CN104703381A - 圆形加速器以及粒子线治疗装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种不损害线束的稳定性、维持紧凑性、可利用范围广的能量的线束的圆形加速器。根据实施方式，圆形加速器具备：使线束入射的入射用偏转器；使从入射用偏转器入射的线束回旋而形成回旋轨道的偏转电磁铁；每当线束入射则改变线束相对于回旋轨道中心的位置的入射轨道调整用电磁铁；四极电磁铁和六极电磁铁，其是当线束出射时调整励磁量并将从线束的稳定区域偏离的共振区域的线束取出的取出用电磁铁；以及将从共振区域取出的线束取出到外部的出射用偏转器；使线束从回旋轨道的内侧入射，并且使线束向回旋轨道的外侧出射。

Description

圆形加速器以及粒子线治疗装置
技术领域
本发明涉及圆形加速器(circular accelerator)以及使用其的粒子线治疗装置(ion therapy system)。
背景技术
通常，在照射将带电粒子加速而得到的高能(high energy)的线束(beam)来进行治疗的粒子线治疗装置中，需要根据照射部位和深度来调整照射线束的体内射程。
在这样的粒子线治疗装置中，主要使用圆形加速器。该圆形加速器中，可以考虑通过改变出射的线束能量(beam energy)而对照射线束(irradiationbeam)的体内射程进行调整的可变能量(variable energy)照射方法。
例如，在用出射用设备实现与回旋线束(circulating beam)的分离(separation)后，用偏转角更大的例如切割电磁铁(septum magnet)那样的其他出射用设备使得向反方向偏转。
此外，可以考虑通过控制向圆形加速器的高频加速空洞施加的高频电压的参数(parameter)，使从回旋轨道取出的带电粒子的出射电流变更，生成照射线束的方法。作为粒子线治疗装置的现有技术，有JP2012－22776A。此外，作为圆形加速器的现有技术，有JP2011－198748A。
然而，在上述圆形加速器和粒子线治疗装置中，根据线束的能量，回旋的线束的尺寸(纵横宽度)变化。特别是，在想要以线束的尺寸大的低能量出射线束的情况下，无法充分确保圆形加速器内的构成设备与线束之间的空间上的宽绰(以下称作余隙(clearance))，无法将线束稳定出射。因此，为了减少由于构成设备而消失的线束(即，为了稳定出射)，可以考虑增大余隙，但会新产生圆形加速器自身变大的问题。
发明内容
因此，本发明的实施方式是为了解决上述课题而做出的，目的在于提供能够在维持圆形加速器自身的紧凑性的同时，以范围广的能量将线束稳定出射的圆形加速器以及粒子线治疗装置。
为了达成上述目的，本实施方式的圆形加速器的特征在于，具备：使线束入射的入射用偏转器；使从上述入射用偏转器入射的上述线束回旋而形成回旋轨道的偏转电磁铁；每当上述线束入射就改变上述线束相对于上述回旋轨道中心的位置的入射轨道调整用电磁铁；当线束出射时调整励磁量并将从上述线束的稳定区域偏离的共振区域的上述线束取出的取出用电磁铁；以及将从上述共振区域取出的上述线束取出到外部的出射用偏转器；使上述线束从上述回旋轨道的内侧入射，并且使上述线束向上述回旋轨道的外侧出射。
此外，本实施方式的圆形加速器的特征在于，具备：使线束入射的入射用偏转器；使从上述入射用偏转器入射的上述线束回旋而形成回旋轨道的偏转电磁铁；每当上述线束入射则改变上述线束相对于上述回旋轨道中心的位置的入射轨道调整用电磁铁；当线束出射时调整励磁量并将从上述线束的稳定区域偏离的共振区域的上述线束取出的取出用电磁铁；以及将从上述共振区域取出的上述线束取出到外部的出射用偏转器；使上述线束从上述回旋轨道的外侧入射，并且使上述线束向上述回旋轨道的内侧出射。
本实施方式的粒子线治疗装置的特征在于，具备圆形加速器、前级加速器以及照射装置，该圆形加速器具有：使线束入射的入射用偏转器；使从上述入射用偏转器入射的上述线束回旋而形成回旋轨道的偏转电磁铁；每当上述线束入射则改变上述线束相对于上述回旋轨道中心的位置的入射轨道调整用电磁铁；当线束出射时调整励磁量并将从上述线束的稳定区域偏离的共振区域的上述线束取出的取出用电磁铁；以及将从上述共振区域取出的上述线束取出到外部的出射用偏转器；该前级加速器配置在上述圆形加速器的内侧，对上述入射用偏转器入射加速了的上述线束；该照射装置配置在上述圆形加速器的外侧，将由上述出射用偏转器取出的上述线束向照射对象照射。
此外，本实施方式的粒子线治疗装置的特征在于，具备：圆形加速器、前级加速器以及照射装置，该圆形加速器具有：使线束入射的入射用偏转器；使从上述入射用偏转器入射的上述线束回旋而形成回旋轨道的偏转电磁铁；每当上述线束入射则改变上述线束相对于上述回旋轨道中心的位置的入射轨道调整用电磁铁；当线束出射时调整励磁量并将从上述线束的稳定区域偏离的共振区域的上述线束取出的取出用电磁铁；以及将从上述共振区域取出的上述线束取出到外部的出射用偏转器；该前级加速器配置在上述圆形加速器的外侧，对上述入射用偏转器入射加速了的上述线束；该照射装置配置在上述圆形加速器的内侧，将由上述出射用偏转器取出的上述线束向照射对象照射。
根据本实施方式，能够在不损害圆形加速器自身的线束的稳定性且维持紧凑性的同时，将范围广的能量下的线束稳定出射。
附图说明
图1是表示第1实施方式的重粒子线治疗装置的概略平面图。
图2是表示图1的圆形加速器中从内周侧入射带来的多旋转入射的说明图。
图3是对于图1的圆形加速器中线束发射度(beam emittance)为250πmm·mrad和370πmm·mrad，分别表示各线束能量的各线束尺寸的说明图。
图4是表示图1的圆形加速器中利用三次共振的线束振幅的增大的说明图。
图5是表示图1的圆形加速器中能量为400MeV/u和140MeV/u的内侧入射的出射轨道的图。
图6是表示第1实施方式的比较例中能量为400MeV/u和140MeV/u的外侧入射的出射轨道的图。
图7是表示粒子线治疗装置的第2实施方式的概略平面图。
具体实施方式
以下，参照附图对圆形加速器以及粒子线治疗装置的实施方式进行说明。
(第1实施方式)
图1是表示重粒子、质子等的粒子线治疗装置中的一例即重粒子治疗装置(heavy ion therapy system)的第1实施方式的概略平面图。
如图1所示，本实施方式的重粒子线治疗装置大致具有圆形加速器1、线束入射系统20和线束输送系统30。本实施方式的圆形加速器1设置在水平面内。
圆形加速器1具备6个偏转电磁铁2、6个四极电磁铁3、2个六极电磁铁4、作为入射轨道调整用电磁铁的2个调整用电磁铁5、入射用偏转器7、出射用偏转器8、高频加速装置9和控制装置14。
6个偏转电磁铁2将入射的带电粒子束偏转，形成带电粒子束的回旋轨道。6个四极电磁铁3配置在各偏转电磁铁2之间，使带电粒子束收敛或发散以使带电粒子束稳定回旋。2个六极电磁铁4分别配置在入射用偏转器7与出射用偏转器8的中间位置，激励带电粒子束的电子回旋加速振动(betatron vibration)的三次共振，在相位空间(以带电粒子束的轨道的位置和角度为坐标的空间)上分割形成稳定区域和共振区域。此外，各四极电磁铁3以及各六极电磁铁4由用于在带电粒子束出射时调整它们的励磁量、将从带电粒子束的稳定区域偏离的共振区域的带电粒子束缓慢取出的取出用电磁铁构成。
2个调整用电磁铁5在带电粒子束的入射期间，按入射的每个定时使带电粒子束向相对于回旋轨道的中心不同的位置入射。入射用偏转器7配置在2个调整用电磁铁5之间，使由后述的前级加速器21加速了的带电粒子束入射。出射用偏转器8使带电粒子束偏转以用于出射。高频加速装置9是产生用于将带电粒子束加速或减速的高频电场的装置。
控制装置14由未图示的计算机、存储装置、各种电源电路等电路构成。控制装置14对全部的四极电磁铁3以及全部的六极电磁铁4的励磁量进行控制，在带电粒子束出射时调整励磁量。
另外，图1中，从控制装置14向全部的四极电磁铁3和六极电磁铁4表示箭头是繁琐的，因此为了避免该情况，将从控制装置14向四极电磁铁3和六极电磁铁4的箭头各表示1个，省略其他的线。
线束入射系统20配置在圆形加速器1的线束回旋轨道的内侧，具备将带电粒子束加速并使其向上述入射用偏转器7入射的前级加速器21、线束入射系统四极电磁铁22、以及线束入射系统偏转电磁铁23。
线束输送系统30配置在圆形加速器1的线束回旋轨道的外侧，具备线束输送系统四极电磁铁31、线束输送系统偏转电磁铁32、以及照射装置33。
本实施方式中，从圆形加速器1的线束回旋轨道的内侧入射带电粒子束，向圆形加速器1的线束回旋轨道的外侧出射带电粒子束，但也可以是从线束回旋轨道的外侧入射带电粒子束、向线束回旋轨道的内侧出射带电粒子束的结构。
接着，基于图2至图5说明本实施方式的作用。
图2是表示图1的圆形加速器1中从内周侧入射带来的多旋转入射的说明图。图3是对于图1的圆形加速器1中线束发射度为250πmm·mrad和370πmm·mrad分别表示各线束能量的各线束尺寸的说明图。图4是表示图1的圆形加速器1中利用三次共振的线束振幅的增大的说明图。图5是表示图1的圆形加速器1中能量为400MeV/u和140MeV/u的内侧入射的出射轨道的图。
首先，示意性地说明本实施方式的动作。由配置在圆形加速器1的线束回旋轨道内侧的前级加速器21发生并加速的带电粒子束，利用入射用偏转器7而从圆形加速器1的内侧朝向线束回旋轨道方向的偏转电磁铁2入射。并且，利用高频加速装置9，使该带电粒子束加速到所需能量。然后，带电粒子束利用出射用偏转器8向圆形加速器1的外侧出射，照射到照射装置33。
接着，详细说明本实施方式的动作。
当从前级加速器21向圆形加速器1入射带电粒子束时，如图2所示，利用入射前级的调整用电磁铁5，形成使回旋线束的中心轨道10向配置有入射用偏转器7的内周侧位移的入射凸轨(injection bump orbit)11。
并且，带电粒子束的入射中，使入射凸轨11从入射用偏转器7的位置位移到中心轨道10的位置。也就是说，通过一边使调整用电磁铁5的励磁量降低一边入射带电粒子束，能够按入射的每个定时向不同的位置入射带电粒子束。由此，线束强度增强。该入射方式作为多旋转入射而公知。
图2中，带电粒子束入射时的入射凸轨11与入射线束轨道(injectedbeam orbit)12之差(间隔)越大，相对中心轨道10的线束振幅越大。因而，当调整用电磁铁5的励磁快要结束时，线束振幅增大，入射的带电粒子束不再得到相对于入射用偏转器7的余隙。即，由于碰撞到入射用偏转器7的带电粒子束消失，因此入射的带电粒子束的最大尺寸由入射用偏转器7的位置确定。
入射后的带电粒子束由高频加速装置9加速，从而通过绝热收缩而缩小为与能量相应的线束尺寸。
图3示出入射能量为4MeV/u的带电粒子束被圆形加速器1加速后的线束尺寸。具体而言，图3示出入射能量为4MeV/u的带电粒子束的线束发射度为250πmm·mrad和370πmm·mrad分别加速后的线束尺寸。这里，线束发射度表示带电粒子束在相位空间上所占的面积。
如图3所示，线束发射度为250πmm·mrad的情况下，当被加速到能量140MeV/u时，其线束发射度成为40.8πmm·mrad。同样，线束发射度为370πmm·mrad的情况下，其线束发射度成为60.4πmm·mrad。
进而，线束发射度为250πmm·mrad的情况下，当被加速到能量430MeV/u，其线束发射度成为21.8πmm·mrad。同样，线束发射度为370πmm·mrad的情况下，其线束发射度成为32.3πmm·mrad。
这样，线束能量越大，线束发射度越小。即，可知线束尺寸变小。
在带电粒子束出射时，通过控制装置14来调整各四极电磁铁3和各六极电磁铁4的励磁量。由此，使带电粒子束接近于被称为共振的不稳定状态，缩窄回旋线束的稳定区域。从稳定区域偏离的共振区域的带电粒子束的振幅被增大。并且，通过增大的振幅，带电粒子束最终扩展到在圆形加速器1的线束回旋轨道的外周侧配置的出射用偏转器8的位置，从而被向外侧取出。这作为延迟取出方法而公知。
图4将利用三次共振而增大线束振幅的状态在相位空间上表示。图4中，横轴是与水平方向的带电粒子束的进行方向垂直的方向(X轴方向)，纵轴是表示将X轴方向的位移用带电粒子束的进行方向的位移进行了微分的微分值的X′轴。
通过在圆形加速器1内回旋的大量粒子的电子回旋加速振动的三次共振、和针对该大量粒子的六极电磁铁4的六极磁场的摄动，如在图4所示的横向相位空间(横轴为X轴，纵轴为X’轴)上所见那样，粒子线的线束被分为稳定区域和共振区域。由于粒子线的线束中的以三角形描绘的稳定区域的外侧成为共振区域，所以进入到共振区域中的粒子的电子回旋加速振幅增大，由出射用偏转器8从圆形加速器1取出。
并且，从圆形加速器1取出的带电粒子束，经线束输送系统30的线束输送系统四极电磁铁31和线束输送系统偏转电磁铁32，输送到照射装置33。由该照射装置33照射到作为照射对象的患者的患部，用于癌症治疗等。
图5示出了将带电粒子束从圆形加速器1的内侧入射并加速到400MeV/u和140MeV/u的线束能量、被圆形加速器1的外侧的出射用偏转器8取出之前在圆形加速器1内的最后3周。横轴是3周的长度，纵轴是距圆形加速器1内的中心的距离。
如图5所示，在没有对入射的带电粒子束的干扰的范围内，出射用偏转器8的位置配置在最中心轨道侧。
通过使带电粒子束成为内侧入射以及外侧出射，当使最大能量为400MeV/u时，从该最大能量到其一半以下的能量140MeV/u，不对入射用偏转器7进行干扰，出射线束轨道的余隙充足，能够稳定出射。
这里，从圆形加速器1的内侧入射带电粒子束并向圆形加速器1的内侧出射带电粒子束的情况、以及从圆形加速器1的外侧入射带电粒子束并向圆形加速器1的外侧出射带电粒子束的情况下，线束尺寸大的低能量区域中，带电粒子束中受到干扰而碰撞到入射用偏转器7的带电粒子束消失。因此，无法充分确保出射线束轨道的余隙，无法稳定出射带电粒子束。
图6示出了，将带电粒子束从圆形加速器1的外侧入射并加速到400MeV/u和140MeV/u的线束能量、被圆形加速器1的外侧的出射用偏转器8取出之前在圆形加速器1内的最后3周。
如图6所示，通过使带电粒子束成为外侧入射，对于最大能量的一半以下的能量的出射，无法对入射用偏转器7充分得到出射线束轨道的余隙，无法稳定出射带电粒子束。
即，通过使带电粒子束外侧出射，当使最大能量为400MeV/u，从该最大能量到其一半以下的能量140MeV/u中，带电粒子束对入射用偏转器7进行干扰，无法充分得到出射线束轨道的余隙，无法将带电粒子束稳定出射。
这样，根据本实施方式，从圆形加速器1的线束回旋轨道的内侧入射带电粒子束，向圆形加速器1的线束回旋轨道的外侧出射带电粒子束，从而能够在不损害圆形加速器1自身的带电粒子束的稳定性且维持圆形加速器1的紧凑性的同时，以范围广的能量稳定出射。
结果，根据本实施方式，能够以大能量范围得到稳定的带电粒子束，因此特别是在用于粒子线治疗装置的情况下，能够根据作为照射对象的患者的照射部位和深度，大范围调整照射线束的体内射程。
(第2实施方式)
图7是表示粒子线治疗装置的第2实施方式的概略平面图。另外，对于与上述第1实施方式相同的结构附加同一附图标记而省略重复说明。其他的实施方式也同样。
如图7所示，第2实施方式中，除了上述第1实施方式中的配置结构以外，在带电粒子束的回旋方向上，在出射用偏转器8的前后，配置有至少2台以上的作为出射轨道调整用电磁铁的调整用电磁铁6。这些调整用电磁铁6在带电粒子束出射时励磁。由此，在出射用偏转器8的位置，使线束轨道位移，即在外侧形成用于使带电粒子束接近而将其取出的出射凸轨。
这样，根据第2实施方式，通过在出射用偏转器8的前后至少配置2台以上的调整用电磁铁6，使出射用偏转器8的位置上的闭轨道位移。由此，能够容易向出射用偏转器8导入带电粒子束。其他结构及作用与上述第1实施方式相同而省略说明。
另外，第2实施方式也能应用于上述第1实施方式。该情况下，调整用电磁铁6在出射用偏转器8的位置使线束轨道位移，即形成用于使带电粒子束接近内侧而将其取出的出射凸轨。通过这样构成，能够得到与第2实施方式同样的效果。
(第3实施方式)
上述第1及第2实施方式中，圆形加速器1内的回旋线束具有分布，形成比中心能量大的线束向外周侧位移、比中心能量小的线束向内周侧位移的闭轨道。通过使向圆形加速器1入射的带电粒子束的运动量方差函数为正的值，能量大的带电粒子束向闭轨道的外侧入射，能量小的带电粒子束向内侧入射，因此能够抑制由能量的偏差产生的入射线束的振幅。
此外，在运动量方差函数为零的状态下将带电粒子束从内侧入射时，运动量方差函数成为正的值。另一方面，运动量方差函数为零的带电粒子束即使穿过四极电磁铁3，方差函数也维持零不变。
已知通过使用3台以上的四极电磁铁3，带电粒子束的水平方向、铅垂方向的线束尺寸能够在一定程度的范围内控制。因此，在内侧入射的近身处设置运动量方差为零的线束线(beam line)，配置3台以上的四极电磁铁3。由此，出射了入射用偏转器7的位置的运动量方差维持由其偏转角确定的正的固定值而实现仅线束尺寸的调整。结果，能够容易地进行线束入射条件的优化。
(其他实施方式)
对本发明几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提示的，并不意欲限定发明的范围。这些实施方式能够以其他各种形态实施，在不脱离发明主旨的范围内，能够进行各种省略、替换、变更、组合。这些实施方式及其变形包含在发明的范围及主旨中，同样包含在权利要求所记载的发明及其同等范围内。
例如，上述各实施方式中，通过在带电粒子束出射时将用于形成回旋轨道的偏转电磁铁2的励磁量变更并使闭轨道整体位移，能够进一步增大与圆形加速器1的入射用偏转器7之间的余隙。
此外，上述各实施方式中，在带电粒子束出射时，通过将入射时使用的调整用电磁铁5与入射时反极性地励磁，能够使闭轨道远离入射用偏转器7。由此能够进一步增大余隙。
进而，上述各实施方式中，在带电粒子束入射时，在使入射凸轨位移的中途停止入射线束的导入。这样，若减小初始的线束尺寸，则即使相同的带电粒子束出射时的线束尺寸也能够处理更低能量的线束，能够增加带电粒子束出射可利用的能量宽度。
此外，上述各实施方式中，对设置线束输送系统30并应用于重粒子线治疗装置的情况进行了说明，但不限于此，例如也能够将高能的带电粒子束用于物理学实验等那样的各种用途。

Claims (10)

1.一种圆形加速器，其特征在于，
具备：
入射用偏转器，使线束入射；
偏转电磁铁，使从上述入射用偏转器入射的上述线束回旋而形成回旋轨道；
入射轨道调整用电磁铁，每当上述线束入射，就改变上述线束相对于上述回旋轨道中心的位置；
取出用电磁铁，当线束出射时调整励磁量，将从上述线束的稳定区域偏离的共振区域的上述线束取出；以及
出射用偏转器，将从上述共振区域取出的上述线束取出到外部；
将上述线束从上述回旋轨道的内侧入射，并且将上述线束向上述回旋轨道的外侧出射。
2.如权利要求1记载的圆形加速器，其特征在于，
还具备用于当上述线束出射时使上述线束的轨道接近外侧而进行取出的出射轨道调整用电磁铁。
3.一种圆形加速器，其特征在于，
具备：
入射用偏转器，使线束入射；
偏转电磁铁，使从上述入射用偏转器入射的上述线束回旋而形成回旋轨道；
入射轨道调整用电磁铁，每当上述线束入射，就改变上述线束相对于上述回旋轨道中心的位置；
取出用电磁铁，当线束出射时调整励磁量，将从上述线束的稳定区域偏离的共振区域的上述线束取出；以及
出射用偏转器，将从上述共振区域取出的上述线束取出到外部；
将上述线束从上述回旋轨道的外侧入射，并且将上述线束向上述回旋轨道的内侧出射。
4.如权利要求3记载的圆形加速器，其特征在于，
还具备用于当上述线束出射时使上述线束的轨道接近内侧而进行取出的出射轨道调整用电磁铁。
5.如权利要求1～4中任一项记载的圆形加速器，其特征在于，
当上述线束出射时，变更上述偏转电磁铁的励磁量，改变线束的中心轨道而进行取出。
6.如权利要求1～4中任一项记载的圆形加速器，其特征在于，
当上述线束出射时，将上述入射轨道调整电磁铁以反极性励磁，取得与上述入射用偏转器之间的余隙，同时进行出射。
7.如权利要求1～4中任一项记载的圆形加速器，其特征在于，
当上述线束入射时，在用上述入射轨道调整电磁铁将上述线束相对于上述回旋轨道中心的位置改变的中途停止上述线束的入射，减小入射初期的线束尺寸。
8.如权利要求1～4中任一项记载的圆形加速器，其特征在于，
当上述线束入射时，使上述入射用偏转器的运动量方差函数为正的值。
9.一种粒子线治疗装置，其特征在于，
具有圆形加速器、前级加速器和照射装置，
上述圆形加速器具有：
入射用偏转器，使线束入射；
偏转电磁铁，使从上述入射用偏转器入射的上述线束回旋而形成回旋轨道；
入射轨道调整用电磁铁，每当上述线束入射，就改变上述线束相对于上述回旋轨道中心的位置；
取出用电磁铁，当线束出射时调整励磁量，将从上述线束的稳定区域偏离的共振区域的上述线束取出；以及
出射用偏转器，将从上述共振区域取出的上述线束取出到外部；
上述前级加速器配置在上述圆形加速器的内侧，对上述入射用偏转器入射加速了的上述线束；
上述照射装置配置在上述圆形加速器的外侧，将由上述出射用偏转器取出的上述线束向照射对象照射。
10.一种粒子线治疗装置，其特征在于，
具有圆形加速器、前级加速器和照射装置，
上述圆形加速器具有：
入射用偏转器，使线束入射；
偏转电磁铁，使从上述入射用偏转器入射的上述线束回旋而形成回旋轨道；
入射轨道调整用电磁铁，每当上述线束入射，就改变上述线束相对于上述回旋轨道中心的位置；
取出用电磁铁，当线束出射时调整励磁量，将从上述线束的稳定区域偏离的共振区域的上述线束取出；以及
出射用偏转器，将从上述共振区域取出的上述线束取出到外部；
上述前级加速器配置在上述圆形加速器的外侧，对上述入射用偏转器入射加速了的上述线束；
上述照射装置配置在上述圆形加速器的内侧，将由上述出射用偏转器取出的上述线束向照射对象照射。
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