JP2020135958A

JP2020135958A - イオン源、およびこれを用いた円形加速器ならびに粒子線治療システム

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Publication number: JP2020135958A
Application number: JP2019024347A
Authority: JP
Inventors: 孝義関; Takayoshi Seki; 関　　孝義
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2019-02-14
Filing date: 2019-02-14
Publication date: 2020-08-31
Anticipated expiration: 2039-02-14
Also published as: JP7096779B2; US20210393986A1; WO2020166116A1

Abstract

【課題】寿命が決定しているフィラメントを備えていない、長寿命な内部型のイオン源と、これを用いた円形加速器、ならびに粒子線治療システムを提供する。【解決手段】主磁極１の外部に設けられたマイクロ波電源２５と、マイクロ波電源２５で発せられたマイクロ波を主磁極１が生成する磁場が印加されている領域まで導入する高周波導波路２１およびアンテナ２７と、主磁極１の一部に設けた穴１Ａの内側に設けられ、主磁極１が生成する磁場とは逆向きの磁場を生成する磁場発生部と、を有し、穴１Ａの直径に応じて減衰させた主磁場に磁場発生部が生成する逆向きの磁場を印加して生成した磁場と高周波導波路２１およびアンテナ２７によって導入したマイクロ波とにより主磁極１の内部にプラズマを生成する。【選択図】図４

Description

本発明は、円形加速器に好適なイオン源、およびそれを備えた円形加速器、ならびに粒子線治療システムに関する。

本技術分野の背景技術として、特許文献１に記載の技術がある。この公報には、「第一内部イオン源と同じ粒子イオンを生成するように構成された第二内部イオン源を含み、さらにサイクロトロンが、第一内部イオン源または第二内部イオン源）のいずれかによりまたは同時に両イオン源により生成されたエネルギー粒子ビームを発生するように構成されている」という記載がある。

特表２０１１−５２３１８５号公報

上述の特許文献１では、内部に同種のイオン源を２個配置し、これを切り換えて使用することで長寿命化を行っていた。しかしながら、特許文献１に記載された方法では、１個１個のイオン源の寿命を延ばすことについては配慮されておらず、単純に２個のイオン源によって２倍の寿命を得るのみであった。

このため、いずれはフィラメントの損傷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を回避することはできず、装置の稼働率が低下する、との問題があった。

そこで本発明の目的は、寿命が決定しているフィラメントを備えていない、長寿命な内部型のイオン源と、これを用いた円形加速器、ならびに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、対向する磁極と、高周波加速電極と、を備えた円形加速器用のイオン源であって、前記磁極の外部に設けられたマイクロ波発信源と、前記マイクロ波発信源で発せられたマイクロ波を前記磁極が生成する主磁場が印加されている領域まで導入する導波路と、前記磁極の一部に設けた穴の内側に設けられ、前記磁極が生成する磁場とは逆向きの磁場を生成する磁場発生部と、を有し、前記穴の直径に応じて減衰させた前記主磁場に前記磁場発生部が生成する逆向きの磁場を印加して生成した磁場と前記導波路によって導入した前記マイクロ波とにより前記磁極の内部にプラズマを生成することを特徴とする。

本発明によれば、寿命が決定しているフィラメントを備えていない、長寿命な内部型のイオン源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。

本発明の円形加速器を用いた粒子線治療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。図４のイオン源中心のある位置における磁極穴径ｄを変えた時の磁場強度を示した図である。図１のイオン源周りの側面の概略の他の一例を示す図である。図４の磁場発生機構周りの磁力線を示す図である。図４の磁場発生機構周りで磁極形状を変えたときの磁力線を示す図である。図４のイオン源中心の垂直方向磁場分布を示す図である。

本発明のイオン源、およびこれを用いた円形加速器ならびに粒子線治療システムの実施例について図１乃至図９を用いて説明する。

最初に、粒子線治療システム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、本実施例の粒子線治療システムの全体構成を示す図である。

図１において、粒子線治療システム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。

粒子線治療システム１００では、イオン源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によって照射装置５４まで輸送されたイオンビームはそこ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治療システム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。

制御装置５６は、中央演算装置（ＣＰＵ）およびＣＰＵに接続されたメモリを有する。この制御装置５６では、治療計画装置（図示省略）で作成され、データベース（図示省略）に記憶された治療計画から粒子線治療システム１００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、指令を出力することで、粒子線治療システム１００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インストールされていても良い。

また、各装置は、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。

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の断面図で、図３はその加速器の横断面図である。

図２および図３に示すように、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、イオン源３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、等時性磁場をその磁極間に発生させる。加速器５０では、凸磁極１０によって主磁場Ｂ０を発生させるとともに、凸磁極１０のエッジにより形成された傾斜磁場で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。主磁場Ｂ０が発生する磁極ギャップＧ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。なお、磁極ギャップＧ内に、磁極を真空容器内面としない、分離された真空容器を別途設けてもかまわない。

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Ｂ０の磁場を発生させる。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。

次に図４乃至図９を用いて、イオン源３の詳細を説明する。

図４は図２のイオン源３の詳細を示した図である。図５は穴１Ａの直径ｄを変えた時のプラズマ生成位置での磁場強度を示す図である。図６はイオン源３の他の詳細を示した図である。図７は磁場分布調整溝２４と磁場発生機構２２によって発生した磁力線との関係を示す図である。図８は磁場分布調整穴２４Ａと磁場発生機構２２によって発生した磁力線との関係を示す図である。図９は磁場発生機構２２と主磁極１に設けた穴径ｄおよび磁場分布調整溝２４によって生成された磁場分布の一例を示す図である。

図４に示すように、イオン源３は、マイクロ波電源２５、高周波導波路２１、アンテナ２７、磁場発生機構２２、磁場分布調整溝２４、内部放電室２３、試料ガス源３０、試料ガス導入ライン３１、を備えている。

本実施例のイオン源３は、マイクロ波を用いて電子を加速し、加速された電子によりプラズマを生成するタイプのイオン源であり、いわゆる、消耗品が少なく、寿命の長いマイクロ波イオン源、あるいはＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）イオン源と呼ばれるものである。

マイクロ波電源２５は、イオン源３の内部放電室２３内でプラズマを生成するためのマイクロ波を生成する装置であり、図４に示すように主磁極１の外部に設けられている。

マイクロ波は、マイクロ波電源２５で発生させ、絶縁物２０を充填した高周波導波路２１内の内部導体２６を通してアンテナ２７により内部放電室２３に導入される。

試料ガス源３０は、加速器５０で加速するイオンの供給源であるプラズマを生成するための試料ガスの供給源であり、例えは加速するイオンが陽子の場合は水素ガスボンベ等である。本発明では、内部放電室２３内に導入する試料ガスは水素ガスに限られず、特に規定するものではない。

試料ガス導入ライン３１は、試料ガス源３０から内部放電室２３まで試料ガスを送る配管である。試料ガス導入ライン３１を流れる試料ガスは定常的に流すことができるが、パルス状に導入してもよく、特に規定するものではない。

高周波導波路２１は、内部導体２６の周囲に絶縁物２０が充填された同軸型のケーブルであり、マイクロ波電源２５からアンテナ２７までマイクロ波を伝播できるように構成されている。主磁極１の中心部まで挿入することを考えると、高周波導波路２１は、外側が金属で覆われた、変形のしにくいケーブルで構成されることが望ましいが、通常の同軸ケーブルを使用しても構わない。

絶縁物２０はマイクロ波伝送中にプラズマが生成されるのを防ぐことと、伝送領域での異常放電を防ぐものである。絶縁物２０は例えばポリテトラフルオロエチレンやアルミナなどであるが、特に規定するものではない。

アンテナ２７は、高周波導波路２１の内部導体２６の終端側に接続されており、内部放電室２３内に突き出た構造となっている。

これら高周波導波路２１およびアンテナ２７により、マイクロ波電源２５で発せられたマイクロ波を主磁極１が生成する磁場が印加されている領域まで導入する導波路が構成される。

なお、アンテナ２７および内部放電室２３の表面は、絶縁物でコーティングすればプラズマからの損傷をさらに低減することができる。絶縁物としてボロンナイトライドなどがある。また、絶縁する面積は全面であっても一部であってもよいが、その効果を最大限に発揮させるためには全面をコーティングすることが望ましい。

また、アンテナ２７は内部導体２６をそのまま使用した円筒形状であっても、内部導体２６に別途接続した導体で構成してもよく、その形状も円筒形状以外に円板形状や渦巻き形など、特に規定するものではない。

内部放電室２３は冷却構造とし、ビームプラズマの加熱による変形や損傷を減らすことが望ましい。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、銅などで構成される。

また、内部放電室２３の側面には引き出し用の孔２３Ａ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２３Ａから引き出しビーム１５が得られる。なお、内部放電室２３の側面に設ける引き出しビーム１５を生成する構造は孔２３Ａに限られず、スリット等とすることができる。

本実施例のイオン源３では、高周波導波路２１およびアンテナ２７によって導入したマイクロ波により、アンテナ２７と内部放電室２３との間でマイクロ波電界Ｅが生成される。

マイクロ波によるプラズマ生成には電界とこれに直交する磁場が必要となる。主磁極１で生成される磁極ギャップＧの主磁場Ｂ０の磁場強度は、たとえば２〜９テスラなどがある。マイクロ波プラズマは、電界と磁界による電子の共鳴運動（螺旋運動）を利用してプラズマを生成する。

ここで、共鳴する周波数は磁場強度とマイクロ波の周波数とによって決まり、たとえば９テスラ（Ｔ）の磁場では、その共鳴周波数が２５０ギガヘルツ（ＧＨｚ）以上にもなる。周波数が高くなると波長が短くなり、伝送が難しくなることや、発信機の構造が難しく、出力を上げることが難しくなる、といった問題がある。

このことから、プラズマ生成部では共鳴周波数を下げることが重要であり、このためにはできるだけ主磁極１によって生成される磁場強度を低減する必要がある。

そこで、本実施例では、主磁極１にイオン源３の挿入も兼ねた穴１Ａをあけ、この穴径ｄの大きさによってイオン源３のプラズマ生成位置の磁場強度を低減する。

図５に穴直径ｄを変えた時のプラズマ生成位置での磁場強度を示す。図５に示すように、主磁極１の穴１Ａの穴径を大きくすることで磁場強度が低下していることがわかる。ただし、図５に示すように、穴１Ａの直径ｄを４００ミリメートル（ｍｍ）以上にすると、磁場を更に低減することはできるものの、磁極ギャップＧの磁場強度が急激に減少する。このため、穴１Ａの穴径は上限は４００ミリメートル（ｍｍ）までとすることが望ましい。

なお、主磁極１の材質や磁極ギャップＧの寸法によってはギャップＧの磁場低下が始まる穴径ｄの大きさが変化すると考えられる。図５で示した範囲は一例を示したもので、特にこの値に限定されるものではない。

このように穴１Ａによる磁場強度低減の効果には限界があることから、本発明では、さらに主磁場Ｂ０を低減するために、主磁極１の一部に設けた穴１Ａの内側に、主磁極１が生成する磁場とは逆向きの磁場を生成する磁場発生機構２２をに設置する。この磁場発生機構２２により、主磁場Ｂ０とは逆方向の向きの磁場を生成し、打ち消す形で磁場を低減する。

この磁場発生機構２２は、例えば図４に示すような永久磁石で構成されるが、図６に示すようにコイル２２Ａで構成することができる。図６のようにコイル２２Ａで構成される場合は、主磁場を打ち消す磁場分布の調整も可能となる。

磁場発生機構２２、あるいはコイル２２Ａは、穴１Ａ内の内周側全面に設置されていても、一部に設置されていてもよく、主磁極１が生成する主磁場とは逆向きの磁場を生成することができればよい。

図７に示すように、主磁場Ｂ０の向きと反対向きになる磁場Ｂ１が磁場発生機構２２により生成される。これにより、図４に示すように、最終的な磁場Ｂ０’が生成される。この磁場Ｂ０’と導入されたマイクロ波とにより、主磁極１の内部の内部放電室２３内にプラズマが生成される。

さらに、図４に示すように、磁場発生機構２２と主磁極１の磁極対向面の間に設けた磁場分布調整溝２４によって、さらに主磁極１が生成する磁場強度を低減することができる。

磁場分布調整溝２４は、図７に示すような矩形形状の断面をした溝形状の場合について示しているが、この形状に限定されるものではない。また溝の他に、図８に示したように穴１Ａの穴径ｄより径の小さい径ｄ１の持った磁場分布調整穴２４Ａとしてもよい。さらには複数段の穴径を用いてもよい。

磁場分布調整溝２４を形成する場合は、主磁極１の穴１Ａの内周面側を削ることで作製しても、磁場分布調整穴２４Ａのような穴を形成した後に望ましくは主磁極１と同材質の円状板部材を当該穴の位置口周囲に溶接などで取付けることで形成してもよく、特に限定されない。

図９に示すように、磁場分布調整溝２４によって、プラズマ生成位置において中心位置で約４．２テスラ（Ｔ）の磁場が１テスラまで低減されている。このときの共鳴周波数は２８ギガヘルツ（ＧＨｚ）となり、標準的なマイクロ波電源２５や高周波導波路２１が利用可能となる。磁場発生機構２２で生成される磁場強度を増加させれば、さらに磁場Ｂ０’を低減でき、共鳴周波数も低減することができる。

本実施例では、図２や図４に示すように、イオン源３の内部放電室２３は主磁極１の内部に配置されており、イオン源３で生成されたプラズマから高周波電源１６により高周波加速電極７で生成された高周波電場によって引き出しビーム１５が得られる。

引き出された引き出しビーム１５は、凸磁極１０により形成される主磁場Ｂ０および高周波加速電極７の電場の作用によって周回軌道９を描きながら所定のエネルギーまで加速され、その後に周回軌道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。

上述した本実施例の粒子線治療システム１００は、対向する主磁極１、高周波加速電極７、イオン源３を備えた加速器５０と、加速器５０によって加速された荷電粒子ビームを照射する照射装置５４と、荷電粒子ビームを照射装置５４まで輸送するビーム輸送系５２と、荷電粒子ビームを照射する患者４５を載置する治療台４０と、を備えている。このうちイオン源３は、主磁極１の外部に設けられたマイクロ波電源２５と、マイクロ波電源２５で発せられたマイクロ波を主磁極１が生成する磁場が印加されている領域まで導入する高周波導波路２１およびアンテナ２７と、主磁極１の一部に設けた穴１Ａの内側に設けられ、主磁極１が生成する磁場とは逆向きの磁場を生成する磁場発生部と、を有し、穴１Ａの直径に応じて減衰させた主磁場に磁場発生部が生成する逆向きの磁場を印加して生成した磁場と高周波導波路２１およびアンテナ２７によって導入したマイクロ波とにより主磁極１の内部にプラズマを生成する。

このような構成によって、イオン源３にフィラメントがなくともプラズマを主磁極１の内側に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なフィラメントの損傷が無い、長寿命のイオン源３が得られる。また、イオン源３の構造が簡単で、組み立て解体も容易であることからメンテナンス時間の短縮となり、イオン源寿命の増加と合わせて、装置の稼働率向上の効果も得られるものとなっている。

このようにフィラメントが用いられていない内部イオン源を構成できるため、損耗部分がない長寿命なイオン源を用いて円形加速器を構成することで、長寿命で高稼働率を達成した円形加速器やそれを利用した粒子線治療システムを提供することができる。

また、穴１Ａの内周面側に設けられ、磁場発生部より主磁極１の内部側に設けられた磁場低減構造を更に有するため、マイクロ波電源２５等の低コスト化やプラズマ生成効率の向上などの効果を得ることができる。

更に、磁場発生部は、永久磁石、あるいはコイル２２Ａで構成されることで、簡易な構造で主磁極１が形成する磁場強度を低減することができる。

また、磁場低減構造は、磁場分布調整溝２４、あるいは穴１Ａより径の小さい磁場分布調整穴２４Ａで構成されることにより、簡易な構造で主磁極１が形成する磁場強度をより効果的に低減し、マイクロ波電源２５等の低コスト化やプラズマ生成効率の向上などの効果をより容易に得ることができる。

＜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、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イオン源３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。

また、加速器５０は、ビームの周回軌道のうち高エネルギー側の軌道が加速器５０外への取り出し領域側で密に集まる集約領域を有する偏心軌道型のタイプとすることができる。

１…主磁極
１Ａ…穴
２…円環状コイル
３…イオン源
６…真空容器
７…高周波加速電極
９…周回軌道
１０…凸磁極
１５…引き出しビーム
１６…高周波電源
２０…絶縁物
２１…高周波導波路（導波路）
２２…磁場発生機構（磁場発生部）
２２Ａ…コイル
２３…内部放電室
２３Ａ…孔
２４…磁場分布調整溝（磁場低減構造）
２４Ａ…磁場分布調整穴（磁場低減構造）
２５…マイクロ波電源（マイクロ波発信源）
２６…内部導体
２７…アンテナ（導波路）
３０…試料ガス源
３１…試料ガス導入ライン
４０…治療台
４５…患者（対象）
５０…加速器
５２…ビーム輸送系
５４…照射装置
５６…制御装置
１００…粒子線治療システム

Claims

対向する磁極と、高周波加速電極と、を備えた円形加速器用のイオン源であって、
前記磁極の外部に設けられたマイクロ波発信源と、
前記マイクロ波発信源で発せられたマイクロ波を前記磁極が生成する主磁場が印加されている領域まで導入する導波路と、
前記磁極の一部に設けた穴の内側に設けられ、前記磁極が生成する磁場とは逆向きの磁場を生成する磁場発生部と、を有し、
前記穴の直径に応じて減衰させた前記主磁場に前記磁場発生部が生成する逆向きの磁場を印加して生成した磁場と前記導波路によって導入した前記マイクロ波とにより前記磁極の内部にプラズマを生成する
ことを特徴とするイオン源。
請求項１に記載のイオン源において、
前記穴の内周面側に設けられ、前記磁場発生部より前記磁極の内部側に設けられた磁場低減構造を更に有する
ことを特徴とするイオン源。
請求項１に記載のイオン源において、
前記磁場発生部は、永久磁石、あるいはコイルで構成される
ことを特徴とするイオン源。
請求項２に記載のイオン源において、
前記磁場低減構造は、溝、あるいは前記穴より径の小さい穴で構成される
ことを特徴とするイオン源。
請求項１に記載のイオン源を備えたことを特徴とする円形加速器。
請求項５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荷電粒子ビームを照射する照射装置と、
前記荷電粒子ビームを前記照射装置まで輸送するビーム輸送系と、
前記荷電粒子ビームを照射する照射対象を載置する治療台と、を備えた
ことを特徴とする粒子線治療システム。