JP2021136060A - 円形加速器、粒子線治療システム、同位元素製造システム、および、放射性薬剤製造システム - Google Patents

Abstract

【課題】静的な主磁場を用いて正に帯電したイオンを加速する円形加速器において、ビーム取り出し効率を向上する。【解決手段】中間平面２に対して面対称に配置された一対の磁極８、９を備えた円形加速器１００４であって、磁極８、９に挟まれた領域に位置するイオン入射装置１００３の中心を通り中間平面２に垂直な入射軸１２と、円形加速器１００４の中心を通り中間平面２に垂直な中心軸１３とが相異なり、入射軸１２と中心軸１３とを含む平面３に垂直で入射軸１２を含む平面１５に対して、中心軸１３と同じ側に出射チャネル１０１９の入り口が位置することを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は、円形加速器の構造に関し、特に、連続的にイオンビームを効率よく出射することのできる円形加速器に関する。

静的な主磁場と固定周波数の加速空洞を用いる加速器として、サイクロトロンと呼称される円形加速器がある。サイクロトロンでは、イオン源で生成されたイオンが高周波加速空洞で加速されることで同心円状にビーム軌道が拡大していく。規定された最高エネルギーまで加速されたビームは加速器の外に取り出され、種々の目的に利用される。

サイクロトロンのビームの取り出し方法は、加速するイオンの価数が正か負かにより、二種類に大別される。イオンの価数が正の場合は、静電デフレクタを用いるのが一般的である。静電デフレクタは、厚さ０．２ｍｍ程度のセプタム電極と、高電圧電極とをビームを挟んで対向配置する構成である。セプタム電極は、サイクロトロン内の最高エネルギーのビーム軌道と、それに隣接したエネルギーのビーム軌道の間に配置され、高電圧電極は、最高エネルギーのビーム軌道の径方向外側に配置される。高電圧電極とセプタム電極の間に強力な静電場を発生し、この静電場をビームが通過することで、ビームの軌道を径方向外側に押し広げて取り出す。

このような静電デフレクタを用いる取り出し方法では、ビーム取り出しにおけるビーム損失量は、最高エネルギーのビーム軌道と隣接したビーム軌道の間の幅（ターンセパレーション）の大きさにおよそ反比例する。従って、ターンセパレーションが大きいほどビーム取り出し効率が向上する。

そこで、特許文献１では、最外周のビーム軌道に対してだけ作用する高周波加速空洞を追加配置して、最終周のビームエネルギー増分を増大させ、ターンセパレーションを増大させる構成を提案している。

一方、サイクロトロンで加速するイオンの価数が負の場合は、ストリッピングと呼ばれる方法を用いるのが一般的である。最高エネルギーまで加速されたビーム軌道上に、ストリッパーと呼ばれる薄膜が配置される。イオンは、ストリッパーを通過する際に電子をはぎ取られ、価数が負から正に荷電変換される。イオンの価数の符号がかわることで、主磁場中のビーム軌道は、その曲率の符号が変わるため、ビームを加速器外に取り出すことができる。

また、特許文献２には、静的な主磁場を用いた円形加速器でありながら、低エネルギーから高エネルギーまで幅広いエネルギーのビームを取り出すために、ビーム軌道を偏心させた円形加速器が開示されている。ビーム軌道を偏心させることにより、ビーム軌道のターンセパレーションが狭い領域と、広い領域とが生じるため、ターンセパレーションが狭い位置の最外周部にビーム出射経路の入り口を配置することにより、軌道の中心に近い低エネルギーの周回軌道とビーム出射経路の入り口との距離を近づけている。そして、ターンセパレーションが広い領域に偏向電磁石装置を配置して、低エネルギーから高エネルギーの軌道のうち所望のエネルギーの軌道のビームを偏向させることにより変位させて、ターンセパレーションが狭い領域に配置したビーム出射経路の入り口に接近させ、出射させる構成である。

また、特許文献３には、特許文献２のようにビーム軌道を偏心させた円形加速器において、ビーム軌道のターンセパレーションが狭い領域は、より密に、ターンセパレーションが広い領域は、より疎になるように、軌道を偏心した楕円形にする構成が提案されている。特許文献３の円形加速器においても、低エネルギーから高エネルギーまで幅広いエネルギーのビームを取り出すために、ビームの出射経路の入り口は、特許文献２と同様にターンセパレーションが狭い領域の最外周に配置されている。

特許第６０３８６８２号公報 国際公開第２０１６／０９２６２１号 特開２０１８−１８１６８７号公報

粒子線治療や薬剤製造の効率向上のため、ビームを連続して、効率よく取り出すことができる加速器が望まれている。

加速器からのビーム取り出し効率の観点で、静電デフレクタとストリッピングとを比較すると、ストリッピングの方が取り出し効率が大きい。しかしながら、ストリッピングを適用できない状況も多々ある。例えば陽子ビームを取り出したい場合、ストリッピングで取り出すためには負水素イオンを加速する必要がある。しかし、ビームが高エネルギーになったり、主磁場が高磁場化すると、負水素イオンはローレンツストリッピングによって電子を失うため、加速することができなくなる。そのため、最大で230MeV程度のエネルギーを必要とし、小型化のために1T以上の磁場を要求される陽子線治療用の加速器としてサイクロトロンを用いる場合には、ストリッピングでビームを取り出すことは難しいため、イオン源で陽子を生成して加速し、静電デフレクタを用いてビームを取り出す構成にする必要がある。

また、アルファ線を取り出したい場合、負ヘリウムイオンよりも正のヘリウムイオンの方が容易に大量生成できるため、ストリッピングと静電デフレクタの取り出し効率の違いを考慮しても、正のヘリウムイオンを利用したほうが取り出しビーム電流を大きくできる。よって、アルファ線を取り出す場合も、静電デフレクタを用いるサイクロトロンの構成になる。

一方、粒子線治療システムや同位体製造システムなどに用いられる加速器は、できるかぎり小型であることが望まれているため、加速器の主磁場を大きくして、ターンセパレーションを小さくする傾向にある。しかしながら、ビーム取り出し効率は、ターンセパレーションが小さくなると低下してしまう。そのため、特許文献１のように、運動エネルギー増分を増大させてターンセパレーションを増大させる方法が考えられる。運動エネルギーの増分を増大させるためには、ビームを加速するための高周波電源の容量や個数を増やして、ビーム加速のための電力を増大させる必要があるが、加速空洞を構成する材料の絶縁耐圧と加速空洞の設置面積により、電力の増大には限界がある。

一方、特許文献２，３に記載の軌道を偏心させたサイクロトロンはいずれも、低エネルギーから高エネルギーまで、周回軌道の異なるビームを同じ出射経路から取り出すために、ビームの出射経路の入り口は、ターンセパレーションが狭い領域の最外周に配置されている。

本発明が解決しようとする課題は、静的な主磁場を用いて正に帯電したイオンを加速して連続して出射する円形加速器における、ビーム取り出し効率の向上である。

前記課題を解決するために、本発明の円形加速器は、中間平面を挟んで対向配置された一対の磁極と、磁極に挟まれた空間にイオンを外部から入射させるか、または、空間内でイオンを発生するイオン導入部と、磁極に挟まれた空間を周回しながら加速されたイオンビームを周回軌道から離脱させる出射チャネルとを有する。中間平面に垂直でイオン導入部の中心を通るイオン入射軸は、中間平面に垂直な磁極の中心軸からずれた位置に配置されている。出射チャネルは、イオン入射軸と中心軸とを含む平面に垂直でイオン入射軸を含む垂直平面に対して、中心軸と同じ側の磁極外周近傍に配置されている。

本発明によれば、主磁場の減少もしくは高周波電源の電力増強をせずにビームのターンセパレーションが増大し、ビーム取り出し効率が向上する。

実施形態１における円形加速器１００４を用いた粒子線治療システムの構成を示すブロック図である。 実施形態１の円形加速器１００４の斜視図である。 実施形態１の円形加速器１００４の断面図である。 実施形態１の円形加速器１００４の下部磁極９を中間平面２からみた平面図である。 実施形態１の円形加速器１００４の出射チャネル１０１９の偏向部１００の断面図である。 実施形態２の円形加速器１００４の出射チャネル１０１９の偏向部１００の断面図である。 実施形態３における放射性薬剤製造システムの構成を示すブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態を、各図を参照して説明する。

＜＜実施形態１＞＞
まず、実施形態１として粒子線治療システムについて図１を用いて説明する。

粒子線治療システム１００１は、建屋（図示せず）内の床面に設置される。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とイオン源１００３が接続された円形加速器１００４とを含む。

ビーム輸送系１０１３は、円形加速器１００４から照射装置１００７に達するビーム経路１０４８を含む。ビーム経路１０４８は、円形加速器１００４に設けられた出射チャネル１０１９のイオンビームの出射口に接続されている。このビーム経路１０４８には、円形加速器１００４から照射装置１００７に向かって順に、４極電磁石１０４６、偏向電磁石１０４１、４極電磁石１０４７、偏向電磁石１０４２、４極電磁石１０４９、１０５０、および偏向電磁石１０４３、１０４４が配置されている。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に搭載されており、上述の偏向電磁石１０４２、４極電磁石１０４９、１０５０および偏向電磁石１０４３、１０４４は、回転ガントリー１００６に搭載されている。

また、円形加速器１００４の出射チャネル１０１９と４極電磁石１０４６との間のビーム経路１０１３には、エネルギー選択システム（ＥＳＳ）１００５が配置されている。ＥＳＳは、出射チャネル１０１９から出射されたイオンビームのエネルギーを所望のエネルギーに調整する。ＥＳＳ１００５は、通常、ディグレーダと呼ばれる散乱体と複数の偏向磁石やスリットとを備えて構成される（図示せず）。

回転ガントリー１００６には、照射装置１００７が搭載されている。照射装置１００７は、偏向電磁石１０４４の下流に位置する。回転ガントリー１００６は、回転軸１０４５を中心に回転する回転機構（図示せず）を含み、照射装置１００７を回転軸１０４５の周りで旋回させる。患者１０５６が横たわる治療台１０５５は、回転ガントリー１００６の回転範囲の内側に、照射装置１００７と対向するように配置される。これにより、照射装置１００７を回転ガントリー１００６が回転させることにより、所望の角度から患者１０５６に対してイオンビームを照射することが可能になる。

照射装置１００７は、２台の走査電磁石（イオンビーム走査装置）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。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は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偏向させてｙ方向に操作し、走査電磁石１０５２はイオンビームをその平面内において偏向させてｙ方向と直交するｘ方向に走査する。ビーム位置モニタ１０５３及び線量モニタ１０５４は走査電磁石１０５１、１０５２の下流に配置される。走査電磁石１０５１、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（図示せず）内に配置されている。

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と、ＣＰＵ１０６７に接続されたメモリ１０６８とを備えている。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、それぞれＣＰＵ１０６７に接続されている。

また、粒子線治療システム１００１は、患者１０５６のイオンビームを照射すべき方向、走査範囲、および、照射エネルギー値を定める治療計画を作成する治療計画装置１０７３を有している。治療計画装置１０７３は、データベース１０７２に接続されており、作成した治療計画をデータベース１０７２内に格納する。ＣＰＵ１０６７は、データベース１０７２内の治療計画に定められたエネルギー値のイオンビームが、治療計画に定められた方向から患者１０５６に照射されるように、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を制御する。

次に、図２および図３を用いて、円形加速器１００４について説明する。図２は、磁石装置１の斜視図であり、図３は、磁石装置１の縦断面図である。

円形加速器１００４は、図２および図３に示した磁石装置１と、イオン導入部（１２、１４）と、磁石装置１内に配置されたディー電極６１，６２と、出射チャネル１０１９とを備えている。

磁石装置１は、図２に示すように、軸１３を中心とする略円盤状の外形の上鉄芯部４と下鉄芯部５とを中間平面２を挟んで重ねた構成である。上鉄芯部４と下鉄芯部５は、それぞれ、中間平面２側にほぼ面対称な形状の凹部を有し、重ねられた上鉄芯部４と下鉄芯部５の内側に空間が形成されている。なお、図２では中間平面２の磁石装置１に対する交差部分を一点鎖線で示している。

上鉄芯部４と下鉄芯部５の内側の空間の中央部には、上部磁極８と下部磁極９が配置され、上部磁極８の上面は上鉄心部４に結合され、下部磁極９の下面は下鉄心部５に結合されている。上部磁極８と下部磁極９の向かい合う面（磁極面）は、中間平面２を挟んで面対称な形状である。

上鉄芯部４と下鉄芯部５に囲まれた内部空間内の上部磁極８と下部磁極９の周囲には、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。コイル６は、図１に示したように、内部空間から外部に引き出されたコイル引出配線１０２２によって、磁石装置１の外に配置されたコイル励磁用電源１０５７に接続されている。コイル励磁用電源１０５７からコイル６に電力が供給されることによりコイル６は磁場（主磁場）を発生する。磁場は、上鉄芯部４および下鉄芯部５と、上部磁極８および下部磁極９とを介して、上部磁極８と下部磁極９に挟まれた空間に印加される。

このとき、上部磁極８と下部磁極９の対向する磁極面の形状は、中間平面２を含む上部磁極８と下部磁極９に挟まれた空間に所定の磁場分布を形成するように設計されている。この磁場分布により、上部磁極８と下部磁極９に挟まれた空間をらせん状に周回しながら加速されるイオンビームの周回軌道５１、５２，５３，５４を図４のように偏心させ、周回軌道の疎な領域と密な領域とを形成する。磁極面の形状と、偏心したらせん状の周回軌道については後で詳しく説明する。

また上鉄芯部４および下鉄芯部５に囲まれた空間内には、上部磁極８および下部磁極９と、その外側に配置されたコイル６とを隔てるように真空容器７が設置されている。上部磁極８および下部磁極９は真空容器７の内部に配置され、上部磁極８と下部磁極９の間の空間は、イオンビームが周回可能な真空度に保たれている。

上鉄芯部４の上には、外部イオン源１００３が搭載されている。外部イオン源１００３が発生したイオンを、上部磁極８と下部磁極９に挟まれた空間に入射させるために、上部鉄芯４および上部磁極８には貫通孔１４ａが設けられている。上部磁極８の貫通孔１４ａの下端開口の下の中間平面２に、スパイラルインフレクタ１４ｂが配置されている。スパイラルインフレクタ１４ｂは、外部イオン源１００３で生成され、貫通孔１４ａを通って上部磁極８と下部磁極９に挟まれた空間に入射したイオンの進行方向を、中間平面２の略面内において、スパイラルインフレクタ１４の中心を通り中間平面２と垂直なイオン入射軸１２の周囲で周回する向きに偏向する。

なお、外部イオン源１００３ではなく内部イオン源を用いてもよい。内部イオン源を用いる場合、上鉄芯部４に貫通孔１４ａは不要であり、スパイラルインフレクタ１４ｂを設置する位置に内部イオン源を設置すればよい。

イオン入射軸１２は、上部磁極８および下部磁極９の中間平面に垂直な中心軸１３からずれた位置に配置されている。イオンビームの軌道の中心は、最内周ではイオン入射軸１２付近に位置し、上部磁極８および下部磁極９の中心軸１３に対して偏心しているが、加速されて周回軌道の半径が大きくなるにつれ、上部磁極８および下部磁極９の形成する磁場分布により、中心軸１３に近づいていく。これにより、周回軌道の疎な領域と密な領域とが形成される。

なお、円形加速器１００４には、最外周の軌道５４のイオンビームのビーム電流を測定するビーム電流測定装置１０９８が配置されている。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。

つぎに、上部磁極８および下部磁極９の磁極面の形状と、偏心したらせん状の周回軌道について詳しく説明する。上述したように、上部磁極８および下部磁極９の磁極面の形状は、中間平面２に対して面対称であるため、以下では、下部磁極９の磁極面１０について詳細に説明する。

図４は、磁極面１０を中間平面２から見た平面図である。磁極面１０には、ビーム軌道５１，５２、５３、５４の周回方向にわたって凹部２１、２２、２３、２４と凸部３１、３２、３３、３４が交互に配置されている。それぞれの凹部２１、２２、２３、２４と凸部３１、３２、３３、３４は略扇形形状であり、各凹部と凸部の扇形形状の頂点が集約される位置は、入射軸１２の位置である。凹部２１、２２、２３、２４と凸部３１、３２、３３、３４は、入射軸１２と中心軸１３を通って中間平面２に垂直な垂直面３に対して、面対称に配置されている。すなわち、図４において、境界４１と境界４８の間の領域が凹部２１、境界４１と境界４２に挟まれた領域が凸部３１、境界４２と境界４３に挟まれた領域が凹部２２、境界４３と境界４４に挟まれた領域が凸部３２、境界４４と境界４５に挟まれた領域が凹部２３、境界４５と境界４６に挟まれた領域が凸部３３、境界４６と境界４７に挟まれた領域が凹部２４、境界４７と境界４８に挟まれた領域が凸部３４である。

これらの凹部２１ないし２４および凸部３１ないし３４は、例えば特許文献３に記載されているように、中間平面２に等時性磁場を生成する。これにより、イオンビームの軌道５１、５２、５３の中心は、中心軸１３に対して偏心し、隣接ビーム間のターンセパレーションが小さい領域が生成される。また、凹部２１ないし２４および凸部３１ないし３４を設けたことにより生じる磁場分布が、イオンビームを中間平面２に垂直な方向において収束させる作用をする。これにより、イオンビームの周回面は、中間平面２と略一致する。
凹部２２および凹部２４には、それぞれディー電極６１およびディー電極６２が配置されている。ディー電極６１、６２には、導波管１０１０を介して高周波電源１０３６が接続されている。高周波電源１０３６は、導波管１０１０を介してディー電極６１，６２に電圧を印加することにより、ディー電極６１，６２に固定周波数の高周波電場が生じさせる。これにより、ディー電極６１，６２を通過するイオンビームは、固定周波数の高周波電場により加速される。

出射チャネル１０１９は、最外周の軌道５４上であって、すぐ内側の軌道５３との距離が大きい周回軌道が粗の領域に配置されている。具体的には、垂直面３に垂直で入射軸１２を含む垂直面１５に対して、中心軸１３と同じ側の磁極８，９の外周近傍に配置されている。さらに具体的には、上下の凹部２３に挟まれた外周面１１の近傍に設置されている。なお、ここでいう「磁極８，９の外周近傍に配置される」とは、出射チャネル１０１９の少なくとも一部が、磁極８，９よりも外周側に位置することを言う。

出射シャネル１０１９は、最外周の軌道５４を周回するイオンビームを取り込む入射口１０１９ａと、偏向部１００と、偏向したイオンビームを外部に出射する出射口１０１９ｂとを含む。偏向部１００は、入射口１０１９ａから取り込まれて軌道５４上を周回するイオンビームに、径方向外向きの電磁力を加える電場を印加してその進行方向を径方向外側に偏向させる。本実施形態では、偏向部１００として、図５に示すように対向配置されたセプタム電極１０１と高圧電極１０４とを含む静電デフレクタを用いる。セプタム電極１０１は、最外周の軌道５４と、最外周の軌道５４よりも一つ内側の軌道５３との間に挿入されている。セプタム電極１０１と高圧電極１０４は、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からセプタム電極１０１と高圧電極１０４にそれぞれ所定の電圧を印加することにより、セプタム電極１０１と高圧電極１０４間に電場が形成される。最外周の軌道５４を通過するイオンビームは、セプタム電極１０１と高圧電極１０４との間を通過するため、電場が作用し、イオンビームが周回軌道５４から離脱し、出射口１０１９ｂを通ってビーム輸送系１０１３へ入射する。

図５を用いて、静電デフレクタ１００の構成をさらに説明する。静電デフレクタ１００は、セプタム電極１０１、高圧電極１０４、ハウジング１０５、および、セプタム補強版１０２を備えて構成される。セプタム電極１０１は０．２ｍｍ程度の薄い導体で、セプタム補強板１０２とともにハウジング１０５に固定され、矩形筒状のハウジング１０５の一面を構成している。ハウジング１０５は、入射口１０１９ａと出射口１０１９ｂと内部にイオンビームを通過させる空間を有する。ハウジングの内部には、イオンビームの軌道５４を挟んで、セプタム電極１０１と対向するように高圧電極１０４が配置され、高圧電極１０４は電圧導入部１０３を介してハウジング１０５に固定されている。高圧電極１０４に電圧を印加することで、セプタム電極１０１と高圧電極１０４の間に電場が生じ、イオンビームには径方向外側にずらす方向の電磁力が働く。

以上の構成の粒子線治療システムの各部の動作について説明する。

外部イオン源１００３で生成されたイオンは、貫通孔１４ａ、スパイラルインフレクタ１４ｂを通過して中間平面２に導入されて入射軸１２の周りを周回し、ディー電極６１、６２を通過することにより固定周波数の高周波電場を照射されて加速されていく。凹部２１ないし２４、および凸部３１ないし３４を備えた上部磁極８および下部磁極９は、中間平面２付近の空間に等時性の磁場を生成しているため、イオンビームは、固定周波数の高周波電場によって加速されてビーム軌道５１，５２，５３、５４のように拡大していく。

このビーム軌道５１，５２，５３、５４は、上部磁極８および下部磁極９が生成する磁場の分布によって、図４に示したように、片側に偏心した非同心円状のビーム軌道を描きながら、軌道の中心が中心軸１３に近づく方向に徐々にずれる。これによって、ビーム軌道５１，５２、５３，５４は、ビームが同心円状に拡大していく場合に比較して、軌道同士が近接した密な領域（入射軸１２が、上部磁極８および下部磁極９の外周に接近している領域）と、軌道同士の間隔が離れた粗な領域（入射軸１２が、上部磁極８および下部磁極９の外周から離れている領域）とが生じ、軌道が粗な領域ではビームのターンセパレーションが増大する。特に最大エネルギー軌道５４とその一周手前のビーム軌道５３との間のターンセパレーションが最大となり、ビーム軌道が同心円状の場合に比較してターンセパレーションが二倍になる。

軌道５３，５４のターンセパレーションが顕著に粗になる範囲は、イオン入射軸１２と中心軸１３とを含む平面３に垂直であって、イオン入射軸１２を含む垂直平面１５に対して、中心軸１３と同じ側である。本実施形態では、この範囲に、出射チャネル１０１９が配置されているため、最外周の軌道５４のイオンビームの損失を低減しながら、偏向させて出射させることができる。

すなわち、イオンビームを取り出す際のビーム損失量は、おおよそ静電デフレクタ１００のセプタム電極１０１の厚みとビームのターンセパレーションの比で決まる。本実施形態では、最大エネルギー軌道５４とその一周手前のビーム軌道５３との間のターンセパレーションが、ビーム軌道が同心円状の場合に比較して二倍になるため、ビーム損失量をおおよそ半減させることができる。

具体的には、従来のビーム軌道が同心円状のサイクロトロンにおいて、ターンセパレーションδと運動エネルギーΚおよび取り出し半径ρ間に、式（１）の関係があることが知られている。ここでγはローレンツ因子である。

粒子線治療システムにおいて、陽子線を照射する場合、円形加速器から取り出される陽子線の最大ビームエネルギーは、230MeV程度である。このとき、ディー電極のギャップ一つあたりの電圧が250kVで、一周で1MeVの運動エネルギー増分が見込めるとし、さらに取り出し半径が1.5mと仮定すると、上記式(1)を用いて、ビーム軌道が同心円状の場合のターンセパレーションは約2.3mmと求まる。本実施形態のビーム軌道を偏心させる円形加速器１００４では、同心円状の軌道のターンセパレーションの倍の約4.6mmまで広げることができる。

このように、本実施形態を採用することで、ターンセパレーションを1mm以上のオーダーで増やすことが可能である。一般に、サイクロトロンでは出射チャネル入り口に、静電デフレクタを用いることが多く、本実施形態でも同様に静電デフレクタ１００を用いる構成であるが、本実施形態では、ターンセパレーションが増大した位置に静電デフレクタ１００を配置するため、ビーム損失量を低減し、エネルギーの大きなイオンビームを連続して出射することができる。

円形加速器１００４から出射されたイオンビームは、エネルギー選択システム（ＥＳＳ）１００５により、データベース１０７２の治療計画に沿ったエネルギー値まで低減された後、ビーム輸送系１０１３に沿って収束等されながら進み、回転ガントリー１００６により患者１０５６に対して所望の角度に向けて配置された照射装置１００７から、患者１０５６の患部に照射される。

本実施形態では、上述のようにターンセパレーションが増大した位置に出射チャネル１０１９を配置しているため、エネルギーの大きなイオンビームを連続して出射することができるため、患者１０５６に連続して走査等しながらエネルギーの大きなイオンビームを照射することができる。よって、本実施形態の粒子線治療システムは、治療を短時間で完了させることができ、患者の負担を軽減できる。

＜＜実施形態２＞＞
実施形態２の粒子線治療システムは、最外周の軌道５４とその内側の軌道５３とのターンセパレーションが広いことを利用し、ビーム出射チャネル１０１９の偏向部１００として、セプタム電磁石１１０を用いる構成である。偏向部１００以外の他の構成は、実施形態１と同様であるので説明を省略し、セプタム電磁石１１０の構成のみ説明する。

図６に、セプタム電磁石１１０の断面図を示す。セプタム電磁石１１０は、薄いセプタムコイル１１１と、そのリターンコイル１１２を、ヨーク１１３で囲い、セプタムコイル１１１側にさらに磁気シールド１１４を配置した構成である。セプタム電磁石１１１は、最外周の軌道５４と、その一つ内側の軌道５３との間に挿入される。

セプタムコイル１１１とリターンコイル１１２は、その間の空間に磁場を発生し、軌道５４を周回するイオンビームに径方向外側に向ける電磁力を加え、偏向させる。これにより、出射チャネル１０１９の出射口１０１９ｂからイオンビームを出射させる。

一般に、セプタムコイル１１１と磁気シールド１１４を合わせた厚みは数ｍｍ以上となり、静電デフレクタ１００のセプタム電極１０１よりも厚い。このため、セプタム電磁石１１０を出射チャネル１０１９の入り口に用いるためには、静電デフレクタ１００を用いる場合よりも大きなターンセパレーションが要求されるが、本実施形態では、実施形態１で説明したように、最外周軌道５４と軌道５３のターンセパレーションが広がっているため、セプタム電磁石１１０を配置することができる。

また、セプタム電磁石１１０は、静電デフレクタ１００よりも出射ビームを大きく曲げることが可能である。

また、セプタム電磁石１１０を用いることにより、設計の自由度が増すという利点もある。

＜＜実施形態３＞＞
実施形態３として、円形加速器を用いた放射性薬剤製造システムについて図７を用いて説明する。

実施形態３の放射性薬剤製造システム２０１は、同位元素製造システム２０２と、同位性元素製造システムで製造された同位元素と原料とを合成する合成装置２０４とを少なくとも備えている。同位元素製造システム２０２は、実施形態１において説明した円形加速器１００４と、円形加速器から出射されたイオンビームをターゲット保持部に保持されたターゲットに照射する構成である。ターゲットにイオンビームを照射されることにより、同位元素が製造される。

ターゲットは、固体、粉末、または、粉末を溶媒に分散させた溶液等種々の形態のものを用いることができる。ターゲット保持部２０３は、ターゲットの形態に応じて、固体を支持する形状のものや、粉末や容器が入った容器を保持する形状のものを用いることができる。ターゲット保持部２０３は、固体のターゲットを回転させたり、粉末や溶液を循環させる機能を備えていてもよい。

ターゲット保持部２０３と合成装置２０４との間には、ターゲットにイオンビームを照射することにより製造された同位元素を、合成装置２０４まで搬送する搬送機構が配置されている。搬送機構としては、ターゲットや製造された同位元素が固体や粉末である場合には、ベルトコンベア等の搬送機構を用いることができる。ターゲットや製造された同位元素が、粉末や溶液の形態である場合は、搬送機構として配管を用いることができる。

合成装置２０４では、同位元素と所定の原料とを混合や反応させることにより、薬剤が製造される。合成装置２０４は、ホットラボ室２０８に配置されている。ホットラボ室２０８には、製造された薬剤の品質を確認する品質コントロール（ＱＣ）装置２０６が配置されている。合成装置２０４により製造された薬剤は、ＱＣ装置２０６により品質を確認された後、処理室２０９に配置されている注射器やカテーテル等の投与装置２０７により、患者の体内に投与される。

近年、アルファ線放出核種（特にアスタチン２１１）を用いたアルファ線内容療法が注目されている。本実施形態の放射性薬剤製造システムを用い、ターゲットとしてビスマス２０９を用い、円形加速器１００４から３０ＭｅＶ程度のアルファ線を照射することによりアスタチン２１１を製造することができる。合成装置では、アスタチン２１１を用いて薬剤を製造する。薬剤の一例としては、211At-MABG（メタアスタトベンジルグアニジン）を製造することができる。

実施形態３の放射性薬剤製造システムは、実施形態１の円形加速器１００４を用いることより、最外周の軌道５４とそのすぐ内側の軌道５３とのターンセパレーションが大きいため、出射チャネル１０１９から出射させるアルファ線の電流量を増加させることができる。よって、アスタチンの製造効率を向上させることができる。

従来、同位体元素製造システム用の加速器としてサイクロトロンを用いてアルファ線を照射する場合、ヘリウムイオンは負イオンよりも正イオンのほうが容易に大量生成できるため、二価のヘリウムイオンをサイクロトロンにより加速して、静電デフレクタにより軌道から偏向させて出射させる方法がある。

この方法と比較して、実施形態３の放射性薬剤製造システムは、円形加速器１００４から出射させるアルファ線の電流量を増加させることができるため、高効率でアスタチンを製造することができる。

１ 磁石装置
２ 中間平面
３ 垂直面
４ 上鉄芯部
５ 下鉄芯部
６ コイル
７ 真空容器
８ ２０８、４０８、５０８ 上部磁極
９、２０９、３０９、４０９、５０９ 下部磁極
１０ 磁極面
１１ 外周面
１２ イオン入射軸
１３ 中心軸
１４ａ 貫通孔
１４ｂ スパイラルインフレクタ
１５ 垂直面
２１、２２、２３、２４ 凹部
３１、３２、３３、３４ 凸部
４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８ 凹凸境界面
５１、５２、５３、５４ ビーム軌道
６１、６２ ディー電極
１００ 偏向部（静電デフレクタ）
１０１ セプタム電極
１０２ セプタム補強板
１０３ 電圧導入部
１０４ 高圧電極
１０５ ハウジング
１１０ セプタム電磁石
１１１ セプタムコイル
１１２ リターンコイル
１１３ ヨーク
１１４ 磁気シールド
２０１ 放射性薬剤製造システム
２０２ 同位元素製造システム
２０３ ターゲット保持部
２０４ 合成装置
２０５ 搬送機構
２０６ 品質コントロール装置
２０７ 投与装置
２０８ ホットラボ室
２０９ 処置室
１００１ 粒子線治療システム
１００２ イオンビーム発生装置
１００３ イオン源
１００４ 加速器
１００５ エネルギー選択システム（ＥＳＳ）
１００６ 回転ガントリー
１００７ 照射装置
１０１０ 導波管
１０１３ ビーム輸送系
１０１７ ビーム電流測定器移動装置
１０１９ 出射チャネル
１０２２ コイル引出配線
１０３６ 高周波電源
１０３９ ビーム電流位置検出器
１０４１ 偏向電磁石
１０４２ 偏向電磁石
１０４３ 偏向電磁石
１０４４ 偏向電磁石
１０４５ 回転軸
１０４６ ４極電磁石
１０４７ ４極電磁石
１０４８ ビーム経路
１０４９ ４極電磁石
１０５０ ４極電磁石
１０５１ 走査電磁石
１０５２ 走査電磁石
１０５３ ビーム位置モニタ
１０５４ 線量モニタ
１０５５ 治療台
１０５６ 患者
１０５７ コイル励磁用電源
１０６５ 制御システム
１０６６ 中央制御装置
１０６７ 中央演算装置（ＣＰＵ）
１０６８ メモリ
１０６９ 加速器・輸送系制御装置
１０７０ 走査制御装置
１０７２ データベース
１０７３ 治療計画装置
１０８０ 入射用電極電源
１０８１ 入射用電極引出配線
１０８２ 出射チャネル用電源
１０８８ 回転制御装置
１０９８ ビーム電流測定装置

Claims (12)

1. 中間平面を挟んで対向配置された一対の磁極と、前記磁極に挟まれた空間にイオンを外部から入射させるか、または、前記空間内でイオンを発生するイオン導入部と、前記磁極に挟まれた空間を周回しながら加速されたイオンビームを周回軌道から離脱させる出射チャネルとを有し、
   前記中間平面に垂直で前記イオン導入部の中心を通るイオン入射軸は、前記中間平面に垂直な前記磁極の中心軸からずれた位置に配置され、
   前記出射チャネルは、前記イオン入射軸と前記中心軸とを含む平面に垂直で前記イオン入射軸を含む垂直平面に対して、前記中心軸と同じ側の前記磁極の外周近傍に配置されていることを特徴とする円形加速器。
2. 中間平面を挟んで対向配置され、前記中間平面を含む空間に所定の磁場分布を形成する一対の磁極と、前記空間にイオンを外部から入射させるか、または、前記空間内でイオンを発生するイオン導入部と、前記空間をらせん状に周回しながら加速されるイオンビームのうち最外周を周回するイオンビームの進行方向を径方向外側にずらして外部に出射させる出射機構とを有し、
   前記中間平面に垂直で前記イオン導入部の中心を通るイオン入射軸は、前記中間平面に垂直な前記磁極の中心軸からずれた位置に配置され、
   前記磁場分布は、前記らせん状に周回するイオンビームの周回軌道を偏心させ、前記周回軌道の疎な領域と密な領域とを形成するものであり、
   前記出射機構は、前記周回軌道の疎な領域の前記最外周の周回軌道上に配置されてい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であって、
   前記イオンの周回軌道の中心は、前記軌道の半径が大きくなるにつれ、前記イオン入射軸から前記中心軸に向かって徐々に位置がずれてい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であって、
   前記出射チャネルが静電デフレクタである
   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であって、
   前記出射チャネルがセプタム電磁石である
   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であって、
   前記一対の磁極の対向する磁極面は、前記中間平面を挟んで対称な形状を有し、
   それぞれの前記磁極は、イオンビーム周回方向に交互に複数の凹部と凸部を備え、
   前記垂直平面に対して前記中心軸と同じ側にある前記一対の磁極の前記磁極面の、対向する前記凹部に挟まれた前記中間平面の面積は、前記垂直平面に対して前記中心軸と逆側にある前記一対の磁極の前記磁極面の、対向する前記凹部に挟まれた前記中間平面の面積よりも広いことを特徴とする円形加速器。
7. 請求項６に記載の円形加速器であって、
   前記凸部は、前記イオン入射軸を中心に放射状に設けられていることを特徴とする円形加速器。
8. 請求項１に記載の円形加速器であって、
   前記イオン導入部は、スパイラルインフレクタと、前記磁極に設けられた貫通孔とを含み、前記一対の磁極の外側に配置されたイオン源の発生したイオンを、前記貫通孔から前記磁極に挟まれた空間に入射させ、前記スパイラルインフレクタにより偏向させて周回させる構成であることを特徴とする円形加速器。
9. 請求項１に記載の円形加速器であって、
   前記イオン導入部は、前記一対の磁極間の空間に配置されたイオン源であることを特徴とする円形加速器。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の円形加速器と、前記円形加速器から出射されたイオンビームを治療対象まで導いて照射する照射部とを有することを特徴とする粒子線治療システム。
11. 請求項１ないし請求項９のいずれか1項に記載の円形加速器と、前記円形加速器から出射されたイオンビームを照射すべきターゲットを保持するターゲット保持部とを有することを特徴とする同位元素製造システム。
12. 請求項１１に記載の同位元素製造システムと、前記同位元素製造システムで製造された同位元素と原料を合成して薬剤を製造する合成装置とを有することを特徴とする放射性薬剤製造システム。

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