JP2022026175A - 加速器および粒子線治療装置 - Google Patents

Abstract

【課題】取り出すビームのエネルギーが制御可能であり、かつ、小型化および消費電力の低減化を図ることが可能な加速器を提供する。【解決手段】付加磁場発生用シム３１１および擾乱用電極３１３は、イオンビームに対して擾乱用高周波電場と多極磁場とを印加することで、そのイオンビームを設計軌道の外側に変位させる。取り出しチャネル３１２は、周回軌道の外側に変位したイオンビームを外部に取り出す。取り出しチャネル３１２は、イオンビームが入射する開口３１２１ａを有し、超伝導体で形成された筒状の磁場遮蔽体３１２１と、磁場遮蔽体３１２１を一定温度以下まで冷却する冷却機構３１２２と、を有する。【選択図】図３

Description

本開示は、加速器および粒子線治療装置に関する。

粒子線治療および物理実験などで使用される高エネルギーのビーム（イオンビーム）は、通常、加速器を用いて生成される。

核子当たりの運動エネルギーが２００ＭｅＶ前後のビームを生成する加速器には、サイクロトロン、シンクロトロン、特許文献１に記載されているようなシンクロサイクロトロン、および、特許文献２に記載されている可変エネルギー加速器が知られている。

サイクロトロンおよびシンクロサイクロトロンは、静磁場中を周回するビームを高周波電場で加速する。ビームは、加速されるにつれ、軌道の曲率半径を増して外側の軌道に移動し、設計上の最大エネルギーまで到達した後に取り出される。このため、取り出すビームのエネルギーは、基本的に固定される。なお、特許文献１に記載のシンクロサイクロトロンは、略円形の断面を有する一対の強磁性体のポールを互いに空隙を空けて対向するように配置し、その空隙内でビームを加速している。特許文献１では、この空隙の形状を調整することで、シンクロサイクロトロンの小形化を図っている。

また、シンクロトロンは、ビームを偏向する電磁石の磁場と加速する高周波電場の周波数とを時間的に変化させることで、ビームを一定の軌道を周回させる。このため、設計上の最大エネルギーに到達する前にビームを取り出すことが可能であり、取り出すビームのエネルギーが制御可能である。

特許文献２に記載の可変エネルギー加速器は、異なる複数種類のイオンを発生させる複数のイオン源と、磁場を発生させる電磁石と、高周波電場を発生させる高周波空胴とを備える。イオン源からのイオンは、磁場と高周波電場によって、イオンの軌道を偏心させながら所望のエネルギーまで加速される。この可変エネルギー加速器では、軌道が偏心しているため、サイクロトロンと同様に磁場中を周回するイオンを高周波電場で加速しながらも、所望のエネルギーまで加速されたイオンのビームを取り出すことができるため、取り出すビームのエネルギーが制御可能である。

特表２０１３－５４１１７０号公報 特開２０１９－９６４０５号公報

サイクロトロンおよびシンクロサイクロトロンには、上述したように、取り出されるビームのエネルギーが基本的に固定されるという問題がある。例えば、特許文献１に記載のシンクロサイクロトロンは、主磁場中を周回するビームを高周波電場で加速する加速器であり、この種の加速器には、ビームのエネルギーの増加に伴いビームの周回周波数が低下するという特性があるため、ビームの周回周波数に同調して高周波電場の周波数を変調する必要がある。このため、ビームをシンクロサイクロトロンに入射して取り出すまでの１運転周期ごとに、ビームの全てが取り出され、その取り出されるビームのエネルギーは、基本的に固定される。

なお、粒子線治療では、照射計画などで予め定められた照射線量の許容範囲を超過することなく、照射対象の腫瘍にビームを照射することが求められる。このため、取り出されるビームのエネルギーが固定されている場合、ビーム当たりの照射線量を許容範囲に対して十分小さくする必要があるため、照射完了までに時間がかかるという課題がある。

また、シンクロトロンは、取り出すビームのエネルギーが制御可能であるが、現状では、軌道の半径が数ｍ以上と大型であり、小型化は困難であるという課題がある。

特許文献２の可変エネルギー加速器は、取り出すビームのエネルギーが制御可能であり、かつ、小型化を図ることが可能である。ここで、特許文献２の可変エネルギー加速器では、ビームを周回軌道から分離して取り出すための手段として、周回ビーム軌道と取り出しビーム軌道との間の隔壁としてコイルを有するセプタム電磁石が用いられる。セプタム電磁石の隔壁となるコイルはビーム衝突を原因とするビームロスを防ぐためになるべく薄くすることが有効であるが、しかしながら、コイルを薄くすると、コイルの電流密度は増大するためジュール発熱が増大し、消費電力が大きくなるという課題がある。

本発明の目的は、取り出すビームのエネルギーが制御可能であり、かつ、小型化および消費電力の低減化を図ることが可能な加速器および粒子線治療装置を提供することにある。

本開示の一態様に従う加速器は、主磁場および加速用高周波電圧によって、イオンビームを当該イオンビームの周回軌道を偏心させながら加速する加速器であって、前記イオンビームに対して前記加速用高周波電圧とは周波数が異なる擾乱用高周波電場と多極磁場とを印加することで、当該イオンビームを前記周回軌道の外側に変位させる分離部と、前記周回軌道の外側に変位したイオンビームを外部に取り出す取り出し部と、を有し、前記取り出し部は、前記イオンビームが入射する開口を有し、超伝導体で形成された筒状の磁場遮蔽体と、前記磁場遮蔽体を一定温度以下まで冷却する冷却機構と、を有する。

本発明によれば、取り出すビームのエネルギーが制御可能であり、かつ、小型化および消費電力の低減化を図ることが可能になる。

本開示の実施例１の加速器の外観の一例を示す斜視図である。 本開示の実施例１の加速器の縦断面図である。 本開示の実施例１の加速器の横断面図である。 本開示の実施例１の加速器におけるビームの運動エネルギーと周回周波数との関係を示す図である。 本開示の実施例１の加速器におけるビームの運動エネルギーと主磁場の強度との関係を示す図である。 本開示の実施例１の加速器におけるビームの設計軌道および等周回位相線を示す図である。 本開示の実施例１の加速器における高周波加速空胴にて励起される電磁場の分布を示す図である。 本開示の実施例１の加速器におけるビームの振る舞いを示す図である。 本開示の実施例１の加速器における取り出しチャネルの正面図である。 本発明の実施例１の加速器における取り出しチャネルの上面図である。 本開示の実施例１の加速器の制御装置を示すブロック図である。 本開示の実施例１の加速器の動作を説明するためのタイミングチャートである。 本開示の実施例１の加速器の動作を説明するためのフローチャートである。 変形例における取り出しチャネルの正面図である。 本発明の第３の実施例の粒子線治療装置の構成図

以下、本開示の実施例について図面を用いて説明する。

本実施例の加速器１は、周波数変調型の可変エネルギー加速器である。より具体的には、加速器１は、時間的に一定な磁場を主磁場として発生させ、主磁場中を周回するイオン（水素イオン）のビーム（イオンビーム）を高周波電場によって加速する円形加速器であり、ビームの周回軌道を偏心させながら加速することで、取り出すビームのエネルギーを制御することが可能である。

＜＜加速器１の構成＞＞
図１は、加速器１の外観の一例を示す斜視図である。図２は、図１のＡ－Ａ線に沿った縦断面図であり、図３は、後述する分割接続面Ｂに沿った横断面図である。なお、図３では、分割接続面Ｂを上から見たときの加速器１が示されている。また、図３では、内部構造の理解を容易にするため、断面にはない部分についてもハッチングを付しているものがある。なお、図では、鉛直方向をＺ方向、Ｚ方向に対して平行な面をＸＹ平面としている。

加速器１は、図１に示すように、分割接続面Ｂを挟んで上部と下部に分割可能な電磁石１１を有する。電磁石１１の上部および下部のそれぞれは、円筒状のリターンヨーク１２１と、リターンヨーク１２１の開口を覆う天板１２２とを有する。

電磁石１１の内部には、図２に示すように、分割接続面Ｂを挟んで対称な、略円筒形状のキャビティ１１ａが形成される。なお、キャビティ１１ａは、実際には、Ｙ方向の中心の半径がＹ方向の端部の半径よりも少し大きくなるように形成されている。キャビティ１１ａは、ビームを加速しながら周回させるための空間である。電磁石１１は、キャビティ１１ａ内のビームが通過する領域であるビーム通過領域２０に主磁場を励起する。なお、キャビティ１１ａは、不図示の真空ポンプによって真空引きされている。

また、電磁石１１には、外部とキャビティ１１ａとを接続する貫通孔が複数設けられる。図１～図３の例では、例えば、貫通孔として、ビーム用貫通孔１１１と、引き出し用貫通孔１１２および１１３と、高周波電力入力用貫通孔１１４と、ビーム入射用貫通孔１１５とが設けられている。これらのうち、取り出しビーム用貫通孔１１１と、引き出し用貫通孔１１２および１１３と、高周波電力入力用貫通孔１１４とは分割接続面Ｂ上に設けられている。

また、電磁石１１の上部には、Ｚ方向から見た電磁石１１の中心からずれた位置に、加速核種であるイオン（本実施例では、水素イオン）をキャビティ１１ａに供給するためのイオン源１２が設置されている。イオン源１２は、ビーム入射用貫通孔１１５と接続され、ビーム入射用貫通孔１１５は、キャビティ１１ａ内部の入射部１３０（図２および図３参照）と連通している。入射部１３０は、イオン源１２からのイオンをキャビティ１１ａ内のビーム通過領域２０に入射する。入射部１３０には、イオンをビーム通過領域２０に入射するため必要な電力がビーム入射用貫通孔１１５を通って外部から供給される。なお、図２ではイオン源１２の図示を省略している。

電磁石１１の内部には、ＸＹ平面の面内方向においてリターンヨーク１２１に囲まれ、かつ、Ｚ方向に互いに対向するように設けられた１対の磁極１２３が設けられる。各磁極１２３は、略円柱形状を有する。それらの磁極１２３の間にキャビティ１１ａが形成される。以下、各磁極１２３の互いに対向している面を磁極面１２３ａと呼び、各磁極面１２３ａから等距離にある面を軌道面と呼ぶ。

ＸＹ平面の面内方向におけるリターンヨーク１２１と磁極１２３との間には、磁極１２３の外周に沿って凹部１２３ｂが形成される。凹部１２３ｂには、円環状のコイル１３が磁極１２３の外周側の壁に沿って設置される。電流がコイル１３に流れることにより、１対の磁極１２３が磁化し、所定の強度分布を有する主磁場がキャビティ１１ａ内のビーム通過領域２０に励起される。

また、キャビティ１１ａには、外部から高周波電力入力用貫通孔１１４を通って、高周波加速空胴２１が挿入されている。高周波加速空胴２１は、λ／４型の共振モードによって、キャビティ１１ａ内のイオンを加速してイオンビームを生成するための加速用高周波電場を加速ギャップ２２３（後述）に励起する加速電極である。

高周波加速空胴２１は、キャビティ１１ａ内に固定された略扇型のディー電極２２１を有する。ディー電極２２１は、ビーム通過領域２０の一部を覆う一対の板状電極を、ビーム通過領域２０を挟んでＺ方向に対向するように配置したものである。ディー電極２２１（板状電極）は、入射部１３０の近傍の点を頂点とし、所定の広がり角を有する略扇型形状を有する。ディー電極２２１における円弧状の周縁部２２１ａは、キャビティ１１ａの外周に沿う形状を有する。

ディー電極２２１の広がり角方向の両端部（直線状の端部）２２１ｂに対して対向するように、接地電極２２２が配置されている。ディー電極２２１と接地電極２２２との間の領域が上述した加速ギャップ２２３である。加速ギャップ２２３は、入射部１３０の近傍において最も狭く、ディー電極２２１の円弧状の周縁部２２１ａに近づくほど広くなるように設計される。

また、高周波加速空胴２１は、ディー電極２２１の円弧状の周縁部２２１ａから高周波電力入力用貫通孔１１４を通って電磁石１１の外部に引き出されている。高周波加速空胴２１における電磁石１１の外部の部分には、図１に示すように、加速用高周波電場を励起させるための高周波電力を入力するための入力カプラ２１１と、加速用高周波電場の周波数を変調するための変調部である回転式可変容量キャパシタ２１２とが取り付けられている。

回転式可変容量キャパシタ２１２は、回転軸２１３を有し、回転軸２１３の回転角に応じて静電容量が変化するキャパシタである。具体的には、回転軸２１３に導体板（不図示）が直接接続され、回転軸２１３の回転角に応じて、導体板と外部導体（不図示）との間に生じる静電容量が変化する。したがって、回転軸２１３が回転することで、回転式可変容量キャパシタ２１２の静電容量が時間的に変化することにより、高周波加速空胴２１で励起される電磁場の共振周波数が変化し、高周波加速空胴２１が励起する加速用高周波電場の周波数が変調する。

高周波加速空胴２１が加速ギャップ２２３に加速用高周波電場を励起することにより、入射部１３０から入射したイオンが加速され、ビームとしてキャビティ１１ａの軌道面上を周回する。加速用高周波電場の周波数は、ビームの周回周波数と同期するように設定される。つまり、加速用高周波電場の周波数がビームの周回周波数の整数倍となるように、回転式可変容量キャパシタ２１２の回転軸２１３の回転数が設定される。本実施例では、加速用高周波電場の周波数は、ビームの周回周波数の１倍である。

また、磁極１２３の磁極面１２３ａには、主磁場の強度分布の微調整用に、互いに半径が異なる複数系統の環状のトリムコイル３３が設けられている。各トリムコイル３３は、Ｚ方向から見て、中心が互いに異なる位置に配置される。具体的には、複数系統のトリムコイル３３のうち最大径のトリムコイル３３は、自身の中心が電磁石１１の中心と一致にするように配置され、他のトリムコイル３３は、半径が小さくなるにつれ、中心が入射部１３０に向かって近づくように配置される。

また、各トリムコイル３３は、引き出し用貫通孔１１２または１１３を通って外部の電源（図示せず）と接続され、その電源から各トリムコイル３３に励磁電流が供給される。各トリムコイル３３の励磁電流は、主磁場の強度分布が所定の強度分布に近づくように、加速器１の運転前に予め個別に調整される。これにより、後述する安定なベータトロン振動を実現することができる。

以上説明した加速器１では、イオン源１２で生成されたイオンは、入射部１３０から低エネルギーのビームの状態でビーム通過領域２０に入射される。入射されたビームは、周回しながら加速ギャップ２２３を通過するたびに、高周波加速空胴２１にて励起されている加速用高周波電場Ｅによって加速され、ビーム通過領域２０内の設計軌道（周回軌道）上を周回する。なお、設計軌道は、ビームの運動エネルギーに応じて異なり、設計軌道の半径は、ビームの運動エネルギーが大きいほど、大きくなる。

また、図２および図３に示すように、加速器１には、キャビティ１１ａ内で周回するビームを外部に取り出すために、付加磁場発生用シム３１１と、取り出しチャネル３１２と、擾乱用電極（擾乱部）３１３とを有する。付加磁場発生用シム３１１、取り出しチャネル３１２の入射部３１２ａおよび擾乱用電極３１３は、磁極面１２３ａの一部に、磁極面１２３ａに対して電気的に絶縁された状態で設置される。付加磁場発生用シム３１１は、２か所に設置されている。

付加磁場発生用シム３１１および擾乱用電極３１３は、擾乱用高周波電場と多極磁場であるキック磁場とをビームに印加して、ビームを設計軌道の外側に変位させる分離部を構成する。

付加磁場発生用シム３１１は、キック磁場を励磁させ、そのキック磁場により、ビームを設計軌道の外側に外して、取り出しチャネル３１２の入射部３１２ａに導入するキック部である。キック磁場は、例えば、四極磁場、六極磁場またはそれ以上の多極磁場である。キック磁場は、ビーム通過領域２０内のビームが安定的に周回する安定領域（設計軌道）の外に出たビームに作用するように構成される。本実施例では、付加磁場発生用シム３１１は２つ（一対）あり、それぞれ逆極性の磁場を主磁場に対して重畳して励磁する。擾乱用電極３１３は、微小な振幅の高周波（ＲＦ）電場を擾乱用高周波電場として発生させてビームに印加することにより、周回中のビームの粒子（イオン）のベータトロン振動振幅を増大させ、ビームを、付加磁場発生用シム３１１にて励起されるキック磁場が作用する領域を通過させる。擾乱用高周波電場は、加速用高周波電圧とは周波数が異なる。

取り出しチャネル３１２は、付加磁場発生用シム３１１および擾乱用電極３１３によって安定領域の外側に出されたビームを加速器１の外部に取り出す取り出し部である。取り出しチャネル３１２は、主磁場を遮蔽する遮蔽空間３２２を形成し、遮蔽空間３２２内の取り出し軌道を通してビームを外部に取り出す。

以上の構成により、擾乱用電極３１３による擾乱用高周波電場をオンにすることで、ビーム通過領域２０を周回しているビームを、取り出しチャネル３１２の遮蔽空間３２２に導くことができる。遮蔽空間３２２に到達したビームは、取り出し軌道を通過して、取り出しビーム用貫通孔１１１から加速器１の外部に取り出される。このように、擾乱用電極３１３による擾乱用高周波電場のオンおよびオフを切り替えることにより、それに同期してビームの取り出しのオン／オフ制御を行うことができる。

なお、加速器１では、軌道面において主磁場の面内成分が略０となるように、上下の磁極１２３、コイル１３、トリムコイル３３、付加磁場発生用シム３１１、取り出しチャネル３１２および擾乱用電極３１３の形状および配置が設計されており、これらは軌道面に対して面対称の配置を有する。また、磁極１２３、ディー電極２２１、コイル１３、トリムコイル３３および擾乱用電極３１３の形状は、図３に示すように、加速器１をＺ方向から見たときに、高周波電力入力用貫通孔１１４の中心部と引き出し用貫通孔１１２の中心部を結ぶ線分に対して左右対称である。

＜＜加速器１内のビームの加速と取り出し＞＞
先ず、ビームの運動エネルギーについて説明する。

上述したようにビームは、ビーム通過領域２０内の設計軌道上を周回し、加速ギャップ２２３を通過するたびに加速される。このため、ビームが加速ギャップ２２３を通過するたびに、ビームの運動エネルギーが増加する。

図４は、本実施例におけるビームの運動エネルギーと周回周波数との関係を示す図である。図４では、横軸はビームの運動エネルギー（Ｅ）を示し、縦軸はビームの周回周波数（Ｆ）を示す。図４に示すように、ビームの運動エネルギーが大きいほど、ビームの周回周波数は小さくなる。本実施例では、加速器１から取り出し可能なビームの運動エネルギーは、７０ＭｅＶ～２３５ＭｅＶであり、加速器１に入射された直後のビームの周回周波数は７６ＭＨｚ、最大の運動エネルギー２３５ＭｅＶに到達したビームの周回周波数は５９ＭＨｚである。

次に、磁極１２３にて励起される主磁場について説明する。

磁極１２３にて励起される主磁場は、一定の運動エネルギーを有するビームの軌道（設計軌道）に沿って一様であり、かつ、運動エネルギーが高いビームの設計軌道ほど低くなるように励起される。つまり、主磁場は、ビームの軌道の半径方向の外方に向かって低下する強度分布を有する。

図５は、本実施例における運動エネルギーと主磁場の強度との関係を示す図である。図５に示すように、主磁場の強度は、入射部１３０の位置（運動エネルギーが略０）で最大の５Ｔであり、最外周（運動エネルギーが最大の２３５ＭｅＶ）で、４．９２Ｔ程度である。

上記のような主磁場の下では、設計軌道から半径方向にずれた粒子は、設計軌道に戻す向きに復元力を受け、軌道面に対して垂直方向にずれた粒子は、軌道面に戻す方向に復元力を受ける。このため、ビームの運動エネルギーに対して主磁場を適切に小さくしていれば、設計軌道から外れた粒子には設計軌道に戻す向きに復元力が働き、ビームは設計軌道の近傍を振動（ベータトロン振動）することになる。したがって、主磁場により、上述した安定なベータトロン振動を実現することができ、ビームを安定的に周回および加速させることが可能となる。

また、上記の強度分布を有する主磁場は、電磁石１１のコイル１３とそれを補助するトリムコイル３３とに所定の励磁電流を流して磁極１２３を磁化させることで励起される。磁極１２３の磁極面１２３ａの形状は、主磁場の強度を入射部１３０から外周に向かって小さくするために、上下の磁極１２３の磁極面１２３ａの間の距離（つまり、キャビティ１１ａの高さ）が、入射部１３０の位置において最も小さく、外周に向かって大きくなるように定められる。また、磁極面１２３ａの形状は、軌道面に対して面対称であり、主磁場は、軌道面上においては、軌道面に垂直な方向の成分のみを有する。このとき、トリムコイル３３には、磁極１２３（コイル１３）による主磁場が微調整され、所定の強度分布が形成されるように励磁電流が供給される。

図６は、ビームの設計軌道を示す図である。図６に示すように設計軌道６００は、最も外側に、最大エネルギー２５２ＭｅＶを有するビームの軌道である半径０．４９７ｍの円軌道を有する。また、図６では、設計軌道６００として、最も外側の円軌道とエネルギーが０Ｍｅｖの軌道（点）との間を、ビームの磁気剛性率で５１等分割した５１本の円軌道が示されている。

加速器１では、ビームが加速されるたびにビームの軌道の中心が、軌道面内で一方向（図６のＸ＝０におけるＹ方向）に移動する。このため、軌道面には、異なる運動エネルギーのビームの軌道が互いに近接している箇所（設計軌道が集約する領域：集約領域）と互いに遠隔している領域（設計軌道が離散する領域：離散領域）とが形成される。つまり、異なる運動エネルギーを有するビームの設計軌道は偏心している。

集約領域において、設計軌道同士が最も近接している設計軌道の各点（集約点）を結ぶ線分は、すべての設計軌道に対して直交する。また、離散領域において、設計軌道同士が最も遠隔している設計軌道の各点を結ぶ線分は、すべての設計軌道に直交する。これら二つの線分は、同一直線上（図６ではＸ＝０におけるＹ方向に向いた線上）に存在する。この直線を対称軸と定義すると、設計軌道の形状は、対称軸を通り、軌道面に垂直な面に対して面対称となる。

また、図６では、各設計軌道６００の同一の周回位相を結んだ等周回位相線６０１が集約領域から周回位相π／２０ごとに示されている。ディー電極２２１とディー電極２２１に対向する接地電極２２２との間に形成される加速ギャップ２２３は、集約点から見て±９０度周回した等周回位相線６０１に沿って設置される。

次に、高周波加速空胴２１によるビームの加速について説明する。

高周波加速空胴２１は、外部から供給される高周波電力によって、電磁場を励起して、ディー電極２２１と接地電極２２２の間の加速ギャップ２２３に加速用高周波電場を励起する。一般的にディー電極２２１が励起する電磁場は、ディー電極２２１の形状によって定まる特定の共振周波数および空間分布を有する。このような特定の共振周波数および空間分布を有する電磁場を固有モードと呼ぶ。固有モードには、複数種類あるが、そのうち、ビームを加速するために励起する固有モードを基本モードと呼ぶ。

図７は、高周波加速空胴２１にて励起される基本モードの電磁場を示す図である。具体的には、図７では、高周波加速空胴２１（ディー電極２２１）の外形と、高周波加速空胴２１によって励起される加速用高周波電磁場Ｅ（太線矢印）、磁場Ｂ（点線矢印）および表面電流Ｊ（実線矢印）とが示されている。図７に示すように、基本モードでは、加速ギャップ２２３全体にわたってディー電極２２１から接地電極２２２に対して同じ向きの加速用高周波電場Ｅが生じる。

本実施例では、ビームの周回に同期して加速用高周波電場Ｅを励起させるために、加速用高周波電場Ｅの周波数が周回中のビームのエネルギーに応じて変調される。共振モードを用いた高周波加速空胴２１では、共振の幅よりも広い範囲で高周波の周波数を掃引する必要がある。そのため、高周波加速空胴２１の共振周波数もビームのエネルギーに応じて変更する必要がある。高周波加速空胴２１の共振周波数の制御は、上述したように、高周波加速空胴２１の端部に設置された回転式可変容量キャパシタ２１２の回転軸２１３の回転角を制御することで行われる。つまり、ビームの加速に伴い回転軸２１３の回転角を変化させることで、高周波加速空胴２１の共振周波数を変更することができる。

次に、加速器１におけるビームの入射から取り出しまでの挙動についてより詳細に説明する。

先ず、イオン源１２から低エネルギーのイオンが出力され、そのイオンがビーム入射用貫通孔１１５および入射部１３０を介してビーム通過領域２０にビームとして入射される。ビーム通過領域２０に入射されたビームは、加速ギャップ２２３を通過するたびに加速用高周波電場Ｅによって加速される。これにより、ビームのエネルギーと設計軌道の半径とが増大していく。

図８は、加速ギャップ２２３を通過するビームの位相とビームの運動量の分散とを周回ごとに示す図である。図８では、横軸は、加速ギャップ２２３の通過時のビームの位相（φ）を示し、縦軸は、そのビームの運動量（ｐ）の基準粒子の運動量に対する分散（Δｐ／ｐ）を示す。なお、基準粒子は、ビームを構成する粒子（イオン）のうち、設計軌道を周回する粒子である。

上述したように加速ギャップ２２３に励起される加速用高周波電場の周波数は、ビームの周回周波数の整数倍に設定されている。本実施例では、加速用高周波電場が最大となる位相の時にビームが加速ギャップ２２３を通過するのではなく、加速用高周波電場が時間と共に減少している所定の位相の時にビームが加速ギャップ２２３を通過するように、加速用高周波電場が励起される。この場合、加速用高周波電場が所定の位相の時に加速ギャップ２２３を通過して加速されたビームの粒子は、次のターンでもほぼ同じ位相で加速ギャップ２２３を通過する。一方、加速用高周波電場が所定の位相よりも早い位相の時に加速ギャップ２２３を通過して加速された粒子は、加速用高周波電場が所定の位相の時に加速ギャップ２２３を通過して加速された粒子よりも、その加速量が大きいため、次のターンでは、前のターンよりも遅れた位相で加速ギャップ２２３を通過して加速される。また、加速用高周波電場が所定の位相より遅い位相の時に加速ギャップ２２３を通過し加速された粒子は、加速用高周波電場が所定の位相の時に加速ギャップ２２３を通過して加速された粒子よりも、その加速量が小さいため、次のターンでは、前のターンよりも進んだ位相で加速ギャップを通過して加速される。

したがって、所定の位相からずれたタイミングで加速ギャップ２２３を通過する粒子には、所定の位相で加速される方向に加速作用が働く。このため、ビームを構成する各粒子は、図８に示したビームの位相と運動量の分散とで規定される位相平面を安定的に振動する。この振動はシンクロトロン振動と呼ばれる。これにより、ビームを構成する個々の粒子は、シンクロトロン振動をしながら、図８に示した位相平面上の高周波バケツ７１０と呼ばれる安定領域内で周回し、所定の目標エネルギーに到達するまで徐々に加速される。

また、目標エネルギーを有するビームを加速器１から取り出すために、高周波加速空胴２１に印加される高周波電力は、その振幅が時間と共に徐々に小さくされ、ビームが目標エネルギーに到達した時点で０となるように制御される。これにより、ビームは、一定の目標エネルギーを有したまま安定的に加速器１内を周回する。

この状態で、擾乱用電極３１３に対して、ビームのベータトロン振動の周波数に一致する高周波電圧が印加されると、ビームは、進行方向の位置に依存する擾乱、すなわち擾乱用電極３１３を通過する時刻に依存する擾乱を受ける。ビームを構成する粒子のうち、擾乱用電場の周波数とベータトロン振動の周波数とが一致する粒子では、それらの周波数が共鳴して、ベータトロン振動の振幅が増大する。粒子のベータトロン振動の振幅が増大し続けると、粒子は、設計軌道の外側に設置された付加磁場発生用シム３１１が励起するキック磁場が作用する領域を通過する。これにより、粒子がキック磁場の作用を受け、ベータトロン振動が急激に発散し、ビームは設計軌道の外側に変位する。その結果、ビームは、取り出しチャネル３１２に到達し、取り出しチャネル３１２による遮蔽空間を通り、取り出しビーム用貫通孔１１１から加速器１の外部に取り出される。

ビームが加速器１内で目標エネルギーに到達してから加速器１から取り出されるまでの間、ビームを構成する個々の粒子は、付加磁場発生用シム３１１が励起するキック磁場によって、ビームの水平方向の位置と水平方向に対する傾きとで規定される位相空間上において、設計軌道上を安定的に周回する安定領域を周回する粒子と、軌道ずれが増大し続ける不安定領域を周回する粒子とに分けられる。以下、安定領域と不安定領域との境界をセパラトリクスと称する。

別の表現で説明すると、加速器１では、セパラトリクスの内側に存在する粒子は、安定的にベータトロン振動を続けるが、セパラトリクスの外側に存在する粒子は、付加磁場発生用シム３１１が励起するキック磁場によるキック作用が周回ごとに蓄積し、設計軌道に対して水平方向に大きく変位する。水平方向に大きく変位した粒子は、取り出しチャネル３１２によって形成される遮蔽空間を通過して、加速器１の外部に取り出される。

また、擾乱用電極３１３に印加される電場がオフになると、ビームのベータトロン振動の振幅の増大が停止し、ビームは安定領域内で周回することとなるため、ビームの取り出しが停止される。

＜＜取り出しチャネル３１２の構成＞＞
図９は、取り出しチャネル３１２を左側（Ｘ方向の負の側）から見た正面図である。

図９に示すように取り出しチャネル３１２は、磁場遮蔽体３１２１と、冷却機構３１２２と、支持機構３１２３とを有する。

磁場遮蔽体３１２１は、超伝導体で形成される筒状の部材であり、内部に遮蔽空間３２２（図３参照）を形成する。本実施例では、磁場遮蔽体３１２１は円筒形状を有する。また、超伝導体として、ニオブチタンが用いられている。超伝導体は、一定温度以下で完全反磁性を示す物質であり、外部に磁場が存在する場合でも、内部の磁場を０に遮蔽することができる。また、超伝導体で囲まれた領域も理想的には磁場が０となる。

磁場遮蔽体３１２１の開口３１２１ａは、上述した付加磁場発生用シム３１１が励起するキック磁場によって水平方向に大きく変位したビームが入射するように設けられる。開口３１２１ａに入射したビームは、磁場遮蔽体３１２１で囲まれた遮蔽空間３２２を通過する。遮蔽空間３２２を通過するビームは、磁場遮蔽体３１２１を形成する超伝導体の作用によって磁場をほぼ受けないため、そのまま等速直線運動をして加速器１の外側に進む。

磁場遮蔽体３１２１は、超伝導体を有する超伝導線を円筒状に巻いた超伝導コイルでもよい。この場合、磁場遮蔽体３１２１に対して効率よく磁場を遮蔽するための渦電流を励起することが可能になる。超伝導線の巻き方は、例えば、略コサイン巻きなどである。

冷却機構３１２２は、一定温度（磁場遮蔽体３１２１が完全反磁性を示す温度）以下まで、磁場遮蔽体３１２１を冷却する。冷却機構３１２２は、本実施例では、磁場遮蔽体３１２１から加速器１の外部に設置された冷凍機（図示せず）に熱伝導により熱を運ぶ伝熱体３１２２ａと、磁場遮蔽体３１２１を断熱する断熱材３１２２ｂとを含む。伝熱体３１２２ａは、本実施例では、冷凍機と熱的に接続されたアルミニウムのシートであり、複数個所（図９の例では、４か所）で磁場遮蔽体３１２１と接触するように配置される。断熱材３１２２ｂは、磁場遮蔽体３１２１と伝熱体３１２２ａを覆うように配置される。

支持機構３１２３は、磁場遮蔽体３１２１および冷却機構３１２２と取り出しビーム用貫通孔１１１の内壁とを物理的に接続し、磁場遮蔽体３１２１および冷却機構３１２２を電磁石１１に対して固定的に保持する。

図１０は、ビームの軌道と取り出しチャネル３１２との位置関係を示す図であり、取り出しチャネル３１２とその近傍を上面から見た図である。

図１０に示されたように取り出しチャネル３１２は、設計軌道Ｔの外側に配置される。取り出しチャネル３１２における設計軌道Ｔ側の厚みＴｈは、ビームが取り出しチャネル３１２の厚み部に衝突して損失することを低減するために、できるだけ薄い方が望ましい。また、取り出しチャネル３１２のビームが入射する側における冷却機構３１２２には、設計軌道Ｔ側に切り欠き部３１２２ｃが形成される。

＜＜加速器１の制御＞＞
図１１は、加速器１の制御装置４を示すブロック図である。図１１に示すように加速器１の制御装置４は、全体制御装置４０と、サーボモータ４１と、モータ制御装置４２と、低レベル高周波発生装置４３と、アンプ４４と、高周波電源４５と、擾乱高周波制御装置４６と、電圧振幅計算装置４７と、を有する。また、全体制御装置４０および電圧振幅計算装置４７は、治療計画データベース（ＤＢ：Database）５０と接続される。

サーボモータ４１は、高周波加速空胴２１の回転式可変容量キャパシタ２１２の回転軸２１３を回転させる駆動部である。モータ制御装置４２は、サーボモータ４１の回転を制御する。低レベル高周波発生装置４３は、高周波加速空胴２１に供給する高周波電力を生成する。アンプ４４は、低レベル高周波発生装置４３にて生成された高周波電力を増幅して高周波加速空胴２１の入力カプラ２１１（図１１では不図示）に供給する。高周波電源４５は、擾乱高周波電力を生成して擾乱用電極３１３に供給する。擾乱高周波制御装置４６は、高周波電源４５にて生成される擾乱高周波電力を制御する。

全体制御装置４０は、モータ制御装置４２、低レベル高周波発生装置４３および擾乱高周波制御装置４６を介して加速器１を制御する。治療計画データベース５０は、加速器１を制御するための制御データである照射計画を格納する格納部である。照射計画は、例えば、ビームを照射する照射位置ごとに、その照射位置に照射するビームのエネルギーおよび線量を示す。電圧振幅計算装置４７は、治療計画データベース５０に格納された照射計画に基づいて、高周波加速空胴２１に供給する高周波電力の振幅を算出する。

全体制御装置４０および電圧振幅計算装置４７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）またはＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のプロセッサと、メモリとを備えたコンピュータなどによって構成され、プロセッサがメモリに格納されたプログラムを読み込んで実行することにより、種々の処理を実行する。なお、全体制御装置４０および電圧振幅計算装置４７、その一部または全部をハードウエアによって実現されてもよい。例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）のようなカスタムＩＣまたは、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）のようなプログラマブルＩＣを用いて全体制御装置４０および電圧振幅計算装置４７の一部または全部が構成されてもよい。

図１２は、加速器１のビームの取り出し処理を説明するためのタイミングチャートであり、図１３は、加速器１のビームの取り出し処理を説明するためのフローチャートである。

図１２には、複数のダイアグラムが示されており、それらのダイアグラムの縦軸は、上から順に、回転軸２１３の回転角（図１２（ａ））、高周波加速空胴２１の共振周波数（図１２（ｂ））、高周波加速空胴２１に入力する高周波電力の入力周波数（図１２（ｃ））、加速用高周波電場の電圧振幅（図１２（ｄ））、イオン源１２から入力される入力ビームの電流（図１２（ｅ））、擾乱用高周波電場の振幅（図１２（ｆ））、加速器１内のビームの水平エミッタンス（ビームサイズ）（図１２（ｇ））、加速器１から出力される取り出しビームの電流（図１２（ｅ））を示す。また、各ダイアグラムの横軸は、全て時間を示す。

先ず、ステップＳ１１１では、ユーザからビームの照射の開始が指示された場合、電圧振幅計算装置４７は、治療計画データベース５０から照射するビームのエネルギーを示す情報を読み込み、その情報に基づいて、高周波加速空胴２１に供給する高周波電力の電圧の振幅である電圧振幅Ｅを算出する

ステップＳ１１２では、全体制御装置４０は、治療計画データベース５０から照射するビームのエネルギーを示す情報を読み込み、その情報に基づいて、高周波加速空胴２１に高周波電力に供給する印加時間Tと、高周波電力の電圧振幅Ｅの低下を開始するタイミングである低下タイミングＴdとを算出する。例えば、全体制御装置４０は、ビームのエネルギーと印加時間Tとの関係を定めたテーブルまたは数式に基づいて、印加時間Tを算出し、ビームのエネルギーと低下タイミングＴdとの関係を定めたテーブルまたは数式に基づいて、低下タイミングＴdを算出する。なお、低下タイミングＴｄは、高周波電力によって加速ギャップ２２３に励起される加速用高周波電場が０になる時点で、ビームのエネルギーが目標エネルギーに到達すると予測されるタイミングである。

ステップＳ１１３では、全体制御装置４０は、モータ制御装置４２を介してサーボモータ４１を駆動して、図１２（ａ）に示すように、回転式可変容量キャパシタ２１２の回転軸２１３を所定の角速度で回転させる。これにより、図１２（ｂ）に示すように、高周波加速空胴２１の基本モードの共振周波数ｆ１が回転軸２１３の回転角に応じて変化する。なお、この時点では、高周波電力は高周波加速空胴２１に入力されていない。

ステップＳ１１４では、全体制御装置４０は、図１２（ｅ）に示すように、イオン源１２を制御して、ビームを、加速器１の運転周囲の開始点から所定時間出力させる。これにより、加速器１の入射部１３０から加速器１の内部に、イオンビームが所定時間入射する。運転周期は、共振周波数ｆ１が最大となる時刻から次に最大となる時刻までの期間である。

ステップＳ１１５では、全体制御装置４０は、ステップＳ１１１で電圧振幅計算装置４７が算出した電圧振幅Ｅを有し、かつ、共振周波数ｆ１に同期した入力周波数ｆ２（図１２（ｃ））の高周波電力を、低レベル高周波発生装置４３およびアンプ４４を介して高周波加速空胴２１に入力する。これにより、加速器１における安定なシンクロトロン振動が可能な領域に入射した粒子が、加速ギャップ２２３を通過するたびに、加速用高周波電場により加速されながら加速器１の内部をビームとして周回し、目標エネルギー近くまで加速される。これに対して、安定なシンクロトロン振動が可能な領域に入射しなかった粒子は、加速器１の内部の構造物に衝突して消失する。

ステップＳ１１６では、全体制御装置４０は、低下タイミングＴｄになると、低レベル高周波発生装置４３に高周波電圧の供給を停止（低下）させる。これにより、高周波加速空胴２１が発生する加速用高周波電場Ｅは、高周波加速空胴２１の共振のＱ値に応じて徐々に小さくなり、上述の高周波バケツ７１０が消失していく。

ステップＳ１１７では、全体制御装置４０は、擾乱高周波電力を生成するように擾乱高周波制御装置４６に指示する。これにより、擾乱高周波制御装置４６は、高周波電源４５を動作させ、擾乱用電極３１３に擾乱用高周波電力を出力する。擾乱用電極３１３は、擾乱用高周波電力によって擾乱用高周波電場を発生し、加速器１を周回しているビームは、擾乱用高周波電場により擾乱を受けて、図１２（ｇ）に示すように水平方向のエミッタンスが増大する。なお、擾乱用高周波電力の電力値は、擾乱高周波制御装置４６によって制御される。また、擾乱用高周波電力の電力値の指定値は、例えば、取り出しビームのエネルギーと取り出しビームの出力電流から一意に定まる値として治療計画データベース５０で予め定められ、全体制御装置４０より指示される。

ステップＳ１１８では、全体制御装置４０は、高周波電力を入力した時点から印加時間Tが経過するまで待機する。これにより、加速用高周波電場の電圧振幅がゼロになる。なお、加速用高周波電場Ｅの電圧振幅が十分小さくなった時点で、加速器１内のビームは目標エネルギーに到達している。このとき、ビームは、運動量分散Δｐが最も小さくなる最適な電圧振幅Ｅに応じて加速しているため、ビームの運動量分散Δｐは抑制されている。

また、ビームの水平エミッタンスは、擾乱高周波電場の作用により増大する。このため、ビームは、付加磁場発生用シム３１１が励起するキック磁場が作用する領域を通過し、取り出しチャネル３１２が形成する遮蔽空間３２２に到達し、その後、取り出し軌道を通過して、取り出しビーム用貫通孔１１１から加速器１の外部に取り出される。このとき、ビームの運動量分散Δｐは抑制されているため、ビームが取り出しチャネル３１２の外壁などに衝突して失われるビーム量を小さくすることができ、高効率で加速器１からビームを取り出すことができる。

ステップＳ１１９では、全体制御装置４０は、ビームを取り出す時間が治療計画データベース５０により予め設定されたビーム取り出し時間を経過したか否かを判断する。

このとき、全体制御装置４０は、擾乱用電極３１３に対する擾乱高周波電力の印加を継続する。その間、擾乱用電極３１３の擾乱用高周波電場により、加速器１からのビームの取り出しが継続される。この時、高周波加速空胴２１に接続されたサーボモータ４１の回転に応じて共振周波数ｆ１が変動し続けるが、高周波加速空胴２１には高周波電力が入力されていないため、ビームは一定のエネルギーで周回しながら、擾乱用高周波電場によって順次取り出されていく。なお、ビーム取り出し時間は、周回中の全電荷が加速器１からすべて取り出される時間、または、取り出したビームの量が照射計画で定められた所定の照射線量に到達する時間に設定されている。本実施例では、上述したようにビームを高効率で取り出すことができるため、ビーム取り出し時間を短くすることができる。

全体制御装置４０は、ビーム取り出し時間が経過していない場合、ステップＳ１１９の処理に戻り、ビーム取り出し時間が経過した場合、ステップＳ１２０の処理に進む。

ステップＳ１２０では、全体制御装置４０は、擾乱高周波制御装置４６を介して、擾乱用電極３１３への擾乱高周波電力の印加を停止して、ビームの取り出しを終了する。このとき、図１２（ｆ）に示すように、ビームを運転周期よりも長い期間取り出すことも可能である。

ビームの取り出しが終了すると、ステップＳ１１１の処理が再度実行される。図１２では、２回目の取り出し処理において、１回目前の取り出し処理よりも大きなエネルギーを有するエネルギーのビームを照射する例が示されている。この場合、２回目の加速用高周波電場の電圧振幅Ｅ１および印加時間Ｔ１は、１回目の加速用高周波電場の電圧振幅Ｅ２および印加時間Ｔ２が大きい。

以上説明したように本実施形態によれば、加速器１は、主磁場および加速用高周波電圧によって、イオンビームを当該イオンビームの設計軌道を偏心させながら加速する。付加磁場発生用シム３１１および擾乱用電極３１３は、イオンビームに対して擾乱用高周波電場と多極磁場とを印加することで、そのイオンビームを設計軌道の外側に変位させる。取り出しチャネル３１２は、周回軌道の外側に変位したイオンビームを外部に取り出す。取り出しチャネル３１２は、イオンビームが入射する開口３１２１ａを有し超伝導体で形成された筒状の磁場遮蔽体３１２１と、磁場遮蔽体３１２１を一定温度以下まで冷却する冷却機構３１２２と、を有する。

したがって、イオンビームがイオンビームの設計軌道を偏心させながら加速されるため、取り出すビームのエネルギーが制御可能であり、かつ、小型化を図ることが可能になる。また、磁場遮蔽体３１２１を冷却する電力のみでビームの取り出しチャネル３１２を機能させることが可能になるため、消費電力の低減化を図ることが可能になる。また、取り出しチャネル３１２にセプタム電磁石を用いた場合と比較して、発熱量を低減することが可能になり、より長い期間における連続運転が可能となる。

また、本実施例では、冷却機構３１２２は、磁場遮蔽体３１２１の熱を外部に運ぶ伝熱体３１２２ａと、磁場遮蔽体３１２１を覆う断熱材３１２２ｂとを有する。このため、磁場遮蔽体３１２１を効率良く冷却することが可能となる。

また、本実施例では、断熱材３１２２ｂは、磁場遮蔽体３１２１の開口３１２１ａ側における設計軌道側に切り欠き部３１２２ｃを有する。このため、ビームの粒子が断熱材３１２２ｂに衝突して消失することを低減することが可能となるため、ビームの取り出し効率を高くすることが可能になる。

また、本実施例では、磁場遮蔽体３１２１は、円筒形状であり、特には、超伝導体を有する超伝導線を筒状に巻いた超伝導コイルである。この場合、効率よく磁場を遮蔽することが可能となる。

なお、実施例１で説明した加速器１は単なる一例である。

例えば、取り出しチャネル３１２（磁場遮蔽体３１２１）の形状を円形の開口３１２１ａを有する円筒形状としてが、開口３１２１ａは、四角形またはそれ以上の多角形などでもよい。また、取り出しチャネル３１２の外形は、設計軌道と取り出しチャネル３１２との間の距離以内の厚みを有する形状であればよい。例えば、図１４に示すように設計軌道側の磁場遮蔽体３１２１の厚みを薄して、ビームが磁場遮蔽体３１２１に衝突して消失することを軽減するために、開口３１２１ａの中心軸Ｃ１が取り出しチャネル３１２の外形の中心軸Ｃ２よりも設計軌道側に位置するように、取り出しチャネル３１２が形成されてもよい。

また、取り出しチャネル３１２は、外部磁場を必要な精度まで低減できる構成であれば、遮蔽空間３２２を完全に覆う形状である必要はなく、例えば、Ｃの字型の形状のように、設計軌道側の磁場遮蔽体３１２１の壁を切り欠いた形状でもよい。この場合、取り出し軌道３２２上の磁場は完全には０にならないため、取り出すビームのエネルギーによって取り出されるビームの軌道がばらつく恐れがある。この場合、取り出しチャネルの下流側に補正電磁石を設置し、その補正電磁石の励磁量をエネルギーに応じて制御することで、取り出されるビームの軌道のばらつきを抑制することができる。

実施例１では、加速核種として水素イオンが用いられていたが、本実施例では、加速核種として炭素イオンが用いられる例を説明する。本実施例の加速器１は、炭素イオンのビームを核子当り運動エネルギー１４０ＭｅＶ～４３０ＭｅＶの範囲での取り出しが可能な周波数変調型の可変エネルギー加速器である。

実施例１の加速器１と異なる点は、軌道半径と主磁場とビームの運動エネルギーとの関係、およｂ、周回周波数とビームの運動エネルギーと関係である。これらの関係は、実施例１の加速器１に対して、ビームの磁気剛性率の比に軌道半径と磁場の積を比例させることで決定することができる。

本実施例でも、第１の実施例と同様に、取り出しビームのエネルギーが制御可能であり、小型で消費電力の低減化を図ることが可能である。

本実施例では、実施例１また２に記載した加速器１を用いた粒子線治療装置について説明する。図１５は、本実施例の粒子線治療装置である示す図である。

図１５に示す粒子線治療装置１０００は、治療台７に固定された患者８の患部（標的）に対して、患部の体表からの深さに応じたエネルギーを有するビームを照射する装置である。粒子線治療装置１０００は、加速器１と、ビーム輸送系２と、照射装置３と、制御装置４と、照射制御装置５と、治療計画装置６とを有する。

ビーム輸送系２は、加速器１から取り出されたビームを照射装置３まで輸送する。照射装置３は、ビーム輸送系２にて輸送されたビームを治療台７に固定された患者８内の標的に照射する。照射制御装置５は、照射装置３を制御する。

治療計画装置６は、図１１に示した治療計画データベース５０を含む。治療計画装置６は、標的に対するビームの照射計画を生成して照射計画を治療計画データベース５０に格納する。

粒子線治療装置１０００では、標的に照射するビームのエネルギーおよび線量は、治療計画データベース５０に記憶された照射計画にて定められている。制御装置４は、照射計画に基づいて加速器１を制御して所望の目標エネルギーを有するビームを取り出す。照射制御装置５は、加速器１から取り出されてビーム輸送系２にて輸送されたビームを照射装置３から標的に照射する。

なお、ビーム輸送系２は、図１５に示すような固定されたものに限られず、回転ガントリと呼ばれる照射装置３と共に患者８の周りを回転可能とした輸送系でもよい。また、照射装置３は一つに限られず、複数あってもよい。また、ビーム輸送系２を設けずに、加速器１から照射装置３に対してビームを直接輸送する形態でもよい。

上述した本開示の各実施例は、本開示の説明のための例示であり、本開示の範囲をそれらの実施例にのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本開示の範囲を逸脱することなしに、他の様々な態様で本開示を実施することができる。

１：加速器、２：ビーム輸送系、３：照射装置、４：制御装置、５：照射制御装置、６：治療計画装置、１１：電磁石、１１ａ：キャビティ、１２：イオン源、１３：コイル、２０：ビーム通過領域、２１：高周波加速空胴、２２：ディー電極、３３：トリムコイル、３１１：付加磁場発生用シム、３１２：取り出しチャネル、３１２ａ：入射部、３１３：擾乱用電極、３２２：取り出し軌道、１０００：粒子線治療装置、３１２１：磁場遮蔽体、３１２１ａ：開口、３１２２：冷却機構、３１２２ａ：伝熱体、３１２２ｂ：断熱材、３１２２ｃ：切り欠き部、３１２３：支持機構

Claims (7)

1. 主磁場および加速用高周波電圧によって、イオンビームを当該イオンビームの周回軌道を偏心させながら加速する加速器であって、
   前記イオンビームに対して前記加速用高周波電圧とは周波数が異なる擾乱用高周波電場と多極磁場とを印加することで、当該イオンビームを前記周回軌道の外側に変位させる分離部と、
   前記周回軌道の外側に変位したイオンビームを外部に取り出す取り出し部と、を有し、
   前記取り出し部は、
   前記イオンビームが入射する開口を有し、超伝導体で形成された筒状の磁場遮蔽体と、
   前記磁場遮蔽体を一定温度以下まで冷却する冷却機構と、を有する、加速器。
2. 前記冷却機構は、前記磁場遮蔽体の熱を外部に運ぶ伝熱体と、前記磁場遮蔽体を覆う断熱体とを有する、請求項１に記載の加速器。
3. 前記断熱体は、前記開口側における前記周回軌道側に切り欠き部を有する、請求項２に記載の加速器。
4. 前記磁場遮蔽体は、円筒形状である、請求項１に記載の加速器。
5. 前記磁場遮蔽体は、超伝導体を有する超伝導線を筒状に巻いた超伝導コイルである、請求項１に記載の加速器。
6. 前記開口の中心軸が前記取り出し部の中心軸よりも前記周回軌道側にある、請求項１に記載の加速器。
7. 請求項１に記載の加速器と、
   前記加速器から取り出されたビームを照射する照射装置と、を有する粒子線治療装置。
   
   

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