JP2022109715A - 円形加速器、および、粒子線治療システム - Google Patents

Abstract

【課題】円形加速器から、高周波キッカによって所望のエネルギーのビームを効率よく出射させる。【解決手段】本発明の円形加速器は、加速領域に直交する直流主磁場を形成する磁石と、加速領域内を周回する荷電粒子ビームに第１の高周波電場を印加して、周回軌道の半径を増加させながら加速する第１電極と、荷電粒子ビームを前記周回軌道から外部に出射させるために、周回する荷電粒子ビームを半径の方向に振動させる第２の高周波電場を印加する高周波キッカとを有する。高周波キッカは、周回軌道の軌道面を挟んで対向配置された一対の電極と、一対の電極の外側に配置された接地電極とを備え、軌道面において半径方向の高周波電場を形成する。一対の電極は、それぞれ軌道面に直交する方向のサイズよりも、周回軌道の半径方向のサイズの方が大きい板状である。【選択図】 図７

Description

本発明は、粒子線の円形加速器と、それを利用した粒子線治療システムに関する。

粒子線治療には、ビームを周回させて加速する円形加速器がよく用いられる。なかでも、超電導コイルを用いたシンクロサイクロトロンは治療施設の小型化、低コスト化に有効である。シンクロサイクロトロン中のビームは、時間的に一定の主磁場中を周回し、周回途中に加速高周波電場が生じる加速間隙を通過する度にエネルギーを得る。主磁場が非等時性磁場であるため、加速条件を維持するには、加速高周波電場の周波数を変調する必要があり、ある周波数変調パターンがmsecオーダの加速周期で繰り返される。一加速周期の間に、パルス状の時間構造を持つビームが加速器内に入射され、加速されて最高エネルギーに達すると、パルス状ビームが加速器外へ出射される。

出射されたビームは、照射装置を経て患者患部に照射される。このとき粒子線治療で一般的なスキャニング照射方式であれば、患部形状に合わせて、スキャニングコイルでビーム進行方向と垂直な方向にビームを走査する。また、ビーム進行方向については、ビームのエネルギーを変えて飛程を調整することで、患部形状に合わせて照射する。

シンクロサイクロトロンでは、出射されるビームのエネルギーは最大値で一定であるため、高エネルギービーム輸送系に設置する散乱体にビームを通し、エネルギー損失を引き起こすことでビームのエネルギーを調整する。ビームのエネルギーを変更する際は、楔形の散乱体を機械的に移動させ、ビームが散乱体内を通過する経路長を変える。よって、シンクロサイクロトロンにおいて照射可能なビーム電荷は、散乱体によりビーム損失が生じるために、低エネルギーほど減少するという問題があった。また炭素線など重粒子線の場合には、散乱体を使用すると核破砕による照射線量の減少も合わせて生じる。この他にも、散乱体の設置による大型化や散乱体部分の放射化などの課題があった。

これらの課題を解決すべく、特許文献１に記載の偏芯軌道型加速器が提案されている。この加速器は、主電磁石と、主電磁石の磁極間にビームを入射するイオン源と、周波数変調された加速高周波を印加する加速電極を備えている。ビーム軌道は、主電磁石が発生する固定主磁場によって形成される周回軌道であり、ビーム加速と共に軌道半径が増加する。さらにビームを外部に取り出すために、ビームの周回軌道が軌道半径の増加に伴い一方向に偏芯する構成とし、周回軌道が集約した狭小領域を形成している。この狭小領域に高周波キッカを配置し、狭小領域を通過する複数の異なるエネルギーのビームに、高周波キッカから加速高周波とは周波数の異なる高周波電場を印加することにより、所望のエネルギーのビームのベータトロン振動を増大させてビームを外部に出射させることができる。

特開2019-133745号公報

特許文献１に記載の高周波キッカは、接地電極と高圧電極からなり、取出したいエネルギーのビーム軌道が、接地電極と高圧電極との間に挟まれるように配置する旨が開示されている。しかし、上記のような電極とビームとの位置関係では、ベータトロン振動によって高圧電極から離れた位置にビーム軌道が存在するときに、ビームに作用するべき高周波キッカ電場の向きが理想とは逆向きとなり、ベータトロン振動を効果的に増幅できなくなるケースがあることを発明者らは見出した。そのようなケースでは、出射電流が低下するため、単位時間当たりの照射量である線量率も低下し、一回の治療に時間がかかってしまい、患者スループットが低下するという課題がある。

本発明の目的は、円形加速器から、高周波キッカによって所望のエネルギーのビームを効率よく出射させることにある。

本発明の円形加速器は、加速領域に直交する直流主磁場を形成する磁石と、加速領域内を周回する荷電粒子ビームに第１の高周波電場を印加して、周回軌道の半径を増加させながら加速する第１電極と、荷電粒子ビームを前記周回軌道から外部に出射させるために、周回する荷電粒子ビームを半径の方向に振動させる第２の高周波電場を印加する高周波キッカとを有する。高周波キッカは、周回軌道の軌道面を挟んで対向配置された一対の電極と、一対の電極の外側に配置された接地電極とを備え、軌道面において半径方向の高周波電場を形成する。一対の電極は、それぞれ軌道面に直交する方向のサイズよりも、周回軌道の半径方向のサイズの方が大きい板状である。

本発明によれば、どのエネルギーのビームに対しても、必要な方向のみの高周波キッカ電場を作用させることができるため、高周波キッカのベータトロン振動増幅効果が増し、印加電圧、あるいは印加時間を抑制できる。これにより、所望のエネルギーのビームを効率よく出射させることができる。

実施形態１の円形加速器の外観を示す斜視図である。 実施形態１の円形加速器の断面図である。 図２のＢ－Ｂ’矢視図である。 実施形態１の円形加速器の各エネルギー別のビーム軌道を示す説明図である。 （ａ）～（ｃ）実施形態１の加速器運転パターンを示す図である。 実施形態１の高周波キッカの断面図である。 （ａ）図６の高周波キッカのA－A’矢視図の印加される電場と、ベータトロン振動を示す説明図である。（ｂ）比較例の高周波キッカの電場を説明する図である。 実施形態１の高周波キッカの変形例の断面図である。 実施形態１の加速高周波電源、高周波キッカ電源および制御系のブロック図である。 実施形態２の高周波キッカの断面図である。 実施形態３の粒子線治療システムの全体構成を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の一実施形態の円形加速器について説明する。尚、下記はあくまでも実施形態に過ぎず、発明の内容を下記具体的態様に限定する趣旨ではない。発明自体は、下記実施形態以外にも種々の形態に変形させることが可能である。

また、本実施形態にかかる円形加速器は、出射するビーム量を細かく制御することが可能であり、粒子線治療システム、特にスキャニング照射法を用いる粒子線治療システムに好適である。ただし、粒子線治療システムへの適用に限定されるものではなく、粒子線ビームを用いる用途であればどのような装置に適用してもよい。

＜＜実施形態１＞＞
本発明の好適な一実施形態である実施形態１の円形加速器を説明する。本実施形態の円形加速器３９は、時間的に一定強度の主磁場中を、周波数変調した高周波電場によってビームを加速するものである。ここでは、陽子ビームを２３５ MeVまで加速する円形加速器について説明するが、ヘリウムや炭素など重粒子ビームを加速するものであってもよい。

図１に、円形加速器３９の外観、図２に円形加速器３９の横断面（中心平面）の構成図、図３に円形加速器３９の縦断面の構成図（図２のＢ－Ｂ’矢視図）を示す。図４に円形加速器３９内の各エネルギーの周回軌道を示す。図２および図４から明らかなように、本実施形態の円形加速器３９は、ビームの周回軌道が軌道半径の増加に伴い一方向に偏芯するように主磁場を形成した偏芯軌道型加速器であり、ビーム出射経路入口８２の近傍領域においてエネルギービーム軌道が集約（接近）している。これにより、ビームエネルギーを７０ＭｅＶから２３５ＭｅＶの周回軌道の中の任意の軌道のビームを加速器より出射させることができる。

円形加速器３９の構成について説明する。図１に示すように、円形加速器３９は、外形がほぼ円柱形で、上下方向に分割可能な主電磁石４０によってその外殻が形成されている。主電磁石４０内部には、図２および図３に示すように、中心軸に垂直な中心平面を中心に加速領域（空間）４０ａが設けられ、加速領域４０ａは真空引きされている。ここで、加速領域４０ａ内において、ビームが加速開始されて最大エネルギーの２３５ＭｅＶになるまでに通る軌道を周回軌道と呼ぶ（図４参照）。周回軌道のうち、最大エネルギー２３５ＭｅＶのビームが通過する軌道を最大エネルギー軌道８０と呼び、７０ＭｅＶのビームが通過する軌道を最低出射エネルギー軌道８１と呼ぶ。また、周回軌道が螺旋を描く面を軌道面４０ｂまたは軌道平面という。また、加速領域４０ａの中心を原点とする軌道面４０ｂの２次元極座標系としたときの中心からの半径外側方向の軸をｒ軸とする。

主電磁石４０は、図３のように、主磁極３８、ヨーク４１、主コイル４２からなる。ヨーク４１は、主電磁石４０の外観を形成し、内部におよそ円筒状の領域を構成する。主コイル４２は、円環状のコイルであり、ヨーク４１の内壁に沿って設置される。主コイル４２は超電導コイルであり、主コイル４２周囲にはクライオスタット６０を設置して冷却する。主コイル４２の内周側には主磁極３８が加速領域４０ａを挟んで上下対向して設置されている。主コイル４２に電流を流すことにより励起され、主磁極３８により加速領域４０ａに形成される上下方向の磁場を、主磁場と呼び、偏芯した周回軌道の形成に用いる。主磁場中の加速領域４０ａにおいて、ビームは加速される。

ヨーク４１には複数の貫通口が設けられている。そのうち加速されたビームを出射するためのビーム用貫通口４６、ヨーク４１内部の種々のコイル導体を外部に引き出すためのコイル用貫通口４８、加速領域を真空引きするための真空引き用貫通口４９、および、高周波加速空胴１０のための高周波系用貫通口５０は、上下磁極３８の接続面に図２のように設けられている。

図１のように、主電磁石４０の上面には主電磁石４０に入射させるためのイオンビームを生成するイオン源５３が設置されている。イオン源５３の直下には、主電磁石４０の中心軸に平行にヨーク４１および上側の磁極３８を貫通する低エネルギービーム輸送系５４が形成されている。イオン源５３で生成されたイオンビームは、低エネルギービーム輸送系５４を通り、イオン入射部５２より主電磁石４０内部の加速領域に入射される。イオン源５３としては、ＥＣＲイオン源などを適用できる。なお、イオン源５３は、主電磁石４０内部の真空引きされた加速領域内部に配置しても良く、その場合はＰＩＧ型イオン源などが好適である。

イオン入射部５２は、中心線４０ｃ上で加速領域４０ａの機械中心（円筒形の主電磁石４０の中心軸）よりもビーム出射経路入口８２側に寄せて配置する。中心線４０ｃは、軌道面４０ｂの面内で主電磁石４０の中心軸と直交し、コイル用貫通口４８と高周波系用貫通口５０を通過する線である。イオン源５３で生成された荷電粒子のビームは、低エネルギービーム輸送系５４を通り、イオン入射部５２よりインフレクタ電極（図示せず）などを用いて主電磁石４０内部の加速領域４０ａに入射される。入射されたビームは、この後説明するディー電極１２とダミーディー電極１３が印加する高周波電場で加速され、エネルギーを増しながら主磁場中を周回する。ビームは加速されるにつれ、その軌道の曲率半径を増し、かつ、軌道中心を円筒形の主電磁石４０の中心軸に近づくように主磁場によって偏芯する。これにより、ビームは、図４のように加速領域４０ａの中心から外側に向かって、螺旋状の軌道であって、偏芯した軌道を描く。

加速領域４０ａ内の中心線４０ｃ上であって、コイル用貫通口４８側の螺旋状の周回軌道の外部には、所定のエネルギー範囲の周回軌道を挟むように高周波キッカ７０が配置されている。高周波キッカ７０よりも外周側には、セプタムコイル４３が、そのビーム出射経路入口を中心線４０ｃに一致させるように配置されている。セプタムコイル４３は、ビーム用貫通孔４６内に挿入された高周波ビーム輸送系４７に接続されている。さらに、最外周軌道８０の外側には、高周波キッカ７０を挟むように、周方向に沿ってピーラ磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５が設けられている。

高周波加速空胴１０は、λ／２共振型空胴であり、ディー電極１２、ダミーディー電極１３、内導体１４、外導体１５、回転コンデンサ３０を有する。ディー電極１２は、内部をビームが通過する中空電極であり、内導体１４とつながっている。ダミーディー電極１３は、アース電位の電極であり、ディー電極１２と内導体１４を外包する外導体１５とつながっている。ディー電極１２とダミーディー電極１３の間に高周波電場が立つ加速間１１が形成される。

高周波加速空胴１０には、入力カプラ２０を介して、加速高周波電源２５が接続されている。入力カプラ２０は、静電結合式か磁気結合式のどちらかで高周波加速空胴とカップリングされており、加速高周波電源が出力する高周波電力を高周波加速空胴に供給する。これにより、加速間隙１１にビームを加速するための高周波電場が発生する。

回転コンデンサ３０は、高周波加速空胴１０の共振周波数を変調するための機器であり、モータ３１、固定電極３２、固定電極３２と対向する回転電極３３とを含む。固定電極３２は、内導体１４上に形成されている。また、回転電極３３は、外導体１５に隣り合い、外導体１５と物理的に接続されていないものの、外導体１５と静電容量を介して電気的に接続されている。なお、固定電極３２を外導体１５上に形成し、回転電極３３が内導体１４に静電結合される構成でもよい。

回転コンデンサ３０は、回転電極３３をモータ３１で回転させることで、固定電極３２と回転電極３３との対向部面積を変化させ、固定電極３２との間に形成される静電容量を時間的に変動させる。静電容量を時間的に変動させることで、高周波加速空胴１０の共振周波数を変え、周波数変調パターンを形成する。回転コンデンサ３０によって周波数変調された加速電圧は、ディー電極１２とダミーディー電極１３との間の加速間隙１１に印加され、加速間隙１１を通過するビームを加速する。図２に示した加速間隙１１は、ビームの軌道形状に応じて形成され、ハーモニクス数１の場合、すなわち周回周波数と加速周波数とが同じ場合を示している。

また、回転コンデンサ３０に替えて、フェライトコアを用いて周波数変調することもできる。この場合は、内導体１４に円環形状のフェライトコアを巻回させて配置し、このフェライトコアに時間的に変動するバイアス磁場を印加することで高周波加速空胴１０のインダクタンスを変えて共振周波数を変調する。

次に、偏芯軌道を実現する主磁場（主電磁石４０の発生する磁場）について説明する。主磁場は、周方向に主磁場強度を一定とするタイプのほか、ＡＶＦ（Ａｚｉｍｕｔｈａｌ Ｖａｒｙｉｎｇ Ｆｉｅｌｄ）タイプでもよいが、いずれの場合も主磁場分布は、非等時性磁場であり、式（１）で表されるｎ値が０より大きく、かつ１未満となるビーム安定化条件を満たすように定める。

ここで、ρは設計軌道の偏向半径、Ｂは、主磁場の磁場強度、∂Ｂ／∂ｒは、主電磁石４０の半径方向ｒの磁場勾配である。上述のビーム安定化条件のもとでは、設計軌道から径方向に微小にずれたビームは設計軌道に戻すような復元力を受けると同時に、軌道面に対し鉛直な方向にずれたビームも軌道面に戻す方向に主磁場から復元力を受ける。すなわち、ビームは設計軌道の近傍をベータトロン振動し、ビームを安定に周回・加速できる。また、全エネルギーのビームで、軌道面内に平行、かつ軌道と直交する方向のベータトロン振動数（水平方向チューン）νｒは１に近い値に設定される。上述の主磁場分布は、主磁極３８、および主磁極３８の表面に設置するトリムコイルや磁極片（ともに図示せず）によって形成する。これらの構成要素は、軌道平面に対し上下対称に配置するため、主磁場は軌道平面上においては、軌道平面と垂直な方向の磁場成分のみを持つ。

図４に各エネルギーの周回軌道を示す。周回軌道は最大エネルギー２３５ＭｅＶから磁気剛性率０．０４Ｔｍおきに５０種類のエネルギーの軌道を実線で示している。点線は各軌道の同一の周回位相を結んだ線であり、等周回位相線と呼ぶ。等周回位相線は集約領域から周回位相π／２０ごとにプロットしている。ディー電極１２と対向するダミーディー電極１３との間に形成される加速間隙１１は、等周回位相線に沿って設置される。より具体的には、ディー電極１２は同心軌道の中心付近を先端とし、半径が等周回位相線に沿う、扇形のような中空の形状をしている。

周回軌道は、ビームのエネルギーが低い領域では、従来のサイクロトロン同様にイオンの入射部５２付近を中心とする同心軌道に近くなるが、より大きなエネルギーの周回軌道はビーム出射経路入口８２の側で密に集約しており、逆に内導体１４の側では各エネルギーの周回軌道が互いに離れた位置関係にある。このように周回軌道が密に集まっている点を集約領域、離散した領域を離散領域と呼ぶ。このように集約領域を形成し、集約領域の周回軌道のうち、出射させるべきエネルギー範囲の周回軌道を挟むように高周波キッカを配置し、集約領域付近からビームを取出すことにより、必要となるビームキック量を小さくできるため、エネルギー可変のビーム出射を容易にすることができる。

上述した円形加速器３９において、イオンビームが入射されて、加速されたビームが出射されるまでを図５（ａ）～（ｃ）を用いて説明する。図５（ａ）は、高周波加速空胴１０の共振周波数ｆ_ｃａｖと、高周波キッカ７０によりビームに印加される高周波電場の周波数である高周波キッカ周波数ｆ_ｅｘｔと、時刻Ｔとの関係を表すグラフである。図５（ｂ）は、加速間隙１１に発生する加速電圧Ｖ_ａｃｃと高周波キッカ７０に印加される高周波キッカ電圧Ｖ_ｅｘｔと、時刻Ｔとの関係を表すグラフである。図５（ｃ）は、入射するビームの電流および出射するビームの電流と、時刻Ｔとの関係を表すグラフである。

一加速周期は、加速電圧Ｖ_ａｃｃの立ち上がり（時刻Ｔ１）から始まる。その後、加速電圧Ｖ_ａｃｃが十分に上がると、イオン源５３よりビームが入射される（時刻Ｔ２）。ビームが入射してから時間ｔ１経過後にビームの高周波捕獲が終了する。捕獲されたビーム、すなわち入射されたビームのうち加速の準備が整ったビームが加速電圧Ｖ_ａｃｃにより加速され始める（時刻Ｔ３）。ビームが取出したいエネルギーに達すると、加速高周波の遮断が開始され（時刻Ｔ４）、それから時間ｔ_２が経過すると加速高周波電圧Ｖ_ａｃｃがＯＦＦ状態となり（時刻Ｔ５）、ビームはある軌道を周回する。なお、ビームを形成する個々の荷電粒子は、周回時にビームの軌道と直交する方向に振動しており、この振動をベータトロン振動、この振動の振動数をベータトロン振動数という。また、周回一周あたりの振動数をチューンといい、周回一周あたりの軌道面外側へのビームのｒ軸上の変位をターンセパレーションという。また、周回するビームは、軌道面内かつビームの軌道と直交する方向のベータトロン振動を水平方向のベータトロン振動、チューンを水平方向チューンという。このベータトロン振動は、適切な高周波電圧を印加すると、共鳴が起こり、振幅が急激に増大する性質がある。

そこで、Ｖ_ａｃｃがＯＦＦ状態になると同時に、高周波キッカ７０へ高周波電圧Ｖ_ｅｘｔの印加を開始する。なお、高周波キッカ７０への高周波キッカ７０へ高周波電圧Ｖ_ｅｘｔの印加開始（時刻Ｔ５）は、加速高周波電圧Ｖ_ａｃｃがＯＦＦ状態となるのと厳密に同時でなくてもよい。高周波電圧Ｖ_ｅｘｔの印加開始は、加速高周波の遮断開始（時刻Ｔ４）の直前や同時、直後でもよく、加速高周波電圧Ｖ_ａｃｃがＯＦＦ状態の直前や直後でもよい。なお、取り出したいエネルギーは、加速高周波電圧Ｖ_ａｃｃの印加時間で制御することができる。

高周波キッカ７０の高周波電圧は、高周波キッカ７０が共振器構造でなく、静電容量が適切な値となるように設計されていれば、数μｓの応答で素早く立ち上がる。ここで、ベータトロン振動は、水平チューン又は水平チューンの小数部のいずれか一方とビームの周回周波数との積が、印加される高周波電圧の周波数と略同一であるとき、振幅が共鳴的に増大する性質をもつ。そこで、該高周波電圧の周波数ｆ_ｅｘｔは、最大エネルギービームの水平方向チューンν_ｒの小数部Δν_ｒと、取出したいエネルギーのビームの周回周波数ｆ_ｒｅｖとの積Δν_ｒ×ｆ_ｒｅｖと略同一となるようにしておく。あるいは略同一となる周波数成分を含む有限の周波数バンド幅の高周波電圧を印加してもよい。結果として、水平方向ベータトロン振動の振幅は共鳴的に増大し続け、やがて最大エネルギー軌道８０の外周側に設置したピーラ磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５にビームが到達する（時刻Ｔ６）。

ピーラ磁場領域４４に到達したビームは、軌道面の外周側にキックされ、リジェネレータ磁場領域４５に到達したビームは、軌道面内周側にキックされる。ここで、キックするとは、電場または磁場をかけることにより、ビームを偏向させることをいう。ピーラ磁場領域４４の四極磁場成分により、ビームは、さらに外周側にキックされてターンセパレーションが増大していく。同時に、リジェネレータ磁場領域４５の磁場により、ビームの水平方向チューンが急激に変動しないようにしておき、ビームが出射されるまでの間に、水平方向と９０度直交する垂直方向にベータトロン振動が発散してビームが失われるのを防ぐ。ピーラ磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５それぞれの磁場強度を適切に調節すれば、２ν_ｒ＝２のベータトロン振動の共鳴条件が発生して、ターンセパレーションを増大させることができる。

ビーム出射経路入口８２にはセプタムコイル４３が設置されている。やがてセプタムコイル４３の内周側に設置されるコイル導体（図示せず）の厚みを大きく超えるターンセパレーションが得られるようになると、ビームは、セプタムコイル４３内部へと導かれ、十分な偏向を受け高エネルギービーム輸送系４７へ導かれ、出射される。

なお、高周波キッカ７０へ高周波電圧印加を開始した直後（時刻Ｔ５）は、可能な限り大きな高周波電圧を印加し、ビームの振幅を素早く増大させることで、ビーム出射までの時間を短縮できる。そして、ビームがピーラ磁場領域４４またはリジェネレータ磁場領域４５に到達する直前（時刻Ｔ６）に高周波電圧を低下させ、ピーラ磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５とに進行するビームの量を調整することで、ビーム出射電流を細かく制御することができる。高周波電圧Ｖ_ｅｘｔを低下させるかわりに、高周波キッカ７０に印加する高周波の周波数をスイープする、あるいは該高周波の位相を変えることでも、ビームの出射電流を変えることができる。これは、ビームに含まれる荷電粒子のベータトロン振動数が、ある分布をもってばらついているという性質（チューンスプレッド）を利用している。高周波の周波数を変えることにより、共鳴を起こす荷電粒子の振動数の分布のどの帯域に合わせるかで、ビームの出射電流を変えることができる。

そして、ビームの出射開始（時刻Ｔ６）から時間ｔ４経過後に高周波キッカ７０へ高周波電圧Ｖ_ｅｘｔの印加を停止することで、ビームの出射を停止させる（時刻Ｔ７）。この時間ｔ_４を調整することでビームの出射時間を制御することができる。

このように高周波キッカ７０に引加する高周波電圧Ｖ_ｅｘｔを制御することで、ビーム出射電流を調整することができ、高周波電圧Ｖ_ｅｘｔを印加停止すればビーム出射を停めることができるので、スキャニング照射で要求されるスポット線量を、１回の出射パルスビームで過不足なく照射することができ、線量率が向上する。例えば、図５に示すようにビームの出射開始（時刻Ｔ６）から時間ｔ４’経過後まで高周波キッカ７０への高周波電圧Ｖ_ｅｘｔの印加を続ければ、時刻Ｔ７’までビームを出射することができる。

また、出射後に加速器内に周回するビームが残存していれば、該高周波電圧Ｖ_ｅｘｔを再び印加することでビーム出射を再開でき（時刻Ｔ８）、再びビームを入射・捕獲・加速することなしに次のスポット照射に用いることができる。すなわち、一加速周期内に複数回ビームを出射することができるので、イオン源５３より入射された電荷を無駄なく使用できるため、線量率がさらに向上する。そして、再び、加速電圧Ｖ_ａｃｃが立ち上がり始めれば、新たな加速周期が始まる（時刻Ｔ１０）。

＜高周波キッカ７０の構成＞
次に、本実施形態の高周波キッカ７０の構成について説明する。

高周波キッカ７０の中心平面（軌道面４０ｂ）上の断面構成を図６に、図６のA-A'断面矢視図を図７（a）に示す。

高周波キッカ７０は、ビームを周回軌道から外部に出射させるために、周回するビームを半径方向に振動させる高周波電場を印加する。そのため、高周波キッカ７０は、周回軌道の軌道面４０ｂを挟んで対向配置された一対の電極７２と、一対の電極７２の外側に配置された接地電極７１とを備え、一対の電極７２には、同じ電圧（同位相の高周波電圧）が印加される。これにより、高周波キッカ７０は、軌道面４０ｂにおいて半径方向ｒの電場＋Ｅ_ｒ１と－Ｅ_ｒ１を時間的に交互に形成する。一対の電極７２の形状はそれぞれ、軌道面４０ｂに直交する方向のサイズｄよりも、周回軌道の半径方向のサイズｗの方が大きい板状である。

高周波キッカ７０の半径方向ｒの外側の位置Ｂには、図２に示したように、ビームを外側に偏向させるピーラ磁場領域４４を形成するピーラ磁場発生部がさらに配置されている。高周波キッカ７０は、ビームのうち出射させるべき最小エネルギー（７０ＭｅＶ）のビームの周回軌道８１を中心に、周回軌道８１とピーラ磁場領域４４の位置Ｂとの距離Ｄの２倍の範囲について、形成する電場＋Ｅ_ｒ１と－Ｅ_ｒ１の向きは、それぞれ一様である。

このように、本実施形態では、軌道面４０ｂに直交する方向のサイズｄよりも、周回軌道の半径方向のサイズｗの方が大きい板状の電極７２を用いる。これにより、ピーラ磁場領域４４との距離が最も遠い周回軌道８１に対して、半径方向ｒの周回軌道８１とピーラ磁場領域４４の位置Ｂとの距離Ｄの２倍の範囲（図７（a）の位置Bから位置Aの範囲）においてそれぞれ電場＋Ｅ_ｒ１と－Ｅ_ｒ１を時間的に交互に印加することができるため、周回軌道８１のビームのベータトロン振動を効果的に生じさせ、ビームをピーラ磁場領域４４に到達させて出射させることができる。

また、最大エネルギー（２３５ＭeＶ）の周回軌道８０についても、電場＋Ｅ_ｒ１と－Ｅ_ｒ１を交互に印加することができるため、周回軌道８１のビームのベータトロン振動を効果的に生じさせ、ビームをピーラ磁場領域４４に到達させて出射させることができる。

これに対し、比較例を図７（ｂ）に示すように、軌道面４０ｂに直交する方向のサイズｄよりも、周回軌道の半径方向のサイズｗの方が小さい電極１７２を用い、さらに電場Er1の発生範囲の径方向長さが、前述の位置Bから位置Aの範囲の径方向長さよりも小さい場合を考えてみる。この場合において、最小取出しエネルギーまでの加速を終えたビーム（周回軌道８１）に、高周波キッカを印加すると、水平ベータトロン振動振幅が増大していくが、ビーム位置がやがて電極１７２の位置を超えると、ビームに作用する高周波キッカ電場の向きが反転する。つまり、ビームに作用するべき高周波キッカ電場の向きが、半径方向の一部の範囲では理想とは逆向きとなり、ベータトロン振動を効果的に増幅できなくなるケースが生じうる。そのようなケースでは、出射電流が低下するため、単位時間当たりの照射量である線量率も低下するという問題が生じうる。

本実施形態の高周波キッカ７０について図７（a）を用いてさらに詳しく説明する。高周波キッカ７０は、高圧電極７２と、接地電極７１と、接地電極７１に接続された突起部７３とを備えて構成される。高圧電極７２は、接地電極７１に対して絶縁支持されている。突起部７３は高周波キッカ７０の外部に漏洩する高周波電場を低減するために設けられているが、省略することもできる。高圧電極７２、接地電極７１、突起部７３は、中心平面４０ｂ付近（図中r軸上付近）でビームの通過を妨げることがないよう分割されており、上下対称な構造となっている。

高圧電極７２に高周波電圧が印加されると、ある時間において、ｒ方向正の向きの電場成分＋Er1と、それと逆向きの電場成分－Er2が発生する。ここで、高圧電極７２が図７（a）に示すようにｒ方向に扁平な形状（板状）を有し、かつ、水平ベータトロン振動で最小取出しエネルギーのビーム軌道８１が到達する最大変位位置（位置A）が、－Er2から十分離れた位置にあるならば、取出しエネルギー帯のすべてのエネルギーのビームに対して、－Er2を作用させずに、＋Er1のみが作用するようにできる。つまり、周波数さえ適切であるならば、常に一方向の電場のみをビームに作用させることができ、水平ベータトロン振動を効率よく増大させることが可能になる。なお、最小取出しエネルギー軌道８１と位置Aの水平距離としては、一般的に3mm以上である。

より具体的には、最小取出しエネルギーのビームが取出し時にベータトロン振動する際におけるｒ軸負の向きの最大到達位置（図７（ａ）中位置A）のｒ座標値が、径方向電場が反転するNull点のr座標値よりも大きくなるように電極７２を構成すればよい。そのために、高圧電極７２の寸法としては、図7（ａ）中zの値としては5mm以上、dの値としては2mm以上、ｗの値としては10mm以上あればよい。

なお、Er2は不要電場となるため、高周波キッカをコンパクト化するために、Er2の発生するギャップ領域は、放電しない範囲で極小化する必要がある。この目的のために、図７（a）に示すような高圧電極突起部７４を設けて、Er2の発生領域を狭くすることもできる。

また、図８に示すように、図７（a）の構成から電極７２のみを除いた構成であっても、図７（a）と同様にベータトロン振動を効果的に増大させることができる。図８の構成では、電場成分Er1の径方向のピーク位置が、図７（a）のケースよりも高圧電極突起部７４側に寄る。つまり、高エネルギー側のビームに作用する電場強度が下がり、低エネルギー側のビームに作用する電場強度が上がる。よって、高周波キッカ印加開始から取出しまでにかかる時間は、高エネルギー側のビームについては長くなるが、低エネルギー側のビームについて短くすることができる。

＜高周波電源と制御系＞
図９に、以上の出射方法を実現する高周波電源と制御系のブロック図を示す。加速高周波電源２５は、カソード抵抗２２、プレート電源２３、三極管２４を有する。高周波キッカ電源８６は、プレート電源２６、三極管２４、グリッドバイアス電源８９、前段増幅器９４を有する。図９は加速高周波電源２５、高周波キッカ電源８６共に三極管を用いた場合の構成であるが、そのほかに四極管や半導体増幅器を用いてもよい。

加速高周波電源２５は、自励発振式とし、ピックアップループ２１にて加速高周波の一部をカソード回路に帰還させる方式とする。高周波加速電圧は、プレート電源２３の出力電圧を高速に変調することで制御する。カソードバイアス電位は、図９に示したようにカソード抵抗２２でプレート電位を分圧する形で与えるか、あるいはカソード電源を用いて与える。なお、加速高周波電源２５は、専用の原発振器を用いて他励式とすることも可能である。

原発振器９２は、高周波キッカ７０用に、ある周波数帯域の信号を生成する。ここで、原発振器９２の信号には、ビームのチューンスプレッド分と、高周波キッカ７０への高周波電圧印加中に水平方向チューンが変動することを考慮し、必要な周波数帯成分が含まれるものとする。該信号はスイッチ９３を経て前段増幅器９４にて増幅されたのち、三極管２４で増幅され、高周波キッカ７０に供給される。高周波キッカ７０の高周波電圧は、前段増幅器９４の利得を変えるか、あるいはプレート電源２６の出力電圧を高速に変調することで制御する。

演算装置９１は、回転コンデンサ３０の角度検出機構９０か、あるいは加速高周波のピックアップ信号から検出する加速高周波の周波数変調パターンと、各照射スポットへの要求線量をもとに、加速高周波のＯＮ／ＯＦＦタイミングと電圧振幅、それと高周波キッカ７０のＯＮ／ＯＦＦタイミングと電圧振幅を制御する。

また、加速器内部に残存する周回電荷量をモニタするために、最大エネルギー軌道８０上のどこかに、静電的あるいは磁気的にビーム電荷量を検出するビームモニタが設置される。そして、周回電荷量があるレベル以下に減少したら、演算装置９１は再度、加速電圧の印加を開始し、捕獲・加速・取出しの加速周期を繰り返す。

＜＜実施形態２＞＞
実施形態２として、実施形態１の高周波キッカ７０の高圧電極７２を平行に配置した複数のストリップライン（ライン状の導電体）２７２に置き換えた例について説明する。

複数のストリップライン２７２の長手方向は、半径方向ｒに直交し、軌道面４０ｂと平行な面内に配置する。

複数のストリップライン２７２に対してそれぞれ、半径方向ｒの位置によって、勾配をつけてそれぞれ電圧を印加することにより、実施形態１と同様の電場＋Ｅ_ｒ１と－Ｅ_ｒ１を生じさせることができる。

他の構成および作用は、実施形態１と同様であるので説明を省略する。

＜＜実施形態３＞＞
実施形態３として、粒子線治療システムについて説明する。

図１１に、粒子線治療システムの全体構成を示す。図１１において、粒子線治療システムは、円形加速器３９、回転ガントリ１９０、スキャニングコイルを含む照射装置１９２、治療台２０１およびそれらを制御する制御装置１９１からなる。円形加速器３９から出射されたビームは、回転ガントリ１９０により照射装置１９２まで輸送される。輸送されたビームは照射装置１９２、およびビームエネルギーの調整により患部形状に合致するように整形され、治療台２０１に横たわる患者２００の患部標的に対して所定量照射される。照射装置１９２は、線量モニタを内包しており、患者２００への照射スポット毎に照射された線量を監視している。この線量データを元に、制御装置１９１は各照射スポットへの要求線量を計算して、図１０の演算装置９１への入力データとする。

以上が実施形態１～３の説明である。本実施形態により、どのエネルギーのビームに対しても、必要な方向のみの高周波キッカ電場を作用させることができるため、高周波キッカのベータトロン振動増幅効果が向上できる。このため、高周波キッカの消費電力が抑えられる。あるいは、高周波キッカ電圧印加後、ビームが出るまでのむだ時間が短縮され線量率を向上できる。また、高周波キッカの印加電圧や印加時間を従来と同じにするのであれば、ベータトロン振幅をより大きくできるため、線量率が増加し、照射時間を短くでき、粒子線治療システムの患者スループットを向上させることができる。

１０…高周波加速空胴
１１…加速間隙
１２…ディー電極
１３…ダミーディー電極
１４…内導体
１５…外導体
２０…入力カプラ
２１…ピックアップループ
２２…カソード抵抗
２３…プレート電源
２４…三極管
２５…加速高周波電源
２６…プレート電源
３０…回転コンデンサ
３１…モータ
３２…固定電極
３３…回転電極
３６…磁場勾配用シム
３７…磁場補正用シム
３８…主磁極
３９…円形加速器
４０…主電磁石
４１…ヨーク
４２…主コイル
４３…セプタムコイル
４４…ピーラ磁場領域
４５…リジェネレータ磁場領域
４６…ビーム用貫通口
４７…高エネルギービーム輸送系
４８…コイル用貫通口
４９…真空引き用貫通口
５０…高周波系用貫通口
５２…イオン入射部
５３…イオン源
５４…低エネルギービーム輸送系
６０…クライオスタット
７０…高周波キッカ
７１…接地電極
７２…高圧電極
７３…突起部
８０…最大エネルギー軌道
８１…最低出射エネルギー軌道
８２…ビーム出射経路入口
８６…高周波キッカ電源
８９…グリッドバイアス電源
９０…角度検出機構
９１…演算装置
９２…原発振器
９３…スイッチ
９４…前段増幅器
１９０…回転ガントリ
１９１…制御装置
１９２…照射装置
２００…患者
２０１…治療台
２７２…ストリップライン（直線状の導電体）

Claims (7)

1. 加速領域に直交する直流主磁場を形成する磁石と、前記加速領域内を周回する荷電粒子ビームに第１の高周波電場を印加して、周回軌道の半径を増加させながら加速する第１電極と、前記荷電粒子ビームを前記周回軌道から外部に出射させるために、前記周回する荷電粒子ビームを前記半径の方向に振動させる第２の高周波電場を印加する高周波キッカとを有し、
   前記高周波キッカは、前記周回軌道の軌道面を挟んで対向配置された一対の電極と、前記一対の電極の外側に配置された接地電極とを備え、前記軌道面において前記半径方向の高周波電場を形成し、
   前記一対の電極は、それぞれ前記軌道面に直交する方向のサイズよりも、前記周回軌道の半径方向のサイズの方が大きい板状である
   ことを特徴とする円形加速器。
2. 請求項１に記載の円形加速器であって、前記高周波キッカの前記半径の方向の外側に配置され、前記荷電粒子ビームを外側に偏向させる磁場を形成するピーラ磁場発生部をさらに有し、
   前記高周波キッカは、前記荷電粒子ビームのうち出射させるべき最小エネルギーの荷電粒子ビームの周回軌道を中心に、当該周回軌道と前記ピーラ磁場発生部との距離の２倍の前記半径の方向の範囲について、形成する前記電場の向きが一様であ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、前記一対の電極には、同電圧が印加され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、前記一対の電極は、前記周回軌道の中心側の端部に突起部を有し、前記一対の電極の間隔は、当該端部において狭められてい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、前記接地電極は、２分割されており、２分割された前記接地電極は、前記軌道面を挟んで対向配置されていることを特徴とする円形加速器。
6. 加速領域に直交する直流主磁場を形成する磁石と、前記加速領域内を周回する荷電粒子ビームに第１の高周波電場を印加して、周回軌道の半径を増加させながら加速する第１電極と、前記荷電粒子ビームを前記周回軌道から外部に出射させるために、前記周回する荷電粒子ビームを前記半径の方向に振動させる第２の高周波電場を印加する高周波キッカと、前記高周波キッカの前記半径の方向の外側に配置され、前記荷電粒子ビームを外側に偏向させる磁場を形成するピーラ磁場発生部を有し、
   前記高周波キッカは、前記荷電粒子ビームのうち出射させるべき最小エネルギーの荷電粒子ビームの周回軌道を中心に、当該周回軌道と前記ピーラ磁場発生部との距離の少なくとも２倍の前記半径方向の範囲について、形成する前記電場の向きが一様で、かつ、前記半径方向であることを特徴とする円形加速器。
7. 円形加速器と、前記円形加速器が出射された荷電粒子ビームを患者に照射する照射装置とを備え、
   前記円形加速器は、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の円形加速器であることを特徴とする粒子線治療システム。

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