JP2005332794A - 荷電粒子ビーム加速器、荷電粒子ビーム加速器を用いた粒子線照射医療システムおよび、粒子線照射医療システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来、シンクロトロン等によるビーム加速を行う場合、高周波電界発生は３台のファンクションゼネレータと高周波加速装置を用いて制御しているため、制御系が複雑、高価でかつ信頼性の面で課題がある。また、様々なエネルギでのビーム出射やビーム強度の要求条件に対し、制御の最適化に長時間を要しかつ、安定度の高い電磁石電源を必要とする等の課題を解決することを目的とし、ビーム出射制御の簡素化と高信頼性および構成機器数の低減化、高安定度を必要としない電磁石電源を備えた荷電粒子ビーム加速器とそれを用いた粒子線照射医療システムを提供する。
【解決手段】 共鳴の安定限界内のベータトロン振動振幅を増加させる手段は、周回ビームが共鳴の安定限界を越えない範囲の周波数帯で運転し、ビーム出射に必要なタイミングで共鳴の安定限界を変化させる手段を運転して、荷電粒子ビームを出射する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、イオン源から低エネルギビームを入射し、周回軌道上で加速した高エネルギビームを出射する荷電粒子ビーム加速器と前記加速器を用いた粒子線照射医療システムおよびその運転方法に関するものである。

従来、シンクロトロン等の円形加速器で荷電粒子ビームを周回加速させ、その周回軌道から取り出されたビームが、ビーム輸送系で輸送され、所望の対象物に照射する物理実験や、医療用に供されている。この場合前記円形加速器からのビーム取り出し方法に関して、高周波電界を周回ビームに与えて、ベータトロン振動の振幅を大きくし、安定限界の外に出すことにより出射する方法を用い、出射開始、停止はその高周波電界をＯＮ／ＯＦＦすることにより実施されている。
上記のことは、例えば特許文献１には、高周波電磁界をビームに与えてベータトロン振動振幅を大きくし、出射する方法が記載されているが、ＲＦＫＯの実用的な周波数制御に関しては記載されてない。
また特許文献２には、前記特許文献１に記載された出射方法を用いて任意のスポットを照射し、その後出射を止めてビームが次のスポットに来るようにビーム偏向装置を設定し、同出射方法で出射して照射することを繰り返すことが記載されている。
また非特許文献１には、前記特許文献１に記載された方式を基本として、出射ビームの時間構造が滑らかで、高速でビーム出射・停止を実現できる方法が記載されている。
さらに非特許文献２には、前記非特許文献１に書かれていることを、より詳細に記載している。
またさらに非特許文献３には、機器の制御方法が詳細に記載されている。

特許第２５９６２９２号公報 特許第２８３３６０２号公報 "PROGRESS OF RF-KNOCKOUT EXTRACTION FOR ION THERAPY", 欧州加速器会議（ＥＰＡＣ）プロシーディングス（２００２年）、pp2738-2741 "Fast beam cut-off method in RF-knockout extraction for spot-scanning", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 489 (2002) 59-67. "Advanced RF-KO slow-extraction method for the reduction of spill ripple", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 492 (2002) 253-263.

しかしながら、前記特許文献１、２の実用化を記載した前記非特許文献1〜３では、高周波電界を発生させるために3台のファンクションジェネレータを必要とし、ビーム出射・停止のための機器制御としては、それら3台と高周波加速装置（文献ではlongitudinal RF-fieldと記載）を制御しなければならず、制御系が複雑である。従って、高価で、且つ医療機器で最も重要である信頼性の面で課題がある。
また、シンクロトロンは様々なエネルギーでのビーム出射や、ビーム強度が要求され、それら全てでビームパラメータが異なるため、それら全ての条件に対して上記制御の最適化を行わなければならず、装置建設・調整時のパラメータ最適化に長時間を要し、結果的に高コストな装置となる。
またさらに前記非特許文献1〜３では非常に高い安定度の電磁石電源を使用しているため問題となっていないが、低コスト化のために電源安定度を下げようとすると、電源変動は安定領域の境界を変動させることになるため、出射装置を全て停止しても電源変動により後からビームが出射されるため、大きな課題となるというような問題点を有していた。

この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであって、ビーム出射制御の簡素化と高信頼性および構成機器台数の低減化、電磁石電源の広いリップル範囲の許容化等による低コスト化を可能とした荷電粒子ビーム加速器と、その加速器を用いた粒子線照射医療システムおよびその運転方法を提供するものである。

この発明に関する荷電粒子ビーム加速器には、荷電粒子ビームを加速させるとともに周回軌道に沿って周回させる手段と、共鳴の安定限界の外側で、荷電粒子のベータトロン振動を共鳴状態にする手段が備えられており、さらに加えて、共鳴の安定限界内の荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅を増加させる手段と、
共鳴の安定限界を変化させる手段とが設けられており、
ベータトロン振動振幅を増加させる手段は、共鳴の安定限界を周回ビームが越えない範囲の周波数帯で運転し、ビーム出射に必要なタイミングで共鳴の安定限界を変化させる手段を運転して荷電粒子ビームが出射されるものである。

この発明に関する荷電粒子ビーム加速器は、ビーム出射時の制御対象物が少なく、連続したビーム出射が可能であるとともに簡単な制御でビーム出射のＯＮ／ＯＦＦができ、装置のコンパクト化がはかれる。また電磁石電源のリップルが大きくても、不必要なタイミングでビーム出射することが避けられ、信頼性の向上、低コスト化がはかれる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１は荷電粒子ビーム加速器と、粒子線照射医療システムとを組み合わせた状態を示す粒子線照射システム図である。図において、荷電粒子ビーム加速器２００は、入射セプタム３、主偏向電磁石４、主四極電磁石５、高周波加速装置６、六極電磁石７および高周波発生装置であるＲＦＫＯ機器８、出射四極電磁石９、出射セプタム１０によって構成されている。この荷電粒子ビーム加速器２００は、その前段には低エネルギビームの入射系１００が設けられている。この入射系はイオン源１、線形加速器２によって構成されている。また、荷電粒子ビーム加速器２００の出射セプタム１０から出射された出射ビームは、ビーム輸送系３００を通り、医療室に設けられた照射系４００の照射装置１７によって照射対象体、例えば患者の腹部に照射される。前記ビーム輸送系３００は、偏向電磁石２０、ビームモニタ１５、遮蔽電磁石１８、ビームダンパ１９、照射路偏向電磁石１６が設けられている。なお前記照射路偏向電磁石１６は、ビーム輸送系３００ではなく照射系４００に含まれる場合もある。
また前記照射系４００には照射対象体の変位検出器３１が設置されている。

次に、この実施の形態１の荷電粒子ビーム加速器２００の動作について説明する。
粒子線であるイオンビームはイオン源１で発生し、線形加速器２で荷電粒子ビーム加速器であるシンクロトロンに必要な入射エネルギーまで加速される。入射セプタム２を通して入射されたイオンビームは、主偏向電磁石４により周回運動し、主四極電磁石５により収束力を受け、ビームサイズが広がることなく周回し続ける。この実施の形態１では、主偏向電磁石４と主四極電磁石５の各１台の組み合わせが４組配置された構成としている。通常、ビームを水平・垂直方向に収束させるために極性の異なる２種類の四極電磁石が使われるが、この実施の形態１では、主偏向電磁石４は半径方向に磁場強度が変化するか、エッジ角を有することにより垂直方向にも収束力を与える機能を有する偏向電磁石４としており、それにより主四極電磁石５は１種類としている。偏向電磁石４は、原理的に偏向と同時に水平方向には収束力を与える。
入射されたビームは、高周波加速装置６で加速されるが、周回軌道が変動しないように主偏向電磁石４及び主四極電磁石５もビームエネルギー（運動量）の増加に合わせて磁場が強められる。加速後は、主偏向電磁石４及び主四極電磁石５の磁場強度は一定とし、高周波加速装置６はＯＦＦとするか、ＯＮとした状態でも加減速しない位相で運転される。これにより、加速後のビームは一定のエネルギーで周回し続ける。

次に、ビーム出射について記述する前に、粒子（イオン）１個１個の振る舞いに付いて簡単に説明する。粒子は、主偏向電磁石４及び主四極電磁石５により決まる収束力により、中心軌道の周りを振動しながら周回する。これをベータトロン振動と言う。この振動数の小数点以下の端数がゼロ、１／２、１／３（又は１−１／３）であれば、電磁石の誤差磁場により共鳴状態となり、ベータトロン振動振幅が増大し、最終的には真空チェンバ等にぶつかり消滅する。それぞれの共鳴を一次共鳴、１／２（二次）共鳴、１／３（三次）共鳴と呼ぶ。端数が１／４、１／５、・・・でも誤差磁場によっては共鳴するが、通常注意すべきは１／３までである。ベータトロン振動数がこの共鳴から遠ざかっている場合、粒子１個１個の運動を位相空間座標（水平ｘ、垂直ｙ座標と進行方向の傾きｘ’、ｙ’）で見ると、図２に示す楕円の中で移動する。ベータトロン振動数が例えばｎ．２５の場合（ｎは整数）、最大振幅の粒子は、図２の楕円最外周上を周回ごとに移動し、４周で元の位置に戻る。振幅が小さい粒子は、図２の楕円と相似形の小さな楕円上を４周で元の位置に戻るような運動をする。初期位相の異なる様々な粒子からなるビームの軌跡を描くと、図２の楕円内を埋め尽くす事になる。この楕円の大きさは不変である。

次にビーム出射について説明する。主四極電磁石５の磁場を変化させることにより水平方向のベータトロン振動を１／３共鳴に近づけるとともに通常六極電磁石７を励磁して、共鳴状態を作りやすくする。ベータトロン振動が増幅しないで安定に周回できる領域をアクセプタンスと呼ぶが、六極磁場の非線形性から、アクセプタンスは図３に示すような三角形（セパラトリクスと呼ばれ、その最外周を共鳴の安定限界或いは安定領域境界と呼ぶ）となり、そこから出た粒子は、枝の部分を外側に進んで行き（３つの枝を周回ごとに移動する）、出射セプタム１０を超えた粒子は、出射セプタム１０で外側に偏向されて、シンクロトロン２００の外部に取り出される。
前記した特許文献、非特許文献では、セパラトリクスは一定にして、高周波電界によりベータトロン振動振幅を大きくして、セパラトリクスの外側に粒子を移動させる方法を用いている。この高周波電界を発生させる装置は、この実施の形態１による図１ではＲＦＫＯ（高周波ノックアウト）機器８に相当する。

以上は、従来の出射方法であるが、次にこの実施の形態１による出射方法について説明する。図１の出射四極電磁石９は、高速で磁場を変化させられる電磁石で、コイルだけで構成する物から、フェライトコアや、ケイ素鋼板等の薄鋼板を積層した電磁石など、様々なものが考えられる。最も高速にできるタイプは、コイルだけで構成するものがよい。すなわち四極電磁場発生装置であればよい。この出射四極電磁石９を励磁することは、より共鳴状態に近づけることになるため、先のセパラトリクスを小さくすることに相当する。図４で説明すると、出射四極電磁石９を励磁（ＯＮ）することによりセパラトリクスが小さくなり、セパラトリクスからはみ出した粒子は取り出される（図４（ａ））。その後、出射四極電磁石９をＯＦＦすると図４（ｂ）の状態となり、セパラトリクス境界付近には周回ビームは存在しなくなる。従って、この状態で再度出射四極電磁石９をＯＮしてもビームは取り出せない。そこで、周回ビームに高周波発生装置（ＲＦＫＯ機器）８による高周波電界を与えて拡散させ、その空間を埋める。その後、出射四極電磁石９をＯＮすれば、先と同様にビームは取り出される。
高周波電界は、ビームを広げるためだけに使われるため、出射のための高周波発生装置８は１台だけでよい。但し、ベータトロン振動数は粒子によって異なり、また、振幅によっても異なるため、単一周波数だけでは取り出せないビームが多くなるため、従来より適用されているＦＭ変調した高周波が望ましい。変調幅は、この信号によりビームが出射されないで、且つセパラトリクス中心付近のビームも広がってゆく値に選ばれる。また、従来と同様に振幅変調することも効果的である。このＲＦＫＯ機器８は、高周波磁場でも同様の効果が得られる。
出射ビームはビーム輸送系３００を通して治療室に導かれ、照射装置１７を通して患者３０に照射される。照射装置１７は、ビームを適切な位置に照射するためのスキャナー電磁石や、線量モニタ、ビーム位置モニタ、ビームエネルギーを変えるレンジシフタなどから構成される。

ここで、照射装置１７を用いたスポットスキャニング照射の一例を説明する。図５は照射装置１７の内部の一部を記載している。ビーム位置を平行に移動させる平行スキャナー電磁石２１で半径方向の任意の位置にビーム位置を設定できる。この平行スキャナー電磁石２１を同じ角度回転させることで、２次元の任意の位置にビーム位置を設定できる。平均すると一角度当たりのスポット数は約３で、回転角は５０ステップ程度で均一な線量分布を作り出すことができる。ビームの深さ方向の制御はレンジシフタ２２の厚みを変えることにより実施される。この３つの変更で最も時間がかかるのは、電磁石２１の回転で約５００ｍｓである。電磁石２１の磁場変化は数十ｍｓ、レンジシフタの切替時間は約３０ｍｓである。このため、照射手順としては、半径方向移動?レンジシフタ切替?半径方向移動を繰り返し、深さ方向に全て照射が終わった時点で、電磁石２１を回転させて、同じ手順で照射を繰り返す。一スポット当たりの照射時間は数ｍｓから数十ｍｓであり、任意のスポットに照射できる準備が完了して、シンクロトロン２００からビームを出射して照射する。スポットの全数は数千点以上になるため、照射準備完了後、できるだけ早くシンクロトロン２００からビーム出射することが要求される。
運転パターンの一例を図６に示す。所定のスポットに照射できる準備が完了後（ａ）、全体制御系から出射開始信号が出力され（ｂ）、それを受けて出射四極電磁石９が磁場を発生させる（ｄ）。その後、シンクロトロン２００からビームが出射され（ｅ）、スポットスキャニング照射装置１７内の線量モニタで線量測定が開始され、所定の線量に達した時点で線量満了信号を発生する（ｃ）。出射四極電磁石９は、線量満了信号（ｃ）を受けて磁場発生を停止する。その後、ＲＦＫＯ機器８で高周波電界を発生させ（ｆ）、周回ビームをセパラトリクス内の境界付近まで広げて高周波電界発生を停止させる。それと並行して、スポットスキャニング照射装置１７では、次のスポット照射のための準備が進められ、それが完了後、前記と同様に前記照射装置１７からの照射タイミングに合わせ同じ動作が繰り返される。

例えば患者３０への照射において、肺や肝臓のように呼吸によって大きく動く臓器に対しては、呼気において動きが比較的安定した状態の時に照射する方法が、正常組織への照射を低減できる。このため、例えば、照射位置に相当する腹部の位置の変位を、遠隔で検出できる呼吸変位検出器３１を用いて呼吸による変動を検出し、その信号レベルが予め設定された範囲内になった時に照射する方法も有効である。図６の照射可信号は、その信号レベルが予め設定された範囲内になった時に発せられる信号で、通常は１秒から２秒程度の長い信号であるが、図６では、他の信号との関係が判るように短く描いている。出射四極電磁石９はこの照射可信号がＯＮで出射開始信号が発生した時だけ磁場を発生させる。
呼吸による腹部の動きと、臓器の位置関係は、予めＭＲＩやＣＴで測定しておくことは言うまでもない。

次に、シンクロトロン２００の運転パターン例を図７について説明する。例えば患部が殆ど動かない場合や、動く場合でもその動きを無視できるような照射の場合、患部変動とは無関係に加速した粒子を所定のスポットに照射し、加速粒子が無くなった時点で電磁石４、５の磁場や高周波加速装置６の加速電界を入射時の値に下げて（減速）、再入射・加速を行い、照射を続ける。
これに対して、患部の動きに合わせた照射を行う場合は、図７（ｂ）に示すように、加速後から減速までのフラットトップの時間が長くなる。患部は呼吸にほぼ同期した動きをするが、一呼吸の周期は一般に大体１２秒程度で、その間で、患部が安定する時間は１秒から２秒程度である（図７では安定している時間を長く描いている）。一方、スポットスキャニング照射において、シンクロトロン２００での加速粒子数は、一呼吸で照射できる粒子数よりも多くすることができ、２〜３呼吸以上に対応できる場合もある。従って、加速後、患部の変動に対して照射が可能となった時点でスポット照射を開始し、患部の変動が大きくなると停止して次の呼吸で患部が安定になるのを待って、スポット照射を再開する。そして、周回ビームが予め設定された強度以下になった時点で、減速して再入射・加速をし、同様の条件でスポット照射を再開する。
本方式は、医療分野だけでなく物理実験の分野でも有効である。物理実験では、加速粒子を標的にぶつけて、そこから発生する２次、３次粒子を検出するが、一度に多くの加速粒子をぶつけると、検出器が飽和するなどの問題から、ビームを少しずつ取り出す。従って、本方式で少しずつ取り出し、その取り出しのタイミングが分かれば、効率の良い測定が可能となる。
このように、この実施の形態１の荷電粒子ビーム加速器では、ビーム出射に必要な制御機器が少なく、且つ制御が容易であるという効果がある。

実施の形態２．
次に実施の形態２を説明する。前記実施の形態１では、図６（ｄ）（ｆ）に示したように出射四極電磁石９を運転している時は高周波発生装置（ＲＦＫＯ機器）８をOFFしているが、図８（ｅ）に示すように、周波数をf1からf2まで変化させるFM変調信号を発生する高周波発生装置８を連続的に運転しても同様の効果が得られる。また、図９（ｆ）（ｇ）に示すように、この高周波発生装置８を従来例のように２台用いて、FM変調の位相をずらす方式を用いると、より効果的な取り出しができる。更に、図１０（ｆ）に示すように、f1からf2までの周波数が含まれる信号を発生させる高周波発生装置８を用いても同様の効果が得られる。ここで、周波数f1からf2は、ベータトロン振動振幅がゼロの周回荷電粒子から振幅の大きい周回荷電粒子まで振幅を増幅させるが、共鳴の安定領域境界を越えない周波数帯である。
前記実施の形態１の図６（ｆ）では高周波発生装置８の運転タイミングを描いており、図８から図１０では出力信号の周波数或いは周波数成分を描いている。
なお、これらの信号の振幅は、時間とともに徐々に大きくした方が、共鳴の安定限界付近のビーム密度を一定に近くできるので効果的である。この振幅変調は、FM変調周期内での変調と、加速した粒子全部を取り出すまでの時間内での変調の両方を含むが、後者だけの場合もある。
なお、前記図８から図１０の（ｄ）に示す出射四極磁場波形は、前記実施の形態１に示した図６（ｄ）の波形とは異なるが、本実施の形態２では、出射四極電磁石９の電源は取り出しビーム強度が一定となるようにフィードバック制御する方式とした。取り出しビーム強度は、例えばシンクロトロンと照射装置の間に設置したビームモニターで測定するとか、照射装置内に設置したビームモニタで測定する。
この実施の形態２は、FM変調信号の位相と出射四極電磁石９の運転タイミングの関係により、取り出しビーム強度が変わる可能性があるが、タイミング制御する機器の数が減るため、システムの運転制御が容易になる効果がある。
なお、図８、図９、図１０では、照射可信号とは無関係に高周波発生装置８を連続運転しているが、照射可信号が出ている間だけ高周波発生装置８を連続運転しても同様の効果が得られる。

実施の形態３．
次に実施の形態３を説明する。主偏向電磁石４や主四極電磁石５の電磁石電源やＲＦＫＯ機器８電源のノイズ等により、前述した図６に示す出射開始信号（ｂ）と線量満了信号（ｃ）との間以外の時間帯にビームが出射されてもスポットスキャニング照射装置１７に輸送されないようにするために、出射開始信号（ｂ）と線量満了信号（ｃ）の間だけ磁場を発生させる遮蔽電磁石１８を図１に示したビーム輸送系３００に設置する方式はより効果的である。この遮蔽電磁石１８の運転パターンを図１１（ｇ）に示す。この場合、ビーム輸送系３００の偏向電磁石２０の偏向角を少なめにして、遮蔽電磁石１８がＯＦＦの状態ではビームは中心軌道を外れてビームダンパ１９に衝突するようにし、遮蔽電磁石１８ＯＮで中心軌道を通ってスポットスキャニング照射装置１７に導かれるようにする。偏向電磁石２０の偏向角を少なめにする替わりに、偏向電磁石２０の一つであるステアリング電磁石を遮蔽電磁石１８直近に設置し、ステアリング電磁石は常時ＯＮとして遮蔽電磁石１８がＯＦＦしていればビームはダンパに衝突するようにし、遮蔽電磁石１８ＯＮでスポットスキャニング照射装置１７に導かれるようにする方法も考えられる。或いは逆に、遮蔽電磁石１８ＯＮでビームダンパ１９に当たるような方式でも同様の効果が得られる。また、この場合は、出射開始信号（ｂ）と線量満了信号（ｃ）との間以外の時間帯に遮蔽電磁石１８をＯＮする必要がある。勿論、この遮蔽電磁石１８は必須の機器ではない。このような実施の形態３では不必要な時間帯にビームを出射しない。

実施の形態４．
次に実施の形態４を説明する。前記実施の形態１の図６（ｄ）に示した出射四極電磁石の磁場波形を三角波としているが、この波形に限定するものではない。更に、ビーム輸送系３００に設置したビームモニタ１５で出射ビーム強度を測定し、その測定値が予め設定した値となるように出射四極電磁石電源の出力をフィードバック制御する方式も有効である。この場合、セパラトリクスの大きさを大きく変え過ぎると、出射セプタム１０入り口でのビームの傾きが大きく変わり、その結果、照射位置で所定の位置にビームが来なくなるため、出射四極電磁石電源出力の上限を設定する方式が、より有効である。このようなこの実施の形態４によると出射ビームの時間構造の均一性がよい。

実施の形態５．
次に実施の形態５を説明する。前記実施の形態では照射動作中の高周波加速装置６の運転、制御に関しては触れてないが、高周波発生装置（ＲＦＫＯ機器）８の運転に同期させて高周波加速装置６を運転する方法もある。この方法を採用する理由は、スパイク発生の少ない、時間的に一様なビーム取り出しを可能とすることにある。その場合の運転パターンを図１２に示す。周回粒子のベータトロン振動数は全て同一ではなく、ある幅を持つことは先に述べた。高周波加速装置６でビーム進行方向に高周波電界を発生させると、周回粒子は加速されたり減速されたりして、エネルギー振動（シンクロトロン振動）を始める。この場合、中心位相はゼロとするので平均エネルギーは一定である。シンクロトロンは通常有限のクロマティシティξ（色収差）を持ち、エネルギー（運動量ｐ）が異なる粒子のベータトロン振動数νは異なる。そして運動量幅Δｐとベータトロン振動数幅Δνの間にはΔν／ν＝ξΔｐ／ｐの関係がある。従って、一つの粒子がいろいろなベータトロン振動をするため、共鳴状態となる機会が増え、ＦＭ変調したＲＦＫＯ機器８の高周波電界との組み合わせにより、より効果的なビーム拡散を実現できる。
なお、シンクロトロン振動におけるΔｐの最大値は高周波加速装置６の電界強度によるため、電界強度は、これにより粒子がセパラトリクス外に出ない値に設定する。

次に高周波加速システムについての実施例を説明する。一般に、粒子線シンクロトロンでは、電磁石電源と高周波加速電源の加速運転パターンは正確に同期させて、且つ加速電源のパターンは複雑に変化させる必要がある。このため、パターンをメモリーに記憶させ、順次メモリーを出力し、高周波アンプで増幅する方法が用いられる。パターンはビーム試験等を通して最適化される。この高周波信号発生器に、図１２に示した運転パターンを追加する方法も考えられるが、図１６に示すように機能を分離したシステムでも同様の効果が得られる。パターン発生器４１が前述の高周波信号発生器に相当し、ビーム取り出し時に使われるのがファンクションジェネレータ４２である。パターン発生器は加速後出力を停止する。通常メモリー出力は全体制御系から送られるクロックで行われるため、加速後クロックを停止する制御方式とすればよい。ファンクションジェネレータを図１２（ｅ）のタイミング例１に示すような運転パターンで運転することは、現在の技術からすれば全く問題ない。単一周波数出力、ＡＭ・ＦＭ変調など様々な運転方法が可能である。
図１３（ｅ）（ｆ）に高周波加速装置６の電界強度の変化のさせ方についての実施例を示す。図１３（ｅ）（ｆ）に示すように電界強度を徐々に強くした方が、効果的である。突然強くすることを繰り返すと、運動量幅が徐々に大きくなり、出射ビームの質が変わる可能性があるためである。また、図１２、１３に示す例では、ＲＦＫＯ機器８の運転時間幅よりも高周波加速装置６の運転時間幅を長くしているが、これに限定されるものではない。この実施の形態５を採用することにより高周波加速装置により安定領域内のビームを撹乱するために均一性がよくなり、出射ビームの時間構造の均一性がよくなる。

実施の形態６．
次に実施の形態６を説明する。前述した実施の形態５の図１２（ｆ）の加速装置運転タイミング例２は、ビーム出射中に実施する例である。図１４は実施の形態１で説明した図４のビーム出射の説明図をシュタインバッハ図と呼ばれる図で表したもので、非特許文献２でも用いられている。この図１４から分かることは、初期状態の出射四極電磁石ＯＦＦ、ＲＦＫＯ機器ＯＦＦでも、高周波加速装置をＯＮすると各粒子のΔｐ／ｐが変化するため、図の左右の境界の範囲内で移動するため、安定領域境界付近にいる粒子が不安定領域にはみ出すことである。従って、図１３（ｅ）に示した加速装置運転タイミング例１だと、運転パラメータによってはビーム拡散時に出射されるビームが出てくる場合がある。遮蔽電磁石１８が備わっていれば問題ないが、このようなことが起きない方法がベストである。図１３（ｆ）の加速装置運転タイミング例２はビーム出射中にＯＮする方式であるため、このような問題は生じない。このような実施の形態６では、図１４における粒子座標を左右に撹乱させることになるため、粒子密度分布を均一化し、出射ビームの時間構造を更に平坦化できる効果が期待できるとともに、不必要な時間帯にビームを出射しない。

実施の形態７．
次に実施の形態７について説明する。加速器のクロマティシティは、六極電磁石の調整によりゼロに近い値で運転することができる。この場合、前記図１５に示すようにシュタインバッハ図では安定限界は、Δｐ／ｐに関係なく大体一定となる。従って、前記実施の形態６で述べたような問題はなくなる効果がある。また、高周波発生装置８による安定限界付近のビーム拡散は、高周波加速装置６のＯＮ／ＯＦＦに関係なく容易となり、ビーム取り出しが効果的にできる。

実施の形態８．
次に実施の形態８のビーム輸送系３００で照射停止を制御する方法について説明する。出射四極電磁石９で強い磁場が要求される場合、電磁石９のインダクタンスが大きくなり高速の制御が難しくなり、結果的に、線量満了信号が届いてからビーム出射停止までの時間が仕様を満たさない場合が考えられる。このような場合、図１７の全体システム図に示すように、ビーム輸送系３００に高速のパルス電磁石（照射ビーム制御電磁石２５）を配置すれば、高速の照射停止が可能となる。図１８（ｆ）（ｇ）に運転パターンの例を示す。この照射ビーム制御電磁石２５の作用は、基本的には実施の形態３で示した遮蔽電磁石１８と同じであり、遮蔽電磁石１８の効果も併せ持たせることができる。照射ビーム制御電磁石２５は、マイクロ秒或いは数十マイクロ秒オーダの早い磁場立ち上がり（又は立下り）が必要とされるため、フェライトコア等を使用した高周波応答特性を有した電磁石とする。線量満了信号（ｃ）発生後に出射されたビームは、ビームダンパ１９に当たるように制御する。
また、出射ビームは出射開始信号より少し遅れて出てくるが、照射ビーム制御電磁石２５のＯＮタイミングを出射開始信号より遅らせれば、ＯＮタイミングに合わせた照射が可能となる。
ＲＦＫＯ機器８や高周波加速装置６の運転方法は、前記した実施の形態１と同じである。このような実施の形態８では照射停止が高速にでき、且つ、不必要な時間帯にスポットスキャニング照射装置１７にビームを輸送しない。

実施の形態９．
この実施の形態９は、シンクロトロン２００の主偏向電磁石４や主四極電磁石５の電磁石電源のリップルを考慮した場合の実施例について説明する。シンクロトロンの主四極電磁石電源や主偏向電磁石電源の出力変動（リップル）は、セパラトリクスの大きさを変動させることになる。例えば、図１９の網掛け部分（ａ）〜（ｂ）が周期的に変動することになる。その周期は通常数ｍｓから１０ｍｓ程度である。このため、セパラトリクス一杯にビームを広げた場合、それがセパラトリクスが最小になった時であれば問題ないが、最小でなかった場合、その後最小に向かった時にビーム出射が起き、所望の時間帯以外に出射されることになる。
これを避ける方法として、リップルによるセパラトリクスの変動を考慮して、ＲＦＫＯ機器８の高周波のＦＭ変調幅や高周波加速装置６の電界強度を決める。つまり、リップルによりセパラトリクスが最小となる境界以内にビームの拡散を留める。
従来例では、極めて高い安定度の電源を使用しているため、このような問題は出ていないと考えられるが、この実施の形態９によると、安定度の比較的悪い電源にも対応可能で、低コストの装置となる効果がある。

実施の形態１０．
次に実施の形態１０について説明する。これまでに説明した実施の形態１〜９では、セパラトリクスを狭める方式として出射四極電磁石９を用いた例を示したが、高周波加速装置６でも同様の効果が得られる。前述した図１４は横軸を運動量で与えているが、ビームを加速すると色塗りの部分は全体的に右側に移動するため、境界線からはみ出したビームは出射される。ビーム加速を停止して減速すると、ビームは元の位置に戻り出射は停止する。ベータトロン振動振幅を増大させる方法は前述した実施の形態と同じである。加速は、周波数を変化させる（一般には増加）ことで実施できる。また、シンクロトロン２００のパラメータによっては減速によりこのような状態を作り出すこともある。このように、高周波加速装置６で周波数を適当に制御することで、出射四極電磁石９と同様の効果が得られるとともに、出射四極電磁石９を不要にでき低コストにできる。

実施の形態１１．
次に実施の形態１１の粒子線照射医療システムの運転方法について説明する。
シンクロトロンの運転パターンに関して、前記実施の形態１では、周回ビームが予め設定された強度以下になった時点で減速するとしたが、例えば照射対象が人体であるような場合、一呼吸での照射完了後の周回ビーム強度が、次の呼吸サイクルでの照射可能時間に対して、多くの時間に対応できない場合は、減速・再入射・加速のパターに移るようにすれば、時間ロスを少なくできる効果が得られる。減速・再入射・加速のパターに移る条件は、様々なケースが考えられるが、例えば、予め測定した照射可能時間の平均値の半分以下のスポット照射しかできないビーム強度などが挙げられる。このような運転方法を採用することにより、時間ロスを少なくでき、全照射時間を短くできる。

実施の形態１２．
次に実施の形態１２について説明する。前記実施の形態１の図５で説明した平行スキャナー方式のスポットスキャニング照射においては、１回転角当たり照射後の平行スキャナー電磁石２１の回転に０．５秒程度の時間を要するため、シンクロトロン２００の減速・入射・加速のパターンをこの回転駆動のタイミングに合わせて実施するようにすれば、時間ロスの少ない照射ができる。更に、この回転駆動を吸気のタイミングに合わせて行うようにすれば、より時間ロスの少ない照射ができ、全照射時間を短くできる。

実施の形態１３．
次に実施の形態１３について説明する。前記実施の形態１２では平行スキャナー方式を例として挙げたが、通常のスポットスキャニング方式でも同様の効果が得られる。図２０はその原理図を示す。偏向方向が９０度異なる２台のスキャナー電磁石を用いて、２次元の任意の位置に照射する方式で、深さ方向は平行スキャナー方式で説明した方式と同じである。この方式の場合は、通常任意のレンジシフタ厚みに対して２次元平面全てのスポットに照射し、その後レンジシフタの厚みを変えて、同様の照射を繰り返す方式である。ＲＦＫＯ機器８や高周波加速装置６の高周波電磁界のタイミングや運転パターン等は平行スキャナー方式への適用例と同様である。
このように、この実施の形態１３は、他のスポットスキャニング照射方式への適用が可能である。

実施の形態１４．
前述した実施の形態では、一スポット当たりの照射（出射）は連続的としたが、これに限定されるものではない。各スポットに必要とされる線量は異なるため、例えば、最も少ないスポットの線量を与える照射時間以下のパルスビームを出射するようにＲＦＫＯ機器８と出射四極電磁石９を交互に運転し、あるスポットに対して必要線量照射後、ＲＦＫＯ機器８と出射四極電磁石９の少なくとも一つを停止し、次のスポット照射の準備が完了してから再度両装置を運転して、必要線量照射することを繰り返す。ビーム出射の間の時間は、ＲＦＫＯ機器８によるビームの拡散に必要な時間とする。また、高周波加速装置６の使用も前記実施の形態５と同様に効果的である。
この実施の形態１４によれば制御が容易で、照射と照射の間は全ての出射に関係する機器を停止するため、ビームの出射を完全に停止できるという効果がある。

実施の形態１５．
以上述べた実施の形態ではスキャニング照射方式への適用について述べたが、通常のブロードビーム方式への適用も可能である。ブロードビーム方式とは、散乱体やワブラー電磁石を使ってビームを広げ、コリメータやボーラスを使って患部以外の場所への照射を減らす方式である。
患部への照射が可能となった時点で、出射四極電磁石９とＲＦＫＯ機器８を交互に運転し、断続的にビームを出射し、照射制御系から停止の指示がくれば出射四極電磁石９とＲＦＫＯ機器８の少なくとも一方の運転を停止することによりビーム出射を停止する。前記実施の形態と同様に高周波加速装置６を使うことも効果的であり、基本的には前記実施の形態と同様の運転方法が適用できる。
照射線量誤差はスポット照射の場合と同程度の値が要求されるが、ブロードビーム照射の場合、スポット照射と異なり全照射時間に対するパーセンテージで良い為、例えば、照射停止の信号発生後１ｍｓ程度でビーム出射が停止できれば問題ない。この場合の出射四極電磁石９の１出射当たりの出力時間が１ｍｓ程度であれば、出射四極電磁石９のＯＮ／ＯＦＦだけの制御で対応できる。出射四極電磁石９の出力時間が長い場合、ビーム輸送系３００の照射制御偏向電磁石１６或いは遮蔽電磁石１８を使えばよく、１ｍｓ程度の電磁場変化で問題ないため、安価な装置で対応できる。出力時間の長さに関しては、長いと安定領域の縮小幅が大きくなり出射ビームの傾きの変化が大きくなるため、長くする場合は、それが許容できる値に設定される。
このようにこの実施の形態１５ではスポットスキャニング照射方式と同様の効果が得られ、必要な時間帯だけビーム出射が可能で、安価な装置構成で達成できるという効果がある。

この発明の実施の形態1〜１５は、癌等の悪性腫瘍の治療に関する医療用荷電粒子照射システムや、荷電粒子ビーム照射による殺菌、消毒や金属材料等の特性改善さらには物理実験等に利用可能である。

この発明の実施の形態1〜７、９〜１５の荷電粒子ビーム加速器と粒子線照射システムを示す図である。 加速中の荷電粒子ビームのアクセプタンスを説明する図である。 加速中の荷電粒子ビームのアクセプタンスを説明する図である。 この発明の実施の形態1〜１５のビーム出射を説明する図である。 平行スキャナ方式の照射装置を示す図である。 この発明の実施の形態１、３〜１５の荷電粒子ビーム加速器の運転パターンを示す図である。 この発明の実施の形態１〜１５の粒子線照射システムにおけるシンクロトロンの運転パターンを示す図である。 この発明の実施の形態２の運転パターンを示す図である。 この発明の実施の形態２の運転パターンを示す図である。 この発明の実施の形態２の運転パターンを示す図である。 この発明の実施の形態３の遮蔽電磁石の運転パターンを示す図である。 この発明の実施の形態５の高周波加速装置を使用する場合の運転パターンを示す図である。 この発明の実施の形態５の高周波加速装置の電界波形を示す図である。 この発明の実施の形態６の出射方法を説明する図である。 この発明の実施の形態７の出射方法を説明する図である。 この発明の実施の形態５の高周波加速システムを示すブロック図である。 この発明の実施の形態８のビーム輸送系で照射停止を示す図である。 この発明の実施の形態８のビーム輸送系で照射停止を制御する運転パターンを示す図である。 この発明の実施の形態９の電源リップルを考慮した場合のセパラトリクスを説明する図である。 スポットスキャニング照射装置を示す図である。

符号の説明

４ 主偏向電磁石、５ 主四極電磁石、６ 高周波加速装置、７ 六極電磁石、
８ 高周波発生装置（ＲＦＫＯ機器）、９ 出射四極電磁石、１７ 照射装置、
１８ 遮蔽電磁石、２０ 偏向電磁石、３１ 変位検出器、２００ 加速器（加速系）、３００ ビーム輸送系、４００ 照射系。

Claims (14)

1. 荷電粒子ビーム加速器であって、
   前記荷電粒子ビーム加速器には、荷電粒子ビームを加速させるとともに周回軌道に沿って周回させる手段と、共鳴の安定限界の外側で前記荷電粒子のベータトロン振動を共鳴状態にする手段が備えられており、
   さらに加えて前記共鳴の安定限界内の荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅を増加させる手段と、前記共鳴の安定限界を変化させる手段とが設けられており、
   前記ベータトロン振動振幅を増加させる手段は、前記共鳴の安定限界を前記周回ビームが越えない範囲の周波数帯で運転制御されるとともに、ビーム出射に必要なタイミングで前記共鳴の安定限界を変化させる手段が運転制御され、前記荷電粒子ビームが出射されることを特徴とする荷電粒子ビーム加速器。
2. 前記共鳴の安定限界内の荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅を増加させる手段と、前記共鳴の安定限界を変化させる手段とを交互に運転制御、あるいはいずれか一方を繰り返して運転したのち交互に運転制御されて、前記荷電粒子ビームが出射されることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム加速器。
3. 前記荷電粒子ビームを加速させるとともに周回軌道に沿って周回させる手段は、高周波加速装置、偏向電磁石および四極電磁石であり、
   前記共鳴の安定限界の外側でベータトロン振動を共鳴状態にする手段は六極電磁石であり、
   前記共鳴の安定限界内のベータトロン振動振幅を増加させる手段はＲＦＫＯ機器であり、
   前記共鳴の安定限界を変化させる手段は、四極電磁場発生装置であり、
   前記四極電磁石と六極電磁石とが制御されることによって、前記荷電粒子ビームの出射時における前記共鳴の安定限界が作り出されるとともに、前記共鳴の安定限界内の荷電粒子のベータトロン振動振幅を増加させる手段と、前記共鳴の安定限界を変化させる手段とが運転制御される請求項１〜２のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム加速器。
4. 前記共鳴の安定限界を変化させる手段によって、
   前記共鳴の安定限界が縮小されてビーム出射が開始され、前記共鳴の安定限界が所定の縮小幅に達した後に縮小を停止させることにより、前記ビーム出射を停止させ、
   前記安定限界内の荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅を増加させる手段によって、前記ベータトロン振動振幅を前記共鳴の安定限界内の境界付近まで増加させることを特徴とする請求項３に記載の荷電粒子ビーム加速器。
5. 前記共鳴の安定限界が縮小されてビーム出射が開始され、所定のビーム量が出射された後に、前記縮小を停止させることにより、前記ビーム出射を停止することを特徴とする請求項３に記載の荷電粒子ビーム加速器。
6. 前記ビーム出射の待機状態における前記共鳴の安定限界は、前記荷電粒子ビーム加速器を構成する電磁石の電源リップルによって変動縮小されても、ビーム出射しない領域に設定されていることを特徴とする請求項４または請求項５のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム加速器。
7. 前記共鳴の安定限界を変化させる手段は、四極の空心コイルまたは、高周波応答特性を備えた磁気鉄心を有する四極電磁石のいずれかであることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム加速器。
8. 前記共鳴の安定限界を変化させる手段は、前記高周波加速装置で、前記荷電粒子ビームを加速あるいは減速することを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム加速器。
9. 粒子線照射医療システムであって、
   前記粒子線照射医療システムには、荷電粒子ビーム加速器と、前記荷電粒子ビーム加速器から出射された荷電粒子ビームを治療室へ輸送するビーム輸送系とが備えられており、前記荷電粒子ビーム加速器が、請求項１〜８のいずれか１項に記載のものを用いたことを特徴とする粒子線照射医療システム。
10. 前記治療室には、照射装置が設けられており、前記照射装置の照射タイミングに合わせて、前記荷電粒子ビーム加速器からビームが出射されることを特徴とする請求項９に記載の粒子線照射医療システム。
11. 前記治療室には、照射対象物の照射位置変化を検出する変位検出器が設けられており、前記変位検出器が検出する信号が予め設定されたレベルの範囲内である時に、前記照射装置によってビーム照射が行われることを特徴とする請求項１０に記載の粒子線照射医療システム。
12. 前記ビーム輸送系には荷電粒子ビームの偏向装置が設けられており、
    前記偏向装置によって所望の時間以外は前記照射装置への前記荷電粒子ビームの輸送を止めるようにしたことを特徴とする請求項１０に記載の粒子線照射医療システム。
13. 前記ビーム輸送系には前記照射装置によるビーム照射が所定の線量に達した時、高速で前記荷電粒子ビームを遮断するための偏向装置が設けられており、前記偏向装置が空心コイルまたは高周波応答特性を備えた磁気鉄心を有する電磁石のいずれかによって構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の粒子線照射医療システム。
14. 請求項１０に記載の粒子線照射医療システムの運転方法であって、前記照射装置によって所定の時間照射された後、前記荷電粒子ビーム加速器の周回ビーム強度が、次の照射に予定されている時間以下しか照射できない場合に、前記荷電粒子ビーム加速器を減速、入射、加速のパターンに移行させることを特徴とする粒子線照射医療システムの運転方法。

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