JP2019169255A - 円形加速器およびそれを備えた粒子線照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】メンテナンスが容易な構成で、内部イオン源内にプラズマを生成することが可能な円形加速器とそれを備えた粒子線照射装置を提供する。【解決手段】加速器は、イオンビームを周回させる磁場を発生させる、対向して配置された一対の主磁極１と、イオンビームを加速する高周波加速電極７と、主磁極１内に配置された内部放電容器５と、主磁極１外に配置された外部粒子源３と、を有し、外部粒子源３から内部放電容器５へ入射させた粒子で内部放電容器５内にプラズマを生成し、プラズマからイオンビームを引き出す。【選択図】図４

Description

本発明は円形加速器およびそれを備えた粒子線照射装置に関する。

本技術分野の背景技術として、特許文献１がある。この公報には、「イオン源は導電性の筐体と前記筐体内に配置されたフィラメントとを有し、前記フィラメントには電源から電流が供給され、前記フィラメントに供給される電流の向きが変更される」という記載がある。

特開２０１４−４９４１４号公報

上述した特許文献１では、フィラメントに通電する電流の向きを変更してフィラメントの変形を抑制することで長寿命化を行っていた。

しかしながら、この特許文献１に記載された方法では、電子やイオンの衝突によるフィラメントサイズの減少や損傷（断線）に対して配慮されておらず、いずれはフィラメントの断線による寿命が発生していた。さらに、フィラメント交換のために主磁極の解体や、大気開放するなどの大がかりな作業が必要であるため、装置の稼働率が低下する、という問題があった。

そこで本発明の目的は、メンテナンスが容易な構成で、内部イオン源内にプラズマを生成することが可能な円形加速器とそれを備えた粒子線照射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、イオンビームを加速する円形加速器であって、前記イオンビームを周回させる磁場を発生させる、対向して配置された一対の磁極と、前記イオンビームを加速する高周波加速電極と、前記磁極内に配置された内部イオン源と、前記磁極外に配置された外部粒子源と、を有し、前記外部粒子源から前記内部イオン源へ入射させた粒子で前記内部イオン源内にプラズマを生成し、前記プラズマから前記イオンビームを引き出すことを特徴とする。

本発明によれば、メンテナンスが容易な構成で、内部イオン源内にプラズマを生成し、イオンビームを引き出すことが可能な円形加速器を提供することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

本発明の円形加速器を用いた粒子線照射装置の全体構成を示す図である。 図１に示す円形加速器の側面断面を示す図である。 図１に示す円形加速器の横断面を示す図である。 図１のイオン源周りの側面の概略を示す図である。

以下に本発明の円形加速器およびそれを備えた粒子線照射装置の実施例を、図１乃至図４を用いて説明する。

最初に、粒子線照射装置の全体構成および関連する装置の構成について図１を用いて説明する。図１は、本実施例の粒子線照射装置の全体構成を示す図である。

図１において、粒子線照射装置１００は、サイクロトロン型の加速器５０、ビーム輸送系５２、照射装置５４、治療台４０、および制御装置５６を備える。

粒子線照射装置１００では、外部粒子源３で発生させたイオンを加速器５０で加速してイオンビームとする。加速されたイオンビームは加速器５０から出射され、ビーム輸送系５２により照射装置５４まで輸送される。

ビーム輸送系５２によって輸送されたイオンビームは照射装置５４で患部形状に合致するように整形され、治療台４０に横になった患者４５の標的に対して所定量照射される。

これら加速器５０をはじめとした粒子線照射装置１００内の各装置、機器の動作は、制御装置５６によって制御される。

次に加速器５０の構造について図２および図３を用いて説明する。図２は本実施例の加速器の側面断面図で、図３は横断面図である。

図２および図３に示すように、サイクロトロン型の加速器５０は、主磁極１、円環状コイル２、真空容器６、高周波加速電極７、外部粒子源３、ビーム集束部４、内部放電容器５によって構成される。

主磁極１は、対向するように設置された一対の磁性体であり、例えば鉄などからなる。主磁極１には、ビームの周回軌道９を発生させるように向かい合う磁極間に凸磁極１０が設けられており、等時性磁場をその間に発生させる。凸磁極１０によって磁場Ｂ０を発生させるとともに、周回するイオンビームの集束力を増加させ、安定周回に寄与する。磁場Ｂ０が発生する磁極ギャップ間の対向する上下面は対称形状である。

真空容器６は主磁極１によって挟まれており、全体としてひとつの真空容器を形成するとともに磁気回路を構成する。真空容器６は非磁性体である。

円環状コイル２は真空容器６より大気側に設置されており、上下一対の主磁極１間に磁場を発生させる。円環状コイル２は常電導材料によるコイルでも超電導材料によるコイルでも同様に磁場を発生可能である。なお、円環状コイル２は真空容器６内に設置してもよく、特に規定されるものではない。

真空容器６の内部には、内部が中空となる高周波加速電極７が配置されており、高周波電源１６（図４参照）により外部から高周波を印加することが可能となっている。

また、図２に示すように、外部粒子源３とビーム集束部４の間にゲート弁２０が設置されている。これにより、外部粒子源３のメンテナンス時でも主磁極１を大気開放することなく外部粒子源３のメンテナンスが可能となっている。このため、加速器５０の立ち上げ時間が短縮できる。

外部粒子源３や内部放電容器５周辺の詳細については後述する。

ビーム集束部４は、図２では２個の磁場型の集束レンズを使用しているが、１個以上であればよく、２個以上であれば調整範囲が広がる。さらに電場型レンズや電場型レンズと磁場型レンズの併用でもかまわない。なお、外部粒子源３で引き出される一次イオンビーム８が収束性のよいビームであればビーム集束部４を設ける必要はない。

次に図４を用いて、外部粒子源３及び内部放電容器５の詳細を説明する。図４は図２の外部粒子源３及び内部放電容器５の詳細を示した図である。

図４に示すように、外部粒子源３は、主磁極１の外側に配置されている。この外部粒子源３は、イオン源３ａと高電圧が印加される引き出し電極２３とで構成される。

外部粒子源３は、一次イオンビーム８の発散を抑えることを目的として外部粒子源３から内部放電容器５までの距離を縮めるために、主磁極１の外周面に形成されているビーム集束部４が配置される外周面内側空間に設置することも可能である。

イオン源３ａは、消耗品が少なく寿命の長いマイクロ波イオン源から構成される。

なお、イオン源３ａとしてマイクロ波イオン源を用いる場合について説明したが、イオン源３ａはマイクロ波イオン源に限られない。例えば、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）イオン源や、直流型、高周波型のイオン源であっても、内部放電容器５でプラズマを発生させるために必要な一次イオンビーム８を生成できるものであれば用いることができる。

また、外部粒子源はイオン源３ａを有する必要は必ずしもなく、外部粒子源で生成して内部放電容器５に入射させる粒子は、内部放電容器５内にビームプラズマ１２を生成可能なものであればよい。

このため、外部粒子源３は、イオン源の替わりにレーザー発振器や中性子源とすることができる。これらを外部粒子源３として用いる場合は、入射させるレーザーや中性子ビームは主磁極１によって形成される磁場の影響を受けないため、装置構成を簡略化することが可能である。

また、一次イオンビーム８の通過するビームラインを磁場の影響を受けないように磁気シールドするのであれば、外部粒子源３には電子銃を用いることが可能である。

内部放電容器５は冷却構造となっており、ビームプラズマ１２の加熱による変形や損傷を減らす構造であることが望ましい。あるいは耐熱材料で構成し、冷却を省略することもできる。例えばモリブデンやカーボン、銅などの材質で構成されることが望ましい。

内部放電容器５には導入ライン１４が加速器５０の外部から接続されており、この導入ラインから試料ガスをその内部に導入し、入射された一次イオンビーム８のイオンとガス分子との衝突によりビームプラズマ１２を生成する。導入ライン１４は主磁極１の側面あるいは上面や下面から、主磁極１の外部に設置された流量調整器（図示省略）を介して内部放電容器５に接続する。

試料ガスは定常的に流すものとし、一次イオンビーム８を入射させた直後に導入を開始すると外部粒子源３側のビームラインの真空への影響が少なくなる。

または試料ガスをパルス状に導入し、一次イオンビーム８も同様にパルス出射することで、より一次イオンビーム８のビームラインへのガスの流入が無く、不要な空間でのビームプラズマ１２の点火を防止することができる。このとき一次イオンビームは定常ビームとしても一次イオンビーム８のビームラインへの試料ガスの流入は減らせるので同様の効果が得られる。ここで試料ガスと一次イオンビーム８のパルスは、高周波電源１６の周期と同期をとることが望ましい。

内部放電容器５の側面には引き出し用の孔５ａが設けられており、高周波加速電極７の高周波電場によってこの孔５ａから引き出しビーム１５が得られる。

なお、内部放電容器５の側面に設ける引き出しビーム１５を生成する構造は孔５ａに限られず、スリット等とすることができる。

内部放電容器５内に導入する試料ガスは、例えば水素ガスなどであるが、特に規定するものではない。

また、一次イオンビーム８の原料ガスと生成するビームプラズマ１２の原料となる試料ガスとはガス種が違う種類でもかまわないが、加速するイオン種以外は主磁極１や高周波加速電極７などに衝突して損傷を与えることから、同一のガス種とすることが望ましい。

本実施例では、図２や図４に示すように、主磁極１の外側に外部粒子源３が配置されている。この外部粒子源３から一次イオンビーム８を引き出している。

この引き出された一次イオンビーム８を内部放電容器５に入射させて導入ライン１４から導入した試料ガスと反応させることで内部放電容器５内にビームプラズマ１２（図４参照）を生成する。

この生成されたビームプラズマ１２から高周波電源１６によって内部放電容器５と高周波加速電極７との間に高周波を印加して発生する高周波電場により引き出しビーム１５を形成する。

引き出された引き出しビーム１５は、凸磁極１０により形成される磁場Ｂ０および高周波加速電極７の電場の作用によって螺旋状の周回軌道９を描きながら所定のエネルギーまで加速され、その後で周回軌道９から引き出されて主磁極１の外部へ出力される。

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の粒子線照射装置１００は、加速器５０と、加速器５０から出射されたイオンビームを照射する照射装置５４と、治療台４０と、これらの動作を制御する制御装置５６を備えている。このうち、加速器５０は、イオンビームの周回軌道を発生させるように対向して配置された一対の主磁極１と、イオンビームを加速する高周波加速電極７と、主磁極１内に配置された内部放電容器５と、主磁極１外に配置された外部粒子源３と、を有し、外部粒子源３から内部放電容器５へ入射させた粒子で内部放電容器５内にプラズマを生成し、プラズマからイオンビームを引き出すものである。

このような構成によって、主磁極１の内部にイオンを生成する内部放電容器５を備えた加速器５０において、内部放電容器５内にフィラメントがなくともプラズマを生成することができるため、内部イオン源型でありながら、特許文献１に記載のような従来の内部イオン源のように、フィラメントの損傷が無く、内部イオン源の寿命を大幅に長くできる加速器を提供することができる。

また、メンテナンスや交換などの際は一次イオンビーム８を発生させる外部粒子源３のメンテナンスだけでよく、主磁極１を大気解放することもなく、再立ち上げ時間が大幅に短縮できる。さらに外部粒子源３へのアクセスも容易であることからメンテナンス時間の短縮となり、装置の稼働率向上の効果も得られるものとなっている。

また、外部粒子源３はイオン源３ａであり、特にマイクロ波イオン源またはＥＣＲイオン源であるため、長寿命のイオン源とすることができ、交換頻度の低減などのメンテナンス性の更なる向上を図ることができる。

更に、外部粒子源３は、レーザー発振器、中性子源、電子銃の何れかであってもよく、構成の簡易化等の効果が得られる。

また、イオンビームは陽子線であることにより、外部粒子源とする本発明の効果をより多く享受することができる。

＜その他＞
なお、本発明は上記した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。例えば、上記した実施例は本発明をわ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。

例えば、加速器５０は、上述のような凹凸の磁極を有するサイクロトロン型の加速器の替わりに、加速周波数を変調するシンクロサイクロトロン型の加速器を用いることができる。

シンクロサイクロトロン型の加速器とは、サイクロトロンを改良した加速器の一種であり、大型磁極間で円運動する荷電粒子に高周波電場を加えて繰返し加速する。また、シンクロサイクロトロン型の加速器では、高速では加速された粒子の質量が相対論的効果によって増加し、磁場内の荷電粒子の円運動の周期は質量に比例して増加する。これによって起こる高周波電圧との周期のずれを、周波数を変調することによって取り除いている。

シンクロサイクロトロン型の加速器も構成がサイクロトロン型の加速器と同様の構成であることから、内部放電容器５を主磁極１内に配置することができ、同様の効果が得られる。

１…主磁極
２…円環状コイル
３…外部粒子源
３ａ…イオン源
４…ビーム集束部
５…内部放電容器（内部イオン源）
６…真空容器
７…高周波加速電極
８…一次イオンビーム
９…周回軌道
１０…凸磁極
１２…ビームプラズマ
１４…導入ライン
１５…引き出しビーム
１６…高周波電源
２３…引き出し電極
４０…治療台
４５…患者
５０…加速器（円形加速器）
５２…ビーム輸送系
５４…照射装置
５６…制御装置
１００…粒子線照射装置

Claims (6)

1. イオンビームを加速する円形加速器であって、
   前記イオンビームの周回軌道を発生させるように対向して設置された一対の磁極と、
   前記イオンビームを加速する高周波加速電極と、
   前記磁極内に配置された内部イオン源と、
   前記磁極外に配置された外部粒子源と、を有し、
   前記外部粒子源から前記内部イオン源へ入射させた粒子で前記内部イオン源内にプラズマを生成し、前記プラズマから前記イオンビームを引き出す
   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、
   前記外部粒子源は、イオン源である
   ことを特徴とする円形加速器。
3. 請求項２に記載の円形加速器において、
   前記イオン源は、マイクロ波イオン源またはＥＣＲイオン源である
   ことを特徴とする円形加速器。
4. 請求項１に記載の円形加速器において、
   前記外部粒子源は、レーザー発振器、中性子源、電子銃の何れかである
   ことを特徴とする円形加速器。
5. 請求項１に記載の円形加速器において、
   前記イオンビームは陽子線である
   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と、
   照射装置と、
   治療台と、
   前記円形加速器、前記照射装置、および前記治療台の動作を制御する制御装置と、を有する
   ことを特徴とする粒子線照射装置。

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