JP2020035728A - 粒子線加速器および粒子線治療システム - Google Patents

Abstract

【課題】ディグレーダを用いないエネルギー可変の小型粒子線加速器およびその粒子線加速器を備えた粒子線治療システムを提供する。【解決手段】静磁場を生成する主磁場磁石１と、周波数が変調可能で、ビームを加速するための高周波電場を印加する高周波加速空洞１０３７と、高周波加速空洞１０３７とは異なる周波数の高周波電場を印加する高周波キッカ４０と、を備え、主磁場磁石１のうち、上部磁極８，下部磁極９の中間平面２に対向する面には、ビーム周回方向に沿って凹部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄと凸部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄとが交互に配置されており、高周波キッカ４０は、前記凹部２１ａに挟まれた空間に配置されている。【選択図】 図４

Description

本発明は、粒子線加速器および粒子線治療システムに関する。

磁場フラッターを使用したシンクロサイクロトロン粒子加速器の一例として、特許文献１には、空洞内で高周波電圧を掃引して粒子をプラズマ柱である粒子源から加速するための電圧源と、粒子を空洞内で軌道上を移動させる磁石と、再生器と、再生器から空間を隔てて空洞内で配置され、磁石で形成される磁場バンプを解消する強磁性装置で加速器を構成することが記載されている。

特開２０１６−２１３１９８号公報

近年、粒子線治療に用いられる粒子線治療システムの小型化が進行している。特許文献１には、粒子線治療システムに用いられる、シンクロサイクロトロンと呼ばれる粒子線加速器の構成について開示されている。

一般に、シンクロサイクロトロンと呼ばれる粒子線加速器は、イオン源を含む入射装置、ビームを安定に周回させるための主磁場を生成する主磁場磁石、高周波電場を印加してビームを周方向に加速する加速空洞、意図的にビームを平衡軌道から変位させる磁場をビームに作用させる勾配磁石、ならびに平衡軌道から変位させられたビームを加速器外に取り出し下流のビーム輸送系へと誘導する出射チャネルを備えている。

シンクロサイクロトロンからビームが取り出される機序は以下のようになる。

まず、イオン源から入射されたビームが主磁場を感じて周回運動する。周回運動するビームが加速空洞のギャップを通過するタイミングに合うように加速用高周波電場の位相を調整することで、ビームは所定のエネルギーまで加速されていく。シンクロサイクロトロンでは、ビームが周回する振動数がエネルギーにより異なるので、加速用高周波電場の周波数もそれに合わせて変調する必要がある。

所定のエネルギーに到達したビームには、四極磁場や六極磁場を含む勾配磁場を作用させる。シンクロサイクロトロンでは、ビーム周回面内のベータトロン振動数、すなわち水平チューンが１付近（典型的には０．９５以上１未満）に設計されるため、勾配磁場を感じたビームの水平方向ベータトロン振動の振幅が増大し、ビームは平衡軌道から大きく変位して出射チャネルに到達する。

出射チャネルは、セプタムと呼ばれる磁石で主磁場と逆向きの磁場をビームに作用させてビームの曲率半径を拡大させ、ビーム軌道を平衡軌道から完全に離脱させる。

平衡軌道から離脱したビームは加速器外に飛び出し、輸送系を経て照射装置へと導かれる。こうして取り出されるビームのエネルギーは固定されているため、照射装置までの何れかの段階でビームをディグレーダと呼ばれる散乱体を通過させて、ビームエネルギーを減少させることでエネルギーが調整される。

しかしながら、ディグレーダによるビームエネルギーの調整は、ビーム電流の低下が避けられない、との課題がある。ビーム電流の低下は、一回当たりのビーム照射による線量率の低下をもたらす。

従って、ビーム電流を低下させずにエネルギー調整ができれば、シンクロサイクロトロンを用いた粒子線治療のスループットが向上する、といえる。

本発明の目的は、ディグレーダを用いないエネルギー可変の小型粒子線加速器およびその粒子線加速器を備えた粒子線治療システム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、静磁場を生成する主磁場磁石と、周波数が変調可能で、ビームを加速するための高周波電場を印加する第１高周波電場印加装置と、前記第１高周波電場印加装置とは異なる周波数の高周波電場を印加する第２高周波電場印加装置と、を備え、前記主磁場磁石は、リターンヨークおよび前記リターンヨークに固定された一対の磁極を有し、前記一対の磁極は、前記一対の磁極に挟まれた空間にある中間平面に対して面対称な位置に配置され、前記磁極の前記中間平面に対向する面には、ビーム周回方向に沿って凹部と凸部とが交互に配置されており、前記第２高周波電場印加装置は、前記凹部に挟まれた空間に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、ディグレーダを用いないエネルギー可変の小型粒子線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、および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１における粒子線治療システムの構成図である。 実施例１における粒子線治療システムの加速器内に配置された主磁場磁石の斜視図である。 実施例１における主磁場磁石を垂直平面による断面図である。 実施例１における主磁場磁石を中間平面からみた平面図である。 実施例１における高周波キッカの中間平面による断面図である。 実施例１における高周波キッカの垂直平面による断面図である。 実施例１における主磁場磁石の凸部の一つを拡大した平面図である。 実施例１における主磁場磁石の凸部の一つを拡大した平面図である。 実施例１における主磁場磁石の凸部の一つを拡大した平面図である。 本発明の実施例２における主磁場磁石を中間平面から見た平面図である。 実施例２における主磁場磁石の凸部の一つを拡大した平面図である。 実施例２における主磁場磁石の凸部の一つを拡大した平面図である。 実施例２における主磁場磁石の凸部の一つを拡大した平面図である。 実施例２における主磁場磁石の凸部の一つを拡大した平面図である。 実施例２における高周波キッカの中間平面による断面図である。

最初に、シンクロサイクロトロン型の粒子線加速器において、ディグレーダを用いずに可変エネルギーを実現するために解決すべき主な３つの課題について説明する。

第１の課題は、低エネルギーから高エネルギーまでのビームの出射チャネルを共通化することである。

数種類のエネルギーを取り出すだけならば、複数の出射チャネルを設置することで対応できると考えられる。しかしながら、陽子線治療を例に挙げると、およそ７０ＭｅＶから２３０ＭｅＶの範囲で連続的にエネルギーを変化させることが望まれる。このため、取り出すビームを連続的にエネルギー可変とする場合には、エネルギーごとに出射チャネルを設置するよりも、出射チャネルを共通化することが望まれる。

第２の課題は、セプタムに要求される磁場を低減することである。

シンクロサイクロトロンの主磁場は時間的に一定であるから、低エネルギービームほど曲率半径が小さいことになる。従って、加速器の外に取り出すために必要となるセプタムの磁場の大きさも、低エネルギーになるほど大きくなる。低エネルギービームを取り出すためにセプタムが生成すべき磁場を低減する最も単純な方法は主磁場を低下させることであるが、これは加速器サイズの増大を意味する。このため、小型であるというシンクロサイクロトロンの長所が失われてしまう。従って、加速器サイズの増大をもたらさずに、セプタムに要求される磁場を低減する必要がある。

第３の課題は、取り出すビームに選択的に勾配磁場を作用させることである。

通常のシンクロサイクロトロンでは、最大エネルギーのビームのみを取り出すため、最大エネルギーのビーム軌道の近傍に、磁性体で静的な勾配磁場を生成させておくことがしばしば行われる。

しかし、低エネルギービームにも勾配磁場を作用させて取り出すためには、低エネルギービームの近傍にも静的な勾配磁場を生成する必要があるが、これを実現することは困難である。これは、低エネルギービームの近傍に低エネルギービームを取り出すための静的な多極磁場を生成しておくと、ビームがそのエネルギーに達したときに静的な勾配磁場の影響を受けて取り出されるためである。すなわち、ビームをより大きいエネルギーまで加速することができなくなってしまうことになる。

従って、低エネルギーから高エネルギーの任意のエネルギーのビーム、例えば陽子線治療システムの場合には、７０ＭｅＶから２３０ＭｅＶのエネルギーのビームに対して、取り出す必要に応じて選択的に勾配磁場を作用させる構造・方法が必要である。

以下、上述したようなディグレーダを用いずに、これら３つの課題を解決した本発明のエネルギー可変の小型粒子線加速器、およびそれを備えた粒子線治療装置の実施例について図面を用いて説明する。

＜実施例１＞
図１は本実施例１における粒子線治療システムの構成図である。図２は加速器内に配置された主磁場磁石の斜視図である。図３は主磁場磁石の垂直平面による断面図である。図４は主磁場磁石を中間平面から見た平面図、図５は高周波キッカの中間平面による断面図、図６は高周波キッカの垂直平面による断面図、図７乃至図９は主磁場磁石の凸部の一つを拡大した平面図である。

まず、図１を用いて粒子線治療システムの全体構成を説明する。

図１において、粒子線治療システム１００１は、建屋（図示省略）の床面に設置される。この粒子線治療システム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、このイオン源１００３が接続される加速器１００４を有している。加速器１００４の詳細は後述する。

ビーム輸送系１０１３は、照射装置１００７に達するビーム経路１０４８を有しており、このビーム経路１０４８に、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ることで構成されている。

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に接続されている。

回転ガントリー１００６は、回転軸１０４５を中心に回転可能に構成されており、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。これら走査電磁石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）内に配置されている。

ビーム位置モニタ１０５３および線量モニタ１０５４は、走査電磁石１０５１，１０５２の下流に配置される。走査電磁石１０５１および走査電磁石１０５２は、それぞれイオンビームを偏向し、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互いに直交する方向に走査する。ビーム位置モニタ１０５３は照射されるビームの通過位置を計測する。線量モニタ１０５４は照射されるビームの線量を計測する。

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。

照射装置１００７の下流側には、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、中央制御装置１０６６内のＣＰＵ１０６７に接続されている。

粒子線治療システム１００１は更に治療計画装置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。粒子線治療システム１００１では、粒子線の照射エネルギーや照射角度などが粒子線の照射に先立って治療計画装置１０７３で治療計画として作成されており、この治療計画に基づいて照射が実行される。

中央制御装置１０６６のＣＰＵ１０６７は、データベース１０７２に保存されている治療計画から粒子線治療システム１００１を構成する各機器の照射に関係する各種の動作制御プログラムを読み込み、読み込んだプログラムを実行して、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を介して指令を出力することで、粒子線治療システム１００１内の各機器の動作を制御する。

なお、実行される動作の制御処理は、１つのプログラムにまとめられていても、それぞれが複数のプログラムに分かれていても良く、更にはそれらの組み合わせでも良い。

また、プログラムの一部またはすべては専用ハードウェアで実現しても良く、モジュール化されていても良い。更には、各種プログラムは、プログラム配布サーバや外部記憶メディアによって各計算機にインストールされていても良い。

また、各制御装置は、各々が独立した装置で有線あるいは無線のネットワークで接続されたものであっても、２つ以上が一体化していてもよい。

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空洞１０３７に導波管１０１０を通じて電力を入力し、高周波加速空洞１０３７に接続された電極と接地電極との間にビームを加速する高周波電場を励起させる。

本実施例の加速器１００４では、高周波加速空洞１０３７の共振周波数をビームのエネルギーに対応して変調させる必要がある。周波数を変調させるためには、インダクタンスか静電容量を調整すればよい。

インダクタンスや静電容量の調整方法は公知の方法を用いることができる。例えば、静電容量を調整する場合であれば、高周波加速空洞１０３７に可変容量キャパシタを接続して制御する。

次いで、加速器１００４を構成する主磁場磁石１の詳細について図２以降を用いて説明する。

主磁場磁石１は、静磁場を生成する磁石であり、主な構成として、図２に示すように鉛直方向から見て略円盤状の形状をなす上リターンヨーク４と下リターンヨーク５とを有している。

上リターンヨーク４と下リターンヨーク５とは、中間平面２に対してほぼ上下対称な形状を有している。この中間平面２は、おおむね主磁場磁石１の鉛直方向中心を通り、加速中のビームが描く軌道面にほぼ一致する。また上リターンヨーク４と下リターンヨーク５は、中間平面２に垂直かつおおむね主磁場磁石１の中間平面２に対する中心を通過する平面である垂直平面３に対して面対称な形状をしている。

なお、図２では、中間平面２の主磁場磁石１に対する交差部分を一点鎖線、垂直平面３の主磁場磁石１に対する交差部分を破線で示している。

上リターンヨーク４にはイオン源１００３が配置されている。

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が中間平面２に対して面対称に配置されている。

なお、実施例１では、外部イオン源を想定して主磁場磁石１の外側にイオン源１００３を設置し、これに対応して貫通孔２４を設けているが、イオン源１００３は主磁場磁石１の内部に設置してもよい。

コイル６は超電導コイルであり、クライオスタット（図示省略）の内部に設置されており、液体ヘリウムなどの冷媒、または冷凍機（図示省略）からの伝熱によって冷却される。このコイル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が配置されている。また、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が配置されている。これら上部磁極８と下部磁極９とは中間平面２に対して面対称に配置されている。

これら上リターンヨーク４や下リターンヨーク５、上部磁極８、下部磁極９は、例えば、不純物濃度を低減させた純鉄や、低炭素鋼等によって構成する。真空容器７は、ステンレスなどによって構成する。コイル６は、ニオブチタン等の超電導体を用いた超電導線材で構成する。

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。

出射チャネル１０１９はセプタムと呼ばれる電磁石を備えており、貫通孔１５から図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。

図４は、対向面１０を中間平面２からみた平面図である。主磁場磁石１は中間平面２に対して面対称な構造であるため、以下では、図３および図４を用いて、主磁場磁石１の詳細構造について説明する。

上部磁極８および下部磁極９の中間平面２に対向する面には、ぞれぞれ、凹部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ、凸部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄが形成されており、図４に示すように、これら凹部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄと凸部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄはビーム軌道２３の周回方向に沿って交互に配置されている。

これら凹部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄおよび凸部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄとは、上部磁極８や下部磁極９と一体で形成されたものとしてもよいし、別部材として製作した後で上部磁極８や下部磁極９の表面に組立の際に溶接やボルト締めなどの公知の方法で係合してもよい。材料については上部磁極８や下部磁極９と同じとすることが望ましい。

また、図４に示すように、出射チャネル１０１９が近傍に配置されている凹部２１ａには、勾配磁場磁石３１（ピーラー）、勾配磁場磁石３２（リジェネレータ）、および高周波キッカ４０が設置されている。

勾配磁場磁石３１，３２はビームの軌道を変位させるための勾配磁場を生成するコイルである。このうち、勾配磁場磁石３１は、発生させる勾配磁場の磁場分布が、加速器１００４の径方向外側に向かって磁場強度が減少する勾配磁場を生成するコイルであることが望ましい。また、勾配磁場磁石３２は、発生させる勾配磁場の磁場分布は、径方向外側に向かって磁場強度が増大する勾配磁場を生成するコイルであることが望ましい。

なお、勾配磁場磁石３１，３２は、コイルの替わりに、凹部２１ａと一体で形成された構造物で代用することができる。このような構造物としては、例えば、別部材として製作した後で凹部２１ａに溶接やボルト止めなどの公知の方法で係合したものが挙げられる。より具体的には、凹部２１ａの表面に磁性体をさらに付加する、あるいは凹部２１ａの表面形状を加工することができる。

また、実施例１では、勾配磁場磁石３１は凹部２１ａのうち凸部２２ｄの近くに、勾配磁場磁石３２は凹部２１ａのうち凸部２２ａの近くに配置されている場合について記載しているが、この位置は逆の場合もありえる。

また、磁極外周面より外側でヨーク内周面にいたるまでの領域における磁場は、径方向外側に向かって減少しているため、径方向外側に向かって磁場強度が減少する勾配磁場を生成する勾配磁場磁石３１は省略できることもある。

また、これらの勾配磁場磁石３１，３２が生成する勾配磁場は、少なくとも４極磁場成分が含まれ、４極以上の多極磁場、あるいは２極磁場が含まれていることが望ましい。

貫通孔１８は、ビーム輸送系１０１３を設置するための貫通孔である。この貫通孔１９は、主磁場磁石の対称性を高めて主磁場磁石が生成する磁場を高精度化するために、垂直平面３に対して貫通孔１８と面対称になるように設けられている。

図５に、高周波キッカ４０の中間平面２による断面図を示す。また、図６に、高周波キッカ４０の垂直平面３による断面図を示す。

図２や図５、図６に示す高周波キッカ４０は、高周波加速空洞１０３７とは異なる周波数の高周波電場を印加する装置であり、図４に示すように勾配磁場磁石３１や勾配磁場磁石３２と同様に凹部２１ａに挟まれた空間に配置されている。

これら勾配磁場磁石３１や勾配磁場磁石３２、高周波キッカ４０が備えられた凹部２１ａの磁極外周領域に、所定エネルギーに加速されたビームを加速器１００４の外に取り出すための出射チャネル１０１９が設けられている。

図５や図６に示すように、高周波キッカ４０は、接地電極４１と高圧電極４２とから構成され、内周側に接地電極４１、外周側に高圧電極４２が対向して設置されている。また、接地電極４１と高圧電極４２とは、図２や図６に示すように、中間平面内でビーム軌道と直交する方向に高周波電場が作用するように、ビーム軌道のカーブにおおよそ平行な形状に設計されている。

図５や図６に示すように、接地電極４１には金属製の突起部４３を取り付け、接地電極４１と高圧電極４２との間に生じる高周波電場の集中を高めることができる。

高圧電極４２は高周波電圧が印加されるため、図６に示すように、絶縁支持体４５を介して接地電極４１に支持される。接地電極４１は、非磁性支持体４４を介して上部磁極８や下部磁極９に支持される。

接地電極４１、および高圧電極４２とは、ともにビームが通過する中間平面２を中心にして上下に分割されている。本実施例の高周波キッカ４０は、図６に示すように端面が開いた形状であるが、ビーム通過孔を除いて端面を接地電極で閉塞し、共振器構造とすることもできる。

磁極構造の効果を説明するために、主磁場磁石１の設計手順について図７乃至図９を用いて説明する。

まず、主磁場磁石１の大きさを決めるために、磁場強度と最高エネルギーにおけるビーム軌道の半径を定める必要がある。主磁場磁石１が生成する磁場が大きいほど、ビーム軌道の広がりが小さくなり、加速器１００４、ひいては粒子線治療システム１００１を小型化することができる。

本実施例では、入射地点での磁場を５［Ｔ］、最高エネルギーのビーム半径を１［ｍ］とすることにした。なお、本実施例では、加速するビームの入射点と最大ビームエネルギー軌道の中心Ｏ１との位置を一致させておく。

次に、ビームが安定に周回する理想磁場分布を求めなければならない。そのため、本実施例では、ビームを安定周回させるために、弱収束の原理に基づいて磁場を設計した。

弱収束の原理を用いた加速器では、一般に、下記式（１）で示すようなｎインデックスと呼ばれる量

を０より大きく０．２以下になるように磁場分布が設計される。ここで、Ｂは中間平面２における磁場、ρはビーム軌道の曲率半径であり、磁場勾配∂Ｂ／∂ｒは、中間平面２の上で、ビーム進行方向と垂直でビームエネルギーが大きくなる方向に対する磁場の微分を示している。

上述のように、本実施例では、磁場強度を５［Ｔ］、最高エネルギーのビーム半径（最大軌道半径）を１［ｍ］としたので、∂Ｂ／∂ｒは−１［Ｔ／ｍ］以上で０より小さくすべきとなった。ここでは、∂Ｂ／∂ｒは−０．５［Ｔ／ｍ］とすることにする。すると、最高エネルギーのビーム半径は１［ｍ］だから、この軌道上における磁場は４．５［Ｔ］となる。

一般に、弱収束の原理によってビームを収束させる円形加速器では、軸対称な磁場分布を生成するために、磁極形状も軸対称とすることが多い。そうすると、磁場Ｂはビーム周回方向に沿って一定値となる。しかし、弱収束の原理は、必ずしもＢがビーム周回方向に一定であることを要請せず、Ｂがビーム周回方向に対する平均磁場である場合でも成立する。すなわち、ビーム周回方向に磁場の強弱が分布していてよい。

そこで、本実施例では、４つの凹部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄと４つの凸部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄとによってビーム周回方向に磁場の強弱が分布するように、かつビーム周回方向の磁場平均がビームエネルギーの増大に従って式（１）に従って減少するように設計した。

また、上下の凸部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄで挟まれた領域では、上部磁極８および下部磁極９との間の距離が短くなることから、上下の凹部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄで挟まれた領域よりも磁場が大きくなる。

そこで、図７に示すように、ビームエネルギーが増大して磁極外周面２５に近づくに従って、ビーム周回軌道の中心Ｏ１から見たときの凸部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの角度幅θ_１，θ_２，・・・，θ_ｎが狭まっていく（θ_１＞θ_２＞θ_３＞・・・＞θ_ｎ）ようにした。なお、図７では、代表して凸部２２ｃのみを示す。図８や図９も同様である。

このように凸部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの角度幅θ_１，θ_２，θ_３，…，θ_ｎを狭めていくことは、本実施例においては、ビーム周回軌道の中心Ｏ１からみたときの凹部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの角度幅はビームエネルギーの増大に従って広がっていくことを意味する。

第一近似としては、凹部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄに挟まれた領域と凸部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄに挟まれた領域の磁場は、それぞれ一定値と考え、式（１）で定まる平均磁場の減少に合わせて、凸部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの角度幅が減少していくように調整すればよい。

すなわち、凹部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄに挟まれた領域における磁場をＢ_ｖ、凸部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄで挟まれた領域における磁場をＢ_ｈとすると、下記式（２）

の関係からθを決めればよい。ここでθの単位はラジアンであり、Ｂ_ｖ＜Ｂ（ｒ）＜Ｂ_ｈである。

このように設計した凸部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄでは、図８に示すように、加速されるビームが１つの凸部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを通過する距離Ｌ_１，Ｌ_２，…，Ｌ_ｎが、ビームエネルギーの増大に伴って増加（Ｌ_ｘ＞Ｌ_２＞Ｌ_１）した後に減少に転ずる（Ｌ_ｘ＞Ｌ_ｎ）関係となる。

さらには、凸部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄでは、図９に示すように、凸部２２ｃと凹部２１ｄとの境界の接線と、その反対側の凸部２２ｃと凹部２１ｃとの境界の接線との間の角度がビームエネルギーの増大に従って小さくなる（θ’_１＞θ’_２）。その後、２本の接線が平行になり、その後、角度が大きくなる関係となっている。

このようにして得られる磁場は、最高エネルギーのビームに対する平均磁場は、磁極を軸対称形状にした場合と同じ値の４．５［Ｔ］とできるから、加速器のサイズは同等である。一方、軸対称の磁極形状では、最高エネルギーのビームに対する磁場は一様に４．５［Ｔ］であるが、本実施例では凹部では４．５［Ｔ］未満、凸部では４．５［Ｔ］を超える磁場となっている。

そこで、所定のエネルギーに加速されたビームを加速器１００４の外に取り出す出射チャネル１０１９の入り口を凹部２１ａの磁極外周面２５近傍に設置することで、出射チャネル１０１９がビーム取り出しのために生成すべき磁場を軸対称の磁極形状よりも小さくすることができ、ビーム取り出しを容易にすることができる。

次に、高周波キッカ４０、勾配磁場磁石３１、勾配磁場磁石３２の効果を説明する。

通常と同じ構造のシンクロサイクロトロンでは、最大エネルギーまで加速されたビームが勾配磁場磁石３１と勾配磁場磁石３２が生成する勾配磁場を感じることで、ビームの水平方向運動に共鳴現象が生じて平衡軌道からの変位が増大し、出射チャネル１０１９に到達したビームが加速器外に取り出される。

このとき、最大エネルギーよりも低いエネルギーのビームが勾配磁場磁石３１や勾配磁場磁石３２が形成する勾配磁場を感じて周回運動が不安定化することを避けなければならない。

そのため、勾配磁場磁石３１と勾配磁場磁石３２が生成する勾配磁場の影響が最大エネルギーのビーム軌道の内側では十分小さくなるように、勾配磁場磁石３１と勾配磁場磁石３２よりも径方向内側に補正用の磁性体やコイルを設置することが望ましい（図示省略）。

更に、低エネルギービームを取り出すためには、取り出しエネルギーに近づいた低エネルギービームについては水平方向に不安定化させること、より加速が必要な低エネルギービームについては安定周回させながら所定の取り出し高エネルギーまで加速すること、との２つを両立させる必要がある。

そのために、低エネルギービームを取り出す場合には、そのタイミングのみ勾配磁場磁石３１，３２が生成する勾配磁場を作用させるといった、勾配磁場を選択的に作用させる機構が必要となる。そのための機構が高周波キッカ４０である。この高周波キッカ４０の役割は、この取り出し対象のビームに選択的に勾配磁場磁石３１，３２の磁場を感じさせることである。

すなわち、イオン源から入射されて加速されるビームは、徐々にその平均軌道半径を拡大していき、ついには高周波キッカ４０の内部を通過するようになる。

所望の取り出し対象のエネルギーにビームが到達した段階で、高周波電源１０３６をオフにして高周波加速空洞１０３７に接続された電極と接地電極との間に励起させていた高周波電場を遮断し、高周波キッカ４０をオンにする。

高周波キッカ４０に到達したビームが加速器を周回する周波数をｆ_ｒｅｖ、同ビームの水平方向ベータトロン振動数の小数部をδνとするとき、高周波キッカ４０の周波数をｆ_ｒｅｖ×δνと略同一に設定して高周波キッカ４０の高周波電場を印加する。

これにより、ビーム軌道は高周波キッカ４０の内部を通過するたびに径方向外側向きの力を受け、徐々にビーム軌道は径方向外側にずらされていき、ついには勾配磁場磁石３１，３２が生成する勾配磁場を感じる位置に到達する。

勾配磁場磁石３１，３２の勾配磁場を感じ始めたビームは、水平方向ベータトロン運動の振幅が発散し始め、ついには出射チャネル１０１９に到達し、加速器外に取り出されることになる。

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の粒子線治療システム１００１のうち加速器１００４は、静磁場を生成する主磁場磁石１と、周波数が変調可能で、ビームを加速するための高周波電場を印加する高周波加速空洞１０３７と、高周波加速空洞１０３７とは異なる周波数の高周波電場を印加する高周波キッカ４０と、を備え、主磁場磁石１は、上リターンヨーク４に固定された上部磁極８と下リターンヨーク５に固定された下部磁極９との一対の磁極を有し、上部磁極８、下部磁極９は、上部磁極８、下部磁極９に挟まれた空間にある中間平面２に対して面対称な位置に配置され、上部磁極８、下部磁極９の中間平面２に対向する面には、ビーム周回方向に沿って凹部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄと凸部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄとが交互に配置されており、高周波キッカ４０は、凹部２１ａに挟まれた空間に配置されている。

このような凹部２１ａに挟まれた空間に配置されている高周波キッカ４０によって、周波数変調が可能な高周波加速空洞１０３７を備えた加速器において、１つだけ配置された出射チャネル１０１９に高性能化・大型化等の対策を施したセプタム電磁石を配置することなく、所定エネルギーのビームを取り出すことができる。従って、複数の出射チャネルを用いることなく、またディグレーダを用いることなく、取り出しビームのエネルギーを連続的に可変とした小型の粒子線の加速器１００４を提供することができる。

このような構成の加速器１００４は、高い照射線量率を実現して患者の治療スループットを向上させることが期待される粒子線治療システムに好適なものである。

また、高周波キッカ４０が備えられた凹部２１ａに挟まれた空間に、ビームの軌道を変位させるための勾配磁場を生成する勾配磁場磁石３１，３２が配置されているため、高周波キッカ４０で変位させた低エネルギービームが確実に勾配磁場を感じる配置関係とすることができる。これにより、水平方向のベータトロン振動振幅を拡大させて、より効率的に出射チャネル１０１９に到達させることができ、加速器外に取り出すことが可能となる。

更に、高周波キッカ４０が備えられた凹部２１ａの磁極外周領域に、所定エネルギーに加速されたビームを加速器１００４の外に取り出すための出射チャネル１０１９が設けられていることで、高周波キッカ４０で変位させられて水平方向のベータトロン振動振幅が拡大したビームをより容易に出射チャネル１０１９に到達させることができる。

また、凸部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、ビーム周回軌道の中心から見たときの凸部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの角度幅θがビームエネルギーの増大に従って狭まっていくことにより、主磁場を増大させた場合でも、加速器を大型化することなくビームを安定して加速することができる。また、加速されたビームの取り出し口となる出射チャネル１０１９の入口が配置される磁極の外周領域の磁場強度を弱めることができる。このため、セプタムの高性能化・大型化等の困難な方法を用いることなく、ビーム取り出しが容易な主磁場磁石を備えた小型の加速器を提供することができる。

更に、ビームが所望のエネルギーまで加速されると、高周波加速空洞１０３７による高周波電場を遮断し、高周波キッカ４０による高周波電場の印加を開始することで、取り出すビームのエネルギーを高精度に選択することができる。

また、勾配磁場磁石３２によって発生させる多極磁場の成分は、径方向外周側に向かって磁場強度が増大する磁場勾配を有していることや、勾配磁場磁石３１によって発生させる多極磁場の成分は、径方向外周側に向かって磁場強度が減少する磁場勾配も有していることで、取り出したい特定エネルギーとなったビームに対して周回軌道面内のベータトロン振動を不安定化させることができるため、任意エネルギーのビームをより容易に取り出すことができる、との効果が得られる。

＜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システムについて、図１０乃至図１５を用いて説明する。実施例１と同じ構成には同一の符号を示し、説明は省略する。

図１０は、実施例２における主磁場磁石を中間平面からみた平面図である。図１１乃至図１４は、主磁場磁石の凸部の一つを拡大した平面図である。図１５は、高周波キッカの中間平面による断面図である。

実施例２の粒子線加速器と、上述した実施例１の粒子線加速器とでは、主磁場磁石内の上部磁極および下部磁極の対向面の形状が異なっている。以下、図１０以降を用いて説明する。

粒子線加速器では、ビームの運動エネルギーをＫ、静止エネルギーをＥ_０、光速をｃ、荷電粒子の電荷数をｑとおくと、下記式（３）

の関係が成り立つ。

上記の式（３）と実施例１において説明した式（２）とを組み合わせると、θは径方向距離ｒの関数から運動エネルギーＫの関数に見直すことができる。

特に、ビーム軌道の中心が磁極の中心と一致している場合はｒ＝ρとなるが、実施例２では、ビーム軌道の中心が磁極の中心と一致しておらず、加速するビームの入射点Ｏ２と最大ビームエネルギー軌道の中心Ｏ４、および加速器のビームの周回軌道の中心Ｏ３，Ｏ５，Ｏ６との位置が異なる場合を示している。

図１０は、実施例２における対向面１０を中間平面２からみた平面図である。実施例１と同様の構造物等については、同じ番号を流用して指し示している。

図１０において、ビーム入射点はＯ２であり、最高エネルギーのビーム軌道１２６の軌道中心はＯ４であり、その中間のエネルギーのビーム軌道１２７の軌道中心はＯ３、中間より加速したエネルギーのビーム軌道の中心はＯ５，Ｏ６である。

実施例２では、入射点から最大エネルギーのビーム軌道までの幅１２８を０．１［ｍ］とすることにした。すると、実施例１と同様に∂Ｂ／∂ｒを−１．０［Ｔ／ｍ］とすると、最高エネルギーに対する磁場は４．９［Ｔ］ということになる。

この実施例２においても、図１１に示すように、ビーム周回軌道の中心Ｏ３，Ｏ５，Ｏ６，Ｏ４から見た時の凸部１２２ｃの角度幅θ_１Ａ，θ_２Ａ，θ_３Ａ，・・・，θ_ｎＡは、式（２）および式（３）に従って、ビームエネルギーの増大に従って狭まっている（θ_１Ａ＞θ_２Ａ＞θ_３Ａ＞…＞θ_ｎＡ）。

同様に、図１２に示すように、ビーム周回軌道の中心Ｏ３，Ｏ５，Ｏ４から見た時の凸部１２２ｄの角度幅θ_１Ｂ，θ_２Ｂ，…，θ_ｎＢは、式（２）および式（３）に従って、ビームエネルギーの増大に従って狭まっている（θ_１Ｂ＞θ_２Ｂ＞…＞θ_ｎＢ）。

このように設計した凸部１２２ｃでは、図１３に示すように、加速されるビームが一つの凸部１２２ｃを通過する距離Ｌ_１Ａ，Ｌ_２Ａ，…，Ｌ_ｎＡが、ビームエネルギーの増大に伴って増加（Ｌ_２Ａ＞Ｌ_１Ａ）した後に減少に転ずる（Ｌ_２Ａ＞Ｌ_ｘＡ＞Ｌ_ｎＡ）関係となる。

さらには、図１４に示すように、凸部１２２ｃでは、凸部１２２ｃと凹部１２１ｄの境界線の接線と、その反対側の凸部１２２ｃと凹部１２１ｃの境界線の接線との間の角度がビームエネルギーの増大に従って小さくなり、その後、２本の接線が平行になる。その後、角度が大きくなっていく（θ’_３Ａ＞…＞θ’_ｎＡ）関係となっている。

図示は省略しているが、凸部１２２ｃと垂直平面３に対して対称な形状の凸部１２２ｂについても、凸部１２２ｃと同様である。また、凸部１２２ｄと垂直平面３に対して対称な形状の凸部１２２ａについても、凸部１２２ｄと同様である。

このようにして得られる磁場は、ビーム周回方向に沿った平均磁場は、磁極を軸対称形状にした場合の４．９［Ｔ］と同じ値にできるから、加速器のサイズは軸対称形状の場合と同等である。

一方、軸対称の磁極形状では、最高エネルギーのビームに対する磁場はビーム周回方向に沿って４．９［Ｔ］と一定であるが、実施例２では凹部１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄでは４．９［Ｔ］未満、凸部１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ，１２２ｄでは４．９［Ｔ］を超える磁場となっている。

そこで、実施例２においても、所定エネルギーに加速されたビームを加速器１００４の外に取り出す出射チャネル１０１９の入り口を凹部１２１ａの磁極外周面１２５の近傍に設置する。これにより、出射チャネル１０１９がビーム取り出しのために生成すべき磁場を、軸対称形状の磁極形状よりも小さくすることができ、ビーム取り出しを容易にすることができる。

また、最高エネルギーの軌道中心Ｏ４と入射点Ｏ２が一致せず、入射点Ｏ２が出射チャネル１０１９のビーム入口方向へとずれている。このようにビーム軌道の中心をずらすと、凹部１２１ａ側では低エネルギーのビーム軌道を出射チャネル１０１９の入り口に近づくため、出射チャネル１０１９側にビーム周回軌道が密になる領域が形成される。

そのため、図１５に示したように、高周波キッカ４０を通過するビーム軌道のエネルギー帯が増加することになる。すなわち、実施例１と比較したとき、実施例２の方が、より低エネルギーのビーム軌道まで高周波キッカ４０を通過することになる。

従って、より低エネルギーのビーム軌道に対して高周波キッカ４０による高周波電場を印加することができるので、実施例１よりもより低エネルギーのビーム軌道を、勾配磁場磁石３１，３２の生成する勾配磁場の近くを通過させることができる。

このとき、低エネルギービームは高エネルギービームよりも曲率半径が小さいため、勾配磁場磁石３１と勾配磁場磁石３２が生成する勾配磁場を低エネルギービームが感じるためには、勾配磁場磁石３１と勾配磁場磁石３２は、高周波キッカ４０によってビーム軌道がずらされる方向に配置され、かつ、垂直平面３に近い方が好ましい。

すなわち、上述のように、勾配磁場磁石３１と勾配磁場磁石３２は、高周波キッカ４０と同様に、複数の凹部１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄに挟まれた空間の中で、体積が最も小さい凹部１２１ａに挟まれた空間に配置することが好適である。

このように勾配磁場磁石３１と勾配磁場磁石３２を配置することで、高周波キッカ４０で変位させられた低エネルギービームが確実に勾配磁場を感じることになり、水平方向のベータトロン振動振幅が拡大し、出射チャネル１０１９に到達し、加速器外に取り出すことが可能となる。

その他の構成・動作は、前述した実施例１の粒子線加速器および粒子線治療システムと略同じ構成・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システムにおいても、前述した実施例１の粒子線加速器および粒子線治療システムとほぼ同様な効果が得られる。

また、高周波キッカ４０および勾配磁場磁石３１，３２が配置される凹部１２１ａに挟まれた空間は、複数の凹部１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄに挟まれた空間の中で最も体積が小さいことにより、出射チャネル１０１９の入口が設置される磁極外周部に、ビーム周回軌道が密になる領域を設けることができる。また、出射チャネル１０１９がビーム取り出しのために生成すべき磁場を、軸対象の磁極形状とする場合に比べて小さくすることができる。従って、これらの効果から、より容易に所定エネルギーに加速されたビームの取り出しを行うことができる。

＜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。

また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

例えば、上記の実施例１，２の説明では、加速する粒子を特に指定していない。すなわち、陽子をイオン源１００３から供給しても、炭素イオンをイオン源１００３から供給しても、高周波加速空洞１０３７の周波数を加速する粒子それぞれにあわせて調整することによって、安定にビームを加速周回させることができる。また、加速する粒子は、上述した陽子や炭素イオンに限られず、ヘリウムイオン等の炭素イオン以外の重粒子イオンとすることができる。

また、上記の実施例１，２の説明では、上部磁極８や下部磁極９に設ける凹部と凸部の数をそれぞれ４つとしたが、凹部や凸部の数は４つに限るものではなく、３以上の整数であれば、ビームが安定周回するような磁場を生成することが可能である。

また、粒子線治療システム１００１がビーム輸送系１０１３を備えている場合について説明したが、粒子線治療システムはビーム輸送系を設けずにイオンビーム発生装置と回転ガントリーや照射装置とを直接接続することができる。

また、治療に用いる粒子線を照射する装置として回転ガントリー１００６を用いる場合について説明したが、固定された照射装置を用いることができる。また、照射装置は一つに限られず、複数設けることができる。

また、照射方法として走査電磁石１０５１，１０５２を用いるスキャニング方式の場合について説明したが、ワブラー法や二重散乱体法など粒子線の分布を広げた後、コリメータやボーラスを用いて標的の形状に合わせた線量分布を形成する照射法にも本発明を適用することができる。

また、加速器が粒子線治療に用いられる場合について説明したが、加速器の用途は粒子線治療に限られず、高エネルギー実験やＰＥＴ（Ｐｏｓｉｔｒｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）薬剤生成等に用いるものとすることができる。

１…主磁場磁石
２…中間平面
３…垂直平面
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…上部磁極
９…下部磁極
１５，１６，１７，１８，１９，２４…貫通孔
２０…対称軸
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄ…凹部
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ，１２２ｄ…凸部
２３，１２６，１２７…ビーム軌道
２５，１２５…磁極外周面
３１，３２…勾配磁場磁石
４０…高周波キッカ（第２高周波電場印加装置）
４１…接地電極
４２…高圧電極
４３…突起部
４４…非磁性支持体
４５…絶縁支持体
１２８…ビーム軌道の幅
１００１…粒子線治療システム
１００４…加速器（粒子線加速器）
１０１９…出射チャネル
１０３７…高周波加速空洞（第１高周波電場印加装置）

Claims (9)

1. 粒子線加速器であって、
   静磁場を生成する主磁場磁石と、
   周波数が変調可能で、ビームを加速するための高周波電場を印加する第１高周波電場印加装置と、
   前記第１高周波電場印加装置とは異なる周波数の高周波電場を印加する第２高周波電場印加装置と、を備え、
   前記主磁場磁石は、リターンヨークおよび前記リターンヨークに固定された一対の磁極を有し、
   前記一対の磁極は、前記一対の磁極に挟まれた空間にある中間平面に対して面対称な位置に配置され、
   前記磁極の前記中間平面に対向する面には、ビーム周回方向に沿って凹部と凸部とが交互に配置されており、
   前記第２高周波電場印加装置は、前記凹部に挟まれた空間に配置されている
   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、
   前記第２高周波電場印加装置が備えられた前記凹部に挟まれた空間に、前記ビームの軌道を変位させるための勾配磁場を生成する勾配磁場磁石が配置されている
   ことを特徴とする粒子線加速器。
3. 請求項１に記載の粒子線加速器において、
   前記第２高周波電場印加装置が備えられた前記凹部の磁極外周領域に、所定エネルギーに加速されたビームを前記粒子線加速器の外に取り出すための出射チャネルが設けられている
   ことを特徴とする粒子線加速器。
4. 請求項２に記載の粒子線加速器において、
   前記第２高周波電場印加装置および前記勾配磁場磁石が配置される前記凹部に挟まれた空間は、複数の前記凹部に挟まれた空間の中で最も体積が小さい
   ことを特徴とする粒子線加速器。
5. 請求項１に記載の粒子線加速器において、
   前記凸部は、ビーム周回軌道の中心から見たときの前記凸部の角度幅がビームエネルギーの増大に従って狭まっていく
   ことを特徴とする粒子線加速器。
6. 請求項１に記載の粒子線加速器において、
   前記ビームが所望のエネルギーまで加速されると、前記第１高周波電場印加装置による高周波電場を遮断し、前記第２高周波電場印加装置による高周波電場の印加を開始する
   ことを特徴とする粒子線加速器。
7. 請求項２に記載の粒子線加速器において、
   前記勾配磁場磁石によって発生させる多極磁場の成分は、径方向外周側に向かって前記静磁場の強度が増大する磁場勾配を有している
   ことを特徴とする粒子線加速器。
8. 請求項７に記載の粒子線加速器において、
   前記勾配磁場磁石によって発生させる多極磁場の成分は、径方向外周側に向かって前記静磁場の強度が減少する磁場勾配を有している
   ことを特徴とする粒子線加速器。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の粒子線加速器を備えた
   ことを特徴とする粒子線治療システム。

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