CN117501811A - 圆形加速器、粒子束治疗系统以及离子源 - Google Patents

Abstract

离子源(3)具备：放电室(36)，其生成离子；气体配管(24、25)，其向放电室(36)供给试样气体；以及引出孔(37)，其从放电室(36)引出离子，排列配置有至少两个以上的放电室(36)。由此，提供比以往提高了装置的运转率和维护性的圆形加速器、粒子束治疗系统以及离子源。

Description

圆形加速器、粒子束治疗系统以及离子源

技术领域

本发明涉及一种圆形加速器、适于该圆形加速器的离子源、以及粒子束治疗系统。

背景技术

作为本技术领域的背景技术，有专利文献1所记载的技术。

专利文献1记载了“包括用于生成与上述第一内部离子源(1)相同的粒子离子的第二内部离子源(2)，并且上述回旋加速器能够产生通过上述第一内部离子源及上述第二内部离子源中的任一个或同时通过两个离子源所产生的能量粒子束。”、“中心垂直轴规定为通过回旋加速器的中心且与回旋加速器的内侧的磁场的方向平行的轴。根据另一实施方式，离子源被置于距中心轴实质上相同的距离，但未必相对于中心轴对称。”。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特表2011-523185号公报

发明内容

发明所要解决的课题

专利文献1记载了在回旋加速器内部在环绕面内配置两个离子源，通过切换使用两个离子源而提高运转率和可靠性。

但是，专利文献1所记载的技术没有考虑应用于加速间隙具有一个加速电极的圆形加速器的情况。因此，例如存在离子源与环绕束干涉而使从加速器的射出电流降低、或者设置困难的问题。另外，需要以不发生干涉的方式进行各个离子源的设置位置调整，存在更换离子源所需的时间变长、装置的运转率降低的问题。而且，难以设置两个以上的离子源，难以实现进一步的运转率的提高。

本发明提供一种比以往提高了装置的运转率和维护性的圆形加速器、粒子束治疗系统以及离子源。

用于解决课题的方案

本发明包括多个解决上述课题的方案，列举其一例，其特征在于，具备：对置的磁极；加速电极；以及离子源，其设置于所述对置的磁极之间且与环绕的离子束的中心轴平行地以直线状配置有至少两个以上的生成离子的放电室，通过使所述离子源在与所述中心轴平行的方向上移动，能够选择至少两个以上的所述放电室中的引出离子的所述放电室。

发明效果

根据本发明，能够比以往提高装置的运转率和维护性。上述以外的课题、结构以及效果通过以下的实施例的说明而明确。

附图说明

图1是表示使用了本发明的圆形加速器的粒子束治疗系统的整体结构的图。

图2是表示图1所示的圆形加速器的侧面截面的图。

图3是表示图1所示的圆形加速器的横截面的图。

图4是表示图2的离子源周围的侧面的概略的图。

图5是表示从下方观察图4的离子源的情况的概略结构的图。

图6是表示通过对位导向件使图4的离子源向下方移动后的情况的概略的图。

图7是表示本发明的离子源的其它方式的图，是表示通过对位销移动的情况的概略的图。

图8是表示本发明的离子源的再其它方式的图，是表示将气体导入配管一体化的情况的构造的图。

图9是表示在图8的离子源中使气体导入配管一体化的情况下使离子源向下方移动后的情况的构造的图。

具体实施方式

使用图1至图9对本发明的圆形加速器、粒子束治疗系统以及离子源的实施例进行说明。此外，在本说明书中使用的附图中，对相同或对应的构成要素标注相同或类似的符号，对于这些构成要素，有时省略重复的说明。

首先，使用图1对粒子束治疗系统的整体结构以及关联的装置的结构进行说明。图1是表示本实施例的粒子束治疗系统的整体结构的图。

在图1中，粒子束治疗系统100具备回旋型的加速器50、射束输送系统52、照射装置54、治疗台40以及控制装置56等。

在粒子束治疗系统100中，将由离子源3所产生的离子通过加速器50进行加速而成为离子束。加速至所希望的能量的离子束从加速器50射出，通过射束输送系统52输送至照射装置54。输送的离子束被照射装置54以与患部形状一致的方式整形，并对躺在治疗台40上的患者45的靶进行预定量照射。以这些加速器50为首的粒子束治疗系统100内的各装置、设备的动作由控制装置56控制。

接着，使用图2以及图3对加速器50的构造进行说明。图2是本实施例的加速器的侧面的剖视图，图3是横剖视图。

如图2以及图3所示，回旋型的加速器50由主磁极1、圆环状线圈2、真空容器6、高频加速电极8、离子源3构成。

主磁极1是以相互对置的方式设置的一对磁性体，由例如铁等构成。在主磁极1以面对面的方式对置地设有上下一对磁极10，以产生射束的环绕轨道12，在该磁极10之间产生磁场。通过磁极10产生图2所示的磁场B0，并且从磁极10的环绕中心朝向外侧形成倾斜磁场，从而产生环绕的离子束的聚焦力，实现稳定环绕。产生磁场B0的上下一对磁极10的磁极间隙间的对置的各个面的表面形状为对称形状。或者，通过采用通过在射束的行进方向上设置有凹凸的磁极形状来附加会聚效果的形式的磁极。

真空容器6被主磁极1夹着，将磁极10作为内表面形成一个真空容器，并且构成磁回路。真空容器6为非磁性体。另外，也可以在磁极10的间隙内另外设置不将磁极10作为真空容器内表面的分离的真空容器。

圆环状线圈2设置于比真空容器6靠大气侧，在上下一对主磁极1之间产生B0磁场。圆环状线圈2无论是由普通导电材料形成的线圈还是由超导材料形成的线圈，都同样地能够产生磁场。另外，圆环状线圈2也可以设置在真空容器6内，没有特别规定。

离子源3配置在磁极10的内部，在放电室36内生成的等离子体通过引出孔37，在由高频电源20供给的高频下，利用高频加速电极8与离子源3及与离子源3同电位的接地电极9之间产生的高频电场而形成引出束15。形成的引出束15通过磁极10生成的磁场B0和在高频加速电极8与接地电极9的加速间隙7产生的电场，一边描绘螺旋状的环绕轨道12一边进行环绕运动，每当通过加速间隙7时被加速，一边使能量增加，一边在加速到预定的能量后，向主磁极1的外部被取出。

接着，使用图4至图6说明离子源3的详细情况。图4是表示图2的离子源3的详细情况的图，是将第一离子源31以及第二离子源32在与由磁极10生成的磁场平行的方向上串联配置的情况的例子，且是使第一离子源31动作的情况的图。图5是从下侧观察离子源3的图。图6是使图2的离子源3向下方移动，且使第二离子源32动作的情况的图。

图4所示的离子源3设置在对置的磁极10之间，与环绕的离子束的中心轴平行地以直线状配置有至少两个以上的生成离子的放电室36。

更具体地说，离子源3如下构成，即，由生成电子的阴极33、生成离子的放电室36、放电用电源21、从放电室36引出离子的引出孔37、放电容器39构成的PIG(PenningIonization Gauge)型的第一离子源31以及与该第一离子源31结构相同的第二离子源32以与环绕的离子束的中心轴平行的直线状排列、即在离子源3向主磁极1的插入方向(与配置多个放电室36的方向相同的方向)上配置两个。

在离子源3还设置有向这些第一离子源31的放电室36以及第二离子源32的放电室36分别供给试样气体的气体配管24。

另外，离子源3的放电室36的数量不限于两个，也可以在同样的方向上重叠配置多个，能够为三个以上。

在图4至图6所示的离子源3中，如图4至图5所示，第一离子源31的阴极33以及第二离子源32的阴极33固定于共同的阴极支撑件35，且在第一离子源31以及第二离子源32的任一个中都是以隔着放电室36的方式配置。

在第一离子源31以及第二离子源32中，通过放电用电源21在阴极33与放电容器39之间施加电压。通过使阴极33相对于放电容器39为负电位，电子向放电室36被引出。

在第一离子源31的放电室36以及第二离子源32的放电室36分别连接有各自独立地设置的气体配管24，通过气体切换器23向位于高频加速电极8的第一离子源31供给试样气体22。即，构成为仅向离子源3中的动作的放电室36供给试样气体22。

此时，对第一离子源31的阴极33和第二离子源32的阴极33这双方的阴极33施加电压，但在不导入试样气体22的第二离子源32中不进行等离子体的生成，也不引出离子束。由于不生成等离子体，因此不存在等离子体的离子对阴极33的损伤，对寿命没有影响。

在离子源3中，第一离子源31的引出孔37和第二离子源32的引出孔37在插入方向上为一列，且配置成与环绕的离子束的中心轴平行的直线状一致。

另外，在第一离子源31和第二离子源32设置共同的对位导向件34，使对位导向件34对齐设置于接地电极9的缺口9A滑动插入。由此，使两个以上的放电室36在环绕的离子束的中心轴的方向上的位置对齐。

如图5所示，对位导向件34为梯形截面的形状，从而能够固定离子源3的位置、旋转。此外，也可以代替使用对位导向件34，而另外通过在插入方向上游利用凸缘等固定而进行定位。

阴极33是容易引起电子放出的材料，例如有钨(W)、六氮化硼(LaB₆)等，没有特别限定。另外，阴极33可以是不会过热的冷阴极，也可以是流通电流而强制加热的类型的阴极。但是，就阴极33的寿命而言，冷阴极更好。

放电容器39是耐热的材料，优选钽(Ta)、热传导良好的铜(Cu)，但没有特别限定。

第一离子源31以及第二离子源32如下动作，生成成为离子束的基础的等离子体。

通过放电用电源21对阴极33与形成放电室36的容器之间施加电压。通过高电压，电子从阴极33被放出，且朝向从阴极33观察为正电位的放电容器39，因此其结果是被导入放电室36内。通过经由气体配管24导入的试样气体22与电子的碰撞，生成等离子体。此时，通过由磁极10所产生的磁场B0，电子进行螺旋运动，从而电子在放电室36内的滞留时间延长，使等离子体生成效率进一步提高。

接着，对离子源3的第一离子源31与第二离子源32的切换顺序进行说明。

首先，使第一离子源31向高频加速电极8的位置移动。在此基础上，利用放电用电源21对阴极33施加电压，利用气体切换器23向第一离子源31的放电室36供给试样气体22，生成等离子体，且引出引出束15。

在引出束15不稳定或降低的情况下，将离子源3相对于主磁极1垂直地进一步插入，如图6所示，使第二离子源32向高频加速电极8的位置移动。此时，仅使离子源3在与中心轴平行的方向上移动，因此维持加速器50的真空状态即可，能够使更换所需的时间为最小限度。

之后，通过气体切换器23向第二离子源32的放电室36供给试样气体22而生成等离子体，引出引出束15。此时，对于第一离子源31的放电室36，由于不进行试样气体22的供给，因此不会生成离子。

在本实施例中，以贯通主磁极1、磁极10的方式设置孔而插入离子源3。通过从主磁极1的上部插入并在插入方向上重叠设置，能够避免与环绕轨道12的干涉而设置多个离子源(第一离子源31和第二离子源32)。

在此，由于在主磁极1、磁极10设置孔而使在磁极10间生成的磁场B0的分布受到影响而变化。孔的直径越小，则对磁场B0的影响越小，通过设置磁极10的形状、另外的铁片等，能够容易地进行修正。因此，需要缩小在磁极10开设的孔，即需要缩小离子源3的外径。

并且，环绕轨道12的环绕半径由在磁极10间产生的磁场B0的强度决定。如果磁场强度变大，则环绕半径变小，在以加速电压为10千伏加速的质子离子的情况下，在例如磁场B0为2特斯拉的情况下，环绕半径为7.2mm，在磁场B0为6特斯拉的情况下，环绕半径为2.4mm。

为了避免环绕的离子束与离子源3自身碰撞而使电流值减少，提高离子束的利用效率，需要使离子源3的外径小于环绕直径(半径)。

根据以上情况，需要将对离子源3供给电压的阴极支撑件35、气体配管24设置于狭小区域。因此，构成为，利用共同的阴极支撑件35支撑阴极33，利用切换使试样气体22的气体切换器23切换生成等离子体并使其动作的离子源，从而能够在狭小区域设置多个离子源。

接着，说明如图6那样从第一离子源31向第二离子源32切换的时机或更换离子源3自身的时机的决定方法。

首先，作为前提，还设置检测在环绕于磁极10之间的环绕轨道12上环绕的离子束的电流的电流监视器17。在此基础上，根据由电流监视器17检测到的电流值的变动，切换动作的放电室36。

更具体而言，在由电流监视器17检测到的电流值比某设定值低的情况下，通常控制放电用电源21，使向阴极33施加的电压上升。但是，在即使使向阴极33施加的电压上升，射束电流也不增加的情况下，能够判断为使用中的第一离子源31达到寿命，因此，通过移动第一离子源31，并控制另外设置的插入机构和气体切换器23，以使用当前未动作的第二离子源32，从而能够不会使离子源长时间停止地进行离子束的供给。

而且，在即使使用第二离子源32，引出束15也不稳定或下降的情况下，需要更换离子源3自身。因此，在更换离子源3自身时，停止加速器50的运转，进行大气开放，并进行更换。

监视由电流监视器17检测的电流值并进行切换的时机的决定这一操作可以通过控制装置(为了便于图示而省略)在装置侧自动进行，也可以将检测结果显示于显示装置而由操作员进行，没有特别限定。

接着，使用图7至图9对离子源3的变形方式进行说明。图7是表示利用对位销移动后的情况的概略的图，图8以及图9是表示将气体导入配管一体化的情况的概略的图。

图7所示的离子源3A是在至少两个以上的放电室36中的配置于最端部的放电室36设置有对位销38的离子源，是使用对位销38实施包括旋转的对位的方式。

对位销38的截面为圆形、半圆等形状，设于第一离子源31的下部。使对位销38贯通设于磁极10的基准孔而进行离子源3A的定位。另外，通过使离子源3A以对位销38为中心旋转，能够用于离子源3A的离子束的射出方向的位置调整等。此外，也可以将对位销设于磁极10的与第一离子源31对置的面，在离子源3侧设置基准孔。

对位销38优选设置在成为离子源3A的旋转中心的位置，例如是引出孔37的下部、离子源3A的中心、环绕轨道12的中心等。

图8以及图9所示的离子源3B是如下方式，即，向放电室36供给试样气体的气体配管25在至少两个以上的放电室36是共同的。

图8是向第一离子源31供给试样气体22并生成等离子体的情况的例子，图9是使离子源3B向下方移动而向第二离子源32导入试样气体22并生成等离子体的情况的例子。

在离子源3B中，与图4至图6同样地，放电室36在与中心轴平行的方向上移动，但设置有从第一离子源31的放电室36以及第二离子源32的放电室36向放电容器39的表面连接的气体配管25。另外，不限于设置气体配管25的情况，也可以使供给试样气体的孔是共同的。

气体配管25以在第一离子源31或第二离子源32移动到与高频加速电极8的高度一致的高度时与设于第一离子源31、第二离子源32的气体供给用的孔的位置一致的方式固定于接地电极9。

在使用第一离子源31的情况下，如图8所示，移动到能够将第一离子源31的气体导入孔和气体配管25连接的位置，将试样气体22导入放电室36。在使用第二离子源32的情况下，如图9所示，使离子源3B向下方移动，移动至使第二离子源32的气体导入孔与气体配管25一致的位置。向第二离子源32的放电室36导入试样气体22，生成等离子体。

即使在设置多个离子源的情况下，由于气体配管25为一个即可，因此对于设置于狭小的场所是有效的。

另外，在图4至图9中，说明了将离子源3、3A、3B从主磁极1的上部插入的情况，但也可以采用将离子源3、3A、3B从主磁极1的下部朝向上部侧插入的方式，能够进行同样的动作。

接着，对本实施例的效果进行说明。

上述的本实施例的加速器50具备：对置的磁极10；高频加速电极8；以及离子源3、3A、3B，其设置于对置的磁极10之间，与环绕的离子束的中心轴平行地以直线状配置有至少两个以上生成离子的放电室36，通过使离子源3、3A、3B在与中心轴平行的方向上移动，能够选择至少两个以上的放电室36中的引出离子的放电室36。

通过这样的结构，在主磁极1的内部具备离子源3、3A、3B的回旋型加速器50中，能够对离子源3、3A、3B相对于高频加速电极8、磁极10的位置在相同的位置设置多个离子源，即使在更换离子源的情况下(从第一离子源31到第二离子源32)，位置调整进行一次即可，也没有离子束的干扰，能够不进行大气释放地依次改变离子源并引出离子束。因此，与专利文献1所记载的现有的内部离子源相比，能够增加离子源的个数，因此能够提供一种比以往降低离子源的更换频率，能够大幅延长内部离子源的寿命的加速器。

另外，离子源3、3A、3B能够串联地作为一体而组装、设置，因此可以通过一次设置同时进行位置调整，提高维护性，并且缩短维护时间或维护周期，也可获得提高装置的运转率的效果。

另外，即使在高磁场下或者高频加速电极为多个，离子源彼此也不会干涉，因此从加速器射出的电流损失变少，射出效率提高，除此之外，能够应用于任何圆形加速器。

而且，在上述的专利文献1那样的技术中，当切换离子源时，需要将控制参数的相位改变180°，但在本发明中，离子束的环绕方向的位置关系在切换前后不变，因此不需要变更相位，还起到容易控制的优点。

另外，离子源3、3A、3B的阴极33在至少两个以上的放电室36中由共同的阴极支撑件35支撑，且仅对离子源3、3A、3B中的动作的放电室36供给试样气体，因此能够将离子源3、3A、3B设为更省空间的结构。

而且，向放电室36供给试样气体的气体配管25在至少两个以上的放电室36中是共同的，放电室36为与中心轴平行的方向，由此也能够使离子源3B为更节省空间的结构。

另外，还具备检测环绕的离子束的电流的电流监视器17，根据由电流监视器17检测到的电流值的变动，切换动作的放电室36，由此能够在尽可能接近寿命的时机进行第一离子源31与第二离子源32的切换。

而且，离子源3具有使至少两个以上的放电室36的中心轴方向的位置对齐的对位导向件34，或者在至少两个以上的放电室36中的配置于最端部的放电室36设有对位销38，由此离子源3的离子束的中心轴方向的对位变得容易，能够进一步节省维护所需的工时。

另外，通过使从放电室36引出离子的引出孔37与中心轴平行地以直线状排列配置，能够使从第一离子源31切换到第二离子源32时的调整更少。

<其他>

另外，本发明并不限定于上述的实施例，包含各种变形例。例如，上述的实施例是为了容易理解地说明本发明而详细地说明的例子，并非限定必须具备所说明的全部结构。另外，能够将某实施例的结构的一部分置换成其它实施例的结构，另外，也能够对某实施例的结构添加其它实施例的结构。另外，关于各实施方式的结构的一部分，能够进行其它结构的追加、删除、置换。

例如，加速器50的类型不限于具有在磁极10设置有凹凸的磁极的回旋型的加速器，也能够用于具有从磁极10的中心倾斜的磁极且对高频加速的频率进行调制的同步回旋型的加速器。

同步回旋型的加速器是对回旋加速器进行了改良的加速器的一种，对在大型磁极间进行圆周运动的带电粒子施加进行了频率调制的高频电场而反复加速。另外，在光速下，加速后的粒子的质量根据相对论的效应而增加，磁场内的带电粒子的圆周运动的周期与质量成比例地增加。将由此引起的与高频电压的周期的偏差通过调制频率来消除。

同步回旋型的加速器的结构也是与回旋型的加速器同样的结构，因此能够将离子源3配置于主磁极1内，能够得到同样的效果。

符号说明

1—主磁极，2—圆环状线圈，3、3A、3B—离子源，6—真空容器，7—加速间隙，8—高频加速电极，9—接地电极，9A—缺口，10—磁极，12—环绕轨道，15—引出束，17—电流监视器，20—高频电源，21—放电用电源，22—试样气体，23—气体切换器，24、25—气体配管，31—第一离子源，32—第二离子源，33—阴极，34—对位导向件，35—阴极支撑件，36—放电室，37—引出孔，38—对位销，39—放电容器，40—治疗台，45—患者，50—加速器，52—射束输送系统，54—照射装置，56—控制装置，100—粒子束治疗系统。

Claims (10)

1.一种圆形加速器，其特征在于，具备：

对置的磁极；

加速电极；以及

离子源，其设置于所述对置的磁极之间，与环绕的离子束的中心轴平行地以直线状配置有至少两个以上的生成离子的放电室，

通过使所述离子源在与所述中心轴平行的方向上移动，能够选择至少两个以上的所述放电室中的引出离子的所述放电室。

2.根据权利要求1所述的圆形加速器，其特征在于，

所述离子源的阴极在至少两个以上的所述放电室由共同的支撑件支撑，

仅向所述离子源中的动作的所述放电室供给试样气体。

3.根据权利要求1或2所述的圆形加速器，其特征在于，

向所述放电室供给试样气体的气体配管在至少两个以上的所述放电室是共同的，

所述放电室沿与所述中心轴平行的方向移动。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的圆形加速器，其特征在于，

还具备检测离子束的电流的电流监视器，

根据由所述电流监视器检测到的电流值的变动，切换动作的所述放电室。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的圆形加速器，其特征在于，

所述离子源具有使至少两个以上的所述放电室的所述中心轴的方向上的位置对齐的导向件。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的圆形加速器，其特征在于，

在至少两个以上的所述放电室中的配置于最端部的所述放电室设置有对位销。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的圆形加速器，其特征在于，

从所述放电室引出所述离子的引出孔与所述中心轴平行地以直线状排列配置。

8.一种粒子束治疗系统，其特征在于，具备：

权利要求1至7中任一项所述的圆形加速器；

射束输送系统；

照射装置；以及

治疗台。

9.一种离子源，其特征在于，具备：

放电室，其生成离子；

气体配管，其向所述放电室供给试样气体；以及

引出孔，其从所述放电室引出所述离子，

至少两个以上的所述放电室以直线状排列配置。

10.根据权利要求9所述的离子源，其特征在于，至少两个以上的所述引出孔以所述直线状排列配置。