CN116018654A - 带电粒子束的入射装置及其入射方法 - Google Patents

带电粒子束的入射装置及其入射方法 Download PDF

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Abstract

提供在同时采用不同的多个核素照射带电粒子束时，使各个核素的粒子数以及能量最佳化来前段加速，并入射主加速器的技术。带电粒子束的入射装置(10)具备产生第一核素离子(31)的第一离子源(11)、使产生的第一核素离子31线性加速而成为第一带电粒子束(41)的第一线性加速器(21)、产生第二核素离子(32)的第二离子源(12)、使产生的第二核素离子(32)线性加速而成为第二带电粒子束(42)的第二线性加速器(22)、以及使第一带电粒子束(41)与第二带电粒子束(42)中的某一方入射主加速器(20)的偏转器(25)的切换电磁铁(15)。

Description

带电粒子束的入射装置及其入射方法
技术领域
本发明的实施方式涉及将带电粒子束前段加速并使其入射主加速器的技术。
背景技术
作为基于放射线的癌症治疗方法之一的粒子束治疗，将氢的原子核即质子、碳离子等重子(日语原文：重粒子)在加速器中加速至光速的约70％并集中照射到肿瘤。该粒子束治疗无伴随治疗的疼痛，与其他放射线治疗相比副作用较小，因此作为兼顾治疗与社会生活从而能够维持生活质量(QoL：Quality of Life)的最先进的治疗方法受到瞩目。
而且，以改善基于粒子束照射的治疗效果为目的，研究有同时采用不同核素(日语原文：核種)的带电粒子束对肿瘤进行照射。具体而言，研究有同时采用质子束与重子束、同时采用两种以上的重子束(碳、氦、氧、氖等)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-084886号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，在同时采用不同核素的带电粒子束进行照射的情况下，存在下述这样的课题。在同时采用碳束与质子束进行照射的情况下，获得相同的吸收剂量所需的粒子数，质子相对于碳多一个数量级以上。因此，在共用碳束用的线性加速器进行质子束的前段加速的情况下，带电粒子束所含的质子的粒子数变得不充分。此外，若通过共用线性加速器使碳与质子以相同的能量入射圆形加速器(同步加速器)，则由于空间电荷效应，质子束的蓄积粒子数变少。
本发明的实施方式考虑到这种情况而完成，其目的在于提供如下技术：在同时采用不同的多个核素照射带电粒子束时，使各个核素的粒子数以及能量最佳化来前段加速，从而入射到主加速器中。
附图说明
图1是采用了本发明的第一实施方式的带电粒子束的入射装置的加速器系统的整体构成图。
图2是表示第二实施方式的带电粒子束的入射装置的构成图。
图3是说明实施方式的带电粒子束的入射方法的流程图。
具体实施方式
(第一实施方式)
以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。图1是采用了本发明的第一实施方式的带电粒子束的入射装置10a(10)的加速器系统40的整体构成图。如此加速器系统40被大致分类为入射装置10、主加速器20以及波束输送系统30。
如此入射装置10a具备产生第一核素离子31的第一离子源11、使产生的第一核素离子31线性加速而成为第一带电粒子束41的第一线性加速器21、产生第二核素离子32的第二离子源12、使产生的第二核素离子32线性加速而成为第二带电粒子束42的第二线性加速器22、以及使第一带电粒子束41与第二带电粒子束42中的某一方入射主加速器20的偏转器25中的切换电磁铁15。
在第一实施方式中，第一核素离子31为质子(氢)，第二核素离子32为重子(核素比氢重的多价离子)。作为该重子，可列举出碳、氦、氧、氖等。被剥离了全部电子的全剥离(full strip)状态的碳离子12C6+荷质比为1/2。另外，上述的氦离子4He2+、氧离子16O8+、氖离子20Ne10+在全剥离状态下的荷质比也同样为1/2。
关于第一离子源11以及第二离子源12，除了ECR(Electron CyclotronResonance：电子回旋共振)离子源、PIG(Penning Ionization Gauge：潘宁电离真空计)离子源等高频(包含微波)照射型之外，还可列举出激光照射型的离子源等。但是，不限于此，只要能够高效地生成第一核素离子31以及第二核素离子32，便可以适当采用。
在ECR离子源中，利用电子回旋共振现象，使中性原子电离而成为等离子体状态。若向ECR离子源导入原料气体并从外部施加微波，则电离生成的电子被磁场封闭，该高能量的电子进而与离子、原子碰撞并反复弹出(日语原文：はじき出す)电子，从而生成多价离子。
在产生质子的第一离子源11中，导入氢气作为原料来生成氢原子核(质子)1H+。该质子1H+的质量数A为1且价数Z为1，因此荷质比为1。另外，在采用氢分子离子H2 +作为质子束的情况下，质量数A为2且价数Z为1，因此荷质比为1/2。在产生碳的重子的第二离子源12中，使原料的甲烷气体(CH4)在真空室内等离子体化，来生成碳离子12C4+。该碳离子12C4+的质量数A为12且价数Z为4，因此荷质比为1/3。
如此，相对于碳的荷质比为1/3，质子为1。利用这点，能够使将第一带电粒子束(质子束)线性加速的第一线性加速器21与将第二带电粒子束(碳束)线性加速的第二线性加速器22相比而小型化。并且，通过使第一线性加速器21以及第二线性加速器22分别独立，从而能够使质子束的粒子数比碳束多、能够提高每个核子的能量。由此，能够使基于碳束的照射与质子束的照射的每单位时间的吸收剂量彼此相等。
线性加速器21、22包括射频四极(RFQ：Radio Frequency Quadrupole)线性加速器21a、22a、漂移管直线加速器(DTL：drift tube linac)21b、22b而构成，将核素离子31、32加速而作为带电粒子束41、42输出。
RFQ 21a、22a连接于离子源11、12的下游侧，具备通过高频形成四极电场的4片电极(省略图示)。RFQ线性加速器21a、22a对于来自离子源11、12的核素离子31、32，通过四极的电场同时进行加速与收束。
DTL 21b、22b连接于RFQ 21a、22a的后段，具备通过高频形成沿着中心轴的电场的电极(省略图示)、以及沿着中心轴分别分离配置的漂移管(省略图示)。DTL 21b、22b在电场朝向与中心轴平行的行进方向的期间，使带电粒子束41、42加速，在电场朝向与行进方向相反的期间，使带电粒子束41、42穿过漂移管中，从而使带电粒子束41、42阶段性地加速。如此，线性加速器21、22使从离子源11、12入射的核素离子31、32加速为具有规定的能量的带电粒子束41、42并射出。
设定为非励磁的切换电磁铁15使第一带电粒子束41原样直进，并入射主加速器20的偏转器25。设定为励磁的切换电磁铁15通过电磁力使第二带电粒子束42弯曲并入射偏转器25。另外，如果质子的第一带电粒子束41的能量相对于碳的第二带电粒子束42的能量为2倍左右，则该偏转器25能够无规格变更地应用。
然而，从离子源11、12产生的核素离子31、32的能量存在偏差或混入了目标外的杂质离子。因此，需要仅分选具有符合规格的规定的能量的核素离子31、32使其入射线性加速器21、22。
因此，入射装置10a还具备通过电磁力使产生的第一核素离子31弯曲并入射第一线性加速器21的第一分选电磁铁51、以及通过电磁力使产生的第二核素离子32弯曲并入射第二线性加速器22的第二分选电磁铁52。通过穿过被励磁为预先确定的设定值的分选电磁铁51、52，从而能够排除与具有规定的能量的核素离子31、32不同的目标外的离子。
并且入射装置10a具有偏转电磁铁16，该偏转电磁铁16通过电磁力使从第一线性加速器21射出的第一带电粒子束41弯曲并入射主加速器20的偏转器(inflector)25。由此，能够去除第一带电粒子束41所含的目标外的离子。
并且在入射装置10a中，在第二线性加速器22的射出侧配置有剥离第二带电粒子束42的核素离子的内层电子的剥离器(stripper)17。另外，虽然省略了图示，但该剥离器17也有时配置于第一线性加速器21的射出侧。
在第二离子源12生成的碳离子12C4+仅被剥离了最外层电子，但通过穿过剥离器17，内层电子也被剥离。其结果，转换为被剥离了所有电子的全剥离状态的碳离子12C6+，荷质比从1/3变化为1/2，第二带电粒子束42的加速性得到提高。
第一控制部35仅将切换电磁铁15与偏转电磁铁16中的某一个设定为励磁，另一个设定为非励磁。由此，仅通过励磁设定而采取圆弧轨道的带电粒子束入射主加速器20的偏转器25。
在切换电磁铁15被设定为非励磁而偏转电磁铁16被设定为励磁的情况下，第二带电粒子束42不入射偏转器25，仅第一带电粒子束41入射偏转器25。此外，在切换电磁铁15被设定为励磁而偏转电磁铁16被设定为非励磁的情况下，第一带电粒子束41不入射偏转器25，仅第二带电粒子束42入射偏转器25。进而被设定为励磁的切换电磁铁15具有去除第二带电粒子束42所含的目标外的离子的功能。
另外，在实施方式中，示出了第一核素离子31为质子且第二核素离子32为重子的情况，但既存在核素彼此相反的情况，也存在两方均为核素彼此不同的重子的情况。
主加速器20不限于采用同步加速器等圆形加速器。该同步加速器20包括通过高频电力使从入射装置10入射的带电粒子束41、42加速的高频加速空腔27，产生使回旋的带电粒子弯曲的磁场的多个偏转电磁铁28、产生使回旋的带电粒子扩散/收束并留置在回旋轨道内的磁场的多个四极电磁铁29、以及使在同步加速器20中回旋的带电粒子向波束输送系统30射出的导向装置26而构成。
基于这种构成，从入射装置10射出的低能量的第一带电粒子束41或者第二带电粒子束42，在入射偏转器25之后在同步加速器20中回旋。然后，在加速至光速的70～80％而达到规定的高能量时，通过导向装置26使行进方向从回旋轨道变更而取出到波束输送系统30中。
另外，在波束输送系统30中也设置有用于使直进的带电粒子留置在轨道内的四极电磁铁29、以及用于弯曲带电粒子的轨道的偏转电磁铁28。而且，在该波束输送系统30的前端连接有通过照射带电粒子束55从而治疗患者56的肿瘤的照射装置50。另外，该照射装置50为例示，不限于连接于波束输送系统30的前端的设施。
(第二实施方式)
接着参照图2对本发明中的第二实施方式进行说明。图2是表示第二实施方式的带电粒子束的入射装置10b(10)的构成图。另外，在图2中，具有与图1共同的构成或者功能的部分通过相同的附图标记来表示，并省略重复的说明。
如此，第二实施方式的入射装置10b除了具备第一实施方式中的第一离子源11、第一线性加速器21、第二离子源12、第二线性加速器22、切换电磁铁15的构成之外，还具备产生第三核素离子33的第三离子源13、通过电磁力使产生的第三核素离子33弯曲进而直进穿过第二分选电磁铁52并入射第二线性加速器22的第三分选电磁铁53。
并且入射装置10b具备第四分选电磁铁54，该第四分选电磁铁54通过电磁力使产生的第四核素离子34弯曲进而直进穿过第三分选电磁铁53以及第二分选电磁铁52并入射第二线性加速器22。如此，在第二实施方式中，能够增设离子源。
第二控制部36仅将多个分选电磁铁52、53、54中的某一个设定为励磁，将其他设定为非励磁。由此，能够仅从与被设定为励磁的分选电磁铁连接的离子源使核素离子进入加速轨道。
并且在入射装置10b中设置有机构37，该机构37基于配置于相同的粒子束轨道上的多个分选电磁铁52、53、54的励磁状态来启动联锁信号。由这些分选电磁铁52、53、54形成的磁场被设定为适合各自所负责的核素离子32、33、34穿过轨道的磁通密度。
联锁机构37取得在各个分选电磁铁52、53、54中测量出的磁通密度，在偏离了对预定入射的核素离子预先设定的范围的情况下，启动联锁信号来停止向主加速器20的带电粒子束的供给。
存在短时间内切换不同核素离子地连续照射带电粒子束的请求。在第二实施方式中，在带电粒子束42的直线轨道上配置多个分选电磁铁52、53、54，并分别连接于多个离子源12、13、14。通过采取这种构成，能够通过一组的线性加速器，切换多个重子离子并作为带电粒子束连续照射。
此外，对于作为重子例示出的碳、氦、氧、氖，已叙述了在入射主加速器20之前的全剥离状态下，荷质比为1/2的情况。对于全剥离状态的这些核素，由于全部具有相同的荷质比，因此难以检测目标外离子混入带电粒子束的情况。
一方面，从离子源11、12、13、14产生之后，关于荷质比，碳离子12C4+为1/3、氦离子4He2+为1/2、氧离子16O5+为5/16，因此只要分选电磁铁52、53、54的励磁设定理想，目标外离子就不会混入带电粒子束。
因此，在分选电磁铁52、53、54中测量出的磁通密度偏离预先确定的范围的情况下，存在目标外离子混入了带电粒子束的可能性而设定为启动联锁信号。这是因为对于与治疗计划不同的核素照射到患者这一现象在治疗的性质上必须要避免。
基于图3的流程图对实施方式的带电粒子束的入射方法进行说明(适当参照图1以及图2)。首先，在第一离子源11中产生第一核素离子31(S11)。然后，使该产生的第一核素离子31在第一线性加速器21中线性加速而成为第一带电粒子束41(S12)。
接着在第二离子源12中产生第二核素离子32(S13)。然后，使该产生的第二核素离子32在第二线性加速器22中线性加速而成为第二带电粒子束42(S14)。
接着通过切换电磁铁15的设定(S15)，使第一带电粒子束41与第二带电粒子束42中的某一方入射主加速器20的偏转器25(S16)。此时若将切换电磁铁15设定为非励磁，则入射第一带电粒子束41(S16a)，若设定为励磁，则入射第二带电粒子束41(S16b)。
另外，在上述的(S11)至(S16)的全工序中，联锁机构37进行分选电磁铁52、53、54各自中的励磁状态的判定(S17)。而且，在该励磁状态被判定为异常时，立即启动联锁信号来停止带电粒子束的入射(结束)。
而且，在分选电磁铁52、53、54各自中的励磁状态的正常判定持续期间，带电粒子束41、42穿过波束输送系统30，并直至照射装置50中的照射结束为止，(S11)至(S17)的工序连续(S19、否、是，结束)。
根据以上所述的至少一个的实施方式的带电粒子束的入射装置，通过使用各个线性加速器，在同时采用不同的多个核素来照射带电粒子束时，能够使各个粒子数以及能量最佳化来前段加速，并入射主加速器。
虽然说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式作为例子而提示，无意限定发明的范围。这些实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的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于发明的范围、主旨内，同样也包含于权利要求书所记载的发明及其等同的范围内。

Claims (8)

1.一种带电粒子束的入射装置，具备：
第一离子源，产生第一核素离子；
第一线性加速器，使产生的所述第一核素离子线性加速而成为第一带电粒子束；
第二离子源，产生第二核素离子；
第二线性加速器，使产生的所述第二核素离子线性加速而成为第二带电粒子束；以及
切换电磁铁，使所述第一带电粒子束与所述第二带电粒子束中的某一方入射主加速器的偏转器。
2.如权利要求1所述的带电粒子束的入射装置，具备：
第一分选电磁铁，通过电磁力使产生的所述第一核素离子弯曲并入射所述第一线性加速器；以及
第二分选电磁铁，通过电磁力使产生的所述第二核素离子弯曲并入射所述第二线性加速器。
3.如权利要求2所述的带电粒子束的入射装置，具备：
第三离子源，产生第三核素离子；以及
第三分选电磁铁，通过电磁力使产生的所述第三核素离子弯曲，进而直进穿过所述第一分选电磁铁或者所述第二分选电磁铁，并入射所述第一线性加速器或者所述第二线性加速器。
4.如权利要求3所述的带电粒子束的入射装置，
基于在相同的粒子束轨道上配置的多个所述分选电磁铁的励磁状态，启动联锁信号。
5.如权利要求1～4中任一项所述的带电粒子束的入射装置，
所述带电粒子束的入射装置具有偏转电磁铁，该偏转电磁铁通过电磁力使从所述第一线性加速器射出的所述第一带电粒子束弯曲并入射所述偏转器，
所述切换电磁铁通过电磁力使从所述第二线性加速器射出的所述第二带电粒子束弯曲并入射所述偏转器。
6.如权利要求1～5中任一项所述的带电粒子束的入射装置，
在所述第一线性加速器以及所述第二线性加速器的至少一方的射出侧配置有将核素离子的内层电子剥离的剥离器。
7.如权利要求1～6中任一项所述的带电粒子束的入射装置，
所述第一核素离子与所述第二核素离子中的某一方为氢离子且另一方为核素比氢重的多价离子。
8.一种带电粒子束的入射方法，包括：
在第一离子源中产生第一核素离子的工序；
使产生的所述第一核素离子在第一线性加速器中线性加速而成为第一带电粒子束的工序；
在第二离子源中产生第二核素离子的工序；
使产生的所述第二核素离子在第二线性加速器中线性加速而成为第二带电粒子束的工序；以及
通过切换电磁铁的设定使所述第一带电粒子束与所述第二带电粒子束中的某一方入射主加速器的偏转器的工序。
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