JP2016110941A - 加速器および粒子線治療装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異常発生時に荷電粒子ビームの取り出しを速やかに停止できる加速器および粒子線治療装置を提供する。【解決手段】本実施形態による加速器は、入射装置とビーム消失装置を備える。入射装置は、荷電粒子ビームを入射させる。ビーム消失装置は、入射した荷電粒子ビームを周回軌道に沿って周回させる加速器の動作状態に応じて、荷電粒子ビームを消失させる。ビーム消失装置は、周回軌道に高周波を発生させることで荷電粒子ビームを消失させる。【選択図】図１

Description

本発明による実施形態は、加速器および粒子線治療装置に関する。

一般に、荷電粒子ビームを加速する加速器の一種であるシンクロトロン加速器は、偏向電磁石や四極電磁石などの複数の電磁石を備える。偏向電磁石は、荷電粒子ビームを円形軌道に沿って周回させる。四極電磁石は、荷電粒子ビームを収束または発散させる。

シンクロトロン加速器は、荷電粒子ビームを加速する際に、加速器内に入射した低エネルギーの荷電粒子ビームに対して、磁場の印加強度を増加させながら高周波電力によってエネルギーを与える。

また、シンクロトロン加速器においては、ベータトロン振動における安定領域から共鳴領域に遷移した荷電粒子ビームを徐々に出射軌道に導いて加速器から取り出す方法を用いる場合がある。この取り出し方法は、シンクロトロン加速器によって加速および蓄積された荷電粒子ビームを、必要なタイミングで必要な取り出し量（強度）だけ取り出すことを目的とする。

しかしながら、電磁石の電源の故障等のシンクロトロン加速器（システム）の異常が発生した場合には、荷電粒子ビームの取り出し量を制御することが困難となり得る。したがって、異常が発生した場合には、荷電粒子ビームの取り出しを速やかに停止することが望ましい。

特開２０１１−１２４１４９号公報

異常発生時に荷電粒子ビームの取り出しを速やかに停止できる加速器および粒子線治療装置を提供する。

本実施形態による加速器は、入射装置とビーム消失装置を備える。入射装置は、荷電粒子ビームを入射させる。ビーム消失装置は、入射した荷電粒子ビームを周回軌道に沿って周回させる加速器の動作状態に応じて、荷電粒子ビームを消失させる。ビーム消失装置は、周回軌道に交流電磁場を発生させることで荷電粒子ビームを消失させる。

第１の実施形態を示す粒子線治療装置１０の図である。 図１の粒子線治療装置１０の動作例を示すグラフである。 第２の実施形態における粒子線治療装置１０の動作例を示すグラフである。 第３の実施形態を示す粒子線治療装置１０の図である。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態を示す粒子線治療装置１０の図である。粒子線治療装置１０は、大別して、シンクロトロン加速器１１と、ビーム輸送系機器１２と、照射装置としての照射系機器１３とによって構成されている。

図１に示すように、シンクロトロン加速器１１は、荷電粒子の周回軌道Ｏ上に、複数の偏向電磁石１１１と、複数の四極電磁石１１２ａ〜ｆと、高周波加速空洞１１３と、ビーム励振装置１１４とを備える。また、シンクロトロン加速器１１は、入射装置としての入射器１１０と、高周波発生器１１５と、制御装置１１６と、電源１１７ａ〜ｃと、出射用機器１１８とを更に備える。また、シンクロトロン加速器１１は、周回軌道Ｏを垂直方向および水平方向（径方向）から包囲する真空ダクト１１９を備える。制御装置１１６は、第１の制御装置としても機能する。制御装置１１６は、例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびＣＰＵなどによって構成してよいが、これに限定されない。ビーム励振装置１１４および制御装置１１６は、ビーム消失装置の一例である。

入射器１１０は、不図示のビーム源によって発生された荷電粒子ビームを、シンクロトロン加速器１１の内部に入射させる。ビーム源と入射器１１０との間には、シンクロトロン加速器１１への入射前の荷電粒子ビームを加速する前段加速器が配置されていてもよい。

偏向電磁石１１１は、電源１１７ａに接続されている。偏向電磁石１１１には、電源１１７ａから励磁電流が供給（入力）される。偏向電磁石１１１は、入力された励磁電流に基づいて、荷電粒子ビームを偏向させるための磁場を周回軌道Ｏに発生させる。偏向電磁石１１１によって発生される磁場により、荷電粒子ビームを周回軌道Ｏに沿って周回させることができる。なお、荷電粒子ビームは、例えば、陽子や炭素イオンのビームであってよい。

四極電磁石１１２ａ〜ｆは、電源１１７ｂに接続されている。四極電磁石１１２ａ〜ｆには、電源１１７ｂから励磁電流が供給される。四極電磁石１１２ａ〜ｆは、供給された励磁電流に基づいて、荷電粒子ビームを水平方向または垂直方向に収束または発散させるための磁場を周回軌道Ｏに発生させる。

四極電磁石１１２ａ〜ｆによって発生される磁場により、荷電粒子ビームを、水平方向および垂直方向にベータトロン振動させながら周回軌道Ｏに沿って安定的に周回させることができる。

高周波発生器１１５は、荷電粒子ビームを加速または減速させるための高周波電界（高周波電場）を、高周波加速空洞１１３内に発生させる。高周波電界は、交流電磁場の一例である。高周波発生器１１５によって発生される高周波電界により、高周波加速空洞１１３を通る荷電粒子ビームを加速または減速させることができる。なお、高周波発生器１１５は、電源１１７ｃによって駆動される。

電源１１７ａおよび１１７ｂは、偏向電磁石１１１および四極電磁石１１２ａ〜ｆに励磁電流を供給する。また、電源１１７ａおよび１１７ｂは、該電源１１７ａおよび１１７ｂ（シンクロトロン加速器１１）の動作状態を示すステータス信号を、制御装置１１６に出力する。電源１１７ａおよびｂは、電源１１７ａおよび１１７ｂの故障等の異常が発生した場合に、異常状態を示すステータス信号を制御装置１１６に出力する。例えば、電源１１７ａおよび１１７ｂに設けられたステータス信号の出力回路が、電源１１７ａおよび１１７ｂの回路上の所定の位置の物理量（電圧、励磁電流等）の検出結果に応じて正常および異常のいずれかを示すステータス信号を出力してもよい。

制御装置１１６は、異常状態を示すステータス信号が入力された場合に、ビーム励振装置１１４を駆動する。一方、制御装置１１６は、正常状態を示すステータス信号が入力された場合には、ビーム励振装置１１４を駆動しない。

ビーム励振装置１１４は、制御装置１１６によって駆動されることで、予め設定された励振周波数を有する高周波電磁場を周回軌道Ｏに発生させて、荷電粒子ビームを迅速に励振させる。なお、高周波電磁場は、交流電磁場の一例である。

ビーム励振装置１１４によって励振された荷電粒子ビームは、ベータトロン振動の振幅が増大することで、周回軌道Ｏに対してベータトロン振動の振動方向に位置する構造物に衝突する。構造物に衝突した荷電粒子ビームは消失する。ここで、荷電粒子ビームの消失とは、電荷を帯びたビームの状態の粒子の消失をいう。したがって、粒子が電荷や速度を失えば、粒子自体が残存していても荷電粒子ビームの消失に該当する。

なお、構造物は、例えば、真空ダクト１１９であってよい。また、構造物は、衝突した荷電粒子ビームが電荷を失い得るように接地されていてもよい。また、高周波電磁場の励振周波数は、制御装置１１６が設定してもよい。

出射用機器１１８は、例えば、デフレクタである。出射用機器１１８は、ベータトロン振動における安定領域から共鳴領域に遷移した荷電粒子ビームを、ビーム輸送系機器１２側に出射する（取り出す）。

図１に示すように、ビーム輸送系機器１２は、ビーム輸送用の偏向電磁石１２１と、ビーム輸送用の四極電磁石１２２とを備える。ビーム輸送系機器１２は、出射用機器１１８から入射した荷電粒子ビームを、照射系機器１３側に輸送する。

照射系機器１３は、例えば、荷電粒子ビームの線量を測定する線量モニタと、線量が規定値に達した時点で荷電粒子ビームを遮断するビームシャッタとで構成してもよい。

次に、粒子線治療装置１０の動作例について説明する。

入射器１１０からシンクロトロン加速器１１内に入射した荷電粒子ビームは、偏向電磁石１１１の位置に到達すると、偏向電磁石１１１からの磁場に基づく電磁力によって、径方向内方Ｄ１に偏向される。また、荷電粒子ビームは、四極電磁石１１２ａ〜ｆの位置に到達すると、四極電磁石１１２ａ〜ｆからの磁場に基づく電磁力によって、水平方向または垂直方向に収束または発散される。また、荷電粒子ビームは、高周波加速空洞１１３に到達すると、高周波発生器１１５からの高周波電界に基づくクーロン力によって、加速される。このようにして、荷電粒子ビームは、ベータトロン振動しながら周回軌道Ｏ上を周回し、周回の過程で加速される。

このように周回軌道Ｏ上を周回する荷電粒子ビームを、患部への照射のために取り出す場合、例えば、四極電磁石１１２ａ〜ｆの励磁量を高めてベータトロン振動の振幅を増大させる。ベータトロン振動の振幅の増大によって共鳴領域に達した荷電粒子ビームは、徐々に周回軌道Ｏから径方向外方に逸脱して出射用機器１１８に導かれる。そして、出射用機器１１８に導かれた荷電粒子ビームは、出射用機器１１８によって加速器１１から出射される（取り出される）。出射用機器１１８から出射された荷電粒子ビームは、ビーム輸送系機器１２を経由したうえで、照射系機器１３から患部に照射される。

このような荷電粒子ビームの照射は、電源１１７ａおよび１１７ｂに異常が無い場合には正常に行われる。電源１１７ａおよび１１７ｂに異常が無い場合、制御装置１１６は、電源１１７ａおよび１１７ｂから入力されるステータス信号が正常状態を示すことに基づいて、ビーム励振装置１１４を駆動しない。

一方、電源１１７ａおよび１１７ｂに異常が有る場合には、照射される荷電粒子ビームの強度に影響がでる。電源１１７ａおよび１１７ｂに異常が有る場合には、荷電粒子ビームの取り出しを速やかに停止することが望ましい。

そこで、制御装置１１６は、電源１１７ａおよび１１７ｂから異常状態を示すステータス信号が入力された場合に、ビーム励振装置１１４を駆動する。ビーム励振装置１１４は、予め設定された励振周波数の高周波電磁場を周回軌道Ｏに発生させる。励振周波数の一例を図２に示す。図２では、高周波電磁場の中心周波数を励磁周波数としている。高周波電磁場により、荷電粒子ビームのベータトロン振動が励振されて振幅が増大する。振幅が増大した荷電粒子ビームは、周回軌道Ｏに対してベータトロン振動の振動方向に位置する構造物に衝突することで消失する。例えば、荷電粒子ビームの励振方向が垂直方向である場合、荷電粒子ビームは、周回軌道Ｏに対して上下に位置する構造物に衝突して消失する。

ビーム励振装置１１４に設定されている励振周波数は、荷電粒子ビームのチューンとの共振が生じる値である。ここで、チューンとは、周回軌道Ｏ一周あたりのベータトロン振動の振動数である。励振周波数をチューンと共振させることで、ベータトロン振動の振幅を迅速に増大させることができる。チューンと共振する励振周波数は、例えば、次の（１）式で与えられる。

ｆ_ｅｘ＝ν_ｆｒａｃ×ｆ_ｒｅｖ （１）
但し、ｆ_ｅｘは、励振周波数すなわちビーム励振装置１１４への設定値である（以下、同様）。ν_ｆｒａｃは、チューンの端数（すなわち、小数部）である（以下、同様）。ｆ_ｒｅｖは、荷電粒子ビームの周回周波数である（以下、同様）。

また、次の（２）式で与えられる励振周波数を設定する場合にも、チューンとの共振を生じさせて、ベータトロン振動の振幅を迅速に増大させることができる。
ｆ_ｅｘ＝（１−ν_ｆｒａｃ）×ｆ_ｒｅｖ （２）

もし、異常発生時において、荷電粒子ビームの取り出しの停止を、専らビームシャッタ等による機械的な遮断に依存する場合、荷電粒子ビームの取り出しを迅速に停止させることは困難である。なぜならば、機械的な遮断は、時間的な応答性が悪い（すなわち、遮断を命じてから遮断が実行されるまでの時間が長い）からである。また、もし、偏向電磁石１１１による磁場の発生を停止することで、偏向できなくなった荷電粒子ビームを真空ダクトに衝突させる場合、磁場が無くなるまでの磁場の応答速度が遅いため、やはり、荷電粒子ビームの取り出しを迅速に停止させることは困難である。

これに対して、本実施形態では、高周波電磁場によってベータトロン振動の振幅を迅速に増大させることで、荷電粒子ビームを振動方向に位置する構造物に速やかに衝突させて消失させることができる。これにより、異常発生時に荷電粒子ビームの取り出しを速やかに停止できる。

また、本実施形態では、シンクロトロン加速器１１の内部で荷電粒子ビームを消失させることができるので、例えば、照射系機器１３のビームシャッタで荷電粒子ビームを遮断する場合に比較して、外部への荷電粒子ビームの漏れ量を低減できる。

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態における粒子線治療装置１０の動作例を示すグラフである。以下、図３を用いて、第２の実施形態として、励振周波数を変調する実施形態を説明する。第２の実施形態の説明にあたり、第１の実施形態に類する構成部については、同一の符号を付して重複した説明は省略する。

荷電粒子ビームのチューンは、シンクロトロン加速器１１の運転条件の違いや、荷電粒子のエネルギー等のばらつきにより、ある程度の幅（ばらつき）を持っている。このようなチューンの幅を考慮して、制御装置１１６は、励振周波数を変調する。具体的には、制御装置１１６は、ビーム励振装置１１４に設定される励振周波数を、一定の周波数幅の範囲内において時間変化させる。図３は、このような励振周波数の周波数幅Ｗの一例を示している。図３の例では、基準となる高周波電磁場の中心周波数を中心とした一定の周波数幅Ｗに属する励振周波数が、ビーム励振装置１１４に順次（例えば、周波数が低い順または高い順）に設定される。図３において基準となる高周波電磁場は、（１）式または（２）式で与えられる周波数ｆ_ｅｘを有していてもよい。また、図３における周波数幅Ｗとしては、実験等に基づいて好適な値を設定してよい。

本実施形態によれば、励振周波数を変調することで、チューンの異なる複数のベータトロン振動が生じた場合においても、各ベータトロン振動の振幅を迅速に増大させて各ベータトロン振動を行う荷電粒子ビームを迅速に消失させることができる。この結果、チューンのばらつきにかかわらず、異常発生時に荷電粒子ビームの取り出しを迅速に停止させることができる。

（第３の実施形態）
図４は、第３の実施形態を示す粒子線治療装置１０の図である。以下、図４を用いて、第３の実施形態として、荷電粒子ビームの軌道半径を増減させる実施形態を説明する。第３の実施形態の説明にあたり、第１の実施形態に類する構成部については、同一の符号を付して重複した説明は省略する。

図４に示すように、本実施形態の粒子線治療装置１０は、第１の実施形態で説明したビーム励振装置１１４を備えていない。本実施形態における制御装置１１６は、第２の制御装置として機能する。具体的には、制御装置１１６は、電源１１７ａおよび１１７ｂから異常状態を示すステータス信号が入力された場合に、高周波発生器１１５に発生させる高周波電界の周波数を、荷電粒子ビームの軌道半径が増大または減少するような周波数に制御する。

高周波発生器１１５は、制御装置１１６によって制御された高周波電界を高周波加速空洞１１３内に発生させることで、荷電粒子ビームの軌道半径を増大または減少させる。軌道半径を増大させた場合、荷電粒子ビームを周回軌道Ｏに対して径方向外方Ｄ２に位置する構造物に衝突させることができるので、荷電粒子ビームを消失させることができる。軌道半径を減少させた場合にも、荷電粒子ビームを周回軌道Ｏに対して径方向内方Ｄ１に位置する構造物に衝突させることができるので、荷電粒子ビームを消失させることができる。

ここで、高周波電界の周波数制御にともなう軌道半径の増減について説明する。

荷電粒子ビームの周回周期Ｔと荷電粒子ビームの運動量ｐとの間には、次式が成立する。
ΔＴ／Ｔ＝η×Δｐ／ｐ （３）
但し、ηは、スリッページファクタである。スリッページファクタは、シンクロトロン加速器１１の設計と荷電粒子ビームのエネルギーとによって定まる値である。

また、運動量ｐと、電荷ｑと、磁場Ｂと、偏向半径（以下、軌道半径ともいう）ρとの間には、次式が成立する。
ｄｐ／ｄｔ＝ｑ×ρ×ｄＢ／ｄｔ＋ｑ×Ｂ×ｄρ／ｄｔ （４）
（４）式は、磁場Ｂを一定とした場合、運動量ｐが減少すれば、軌道半径ρが減少し、運動量ｐが増加すれば、軌道半径ρが増加することを示す。

例えば、制御装置１１６が高周波電界の周波数を減少させる制御を行った場合、荷電粒子ビームの周回周期は、高周波電界の周波数の減少に同調して、ΔＴ＞０となる。このとき、η＜０とした場合、（３）式よりΔｐ＜０（運動量が減少）となる。この場合、（４）式より軌道半径ρが減少する。この結果、荷電粒子ビームを径方向内方Ｄ１に位置する構造物に衝突させて消失させることができる。なお、高周波電界の周波数を減少させる制御における周波数の減少量は、荷電粒子ビームの消失の迅速性を確保するために好適な値（例えば、閾値以上の周波数減少量）であればよい。該周波数の減少量は、例えば、実験等に基づいて制御装置１１６に設定してもよい。

一方、制御装置１１６が高周波電界の周波数を減少させる制御を行った場合（すなわち、ΔＴ＞０の場合）において、η＞０とした場合、（３）式よりΔｐ＞０（運動量が増加）となる。この場合、（４）式より軌道半径ρが増大する。この結果、荷電粒子ビームを径方向外方Ｄ２に位置する構造物に衝突させて消失させることができる。

また、制御装置１１６は、高周波電界の周波数を増加させる制御を行った場合においても、軌道半径ρを増大または減少させることで、荷電粒子ビームを構造物に衝突させて消失させることができる。

本実施形態によれば、第１の実施形態に対してビーム励振装置１１４を省略できるので、部品点数を削減できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０ 粒子線治療装置
１１ シンクロトロン加速器
１１０ 入射器
１１４ ビーム励振装置
１１６ 制御装置
１１７ａ〜ｃ 電源

Claims (9)

1. 荷電粒子ビームを入射させる入射装置と、
   入射した前記荷電粒子ビームを周回軌道に沿って周回させる加速器の動作状態に応じて、前記荷電粒子ビームを消失させるビーム消失装置を備え、
   前記ビーム消失装置は、前記周回軌道に交流電磁場を発生させることで前記荷電粒子ビームを消失させる、加速器。
2. 前記ビーム消失装置は、前記荷電粒子ビームを前記周回軌道の周囲の構造物に衝突させることで前記荷電粒子ビームを消失させる、請求項１に記載の加速器。
3. 前記ビーム消失装置は、
   設定された励振周波数の前記交流電磁場を前記周回軌道に発生させることで前記荷電粒子ビームを励振するビーム励振装置と、
   前記動作状態としての異常状態を示すステータス信号を入力として前記ビーム励振装置に前記交流電磁場を発生させる第１の制御装置と、を備える、請求項１または２に記載の加速器。
4. 前記ビーム励振装置は、前記荷電粒子のベータトロン振動の振幅を増大させることで、前記荷電粒子ビームを前記周回軌道に対して前記ベータトロン振動の振動方向に位置する構造物に衝突させる、請求項３に記載の加速器。
5. 前記励振制御装置は、前記励振周波数を変調する、請求項３または４に記載の加速器。
6. 前記ビーム消失装置は、
   前記荷電粒子ビームを加速または減速させる高周波加速空洞と、
   設定された周波数の前記交流電磁場を前記高周波加速空洞内に発生させることで前記荷電粒子ビームを加速または減速させる高周波発生器と、
   前記動作状態としての異常状態を示すステータス信号を入力として前記高周波発生器に発生させる前記交流電磁場を制御する第２の制御装置と、を備える、請求項１または２に記載の加速器。
7. 前記高周波発生器は、前記第２の制御装置の制御に基づいて前記荷電粒子ビームの軌道半径を増大または減少させることで、前記荷電粒子ビームを前記周回軌道に対して径方向外方または内方に位置する構造物に衝突させる、請求項６に記載の加速器。
8. 前記荷電粒子ビームを偏向、収束または発散させる電磁石と、
   前記電磁石の電源と、を更に含み、
   前記電源は、該電源の異常時に前記ステータス信号を出力する、請求項３〜７のいずれか１項に記載の加速器。
9. 荷電粒子ビームを周回軌道に沿って周回させる加速器と、
   前記加速器で加速された前記荷電粒子ビームを照射する照射装置と、を備え、
   前記加速器は、該加速器の動作状態に応じて前記荷電粒子ビームを消失させるビーム消失装置を備え、
   前記ビーム消失装置は、前記周回軌道に交流電磁場を発生させることで前記荷電粒子ビームを消失させる、粒子線治療装置。

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