JP2019091595A - 円形加速器および粒子線照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波加速電圧を回転コンデンサによって周波数変調する際に、電力効率を高く保つことが可能な円形加速器および粒子線照射装置を提供する。【解決手段】円形加速器は、粒子を加速するための加速空胴１０と、加速空胴１０に高周波電力を供給するための静電容量結合式の入力カプラ２０と、加速空胴１０の共振周波数を変調するための回転コンデンサ３０と、を備え、回転コンデンサ３０のうち回転側電極３２は、絶縁支持体２５を介して浮遊電位電極２４が接続されており、入力カプラ２０の先端と浮遊電位電極２４との距離が、回転側電極３２の回転に伴い変化する。【選択図】図３

Description

本発明は、円形加速器および粒子線照射装置に関する。

可変エネルギーを有する荷電粒子を生成する粒子加速器を提供することを目的として、特許文献１には、粒子源からの粒子を加速するためのキャビティに高周波（ＲＦ）電圧を提供するための電圧源と、可変電流を受け取り、少なくとも４テスラであり粒子をキャビティ内で軌道に沿って運動させる磁場を発生させるコイルと、加速された粒子を受け取り、受け取られた粒子をキャビティから出力する引き出しチャネルと、を含み、キャビティから出力された粒子は、コイルに印加された可変電流に少なくとも基づいて可変であるエネルギーを有するシンクロサイクロトロンに関する技術が記載されている。

特開２０１５−００２１７６号公報

粒子線照射装置は、照射するイオンビームを生成するための加速器を備えている。加速器には、主に、イオン源から出射されたイオン（例えば、陽イオンまたは炭素等の陽子より質量の重い重粒子イオン）を直線上に並べた沢山の電極によって高エネルギーまで加速する線形加速器直線と、イオン源から出射されたイオンを磁石の中で周回させ、元の電極に戻ってくるたびに同じ電極で何度も加速する円形加速器とがある。

上述のような加速器のうち、円形加速器の内部を周回するビームは、高周波加速電圧が生じる加速間隙を通過する度にエネルギーを得る。このとき、高周波加速電圧の周波数を時間的に一定とする方式と変調する方式の２方式がある。

周波数を変調する方式では、加速空胴の共振周波数を時間的に変える必要があり、このために、回転コンデンサ等を用いて加速空胴の静電容量を時間的に変化させる方法が用いられている。

一方で、共振周波数が変化すると、加速空胴に高周波電力を供給する入力カプラの結合係数が変化するため、電力整合条件が崩れて反射電力が多くなるという問題がある。この問題に対処するため、例えば、上述した特許文献１の方法が提案されている。

上述した特許文献１では、同軸管構造となっている入力カプラの内導体が、加速空胴内の内導体に直結され電気的に短絡されている。このような構造とすることで、Ｑ値が低下して入力カプラの周波数特性を広帯域化できるため、周波数が変化しても同調条件を保つことができる。

しかしながら、上述した特許文献１の構成では、加速空胴のＱ値が低下するため、シャントインピーダンスが低下してしまい、加速空胴により多くの高周波電力を供給する必要が生じるため、電力効率が悪くなる、との問題がある。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的は、高周波加速電圧を回転コンデンサによって周波数変調する際に、電力効率を高く保つことが可能な円形加速器および粒子線照射装置を提供することにある。

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、回転コンデンサを用いて高周波加速電圧を周波数変調する円形加速器であって、イオンを加速するための加速空胴と、前記加速空胴に高周波電力を供給するための静電容量結合式の入力カプラと、前記加速空胴の共振周波数を変調するための前記回転コンデンサと、を備え、前記回転コンデンサのうち回転側電極は、絶縁体を介して浮遊電位電極が接続されており、前記入力カプラの先端と前記浮遊電位電極との距離が、前記回転側電極の回転に伴い変化することを特徴とする。

本発明によれば、高周波加速電圧を回転コンデンサによって周波数変調する際に、電力効率を高く保つことができる。

本発明の実施例の円形加速器の外観である。 本発明の実施例の円形加速器の断面構造である。 本発明の実施例の加速空胴の断面構成である。 図３のＡ−Ａ’線上における断面図である。 本発明の実施例の加速空胴の断面構成の他の一例である。 本発明の実施例の粒子線治療装置の全体構成を示す図である。

本発明の円形加速器および粒子線照射装置の実施例を、図１乃至図６を用いて説明する。尚、下記はあくまでも実施例に過ぎず、発明の内容を下記具体的態様に限定する趣旨ではない。発明自体は、下記実施例以外にも種々の形態に変形させることが可能である。

本実施例の円形加速器３９は、一定磁場中を時間的に周波数変調した高周波加速電圧によってイオンを加速するタイプの加速器である。円形加速器３９の外観を図１に、断面構成を図２に示す。

図１に示すように、円形加速器３９は、上下に分割可能な主電磁石４０によってその外殻が形成され、ビーム加速領域となる内部は真空引きされている。円形加速器３９の外周部側には、入力カプラ２０と、回転コンデンサ３０とが設けられている。円形加速器３９は、この回転コンデンサ３０を用いて、高周波加速電圧を周波数変調する。

主電磁石４０の上部にはイオン源５３が設置されており、低エネルギー輸送系５４を通してイオン入射位置５２からビームが円形加速器３９内部に入射される。イオン源５３としては、マイクロ波イオン源などを適用できる。なお、イオン源は、主電磁石４０内部の真空引きされたビーム加速領域内部に配置しても良く、その場合はＰＩＧ型イオン源などを適用できる。

主電磁石４０は、図２に示すように、主磁極（図示省略）、リターンヨーク４１、コイル４２からなる。主電磁石４０には貫通孔が複数あり、そのうち加速されたビームを取り出すビーム用貫通孔４６、内部のコイル導体を外部に引き出すためのコイル用貫通孔４８、真空引き用貫通孔４９、高周波加速空胴のための高周波系用貫通孔５０が上下の接続面上に設けられている。

円形加速器３９の内部には、円環状のコイル４２がリターンヨーク４１の内壁に沿って設置されている。コイル４２に電流を流すことによって、主電磁石４０の内部に所定の分布で磁場を励起する。コイル４２は、常伝導コイルでもよいが、コイル周囲にクライオスタットを設置して超伝導コイルとしてもよい。コイル４２の内側には図示を省略した主磁極が設置されており、主磁極表面に設置されるトリムコイル５１と共にビーム周回や取出しに適する磁場分布を形成する。

本実施例では、図２に示すようなビーム軌道をコイル用貫通孔４８側に偏心させた場合のトリムコイル配置を示しているが、一般的なシンクロサイクロトロンのように同心円軌道に沿うように同心円状に配置することができる。

イオン入射位置５２から内部に入射されたビームは、高周波加速電圧が励起される加速間隙１１を通過する度に加速される。加速間隙１１は、ディー電極１２とそれに対向するダミーディー電極１３との間に形成される。図２に示したディー電極１２の形状は、ハーモニクス数１の場合のものであり、ビームの軌道形状に応じて形成される。

取出し用セプタム電磁石４７は、所定のエネルギーまで加速されたイオンビームを高エネルギー輸送系である回転ガントリ６０のビーム取出し経路上の定められた設計軌道に乗せるのに必要な偏向をビームに対して与えるための電磁石である。

次に、イオンを加速するための加速空胴１０の構造を図３および図４を用いて詳述する。図３は図１に示す加速空胴１０の中心断面構造を示している。図４は図３中Ａ−Ａ’矢視断面図である。

図３に示すような加速空胴１０は、図１に示す高周波系用貫通孔５０に配置されており、ダミーディー電極１３、内導体１４とそれに連なるディー電極１２、内導体１４を外包する外導体１５からなる。加速空胴１０は、ビーム軌道面に対して入力カプラ２０などの突起部が配置される部分を除き、上下対称な構造となっている。

同軸管構造の入力カプラ２０は、加速空胴１０に高周波電力を供給するための機器であり、加速空胴の内導体１４に対して静電容量結合式により接続されている。本実施例の加速空胴１０では、入力カプラ２０を通して外部より内導体１４に対して高周波電力が供給され、ディー電極１２とダミーディー電極１３との間の加速間隙１１にビームを加速するため、高周波加速電圧が発生する。ビームを加速するためには、加速間隙１１を通過する際の高周波加速電圧の周波数と位相が適切な値である必要があり、そのために高周波加速電圧の周波数をフィードバック制御する。なお、ビーム加速中の高周波バケットサイズを制御する目的で、高周波加速電圧の振幅もフィードバック制御することも可能である。

回転コンデンサ３０は、加速空胴１０の共振周波数を変調するための機器であり、内導体１４に連なる固定側電極３１、外導体１５に隣り合う回転体３５とその回転体３５の固定側電極３１側に形成された回転側電極３２、モータ３３、およびシャフト３４からなる。

回転体３５は、軸受け（図示省略）に支持されたシャフト３４を介してモータ３３に接続される。シャフト３４は金属あるいは絶縁体にて構成することができる。回転体３５は、導電体材からなり、図４に示すように、円形断面を有する。内導体１４および外導体１５は、ディー電極１２との接合部付近では矩形断面だが、テーパー部１６を経て固定側電極３１付近で円形断面に滑らかに移行する。

回転体３５は、加速空胴１０の外導体１５に対して物理的には接続していないものの、電気的に接続する形状・配置となっている。すなわち、回転体３５に接続された回転側電極３２と外導体１５とは静電結合している。

なお、回転体３５と静止している外導体１５の境界面における高周波抵抗を小さくするため、静電容量が大きくなるように例えば境界面において回転体３５と外導体１５が対向する部分の導体面積を増加させてもよい。

図３に示すように、回転体３５には回転側電極３２が固定されている。固定側電極３１および回転側電極３２は、図４に示すように扇型断面となっており、回転体３５の回転に伴い固定側電極３１と回転側電極３２の対向部面積が変わるために静電容量が変化し、加速空胴１０の共振周波数を変えることができる。このとき、回転側電極３２あるいは固定側電極３１の先端形状を変化させることで、ビーム加速に適した共振周波数の変調パターンに制御することができる。回転側電極３２と固定側電極３１の枚数は任意であり、図４の例に限るものではない。

回転側電極３２には、絶縁支持体（絶縁体）２５を介して浮遊電位電極２４が接続される。絶縁支持体２５の材質は、回転体３５の回転による遠心力に耐えるために、十分な強度を持つセラミックやエンジニアリングプラスチックとすることが望ましい。絶縁支持体２５は、誘電率および誘電体損失が小さな材質であることが望ましい。

浮遊電位電極２４は絶縁支持体２５によって回転側電極３２に固定されているため、図４に示すように、回転側電極３２と一体となって回転する。浮遊電位電極２４の回転に伴い、入力カプラ内導体２３の先端と浮遊電位電極２４との間の距離が変化するように浮遊電位電極２４の外径側形状が定められている。このような外径側形状であることで、入力カプラ２０の先端と浮遊電位電極２４との間に可変容量２６が形成される。また、浮遊電位電極２４と内導体１４との間には、静電容量２７が形成される。

この可変容量２６と静電容量２７との直列接続が、入力カプラ内導体２３と内導体１４との静電結合を構成する。

なお、図４の例では、入力カプラ内導体２３と浮遊電位電極２４との間の距離が回転に伴い不連続に変化するものとしたが、連続的に滑らかに変化するように浮遊電位電極２４の外径側形状を定めることができ、回転体３５の回転に伴って浮遊電位電極２４と入力カプラ内導体２３との距離が変化する形状であればその外径側形状は特定されない。

浮遊電位電極２４の内径側形状は、図４に示すように円形状として、同じく円形状の内導体１４との間の静電容量２７が時間的に一定となるように形成する。しかし、浮遊電位電極２４の内径側形状はこれに限られず、浮遊電位電極２４と内導体１４との間の距離が変化するように形成して可変容量とすることができる。あるいは、浮遊電位電極２４と内導体１４との間に金属製ベアリングを挿入して、浮遊電位電極２４と内導体１４両者の電気的な導通を取る構成とすることができる。

また、図３に示すような回転側電極３２が加速空胴１０の外導体１５に静電結合され、加速空胴１０の内導体１４に回転コンデンサ３０の固定側電極３１が接続される形態に限られず、図５に示すように、回転側電極３２Ａが加速空胴１０Ａの内導体１４Ａに静電結合され、加速空胴１０Ａの外導体１５Ａに回転コンデンサ３０Ａの固定側電極３１Ａが接続される形態とすることができる。

図５に示すように、回転コンデンサ３０Ａは、図３に示す回転コンデンサ３０と同様に、加速空胴１０Ａの共振周波数を変調するための機器であり、加速空胴１０Ａの外導体１５Ａに連なる固定側電極３１Ａ、加速空胴１０Ａの内導体１４Ａに対して節電結合された回転体３５Ａとこの回転体３５Ａに固定された回転側電極３２Ａ、モータ３３Ａ、およびシャフト３４Ａからなる。

回転体３５Ａは、軸受け（図示省略）に支持されたシャフト３４Ａを介してモータ３３Ａに接続される。シャフト３４Ａは絶縁体にて構成する。回転体３５Ａは、加速空胴１０Ａの内導体１４Ａに対して電気的に接続するようにその形状や材質が構成，選択され、またそれらの間の距離が充分に近くなるよう配置されている。

固定側電極３１Ａ、回転側電極３２Ａは、固定側電極３１や回転側電極３２Ａと同じ扇型断面である。

回転側電極３２Ａには、絶縁支持体２５Ａを介して浮遊電位電極２４Ａが接続される。浮遊電位電極２４Ａは回転側電極３２Ａと一体となって回転する。浮遊電位電極２４Ａの回転に伴い、入力カプラ内導体２３Ａの先端と浮遊電位電極２４Ａとの間の距離が変化するように浮遊電位電極２４Ａの外径側形状が定められている。このような外径側形状であることで、入力カプラ２０Ａの先端と浮遊電位電極２４Ａとの間に可変容量が形成され、浮遊電位電極２４Ａと内導体１４Ａとの間には、静電容量が形成される。この可変容量と、静電容量との直列接続が、入力カプラ内導体２３Ａと内導体１４Ａとの静電結合を構成する。

上述のような本実施例の加速空胴１０，１０Ａを備えた円形加速器３９は、粒子線治療などに用いる粒子線照射装置に好適に適用することができる。適用した場合の粒子線照射装置の全体構成について図６を用いて説明する。

図６において、粒子線照射装置は、円形加速器３９と、円形加速器３９によって加速されたイオンビームを標的に対して照射するための回転ガントリ６０、照射装置６１、治療台６３、およびそれらを制御する制御装置６２からなる。

円形加速器３９のビーム用貫通孔４６から出射されたイオンビームは、回転ガントリ６０により照射装置６１まで輸送される。輸送されたイオンビームは照射装置６１で患部形状に合致するように整形され、治療台６３に横になった患者６４の患部標的に対して所定量照射される。

なお、図６では、回転ガントリ６０を備えた場合について説明したが、回転ガントリ６０を設けずに、固定されたビーム輸送系によって照射装置６１にイオンビームを輸送することができる。また、照射装置６１は複数設けてもよい。更には、ビーム輸送系を設けずに円形加速器３９から直接照射装置６１にビームを輸送してもよい。

次に、本実施例の効果について説明する。

上述した本実施例の粒子線照射装置は、回転コンデンサ３０を用いて高周波加速電圧を周波数変調する円形加速器３９と、円形加速器３９によって加速された粒子を標的に対して照射する照射装置６１と、を備えている。このうち、円形加速器３９は、イオンを加速するための加速空胴１０，１０Ａと、加速空胴１０，１０Ａに高周波電力を供給するための静電容量結合式の入力カプラ２０，２０Ａと、加速空胴１０，１０Ａの共振周波数を変調するための回転コンデンサ３０，３０Ａと、を備え、回転コンデンサ３０，３０Ａのうち回転側電極３２，３２Ａは、絶縁支持体２５，２５Ａを介して浮遊電位電極２４，２４Ａが接続されており、入力カプラ２０，２０Ａの先端と浮遊電位電極２４，２４Ａとの距離が、回転側電極３２，３２Ａの回転に伴い変化するものである。

以上のような構成により、回転コンデンサ３０，３０Ａの回転によって加速空胴１０，１０Ａの共振周波数が変化しても、入力カプラ２０，２０Ａの先端と浮遊電位電極２４，２４Ａとの間の距離を制御することで入力カプラ２０，２０Ａの先端と浮遊電位電極２４，２４Ａとの間に形成される可変容量２６によって結合条件を時間的に変えることができる。この可変容量２６によって入力カプラ２０，２０Ａの結合係数の変化を抑制でき、電力整合条件を保つことができる。このとき、加速空胴１０，１０ＡのＱ値の低下分は、浮遊電位電極２４，２４Ａと絶縁支持体２５，２５Ａに起因する分のみでわずかであるため、電力効率の悪化を防ぎ、効率を従来に比べて高く保つことができる。このように、周波数変調時に必要な高周波電力が増大せずに済むため、高周波電源の小型・低コスト化を達成することができる。

また、回転側電極３２が加速空胴１０の外導体１５に静電結合され、加速空胴１０の内導体１４に回転コンデンサ３０の固定側電極３１が接続されているため、回転側電極３２や固定側電極３１の形状の調整によって容易に加速空胴１０の共振周波数を変調することができる構造とすることができる。

更に、回転側電極３２Ａが加速空胴１０の内導体１４Ａに静電結合され、加速空胴１０Ａの外導体１５Ａに回転コンデンサ３０Ａの固定側電極３１Ａが接続されていることによっても、回転側電極３２Ａや固定側電極３１Ａの形状の調整によって容易に加速空胴１０Ａの共振周波数を変調することができる構造とすることができる。

また、ビームの加速軌道が偏心軌道であることにより、周回するビームの軌道が集約領域で集約されていることから、集約していない軌道に比べて少ない局所磁場でビーム取出し経路まで偏向させることができ、所定エネルギーまで加速されたイオンビームの高効率での取出しが非常に容易となる。

更に、絶縁支持体２５，２５Ａは、セラミックあるいはエンジニアリングプラスチックにより構成されることで、回転体３５，３５Ａの回転による遠心力が加わっても確実に浮遊電位電極２４，２４Ａを保持することができ、可変容量２６をより安定して形成することができることから、電力整合条件をより安定して保つことができる。

１０，１０Ａ…加速空胴
１１…加速間隙
１２…ディー電極
１３…ダミーディー電極
１４，１４Ａ…内導体
１５，１５Ａ…外導体
１６…テーパー部
２０，２０Ａ…入力カプラ
２３，２３Ａ…入力カプラ内導体
２４，２４Ａ…浮遊電位電極
２５，２５Ａ…絶縁支持体
３０，３０Ａ…回転コンデンサ
３１，３１Ａ…固定側電極
３２，３２Ａ…回転側電極
３３，３３Ａ…モータ
３４，３４Ａ…シャフト
３５，３５Ａ…回転体
３９…円形加速器
４０…主電磁石
４１…リターンヨーク
４２…コイル
４６…ビーム用貫通孔
４７…取出し用セプタム電磁石
４８…コイル用貫通孔
４９…真空引き用貫通孔
５０…高周波系用貫通孔
５１…トリムコイル
５２…イオン入射位置
５３…イオン源
５４…低エネルギー輸送系
６０…回転ガントリ
６１…照射装置
６２…制御装置
６３…治療台
６４…患者

Claims (7)

1. 回転コンデンサを用いて高周波加速電圧を周波数変調する円形加速器であって、
   イオンを加速するための加速空胴と、
   前記加速空胴に高周波電力を供給するための静電容量結合式の入力カプラと、
   前記加速空胴の共振周波数を変調するための前記回転コンデンサと、を備え、
   前記回転コンデンサのうち回転側電極は、絶縁体を介して浮遊電位電極が接続されており、
   前記入力カプラの先端と前記浮遊電位電極との距離が、前記回転側電極の回転に伴い変化する
   ことを特徴とする円形加速器。
2. 請求項１に記載の円形加速器において、
   前記回転側電極が前記加速空胴の外導体に静電結合され、
   前記加速空胴の内導体に前記回転コンデンサの固定側電極が接続される
   ことを特徴とする円形加速器。
3. 請求項１に記載の円形加速器において、
   前記回転側電極が前記加速空胴の内導体に静電結合され、
   前記加速空胴の外導体に前記回転コンデンサの固定側電極が接続される
   ことを特徴とする円形加速器。
4. 請求項２に記載の円形加速器において、
   ビームの加速軌道が偏心軌道である
   ことを特徴とする円形加速器。
5. 請求項３に記載の円形加速器において、
   ビームの加速軌道が偏心軌道である
   ことを特徴とする円形加速器。
6. 請求項１に記載の円形加速器において、
   前記絶縁体は、セラミックあるいはエンジニアリングプラスチックにより構成される
   ことを特徴とする円形加速器。
7. 請求項１に記載の円形加速器と、
   前記円形加速器によって加速されたイオンビームを標的に対して照射する照射装置と、を備えた
   ことを特徴とする粒子線照射装置。

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