JP2014164874A

JP2014164874A - 加速器及び中性子捕捉療法装置

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Publication number: JP2014164874A
Application number: JP2013033416A
Authority: JP
Inventors: Toshinori Mitsumoto; 俊典密本
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-02-22
Filing date: 2013-02-22
Publication date: 2014-09-08
Anticipated expiration: 2033-02-22
Also published as: JP6042226B2

Abstract

【課題】フォイルの消耗度合いを精度良く確認することができる加速器及び中性子捕捉療法装置を提供する。
【解決手段】サイクロトロンは、イオンビームの加速平面が内部に形成される真空箱６５と、真空箱６５の内部に設けられ、イオンビームを真空箱６５の外に取り出すためのフォイル７０ａと、真空箱６５に設けられたビューポート７５と、真空箱６５の内部に設けられ、フォイル７０ａからの光をビューポート７５に向けて反射させるミラー７４と、真空箱６５の外部に設けられ、ビューポート７５及びミラー７４を介してフォイル７０ａを撮像するカメラ７６と、を備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、フォイルを備えた加速器及び中性子捕捉療法装置に関する。

従来、フォイルを備えた加速器に関する技術文献として、例えば特開２０１２―９９３５４号公報が知られている。この公報には、内部に加速空間が形成される真空箱と、加速空間内で加速される荷電粒子から電子をはぎ取ることでイオンビームを真空箱の外部に出力するフォイルストリッパーと、を備えた加速器が示されている。また、当該加速器を備えたＢＮＣＴ装置も示されている。

特開２０１２―９９３５４号公報

ところで、フォイルストリッパーのフォイルは、高エネルギーの荷電粒子の衝突により溶融する消耗品であり、定期的に交換する必要がある。しかしながら、フォイルは密閉された真空箱の内部に配置されているため真空状態を破って真空箱を開放しなければ目視できない。このため、従来は加速器の下流に置かれたスリット等に当たるビーム電流の変化からフォイルの消耗度合いを推測していた。この場合、フォイルの消耗度合いを精度良く把握することが難しいという課題がある。

そこで、本発明は、フォイルの消耗度合いを精度良く確認することができる加速器及び中性子捕捉療法装置を提供することを目的とする。

本発明者は、フォイルの消耗度合いを精度良く把握するため、真空箱にビューポートを設けて撮像手段を配置する構成に想到した。しかしながら、撮像手段で直接的にフォイルを覗く構成とすると、フォイル側から飛来するイオンビームの一部がビューポートや撮像手段に直接入射することになる。このため、イオンビームによりビューポートや撮像手段が破損するという課題が新たに見出された。

そこで、上記課題を解決するため、本発明に係る加速器は、イオンビームの加速平面が内部に設けられる真空箱と、真空箱の内部に設けられ、イオンビームを真空箱の外に取り出すためのフォイルと、真空箱に設けられたビューポートと、真空箱の内部に設けられ、フォイルからの光をビューポートに向けて反射又は屈折させる光学系と、真空箱の外部に設けられ、ビューポート及び光学系を介してフォイルを撮像する撮像手段と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る加速器によれば、ビューポート及び光学系を介して撮像手段が真空箱内のフォイルを撮像することができるので、画像によりフォイルの消耗度合いを精度良く確認することができる。しかも、この加速器によれば、光学系の反射又は屈折によりフォイルからの光の向きを変えることで、イオンビームが当たらない位置にビューポート及び撮像手段を設けてフォイルを撮像することができるので、イオンビームの入射によるビューポート及び撮像手段の破損を避けることができる。

また、本発明に係る加速器においては、真空箱は、加速平面に沿って外側に張り出す張出部を有し、光学系は、張出部の内部に配置されており、撮像手段は、光軸が加速平面に交差する方向を向くように配置され、ビューポートは、張出部のうち光学系と撮像手段の間に設けられてもよい。
この加速器によれば、イオンビームの軌道から外れた張出部の内部に光学系を設けることで、光学系をイオンビームの軌道近くに配置する場合と比べて、光学系がイオンビームの軌道に影響を与えたり、光学系にイオンビームが過剰に衝突したりすることを避けることができる。

本発明に係る中性子捕捉療法装置は、上述した何れかの加速器を備えることを特徴とする。
本発明に係る中性子捕捉療法装置によれば、撮像手段によりフォイルの消耗度合いを精度良く確認することができるので、フォイルの交換タイミングを誤認し真空状態を誤って破ることが避けられると共に、フォイルの交換頻度を減らして最適化することができ、運用コストの低減を図ることができる。また、この中性子捕捉療法装置によれば、イオンビームが当たらない位置にビューポート及び撮像手段を設けてフォイルの撮像を行うことができるので、イオンビームによるビューポート及び撮像手段の破損を避けることができ、装置のメンテナンスコストの削減及び長寿命化に有利である。

本発明に係る加速器及び中性子捕捉療法装置によれば、フォイルの消耗度合いを精度良く確認することができる。

本発明に係る中性子捕捉療法装置の一実施形態を示す図である。中性子捕捉療法装置の中性子線生成部を示す一部破断斜視図である。サイクロトロンを示す断面図である。サイクロトロンの真空箱を示す平面図である。真空箱の張出部を示す断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１に示す中性子捕捉療法装置１は、硼素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ：Boron Neutron Capture Therapy）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。

この中性子捕捉療法装置１は、サイクロトロン１０を備えている。サイクロトロン１０は、陰イオン等の荷電粒子を加速して、イオンビームＲを作り出す加速器である。このサイクロトロン１０は、例えば、ビーム半径４０ｍｍ、６０ｋＷ（＝３０ＭｅＶ×２ｍＡ）のイオンビームＲを生成する能力を有している。

サイクロトロン１０から取り出されたイオンビームＲは、水平型ステアリング１２、四方向スリット１４、水平垂直型ステアリング１６、四極電磁石１８，１９，２０、９０度偏向電磁石２２、四極電磁石２４、水平垂直型ステアリング２６、四極電磁石２８、四方向スリット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。このイオンビームＲは、中性子線生成部３６においてターゲットＴに照射され、ターゲットＴにおいて中性子線Ｎが発生する。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。

なお、水平型ステアリング１２、四方向スリット１４、水平垂直型ステアリング１６、四極電磁石１８，１９，２０、９０度偏向電磁石２２、四極電磁石２４、水平垂直型ステアリング２６、四極電磁石２８、四方向スリット３０、電流モニタ３２、荷電粒子線走査部３４は、必ず備える必要はなく、省略してもよい。

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イオンビームＲのビームの発散を抑制するものである。同様に、四極電磁石１８，１９，２０，２４，２８は、例えば電磁石を用いてイオンビームＲのビーム軸調整を行うものである。また、四方向スリット１４，３０は、イオンビームＲのビーム整形を行うものである。

９０度偏向電磁石２２は、イオンビームＲ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によってイオンビームＲ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イオンビームＲの出力確認を行う。なお、ビームダンプ４４を備えることなく省略してもよい。

電流モニタ３２は、ターゲットＴに照射されるイオンビームＲの電流値をリアルタイムで測定するものである。電流モニタ３２は、イオンビームＲ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から送り出されるイオンビームＲ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。

荷電粒子線走査部３４は、イオンビームＲを走査し、ターゲットＴに対するイオンビームＲの照射制御を行うものである。この荷電粒子線走査部３４は、例えば、イオンビームＲのターゲットＴに対する照射位置や、イオンビームＲ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、イオンビームＲ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、イオンビームＲ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、イオンビームＲ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）やリチウム（Ｌｉ）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を示す断面図である。図３において、Ｚ軸を鉛直軸とし、ＸＹ平面を水平面とするＸＹＺ直交座標系を設定し、必要に応じてＸ、Ｙ、Ｚを用いた説明を行う。

図３に示すサイクロトロン１０は、外部に負の電荷を帯びた荷電粒子を生成するイオン源６１を備えており、イオン源６１から送り出された荷電粒子を加速してイオンビームＲを出射する。このサイクロトロン１０は、中性子捕捉療法装置１以外にも、例えば、ＰＥＴ［PositronEmission Tomography］用サイクロトロン、ＲＩ［Radio Isotope］製剤用サイクロトロン、中性子源用サイクロトロン、陽子用サイクロトロン、重陽子用サイクロトロンとして用いることができる。

サイクロトロン１０は、内部に所定の空間が形成された中空のヨーク６２を備えている。中空のヨーク６２内部には、ポール６３、コイル６４、真空箱６５、及びインフレクター６６が設けられている。

ポール６３は、上ポール６７及び下ポール６８からなる磁極である。上ポール６７はヨーク６２の内部の上面６２ａに配置されており、下ポール６８はヨーク６２の内部の下面６２ｂに配置されている。上ポール６７及び下ポール６８の周囲には円環状のコイル６４が配置されており、コイル６４に対する電流供給により上ポール６７及び下ポール６８の間に鉛直方向（Ｚ方向）の磁場が発生する。これらの上ポール６７及び下ポール６８の間に、真空状態を保つための真空箱６５が配置されている。

真空箱６５の内部には、外部のイオン源６１から送り出されたイオンビームＲを加速平面（メディアンプレーン）Ｍが設けられ、その中央にはイオンビームＲを加速平面Ｍに入射（導入）させるインフレクター６６が配置されている。インフレクター６６は、電源（図示せず）から電流を供給されており、サイクロトロン１０の中心軸Ｃに沿って進行するイオンビームＲを偏向して加速平面Ｍに入射させる。インフレクター６６は、真空箱６５の内部でサイクロトロン１０のほぼ中心に配置されている。なお、本実施形態において加速平面ＭはＸＹ平面に平行な面である。

また、サイクロトロン１０は、真空箱６５を挟み込むように配置された断面コの字状のディー電極６９を複数備えている。なお、ディー電極６９は一つであってもよい。ディー電極６９は、中心軸Ｃの延在方向から見て扇型や螺旋型（例えば螺旋に沿って変形した扇型）に形成されている。ディー電極６９の内部には、中心軸Ｃの周方向に貫通された空洞が形成されており、その空洞内に真空箱６５が位置している。サイクロトロン１０では、ディー電極６９に交流電流を供給することで空洞内に高周波電場を発生させ、高周波電場における電位差の周期的変化によりイオンビームＲを繰り返し加速させる。

図４は、サイクロトロン１０の真空箱６５を示す平面図である。図４に示されるように、イオンビームＲは、インフレクター６６を中心とした螺旋状の軌道を描きながら加速平面Ｍ内で加速され、フォイルストリッパー７０によって電子を剥ぎ取られた後、取出ポート７１を通じて真空箱６５の外部に出力される。

具体的に、サイクロトロン１０が加速する荷電粒子をＨ⁻粒子とすると、加速されて取り出し半径に達したＨ⁻粒子は、軌道上に置かれたフォイルストリッパー７０のフォイル７０ａ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７０ａを透過し、イオンビームＲとして取出ポート７１から外部に出力される。一方で、剥ぎ取られた電子は磁場方向（Ｚ方向）に飛散するか、又は、フォイル７０ａに吸収される。

このフォイルストリッパー７０は、真空箱６５内のフォイル７０ａと、フォイル７０ａから延在するロッド７０ｂと、ロッド７０ｂに接続された駆動部７０ｃと、を有している。

駆動部７０ｃは、真空箱６５の外に設けられ、フォイル７０ａを荷電粒子の軌道に対して進退させる機構である。駆動部７０ｃは、フォイル７０ａの進退量を変化させることで取出ポート７１から取り出されるイオンビームＲの電流量を制御する。なお、イオンビームＲの電流量は、イオン源６１からのイオン供給量によっても制御できる。

真空箱６５は、加速平面Ｍに沿って外部に張り出すダクト状の張出部７２を有している。張出部７２は、鉛直方向（Ｚ方向）においてフォイル７０ａと同じ高さ（すなわち加速平面Ｍと同じ高さ）に形成されている。張出部７２とフォイル７０ａの配置範囲（制御のためにフォイル７０ａが進退する範囲）との間に遮蔽物はなく、荷電粒子との衝突により赤熱するフォイル７０ａからの光は張出部７２に直接入り込む。

図５は、真空箱６５の張出部７２を示す図である。図５に示されるように、ダクト状の張出部７２の下方には、筒状の延在部７３が形成されている。また、張出部７２の内部の奥側には、ミラー（光学系）７４が設けられている。ミラー７４は、荷電粒子の衝突により赤熱するフォイル７０ａからの光を下へと反射する。

この張出部７２の内部は真空箱６５と通じており、真空状態が保たれている。一方で、筒状の延在部７３の内部は大気と通じている。真空状態の張出部７２と大気状態の延在部７３との間は、ガラス製のビューポート７５によって仕切られている。ビューポート７５は、ミラー７４の真下に設けられている。

延在部７３の下端には、フォイル７０ａを撮像するためのカメラ（撮像手段）７６が設けられている。カメラ７６は、光軸がＺ方向で上向き（ＸＹ平面に相当する加速平面Ｍに対して直交する方向）に配置されている。なお、カメラ７６は、必ずしも光軸が上向きに配置されている必要はなく、光軸が加速平面Ｍに交差する方向を向いて配置されていればよい。加速平面Ｍに交差する方向には、加速平面Ｍ上（ＸＹ平面上）の方向は含まれない。

ここで、図４及び図５の一点鎖線Ｈはフォイル７０ａからカメラ７６に向かう光を示している。一点鎖線Ｈが示すように、フォイル７０ａから放たれた光は、張出部７２に入り込んでミラー７４によってビューポート７５へ反射され、ビューポート７５を透過してカメラ７６に撮像される。すなわち、ビューポート７５は、張出部７２のうちミラー７４とカメラ７６との間に設けられている。また、カメラ７６は、ミラー７４及びビューポート７５を介してフォイル７０ａを撮像している。

延在部７３には、投光器７７が配置された投光通路７３ａが形成されている。投光器７７は、矢印Ｓとして示すように、ビューポート７５に斜め下から投光するように配置されている。投光器７７が放った光は、ビューポート７５を透過してミラー７４に照射され、反射によってフォイル７０ａを照らす。投光器７７は、カメラ７６よりも真空箱６５側に配置されている。

次に、本実施形態に係るサイクロトロン１０及び中性子捕捉療法装置１の作用・効果について説明する。

以上説明したサイクロトロン１０によれば、ミラー７４及びビューポート７５を介してカメラ７６が真空箱６５内のフォイル７０ａを撮像することができるので、画像によりフォイル７０ａの消耗度合いを精度良く確認することができる。しかも、このサイクロトロン１０によれば、ミラー７４の反射によりフォイル７０ａからの光の向きを変えることにより、イオンビームＲが当たらない位置にビューポート７５及びカメラ７６を設けてフォイル７０ａを撮像することができ、イオンビームＲの入射によるビューポート７５及びカメラ７６の劣化や破損を避けることができる。

また、このサイクロトロン１０によれば、真空箱６５に加速平面Ｍに沿って外側に張り出す張出部７２を設け、張出部７２の内部にミラー７４を配置する構成とすることで、ミラー７４をイオンビームの軌道近くに配置する場合と比べて、ミラー７４がイオンビームＲの軌道に影響を与えたり、ミラー７４にイオンビームＲが過剰に衝突したりすることを避けることができる。

また、本実施形態に係る中性子捕捉療法装置１によれば、上述したサイクロトロン１０を備えることにより、画像によってフォイル７０ａの消耗度合いを精度良く確認することができるので、フォイル７０ａの交換タイミングを誤って判断し、真空を不要に破る事態を抑制できると共に、フォイル７０ａの交換頻度を減らして最適化することができ、運用コストの低減を図ることができる。また、この中性子捕捉療法装置１によれば、イオンビームＲが当たらない位置にビューポート７５及びカメラ７６を設けてフォイル７０ａの撮像を行うことができるので、イオンビームＲによるビューポート７５及びカメラ７６の劣化や破損を抑制することができ、装置のメンテナンスコストの削減及び長寿命化に有利である。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、サイクロトロンは、横置き型のものではなく縦置き型のものを採用してもよい。また、本発明はライナックに適用することもできる。

また、フォイルからの光の向きを変更する光学系は、ミラーに限られず、フォイルからの光を屈折させるプリズム等であってもよく、複数の光学要素を組み合わせたものであってもよい。更に、張出部の構成は上述したものに限られない。カメラ及びビューポートは、ミラーの真下に位置する必要はなく、真上に位置してもよく、斜め下方や斜め上方等に位置してもよい。また、必ずしも投光器を備える必要はない。また、必ずしも真空箱に張出部を設ける必要はなく、イオンビームの軌道と同じ空間にミラー等の光学系を設けてもよい。

１０…サイクロトロン（加速器）１２…水平型ステアリング１４，３０…四方向スリット１６，２６…水平垂直型ステアリング１８，１９，２０，２４，２８…四極電磁石２２…度偏向電磁石２６…水平垂直型ステアリング３０…四方向スリット３２…電流モニタ３４…荷電粒子線走査部３６…中性子線生成部３８…治療台４０…被照射体４２…切替部４４…ビームダンプ４６…コリメータ４８…ビームダクト５０…減速材５２…遮蔽体５４…床６１…イオン源６２…ヨーク６２ａ…上面６２ｂ…下面６３…ポール６４…コイル６５…真空箱６６…インフレクター６７…上ポール６８…下ポール６９…ディー電極７０…フォイルストリッパー７０ａ…フォイル７０ｂ…駆動部７０ｃ…ロッド７１…取出ポート７２…張出部７３…延在部７３ａ…投光通路７４…ミラー（光学系）７５…ビューポート７６…カメラ（撮像手段）７７…投光器Ｃ…中心軸Ｍ…加速平面Ｎ…中性子線Ｒ…イオンビームＴ…ターゲット

Claims

イオンビームの加速平面が内部に設けられる真空箱と、
前記真空箱の内部に設けられ、イオンビームを前記真空箱の外に取り出すためのフォイルと、
前記真空箱に設けられたビューポートと、
前記真空箱の内部に設けられ、前記フォイルからの光を前記ビューポートに向けて反射又は屈折させる光学系と、
前記真空箱の外部に設けられ、前記ビューポート及び前記光学系を介して前記フォイルを撮像する撮像手段と、
を備える加速器。
前記真空箱は、前記加速平面に沿って外側に張り出す張出部を有し、
前記光学系は、前記張出部の内部に配置されており、
前記撮像手段は、光軸が前記加速平面に交差する方向を向くように配置され、
前記ビューポートは、前記張出部のうち前記光学系と前記撮像手段の間に設けられている、請求項１に記載の加速器。
請求項１又は２に記載の加速器を備える中性子捕捉療法装置。