JP2012099354A - 粒子加速器及びｂｎｃｔ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フォイルストリッパーの長寿命化を図ることができる粒子加速器及びＢＮＣＴ装置を提供する。
【解決手段】サイクロトロンは、イオン源から取り入れた荷電粒子を加速させる粒子加速器であって、Ｈ^＋粒子を加速させる加速空間に所定方向の磁場を発生させる磁場発生手段と、Ｈ^＋粒子の加速軌道Ａ上に設けられ衝突したＨ^＋粒子から電子を剥ぎ取るフォイルストリッパー７１と、を備え、フォイルストリッパー７１は、磁場方向（Ｚ方向）に対して傾斜する傾斜面７１ａを有することを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、粒子加速器及びこれを用いたＢＮＣＴ装置に関するものである。

従来、中性子の照射によりがん治療を行う硼素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ：ＢｏｒｏｎＮＴＣ）を行うためのＢＮＣＴ装置が知られている。この種のＢＮＣＴ装置では、まず、イオン源により生成したＨ⁻（イオン化した水素）粒子をサイクロトロンの中心部に取り入れ、螺旋状にＨ⁻粒子を加速する。Ｈ⁻粒子が取り出し半径まで到達すると、厚さ約２μｍのグラファイト製のフォイルで構成されるフォイルストリッパーによりＨ⁻粒子の電子を２つ剥ぎ取り、Ｈ^＋の陽子線としてサイクロトロンの外へ出力する。そして、サイクロトロンから出力された陽子線をベリリウム等のターゲットに照射することで中性子を生成し、生成した中性子を患者に照射している。なお、特許文献１にはサイクロトロンが、特許文献２にはフォイルストリッパーが、特許文献３にはＢＮＣＴ装置がそれぞれ開示されている。

特開２００５−３８６２８号公報 特開平１０−２５６０００号公報 特開２００９−１９３９３４号公報

しかしながら、上記のようなＢＮＣＴ装置においては、フォイルストリッパーは高エネルギーのＨ⁻の衝突により溶融するので、フォイルストリッパーは比較的短寿命の消耗品であり、定期的にフォイルストリッパーの交換を行う必要がある。そして、加速するＨ⁻ビームの電流値が高くなれば、フォイルストリッパーの溶融の進行が速く、フォイルの寿命が短くなる傾向にあり、フォイルストリッパー交換の頻度が高まることで、メンテナンスの手間や維持コストが大きくなってしまうといった問題がある。また、フォイルストリッパー交換の作業中には当然ＢＮＣＴ装置を停止する必要があるので、ＢＮＣＴ装置の稼動効率が低下してしまう問題もある。

そこで、上記問題に鑑み、本発明は、フォイルストリッパーの長寿命化を図ることができる粒子加速器及びＢＮＣＴ装置を提供することを目的とする。

本発明の粒子加速器は、イオン源から取り入れた荷電粒子を加速させる粒子加速器であって、荷電粒子を加速させる加速空間に所定方向の磁場を発生させる磁場発生手段と、荷電粒子の進行軌道上に設けられ衝突した荷電粒子から電子を剥ぎ取るフォイルストリッパーと、を備え、フォイルストリッパーは、所定方向に対して傾斜する傾斜面を有することを特徴とする。

この種の粒子加速器では、荷電粒子がフォイルストリッパーに衝突した際に電子が剥ぎ取られ、剥ぎ取られた電子は磁場方向（所定方向）に飛散する。そして、電子がフォイルストリッパーに接触しながら飛散し、電子のエネルギーがフォイルストリッパーに吸収されることが、フォイルストリッパーの溶融の主たる原因である。そこで、フォイルストリッパーの傾斜面に荷電粒子を衝突させれば、荷電粒子から剥ぎ取られた電子は磁場方向（所定方向）に飛散するので、電子がフォイルストリッパーにほとんど接触せずに飛び去ることになる。よって、飛散する電子からフォイルストリッパーに対して付与されるエネルギーが低減され、フォイルストリッパーの溶融が抑えられることで、フォイルストリッパーの寿命を長くすることができる。

具体的な構成として、フォイルストリッパーは、所定方向に対して傾斜する平板状をなすこととしてもよい。この構成によれば、傾斜面を有するファイルストリッパーを容易に作製することができる。

また、具体的な他の構成として、フォイルストリッパーは、荷電粒子の進行方向に向かって凹状に形成された凹部を備えることとしてもよい。この構成によれば、凹部の一部分が上記傾斜面を構成する。

また、本発明のＢＮＣＴ装置は、上記いずれかの粒子加速器と、粒子加速器から出力される荷電粒子線をターゲットに照射して中性子線を発生させる中性子線生成部と、を備えたことを特徴とする。このＢＮＣＴ装置では、上記の粒子加速器の構成によりフォイルストリッパーの長寿命化を図り、稼働率の向上を図ることができる。

本発明の粒子加速器及びＢＮＣＴ装置によれば、フォイルストリッパーの長寿命化を図ることができる。

本発明のＢＮＣＴ装置の一例を示す図である。 図１の装置の中性子線生成部を示す一部破断斜視図である。 図１の装置のサイクロトロンの内部を示す平面図である。 図３のサイクロトロンの鉛直断面図である。 図３のサイクロトロンのフォイルストリッパー近傍を詳細に示す平面図である。 図３のサイクロトロンのフォイルストリッパーの断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、フォイルストリッパーの他の例を示す断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る粒子加速器及びＢＮＣＴ装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、「上流」「下流」の語は、出射する荷電粒子線及び中性子線の上流（サイクロトロン側）、下流（被照射体側）をそれぞれ意味している。

図１は、本発明の一実施形態に係るＢＮＣＴ装置の構成を示す図であり、図２は、図１のＢＮＣＴ装置における中性子線生成部を示す概略斜視図である。図１に示すように、ＢＮＣＴ装置１は、硼素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ：ＢｏｒｏｎＮＴＣ）を用いたがん治療などを行うために用いられる装置であり、患者等の被照射体４０へ中性子線Ｎを照射する。

このＢＮＣＴ装置１は、サイクロトロン（粒子加速器）１０を備え、サイクロトロン１０は、陽子等の荷電粒子を加速して、陽子線（陽子ビーム）を荷電粒子線Ｐとして作り出す。ここでのサイクロトロン１０は、例えば、ビーム半径４０ｍｍ、６０ｋＷ（＝３０ＭｅＶ×２ｍＡ）の荷電粒子線Ｐを生成する能力を有している。

サイクロトロン１０から取り出された荷電粒子線Ｐは、水平型ステアリング１２、４方向スリット１４、水平垂直型ステアリング１６、四重極電磁石１８，１９，２０、９０度偏向電磁石２２、四重極電磁石２４、水平垂直型ステアリング２６、四重極電磁石２８、４方向スリット３０、電流モニタ３２、荷電粒子線走査部３４を順次に通過し、中性子線生成部３６に導かれる。この荷電粒子線Ｐは、中性子線生成部３６においてターゲットＴに照射され、これにより、中性子線Ｎが発生される。そして、中性子線Ｎは、治療台３８上の被照射体４０へ照射される。

水平型ステアリング１２、水平垂直型ステアリング１６，２６は、例えば電磁石を用いて荷電粒子線Ｐのビームの発散を抑制するものである。同様に、四重極電磁石１８，１９，２０，２４，２８は、例えば電磁石を用いて荷電粒子線Ｐのビーム軸調整を行うものである。４方向スリット１４，３０は、端のビームを切ることにより、荷電粒子線Ｐのビーム整形を行うものである。

９０度偏向電磁石２２は、荷電粒子線Ｐの進行方向を９０度偏向するものである。なお、９０度偏向電磁石２２には、切替部４２が設けられており、切替部４２によって荷電粒子線Ｐを正規の軌道から外してビームダンプ４４に導くことが可能になっている。ビームダンプ４４は、治療前などにおいて荷電粒子線Ｐの出力確認を行う。

電流モニタ３２は、ターゲットＴに照射される荷電粒子線Ｐの電流値（つまり、電荷，照射線量率）をリアルタイムで測定するものである。電流モニタ３２は、荷電粒子線Ｐに影響を与えずに電流測定可能な非破壊型のＤＣＣＴ（DC Current Transformer）が用いられている。この電流モニタ３２には、図示しない制御部が接続されており、制御部により、サイクロトロン１０から送り出される荷電粒子線Ｐの電流値が所望の値になるように、フィードバック制御されている。なお、「線量率」とは、単位時間当たりの線量を意味する（以下、同じ）。

荷電粒子線走査部３４は、荷電粒子線Ｐを走査し、ターゲットＴに対する荷電粒子線Ｐの照射制御を行うものである。ここでの荷電粒子線走査部３４は、例えば、荷電粒子線ＰのターゲットＴに対する照射位置や、荷電粒子線Ｐのビーム径等を制御する。

中性子線生成部３６は、図２に示すように、荷電粒子線ＰをターゲットＴに照射することにより中性子線Ｎを発生させ、該中性子線Ｎをコリメータ４６を介して出射する。中性子線生成部３６は、荷電粒子線Ｐを通すビームダクト４８の下流端部に配設されたターゲットＴと、ターゲットＴで発生された中性子線Ｎを減速させる減速材５０と、これらを覆うように設けられた遮蔽体５２と、を含んで構成されている。

ターゲットＴは、荷電粒子線Ｐの照射を受けて中性子線Ｎを発生するものである。ここでのターゲットＴは、例えば、ベリリウム（Ｂｅ）により形成され、直径１６０ｍｍの円板状を成している。減速材５０は、中性子線Ｎのエネルギーを減速させるものであり、例えば異なる複数の材料から成る積層構造とされている。遮蔽体５２は、発生させた中性子線Ｎ、及び当該中性子線Ｎの発生に伴って生じたガンマ線等を外部へ放出されないよう遮蔽するものであり、床５４に取り付けられている。

続いて、サイクロトロン１０について更に詳細に説明する。図３はサイクロトロン１０の内部を示す平面図であり、図４はサイクロトロン１０の鉛直断面図である。

図３及び図４に示すように、サイクロトロン１０は、イオン源６１から入射されるＨ⁻粒子を加速して出力する加速器である。サイクロトロン１０は、Ｈ⁻粒子を通過させ加速するための平面視円形の加速空間６５を備えている。ここでは、加速空間６５が水平に延在するようにサイクロトロン１０が設置されているものとし、以下の説明で「上」、「下」の概念を含む語を用いる場合には、図４に示す状態のサイクロトロン１０の上下に対応するものとする。また、必要な場合には、図３及び図４に示すように、Ｚ軸を鉛直軸としＸＹ平面を水平面とするＸＹＺ座標系を設定し、Ｘ、Ｙ、Ｚを便宜的に説明に用いる場合がある。

サイクロトロン１０には、内部を真空にする筐体６３内に、荷電粒子を加速する加速空間６５が設けられている。サイクロトロン１０は、加速空間６５の下方及び上方に設けられた磁極６７を備えている。磁極６７は、加速空間６５に、鉛直方向（Ｚ方向）の磁場を発生させる。また、サイクロトロン１０は、平面視扇形の複数のディ電極６９を備えている。ディ電極６９は、断面コ字形をなしており、ディ電極６９の上部と下部とで挟まれた空間が、上記の加速空間６５の一部をなす。複数のディ電極６９に交流電流を付与することで、ディ電極６９は周方向の電位差を加速空間６５に発生させ、当該電位差によってＨ⁻粒子が加速される。加速空間６５の略中央に導入されたＨ⁻粒子は、磁極６７による磁場とディ電極６９による電場との作用により、加速空間６５内において水平な渦巻き状の加速軌道Ａを描きながら加速される。

加速されたＨ⁻粒子は、取り出し半径に達したところで、加速軌道Ａ上に設けられたフォイルストリッパー７１に衝突する。このとき、Ｈ⁻粒子の２つの電子が剥ぎ取られ、Ｈ⁻粒子がＨ^＋粒子（陽子）となる。Ｈ^＋粒子はフォイルストリッパー７１を透過して出力口７３から出力され、このＨ^＋粒子のビームが前述の荷電粒子線Ｐとなる。一方、剥ぎ取られた電子は、磁場方向（Ｚ方向）に飛散する。

図５に更に詳細に示すように、加速空間６５に略水平に挿入されたロッド７５の先端に回転子７７が設けられ、その回転子７７にフォイルストリッパー７１が取り付けられている。そして、ロッド７５がその基端部を中心にして鉛直軸回りに回動し、回転子７７が鉛直軸回りに回転することにより、フォイルストリッパー７１の位置の微調整が可能であり、フォイルストリッパー７１が加速されたＨ⁻粒子に衝突するように調整される。

フォイルストリッパー７１は、平板状をなすグラファイト製の薄膜であり、ここでは、フォイルストリッパー７１の厚さは２μｍ（５００μｇ／ｃｍ^２）である。フォイルストリッパー７１は高エネルギーのＨ⁻の衝突により溶融するので、フォイルストリッパー７１は比較的短寿命の消耗品であり、定期的にフォイルストリッパー７１の交換を行う必要がある。その一方、この種のサイクロトロン１０にあっては、Ｈ⁻ビームの電流を更に高める要請もある。そして、Ｈ⁻ビームの電流値が高くなれば、フォイルストリッパー７１の溶融の進行が速くフォイルの寿命が短くなる傾向にあり、フォイルストリッパー７１交換の頻度が高まることで、メンテナンスの手間や維持コストが大きくなってしまうといった問題がある。また、フォイルストリッパー７１交換の作業中には当然ＢＮＣＴ装置１を停止する必要があるので、ＢＮＣＴ装置１の稼動効率が低下してしまう問題もある。そこで、上記問題に鑑み、フォイルストリッパー７１の長寿命化を図ることが求められている。

ここで、Ｈ⁻粒子がフォイルストリッパー７１に衝突する場合、フォイルストリッパー７１への入熱は約４１Ｗであるが、そのうち、生成されたＨ^＋粒子に起因する入熱が約８Ｗであり、剥ぎ取られた電子に起因する入熱が約３３Ｗである。よって、フォイルストリッパー７１の長寿命化のためには、剥ぎ取られた電子に起因する入熱を軽減することが課題である。加速空間６５にはＺ方向の強力な磁場が発生しているので、このような磁場の下、フォイルストリッパー７１で剥ぎ取られた電子は磁場に巻き付いて磁場に平行な方向（Ｚ方向）に移動する。この知見に鑑みれば、フォイルストリッパー７１への入熱を低減すべく、フォイルストリッパー７１がＺ方向に交差する面（傾斜面）を有するようにし、当該Ｚ方向に交差する面にＨ⁻粒子を衝突させる構成を採用すればよい。

図６に示すように、本実施形態のサイクロトロン１０では、このような構成の具体的な例として、平板状をなすフォイルストリッパー７１をＺ方向に対して傾斜させる構成を採用する。すなわち、フォイルストリッパー７１を、Ｈ⁻粒子の進行方向に直交する水平軸（Ｙ軸）周りに、約３０°回転させ傾斜させた状態とする。

以上のようにフォイルストリッパー７１が傾斜した構成によれば、Ｈ⁻粒子がフォイルストリッパー７１の傾斜面７１ｂに衝突する。そして、Ｈ⁻粒子の衝突位置で発生した電子ｅ⁻は、当該衝突位置からＺ方向に飛散するので、フォイルストリッパー７１にほとんど接触せずに飛び去ることになる。よって、電子ｅ⁻からフォイルストリッパー７１に付与されるエネルギーが低減される。従って、フォイルストリッパー７１の溶融が抑えられ、フォイルストリッパー７１の寿命を長くすることができる。その結果、フォイルストリッパー７１の交換頻度が下がるので、ＢＮＣＴ装置１のメンテナンスの手間や維持コストが低減され、また、ＢＮＣＴ装置１の稼動効率を向上することができる。また、フォイルストリッパー７１に付与されるエネルギーを低減することができるので、サイクロトロン１０の高電流化にも対応することができる。

なお、ここでは、フォイルストリッパー７１の傾斜角度を３０°としているが、傾斜角度は適宜変更してもよく、５〜７０°の範囲が好ましい。フォイルストリッパー７１の傾斜角度として５〜７０°の範囲が好ましい理由は、次の通りである。螺旋軌道を描くＨ⁻粒子は、図３の平面図で見て左にカーブするが、電子が剥ぎ取られＨ^＋粒子に変わった後は、右へのカーブに切り替わることになる。そして、図６のようにフォイルストリッパー７１が傾斜していれば、Ｈ⁻粒子のＺ位置によってフォイルストリッパー７１に衝突するＸ位置が異なり、カーブ方向が切り替わるＸ位置が異なることになる。

そうすると、衝突後におけるＨ^＋粒子の軌道がＹ方向にバラつくことになり、その結果、最終的にサイクロトロン１０から出力されるＨ^＋ビームにあっては、Ｙ方向の拡がりが大きくなり好ましくない。そして、上記のようなＹ方向のビームの拡がりは、フォイルストリッパー７１の傾斜角度が大きいほど顕著になるので、フォイルストリッパー７１の傾斜角度は７０°以下に抑えることが好ましい。一方、傾斜角度が５°よりも小さいと、十分な入熱抑制の効果が得られないので、フォイルストリッパー７１の傾斜角度は５°以上することが好ましい。

続いて、フォイルストリッパーがＺ方向に交差する面（傾斜面）を有するようにし、当該Ｚ方向に交差する面にＨ⁻粒子を衝突させるといった構成を実現するための他の例について説明する。

具体的には、前述のフォイルストリッパー７１に変えて、図７（ａ）に示すフォイルストリッパー８１を採用する。フォイルストリッパー８１は、Ｈ⁻粒子の進行方向（Ｘ方向）に向かって凹状に形成されたＶ字状の凹部８１ａを有しており、凹部８１ａを構成する壁面が傾斜面８１ｂを構成している。この傾斜面８１ｂにＨ⁻粒子が衝突するように位置調整すれば、図に示すように、飛散する電子ｅ⁻のフォイルストリッパー８１への接触を低減することができ、フォイルストリッパー７１と同様の作用効果を奏する。また、図７（ｂ）に示すように、Ｕ字状の凹部８３ａを有するフォイルストリッパー８３を採用してもよい。凹部８３ａの壁面で構成される傾斜曲面８３ｂにＨ⁻粒子が衝突するようにすれば、フォイルストリッパー８１と同様の作用効果を奏する。なお、フォイルストリッパー８１，８３におけるＨ⁻粒子の衝突位置は、前述のロッド７５、回転子７７を有する位置調整機構によって微調整可能である。

なお、屈曲した形状のフォイルストリッパー８１，８３は作製が困難であるのに対し、前述のフォイルストリッパー７１は、平板状であり比較的容易に作製可能であるので、傾斜させたフォイルストリッパー７１を採用する構成が最も好ましい。また、本発明は、負イオンを加速して正イオンを取り出す大電流の（一般に、５００μＡ以上の）サイクロトロン、加速器中性子源サイクロトロン、ＲＩ合成用サイクロトロンにも適用することができる。

１…ＢＮＣＴ装置、１０…サイクロトロン（粒子加速器）、３６…中性子線生成部、６１…イオン源、６５…加速空間、６７…磁極（磁場発生手段）、７１，８１，８３…フォイルストリッパー、８１ａ，８３ａ…凹部、７１ｂ，８１ｂ，８３ｂ…傾斜面、Ａ…加速軌道（進行軌道）、Ｐ…荷電粒子線、Ｔ…ターゲット、Ｈ⁻，Ｈ^＋…荷電粒子、ｅ⁻…電子。

Claims (4)

1. イオン源から取り入れた荷電粒子を加速させる粒子加速器であって、
   前記荷電粒子を加速させる加速空間に所定方向の磁場を発生させる磁場発生手段と、
   前記荷電粒子の進行軌道上に設けられ衝突した前記荷電粒子から電子を剥ぎ取るフォイルストリッパーと、を備え、
   前記フォイルストリッパーは、
   前記所定方向に対して傾斜する傾斜面を有することを特徴とする粒子加速器。
2. 前記フォイルストリッパーは、前記所定方向に対して傾斜する平板状をなすことを特徴とする請求項１に記載の粒子加速器。
3. 前記フォイルストリッパーは、前記荷電粒子の進行方向に向かって凹状に形成された凹部を備えることを特徴とする請求項１の粒子加速器。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の粒子加速器と、
   前記粒子加速器から出力される前記荷電粒子線をターゲットに照射して中性子線を発生させる中性子線生成部と、
   を備えたことを特徴とするＢＮＣＴ装置。
   

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