JP2023106745A - 機能結合型セプタム電磁石とそれを用いた加速器、並びに粒子線治療システム - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べて小型化が可能な機能結合型セプタム電磁石とそれを用いた加速器、並びに粒子線治療システムを提供する。【解決手段】機能結合型セプタム電磁石８，８Ａは、二極磁場形成用セプタムコイル１ａ、およびセプタム側リターンコイル１ｂを有するセプタム電磁石１と、少なくとも１対の傾斜磁場形成用コイル２ａ、および傾斜磁場形成側リターンコイル２ｂと、を備えた。好適には、傾斜磁場形成用コイル２ａ、および傾斜磁場形成側リターンコイル２ｂが、円弧状のセプタム側リターンコイル１ｂの仮想的な円の中心に対して内周側に配置された。【選択図】 図１

Description

本発明は、機能結合型セプタム電磁石とそれを用いた加速器、並びに粒子線治療システムに関する。

円形加速器からのビーム出射において、出射効率が高く、出射電流の大きいビーム出射を実現し、さらに加速器の小型化を図る技術の一例として、特許文献１には以下のような記載がある。

円形加速器からのビーム出射において、出射過程でビーム中心位置を変化させ平均的にビーム中心位置を出射用デフレクターに近付けていく。このビーム中心位置の変化は、ベータトロン振動に同期した高周波を外部から加えるか、あるいは、高周波によりビームのエネルギーを変えるか、あるいは、電磁石でビーム軌道を変化させるかのいずれかの方法により行う。

特開平５－２５８９００号公報

荷電粒子ビームを加速する加速器において、ビームを加速器から取り出すために用いられる電磁石の一つにセプタム電磁石と呼ばれる磁石がある。

セプタム電磁石とは、薄い隔壁コイル（セプタムコイル）とリターンコイルとで構成され、ビームの通過領域に二極磁場を形成する電磁石である。ここでセプタムコイルとリターンコイルの間のビームの通過領域をセプタム磁場領域と定義する。また、ビームを偏向させるセプタム電磁石を二極磁場生成用セプタムと定義する。

加速器内を周回するビームは、ビーム取り出しの段階で二極磁場生成用セプタム電磁石によって作られたセプタム磁場領域に導かれ、周回磁場とは逆符号の二極磁場によって周回ビームとは逆方向に曲げられ、加速器から取り出される。

取り出し途中、もしくは取り出されたビームは主として四極電磁石など多極磁場によりビームの発散を抑制しつつ、安定に所定の位置まで輸送し、かつ要求されるビームサイズ、ビーム分布に制御され、実験、ＲＩ製造、粒子線治療等に用いられる。

近年、加速器システム、粒子線治療システムの小型化が望まれており、加速器からビームを取り出す領域の小型化が望まれている。

このような加速器システム、粒子線治療システムの小型化のための施策の一つにビームの取り出し用機器、設置領域の小型化がある。

ビーム取り出し領域に配置される機器としては、ビームを偏向させて加速器の外部にビームを導く二極磁場形成用セプタム電磁石と、ビームの発散を抑制する四極磁場形成用電磁石（四極電磁石）とがある。

従来は特許文献１記載のように、これらの機器は取り出しビーム進行軸に対して別々の位置に配置されていた。そのため、ビーム取り出し領域が長くなることから、改善が求められる。

本発明では、従来に比べて小型化が可能な機能結合型セプタム電磁石とそれを用いた加速器、並びに粒子線治療システムを提供することを目的とする。

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、セプタムコイル、およびセプタム側リターンコイルを有するセプタム電磁石と、少なくとも１対の傾斜磁場形成用コイル、および傾斜磁場形成側リターンコイルと、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、従来に比べてセプタム電磁石の小型化が可能である。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。

本発明の実施例の二極磁場形成用セプタム電磁石と傾斜磁場形成用コイルとを備えた機能結合型セプタム電磁石の断面配置図の一例を示す図である。 実施例の機能結合型セプタム電磁石の一例の概略構成を示す図である。 実施例の機能結合型セプタム電磁石の他の一例の概略構成を示す図である。 実施例の機能結合型セプタム電磁石が形成する磁場の一例を示す図である。 公知技術のセプタム電磁石を用いる際と実施例の機能結合型セプタム電磁石を用いる際のビーム取り出し領域の違いを示す図である。 実施例の機能結合型セプタム電磁石を備えた円形加速器の概略構成の一例を示す図である。 実施例の機能結合型セプタム電磁石を備えた円形加速器を含む粒子線治療システムの概略構成の一例を示す図である。

以下に本発明の機能結合型セプタム電磁石とそれを用いた加速器、並びに粒子線治療システムの実施例を、図１乃至図７を用いて説明する。

図１は本実施例の二極磁場形成用セプタム電磁石と傾斜磁場形成用コイルとを備えた機能結合型セプタム電磁石の断面配置図の一例を示す図、図２は実施例の機能結合型セプタム電磁石の一例の概略構成を示す図、図３は実施例の機能結合型セプタム電磁石の他の一例の概略構成を示す図、図４は実施例の機能結合型セプタム電磁石が形成する磁場の一例を示す図、図５は公知技術のセプタム電磁石を用いる際と実施例の機能結合型セプタム電磁石を用いる際のビーム取り出し領域の違いを示す図、図６は実施例の機能結合型セプタム電磁石を備えた円形加速器の概略構成の一例を示す図、図７は実施例の機能結合型セプタム電磁石を備えた円形加速器を含む粒子線治療システムの概略構成の一例を示す図である。

なお、下記はあくまでも実施例に過ぎず、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、下記実施例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、本明細書で用いる図面において、同一のまたは対応する構成要素には同一、または類似の符号を付け、これらの構成要素については繰り返しの説明を省略する場合がある。

最初に、機能結合型セプタム電磁石の全体構成について図１を用いて説明する。

図１に示す機能結合型セプタム電磁石８は、二極磁場形成用セプタムコイル１ａ、およびセプタム側リターンコイル１ｂを有するセプタム電磁石１と、少なくとも１対の傾斜磁場形成用コイル２ａ、および傾斜磁場形成側リターンコイル２ｂと、を備えている。

図１では、傾斜磁場形成用コイル２ａ、および傾斜磁場形成側リターンコイル２ｂを１対設ける場合について示しているが、２対以上設けることができる。

図２に示すように、二極磁場形成用セプタムコイル１ａとおよびセプタム側リターンコイル１ｂとが端部で接合されており、電源９ａにより駆動される。また、傾斜磁場形成用コイル２ａと傾斜磁場形成側リターンコイル２ｂとが端部で接合されており、電源９ａとは異なる電源９ｂにより駆動される。

なお、機能結合型セプタム電磁石８は、図２に示すようにセプタム電磁石１と傾斜磁場形成用コイル２ａおよび傾斜磁場形成側リターンコイル２ｂとが異なる電源９ａ，９ｂに接続されている形態である必要は無く、図３に示す機能結合型セプタム電磁石８Ａのように、セプタム電磁石１と傾斜磁場形成用コイル２ａおよび傾斜磁場形成側リターンコイル２ｂとが電源９ｃに対して直列に接続され、一台の電源９ｃで駆動されるものとすることができる。

電源９ａ，９ｂ，９ｃは、基準とするエネルギー次第で単極性とするか両極性とするかが決定され、特に限定はない。

ここで、機能結合型セプタム電磁石について以下説明する。

機能結合型電磁石とは、例えば二極磁場成分と四極磁場成分といった、複数の磁場成分を同一の空間に発生させることが可能な電磁石のこと意味している。

また、セプタム電磁石とは、例えば、円形加速器内を周回するビーム（周回ビーム）を円形加速器から取り出す際に用いる電磁石である。このセプタム電磁石は、二極電磁石を構成するコイルのうち、周回ビームに近い位置に配置されるコイル幅が周回ビームから遠い位置に配置されるコイル幅よりも薄く構成されることに特徴がある。このようなセプタム電磁石をビームの取り出しに用いることで、円形加速器を周回する周回ビームと円形加速器から取り出された取り出しビームとの距離が近接するような構成であっても、安定的に円形加速器からビームを取り出すことが可能となっている。

したがって、本発明における「機能結合型セプタム電磁石」とは、異なる複数の磁場成分を同一の空間に発生させることが可能なセプタム電磁石のことを指すものとする。

図４中の（ａ）に、二極磁場形成用セプタムコイル１ａとセプタム側リターンコイル１ｂとが形成する磁場、図４中の（ｂ）に、傾斜磁場形成用コイル２ａと傾斜磁場形成側リターンコイル２ｂとが形成する磁場を示す。このように、二極磁場形成用セプタムコイル１ａとセプタム側リターンコイル１ｂとが形成するビーム偏向（取り出し）用の磁場と、傾斜磁場形成用コイル２ａと傾斜磁場形成側リターンコイル２ｂとが形成するビーム収束用の磁場と、を重ね合わせることにより、同じ磁場空間においてビームの偏向と収束とを同時に行うことが可能となる。

このように、上記の二対のコイルを併せている本実施例の機能結合型セプタム電磁石８，８Ａは、同一空間にビームを曲げる機能とビームの発散を抑制する機能を併せ持つことが判る。

次いで、機能結合型セプタム電磁石８，８Ａを用いた加速器ついて説明する。

図５では、シンクロトロン、サイクロトロン、シンクロサイクロトロンもしくはそれに類する加速器に本実施例の機能結合型セプタム電磁石８，８Ａを用いた例を図５中右側に、従来の構造のセプタム電磁石を用いた例を図５中左に示すことで比較をモデル化したものである。

図５中左側に示すように、二極磁場生成セプタム電磁石６と四極電磁石７とを取り出しビーム軌道軸４に沿って個別に配置する場合、ビーム取り出し領域が長くなるが、本実施例のような機能結合型セプタム電磁石８，８Ａは同じ取り出し磁場領域にビームを偏向させる磁場とビームの発散を抑制する磁場を同時に発生できることから、ビーム取り出し領域を短くすることができる。

ここで、図５に示すように、傾斜磁場形成用コイル２ａ、および傾斜磁場形成側リターンコイル２ｂが、円弧状のセプタム側リターンコイル１ｂの仮想的な円の中心に対して内周側に配置されたものとすることが望ましい。

なお、機能結合型セプタム電磁石８，８Ａを２台以上配置する場合、最も周回ビーム３に近い機能結合型セプタム電磁石８，８Ａのみを、傾斜磁場形成用コイル２ａ、および傾斜磁場形成側リターンコイル２ｂが円弧状のセプタム側リターンコイル１ｂの仮想的な円の中心に対して内周側に配置した構造とすればよく、２台目以降の機能結合型セプタム電磁石８，８Ａについては、傾斜磁場形成用コイル２ａ、および傾斜磁場形成側リターンコイル２ｂが、円弧状のセプタム側リターンコイル１ｂの仮想的な円の中心に対して内周側に配置しても内周側に配置してもよく、特に限定されない。

次に、加速器１００として、特にサイクロトロン、シンクロサイクロトロンもしくはそれに類する円形加速器に機能結合型セプタム電磁石８，８Ａを適用した場合について図６を用いて説明する。

図６に示すように、加速器１００は、ビームを偏向させる電磁石１０１と加速ディー、取り出し用磁場発生装置（図の都合上省略）等で構成される。この場合、ビーム偏向磁場発生領域１０２で回転運動をしながら、加速にともないビームの回転半径は大きくなる。そして所定の取り出し条件で機能結合型セプタム電磁石８，８Ａへと導かれ、加速器１００の外部に取り出される。

ここで、図６に示すように、円形の加速器１００は、静磁場中で運動エネルギーの異なるビーム粒子が形成する円状の閉軌道を、加速器からのビームの取り出し口へ向けて偏心する様に配置し、異なるエネルギーのビームを同一のビーム取り出し口から加速器の外部へ取り出す形態とすることができる。

機能結合型セプタム電磁石８，８Ａの断面コイル配置を図１で説明したコイル配置とした場合、二極磁場形成用セプタムコイル１ａとセプタム側リターンコイル１ｂとが形成する磁場が作る取り出し磁場領域５に傾斜磁場形成用コイル２ａと傾斜磁場形成側リターンコイル２ｂとが形成する傾斜磁場を重畳でき、加速器１００自体も小型化が可能となる。これらのコイルによって形成される磁場強度、すなわちコイルに流す電流は加速器・ビーム輸送系制御系４０２によって上位制御系に従って制御される。

次いで、本実施例の粒線治療システムついて説明する。

図７に示す粒子線治療システム５００は、図１等で示した機能結合型セプタム電磁石８，８Ａを備える加速器１００、加速器１００で加速された荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系２００、ビーム輸送系２００で輸送された荷電粒子ビームを照射するビーム照射系３００、治療台３０３、および制御装置４００等で構成される。

制御装置４００は、加速器１００、ビーム輸送系２００、およびビーム照射系３００等の動作を制御する装置であり、それらを連携制御する加速器・ビーム輸送系制御系４０２、照射制御系４０１等で構成される。

加速器１００から照射条件に合わせて取り出されたビームは、治療室まで運ばれ患者３０１に照射される。

制御装置４００のうち加速器・ビーム輸送系制御系４０２は、指定されたビームエネルギーやビームパターン等の照射条件に従って所定の磁場になるように機能結合型セプタム電磁石８，８Ａの二極磁場形成用セプタムコイル１ａ、セプタム側リターンコイル１ｂ、傾斜磁場形成用コイル２ａ、および傾斜磁場形成側リターンコイル２ｂに流す電流値、ＯＮ／ＯＦＦを制御するための信号を電源９ａ，９ｂ，９ｃに対して出力する。

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の機能結合型セプタム電磁石８，８Ａは、二極磁場形成用セプタムコイル１ａ、およびセプタム側リターンコイル１ｂを有するセプタム電磁石１と、少なくとも１対の傾斜磁場形成用コイル２ａ、および傾斜磁場形成側リターンコイル２ｂと、を備える。

このように少なくとも１対の傾斜磁場形成用コイル２ａ、および傾斜磁場形成側リターンコイル２ｂにより、二極磁場形成用セプタムコイル１ａ、およびセプタム側リターンコイル１ｂの磁場領域に傾斜磁場を生成するため、この四極磁場成分によって二極磁場形成用セプタムと同一の磁場領域においてビームの収束が可能となる。これにより、ビーム取り出し領域はビーム進行軸に対して別々の場所に二極磁場形成用セプタム電磁石と四極磁石を設置する従来の場合と比較して出射チャネルの機器数の削減を図ることができ、小型化することが可能である。

また、ビーム収束用の四極磁場をセプタム位置に発生させることができることから、加速器１００の周回軌道から出射されてすぐにビームを収束させることができ、ビームサイズの広がりの抑制との効果も効果的に得られる。

特に、静磁場中で運動エネルギーの異なるビーム粒子が形成する円状の閉軌道を、加速器からのビームの取り出し口へ向けて偏心する様に配置し、異なるエネルギーのビームを同一のビーム取り出し口から加速器の外部へ取り出すタイプの加速器では、加速器から取り出されるビームの軌道がエネルギーの変化に伴い変化する可能性があるが、本実施例のような機能結合型セプタム電磁石８，８Ａであれば、出射直後にすぐにビームを収束させることができるため、異なるエネルギーのビームのであっても複数エネルギーの軌道拡がりを抑制することができる、との効果が得られる。

また、傾斜磁場形成用コイル２ａ、および傾斜磁場形成側リターンコイル２ｂが、円弧状のセプタム側リターンコイル１ｂの仮想的な円の中心に対して内周側に配置されたため、周回ビーム側への漏れ磁場を抑制することができ、加速器１００内を周回する周回ビーム３に傾斜磁場形成用コイル２ａ、および傾斜磁場形成側リターンコイル２ｂが物理的に干渉することが無く、周回ビーム３への影響を低減することができる。

更に、セプタム電磁石１と、傾斜磁場形成用コイル２ａおよび傾斜磁場形成側リターンコイル２ｂと、が異なる電源９ａ，９ｂに接続されていることで、異なる役割を果たす電磁石に対してそれぞれ取り出しビームのエネルギーに応じた励磁制御が可能となり、ビームの取り出し制御が容易となる。

また、セプタム電磁石１と、傾斜磁場形成用コイル２ａおよび傾斜磁場形成側リターンコイル２ｂと、が電源９ｃに対して直列に接続されていることにより、別個の電源を設ける必要がなくなり、電源の構成や制御系の簡素化を図り、低コスト化を図ることができる。

更に、機能結合型セプタム電磁石８，８Ａを備える加速器１００は、機能結合型セプタム電磁石８，８Ａの小型化により、加速器１００自体の小型化が可能である。

また、機能結合型セプタム電磁石８，８Ａを備える加速器１００と、加速器１００で加速された荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系２００と、ビーム輸送系２００で輸送された荷電粒子ビームを照射するビーム照射系３００と、加速器１００、ビーム輸送系２００、およびビーム照射系３００の動作を制御する制御装置４００と、を備えた粒子線治療システム５００についても、機能結合型セプタム電磁石８，８Ａの小型化により、システム全体の小型化が可能である。

＜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。

１…セプタム電磁石
１ａ…二極磁場形成用セプタムコイル
１ｂ…セプタム側リターンコイル
２ａ…傾斜磁場形成用コイル
２ｂ…傾斜磁場形成側リターンコイル
３…周回ビーム
４…取り出しビーム軌道軸
５…取り出し磁場領域
６…二極磁場生成セプタム電磁石
７…四極電磁石
８，８Ａ…機能結合型セプタム電磁石
９ａ，９ｂ，９ｃ…電源
１００…加速器
１０１…電磁石
１０２…ビーム偏向磁場発生領域
２００…ビーム輸送系
３００…ビーム照射系
３０１…患者
３０３…治療台
４００…制御装置
４０１…照射制御系
４０２…加速器・ビーム輸送系制御系
５００…粒子線治療システム

Claims (6)

1. セプタムコイル、およびセプタム側リターンコイルを有するセプタム電磁石と、
   少なくとも１対の傾斜磁場形成用コイル、および傾斜磁場形成側リターンコイルと、を備えた
   ことを特徴とする機能結合型セプタム電磁石。
2. 請求項１に記載の機能結合型セプタム電磁石において、
   前記傾斜磁場形成用コイル、および前記傾斜磁場形成側リターンコイルが、円弧状の前記セプタム側リターンコイルの仮想的な円の中心に対して内周側に配置された
   ことを特徴とする機能結合型セプタム電磁石。
3. 請求項１または２に記載の機能結合型セプタム電磁石において、
   前記セプタム電磁石と、前記傾斜磁場形成用コイルおよび前記傾斜磁場形成側リターンコイルと、が異なる電源に接続されている
   ことを特徴とする機能結合型セプタム電磁石。
4. 請求項１または２に記載の機能結合型セプタム電磁石において、
   前記セプタム電磁石と、前記傾斜磁場形成用コイルおよび前記傾斜磁場形成側リターンコイルと、が電源に対して直列に接続されている
   ことを特徴とする機能結合型セプタム電磁石。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の機能結合型セプタム電磁石を備えることを特徴とする円形加速器。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の機能結合型セプタム電磁石を備える円形加速器と、
   前記円形加速器で加速された荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系と、
   前記ビーム輸送系で輸送された荷電粒子ビームを照射する照射装置と、
   前記円形加速器、前記ビーム輸送系、および前記照射装置の動作を制御する制御装置と、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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