JP2020064753A - 加速器、およびそれを用いた加速器システム、粒子線治療システム - Google Patents

Abstract

【課題】高効率で負イオンを加速器外に取り出すことができる加速器、およびそれを用いた加速器システム、粒子線治療システムを提供する。
【解決手段】固定主磁場および高周波電場を用いてＨ⁻ビームを加速するサイクロトロン１０であって、固定主磁場を発生させる主電磁石２０と、主電磁石２０の内側に形成された空間に配置されており、Ｈ⁻ビームの周回軌道のうち取り出しエネルギー軌道を含む領域に、Ｈ⁻ビームの周回軌道の径方向外側に向かって弱くなる磁場勾配を有する取り出し磁場領域、およびＨ⁻ビームの周回軌道の径方向外側に向かって強くなる磁場勾配を有する取り出し磁場領域を形成する磁場形成部と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、加速器、およびそれを用いた加速器システム、粒子線治療システムに関する。

一台の加速器によって放射線治療用及びＲＩ製造用の各用途に応じた電流量の加速粒子を取り出すことを可能とし、その結果として、稼働率の向上を図り易くすることを目的として、特許文献１には、放射線治療用の陽子ビーム及びＲＩ製造用の陽子ビームのそれぞれをサイクロンから取り出すために、サイクロンに少なくとも二つ設けられた取出ポートと、サイクロン内を周回する負イオンを取出ポートに誘導するフォイルと、負イオンをサイクロンに供給するイオン源と、フォイルの進退量及びイオン源による負イオンの供給量の少なくとも一方を制御して取出ポートから取り出される陽子ビームの電流量を制御する制御装置と、を備える粒子加速システムが記載されている。

特開２０１０−２８７４１９号公報

粒子線治療の普及に伴い、装置の小型化、低コスト化、加速器性能の向上（蓄積電荷量やビーム特性など）への要求が高まっている。

粒子線治療には、ビームを周回させて加速するサイクロトロンやシンクロサイクロトロンなどの円形加速器、シンクロトロンなどの円環加速器がよく用いられている。

円環加速器の一種であるシンクロトロンを用いた粒子線治療システムでは、主加速器であるシンクロトロンの他に、ビームエネルギーを数ＭｅＶから数十ＭｅＶまで加速する入射用の加速器（入射器）が別途必要である。

一般的に、円環加速器に用いられる入射器には線形加速器が使用されており、円環加速器の外周側に設置されている。そのため、入射器と円環加速器とを合わせた加速器システムの設置面積が大きくなる、という課題があった。

さらに、円環加速器の蓄積電荷量を高める有効な方法の一つとして、入射エネルギーを高くし、空間電荷によるビーム発散量を抑えることにより蓄積電荷量（空間電荷制限）を高める方法がある。しかしながら、入射エネルギーを高くするためには線形加速器の全長をより長くする必要があり、さらに加速器システムの設置スペースが大きくなる、という課題がある。

また、円環加速器に効率よく空間電荷制限までビームを入射するには、リウビルの定理から、従来用いられている入射セプタム電磁石、もしくは静電インフレクタを用いた入射に比べて荷電変換入射を用いたほうが位相空間においてビームを重ねて入射できることから有利である。

また、負イオンを加速するサイクロトロンもＰＥＴ薬剤生成用等でよく用いられている。

ここで、特許文献１に記載されているように、荷電変換入射では、Ｈ⁻ビームを薄膜にあてることによりＨ^＋ビームに変換する、という荷電変換取り出しが行われている。

この方法はビームを取り出す方法としては簡便であり、優れた方法である。しかしながら、取り出されるビームがＨ^＋ビームであるため、そのままでは後段の円環加速器に荷電変換入射をすることができない、という課題がある。そこで、静電デフレクタを用いた取り出しを行う必要がある。しかしながら、静電デフレクタを用いる場合は取り出し効率が著しく減少するため、実用的ではない、という課題がある。

このように、従来の加速器では、高効率でＨ⁻ビーム等の負イオンからなるビームを加速器外に取り出すことができなかった。

本発明は、高効率で負イオンを加速器外に取り出すことができる加速器、およびそれを用いた加速器システム、粒子線治療システムを提供する。

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、固定主磁場および高周波電場を用いて負イオンビームを加速する加速器であって、前記固定主磁場を発生させる主電磁石と、前記主電磁石の内側に形成された空間に配置されており、前記負イオンビームの周回軌道のうち取り出しエネルギー軌道を含む領域に、前記負イオンビームの周回軌道の径方向外側に向かって弱くなる磁場勾配を有する第１取り出し磁場領域、および前記負イオンビームの周回軌道の径方向外側に向かって強くなる磁場勾配を有する第２取り出し磁場領域を形成する磁場形成部と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、高効率で負イオンを加速器外に取り出すことができる。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の加速器の外観を示す図である。 実施例１の加速器の断面構造を示す図である。 実施例１の加速器の断面のうち、ビーム周回軌道と取り出し磁場領域の位置関係を示す図である。 図３のＡ−Ａ’断面図である。 図４のＣ−Ｃ’断面図である。 図３のＢ−Ｂ’断面図である。 図６のＤ−Ｄ’断面図である。 実施例１の加速器のＨ⁻ビームの周回軌道を示す図である。 実施例１の加速器において、ビーム取り出し磁場を印加していないときのＨ⁻ビームの周回軌道の一部分を拡大した図である。 実施例１の加速器において、ビーム取り出し磁場を印加しているときのＨ⁻ビームの周回軌道の一部分を拡大した図である。 本発明の実施例２の加速器における、図３のＡ−Ａ’断面に相当する部分の断面図である。 実施例２の加速器における、図３のＢ−Ｂ’断面に相当する部分の断面図である。 本発明の実施例３の加速器における、図３のＡ−Ａ’断面に相当する部分の断面図である。 実施例３の加速器における、図３のＢ−Ｂ’断面に相当する部分の断面図である。 本発明の実施例４の加速器における、図３のＡ−Ａ’断面に相当する部分の断面図である。 実施例４の加速器における、図３のＢ−Ｂ’断面に相当する部分の断面図である。 本発明の実施例５の加速器システムの概略構成を示す図である。 本発明の実施例６の加速器システムの概略構成を示す図である。 本発明の実施例７の加速器システムの概略構成を示す図である。 本発明の実施例８の粒子線治療システムの概略構成を示す図である。 実施例８の粒子線治療システムの運転パターンの一例を示す図である。

以下に本発明の加速器、およびそれを用いた加速器システム、粒子線治療システムの実施例を、図面を用いて説明する。

＜実施例１＞
本発明の加速器の実施例１について図１乃至図１０を用いて説明する。

図１は、本実施例１の加速器の外観を示す図である。図２は、加速器の断面構造を示す図である。図３は、加速器の断面のうち、ビーム周回軌道と取り出し磁場領域の位置関係を示す図である。図４は、図３のＡ−Ａ’断面図である。図５は、図４のＣ−Ｃ’断面図である。図６は、図３のＢ−Ｂ’断面図である。図７は、図６のＤ−Ｄ’断面図である。図８は、Ｈ⁻ビームの周回軌道を示す図である。図９は、ビーム取り出し磁場を印加していないときのＨ⁻ビームの周回軌道の一部分を拡大した図である。図１０は、ビーム取り出し磁場を印加しているときのＨ⁻ビームの周回軌道の一部分を拡大した図である。

最初に、図１および図２を用いて、加速器の構成の概略について説明する。サイクロトロン１０の外観を図１に、断面構成を図２に示す。

図１や図２に示す本実施例１のサイクロトロン１０は、固定主磁場および高周波電場を用いてＨ⁻ビームを加速する装置である。図１では、中心磁場１．５［Ｔ］、取り出すＨ⁻ビームのエネルギーは２０［ＭｅＶ］、取り出しエネルギーのビームの回転半径は約０．５［ｍ］を想定している。

なお、加速する粒子はＨ⁻に限られず、例えば後述する実施例６，７のように炭素等の重粒子の負イオンを加速することができる。

図１に示すように、サイクロトロン１０は上下方向に分割可能な主電磁石２０によってその外殻が形成されており、ビーム加速領域となる内部は真空引きされている。

サイクロトロン１０の外周部側には、高周波印加系４０が設けられている。サイクロトロン１０では、この高周波印加系４０を用いてＨ⁻イオンを加速する高周波電場を生成する。

主電磁石２０の上部にはイオン源３０が設置されており、低エネルギービーム輸送用貫通口２４を通してビームがサイクロトロン１０内部に入射される。イオン源３０としては、マイクロ波イオン源やＥＣＲイオン源などを適用できる。なお、イオン源は、主電磁石２０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型イオン源などが適用できる。

図２に示されるように、固定主磁場を発生させる主電磁石２０は、磁極２５（図１１等参照）、主コイル２１、リターンヨーク２２、真空容器２３から構成される。

リターンヨーク２２には貫通口が複数あり、そのうち加速されたビームを取り出すビーム取り出し貫通口２８、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口２６、真空引き用貫通口２９、加速高周波印加用貫通口２７がリターンヨーク２２の接続面上に設けられている。

また、図２に示されるように、サイクロトロン１０は、ディー電極４４、および静電デフレクタ６０を有する。

真空容器２３は、Ｈ⁻ビームの加速空間を高真空状態に保持するための容器である。

図２に示すように、真空容器２３の外部には、円環状の主コイル２１がリターンヨーク２２の内壁に沿って設置されている。主コイル２１は、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するが、常伝導コイルも用いることができる。

真空容器２３の内部側には、Ｈ⁻ビームの加速に必要な磁場を形成するための一対の磁極２５が設けられている。磁極２５は、平面視で円形をなし、上下面対称の形状を成している。また、磁極２５は、Ｈ⁻ビームの周回軌道を挟んで、上下方向（図１の紙面に直交する方向）に対面して配置されている。磁極２５は、その表面に設置されるトリムコイル（図示省略）と共に、主コイル２１が励磁された際に磁化されてビーム周回や取り出しに適する磁場分布を形成する。

ディー電極４４は、真空容器２３の内部でＨ⁻ビームを加速するための電場を発生させる電極である。ディー電極４４は、互いに径方向に対向するように配置されている。ディー電極４４は、それを励振する高周波電源４２に接続されている。

磁極２５の中心部には、サイクロトロン１０の外部又は内部に設けられたイオン源３０から送られてきたＨ⁻ビームを偏向して、周回軌道に乗せるイオン引き出し電極３２が配置される。

図３は取り出しエネルギービーム周回軌道１２と取り出し磁場領域５０，５２との関係を示している。本実施例のサイクロトロン１０では、図２および図３に示すように、取り出しエネルギービーム周回軌道１２を含むように取り出し磁場領域５０，５２を形成する。

取り出し磁場領域５０は、図４に示すように、Ｈ⁻ビームの周回軌道のうち、取り出しエネルギー軌道を含む領域に配置されている上側取り出し磁場生成コイル５１Ａ，下側取り出し磁場生成コイル５１Ｂによって生成される。

この取り出し磁場領域５０は、図５に示すように、Ｈ⁻ビームの周回軌道の径方向外側に向かって弱くなる磁場勾配を有している。なお、図５では、縦軸は磁場強度、横軸はサイクロトロン１０の半径方向の距離である。

上側取り出し磁場生成コイル５１Ａおよび下側取り出し磁場生成コイル５１Ｂは、図４に示すように、上下それぞれ３ターンのコイルで、径方向内側と外側とでコイル密度に変化を持たせて取り出しに有効な磁場領域を拡大している。なお、コイル形状、コイル巻き数、配置等は図４に示す形態に制限されるものではなく、取り出し条件によって最適な磁場分布となるように調整することができる。

取り出し磁場領域５２は、図６に示すように、Ｈ⁻ビームの周回軌道のうち、取り出しエネルギー軌道を含む領域に配置されている上側取り出し磁場生成コイル５３Ａ，下側取り出し磁場生成コイル５３Ｂによって生成される。

この取り出し磁場領域５２は、図７に示すように、Ｈ⁻ビームの周回軌道の径方向外側に向かって強くなる磁場勾配を有している。なお、図７では、縦軸は磁場強度、横軸はサイクロトロン１０の半径方向の距離である。

上側取り出し磁場生成コイル５３Ａおよび下側取り出し磁場生成コイル５３Ｂについても、図６に示すように、上下それぞれ３ターンのコイルで、径方向内側と外側とでコイル密度に変化を持たせて取り出しに有効な磁場領域を拡大している。なお、コイル形状、コイル巻き数、配置等は図６に示す形態に制限されるものではなく、取り出し条件によって最適な磁場分布となるように調整することができる。

これら上側取り出し磁場生成コイル５１Ａ、下側取り出し磁場生成コイル５１Ｂ、上側取り出し磁場生成コイル５３Ａ、下側取り出し磁場生成コイル５３Ｂは取り出し磁場生成電源４９から供給される電流によって励磁される。

図２に戻り、静電デフレクタ６０は、取り出し磁場領域５０，５２によってセパレーションが増大したＨ⁻ビームを偏向させて、ビーム取り出し貫通口２８中の引出軌道に引き出してサイクロトロン１０外に取り出すための装置である。

この静電デフレクタ６０は、取り出し磁場領域５０よりビーム進行方向に対して下流側、かつ取り出し磁場領域５２よりビーム進行方向に対して上流側に、すなわち取り出し磁場領域５０，５２に挟まれるように配置されている。

静電デフレクタ６０は、Ｈ⁻ビームに対して可変的に電場を与えうる導入ギャップを有しており、この導入ギャップにＨ⁻ビームを導いて偏向させる。静電デフレクタ６０は、それを励振する静電デフレクタ電源４８に接続されている。

なお、静電デフレクタ６０の替わりに、セプタム電磁石を用いることができる。

サイクロトロン１０では、主コイル２１に通電することで上下一対の磁極２５の間に磁場を発生させると共に、ディー電極４４に高周波電圧が付与されることで、Ｈ⁻ビームが加速されつつ、螺旋状の周回軌道を進行する。

径方向の外周側に達したＨ⁻ビームは、取り出し磁場領域５０，５２によってビーム軌道が乱されるとともに静電デフレクタ６０で偏向され、取り出しビーム１５としてビーム取り出し貫通口２８を通じてサイクロトロン１０の外部に引き出される。

図８は、シミュレーションによって求めた取り出しエネルギー付近のビームの周回軌道を示す図である。

図８に示すように、取り出しエネルギー近傍まで加速されたＨ⁻ビームの回転半径は取り出し磁場領域５０の作る磁場領域で大きくなり、取り出し磁場領域５２の作る磁場領域で小さくなることで、継続的に図８中ｙマイナス方向に大きくずれていく。

このシミュレーション結果を図１０に、比較のために取り出し磁場領域５０，５２が形成されていない場合のシミュレーション結果を図９に示す。図９は取り出し磁場領域５０，５２を励磁していない場合の領域Ｅでのターンセパレーションを、図１０は取り出し磁場領域５０，５２を励磁している場合の領域Ｅでのターンセパレーションを示しており、図９および図１０は共に横軸は図８のｘ方向、縦軸は図８のｙ方向である。

図９に示すように、領域取り出し磁場領域５０，５２が励磁されていない場合であっても、加速に伴ってビームの周回軌道はずれる。しかしながら、そのずれ幅は小さく、このような小さいずれ幅は取り出しエネルギーに達したビームの周回軌道とその直前のビームの周回軌道との間の間隔が短いことを意味する。従って、ビームを取り出すための静電デフレクタ６０の構造や配置をいくら工夫したとしても、取り出しの際にＨ⁻ビームが静電デフレクタ６０に衝突してビームの一部が失われる。このため、Ｈ⁻ビーム取り出し効率を改善する余地があることが分かる。

一方、図１０に示すように、取り出し磁場領域５０，５２が励磁されている場合は、エネルギーが大きくなるにつれて、図９に示す加速のみの軌道のずれに対して外周側に大きくずれ、セパレーションが大きくなっていくことがわかる。このような大きなずれが生じることで、静電デフレクタ６０に入射する際にＨ⁻ビームが静電デフレクタ６０に衝突する総量を大きく減らすことができ、Ｈ⁻ビーム取り出し効率を従来に比べて大きくすることができる。

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の固定主磁場および高周波電場を用いてＨ⁻ビームを加速するサイクロトロン１０は、固定主磁場を発生させる主電磁石２０と、主電磁石２０の内側に形成された空間に配置されており、Ｈ⁻ビームの周回軌道のうち取り出しエネルギー軌道を含む領域に、Ｈ⁻ビームの周回軌道の径方向外側に向かって弱くなる磁場勾配を有する取り出し磁場領域５０、およびＨ⁻ビームの周回軌道の径方向外側に向かって強くなる磁場勾配を有する取り出し磁場領域５２を形成する磁場形成部と、を備えている。

これによって、ビームのセパレーションを従来よりも大きくすることができるため、取り出し部に設置した静電デフレクタ６０やセプタム電磁石などの取り出し機構によるビームロスを大幅に軽減でき、従来に比べて高効率でＨ⁻ビームを取り出すことが可能となる。

また、磁場形成部によってセパレーションが増大する領域にＨ⁻ビームをサイクロトロン１０外に取り出す静電デフレクタ６０あるいはセプタム電磁石を更に備えたため、静電デフレクタ６０やセプタム電磁石に衝突して失われるＨ⁻ビーム量を最小限にすることができ、より高効率でＨ⁻ビームをサイクロトロン１０外へ取り出すことができる。

更に、磁場形成部の取り出し磁場領域５０は、径方向外側に向かって弱くなる磁場勾配を形成する上側取り出し磁場生成コイル５１Ａ，下側取り出し磁場生成コイル５１Ｂによって生成され、磁場形成部の取り出し磁場領域５２は、径方向外側に向かって強くなる磁場勾配を形成する上側取り出し磁場生成コイル５３Ａ，下側取り出し磁場生成コイル５３Ｂによって生成されることで、取り出しエネルギーに達したＨ⁻ビームにのみ取り出し磁場を印加することができる。すなわち、ビームの加速中はコイルを通電しないことで、加速中のビームの軌道が乱されることを確実に抑制でき、ビームをより安定に加速することができる。

なお、本実施形態では加速器としてサイクロトロン１０を用いる場合について説明したが、シンクロサイクロトロンなどの加速器にも本発明を適用することができる。

また、加速器の用途は特に限定されず、後述する実施例８のような粒子線治療や高エネルギー実験、ＰＥＴ薬剤生成用等に用いることができる。

＜実施例２＞
本発明の実施例２の加速器について図１１および図１２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。以下の実施例においても同様とする。

図１１は、本実施例２の加速器における、図３のＡ−Ａ’断面に相当する部分の断面図である。図１２は、図３のＢ−Ｂ’断面に相当する部分の断面図である。図１１および図１２の横軸はサイクロトロン１０の半径方向、縦軸はサイクロトロン１０の垂直方向を示している。

本実施例のサイクロトロンは、実施例１のサイクロトロン１０のうち、取り出し磁場領域５０、および取り出し磁場領域５２を生成する構造が異なる。

具体的には、取り出し磁場領域５０は、実施例１で説明した上側取り出し磁場生成コイル５１Ａ，下側取り出し磁場生成コイル５１Ｂの替わりに、主電磁石２０の磁極２５のうち、図１１に示すような磁極２５の対向面に切り欠き５４を形成することにより生成する。磁極２５の反対側の磁極の表面側にも上下対称で切り欠き５４が形成されている。

径方向外側に向かって磁場を強くする取り出し磁場領域５２は、上側取り出し磁場生成コイル５３Ａ，下側取り出し磁場生成コイル５３Ｂの替わりに、主電磁石２０の磁極２５のうち、図１２に示すような磁極２５の対向面に形成されるシムと呼ばれる突起５５を設けることにより生成する。磁極２５の反対側の磁極の表面側にも上下対称で突起５５が形成されている。

切り欠き５４、および突起５５は取り出し条件によって最適な磁場分布となるように調整することができる。

その他の構成・動作は前述した実施例１の加速器と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。

本発明の実施例２の加速器においても、前述した実施例１の加速器とほぼ同様な効果が得られる。

また、磁場形成部の取り出し磁場領域５０は、主電磁石２０の磁極２５の対向面に形成される切り欠き５４によって生成され、磁場形成部の取り出し磁場領域５２は、主電磁石２０の磁極２５の対向面に形成される突起５５によって生成されることにより、コイルによって発生させる取り出し磁場をゼロにでき、コイル通電電流を無くすことができる。このため、熱負荷や電源コストを抑制することができる、との効果が得られる。

なお、本実施例のように切り欠き５４や突起５５を設けるとともに、実施例１のように上側取り出し磁場生成コイル５１Ａ，５３Ａ，下側取り出し磁場生成コイル５１Ｂ，５３Ｂを併せて設置することが可能である。これにより、実施例１に比べて取り出し用コイル系統の小型化を図ることができるとともに、実施例１と同様に取り出しエネルギーに達する前のＨ⁻ビームに取り出し磁場が影響することを抑制することができる。

＜実施例３＞
本発明の実施例３の加速器について図１３および図１４を用いて説明する。

図１３は、本実施例３の加速器における、図３のＡ−Ａ’断面に相当する部分の断面図である。図１４は、図３のＢ−Ｂ’断面に相当する部分の断面図である。図１３および図１４の横軸はサイクロトロン１０の半径方向、縦軸はサイクロトロン１０の垂直方向を示している。

本実施例のサイクロトロンも、実施例２と同様に、実施例１のサイクロトロン１０のうち、取り出し磁場領域５０、および取り出し磁場領域５２を生成する構造が異なる。

具体的には、磁場を弱くする取り出し磁場領域５０は、実施例１で説明した上側取り出し磁場生成コイル５１Ａ，下側取り出し磁場生成コイル５１Ｂの替わりに、図１３に示すように、磁性材料である取り出し磁場生成シム５６Ａ，５６Ｂを磁極２５の内側に形成される空間に設置することで生成する。これにより、周辺の磁束を径方向外側に流すことができ、Ｈ⁻ビームの感じる磁場を径方向外側に向かって弱くする。

これら取り出し磁場生成シム５６Ａ，５６Ｂは、図１３に示すように、非磁性体の支持体５６Ｃにより支持されており、この支持体５６Ｃはボルト等の固定部材５６Ｄによって磁極２５の側面側に固定されている。

また、磁極２５の反対側の磁極の表面側の空間にも上下対称で取り出し磁場生成シムが配置されている。この取り出し磁場生成シムについても、取り出し磁場生成シム５６Ａ，５６Ｂと同様に支持体等によって支持される。

また、径方向外側に向かって磁場を強くする取り出し磁場領域５２は、上側取り出し磁場生成コイル５３Ａ，下側取り出し磁場生成コイル５３Ｂの替わりに、図１４に示すように、磁性材料である取り出し磁場生成シム５７を磁極２５の内側に形成される空間に設置することで生成する。これにより、周辺の磁束を径方向内周側に流すことができ、Ｈ⁻ビームの感じる磁場を径方向外側に向かって強くする。

なお、図１４では省略しているが、取り出し磁場生成シム５７は図１３に示すような支持体５６Ｃと固定部材５６Ｄとによって磁極２５に対して固定されている。

また、磁極２５の反対側の磁極の表面側の空間にも上下対称で取り出し磁場生成シムが配置されており、支持体等によって固定されている。

図１３や図１４では、取り出し磁場生成シムを２個あるいは１個配置しているが、その個数、配置、形状は特に図１３や図１４に示す形態に制限されるものではなく、取り出し条件によって最適な磁場分布となるように調整することができる。

その他の構成・動作は前述した実施例１の加速器と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。

本発明の実施例３の加速器においても、前述した実施例１の加速器とほぼ同様な効果が得られる。

また、磁場形成部の取り出し磁場領域５０は、主電磁石２０の内側に形成された空間に配置される取り出し磁場生成シム５６Ａ，５６Ｂによって生成され、磁場形成部の取り出し磁場領域５２は、主電磁石２０の内側に形成された空間に配置される取り出し磁場生成シム５７によって生成されることによっても、コイルによって発生させる取り出し磁場をゼロにすることができ、コイル通電電流を無くすことができるので、熱負荷や電源コストを抑制することができる、との効果が得られる。

なお、本実施例のように取り出し磁場生成シム５６Ａ，５６Ｂ，５７を設置するとともに、実施例１のように上側取り出し磁場生成コイル５１Ａ，５３Ａ，下側取り出し磁場生成コイル５１Ｂ，５３Ｂを併せて設置することが可能である。これにより、実施例１に比べて取り出しコイル系統の小型化を図るとともに、実施例１のように取り出しエネルギーに達する前のＨ⁻ビームに取り出し磁場が影響することを抑制することができる。

＜実施例４＞
本発明の実施例４の加速器について図１５および図１６を用いて説明する。

図１５は、本実施例４の加速器における、図３のＡ−Ａ’断面に相当する部分の断面図である。図１６は、図３のＢ−Ｂ’断面に相当する部分の断面図である。図１５および図１６の横軸はサイクロトロン１０の半径方向、縦軸はサイクロトロン１０の垂直方向を示している。

本実施例のサイクロトロンも、実施例２，３と同様に、実施例１のサイクロトロン１０のうち、取り出し磁場領域５０、および取り出し磁場領域５２を生成する構造が異なる。

具体的には、磁場を弱くする取り出し磁場領域５０は、実施例１で説明した上側取り出し磁場生成コイル５１Ａ，下側取り出し磁場生成コイル５１Ｂの替わりに、図１５に示すように、磁性材料である取り出し磁場生成シム５６Ａ，５６Ｂに加えて磁場補正シム５８Ａ，５８Ｂを設置することで生成する。これにより、取り出しエネルギーより低エネルギー側（内周部分）に与えられる磁場の擾乱を防ぐことができ、周回ビームが安定に周回して、加速されるようにすることができる。

磁極２５の反対側の磁極の表面側の空間にも上下対称で取り出し磁場生成シムおよび磁場補正シムが配置されている。

取り出し磁場領域５２については、上側取り出し磁場生成コイル５３Ａ，下側取り出し磁場生成コイル５３Ｂの替わりに、図１６に示すように、磁性材料である取り出し磁場生成シム５７、および磁場補正シム５９を配置することによって生成する。

磁極２５の反対側の磁極の表面側の空間にも上下対称で取り出し磁場生成シムおよび磁場補正シムが配置されている。

図１５等では省略しているが、取り出し磁場生成シム５６Ａ，５６Ｂ，５７や磁場補正シム５８Ａ，５８Ｂ，５９等は図１３に示すような支持体５６Ｃと固定部材５６Ｄとによって磁極２５に対して固定されている。

図１５や図１６では補正シムを２個づつ、あるいは１個づつ配置している場合を励磁しているが、その個数、配置、形状は特に制限されるものではなく、最適な磁場分布となるように調整することができる。

その他の構成・動作は前述した実施例３の加速器と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。

本発明の実施例４の加速器においても、前述した実施例３の加速器とほぼ同様な効果が得られる。

また、磁場形成部の取り出し磁場領域５０は、主電磁石２０の内側に形成された空間に配置される取り出し磁場生成シム５６Ａ，５６Ｂ、磁場補正シム５８Ａ，５８Ｂによって生成され、磁場形成部の取り出し磁場領域５２は、主電磁石２０の内側に形成された空間に配置される取り出し磁場生成シム５７、磁場補正シム５９によって生成されることにより、磁場補正シム５８Ａ，５８Ｂ，５９によって取り出し磁場からの漏洩磁場が抑制されるため、Ｈ⁻ビームは取り出しエネルギーに達する前に軌道が乱されにくくなり、Ｈ⁻ビームをより安定に加速することができる。

なお、本実施例のように取り出し磁場生成シム５６Ａ，５６Ｂ，５７や磁場補正シム５８Ａ，５８Ｂ，５９を設置するとともに、実施例１のように上側取り出し磁場生成コイル５１Ａ，５３Ａ，下側取り出し磁場生成コイル５１Ｂ，５３Ｂを併せて設置することが可能である。

＜実施例５＞
本発明の実施例５の加速器を備えた加速器システムについて図１７を用いて説明する。

図１７は、本実施例５の加速器システムの概略構成を示す図である。

図１７に示すように、本実施例は、実施例１に示した取り出し構造を有するサイクロトロン１０を備えた加速器システム１００である。

加速器システム１００は、実施例１に示したサイクロトロン１０と、セプタム電磁石１０２と、荷電変換薄膜１０６と、サイクロトロン１０によって加速されたビームを更に高エネルギーまで加速するシンクロトロン１０１と、を備えている。

サイクロトロン１０は、シンクロトロン１０１の内周側に配置されている。サイクロトロン１０の構成・動作は前述した実施例１のサイクロトロン１０と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。

なお、実施例１に示したサイクロトロン１０の替わりに実施例２−４の何れかで説明したサイクロトロンを備えることができる。

サイクロトロン１０から取り出されたＨ⁻ビームは、セプタム電磁石１０２によって曲げられ、シンクロトロン１０１の周回ビームと入射Ｈ⁻ビームをマージする軌道マージ電磁石１０４に導かれ、合流する。

シンクロトロン１０１は、複数の偏向電磁石１０８と、複数の四極電磁石１１０と、複数の六極電磁石１０９と、加速空胴１１１と、取り出し用の出射高周波印加装置１１２と、取り出し用の出射静電デフレクタ１１３と、制御装置１１４と、軌道マージ電磁石１０４と、荷電変換薄膜１０６等により構成される。

偏向電磁石１０８はシンクロトロン１０１中を周回するビームを偏向して所定の周回軌道を形成する。

四極電磁石１１０は、周回ビームに対して収束あるいは発散の力を加えて周回ビームのチューンを周回ビームが安定となる値に保つ。

六極電磁石１０９は、周回ビームに中心軌道からの距離の二乗に比例する強度の磁場を印加し、周回ビーム粒子の水平方向の位置と傾きにより定義される位相空間上に水平ベータトロン振動の安定限界を形成する。

加速空胴１１１は周回ビームに進行方向の高周波電圧を印加して周回ビームを進行方向の所定の位相に捕獲し、所定のエネルギーまで加速する。

出射高周波印加装置１１２は、周回ビームに水平チューンと同期する周波数の水平方向の高周波電圧を印加し、周回ビーム粒子の水平ベータトロン振動の振幅を増大させる。水平ベータトロン振動の振幅が増大して安定限界を越えた周回ビーム粒子は水平ベータトロン振動の振幅を急激に増大させ、出射静電デフレクタ１１３に入射する。

出射静電デフレクタ１１３は、入射した周回ビーム粒子を水平方向に偏向する。

制御装置１１４は、シンクロトロン１０１内の上述した各機器の動作を制御する装置であり、コンピュータ等で構成されている。これらを構成するコンピュータは、ＣＰＵやメモリ、インターフェース等を備えており、各機器の動作の制御や後述する各種演算処理等が様々なプログラムに基づいて実行される。これらのプログラムは内部記録媒体や外部記録媒体、データサーバに格納されており、ＣＰＵによって読み出され、実行される。

なお、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別れていてもよく、それらの組み合わせでもよい。また、プログラムの一部または全ては専用ハードウェアで実現してもよく、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内部記憶媒体や外部記録媒体からインストールされてもよい。

また、図１７では、制御装置１１４は出射高周波印加装置１１２や加速空胴１１１にのみ接続されているように記載されているが、実際はすべての機器に直接的、あるいは間接的に接続されている。

荷電変換薄膜１０６は、例えば炭素製のシートからなり、サイクロトロン１０によって加速されたＨ⁻ビームをＨ^＋ビームに変換し、シンクロトロン１０１に入射させる部材である。この荷電変換薄膜１０６は、軌道マージ電磁石１０４の下流側に配置されている。

軌道マージ電磁石１０４は、電磁石１０４Ｂを有している。以下、周回ビームと入射Ｈ⁻ビームとのマージについて説明する。

セプタム電磁石１０２によって曲げられたＨ⁻ビームは、軌道マージ電磁石１０４に導かれた後、電磁石１０４Ｂに入射する。電磁石１０４Ｂで偏向されたＨ⁻ビームは、荷電変換薄膜１０６を通過することで電子がはぎとられて（荷電変換されて）Ｈ^＋ビームになる。Ｈ^＋ビームは、偏向電磁石１０４Ｃ，１０４Ｄを通り、シンクロトロン１０１の周回軌道に乗る。シンクロトロン１０１内を周回したＨ^＋ビームは軌道マージ電磁石１０４の位置へ戻り、その直前で偏向電磁石１０４Ａを通過して電磁石１０４Ｂに入射する。電磁石１０４Ｂに再び入射したＨ^＋ビームは、次に入射するＨ⁻ビームと合流する。これを繰り返すことによって、シンクロトロン１０１内にＨ^＋ビームが蓄積される。

蓄積、加速されたＨ^＋ビームは、出射静電デフレクタ１１３を通してシンクロトロン１０１外へ取り出されて利用される。

本発明の実施例５の加速器を備えた加速器システム１００は、前述した実施例１乃至実施例４の何れかの加速器を備えている。

ここで、入射器ならびに後段の主加速器で構成される加速器システムの設置面積を減少させようとした場合、円環加速器の内周側に入射器を置くことが考えられる。しかし、その場合、線形加速器では入射器の全長の制限から入射エネルギーを低くしなければ設置できず、円環加速器で蓄積できる電荷量を減少させなければならない、という課題があった。

荷電変換入射による高効率入射についても、線形加速器を用いた場合と同様の課題が残っていた。

一方、負イオンを加速するサイクロトロンを用いた場合、取り出し効率の減少から、入射に必要な十分な取り出し電流を得ることが困難であり、円環加速器内に入射器を設置し、高エネルギー入射と荷電変換入射による円環加速器の蓄積電荷量の大幅増加を実現する方法はなかった。

しかしながら、本実施例５のように、シンクロトロン１０１の入射器として従来に比べて高効率でＨ⁻ビームを取り出し可能な実施例１乃至実施例４の何れかのサイクロトロン１０を適用することにより、入射器サイズを大幅に大きくすることなく入射エネルギーを高くでき、後段のシンクロトロン１０１の蓄積電荷量を大幅に増加させることが可能となる。このため、従来は困難であった加速器システム１００の小型化と大電流化を同時に実現することができる。

また、サイクロトロン１０によって加速されたＨ⁻ビームをＨ^＋ビームに変換し、シンクロトロン１０１に入射させる荷電変換薄膜１０６を更に備えることにより、入射器であるサイクロトロン１０からの高効率でのＨ⁻ビームの直接の取り出しと荷電変換薄膜１０６による荷電変換入射との組み合わせが得られる。これにより、後段のシンクロトロン１０１に空間電荷制限までビームを蓄積することができ、より大電流化を図ることができる。

更に、サイクロトロン１０は、シンクロトロン１０１の内周側に配置されることにより、加速器システム１００の大幅な設置面積削減が可能となる。

＜実施例６＞
本発明の実施例６の加速器を備えた加速器システムについて図１８を用いて説明する。

図１８は、本実施例６の加速器システムの概略構成を示す図である。

なお、本実施例では、説明の都合上、図１７に示すような加速器システム１００のうち、サイクロトロン１０からシンクロトロン１０１Ａまでの構成について記載する。

上述した実施例１−４で説明したサイクロトロン１０からのＨ⁻ビーム取り出しの構成・手法と、実施例５で説明したそのビームをシンクロトロン１０１に荷電変換入射する構成・手法は、Ｈ⁻イオン以外の種類の負イオンに対しても有効である。

その一例として、本実施例の加速器システムは、図１８に示すようにシンクロトロン１０１の内周側に設置したサイクロトロン１０でＣ^４−ビームを加速し、シンクロトロン１０１Ａに荷電変換入射する。

サイクロトロン１０から取り出されたＣ^４−は最終的に荷電変換薄膜１０６でＣ^６＋に荷電変換されシンクロトロン１０１Ａを周回するが、Ｃ^４−とＣ^６＋をマージする軌道マージ電磁石１０４でのセパレーションが小さいため、セプタム電磁石１０２で曲げた後、更に小型のセプタム電磁石１０２Ａを用いることでＣ^４−とＣ^６＋の軌道を合わせる。なお、小型のセプタム電磁石１０２Ａの替わりに静電インフレクタを用いることができる。

その他の構成・動作は前述した実施例５の加速器を備えた加速器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６の加速器を備えた加速器システムにおいても、前述した実施例５の加速器を備えた加速器システムとほぼ同様な効果が得られる。

＜実施例７＞
本発明の実施例７の加速器を備えた加速器システムについて図１９を用いて説明する。

図１９は、本実施例７の加速器システムの概略構成を示す図である。

本実施例の加速器システムは、実施例５，６で説明した加速器ステムのうち、軌道マージ電磁石１０４の替わりに、シンクロトロン１０１Ｂの偏向電磁石１０８Ａを用いるものである。

なお、本実施例でも、説明の都合上、図１７に示すような加速器システムのうち、サイクロトロン１０からシンクロトロン１０１Ｂまでの構成について記載する。

軌道マージ電磁石１０４を使用しない本実施例では、Ｃ^４−ビームをシンクロトロン１０１Ｂの外側から入射する必要がある。そのため、サイクロトロン１０から取り出したＣ^４−ビームをシンクロトロン１０１Ｂの外側に一旦導き、セプタム電磁石１０２Ｂによって偏向電磁石１０８Ａ内の荷電変換薄膜１０６でＣ^４−ビームとＣ^６＋ビームとが同一軌道となるようにビーム軸を調整する。

その他の構成・動作は前述した実施例５や実施例６の加速器を備えた加速器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７の加速器を備えた加速器システムにおいても、前述した実施例５や実施例６の加速器を備えた加速器システムとほぼ同様な効果が得られる。

＜実施例８＞
本発明の実施例８の粒子線治療システムについて図２０および図２１を用いて説明する。

図２０は、本実施例８の粒子線治療システムの概略構成を示す図である。図２１は、図２０に示す粒子線治療システムの運転パターンの一例を示す図である。

図２０に示すように、本実施例の粒子線治療システム２００は、加速器システム１００、回転ガントリ２１０、照射装置２２０、制御システム２３０を備えている。

制御システム２３０は、加速器システム１００や回転ガントリ２１０、照射装置２２０を構成する各機器の動作を制御する装置であり、コンピュータ等で構成されている。制御システム２３０も実施例５で説明した制御装置１１４と同様にＣＰＵやメモリ、インターフェース等を備えており、各機器の動作の制御や後述する各種演算処理等が様々なプログラムに基づいて実行される。

加速器システム１００の構成・動作は前述した実施例５の加速器システム１００と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。なお、加速器システム１００は、実施例５に記載されたものに限られず、実施例６や実施例７で説明した加速器システムを適用することができる。

回転ガントリ２１０は、複数の偏向電磁石２１１、複数の四極電磁石２１２、複数の六極電磁石２１３等を有している。この回転ガントリ２１０は、回転軸２１０Ａを中心に回転可能に構成されており、照射装置２２０を回転軸２１０Ａの周りで旋回させる回転装置である。

照射装置２２０は、２台の走査電磁石２２５，２２６、ビーム位置モニタ２２２および線量モニタ２２４等を有している。走査電磁石２２５，２２６やビーム位置モニタ２２２、線量モニタ２２４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。

ビーム位置モニタ２２２および線量モニタ２２４は、走査電磁石２２５，２２６の下流に配置される。走査電磁石２２５および走査電磁石２２６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２２０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２２２は照射されるビームの通過位置を計測する。線量モニタ２２４は照射されるビームの線量を計測する。

照射装置２２０に設置されたビーム位置モニタ２２２、線量モニタ２２４により所定の照射が完了した場合、制御システム２３０からシンクロトロン１０１からのビーム取り出しを停止する制御信号が出される。

以下、図２１を用いて、粒子線治療システム２００のうち、加速器システム１００内の運転パターンの一例を説明する。

図２１ではサイクロトロン１０のイオン引き出し電極電源３４とビーム加速用の高周波電源４２の運転パターン、ならびに取り出し磁場生成コイルの励磁パターンとサイクロトロン出射ビーム、シンクロトロン蓄積ビーム、出射ビームの代表的なタイミングチャートを示している。図２１中、縦軸は上から順に加速電圧およびイオン引き出し電極、取り出しコイル励磁状態、サイクロトロン出射ビーム、シンクロトロン蓄積ビーム、シンクロトロン出射ビームとし、横軸は全て時間とする。

制御システム２３０から入力されるシンクロトロン入射準備完了信号とともに、サイクロトロン１０の加速用の高周波電源４２や、イオン引き出し電極電源３４、取り出し磁場生成電源４９を立ち上げる。

実施例１で説明したように、サイクロトロン１０は内部もしくは外部にイオン源３０を有しており、イオン源からビームを取り出すためのイオン引き出し電極３２とそのイオン引き出し電極電源３４のＯＮ／ＯＦＦでサイクロトロン１０内へのＨ⁻イオンの供給をＯＮ／ＯＦＦする。

イオン源３０から取り出されたＨ⁻ビームはディー電極４４により加速されて、シンクロトロン１０１に出射される。シンクロトロン１０１へ入射する前に、荷電変換薄膜１０６により荷電変換されてＨ^＋ビームとなる。

加速したＨ⁻ビームをシンクロトロン１０１に出射した後は、制御システム２３０からの入射停止信号に基づいてサイクロトロン１０の高周波電源４２や、イオン引き出し電極電源３４、取り出し磁場生成電源４９を立ち下げ、待機モードに移行する。

シンクロトロン１０１に入射されたＨ^＋ビームは、がん病巣２０４の深さに応じたエネルギーまで更に加速される。更に加速されたＨ^＋ビームはシンクロトロン１０１から取り出され、回転ガントリ２１０を経由して照射装置２２０へと運ばれ、患者２０２のがん病巣２０４に照射される。

本発明の実施例８の粒子線治療システム２００は、前述した実施例５の加速器システム１００を備えていることから、従来の粒子線治療システムより小型であるとともに、高電流密度による粒子線の照射時間を短くすることによって患者スループットを向上させることができる、という効果が得られる。

なお、粒子線治療システム２００がビーム輸送系を備えている場合について説明したが、ビーム輸送系を設けずに加速器システム１００と回転ガントリ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２１０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、１組の加速器システム１００に対して複数設けることができる。

また、照射方法は特に限定されず、走査電磁石を用いるスキャニング方式の他に、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で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方式を用いることができる。

＜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。

１０…サイクロトロン（加速器）
１２…取り出しエネルギービーム周回軌道
１５…取り出しビーム
２０…主電磁石
２１…主コイル
２２…リターンヨーク
２３…真空容器
２４…低エネルギービーム輸送用貫通口
２６…コイル用貫通口
２７…加速高周波印加用貫通口
２８…ビーム取り出し貫通口
２９…真空引き用貫通口
３０…イオン源
３２…イオン引き出し電極
３４…イオン引き出し電極電源
４０…高周波印加系
４２…高周波電源
４４…ディー電極
４８…静電デフレクタ電源
４９…取り出し磁場生成電源
５０…取り出し磁場領域（第１取り出し磁場領域）
５１Ａ，５３Ａ…上側取り出し磁場生成コイル
５２…取り出し磁場領域（第２取り出し磁場領域）
５１Ｂ，５３Ｂ…下側取り出し磁場生成コイル
５４…切り欠き
５５…突起
５６Ａ，５６Ｂ，５７…取り出し磁場生成シム
５８Ａ，５８Ｂ，５９…磁場補正シム
６０…静電デフレクタ
１００…加速器システム
１０１…シンクロトロン（円環加速器）
１０２，１０２Ａ，１０２Ｂ…セプタム電磁石
１０４…軌道マージ電磁石
１０６…荷電変換薄膜（荷電変換膜）
１０８，１０８Ａ…偏向電磁石
１０９…六極電磁石
１１０，１１５…四極電磁石
１１１…加速空胴
１１２…出射高周波印加装置
１１３…出射静電デフレクタ
１１４…制御装置
１１５…四極電磁石
２００…粒子線治療システム
２１０…回転ガントリ
２１１…偏向電磁石
２１２…四極電磁石
２１３…六極電磁石
２２０…照射装置
２２２…ビーム位置モニタ
２２４…線量モニタ
２２５，２２６…走査電磁石
２３０…制御システム
２０２…患者
２０４…がん病巣

Claims (8)

1. 固定主磁場および高周波電場を用いて負イオンビームを加速する加速器であって、
   前記固定主磁場を発生させる主電磁石と、
   前記主電磁石の内側に形成された空間に配置されており、前記負イオンビームの周回軌道のうち取り出しエネルギー軌道を含む領域に、前記負イオンビームの周回軌道の径方向外側に向かって弱くなる磁場勾配を有する第１取り出し磁場領域、および前記負イオンビームの周回軌道の径方向外側に向かって強くなる磁場勾配を有する第２取り出し磁場領域を形成する磁場形成部と、を備えた
   ことを特徴とする加速器。
2. 請求項１に記載の加速器において、
   前記磁場形成部の前記第１取り出し磁場領域は、径方向外側に向かって弱くなる磁場勾配を形成するコイル、前記主電磁石の磁極の対向面に形成される切り欠き、前記主電磁石の内側に形成された空間に配置されるシム、のうち少なくともいずれか１つによって生成される
   ことを特徴とする加速器。
3. 請求項１に記載の加速器において、
   前記磁場形成部の前記第２取り出し磁場領域は、径方向外側に向かって強くなる磁場勾配を形成するコイル、前記主電磁石の磁極の対向面に形成される突起、前記主電磁石の内側に形成された空間に配置されるシム、のうち少なくともいずれか１つによって生成される
   ことを特徴とする加速器。
4. 請求項１に記載の加速器において、
   前記磁場形成部によってセパレーションが増大した領域に前記負イオンビームを前記加速器外に取り出す静電デフレクタあるいはセプタム電磁石を更に備えた
   ことを特徴とする加速器。
5. 請求項１に記載の加速器と、
   前記加速器によって加速された前記負イオンビームを更に加速する円環加速器と、備えた
   ことを特徴とする加速器システム。
6. 請求項５に記載の加速器システムにおいて、
   前記加速器によって加速された前記負イオンビームを陽イオンビームに変換し、前記円環加速器に入射させる荷電変換膜を更に備えた
   ことを特徴とする加速器システム。
7. 請求項５に記載の加速器システムにおいて、
   前記加速器は、前記円環加速器の内周側に配置された
   ことを特徴とする加速器システム。
8. 請求項５に記載の加速器システム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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