DE102014001591A1

DE102014001591A1 - Teilchenbeschleuniger und medizinisches Gerät

Info

Publication number: DE102014001591A1
Application number: DE102014001591.2A
Authority: DE
Inventors: Akiko Kakutani; Kiyokazu Sato; Takeshi Yoshiyuki; Takashi Yazawa
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-02-22
Filing date: 2014-02-06
Publication date: 2014-08-28
Also published as: JP6121748B2; US20140243576A1; CN104010430A; JP2014164855A; US9386683B2

Abstract

Ein Ausführungsbeispiel eines Teilchenbeschleunigers umfasst: eine Teilchenquelle (1a), aus welcher ein Teilchenstrahl mit einer Teilchenimpulsbreite von nicht größer als 2 μs extrahiert wird; einen Linearbeschleuniger (3, 4) zum Beschleunigen des aus der Teilchenquelle (1a) extrahierten Teilchenstrahls; ein Synchrotron (7) zum Empfangen des dahin transportierten Teilchenstrahls von dem Linearbeschleuniger (3, 4) und zum Bewirken, dass der Teilchenstrahl zirkuliert, damit er beschleunigt wird, bis er einen vorbestimmten Energiepegel erreicht; einen Stoß-Elektromagneten (12) zum Verschieben des Zirkulationspfads des Teilchenstrahls jedes Mal, wenn er eine volle Drehung macht; und eine Steuerungseinheit (30) zum Steuern der Größe der magnetischen Anregung des Stoß-Elektromagneten (12) und zum Steuern der Zeitsteuerung der magnetischen Anregung des Stoß-Elektromagneten (12) gemäß der Impulszeitsteuerung der Teilchenquelle (1a).

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Im Folgenden beschriebene Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen Teilchenbeschleuniger zum Beschleunigen eines Teilchenstrahls und auch auf ein medizinisches Gerät unter Verwendung desselben.
STAND DER TECHNIK
Teilchenbeschleuniger zum Beschleunigen von Ionen und Protonen werden für physikalische Experimente und Krebstherapievorrichtungen häufig eingesetzt. Der auf die vorliegende Erfindung bezogene Stand der Technik wird nachstehend für Fälle beschrieben, in welchen ein Teilchenbeschleuniger für die Krebstherapievorrichtung verwendet wird. Protonenstrahlen und Schwerteilchenstrahlen werden für die Krebstherapie verwendet. Insbesondere befasst sich der nachstehend beschriebene Stand der Technik mit Schwerteilchenstrahlen. Schwerteilchenstrahlen werden hauptsächlich durch Kohlenstoffionen ausgebildet. Kohlenstoffionen werden aus einer Ionenquelle erzeugt und durch eine Vielzahl von Beschleunigern beschleunigt, bevor sie auf den kranken Teil eines Patienten gestrahlt werden (siehe z. B. offengelegte japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2009-217938 , japanisches Patent mit der Veröffentlichungsnummer 2,596,292 und japanisches Patent mit der Veröffentlichungsnummer 3,246,364 ).
Ein Ionenbeschleuniger weist als Hauptkomponenten Folgendes auf: eine Ionenquelle, einen Linearbeschleuniger (Funkfrequenz-Vierpoltyp-Linearbeschleuniger, nachstehend als „RFQ” bezeichnet), einen Laufzeitröhrentyp-Linearbeschleuniger (Laufzeitröhre LINAC, nachstehend als „DTL” bezeichnet), ein Strahltransportsystem und ein Synchrotron.
In herkömmlichen Ionenbeschleunigern für die Krebstherapie werden vierwertige Kohlenstoffionen (C⁴⁺) bei einer Elektron-Zyklotron-Resonanz(nachstehend als „ECR” bezeichnet, wobei „ECR” für „electron cyclotron resonance” steht)-Ionenquelle erzeugt. Die erzeugten vierwertigen Kohlenstoffionen werden durch einen Linearbeschleuniger beschleunigt, um einen Energiepegel von mehreren MeV/u zu erreichen, und einer Ladungsumwandlung in einem Ladungsumwandler ausgesetzt, um in sechswertige Kohlenstoffionen (C⁶⁺) umgewandelt zu werden. Die sechswertigen Kohlenstoffionen (C⁶⁺) werden dann in ein Synchrotron injiziert, um durch das Synchrotron beschleunigt zu werden.
In erster Linie zeigen Linearbeschleuniger eine hohe Beschleunigungseffizienz, wenn sie sechswertige Kohlenstoffionen (C⁶⁺) verwenden. Allerdings können herkömmliche ECR-Ionenquellen die Amperezahl von sechswertigen Kohlenstoffionen (C⁶⁺), die für eine Krebstherapie benötigt wird, nicht zuverlässig bereitstellen. Deshalb verwenden herkömmliche ECR-Ionenquellen vierwertige Kohlenstoffionen (C⁴⁺).
Der aus der ECR-Ionenquelle herauskommende Ionenstrahl ist ein DC-Strahl und es gibt eine obere Grenz-Amperezahl für den Ionenstrahl, der aus einer Ionenquelle extrahiert werden kann (gegenwärtig mehrere Hundert μA). Aus diesem Grund wird eine sogenannte Mehrfachdrehungs-Injektionstechnik verwendet, um einen Ionenstrahl in ein Synchrotron zu injizieren, um die Anzahl an Ionen, die für die Krebstherapie notwendig ist, sicherzustellen.
Bislang sind eine Einzeldrehungs-Injektion und eine Mehrfachdrehungs-Injektion als Techniken zum Injizieren eines Ionenstrahls in ein Synchrotron bekannt. Mit Hilfe der Einzeldrehungs-Injektionstechnik wird die für die Krebstherapie notwendige Anzahl an Ionen mit einer einmaligen Injektion injiziert. Auf der anderen Seite ist die Mehrfachdrehungs-Injektionstechnik eine Technik zum Sicherstellen der für die Krebstherapie notwendigen Anzahl an Ionen, indem bewirkt wird, dass sich injizierte Ionen entlang eines Zirkulationspfads fortbewegen und zusätzliche Ionen mehrfach injiziert werden.
Wenn jedoch ein Strahl injiziert wird, nachdem die Zirkulationszeit (ungefähr 2 μs) abgelaufen ist, tritt das Problem auf, dass die neu injizierten Ionen dem Pfad des Ionenstrahls nicht folgen können, der eine volle Drehung einmalig gemacht hat. Um dieses Problem zu umgehen, wird der Zirkulationspfad des Ionenstrahls in das Synchrotron unter Verwendung eines Stoß-Magneten verschoben, um den Pfad mit der Zeit zu variieren und zusätzliche mehrfache Ionenstrahlinjektionen zu ermöglichen.
Außerdem beträgt für Beschleunigungssysteme, die gegenwärtig in Japan bevorzugt verwendet werden, die optimale Energie zum Umwandeln von vierwertigen Kohlenstoffionen (C⁴⁺) in sechswertige Kohlenstoffionen (C⁶⁺) 4 MeV/u, so dass der Pegel der Beschleunigungsenergie in Linearbeschleunigern bestimmt wird.
Unterdessen kann ein hoher elektrischer Strom aus einer Laserionenquelle extrahiert werden, allerdings nur mit kurzen Impulsen (bis zu mehreren μs). Eine Laserionenquelle ist eine Vorrichtung, die konfiguriert ist, um einen Laserstrahl zu kondensieren, ihn auf ein Ziel zu strahlen und das Zielelement mittels der Energie des Laserstrahls zu evaporieren und zu ionisieren, um Plasma zu erzeugen. Die in dem Plasma enthaltenen Ionen werden als Plasmaionen transportiert und beschleunigt, wenn sie extrahiert sind, um einen Ionenstrahl zu erzeugen (siehe z. B. offengelegte japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2012-99273 ).
Eine Laserionenquelle kann einen Ionenstrahl erzeugen, indem ein Laserstrahl auf ein Ziel gestrahlt wird und Ionen erzeugt. Dies ist vorteilhaft zum Erzeugen eines hochstromigen mehrwertigen Ionenstrahls. Es wird berichtet, dass sechswertige Kohlenstoffionen (C⁶⁺), die durch Laserionenquellen erzeugt sind, elektrische Spitzenströme in der Größenordnung von mehreren mA mit einer Impulsbreite bis zu 2 μs synchron zu der Zeitsteuerung einer Laserbestrahlung erzeugen können. Das Ergebnis korrespondiert zu der Anzahl an Ionen, mit welchen das Synchrotron einer Krebstherapie die benötigte Amperezahl in einem einzelnen Impuls bereitstellen kann.
Im Folgenden wird ein bekannter Ionenbeschleuniger mit Bezug auf 7 beschrieben.
Wie in 7 gezeigt, werden die durch eine Ionenquelle 1 erzeugten Ionen mittels eines Niedrigenergiestrahl-Transportsystems (nachstehend als LEBT-System bezeichnet) 2 zu einem RFQ 3 und einem DTL 4 transportiert, welche stromabwärtsseitig angeordnete Linearbeschleuniger sind, während die Strahleigenschaften derselben durch das LEBT-System 2 reguliert werden. Eine bekannte Technik zum Bewirken, dass eine elektrische Entladung in einem Gas auftritt, um Ionen zu erhalten, wird für die Ionenquelle 1 verwendet. Eine Mikrowelle oder Elektronenstrahl wird verwendet, um zu bewirken, dass eine elektrische Entladung auftritt.
Im Allgemeinen werden ECR-Ionenquellen in Beschleunigern für die Krebstherapie verwendet. ECR-Ionenquellen sind konfiguriert, um Gas zu ionisieren, um Plasma zu erzeugen, und Ionen mittels eines elektrischen Felds zu extrahieren. Der extrahierte Strom ist ein Gleichstrom. Während ECR-Ionenquellen mehrwertige Ionen erzeugen können, zeigen hochwertige Ionen nur einen kleinen Amperezahlwert. Deshalb erzeugt die ECR-Ionenquelle vierwertige Kohlenstoffionen (C⁴⁺), um die für die Krebstherapie notwendige Ionenamperezahl sicherzustellen, und dann die Kohlenstoffionen durch den RFQ 3 und den DTL 4 zu beschleunigen.
Die von dem DTL 4 emittierten Ionen werden von vierwertigen Kohlenstoffionen (C⁴⁺) in sechswertige Kohlenstoffionen (C⁶⁺) durch einen Ladungsumwandler 5 umgewandelt und in ein Synchrotron 7 durch ein Mittelenergiestrahl-Transportsystem (nachstehend als MEBT-System bezeichnet) 6 transportiert.
Das Synchrotron 7 weist Ablenkungs-Elektromagneten 8, Vierpol-Elektromagneten 9, Sechspol-Elektromagneten 10 und einen Funkfrequenz-Beschleunigungshohlraumresonator 11 auf. Obwohl dies nicht gezeigt ist, weist das Synchrotron 7 zusätzlich einen Korrekturmagneten sowie Beobachtungseinrichtungen zum Beobachten von Ionenstrahlen auf. Nachdem der Ionenstrahl beschleunigt worden ist, um einen ausreichenden Energiepegel zu erreichen, wird er in einen Bestrahlungsraum (nicht gezeigt) durch einen Injektionspfad 13 transportiert, der an einem Stoß-Elektromagneten 12 für eine Ionenstrahlinjektion und einem Septum-Elektromagneten (nicht gezeigt) vorbeiführt, und auf den kranken Teil eines Patienten für eine Krebstherapie gestrahlt.
Im Allgemeinen ist der Ionenstrahl, der in das Synchrotron 7 injiziert wird, mit einem Injektionspfad versehen, der unter Verwendung des Stoß-Elektromagneten 12 für eine Ionenstrahlinjektion vorbereitet wird, der in dem Synchrotron 7 zum Zwecke einer Mehrfachdrehungs-Injektion angeordnet ist.
Ein herkömmliches Mehrfachdrehungs-Injektionsverfahren wird nachstehend hinsichtlich einer in 8 gezeigten und in OHO '87 Hochenergiebeschleuniger-Seminaren offenbarten Protonenstrahl-Mehrfachdrehungsinjektion beschrieben. Wie in 8 gezeigt, verschiebt der Stoß-Elektromagnet 12 für eine Ionenstrahlinjektion den Pfad jedes Mal, wenn der Ionenstrahl eine volle Drehung macht. Der Ionenstrahl wird durch die Ablenkungs-Elektromagneten 8, die Vierpol-Elektromagneten 9, die Sechspol-Elektromagneten 10 und den Septum-Magneten 18, die Magneten des Synchrotrons sind gezwungen, volle Drehungen zu machen, um auf einen vorbestimmten Energiepegel beschleunigt zu werden.
Die magnetische Anregungswellenform des Stoß-Elektromagneten 12 ist in 9 gezeigt. Ionenstrahlinjektionen werden an der Seite durchgeführt, an der die Größe der magnetischen Anregung abfällt. Während die Breite der magnetischen Anregung von der Ringzirkulationszeit in dem Synchrotron 7 abhängt, liegt sie in der Größenordnung von bis zu mehreren Hundert μs. Deshalb wird der Ionenstrom, der im Allgemeinen für eine Injektion verwendet wird, einer Unterbrechung (zum Entfernen des Strahls, der für eine vorbestimmte Zeitdauer nicht benötigt wird) ausgesetzt, bevor er in den RFQ 3 synchron zu der Stoß-Anregungszeit injiziert wird.
Da wie vorstehend beschrieben der höchste Amperezahlwert des elektrischen Stroms der Teilchenquelle für einen Teilchenbeschleuniger in einem Synchrotron relativ klein ist, wird die für die Krebstherapie oder ein physikalisches Experiment benötigte Anzahl an Teilchen durch eine Mehrfachdrehungsinjektion erhalten.
Aus diesem Grund stehen herkömmliche Teilchenbeschleuniger vor dem Problem, dass es für sie schwierig ist, den Amperezahlwert des zirkulierenden Stroms zu erhöhen. Es ist gegenwärtig schwierig, den Amperezahlwert des zirkulierenden Stroms deutlich zu erhöhen, obwohl es für Abtastbestrahlungen und andere Anwendungen erwünscht ist.
Eine deutliche Verbesserung kann für den Amperezahlwert des zirkulierenden Stroms erwartet werden, wenn die Technik einer Mehrfachdrehungsinjektion unter Verwendung einer Kurzimpuls-Teilchenquelle, die einen hohen Spitzenwert-Stromwert zeigt, wie etwa eine Laserionenquelle, verwendet wird. Da jedoch die Impulsbreite der Laserionenquelle gleich oder kleiner als die Synchrotron-Zirkulationszeit ist, ist es nicht möglich gewesen, eine Mehrfachdrehungsinjektion mit dem herkömmlichen Verfahren zu realisieren.
Deshalb besteht die Aufgabe des vorliegenden Ausführungsbeispiels darin, einen Teilchenbeschleuniger vorzusehen, für welchen der Amperezahlwert des zirkulierenden Stroms erhöht werden kann und die Teilchenstrahl-Verwendungseffizienz verbessert werden kann, und auch ein medizinisches Gerät unter Verwendung eines solchen Teilchenbeschleunigers vorzusehen, um das vorstehend identifizierte Problem zu lösen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Diskussion von spezifischen, erläuternden Ausführungsbeispielen derselben offensichtlich, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen beschrieben sind, wobei:
1 eine schematische Darstellung eines Teilchenbeschleunigers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist, welche die Konfiguration desselben zeigt;
2 eine schematische Querschnittansicht der Laserionenquelle aus 1 ist, welche die Konfiguration derselben zeigt;
3 ein schematisches Blockdiagramm des Steuerungssystems des ersten Ausführungsbeispiels zeigt;
4 ein Ablaufdiagramm für die Operationen verschiedener Abschnitte in 3 zeigt;
5 ein Flussdiagramm der Operationen verschiedener Abschnitte in 3 zeigt;
6 ein Ablaufdiagramm der Operation des Stoß-Magneten und der des Funkfrequenz-Beschleunigungshohlraumresonators eines Teilchenbeschleunigers gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 einen bekannten Teilchenbeschleuniger zeigt, wobei die Konfiguration desselben gezeigt wird;
8 eine schematische Darstellung eines bekannten Mehrfachdrehungsinjektionsverfahrens zeigt; und
9 einen Graph zeigt, der die magnetische Anregungswellenform des Stoß-Magneten aus 8 darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Teilchenbeschleuniger vorgesehen, der Folgendes aufweist: eine Teilchenquelle, aus welcher ein Teilchenstrahl mit einer Teilchenimpulsbreite von nicht größer als 2 μs extrahiert wird, wie etwa eine Laserionenquelle zur Extraktion eines Ionenstrahls aus dem darin erzeugten Plasma durch Bestrahlung eines Laserstrahls; einen Linearbeschleuniger zum Beschleunigen des aus der Teilchenquelle extrahierten Teilchenstrahls; ein Synchrotron zum Empfangen des dorthin transportierten Teilchenstrahls von dem Linearbeschleuniger und zum Bewirken, dass der Teilchenstrahl zirkuliert, damit er beschleunigt wird, bis er einen vorbestimmten Energiepegel erreicht; einen Stoß-Elektromagneten zum Verschieben des Zirkulationspfads des Teilchenstrahls jedes Mal, wenn er eine volle Drehung macht; eine Steuerungseinheit zum Steuern der Größe einer magnetischen Anregung des Stoß-Magneten und zum Steuern der Zeitsteuerung der magnetischen Anregung des Stoß-Magneten gemäß der Impulszeitsteuerung der Teilchenquelle.
Ferner ist gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ein medizinisches Gerät vorgesehen, das Folgendes aufweist: eine Teilchenquelle, aus welcher ein Teilchenstrahl mit einer Strahlimpulsbreite von nicht größer als 2 μs extrahiert wird; einen Linearbeschleuniger zum Beschleunigen des aus der Teilchenquelle extrahierten Teilchenstrahls; ein Synchrotron zum Empfangen des dorthin transportierten Teilchenstrahls von dem Linearbeschleuniger und zum Bewirken, dass der Teilchenstrahl zirkuliert, damit er beschleunigt wird, bis er einen vorbestimmten Energiepegel erreicht; einen Stoß-Magneten zum Verschieben des Zirkulationspfads des Teilchenstrahls jedes Mal, wenn er eine volle Drehung macht; eine Steuerungseinheit zum Steuern der Größe der magnetischen Anregung des Stoß-Magneten und zum Steuern der Zeitsteuerung der magnetischen Anregung des Stoß-Magneten gemäß der Impulszeitsteuerung der Teilchenquelle, wie etwa die Impulszeitsteuerung des Laserstrahls; eine Entnahmevorrichtung zum Entnehmen des durch das Synchrotron beschleunigten Teilchenstrahls; und eine Bestrahlungsvorrichtung zum Strahlen des durch die Entnahmevorrichtung entnommenen Teilchenstrahls auf ein zu bestrahlendes Objekt.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele von Teilchenbeschleunigern gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen detaillierter beschrieben. Die Ausführungsbeispiele von Teilchenbeschleunigern, die nachstehend beschrieben werden, sind diese, die für ein Krebstherapiegerät als medizinische Vorrichtungen verwendet werden.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Teilchenbeschleunigers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei dessen Konfiguration gezeigt wird. 2 zeigt eine schematische Querschnittansicht der Laserionenquelle aus 1, wobei deren Konfiguration gezeigt wird. Es ist zu beachten, dass die Komponenten, die den Komponenten des in 7 gezeigten bekannten Ionenbeschleunigers entsprechen, jeweils mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Es ist auch zu beachten, dass der Septum-Magnet dieses Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen weggelassen ist.
Wie in 1 gezeigt, weist der Ionenbeschleuniger dieses Ausführungsbeispiels Folgendes auf: eine Laserionenquelle 1a, welche eine Teilchenquelle ist, einen RFQ 3, einen DTL 4, wobei der RFQ 3 und der DTL 4 Linearbeschleuniger sind, ein LEBT-System 2, ein MEBT-System 6, wobei das LEBT-System 2 und das MEBT-System 6 Transportsysteme sind, ein Synchrotron 7 und einen Stoß-Elektromagneten 12. Die Laserionenquelle 1a, die Linearbeschleuniger einschließlich des RFQ 3 und des DTL 4, sowie das LEBT-System 2, welches ein Strahltransportsystem ist, stellen einen Injektor dar. Wie vorstehend beschrieben, werden Teilchen mit einer Teilchenimpulsbreite von nicht größer als 2 μs aus der Laserionenquelle 1a extrahiert.
Die in der Laserionenquelle 1a erzeugten Ionen werden zu dem RFQ 3 und dem DTL 4 transportiert, die stromabwärts von der Laserionenquelle 1a angeordnet sind, während die Strahleigenschaften davon durch das LEBT-System 2 reguliert werden. Der RFQ 3 konvergiert den Ionenstrahl elektrisch und beschleunigt den Ionenstrahl. Der DTL 4 beschleunigt den Ionenstrahl elektrisch. Der von dem DTL 4 emittierte Ionenstrahl wird zu dem Synchrotron 7 durch das MEBT-System 6 transportiert.
Das Synchrotron 7 ist eine Vorrichtung zum weiteren Beschleunigen des Ionenstrahls, indem bewerkstelligt wird, dass er mehrfach zirkuliert, bis er einen für die Krebstherapie notwendigen Energiepegel erreicht. Insbesondere weist das Synchrotron 7 Folgendes auf: die Ablenkungs-Elektromagneten 8 zum Ausbilden von Zirkulationspfaden, die Vierpol-Elektromagneten 9 zum Steuern der Konvergenz des Ionenstrahls, die Sechspol-Elektromagneten 10 zum Korrigieren eines Farbwerts (Farbabweichung) und den Funkfrequenz-Beschleunigungshohlraumresonator 11 zum Beschleunigen des Ionenstrahls.
Der Ionenstrahl wird beschleunigt, um einen ausreichenden Energiepegel durch das Synchrotron 7 zu erreichen, und er wird danach in einen Bestrahlungsraum (nicht gezeigt) von einer Emissionsbahn 13 durch den in 3 gezeigten Stoß-Elektromagneten 12 zur Emission und einer Entnahmevorrichtung 17 transportiert, um auf den kranken Teil eines Patienten durch eine Bestrahlungsvorrichtung 19 in einem Bestrahlungsraum für die Krebstherapie gestrahlt zu werden, welcher das Ziel einer Bestrahlung darstellt.
Im Folgenden wird die Konfiguration der Laserionenquelle 1a dieses Ausführungsbeispiels mit Bezug auf 2 detailliert beschrieben.
Wie in 2 gezeigt, weist die Laserionenquelle 1a einen Vakuumbehälter 21 auf. Ein Ziel 22, welches eine Masse eines Elements, das in Ionen umgewandelt wird, oder ein Material sein kann, das ein solches Element enthält, ist innerhalb des Vakuumbehälters 21 angeordnet. Das Ziel 22 ist typischerweise ein kohlenstoffbasiertes plattenförmiges Element.
Eine Kondensorlinse 23 ist in ein Laserstrahleingangsfenster eingepasst, um zu ermöglichen, dass der Laserstrahl eintritt, wobei das Laserstrahleintrittsfenster an einem oberen Teil einer lateralen Oberfläche des Vakuumbehälters 21 angeordnet ist. Die Kondensorlinse 23 dient zum Kondensieren des Laserstrahls L auf das Ziel 22. Der von einer Laserstrahlquelle 20 emittierte Laserstrahl L tritt in den Vakuumbehälter 21 durch die Kondensorlinse 23 ein, kondensiert dann und bestrahlt das Ziel 22. Beispielsweise kann ein CO₂-Laser oder ein Nd-YAG-Laser als die Laserstrahlquelle 20 verwendet werden.
Eine Transportleitung 28 zum Entnehmen von Ionen ist an einer lateralen Oberfläche (an der rechten lateralen Oberfläche in 1) des Vakuumbehälters 21 angeordnet. Extraktionselektroden 26 sind in der Transportleitung 28 angeordnet, um nicht benötigte Ionen zu eliminieren, indem ein positives elektrisches Feld angelegt wird.
Die Laserionenquelle 1a mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration kondensiert den von der impulsangetriebenen Laserstrahlquelle 20 emittierten Laserstrahl L durch die Kondensorlinse 24 und strahlt auf das Ziel 22. Ein winziger Abschnitt des Ziels 22 wird durch den Laserstrahl L in dem Brennpunkt auf dem Ziel, auf welches der Laserstrahl L fokussiert ist, auf hohe Temperaturen erhitzt. Der Abschnitt, der auf hohe Temperaturen erhitzt ist, wird in Plasma umgewandelt, welches als Laserablationsplasma 24 bezeichnet wird.
Das Laserablationsplasma 24 wird durch die Transportleitung 28 mit einem hohen positiven elektrischen Potenzial transportiert, und nur benötigte Ionen 25 werden aufgrund der Potenzialdifferenz zwischen der Transportleitung 28 und dem RFQ 3 und dem DTL 4, welche Linearbeschleuniger auf Erdpotenzial sind, beschleunigt, so dass ein Ionenstrahl entsteht. Dieser Ionenstrahl tritt in den RFQ 3 und den DTL 4 ein. Nicht benötigte Ionen werden durch die Elektroden 27 eliminiert.
Im Folgenden wird das Steuerungssystem des Teilchenbeschleunigers dieses Ausführungsbeispiels beschrieben.
3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm des Steuerungssystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm für die Operationen verschiedener Abschnitte aus 3. 5 zeigt ein Flussdiagramm der Operationen verschiedener Abschnitte aus 3.
Wie in 3 gezeigt, weist eine Steuerungseinheit 30 z. B. eine Injektor-Steuerungseinheit 14, eine Synchrotron-/Entnahme-Steuerungseinheit 15 und eine Zeitsteuerung-Steuerungseinheit 16 auf. Die Injektor-Steuerungseinheit 14 steuert die Laserionenquelle 1a, das LEBT-System 2, den RFQ 3, den DTL 4 und das MEBT-System 6 elektronisch. Insbesondere steuert die Injektor-Steuerungseinheit 14 die Spannungen und die elektrischen Ströme der Energiezufuhr durch die Magneten des LEBT-Systems 2 und des MEBT-Systems 6, die elektrischen Ströme und die Spannungen der Funkfrequenz-Energiezufuhr des RFQ 3 und des DTL 4, die Spannung und den elektrischen Strom der Energiezufuhr der Laserstrahlquelle 20 und die Spannung und den elektrischen Strom der Hochspannungs-Gleichstromenergiezufuhr, während sie auch den Vakuumgrad der vorstehend aufgelisteten Komponenten und die Zuverlässigkeit der Strahlungsbeobachtungseinrichtungen beobachtet.
Die Synchrotron-/Entnahme-Steuerungseinheit 15 steuert den Stoß-Elektromagneten 12, die Ablenkungs-Elektromagneten 8, die Vierpol-Elektromagneten 9, die Sechspol-Elektromagneten 10, den Funkfrequenz-Beschleunigungshohlraumresonator 11 und die Entnahmevorrichtung 17 elektrisch. Insbesondere steuert die Synchrotron-/Entnahme-Steuerungseinheit 15 die Energiezufuhr der Magneten der vorstehend aufgelisteten Komponenten und die Spannung und den elektrischen Strom der Funkfrequenzenergiezufuhr, während sie auch den Vakuumgrad der vorstehend aufgelisteten Komponenten und die Zuverlässigkeit der Strahlungsbeobachtungseinrichtungen beobachtet. Die Synchrotron-/Entnahme-Steuerungseinheit 15 dieses Ausführungsbeispiels reguliert die Größe der magnetischen Anregung des Stoß-Elektromagneten 12 durch Steuern des elektrischen Stroms des Stoß-Elektromagneten 12 bei jeder Injektion.
Die Zeitsteuerung-Steuerungseinheit 16 steuert die Ausgabezeitsteuerungen der Laserstrahlausgabeenergiezufuhr der Laserionenquelle 1a, die Funkfrequenzenergiezufuhr des RFQ 3, die Funkfrequenzenergiezufuhr des TDL 4, die Energiezufuhr des Stoß-Elektromagneten 12, die Funkfrequenzenergiezufuhr des Funkfrequenz-Beschleunigungshohlraumresonators 11, die Energiezufuhr der Ablenkungs-Elektromagneten 8 und der Vierpol-Elektromagneten 9 und der Sechspol-Elektromagneten 10 des Synchrotrons 7, und die Energiezufuhr der Entnahmevorrichtung 17. Die Zeitsteuerung-Steuerungseinheit 16 dieses Ausführungsbeispiels steuert die Zeitsteuerung der magnetischen Anregung des Stoß-Elektromagneten 12 gemäß der Impulszeitsteuerung der Laserionenquelle 1a.
Im Folgenden werden die Operationen der Steuerungssysteme dieses Ausführungsbeispiels mit Bezug auf 4 und 5 beschrieben.
Wie in 4 und 5 gezeigt, wird zunächst der Ionenstrahl von mehreren μs durch eine Laserbestrahlung der Laserionenquelle 1a extrahiert (Schritt S1). Insbesondere weist der aus der Laserionenquelle 1a gezogene Ionenstrahl eine Wiederholungsfrequenz auf, die mit der Laserbestrahlungszeitsteuerung synchronisiert ist. Die Impulsbreite des Ionenstrahls hängt von der Ionengeschwindigkeit in dem Plasma und der Entfernung von der Laserionenquelle 1a zu den Extraktionselektroden 26 ab.
Im Allgemeinen wird eine Impulsbreite zwischen mehreren Hundert ns und 2 μs zum Erzeugen von sechswertigen Kohlenstoffionen (C⁶⁺), die für die Krebstherapie notwendig sind, benötigt. Laserionenquellen sind durch einen hohen Spitzenwertstrom gekennzeichnet, weil die Plasmaquelle der Laserionenquelle fest und somit die Plasmadichte hoch ist, verglichen zu ECR-Ionenquellen, die Gas verwenden.
Dann synchronisiert die Zeitsteuerung-Steuerungseinheit 16 die Ausgabe der Funkfrequenz(RF, wobei „RF” für „radio frequency” steht)-Energiezufuhr des RFQ 3 und die der Funkfrequenz(RF)-Energiezufuhr des DTL 4, um den Ionenstrahl der Laserionenquelle 1a zu beschleunigen (Schritt S2).
Danach wird der Stoß-Elektromagnet 12 mit der Ausgabezeitsteuerung der Energiezufuhr desselben, die mit der Laserionenquelle 1a synchronisiert ist, magnetisch angeregt, und der Ionenstrahl wird in das Synchrotron 7 injiziert (Schritt S3).
Danach wird der Ionenstrahl in das Synchrotron 7 wiederholend derart injiziert, dass der Ionenstrahl volle Drehungen für eine vorbestimmte Häufigkeit macht, was z. B. 10 mal sein kann (Schritt S4).
Falls der injizierte Ionenstrahl volle Drehungen für die vorbestimmte Anzahl an Zeitdauern in Schritt S4 gemacht hat (Schritt S4: Ja), fährt der Prozess bei Schritt S5 fort.
In Schritt S5 wird die Ausgabezeitsteuerung der Funkfrequenzenergiezufuhr des Funkfrequenz-Beschleunigungshohlraumresonators 11 und die Ausgabezeitsteuerung der Magnetenergiezufuhr der Ablenkungs-Elektromagneten 8, der Vierpol-Elektromagneten 9 und der Sechspol-Elektromagneten 10 synchronisiert, um den Ionenstrahl zu beschleunigen, bis er den für die Krebstherapie notwendigen Energiepegel erreicht.
Nach dem Ende des Ionenstrahlbeschleunigungsprozesses wird der Ionenstrahl durch die Entnahmevorrichtung 17 entnommen (Schritt S6) und in den Bestrahlungsraum (nicht dargestellt) auf einer Emissionsbahn 13 transportiert. Dann wird der Ionenstrahl auf den kranken Zielteil des Patienten in dem Bestrahlungsraum durch die Bestrahlungsvorrichtung 19 zur Krebstherapie gestrahlt.
In Schritt S7 wird die Ausgabezeitsteuerung der Funkfrequenzenergiezufuhr des Funkfrequenz-Beschleunigungshohlraumresonators 11 und die der Energiezufuhr der Ablenkungs-Elektromagneten 8, der Vierpol-Elektromagneten 9 und der Sechspol-Elektromagneten 10 synchronisiert, um den Ionenstrahl abzubremsen. Die Operation des Teilchenbeschleunigers wird beendet, nachdem die vorstehend beschriebene Operationssequenz beendet ist.
Im Folgenden wird der Effekt der vorstehend beschriebenen Mehrfachdrehungsinjektion aus Schritt S4 beschrieben.
Mit bekannten Mehrfachdrehungstechniken wird der Stoß-Elektromagnet 12 magnetisch angeregt und ein Laserstrahl wird injiziert, indem ein Abfall der Intensität des magnetischen Felds verwendet wird. Da zu diesem Zeitpunkt der Ionenstrahl von der Ionenquelle ein Gleichstromionenstrahl ist, wird er in das Synchrotron 7 der Änderung der Intensität des magnetischen Felds folgend als Gleichstrom injiziert.
Falls die Zirkulationszeit in dem Synchrotron 7 2 μs beträgt, benötigen 10 volle Drehungen 20 μs. Danach wird der in das Synchrotron 7 injizierte Ionenstrahl beschleunigt, und das magnetische Feld der Ablenkungs-Magneten wird demgemäß auf die Nennintensität verstärkt. Nachdem die Nennintensität erreicht worden ist, wird der Ionenstrahl entnommen, während er zirkuliert, um typischerweise für eine Krebstherapie, ein physikalisches Experiment oder dergleichen verwendet zu werden.
Andererseits wird der Laserionenstrahl einer Mehrfachdrehungsinjektion unter Verwendung der Laserionenquelle 1a in diesem Ausführungsbeispiel ausgesetzt. Die Betriebsdauer der Laserionenquelle 1a hängt von der Frequenz des Lasers ab. Falls eine Laserfrequenz von 20 Hz im Betrieb verwendet wird, wird der Ionenstrahl alle 50 ms zugeführt. Da die Operation der Mehrfachdrehungsinjektion unter Verwendung solcher Strahlen ausgeführt wird, wird der Stoß-Elektromagnet 12 für eine Ionenstrahlinjektion alle 50 ms magnetisch angeregt und Ionenstrahlen können in das Synchrotron 7 injiziert werden, wobei die Stoßbahn wie im Fall der herkömmlichen Techniken verschoben wird.
Eine Mehrfachdrehungsinjektion kann realisiert werden, indem die Größe der magnetischen Anregung des Stoß-Elektromagneten 12 für jede Injektion gesteuert wird. Insbesondere kann der Punkt, an welchem ein Ionenstrahl in das Synchrotron 7 injiziert wird, durch ein schrittweises Reduzieren der Amperezahl des elektrischen Stroms, der dem Stoß-Elektromagneten 12 für jede Injektion zugeführt wird, verschoben werden. Demzufolge kann mit dieser Anordnung eine Mehrfachdrehungsinjektion realisiert werden.
Die Laserfrequenz kann erhöht werden, indem entweder eine einzelne Laserionenquelle 1a betrieben wird, bis die Frequenz ungefähr 100 Hz erreicht, oder eine Vielzahl von Laserionenquellen 1a verwendet wird. Anders ausgedrückt kann die Laserfrequenz erhöht werden, indem entweder eine Einzellaserionenquelle 1a betrieben wird und eine Vielzahl von Laserstrahlquellen 20 verwendet wird, oder eine Vielzahl von Laserionenquellen 1a angeordnet wird.
Somit übernimmt dieses Ausführungsbeispiel eine Mehrfachdrehungsinjektion unter Verwendung einer Kurzer-Impuls-Hoher-Strom-Laserionenquelle 1a, damit eine lange Zirkulationszeit für Ionenstrahlen erreicht werden kann. Dann kann das Verhältnis der Zeit für eine Ringinjektion, eine Beschleunigung und eine Abbremsung, welches eine Totzeit ist, relativ zu der gesamten Betriebszeit reduziert werden, um die Ionenstrahl-Verwendungseffizienz zu verbessern.
Somit kann mit diesem Ausführungsbeispiel eine Mehrfachdrehungsinjektion durch Steuern der Größe der magnetischen Anregung des Stoß-Elektromagneten 12 für eine Ionenstrahlinjektion realisiert werden. Demzufolge kann dann die Amperezahl des zirkulierenden elektrischen Stroms erhöht werden, um die Ionenstrahl-Verwendungseffizienz zu verbessern.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
6 zeigt ein Ablaufdiagramm der Operation des Stoß-Magneten und das des Funkfrequenz-Beschleunigungshohlraumresonators des Teilchenbeschleunigers gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In 6 sind die Komponenten, die denen des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen, mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet und werden nicht erneut beschrieben.
Wie in 6 gezeigt, unterscheidet sich dieses Ausführungsbeispiel von dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel darin, dass es ein unterschiedliches Verfahren zum Steuern der magnetischen Anregung des Stoß-Elektromagneten 12 für eine Ionenstrahlinjektion verwendet. Insbesondere steuert die Synchrotron-/Entnahmevorrichtung 15 dieses Ausführungsbeispiels die Größe der magnetischen Anregung des Stoß-Elektromagneten 12, so dass sie für jede Injektion auf einem konstanten Pegel bleibt. Die Zeitsteuerung-Steuerungseinheit 16 steuert den Stoß-Elektromagneten 12, um zu bewirken, dass er synchron zu der Impulszeitsteuerung der Laserionenquelle 1a magnetisch angeregt wird, und verschiebt danach die Zeitsteuerung der magnetischen Anregung aus der Synchronität.
Somit wird in diesem Ausführungsbeispiel der Stoß-Elektromagnet 12 synchron zu der Impulszeitsteuerung der Laserionenquelle 1a magnetisch angeregt, und das an dem Ionenstrahl angelegte magnetische Feld wird verändert, indem die Größe der magnetischen Anregung auf einem konstanten Pegel bleibt und die Zeitsteuerung der magnetischen Anregung verschoben wird.
Wie vorstehend beschrieben, wird eine Mehrfachdrehungsinjektion ermöglicht, indem die Größe der magnetischen Anregung des Stoß-Elektromagneten 12 auf einem konstanten Pegel gehalten wird und die Zeitsteuerung der magnetischen Anregung verschoben wird, um dadurch das an dem Ionenstrahl angelegte magnetische Feld zu ändern. Mit dieser Anordnung kann die Amperezahl des zirkulierenden elektrischen Stroms erhöht werden, um die Ionenstrahl-Verwendungseffizienz zu verbessern.
(Andere Ausführungsbeispiele)
Während bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, sind diese Ausführungsbeispiele lediglich beispielhaft dargestellt worden, und es wird nicht beabsichtigt, den Umfang der Erfindung zu beschränken. Tatsächlich können die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele in einer Vielzahl von anderen Formen dargestellt werden; ferner können verschiedene Auslassungen, Ersetzungen und Änderungen in den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen gemacht werden, ohne von dem Geiste der Erfindung abzuweichen. Die begleitenden Ansprüche und ihre Äquivalente sollen solche Formen oder Modifikationen abdecken, die in den Umfang und den Geist der Erfindung fallen.
Beispielsweise ist das LEBT-System 2 in jedem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele vorgesehen. Es ist allerdings nicht notwendig, das LEBT-System 2 vorzusehen.
Außerdem können die vorstehend beschriebenen Konfigurationen des ersten Ausführungsbeispiels und des zweiten Ausführungsbeispiels nicht nur auf Ionen sondern auch auf Protonen angewendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2009-217938 [0002]
JP 2596292 [0002]
JP 3246364 [0002]
JP 2012-99273 [0010]

Claims

Teilchenbeschleuniger aufweisend: eine Teilchenquelle (1a), aus welcher ein Teilchenstrahl mit einer Strahlimpulsbreite von nicht größer als 2 μs extrahiert wird; einen Linearbeschleuniger (3, 4) zum Beschleunigen des aus der Teilchenquelle (1a) extrahierten Teilchenstrahls; ein Synchrotron (7) zum Empfangen des dahin transportierten Teilchenstrahls von dem Linearbeschleuniger (3, 4) und zum Bewirken, dass der Teilchenstrahl zirkuliert, um den Teilchenstrahl zu beschleunigen, bis der Teilchenstrahl einen vorbestimmten Energiepegel erreicht; einen Stoß-Elektromagneten (12) zum Verschieben des Zirkulationspfads des Teilchenstrahls jedes Mal, wenn er eine volle Drehung macht; und eine Steuerungseinheit (30) zum Steuern der Größe der magnetischen Anregung des Stoß-Elektromagneten (12) und zum Steuern einer Zeitsteuerung einer magnetischen Anregung des Stoß-Elektromagneten (12) gemäß einer Impulszeitsteuerung der Teilchenquelle (1a).
Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 1, wobei die Steuerungseinheit (30) den Stoß-Elektromagneten (12) steuert, so dass er synchron zu der Impulszeitsteuerung der Teilchenquelle (1a) magnetisch angeregt wird und die Größe der magnetischen Anregung des Stoß-Elektromagneten (12) ändert.
Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 1, wobei die Steuerungseinheit (30) die Größe der magnetischen Anregung des Stoß-Elektromagneten (12) steuert, so dass sie auf einem konstanten Pegel bleibt, und den Stoß-Elektromagneten (12) steuert, so dass er synchron zu der Impulszeitsteuerung der Teilchenquelle (1a) magnetisch angeregt wird, und anschließend die Zeitsteuerung der magnetischen Anregung aus der Synchronität verschiebt.
Teilchenbeschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Linearbeschleuniger (3, 4) Folgendes umfasst: einen Funkfrequenz-Vierpoltyp-Linearbeschleuniger zum elektrischen Konvergieren und Beschleunigen des Teilchenstrahls, und einen Laufzeitröhrentyp-Linearbeschleuniger zum elektrischen Beschleunigen des Teilchenstrahls.
Teilchenbeschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuerungseinheit (30) eine Ausgabezeitsteuerung des Funkfrequenz-Vierpoltyp-Linearbeschleunigers und die des Laufzeitröhrentyp-Linearbeschleunigers mit der Impulszeitsteuerung der Teilchenquelle (1a) synchronisiert.
Teilchenbeschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Teilchenstrahl Teilchen aus der Teilchenquelle (1a) mehrfach extrahiert.
Teilchenbeschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Vielzahl der Teilchenquellen angeordnet ist.
Medizinisches Gerät, aufweisend: eine Teilchenquelle (1a), aus welcher ein Teilchenstrahl mit einer Strahlimpulsbreite von nicht größer als 2 μs extrahiert wird; einen Linearbeschleuniger (3, 4) zum Beschleunigen des aus der Teilchenquelle (1a) extrahierten Teilchenstrahls; ein Synchrotron (7) zum Empfangen des dahin transportierten Teilchenstrahls von dem Linearbeschleuniger (3, 4) und zum Bewirken, dass der Teilchenstrahl zirkuliert, um den Teilchenstrahl zu beschleunigen, bis der Teilchenstrahl einen vorbestimmten Energiepegel erreicht; einen Stoß-Elektromagneten (12) zum Verschieben des Zirkulationspfads des Teilchenstrahls jedes Mal, wenn er eine volle Drehung macht; eine Steuerungseinheit (30) zum Steuern der Größe der magnetischen Anregung des Stoß-Elektromagneten (12) und zum Steuern einer Zeitsteuerung der magnetischen Anregung des Stoß-Elektromagneten (12) gemäß einer Impulszeitsteuerung der Teilchenquelle (1a); eine Entnahmevorrichtung (17) zum Entnehmen des durch das Synchrotron (7) beschleunigten Teilchenstrahls; und eine Bestrahlungsvorrichtung (19) zum Bestrahlen des durch die Entnahmevorrichtung (17) entnommenen Teilchenstrahls auf ein Objekt zur Bestrahlung.