CN109923946A - 圆形加速器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可变能量且小型的加速器。在现有的回旋加速器中取出射束的能量变更是不可以的，同步加速器中不能小型化。其特征为：具有在之间形成磁场的一对磁铁、向上述磁铁之间射入离子的离子源、对上述离子进行加速的加速电极、向外部取出上述离子的射束射出路径，通过上述一对磁铁形成的、不同能量的上述离子分别进行旋转的环状的多个射束旋转轨道在一侧聚集，通过上述射束旋转轨道对上述加速电极向上述离子施加的高频电场的频率进行变调。

Description

圆形加速器

技术领域

本发明涉及对质子或碳离子等的重离子进行加速的加速器。

背景技术

粒子线治疗、物理实验等中使用的高能量原子核射束使用加速器而生成。得到每个核子的运动能量200MeV左右的射束的加速器中举出专利文献1、专利文献2记载的回旋加速器、专利文献3中记载的同步加速器、专利文献4中记载的可变能量加速器。回旋加速器的特征是用高频电场将在静磁场中旋转的射束加速的方面，随着加速射束增加其轨道的曲率半径，向外侧轨道移动，在到达最高能量之后取出。因此，取出的射束的能量被固定。同步加速器通过时间性地变化使射束偏向的电磁铁的磁场与加速的高频电场的频率，射束在恒定的轨道上旋转。因此，在到达设计上的最大能量之前也可取出射束，取出能量可以控制。可变能量加速器的特征为：在高频电场中加速与在回旋加速器相同的磁场中旋转的射束的同时，射束轨道伴随加速而向一方偏心。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2014-160613

专利文献2：日本特开2014-020800

专利文献3：日本特开2014-186939

专利文献4：国际公开公报2016-092621

发明内容

发明所需要解决的课题

专利文献1中记载的回旋加速器、专利文献4中记载的可变能量加速器通过使轨道上的平均磁场与射束的相对论的γ因子成比例，旋转时间不依据能量而为一定。将具有该性质的磁场分布称为等时性磁场。然后，在等时性磁场下通过沿轨道变调磁场而确保轨道面内与垂直于轨道面的方向上的射束稳定性。

如此，为了兼具等时性与射束的稳定性而需要磁场的极大部(Hill)与极小部(Valley)。具有该分布的不一样的磁场通过在Hill区域中使主电磁铁对置的磁极间的距离(间隙)变得狭窄、Valley区域中变得宽阔而形成。可是，Hill磁场与Valley的磁场的差是作为强磁性体的磁极材料的饱和磁通密度程度的界线。即，Hill磁场与Valley磁场的差被限制为2T左右。

另一方面，在使加速器小型化的情况下，需要提高主磁场、减小射束轨道的偏向半径，主磁场与上述的Hill磁场和Valley磁场的差存在比例关系，上述界线成为确定加速器的现实大小的主要因素。因此，尤其在可变能量加速器中，为了使射束轨道伴随加速而向一方向偏心地聚集而要求的磁场的差成为障碍，而具有小型化困难这样的课题。

用于解决课题的方法

为了解决上述壳体，例如采用在技术方案的范围内记载的结构。

本发明包括多种解决上述课题的方案，如果举出其中一例，其特征为：具备在之间形成磁场的一对磁铁、向上述磁铁之间射入离子的离子源、对上述离子进行加速的加速电极、向外部取出上述离子的射束射出路径，由上述一对磁铁形成的、不同能量的上述离子分别进行旋转的环状的多个射束旋转轨道在一侧聚集，通过上述射束旋转轨道对上述加速电极向上述离子施加的高频电场的频率进行变调。

发明效果

根据本发明，能够提供小型、且可变能量的加速器。

附图说明

图1是本实施例的加速器1的整体概略图。

图2是本实施例的加速器1的内部设备配置图。

图3是本实施例的加速器1的设计轨道形状。

图4是本实施例的加速器1的系统构成图。

图5表示本实施例的加速器1的主磁场的能量依存性。

图6表示本实施例的加速器1的旋转频率的能量依存性。

图7是本实施例的加速器2的设计轨道形状。

图8表示本实施例的加速器2的主磁场的能量依存性。

图9表示本实施例的加速器2的旋转频率的能量依存性。

图10是本实施例的粒子线治疗系统的整体概略图。

具体实施方式

实施例1

以下使用图1～图4说明作为本发明的适合的一实施例的实施例1的加速器。本实施例的加速器1是具有可变能量性的频率调整型可变能量加速器。该加速器1是通过高频电场对时间性地在一定的磁场中旋转的质子进行加速的圆形加速器。在图1中表示其外观。加速器1在射束通过的区域(以下，称为射束通过区域)内通过能在上下分割的磁铁11激发主磁场，射束通过区域内部被抽真空。在磁铁11中具有多个贯通孔，在上下磁极的连接面上设置取出其中被加速的射束的取出射束用贯通孔111、用于向外部引出内部的线圈的引出孔112·113、高频电力输入用贯通孔114。通过高频电力输入用贯通孔114设置高频空胴21。如后述，在高频空胴21中设置加速用的D形盒电极部与旋转式可变容量电容器212。另外，在磁铁11的上部中从中心偏离的位置、径向不同的位置上设置离子源12，射束通过射束入射用贯通孔115射入加速器1内部。

其次，关于加速器的内部结构使用图2进行说明。磁铁11的内部具有由圆筒状内壁形成的圆筒状的射束通过区域20，圆环状的线圈13沿内壁设置。通过在线圈13中流经电流，磁铁11磁化，在射束通过区域20中以后述的预定的分布激发磁场。磁极15在线圈13的内侧上下对置，以形成射束通过区域20的上下边界的方式设置，线圈13的外侧具备圆筒状的回动轭14。射束一边在射束通过区域20中旋转一边进行加速。取出射束的能量是最小70MeV至最大235MeV，射束的旋转频率是59～76MHz。由磁极15形成的磁场呈沿射束轨道一样、且随着能量变高而磁场下降的分布。即，形成径向外侧的磁场降低的磁场。在这样的磁场下，相对于射束的轨道面内与垂直于轨道面的方向稳定地进行电子回旋振动。除此之外，具备激发高频电场的D形盒电极31·32、取出用隔垫电磁铁40、推进磁场发生用的线圈50、磁场分布调整用线圈60。推进磁场如后面说明采用仅在加速器径向的特定位置上施加磁场的无质量隔垫方式。由于在相对于射束轨道面垂直的方向上面对称地设置的一对线圈中流经电流而激发推进磁场。射束以低能量的离子状态从入射点120向加速器1射入。射入的射束通过由高频空胴激发的高频电场而在每次通过电场间隙时被加速。该加速器1以随着射束的加速而射束的轨道中心在同一面内上向一方向移动的方式确定主磁场分布。另外，在中心面上以主磁场的面内成分为0的方式，磁极形状与线圈配置相对于中心面为面对称。主磁场分布为相对于中心面内的轴AA'而左右对称分布的结果，磁极15与D形盒电极31·32的形状为左右对称的形状。在磁极15中设置磁场的微调整用的修整线圈60，以确保电子回旋振动稳定的方式在运转前调整修整线圈电流。

其次，关于在本加速器中旋转的射束的轨道进行叙述。各能量的轨道在图3中表示。旋转轨道用实线表示从最大能量235MeV每隔磁力刚性率0.04Tm的50能量种的轨道。虚线是将各轨道的相同的旋转相位连结的线，称为等旋转相位线。等旋转相位线从汇集区域每隔旋转相位π/20进行标示。形成于与高频空胴31·32对置的接地的电极35之间的加速间隙沿等旋转相位线设置。在4MeV以下的低能量区域中与回旋加速器同样为将离子的入射点附近作为中心的轨道，成为比10MeV大的能量的轨道在取出用隔垫电磁铁的入射点附近密集地聚集、相反在设置无质量隔垫线圈50的区域中各轨道处于相互离开的位置关系。将该轨道密集地聚集的区域称为聚集区域、将该轨道相互离散的区域称为离散区域。在离散区域中，在中心面内的宽阔的区域中根据能量而射束扩大，通过适当地确定由无质量隔垫线圈引起的磁场的激发位置，与该激发位置对应的能量的射束受到推进。由于该推进而从预定的设计轨道偏离的射束射入设置于半周下游的聚集区域中的隔垫电磁铁中。隔垫电磁铁对射束施加在取出路径140上的确定的设计轨道中加入取出射束所需要的偏向。具体的说，在图2中，在设置于右侧的线圈中激发增强主磁场的方向的磁场，在左侧激发抵消主磁场的方向的磁场，在取出路径140中引导射束。

为了产生如上述的在轨道结构与在轨道周边的稳定的振动，在本实施例的加速器1中使用磁场值随着向设计轨道的偏向径向外侧而变小的主磁场分布。另外，磁场沿设计轨道是恒定的。因此，设计轨道为圆形，随着射束能量升高，其轨道半径·旋转时间增大。

基于式(1)关于设计轨道详细地说明。

数1

其中，ρ表示设计轨道的偏向半径，B表示磁场强度，δB/δr表示半径方向的磁场斜度。

式(1)中定义的被规格化的磁场斜度n在比0大且小于1时从设计轨道向半径方向微小地偏离的粒子受到如返回设计轨道的恢复力的同时，向相对于轨道面垂直的方向偏离的粒子也从主磁场向返回轨道面的方向接受恢复力。即，如果对射束的能量适当地减小磁场，则从设计轨道偏离的粒子总是在要返回设计轨道的方向上作用有恢复力，在设计轨道附近振动。由此，可使射束稳定地旋转·加速。将该设计轨道作为中心的振动称为电子回旋振动。

上述的主磁场分布通过在主线圈13中流过预定的励磁电流，因磁极15被磁化而被激发。为了形成在离子的入射点增大磁场、向外周减小磁场的分布，为磁极15对置的距离(间隙)在入射点最小、向外周变大的形状。而且，磁极形状是相对于通过间隙中心的平面(轨道面)面对称的形状，在轨道面上仅具备垂直于轨道面的方向的磁场成分。而且，通过调整对设置于磁极面上的调整线圈20施加的电流进行磁场分布的微调整，激发预定的磁场分布。

高频空胴通过λ/4型的共振模式在加速间隙中激发电场。通过连接器211从外部高频电源中导入高频电力。高频空胴连接于插入间隙中的D形盒电极31·32，在D形盒电极31·32至接地电极35之间激发高频电场。在本发明的加速器中为了与射束的旋转同步地激发高频电场，与旋转中的射束的能量对应地对电场的频率进行变调。在使用如本发明中所使用的共振模式的空胴中需要在比共振幅度宽的范围中扫描高频的频率。因此，具有还变更空胴的共振频率的需要。该控制通过改变设置于空胴的端部的旋转式可变容量电容器212的静电容量而进行。旋转式可变容量电容器212通过旋转轴213的旋转角度控制产生于与旋转轴直接连接的导体板与外部导体之间的静电容量。即，伴随射束的加速使旋转轴213的旋转角度变化。

为了以目标的能量取出预定的取出射束，无质量隔垫线圈50的任一个或多个线圈流经基于目标能量选择的预定的励磁电流。目标能量的波速在无质量隔垫线圈(マスレスセプタム)50中未流经电流的情况下沿其设计轨道旋转，但若在无质量隔垫线圈50中流经电流，则达到目标能量的射束因无质量隔垫线圈50引起的推进磁场而从轨道偏离。从轨道偏离的射束如上述稳定地在设计轨道的周边振动。即，通过无质量隔垫线圈50激发轨道面内的电子回旋振动。在无质量隔垫线圈50引起的推进位置与聚集点的位置处于适当的位置关系时，能通过由无质量隔垫线圈50进行的推进在聚集点使射束向半径方向外侧位移。

叙述本加速器从射束入射至取出的射束的动作。本加速器的运转由入射·加速·取出三个步骤构成。

在入射步骤中，从配置于在径向上与圆环状的线圈13重心不同的位置的离子源12输出低能量的射束，通过位于作为最内周的旋转轨道的内侧的区域的入射部121的入射点120向射束通过区域导入射束。在经过后面所述的蓄积的过程之后，向射束通过区域20入射的射束一边接受由高频电场引起的加速、一边增大能量，并且增加轨道的旋转半径。

然后，射束在确保由高频电场产生的进行方向稳定性的同时进行加速。即，在高频电场为最大的时刻并不通过加速间隙，在高频电场时间性地减少时通过加速间隙。于是，高频电场的频率与射束的旋转频率以正好整数倍的比同步，因此以预定的加速电场的相位加速的粒子在下一次的旋转中以相同的相位接受加速。另一方面，由于以比加速相位早的相位加速的粒子相比于以加速相位加速的粒子其加速量大，因此在之后的旋转中以迟滞的相位接受加速。另外，相反有时候，由于以比加速相位慢的相位加速的粒子相比于以加速相位加速的粒子其加速量小，因此在下一侧的旋转中以提前的相位接受加速。如此，从预定的加速相位偏离的同步粒子向返回加速相位的方向动作，通过该作用，即使在由运动量与相位构成的相位平面(进行方向)内也能够稳定地振动。将该振动称为同步加速振动。即，加速中的粒子在进行同步加速振动的同时慢慢加速，到达被取出的预定的能量。

达到预定的能量的射束承受由无质量隔垫线圈引起的推进磁场的作用，从聚集点跨上通过由取出用隔垫电磁铁形成的射束取出路径140即射出通道，向加速器外取出。

关于实现该运转的动作流程，参照图4进行说明。图4是本加速器的方框图。主线圈13连接于主线圈电源131，无质量隔垫线圈50通过开关501连接于无质量隔垫线圈电源502，修整线圈60连接于修整线圈电源601，高频空胴21、22连接于高频波源231。开关501具有选择性地使电流流经多个无质量隔垫线圈内。各开关以及电源连接于控制装置70，控制其连接处、输出电流·输出高频的频率。另外，在高频空胴21的旋转式可变容量电容器212的旋转轴213上连接伺服电机214，接受由角度传感器产生的反馈的同时以来自控制装置70的指示控制为预定的旋转角度。

操作者首先向控制装置70输入取出射束的目标值。控制装置70从输入的能量值计算流经电流的无质量隔垫线圈·无质量隔垫线圈电流值。并且，以将预定的无质量隔垫线圈50与无质量隔垫线圈电源502连接的方式控制开关501。其次，以在无质量隔垫线圈中流经计算的励磁电流的方式控制电源502的输出。其次，使旋转轴213的旋转角度符合与入射时对应的值。此时，高频空胴21的共振频率在运转期间中是最高的状态，从高频电源231输出的高频的频率也与其一致而为最高的状态。

若成为该状态，则由于入射射束的准备结束，因此从离子源引出射束，通过入射部120向射束通过区域20导入离子。为了提高加速的射束量，在射束的旋转时间为10转左右，将从高频波源231输出的高频的频率与旋转轴213的旋转角度维持为恒定。并且，若经过预定的时间，则射束在进行方向相位空间中积蓄，成为宽相位宽度与运动量宽度的射束。接着，转移到加速步骤，使从高频电源231输出的高频的频率与高频空胴21的共振频率同步并慢慢下降。于是，上述同步加速振动的粒子在由高频频率的变化率而确定的加速相位附近同步振动，慢慢加速。并且，加速至取出的目标能量而被取出。若将在射束通过区域内旋转的射束全部取出，则将高频波源213再次输出的高频频率与高频空胴21的共振频率再次设定为入射时的值，恢复为能够发射射束的状态。反复该动作，能够以所希望的量取出预定能量的射束。

其次，在进行其他能量的射束的取出时，控制装置70从输入控制装置的取出射束的能量计算流经无质量隔垫线圈的励磁电流量与流经电流的线圈，配合这些控制开关501与无质量隔垫线圈电源50的输出电流。并且，确认磁场能够励磁并开始上述的入射程序。通过该顺序的重复，能够以任意顺序取出能取出范围内的任意能量的射束。

在此，关于在射束通过区域20中励磁的主磁场分布进行叙述。主磁场是沿各能量的轨道为相同的磁场，磁场的值作为射束能量的函数进行表示。在图5中表示本实施例的能量与主磁场的关系。入射点120附近磁场最高，为5T。另外，在作为最大可取出能量的235MeV中为4.86T，该情况下，聚集点中的射束轨道的径向磁场斜度为0.8T/m。该情况下，轨道上所有的点在式(1)中的规格化斜度为0以上且1以下，能够确保电子回旋振动的稳定。在此，通过在射束轨道将入射点附近作为中心而形成的内周上以磁场斜度与能量上升一起减少的方式而形成磁场，在射束轨道聚集于一侧的外周区域中以磁场斜度为大致线形的方式形成磁场，从而能进行稳定的旋转。

另外，如上述在本加速器中，伴随加速，射束的旋转频率降低。关于旋转频率的依存性在图6中表示。由于在59～76MHz的范围中变调射束的旋转频率，因此与其同步，变调高频频率。在此，通过在将入射点附近作为中心而形成射束轨道的内周上以频率斜度与能量上升一起减少的方式对高频波施加控制，在射束轨道聚集于一侧的外周区域中以频率斜度为大致线形的方式对高频波施加控制，能进行稳定的旋转。

通过以上的结构与旋转顺序，能够实现能使取出的射束的能量可变的小型的加速器。

总之在本实施例中，相对于射束轨道的偏向半径方向而降低磁场。而且，伴随加速而旋转的轨道在一方向上进行位移，形成能量不同的各轨道密集地聚集的区域(聚集点)、疏松地离散的区域(离散区域)。该情况下，由于丧失等时性，因此需要与射束加速同步地使因射束加速而激发的高频电场的频率，射束为脉冲状。并且，通过由在离散区域中设置的多个线圈而在特定能量的轨道周围激发推进磁场，从而能取出接受了推进的射束，通过选择性地控制激发推进磁场的位置而可取出多种能量，即能够确保可变能量性。而且，在使用本方法的加速器的情况下，磁场分布相比较于现有的回旋加速器、可变能量加速器简单，小型化容易。

实施例2

第二实施例在第一实施例中，是使加速核素为碳离子的结构。本加速器是将在每个核子运动能量为140MeV～430MeV的范围中能取出碳离子的频率可变调型的能量加速器。动作原理·设备结构·操作顺序由于与第一实施例相同而省略。由于不同的是轨道半径的大小和磁场与能量的关系、旋转频率与能量的关系，因此在图7～图9中表示那些关系。

在图7中在表示本加速器中旋转的射束的各能量的轨道。在图8中表示本实施例的能量与主磁场的关系。该情况下，聚集点中的射束轨道的半径方向磁场斜度为2T/m。该情况下，轨道上所有点中在式(1)中的规格化斜度为0以上且1以下，能够确保电子回旋加速振动的稳定。另外，关于本实施例中的旋转频率的依存性在图9中表示。在本加速器中如上述，伴随加速降低射束的旋转频率。由于在20～39MHz范围中变调射束的旋转频率，因此与之同步，变调高频频率。通过以上的结构与运转顺序，实现能使取出的射束的能量变化的小型加速器。

实施例3

第三实施例是使用在第一以及第二实施例中列举的加速器1的粒子线治疗系统1000。在图10中表示该粒子线治疗系统的整体形式。粒子线治疗系统具备加速器1、输送被加速的离子射束的输送装置2、照射输送的射束的照射装置3、保持照射射束的目标的定位装置4、控制装置71～72、治疗计划装置6。粒子线治疗系统根据搭乘在定位装置4的患者5的患部距离体表的深度而使照射的红外线或碳素线(以下统称为粒子线)的能量为适当的值而照射患者。照射的粒子线的能量通过由治疗计划装置6制作的治疗计划而确定，通过整体控制装置71向控制装置70中依次输入治疗计划确定的、粒子线的能量与照射量，与控制照射装置3的照射控制装置72协作，在照射适当的照射量的时候向下一个能量转移，再次通过照射粒子线的顺序能够实现粒子线治疗系统。

该情况下，比现有加速器小型、且不需要设置于回旋加速器等中所需要的输送系统中的能量变更装置，实现系统整体的小型化·低成本化。

符号说明

1—加速器，11—磁铁，12—离子源，13—主线圈，14—回动轭，15—磁极，20—射束通过区域，21—高频空胴，31～32—D形盒电极，40—取出用隔垫电磁铁，50—无质量隔垫用线圈，60—修整线圈，70—控制装置，71—整体控制装置，72—照射控制装置，111—取出射束用贯通孔，112～113—线圈连接用贯通孔，114—高频输入用贯通孔，115—射束入射用贯通孔，120—入射点，131—主线圈电源，140—射束取出路径，211—输入连接器，212—旋转式可变容量电容器，213—旋转轴，214—伺服电机，231—高频波源，501—开关，502—无质量隔垫线圈用电源，601—修整线圈电源，1000—粒子线治疗装置。

Claims (12)

1.一种加速器，其特征在于，

具有：

在之间形成磁场的一对磁铁；

向上述磁铁之间射入离子的离子源；

对上述离子进行加速的加速电极；以及

向外部取出上述离子的射束射出路径，

由上述一对磁铁形成的、不同能量的上述离子分别进行旋转的环状的多个射束旋转轨道在一侧聚集，

通过上述射束旋转轨道对上述加速电极向上述离子施加的高频电场的频率进行变调。

2.根据权利要求1所述的加速器，其特征在于，

在上述磁铁的径向的位置具有选择性地施加磁场的无质量隔垫线圈。

3.根据权利要求1所述的加速器，其特征在于，

上述加速电极向上述离子施加的高频电场的频率在59～76MHz的范围内进行控制。

4.根据权利要求1所述的加速器，其特征在于，

上述离子是碳元素。

5.根据权利要求4所述的加速器，其特征在于，

上述加速电极向上述离子施加的高频电场的频率在20～39MHz的范围内进行控制。

6.根据权利要求1所述的加速器，其特征在于，

上述射束旋转轨道以在预定的外周区域中多个上述轨道在一侧聚集且在预定的内周区域中不聚集的方式形成，

以相对于上述加速电极向上述离子施加的频率变调的能量的频率斜度在上述射束旋转轨道聚集于一侧的上述预定的外周区域中大致为线形的方式进行控制。

7.一种加速器，其特征在于，

具有：

在之间形成磁场的一对磁铁；

向上述磁铁之间射入离子的离子源；

对上述离子进行加速的加速电极；以及

向外部取出上述离子的射束射出路径，

由上述一对磁铁形成的、不同能量的上述离子分别进行旋转的环状的多个射束旋转轨道在一侧聚集，

由上述磁铁形成的磁场沿上述射束旋转轨道相同且随着能量变高而降低。

8.根据权利要求7所述的加速器，其特征在于，

在对置的上述磁铁中分别形成的磁极间的距离是在入射点附近小且向外周而变大的形状。

9.根据权利要求7所述的加速器，其特征在于，

就上述旋转轨道而言，在预定的能量以上，多个上述轨道在一侧聚集，在预定的能量以下不聚集。

10.根据权利要求7所述的加速器，其特征在于，

上述射束旋转轨道以在预定的外周区域中上述多个轨道在一侧聚集且在预定的内周区域中不聚集的方式形成，

上述磁铁以在射束旋转轨道聚集于一侧的上述预定的外周区域中磁场斜度大致为线形的方式形成磁场。

11.一种加速器，其是通过高频电场对在磁场中旋转的离子进行加速的圆形加速器，该加速器的特征在于，

在被最大能量的轨道包围的区域的内部，以上述磁场为极大的位置为从上述最大能量轨道的中心位移的位置的方式形成上述磁场，

在上述磁场极大的位置附近设置上述离子的入射点，

具备用于施加比上述磁场小的推进磁场的励磁机构，

在将上述最大能量轨道的中心和上述磁场极大的位置连结的线的延伸方向且在上述区域的外部具备取出上述离子的路径。

12.一种粒子线治疗系统，其特征在于，

具有：

权利要求1、7或11所述的加速器；

输送在上述加速器中被加速了的离子的输送装置；

向目标照射由上述输送装置输送的离子的照射装置；

支撑上述目标的定位装置；以及

制作用于进行上述照射的计划的治疗计划制作装置。