜4。
真空窗15优选为例如由透过激光L的玻璃等材质成形，在表面实施了反射防止镀层等、高效透过激光L的部件。在真空窗15的真空隔壁外，配置有用于防止损害真空窗15和聚光透镜4的聚四氟乙烯（PTFE）树脂等的压环12d。聚光透镜4通过压环12a按压在压环12d侧，通过对固定环12b进行小螺栓固定而被固定。
通过这样的实施方式，通过利用真空窗15作为真空隔壁，在聚光透镜4上不会附着消融粒子引起的污垢。
另外，通过本实施方式，由于在真空容器1上一体设置了聚光透镜4和真空窗15，因此不需要聚光透镜4的轴对中。
另外，在本实施方式中，通过改变压环12a、12d的厚度，能够进行聚光透镜4的光轴方向的位置调整。
（激光离子源的第四实施方式）
图7是表示本发明的激光离子源的第四实施方式的真空窗和透镜安装机构的放大剖面图。
如图7所示，本实施方式除了上述第三实施方式的构成外，将透镜保持器12的聚光透镜4构成为能够在激光光轴方向移动。具体地，在保持器安装部件14的真空侧配置有真空窗15。该真空窗15通过压环12a按压在O形环13侧，通过小螺栓固定固定环12b而被固定。
可动透镜保持器16形成为圆筒状，与保持器安装部件14同心状设置。在本实施方式中，在保持器安装部件14的内周面上刻设阴螺纹，在可动透镜保持器16的外周面上刻设与该阴螺纹螺合的阳螺纹。由此，通过旋转可动透镜保持器16，能够在激光光轴方向上调整聚光透镜4的位置。其结果，能够调整聚光透镜4的焦点位置。
在可动透镜保持器16上，利用压环16a固定有聚光透镜4。虽然在图6中省略，但是压环16a与真空窗15同样地能够通过小螺栓固定而固定。另外，通过改变压环16a的轴方向的长度，也能够在激光光轴方向上调整聚光透镜4的位置。
通过这样的本实施方式，不需要进行聚光透镜4的轴对中也不需要破坏真空状态就能在真空外在光轴方向上调整聚光透镜4的位置。
（激光离子源的第五实施方式）
图8是表示本发明的激光离子源的第五实施方式的真空窗和透镜安装机构的放大剖面图。
如图8所示，本实施方式构成为，使上述第三实施方式的透镜保持器12的聚光透镜4和真空窗15在激光光轴方向能够移动。具体地，真空窗15和激光透镜4与透镜保持器12一体设置。
另外，在本实施方式中，在保持器安装部件14的内周面上刻设阴螺纹，在透镜保持器12的外周面上刻设与该阴螺纹螺合的阳螺纹。由此，通过旋转透镜保持器12，能够在激光光轴方向上调整聚光透镜4和真空窗15的位置。因此，能够调整聚光透镜4的焦点位置。
另外，在本实施方式中，真空窗15通过O形环13密封，保持器安装部件14和透镜保持器12之间通过O形环13a密封。
通过这样构成的本实施方式，不需要进行聚光透镜4的轴对中也不需要破坏真空状态就能在光轴方向上调整聚光透镜4的位置。
（激光离子源的第六实施方式）
图9是表示本发明的激光离子源的第六实施方式的构成的概略剖面图。图10是表示图9的反射镜安装机构的放大图。
如图9以及图10，本实施方式，在上述第三实施方式的激光离子源中，反射镜保持器17a固定在真空容器1的外侧面，将反射镜17安装在反射镜保持器17a上。反射镜17是使激光L入射到聚光透镜4的部件。
反射镜保持器17a由金属薄板等不振动地具有再现性的材质构成。在反射镜保持器17a上，设置有机械的位置调整机构，通过该位置调整机构将反射镜17的激光L相对于聚光透镜4进行轴对中。
通过这样的本实施方式，利用反射镜保持器17a将反射镜17和真空容器1一体化，由此，能够自由选择反射镜17的设置位置，无需进行聚光透镜4的轴对中。
（其他实施方式）
对本发明的多个实施方式进行了说明，但是这些实施方式只是作为例子进行的提及，目的不在于限定发明的范围。这些实施方式能够在各种其他的实施方式中实施，在不脱离本发明的主旨范围内能够进行各种省略、替换、变更以及组合。这些实施方式以及其变形，与发明的范围以及主旨中所包含的内容一样，包含在与权利要求记载的发明等同的范围内。
例如，在上述激光离子源的第一实施方式中，将透镜保持器12固定在真空容器1的入射窗1a上，将聚光透镜4安装在该透镜保持器12上，但不限于此，也可以直接将聚光透镜4安装在真空容器1的入射窗1a上。
另外，在上述激光离子源的第二至第五实施方式中，可以结合第六实施方式的构成。

Claims (6)

1.一种激光离子源，其特征在于，具有：
真空容器，被真空排气，形成有用于入射激光的入射窗；
靶，配置在上述真空容器内，通过上述激光的照射而产生离子；以及
聚光透镜，将上述激光聚光到上述靶，
在上述真空容器的入射窗设置有上述聚光透镜，将该聚光透镜作为真空隔壁。
2.一种激光离子源，其特征在于，具有：
真空容器，被真空排气，形成有用于入射激光的入射窗；
靶，配置在上述真空容器内，通过上述激光的照射而产生离子；
真空窗，设置在上述真空容器的入射窗，具有真空隔壁功能，用于导入上述激光；以及
聚光透镜，设置在上述真空容器外，通过上述真空窗将上述激光聚光到所述靶。
3.如权利要求1或2所述的激光离子源，其特征在于：能够在上述激光的光轴方向上移动上述聚光透镜。
4.如权利要求2所述的激光离子源，其特征在于：将上述真空窗和上述聚光透镜配置在上述激光的光轴方向，能够在上述激光的光轴方向上一体移动上述真空窗和上述聚光透镜。
5.如权利要求1或2所述的激光离子源，其特征在于：将反射镜保持器固定在上述真空容器的外表面，在反射镜保持器上安装有用于将上述激光导入到上述真空容器内的反射镜。
6.一种重粒子线治疗装置，其特征在于，具有权利要求1或2所述的激光离子源。
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