JP2018181687A - 粒子線加速器および粒子線治療装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ビーム取り出し効率を従来より高めた粒子線加速器、粒子線治療装置を提供する。【解決手段】円盤状の上リターンヨーク４，下リターンヨーク５および上リターンヨーク４，下リターンヨーク５の円盤状の面に固定された一対の上部磁極８，下部磁極９を有しており、上部磁極８，下部磁極９の間にイオンビームを周回させ加速させる空間が形成され、上部磁極８，下部磁極９が、イオンビームの周回する軌道に沿って複数の凹部２１〜２４および凸部３１〜３４を有するとともに、イオンビームの周回する軌道が形成する水平対称面２に対して面対称、かつ水平対称面２に垂直な垂直面の一つに面対称になっている磁石装置１を備え、上部磁極８，下部磁極９の凹部２１〜２４の間の磁極間隔１０１〜１０３が異なるものがある。【選択図】 図５

Description

本発明は、粒子線加速器および粒子線治療装置に関する。

本発明の背景技術として特許文献１に記載の技術がある。特許文献１には、エネルギーが異なるイオンビームを効率良く出射できる加速器として、リターンヨークと真空容器を有し、入射用電極が、真空容器の中心軸よりも、リターンヨーク内のビーム出射経路の入口側に配置され、磁極が、リターンヨーク内で入射用電極の周囲において入射用電極から放射状に配置され、凹部が、リターンヨークの周方向で磁極と交互に配置され、真空容器内において、入射用電極を中心とする複数のビーム周回軌道が存在する軌道同心領域、及びこの領域の周囲に、入射用電極から偏心した複数のビーム周回軌道が存在する軌道偏心領域が形成され、軌道偏心領域では、入射用電極とビーム出射経路の入口の間でビーム周回軌道が密になり、入射用電極を基点にしてビーム出射経路の入口の１８０°反対側でビーム周回軌道相互間の間隔が広くなる加速器が記載されている。

国際公開第２０１６／０９２６２１号

エネルギーが異なるビームを効率よく出射するためのサイクロトロン型の加速器が提案されている。このようなサイクロトロン型の加速器の一例として、上述した特許文献１に記載の加速器がある。

特許文献１の加速器では、エネルギーの異なる各ビーム軌道の位置関係が略同心円状ではなく、低エネルギーから高エネルギーにかけて、ビーム軌道中心がある直線状を一方向に移動していく。このため、隣接するビーム軌道の間隔（ターンセパレーション）が狭まる集約領域と、逆に広がる離散領域がビーム周回方向において異なる位置にある。すなわち、高エネルギービームのターンセパレーションが略同心円状のビーム軌道よりも増大する領域があるため、所望のエネルギーとなったビームを取出すための磁場、電場を所望のエネルギーのビームに対しいて印加しやすく、ビームを選択的に取り出すことが容易となる。

上述の特許文献１では、集約領域と離散領域を持つビーム軌道を実現するための磁場分布（図１０）、ならびにその磁場分布を実現するための磁極形状（図３０）について開示されている。特許文献１の技術によるビーム取り出しは、ビーム取り出しに散乱体を必要とする方法よりも取り出し効率が向上する。

このように、ビームの取り出し効率をさらに向上させるためには、ビーム集約領域の狭小化と離散領域の拡大化が有効である。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、ビーム取り出し効率を従来より高めた粒子線加速器、粒子線治療装置を提供することである。

本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、粒子線加速器であって、リターンヨークおよび前記リターンヨークの平らかな面に固定された一対の磁極を有しており、前記一対の磁極の間にイオンビームを周回させ加速させる空間が形成され、前記一対の磁極が、前記イオンビームの周回する軌道に沿って複数の凹凸構造を有するとともに、前記イオンビームの周回する軌道が形成する軌道面に対して面対称、かつ前記軌道面に垂直な垂直面の一つに面対称になっている磁石装置を備え、前記複数の一対の磁極の凹構造部分の間の距離が異なるものがあることを特徴とする。

本発明によれば、ビーム取り出し効率を従来より高めた粒子線加速器、粒子線治療装置を提供することができる。

実施例１における粒子線治療装置の構成図である。 実施例１における粒子線治療装置の加速器内に配置された磁石装置の斜視図である。 実施例１における粒子線治療装置の加速器内に配置された磁石装置の断面図である。 実施例１における粒子線治療装置の加速器内に配置された磁石装置の磁極面の平面図である。 図４に示す磁石装置の磁極のビーム軌道に沿った断面図である。 一般的なセクター型サイクロトロン用磁石装置の磁極面の平面図である。 一般的なセクター型サイクロトロン用磁石装置の磁極のビーム軌道に沿った断面図である。 一般的なセクター型サイクロトロン用磁石装置におけるビーム軌道を偏心させた公知の加速器用磁石装置の磁極面の平面図である。 実施例１における加速器用の磁石装置においてビーム軌道を偏心させない場合の磁極面の平面図である。 図９に示す磁極のビーム軌道に沿った断面図である。 実施例２における磁石装置の磁極面の平面図である。 図１１に示す磁石装置の磁極のビーム軌道に沿った断面図である。

以降で、本発明の粒子線加速器および粒子線治療装置の実施例を、図面を用いて説明する。

＜実施例１＞
本発明の粒子線加速器および粒子線治療装置の実施例１を、図１乃至図１０を用いて説明する。まず、図１を用いて粒子線治療システムの構成を説明する。

図１において、粒子線治療装置１００１は、建屋（図示省略）内に配置されて建屋の床面に設置される。この粒子線治療装置１００１は、イオンビーム発生装置１００２、ビーム輸送系１０１３、回転ガントリー１００６、照射装置１００７および制御システム１０６５を備えている。イオンビーム発生装置１００２は、イオン源１００３及びイオン源１００３が接続される加速器（粒子線加速器）１００４を有する。

ビーム輸送系１０１３は、照射装置１００７に達するビーム経路１０４８を有している。このビーム経路１０４８には、加速器１００４から照射装置１００７に向かって、複数の四極電磁石１０４６、偏向電磁石１０４１、複数の四極電磁石１０４７、偏向電磁石１０４２、四極電磁石１０４９，１０５０、および偏向電磁石１０４３，１０４４がこの順に配置されて構成されている。ビーム輸送系１０１３のビーム経路１０４８の一部は、回転ガントリー１００６に設置されており、偏向電磁石１０４２、四極電磁石１０４９，１０５０および偏向電磁石１０４３，１０４４も回転ガントリー１００６に設置されている。ビーム経路１０４８は、加速器１００４に設けられた出射チャネル１０１９に接続される。

回転ガントリー１００６は、回転軸１０４５を中心に回転され、照射装置１００７を回転軸１０４５の周りで旋回させる回転装置である。

照射装置１００７は、２台の走査電磁石（イオンビーム走査装置）１０５１，１０５２、ビーム位置モニタ１０５３および線量モニタ１０５４を備えている。走査電磁石１０５１，１０５２、ビーム位置モニタ１０５３および線量モニタ１０５４は、照射装置１００７の中心軸、すなわち、ビーム軸に沿って配置されている。走査電磁石１０５１，１０５２、ビーム位置モニタ１０５３および線量モニタ１０５４は照射装置１００７のケーシング（図示省略）内に配置され、ビーム位置モニタ１０５３及び線量モニタ１０５４は走査電磁石１０５１，１０５２の下流に配置される。走査電磁石１０５１はイオンビームを照射装置１００７の中心軸に垂直な平面内において偏向させてｙ方向に操作し、走査電磁石１０５２はイオンビームをその平面内において偏向させてｙ方向と直交するｘ方向に走査する。

照射装置１００７は、回転ガントリー１００６に取り付けられており、偏向電磁石１０４４の下流に配置される。患者１０５６が横たわる治療台１０５５が、照射装置１００７に対向するように配置される。

制御システム１０６５は、中央制御装置１０６６、加速器・輸送系制御装置１０６９、走査制御装置１０７０、回転制御装置１０８８およびデータベース１０７２を有する。中央制御装置１０６６は、中央演算装置（ＣＰＵ）１０６７およびＣＰＵ１０６７に接続されたメモリ１０６８を有する。加速器・輸送系制御装置１０６９、走査制御装置１０７０、回転制御装置１０８８およびデータベース１０７２は、ＣＰＵ１０６７に接続されている。粒子線治療装置１００１は治療計画装置１０７３を有しており、治療計画装置１０７３はデータベース１０７２に接続されている。

ビーム電流測定装置１０９８は、移動装置１０１７および位置検出器１０３９を含んでいる。

高周波電源１０３６は、加速器１００４内に設置された高周波加速電極（図示省略）に導波管１０１０を通じて電圧を印加し、イオンビームを加速する。

次に、図２から図５を用いて、加速器１００４に用いる磁石装置１の構造を説明する。図２は、磁石装置１の斜視図である。

図２に示すように、加速器１００４は、磁石装置１によってその外殻が形成される。

磁石装置１は、鉛直方向から見て略円盤状の形状を成す上リターンヨーク４と下リターンヨーク５とを主な構成として有しており、これら上リターンヨーク４と下リターンヨーク５は、水平対称面（軌道面）２に対してほぼ上下対称な形状を有している。この水平対称面２は、おおむね磁石装置１の鉛直方向中心を通り、加速中のイオンが描く軌道に対して平行な面である。また上リターンヨーク４と下リターンヨーク５は、水平対称面２に垂直であり、かつおおむね磁石装置１の水平対称面２に対する中心を通過する平面である垂直対称面３に対して面対称な形状をしている。なお、図２では水平対称面２の磁石装置１に対する交差部分を一点鎖線、垂直対称面３の磁石装置１に対する交差部分を破線で示している。

図３は、磁石装置１の垂直対称面３による断面図である。図３に示すように、上リターンヨーク４と下リターンヨーク５に囲まれた空間内にはコイル６が水平対称面２に対して面対称に配置されている。

コイル６は、図１に示したコイル引出配線１０２２によってコイル励磁用電源１０５７に接続されている。上リターンヨーク４および下リターンヨーク５に囲まれた空間内のコイル６の内側には真空容器７が設けられている。

真空容器７の内部には、上リターンヨーク４の下リターンヨーク５に対向する面には上部磁極８が、下リターンヨーク５の上リターンヨーク４に対向する面には下部磁極９が、それぞれ水平対称面２に対して面対称に配置されており、それぞれ上リターンヨーク４と下リターンヨーク５と結合されている。イオンビームを周回させ加速させる空間は、これら上部磁極８と下部磁極９の間に形成される。

また、水平対称面２に対して面対称に取り出し用電磁石１２，１３が配置されている。取り出し用電磁石１２，１３は、図１に示した取り出し用電磁石引出配線１０２３によって取り出し用電磁石電源１０４０に接続されている。取り出し用電磁石１２，１３に電流を通電して磁場を付加することで、ビーム軌道が平衡軌道から変化し、図１に示した出射チャネル１０１９にビームが到達するようになる。出射チャネル１０１９は電磁石（図示省略）を備えており、図１に示した出射チャネル用電源１０８２に接続されている。出射チャネル用電源１０８２から出射チャネル１０１９に備えられた電磁石に電流を通電することで、出射チャネル１０１９に到達したイオンビームが整えられ、ビーム輸送系１０１３へと送られる。

磁石装置１は水平対称面２に対して上下対称の構造であるため、以下では、下部磁極９の磁極面１０について図４および図５を用いて詳細に説明する。図４は、磁極面１０を水平対称面２から見た平面図である。図５は、図４に示したビーム軌道５１に沿った上部磁極８および下部磁極９の断面図である。

下部磁極９の磁極面１０には、図４に示すように、イオンビームの周回するビーム軌道５１，５２，５３の周回方向にわたって実線で示す凹部２１，２２，２３，２４と凸部３１，３２，３３，３４が交互に配置されており、垂直対称面３に対して面対称になっている。凹部２３の直上には取り出し用電磁石１３が配置されている。なお、図から明らかのように本実施例の磁石装置１の構造においては、上部磁極８および下部磁極９は、イオンビームの周回する軌道に沿って複数の凹凸構造を有するとともに、ビーム軌道が形成する軌道面に対して面対称、かつ面対称となる軌道面に垂直な面は垂直対称面３一つのみが特定される。

それぞれの凹部２１，２２，２３，２４と凸部３１，３２，３３，３４は略扇形形状であり、各凹部２１，２２，２３，２４と凸部３１，３２，３３，３４の扇形形状の頂点が集約される位置にイオン入射装置を配置するための空間６１が存在する。なお、この空間６１は磁極面１０におけるイオン入射位置と考えてもよい。空間６１には入射用電極（図示省略）が設置され、図１に示したように、入射用電極は入射用電極引出配線１０８１によって入射用電極電源１０８０に接続されている。

図４に示すように、凹部２１，２２，２３，２４の形状はすべてが同じ形状ではない。具体的には、凹部２２と凹部２４とは垂直対称面３に対して対称な形状となっているが、凹部２２や凹部２４は凹部２１や凹部２３とは異なる形状となっている。すなわち、凹部２１，２２，２３，２４を水平対称面２に射影したときの面積はすべてが同じではなく、凹部２２と凹部２４とは同じ面積となっているが、凹部２１や凹部２３とは異なる面積となっている。

図５に示すように、上下の凹部２１で挟まれたバレー領域９１、上下の凸部３１に挟まれたヒル領域９４、上下の凹部２２に挟まれたバレー領域９２、上下の凸部３２に挟まれたヒル領域９５、および上下の凹部２３に挟まれたバレー領域９３が、ビーム軌道５１に沿って並んでいる。境界面４１，４２，４３，４４は、水平対称面２に対して略垂直である。同様に、境界面４５，４６，４７，４８も、水平対称面２に対して略垂直である。

バレー領域９１における上部磁極８と下部磁極９との間の磁極間隔１０１、バレー領域９２における磁極間隔１０２、バレー領域９３における磁極間隔１０３の設計値はすべてが同じ値ではなく、異なった値のものがある。磁極間隔１０２は、磁極間隔１０１および磁極間隔１０３より大きい値となっている。そのため、バレー領域９１やバレー領域９３における磁場は、バレー領域９２における磁場より強くなっている。

ヒル領域９４における磁極間隔１０４、ヒル領域９５における磁極間隔１０５の設計値も、磁極間隔１０１，１０２，１０３と同様に、異なっている。

また、磁石装置１では、凹部２１の磁極幅１０６、凹部２２の磁極幅１０７、凹部２３の磁極幅１０８はすべてが同じ幅ではなく、異なる幅となっている。具体的には、磁極幅１０６や磁極幅１０８に比べて、磁極幅１０７が広くなっている。更に、凸部３１の磁極幅１０９と凸部３２の磁極幅１１０も異なる幅である。なお、凹部２２の磁極幅１０７と凹部２４の磁極幅とは同じ値であり、凸部３１の磁極幅１０９と凸部３４の磁極幅とが同じ値、凸部３２の磁極幅１１０と凸部３３の磁極幅とが同じ値となっている。

次に、上で説明した構造による効果を対比して説明するために、一般的なセクター型サイクロトロン用の磁石装置について、図６と図７を用いて説明する。図６は、磁石装置の下部磁極５０９の平面図である。図７は、図６に示したビーム軌道５５１に沿った上部磁極５０８および下部磁極５０９の断面図である。

図６に示すように、一般的なセクター型サイクロトロンでは、複数の凹部５２１，５２２，５２３，５２４が同形状に設計され、凸部５３１，５３２，５３３，５３４が同形状に設計される。

ここで、凹部５２１，５２２，５２３，５２４におけるビーム曲率半径をρ_１´、ビーム偏向角をξ´とおく。また、凸部５３１，５３２，５３３，５３４におけるビーム曲率半径をρ_２´、ビーム偏向角をη´とおく。また、凹部５２１，５２２，５２３，５２４における磁場の強さをＢ１´、凸部５３１，５３２，５３３，５３４における磁場の強さをＢ２´、ビーム軌道に沿った平均磁場をＢ´とする。すると、下記式（１），（２）に示すような

の関係が成り立つ。

また、図７に示すように、磁極間隔６０１，６０２，６０３は等しく、バレー領域５９１，５９２，５９３における磁場の強さは等しくＢ１´である。またヒル領域５９４，５９５の磁極間隔６０４，６０５も等しく、磁場の強さも等しくＢ２´である。

更に、凹部５２１の磁極幅６０６と凹部６２２の磁極幅６０７、凹部６２３の磁極幅６０８とが同じ値（ρ_１´ξ´）であり、凸部６３１の磁極幅６０９と凸部６３２の磁極幅６１０とが同じ値（ρ_２´η´）となっている。

境界面５４１，５４２，５４３，５４４，５４５，５４６，５４７，５４８は、水平対称面２に対して略垂直である。

図６と図７で説明した通常のセクター型サイクロトロンではビーム軌道が同心円状であったが、図８において、このビーム軌道を偏心させるように磁極形状をかえた磁石装置を考える。図８は、磁石装置の下部磁極７０９の磁極面を水平対称面２から見た平面図である。図８に示す下部磁極７０９を備えた磁石装置は、図６および図７に示した磁石装置のビーム軌道に沿った磁場分布が等しくなるようになっている。

図８に示すようにビーム軌道を偏心させると、図８のバレー領域７２３におけるビームのターンセパレーションは、図６のバレー領域５２３におけるビームのターンセパレーションよりも増大している。このため、取り出し用電磁石７１３に電流を流して磁場を付加して、狙ったエネルギーのビームを取りだすことができる。

なお、図８では、上下の凹部７２１で挟まれたバレー領域、上下の凹部７２２で挟まれたバレー領域、上下の凹部７２３で挟まれたバレー領域、および上下の凹部７２４で挟まれたバレー領域におけるそれぞれの磁極間隔は同じ値である。また、上下の凸部７３１で挟まれたヒル領域と上下の凸部７３４で挟まれたヒル領域における磁極間隔が同じ値であり、上下の凸部７３２で挟まれたヒル領域と上下の凸部７３３で挟まれたヒル領域における磁極間隔が同じ値である。

境界面７４１，７４２，７４３，７４４，７４５，７４６，７４７，７４８は、水平対称面２に対して略垂直である。

次に、セクター型サイクロトロンのバレーの種類を二種類にした一例の磁石装置について、図９と図１０を用いて説明する。図９は、本実施例のセクター型サイクロトロンの他の一例の磁石装置の下部磁極９Ａの平面図である。図１０は、図９に示したビーム軌道５１Ａに沿った上部磁極８Ａおよび下部磁極９Ａの断面図である。

図９に示すように、本例の磁石装置では、凹部には凹部２１Ａ，２３Ａと凹部２２Ａ，２４Ａと二種類の形状，面積があり、空間６１を隔てて向かい合った凹部同士（凹部２１Ａと凹部２３Ａの組み合わせ、凹部２２Ａと凹部２４Ａの組み合わせ）が同じ形状，面積となっている。

ここで、凹部２１Ａ，２３Ａにおけるビーム曲率半径をρ_１、ビーム偏向角をξとおき、凸部３１Ａ，３２Ａ，３３Ａ，３４Ａにおけるビーム曲率半径をρ_２、ビーム偏向角をηとおき、凹部２２Ａ，２４Ａにおけるビーム曲率半径をρ_３、ビーム偏向角をζとおく。また、凹部２１Ａ，２３Ａにおける磁場の強さをＢ１、凸部３１Ａ，３２Ａ，３３Ａ，３４Ａにおける磁場の強さをＢ２、凹部２２Ａ，２４Ａにおける磁場の強さをＢ３、ビーム軌道に沿った平均磁場をＢとする。すると、下記式（３），（４）に示すような

の関係が成り立つ。

これらの式（３），（４）から、凹部２１Ａ、凹部２３Ａにおける磁場の強さＢ１よりも凹部２２Ａ、凹部２４Ａにおける磁場の強さＢ３を弱くすることによって、図９に示したような、ビーム軌道が、長軸が垂直対称面３に含まれ、短軸が垂直対称面３に対して垂直となる略楕円形上になる。

ここで、式（２）の平均磁場Ｂ´と式（４）の平均磁場Ｂを同じとすると、ビームエネルギーが等しければ、図６におけるビーム軌道の長さと図９におけるビーム軌道の長さは等しい。しかし、図６ではビーム軌道が略円状なのに対し、図９ではビーム軌道が略楕円状である。

従って、平均磁場が図６と図９で等しい条件のもとでは、図６に示す凹部５２１や凹部５２３におけるビームのターンセパレーションに比べて図９に示す凹部２１Ａや凹部２３Ａにおけるビームのターンセパレーションが大きくなる。逆に、図９に示す凹部２２Ａや凹部２４Ａにおけるビームのターンセパレーションは図６に示す凹部５２２や凹部５２４におけるビームのターンセパレーションより小さくなる。

また、凹部２１Ａ，２３Ａにおける磁場の強さＢ１よりも凹部２２Ａ，２４Ａにおける磁場の強さＢ３を弱くするため、図１０に示すように、磁極間隔１０２Ａは磁極間隔１０１Ａや磁極間隔１０３Ａよりも広くしている。また、凹部２１Ａの磁極幅１０６Ａと凹部２３の磁極幅１０８Ａは同じ値（ρ_１ξ）となっているが、凹部２２Ａの磁極幅１０７Ａ（ρ_３ζ）は磁極幅１０６Ａ，１０８Ａ（ρ_１ξ）より広くなっている。

なお、図１０では、磁極間隔１０４Ａ，１０５Ａは同じ値であり、凸部３１Ａの磁極幅１０９Ａと凸部３２Ａの磁極幅１１０Ａとは同じ値（ρ_２η）である。

先に図４で示した磁極形状は、ビーム軌道を偏心させる場合に、ビーム軌道に沿った磁場が図９の場合と同じになるように作成したものである。従って、ビーム軌道は略楕円状である。このため、凹部２３におけるビームのターンセパレーションを、図８で示した凹部７２３におけるビームのターンセパレーションよりも大きくすることができる。このようにビームのターンセパレーションが増大することで、ビームの取り出しにおけるエネルギー選択効率が更に上昇させることができ、取り出し効率が更に向上する。

次に、本実施例の効果について説明する。

上述した本発明の実施例１の粒子線治療装置１００１は加速器１００４を備えており、その加速器１００４は、円盤状の上リターンヨーク４，下リターンヨーク５および上リターンヨーク４，下リターンヨーク５の円盤状の面に固定された一対の上部磁極８，８Ａおよび下部磁極９，９Ａを有しており、上部磁極８，８Ａおよび下部磁極９，９Ａの間にイオンビームを周回させ加速させる空間が形成され、上部磁極８，８Ａおよび下部磁極９，９Ａが、イオンビームの周回する軌道に沿って複数の凹部２１〜２４，２１Ａ〜２４Ａおよび凸部３１〜３４，３１Ａ〜３４Ａを有するとともに、イオンビームの周回する軌道が形成する水平対称面２に対して面対称、かつ水平対称面２に垂直な垂直面の一つに面対称になっている磁石装置１を備え、上部磁極８，８Ａおよび下部磁極９，９Ａの凹部２１〜２４，２１Ａ〜２４Ａの間の磁極間隔１０１〜１０３，１０１Ａ〜１０３Ａが異なるものがある。

これによって、上下間隔の大きい凹部２２，２４，２２Ａ，２４Ａで挟まれた領域におけるイオンビーム軌道の曲率を、凹部２２，２４，２２Ａ，２４Ａに比べて上下間隔の小さい凹部２１，２３，２１Ａ，２３Ａで挟まれた領域におけるイオンビーム軌道の曲率よりも小さくすることができる。このため、イオンビーム軌道５１〜５３，５１Ａを略楕円形上にすることができ、ビームの集約領域とターンセパレーションを増大させた離散領域を形成することができる。

また、複数の凸部３１〜３４をイオンビームの周回する水平対称面２に射影したときの形状が異なる凸部と同じ凸部があり、形状が異なる凸部３１と凸部３２との間、または凸部３３と凸部３４との間に挟まれた凹部２２，２４の磁極間隔１０２が、形状が略合同となる凸部３２と凸部３３との間、または凸部３１と凸部３４との間に挟まれた凹部２１，２３の磁極間隔１０１，１０３よりも大きい。このような複数の凸部３１〜３４をイオンビームの周回する水平対称面２に射影したときの形状が異なる凸部と同じ凸部を設けるため、ビームのターンセパレーションが密になる集約領域と疎になる離散領域を形成することができる。よってビーム集約領域の更なる狭小化と離散領域の更なる拡大化を図ることができ、ビームの取り出し効率をさらに向上させることができる。

更に、水平対称面２に射影したときの形状が略合同となる凸部３２，３３との間に挟まれた凹部２３の空間にビーム取り出し用電磁石１２，１３を更に備えたことで、ビームのターンセパレーションが増大した、ビームの取り出しにおけるエネルギー選択効率の高い領域にビーム取り出し用電磁石１２，１３が配置されるため、高い精度でのビームの取り出しが可能となる。

＜実施例２＞
本発明の実施例２の粒子線加速器および粒子線治療装置を図１１および図１２を用いて説明する。図１１は、実施例２における磁石装置の下部磁極９Ｂの平面図である。

実施例１では、図４に示すように取り出し用電磁石１２，１３が凹部２３の位置に備えられていたが、実施例２では、図１１に示すように取り出し用電磁石１３Ｂが凹部２２Ｂと凹部２４Ｂの二ヶ所に備えられている。図示は省略するが、取り出し用電磁石１３Ｂの上方には、実施例１の取り出し用電磁石１２に相当する取り出し用電磁石が配置されている。

このように取り出し用電磁石１３Ｂを凹部２２Ｂと凹部２４Ｂの二ヶ所に設置する場合には、その二ヶ所でビームのターンセパレーションを増大させることでビーム取り出し効率の向上を図ることができる。

すなわち、実施例１では、略楕円状のビーム軌道の長軸が垂直対称面３に含まれ、短軸が垂直対称面３に垂直であったのに対し、実施例２では、略楕円状のビーム軌道の短軸が垂直対称面３に含まれ、長軸が垂直対称面３に垂直になるようにする。ビーム軌道５１Ｂ，５２Ｂ，５３Ｂがこのような略楕円状とすることで、取り出し用電磁石１３Ｂを設置する凹部２２Ｂと凹部２４Ｂにおけるビームのターンセパレーションが増大し、図９，１０に示すような略円軌道のビーム軌道の場合に比較してビーム取り出し効率をより向上させることができる。

このために、実施例２の粒子線加速器の磁石装置では以下のような構造を採用する。その構造について図１２を用いて説明する。図１２は、図１１に示したビーム軌道５１Ｂに沿った上部磁極８Ｂおよび下部磁極９Ｂの断面図である。

図１１に示すように、下部磁極９Ｂの磁極面には、イオンビームの周回するビーム軌道５１Ｂ，５２Ｂ，５３Ｂの周回方向にわたって実線で示す凹部２１Ｂ，２２Ｂ，２３Ｂ，２４Ｂと凸部３１Ｂ，３２Ｂ，３３Ｂ，３４Ｂが交互に配置されており、垂直対称面３に対して面対称になっている。凹部２２Ｂの直上および凹部２４Ｂの直上には取り出し用電磁石１３Ｂが配置されている。

それぞれの凹部２１Ｂ，２２Ｂ，２３Ｂ，２４Ｂと凸部３１Ｂ，３２Ｂ，３３Ｂ，３４Ｂは略扇形形状である。

図１１に示すように、凹部２１Ｂ，２２Ｂ，２３Ｂ，２４Ｂの形状はすべてが同じ形状ではなく、凹部２２Ｂと凹部２４Ｂとが垂直対称面３に対して対称な形状で同じ面積となっているが、凹部２２Ｂや凹部２４Ｂは凹部２１Ｂや凹部２３Ｂとは異なる形状，面積となっている。

図１２に示すように、上下の凹部２１Ｂで挟まれたバレー領域９１Ｂ、上下の凸部３１Ｂに挟まれたヒル領域９４Ｂ、上下の凹部２２Ｂに挟まれたバレー領域９２Ｂ、上下の凸部３２Ｂに挟まれたヒル領域９５Ｂ、および上下の凹部２３Ｂに挟まれたバレー領域９３Ｂが、ビーム軌道５１Ｂに沿って並んでいる。境界面４１Ｂ，４２Ｂ，４３Ｂ，４４Ｂや図１１に示す境界面４５Ｂ，４６Ｂ，４７Ｂ，４８Ｂは、水平対称面２に対して略垂直である。

バレー領域９１Ｂにおける上部磁極８Ｂと下部磁極９Ｂとの間の磁極間隔１０１Ｂ、バレー領域９２Ｂにおける磁極間隔１０２Ｂ、バレー領域９３Ｂにおける磁極間隔１０３Ｂの設計値はすべてが同じ値ではなく異なった値となっており、磁極間隔１０２Ｂは、磁極間隔１０１Ｂおよび磁極間隔１０３Ｂより小さい値である。従ってバレー領域９２Ｂにおける磁場Ｂ３”は、バレー領域９１Ｂおよびバレー領域９３Ｂにおける磁場Ｂ１”よりも強くなっている。このように磁極間隔と磁場の強さを調整することで、長軸が垂直対称面３と垂直になる略楕円状のビーム軌道を実現することができる。

同様に、ヒル領域９４Ｂにおける磁極間隔１０４Ｂ、ヒル領域９５Ｂにおける磁極間隔１０５Ｂの設計値も異なっている。

また、本実施例の磁石装置でも、凹部２１Ｂの磁極幅１０６Ｂ、凹部２２Ｂの磁極幅１０７Ｂ、凹部２３Ｂの磁極幅１０８Ｂはすべてが同じ幅ではなく、異なる幅となっている。更に、凸部３１Ｂの磁極幅１０９Ｂと凸部３２Ｂの磁極幅１１０Ｂも異なる幅である。

その他の構成・動作は前述した実施例１の粒子線加速器やそれを備えた粒子線治療装置１００１と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。

本発明の実施例２の粒子線加速器および粒子線治療装置においても、前述した実施例１の粒子線加速器および粒子線治療装置とほぼ同様な効果が得られる。

また、複数の凸部３１Ｂ〜３４Ｂをイオンビームの周回する水平対称面２に射影したときの形状が異なる凸部と同じ凸部があり、形状が異なる凸部３１Ｂと凸部３２Ｂとの間、または凸部３３Ｂと凸部３４Ｂとの間に挟まれた凹部２２Ｂ，２４Ｂの磁極間隔１０２Ｂが、形状が略合同となる凸部３２Ｂと凸部３３Ｂとの間、または凸部３１Ｂと凸部３４Ｂとの間に挟まれた凹部２１Ｂ，２３Ｂの磁極間隔１０１Ｂ，１０３Ｂよりも小さいことによっても、ビームのターンセパレーションが密になる集約領域と疎になる離散領域を形成することができ、ビームの取り出し効率をさらに向上させることができる。

更に、水平対称面２に射影したときの形状が異なる凸部３１Ｂと凸部３２Ｂとの間、または凸部３３Ｂと凸部３４Ｂとの間に挟まれた凹部２２Ｂ，２４Ｂの間の磁場の強さＢ３“が、形状が略合同となる凸部３２Ｂと凸部３３Ｂとの間、または凸部３１Ｂと凸部３４Ｂとの間に挟まれた凹部２１Ｂ，２３Ｂの間の磁場の強さＢ１”より強いことによっても、ビームのターンセパレーションが密になる集約領域と疎になる離散領域を形成することができ、ビームの取り出し効率をさらに向上させることができる。

また、形状が異なる凸部３１Ｂと凸部３２Ｂとの間、または凸部３３Ｂと凸部３４Ｂとの間に挟まれた凹部２２Ｂ，２４Ｂの空間にビーム取り出し用電磁石１３Ｂを更に備えたことで、ビームのターンセパレーションが増大した、ビームの取り出しにおけるエネルギー選択効率の高い領域にビーム取り出し用電磁石１３Ｂが配置されるため、高い精度でのビームの取り出しが可能となる。

＜その他＞
なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１…磁石装置
２…水平対称面（軌道面）
３…垂直対称面（垂直面）
４…上リターンヨーク
５…下リターンヨーク
６…コイル
７…真空容器
８，８Ａ，８Ｂ…上部磁極
９，９Ａ，９Ｂ…下部磁極
１０…磁極面
１２，１３，１３Ｂ…取り出し用電磁石
２１，２１Ａ，２１Ｂ，２２，２２Ａ，２２Ｂ，２３，２３Ａ，２３Ｂ，２４，２４Ａ，２４Ｂ…凹部
３１，３１Ａ，３１Ｂ，３２，３２Ａ，３２Ｂ，３３，３３Ａ，３３Ｂ，３４，３４Ａ，３４Ｂ…凸部
４１，４１Ａ，４１Ｂ，４２，４２Ａ，４２Ｂ，４３，４３Ａ，４３Ｂ，４４，４４Ａ，４４Ｂ，４５，４５Ａ，４５Ｂ，４６，４６Ａ，４６Ｂ，４７，４７Ａ，４７Ｂ，４８，４８Ａ，４８Ｂ…境界面
５１，５１Ａ，５１Ｂ，５２，５２Ｂ，５３，５３Ｂ…ビーム軌道
６１…空間（入射位置）
９１，９１Ａ，９１Ｂ，９２，９２Ａ，９２Ｂ，９３，９３Ａ，９３Ｂ…バレー領域
９４，９４Ａ，９４Ｂ，９５，９５Ａ，９５Ｂ…ヒル領域
１０１，１０１Ａ，１０１Ｂ，１０２，１０２Ａ，１０２Ｂ，１０３，１０３Ａ，１０３Ｂ，１０４，１０４Ａ，１０４Ｂ，１０５，１０５Ａ，１０５Ｂ…磁極間隔
１０６，１０６Ａ，１０６Ｂ，１０７，１０７Ａ，１０７Ｂ，１０８，１０８Ａ，１０８Ｂ，１０９，１０９Ａ，１０９Ｂ，１１０，１１０Ａ，１１０Ｂ…磁極幅
１００１…粒子線治療装置

Claims (7)

1. 粒子線加速器であって、
   リターンヨークおよび前記リターンヨークの平らかな面に固定された一対の磁極を有しており、前記一対の磁極の間にイオンビームを周回させ加速させる空間が形成され、前記一対の磁極が、前記イオンビームの周回する軌道に沿って複数の凹凸構造を有するとともに、前記イオンビームの周回する軌道が形成する軌道面に対して面対称、かつ前記軌道面に垂直な垂直面の一つに面対称になっている磁石装置を備え、
   前記複数の一対の磁極の凹構造部分の間の距離が異なるものがある
   ことを特徴とする粒子線加速器。
2. 請求項１に記載の粒子線加速器において、
   前記複数の凸構造を前記イオンビームの周回する軌道面に射影したときの形状が異なる凸部と略合同となる凸部があり、
   前記形状が異なる凸部同士に挟まれた凹部の間隔が、前記形状が略合同となる凸部同士に挟まれた凹部の間隔よりも大きい
   ことを特徴とする粒子線加速器。
3. 請求項２に記載の粒子線加速器において、
   前記形状が略合同となる凸部同士に挟まれた前記凹部の空間にビーム取り出し用電磁石を更に備えた
   ことを特徴とする粒子線加速器。
4. 請求項１に記載の粒子線加速器において、
   前記複数の凸構造を前記イオンビームの周回する軌道面に射影したときの形状が異なる凸部と略合同となる凸部があり、
   前記形状が異なる凸部同士に挟まれた凹部の間隔が、前記形状が略合同となる凸部同士に挟まれた凹部の間隔よりも小さい
   ことを特徴とする粒子線加速器。
5. 請求項４に記載の粒子線加速器において、
   前記形状が異なる凸部同士に挟まれた凹部の間の磁場の強さが、前記形状が略合同となる凸部同士に挟まれた凹部の間の磁場の強さより強い
   ことを特徴とする粒子線加速器。
6. 請求項５に記載の粒子線加速器において、
   前記形状が異なる凸部同士に挟まれた前記凹部の空間にビーム取り出し用電磁石を更に備えた
   ことを特徴とする粒子線加速器。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の加速器を備えた
   ことを特徴とする粒子線治療装置。

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