JP3307059B2 - 加速器及び医療用装置並びに出射方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は加速器に係り、特に、医
療に用いるのに好適な加速器に関する。

【０００２】

【従来の技術】図２を用いて従来の医療用装置を説明す
る。本装置では、加速器１０１内を周回する荷電粒子ビ
ームのベータトロン振動に共鳴を発生させてビームを出
射し、出射したビームを治療室１０３へ輸送して照射治
療に用いていた。

【０００３】以下、ビーム出射で利用するベータトロン
振動の共鳴現象と従来の加速器からのビーム出射法につ
いて説明する。

【０００４】荷電粒子は左右又は上下に振動しながら加
速器内を周回し、これをベータトロン振動という。ベー
タトロン振動の周回軌道一周当りの振動数をチューンと
いい、チューンは４極電磁石で制御することができる。
収束用４極電磁石５及び発散用４極電磁石６を用いてチ
ューンを（整数＋１／３)，(整数＋２／３）、又は（整
数＋１／２）に近づけておき、周回軌道上に設けた共鳴
発生用６極電磁石９を励磁すると、多数周回している荷
電粒子のうち、ある境界以上のベータトロン振動振幅を
持つ荷電粒子のベータトロン振動振幅が急激に増加す
る。この現象をベータトロン振動の共鳴という。共鳴が
発生する前記境界を安定限界といい、その大きさは４極
電磁石及び多極電磁石の磁場強度により変化する。

【０００５】チューンを（整数＋１／２）に近付けた時
の共鳴を２次共鳴、(整数＋１／３)又は（整数＋２／
３）に近付けた時の共鳴を３次共鳴と呼ぶが、以下では
チューンを（整数＋１／３）に近付ける場合を例にとっ
て説明する。共鳴の安定限界の大きさは、チューンの
（整数＋１／３）からの偏差が小さいほど、６極電磁石
９の磁場強度が強いほど小さくなる。そこで従来技術で
は、６極電磁石９の強度を一定にしたままチューンをあ
る程度（整数＋１／３）に近付け、周回中の荷電粒子の
うちベータトロン振動振幅が大きな荷電粒子に共鳴を発
生させ、その後、チューンをさらに（整数＋１／３）に
近付けて安定限界を狭め、振動振幅が小さな荷電粒子に
も共鳴を発生させていた。このようなチューンの制御は
図２の周回軌道上に設けた４極電磁石５及び６の磁場強
度を制御することにより行われていた。また、この過程
でビームエネルギーは一定に保たれていた。

【０００６】一方、出射法に関する他の従来技術とし
て、特開平5−198397 号公報に、偏向電磁石２や６極電
磁石９の強度を一定にするだけでなく、チューン一定、
即ち４極電磁石の磁場強度を一定としておき、ベータト
ロン振動振幅を増加させて共鳴を発生させる方法が記載
されている。このビーム出射法では、チューン一定で共
鳴の安定限界を一定に保ちつつ、高周波印加装置１４か
らビームの進行方向に垂直に高周波電磁界を印加してベ
ータトロン振動振幅を増加させ共鳴を発生させている。
この出射法でもビームエネルギーは一定に保たれてい
る。

【０００７】出射されたビームは治療室１０３へ輸送さ
れるが、照射治療においてイオンビームが体内組織に入
ると、図３に示すように特定の深さで集中的にエネルギ
ーを放出する。この照射線量のピーク位置はブラッグピ
ークと呼ばれ、ブラッグピークの位置はビームエネルギ
ーで決まる。照射治療では、患部位置にブラッグピーク
を合わせるが、患者毎に患部の位置が異なることや、患
部の大きさがブラッグピーク前後の照射線量が高い範囲
より大きな場合があり、従来は加速器から取り出すビー
ムエネルギーは一定のまま、図４に示すように飛程調整
器１０６を用いてブラッグピークの位置、及びブラッグ
ピーク前後の照射線量の特性を調整していた。

【０００８】飛程調整に関する従来技術は、Nuclear In
struments and Methods 131 (1975)pp．４３７−４４０
に記載されており、ビームを重金属やプラスチックガラ
スを通過させて調整している。この場合、患部の深さや
大きさに応じて飛程調整器の形状や大きさなどを変更す
る必要があり、患者毎に異なる飛程調整器を用いる必要
がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術には次
のような問題点がある。

【００１０】第１に、１回のビーム出射の開始から終了
までの間にビームエネルギーを変化させることが困難で
ある。第２に、ビームエネルギーを変化させるために飛
程調整器を用いると、ビーム径が広がり、ビーム特性が
低下する恐れがある。第３に、飛程調整器を用いた医療
用装置では患者毎に異なる飛程調整器を使用する必要が
あるため、飛程調整器の製作や位置決め等に多大な時間
を要するので、患者が照射治療を受けるまでの待ち時間
が長い。

【００１１】本発明の第１の目的は、エネルギーを変化
させながら小径ビームを出射できる加速器及び出射方法
を提供することにある。

【００１２】本発明の第２の目的は、患者が照射治療を
受けるまでの待ち時間が短い医療用装置を提供すること
にある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は以下の特徴を備える。

【００１４】第１に、出射過程で加速器内を周回する荷
電粒子ビームのエネルギーを変化させる。荷電粒子ビー
ムのエネルギーの制御は、次の(１)又は(２)の何れかの
方法により行う。

【００１５】(１)荷電粒子ビームの進行方向に高周波電
界を印加して、偏向電磁石及び４極電磁石の磁場強度を
変化させる。ここで、偏向電磁石と４極電磁石の磁場強
度比を概ね一定に保つ。荷電粒子がイオンの場合は、更
にエネルギー変化に対応させて高周波電界の周波数も変
化させる。

【００１６】(２)荷電粒子ビームの進行方向に高周波電
界を印加し、偏向電磁石の磁場強度を一定にして、高周
波電界の周波数を変化させる。

【００１７】高周波電界は、例えば高周波加速空胴を用
いて発生する。

【００１８】第２に、ビームに共鳴を発生させるために
必要な多極磁場を６極電磁石又は８極電磁石等の多極電
磁石により発生させる。出射過程で前記(１)の方法によ
り周回ビームのエネルギーを変化させる場合、多極電磁
石の磁場強度は、偏向電磁石の磁場強度との比を一定に
保つように変化させることが望ましい。

【００１９】第３に、ビームの進行方向に垂直に高周波
電磁界を印加して共鳴の安定限界内の荷電粒子ビームの
ベータトロン振動振幅を増加させる。ここで、高周波電
磁界の周波数スペクトルをビームエネルギーの変化に対
応させて制御する。高周波電磁界は、例えば高周波印加
装置を用いて発生する。

【００２０】更に、加速器から出射したビームを治療室
へ輸送する出射ビーム輸送系の機器強度もビームエネル
ギーの変化に応じて変化させる。

【００２１】

【作用】以下、前記(１)の方法を用いた場合と、前記
(２)の方法を用いた場合に分けて作用を説明する。

【００２２】前記(１)の方法では、高周波電界でビーム
にエネルギーを与え、同時に偏向電磁石の磁場強度を変
化させる。ビームの曲率半径はビームエネルギーと偏向
電磁石の磁場強度で決まるので、ビームのエネルギー変
化に対応させて偏向電磁石の磁場強度を変化させること
により、ビームの曲率半径を一定に保つことができる。
即ち、出射開始時及び出射終了時の偏向電磁石の磁場強
度を出射開始時及び出射終了時のビームエネルギーに基
づいて決めればよい。

【００２３】偏向電磁石の磁場強度を強くするとビーム
の曲率半径が小さくなり、加速器一周の周長が短くな
る。その結果、ビームが一周する時間が短くなり、例え
ばプロトンなどのイオンでは、加速空胴の高周波電界に
対する位相がビームエネルギーが増加する方へ変化す
る。従って、ビームは高周波電界からエネルギーを得
て、ビームエネルギーは増加する。

【００２４】この時、４極電磁石と偏向電磁石の磁場強
度の比が一定になるように制御することにより、ビーム
のチューンを一定にすることができる。また、このチュ
ーン一定の運転条件で更に共鳴励起用の多極電磁石と偏
向電磁石の磁場強度の比を一定に制御することにより、
共鳴の安定限界を一定にすることができる。従って、ベ
ータトロン振動の共鳴の安定限界を一定に保ったまま、
ビームエネルギーを増加することができる。但し、４極
電磁石や多極電磁石の磁場強度を一定にしても安定限界
の変化が小さい場合には、これらの電磁石の磁場強度は
概ね一定でよい。

【００２５】また、荷電粒子がイオンの場合、ビームに
印加する高周波電界の周波数をビームのエネルギー変化
に対応させて変化させることにより、エネルギー変化に
伴ってビームの周回周波数が変化しても、確実にビーム
エネルギーを増加することができる。

【００２６】前記(２)の方法では、偏向電磁石の磁場強
度は一定のまま、ビームに印加する高周波電界の周波数
を変えてビームにエネルギーを与える。これは、高周波
電界の周波数が変わると、ビームがエネルギーを得る高
周波電界の位相が変わるので、ビームエネルギーの増加
又は減少が起きるという現象を利用する。ただし、偏向
電磁石の強度が一定であるためビームの曲率半径が変化
するので、ビームの位置は変化する。

【００２７】前記(１)の方法はビームのエネルギー変化
の大小にかかわらず適用できるが、前記(２)の方法はエ
ネルギー変化が小さい場合に適している。これは、(２)
の方法では偏向電磁石の磁場強度を一定にするため、ビ
ームのエネルギー変化に伴いビーム中心軌道の位置が変
化するので、ビームのエネルギー変化が大きい場合に真
空ダクトへ衝突する粒子が増えてしまうからである。

【００２８】また、前記第３の特徴のように、ビームの
進行方向に垂直に高周波電磁界を印加し、エネルギーが
変化しつつ共鳴の安定限界内で安定に周回しているビー
ムのベータトロン振動振幅を増加させることにより、こ
のビームに安定限界を超えさせてベータトロン振動に共
鳴を発生させ、ビームを出射することができる。

【００２９】ここで、共鳴の安定限界内にある粒子のベ
ータトロン振動振幅をビームの進行方向に垂直な高周波
磁界又は高周波電界により増加させる方法について説明
する。いま、加速器のビーム進行方向をｓ方向，水平方
向をｘ方向，垂直方向をｙ方向とする。高周波磁界を用
いる場合は、ビームを出射する面（出射面）が水平面の
ときは垂直方向（ｙ方向）に印加し、出射面が垂直面の
ときは水平方向（ｘ方向）に印加する。加速器一周毎の
高周波磁界によるビームの軌道勾配の変化は小さいが、
この蓄積によってビームの振動振幅は次第に大きくな
る。但し、高周波磁界を印加する装置の設置位置につい
ては特に制限は無い。

【００３０】高周波磁界によりベータトロン振動振幅を
増加させるためには、高周波磁界の周波数がベータトロ
ン振動に同期する周波数成分に近い必要がある。ベータ
トロン振動に同期する周波数成分は、整数ｍ，周回周波
数ｆr ，チューンの小数部νを用いて、(ｍ＋ν)ｆr 又
は(ｍ−ν)ｆr と表せる。ビームはエネルギー分布を持
つので、エネルギーの異なる粒子はｆr が異なる。エネ
ルギーが異なる全ての粒子のベータトロン振動振幅を増
加させるためには、高周波磁界は複数の周波数成分又は
連続した周波数幅を持ち、この周波数範囲にベータトロ
ン振動に同期する周波数成分が含まれていることが望ま
しい。高周波磁界の時間変化は、規則的でも不規則的で
も良い。

【００３１】ビームに高周波磁界を印加する装置として
は、電磁石，平行線状電極，平板電極、又は円弧状電極
等を用いることができる。これらの装置にベータトロン
振動に同期する周波数成分に近い周波数の電流を流すこ
とにより、安定限界内のビームのベータトロン振動振幅
を増加することができる。

【００３２】高周波電界を用いる場合は、ビームの進行
方向であるｓ方向に印加するか、又は出射面が水平面の
ときは水平方向（ｘ方向）に印加し、出射面が垂直面の
ときは垂直方向（ｙ方向）に印加する。これによって
も、高周波磁界を用いる場合と同様に安定限界内のビー
ムのベータトロン振動振幅を増加することができる。

【００３３】このように、ベータトロン振動に同期する
高周波電界又は高周波磁界によって安定限界内のビーム
のベータトロン振動振幅を増加することができるが、出
射過程で前記(１)又は(２)の方法によりビームエネルギ
ーを変えるとビームの速度が変わるので、ベータトロン
振動に同期する周波数も変化する。従って、ビームエネ
ルギーの変化に応じて高周波電磁界の周波数を変化させ
ることが望ましい。高周波電磁界が複数の周波数成分を
持つ場合には夫々を変化させる必要があり、連続した周
波数幅を持つ場合には周波数幅はそのままで、周波数全
体を変化させる必要がある。但し、ベータトロン振動に
同期する周波数の変化を全て含む広い周波数幅を持つ高
周波電磁界を用いれば、周波数を変化させる必要はな
い。

【００３４】以上のように、前記第１〜３の特徴を備え
ることにより、ビームエネルギーを時間的に連続して変
化させても、安定限界一定でビームを出射できるので、
エネルギーを変化させながら小径ビームを出射すること
ができる。

【００３５】また、更に出射器を含む出射ビーム輸送系
の機器強度をビームのエネルギー変化に応じて変化させ
ることにより、従来用いていた飛程調整器を使わなくて
も、様々な深さや大きさの患部に対して時間的に連続し
てビーム照射治療が可能となるので、患者が照射治療を
受けるまでの待ち時間を大幅に短縮することができる。

【００３６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。

【００３７】図１は本発明を医療用装置に適用した第１
の実施例を示す。本実施例はエネルギーが約２０ＭｅＶ
のプロトンを加速器で５０〜３００ＭｅＶのエネルギー
まで加速して照射治療に用いる例を示す。本医療用装置
は、プロトンビームを発生し、前段加速し、出射する前
段加速器１６と、前段加速器１６から出射されたビーム
を加速器１１１に輸送する入射ビーム輸送系１７と，入
射ビーム輸送系１７で輸送されたビームを入射し、加速
・蓄積し、出射する加速器１１１と，加速器１１１から
出射されたビームを治療室１０３に輸送する出射ビーム
輸送系１０２と，出射ビーム輸送系１０２で輸送された
ビームを用いて照射治療を行う治療室１０３と，各構成
機器の制御を行う制御装置１１０などで構成される。

【００３８】加速器１１１は、ビームを入射する入射器
１５と，ビームにエネルギーを与える高周波加速空胴８
と，ビーム軌道を曲げる偏向電磁石２と，ビーム軌道を
補正する収束用４極電磁石５及び発散用４極電磁石６
と，ビームに共鳴を励起する６極電磁石９と，共鳴の安
定限界内のビームのベータトロン振動振幅を増加する高
周波印加装置１４と，ビームを出射する出射器４とから
構成される。

【００３９】入射ビーム輸送系１７は偏向電磁石１８を
備え、出射ビーム輸送系１０２は４極電磁石１０４及び
偏向電磁石１０５を備えており、共鳴励起用電磁石とし
ては６極電磁石以外に８極電磁石等の多極電磁石を用い
ることができ、高周波印加装置１４としては例えば電極
を用いる。これらの機器のうち、６極電磁石９，高周波
印加装置１４，出射器４，４極電磁石１０４及び偏向電
磁石１０５は、ビームを出射する過程でのみ使用する。

【００４０】また、治療室１０３では、患者の患部情報
（患部の深さや大きさ）などに基づいて、出射開始時の
ビームエネルギーＥｓおよび出射終了時のビームエネル
ギーＥｅ（但し、Ｅｓ，Ｅｅは５０〜３００ＭｅＶの範
囲）を決定し、これに対応する信号を制御装置１１０に
送信する。制御装置１１０は、エネルギーＥｓおよびＥ
ｅに対応する信号に基づいて、出射ビーム輸送系機器電
源１１２と加速器機器電源１１３を制御する。

【００４１】制御装置１１０は、図１３に示すように、
機器強度変化パターン演算部２００と、その演算結果に
基づいて機器強度の制御信号を電源１１２及び１１３に
送信するパターンデータ発信部２０１とから構成され
る。演算部２００でのパターン演算の内容は２００ａ，
２００ｂ，２００ｃに大別される。２００ａでは、ま
ず、入射ビームのエネルギーＥｉ及び出射開始エネルギ
ーＥｓから、これに対応するビームの運動量Ｐｉ及びＰ
ｓを求め、これに基づいてビームの入射からエネルギー
Ｅｓまでの加速で使用する機器の強度変化パターンを求
める。こうして、図５に示したように運動量を直線的に
増加させることにより機器強度も直線的に変化させるこ
とができるので、機器強度のパターン設定や制御が容易
になる。

【００４２】入射器１５から入射されたビームは、周回
する過程で偏向電磁石２により軌道が曲げられ、４極電
磁石により設計軌道１（通常は真空ダクト１０の中心を
つなげた軌道）からのずれに比例した力で軌道勾配が変
えられて軌道補正される。４極電磁石５は水平方向にビ
ームを収束する方向に軌道勾配を変え、４極電磁石６は
水平方向にビームを発散させる方向に軌道勾配を変える
機能を持つ。垂直方向については、４極電磁石５はビー
ムを発散させ、４極電磁石６はビームを収束させる機能
を持つ。これらの４極電磁石の働きにより、ビームは設
計軌道１の周りをベータトロン振動しながら周回し、ベ
ータトロン振動の振動数は４極電磁石５及び６の励磁量
により制御できる。

【００４３】加速器１１１において入射から加速の過程
でビームを安定に周回させるには、加速器一周あたりの
ベータトロン振動数（チューン）を共鳴が生じない値に
しておく必要がある。本実施例では水平方向チューンν
xが２.２５、垂直方向チューンνyが１.２５となるよう
に４極電磁石５及び６を調整しておく。このとき、偏向
電磁石２と４極電磁石５及び６の磁場強度はビーム入射
時の運動量Ｐｉに基づいて求める。この状態でビームは
加速器内を安定に周回するが、その過程で高周波加速空
胴８からエネルギーを与えられる。

【００４４】高周波加速空胴８に印加する高周波信号の
周波数ｆをビームが周回する周波数ｆriにし、高周波加
速空胴８からビームにエネルギーを与えると共に、偏向
電磁石２と４極電磁石５，偏向電磁石２と４極電磁石
６、各々の磁場強度比を一定に保ちながら、磁場強度を
増加させる。このとき、周回周波数ｆriは加速器１１１
の周長及びビームの運動量から求める。これにより、偏
向電磁石２の曲線部ではビーム軌道の曲率半径が小さく
なり、１周の軌道が短くなる。この結果、ビームは高周
波加速空胴８から高周波エネルギーを与えられ、ビーム
エネルギーが増加する。そして、ビームエネルギーの増
加による遠心力増加と、偏向電磁石２の励磁量の増加に
よる向心力増加とが釣合い、ビームは同一軌道を中心に
周回する。ビームエネルギーが増加するとビームが加速
器を周回する周波数が高くなるので、高周波加速空胴８
に印加する高周波信号の周波数をビームの周回周波数に
合わせるように増加する。この過程で必要な偏向電磁石
２，４極電磁石５及び６の磁場強度や、高周波加速空胴
８の高周波の電圧及び周波数も図１３の２００ａで求め
ておく。また、この加速過程では偏向電磁石２と４極電
磁石５，偏向電磁石２と４極電磁石６、各々の磁場強度
比を一定に保っているので、チューンは一定に保たれ
る。

【００４５】加速過程でのｓ方向（設計軌道方向）の出
射位置ｓ＝ｓ_O における位相空間（ｘ，ｄｘ／ｄｓ）上
の荷電粒子の軌跡を図６に示す。同図の位相空間上の軌
跡は、径が異なる相似形の楕円が多数ならんでいるよう
に見えるが、楕円の径の大きさがビームのベータトロン
振動振幅の大きさに対応し、楕円の径が小さいほどベー
タトロン振動振幅も小さい。

【００４６】図１３の２００ａでビームエネルギーＥｓ
までの加速に使用する機器の強度パターンを求めた後、
２００ｂでビームエネルギーを変化させながら出射する
際の加速器１１１内の機器強度パターンを求める。２０
０ｃでは、エネルギーを変えながら出射したビームを治
療室１０３に輸送するために用いる出射器４と出射ビー
ム輸送系１０２の機器の強度変化パターンを求める。図
１３の演算部２００で求めた機器強度変化パターンデー
タは発信部２０１から電源１１２及び１１３に送信さ
れ、各電源をこのパターンデータに基づいて制御する。

【００４７】次に、出射過程での運転方法を図７のフロ
ーチャートを用いて説明する。運転方法は以下の（１)
〜(８）の手順で行う。

【００４８】(１)収束用４極電磁石５及び発散用４極電
磁石６の電源を調整し、水平方向チューンνx を２.３
０に設定する。

【００４９】この時の収束用４極電磁石５と偏向電磁石
２の磁場強度比をＲ₁ ，発散用４極電磁石６と偏向電磁
石２の磁場強度比をＲ₂ とする。

【００５０】(２)６極電磁石９に共鳴励起のための励磁
電流を流す。

【００５１】６極電磁石９に流す電流は、周回中のビー
ムのうちベータトロン振動振幅が大きい粒子が共鳴の安
定限界内に納まる程度の値にしておく。この値は予め計
算で求めるか、出射運転を繰り返して求める。

【００５２】偏向電磁石２と６極電磁石９の磁場強度比
をＲ₃ とする。この時、出射器４の位置における位相空
間上の荷電粒子の軌跡は図８に示すように三角形状にな
る。 (３)高周波印加装置１４から、不規則に時間変化する周
波数帯域の広い高周波電磁界をビームに印加する。

【００５３】図９に高周波印加装置１４の構成を示す。
同図の電極２５及び２６は棒状電極で、水平方向（図の
ｘ方向）に対向させて時間変化信号を印加する。棒状電
極に符号が逆の電流を広帯域高周波電源２４から流すこ
とにより、図９に示すようにｘ方向の電場と−ｙ方向の
磁場がビームに加わる。負荷抵抗２３は印加した電流が
電極端部から高周波電源２４側に反射しないように設置
している。

【００５４】高周波電源２４から供給する高周波電流は
不規則信号とし、ビームのエネルギーがＥｓの時の周回
周波数をｆrsとすると、０.２５ｆrs〜０.３５ｆrs程度
の周波数帯域を含む周波数スペクトルを持たせる。即
ち、中心周波数を０.３０ｆrsとし、周波数幅Δｆが
０.１ｆrsとなる周波数スペクトルを持たせる。

【００５５】このような周波数成分を持たせるのは、ビ
ームのチューンがベータトロン振動振幅に依存して変化
することに起因する。即ち、ベータトロン振動振幅が極
めて小さいビームのチューンは４極電磁石で設定した
２.３０ になっているが、共鳴発生用の６極電磁石９の
影響で、安定限界近くのベータトロン振動振幅の大きな
ビームのチューンはこの値から2.3333−2.30＝0.0333程
度ずれる。従って、振動振幅がこれらの間にあるビーム
のチューンも2.3333と２.３０ の間に連続的に分布する
ので、安定限界内の全てのビームのベータトロン振動振
幅を増加させるためには、ビームのチューン分布を含む
周波数成分を持たせることが望ましい。

【００５６】このように、高周波印加装置１４からビー
ムに高周波電磁界を印加することにより、ビームの軌道
勾配が電場，磁場の作用で変化し、図８に示す位相空間
内のビームのベータトロン振動振幅が増加して、安定限
界を超えた粒子は共鳴によりベータトロン振動振幅が急
激に増加する。図８の位相空間内に示す数字はビームの
周回数を示しており、周回に伴い出射器電極４ａ，４ｂ
間に入り、出射器４から出射される。

【００５７】(４)偏向電磁石２の磁場強度をＢｓからＢ
ｅへ変化させる。

【００５８】(５)(４)と同時に、高周波加速空胴８から
ビームに印加する高周波電磁界の周波数をｆrsからｆre
へ変化させる。

【００５９】(６)(４)と同時に、磁場強度比Ｒ₁，Ｒ₂，
Ｒ₃ が一定となるように、４極電磁石５，６及び６極電
磁石９の磁場強度を変化させる。

【００６０】この過程で、周回ビームのエネルギーはＥ
ｓからＥｅに変化するため、周回周波数はｆrsからｆre
に変化する。(４)〜(６)の出射過程におけるビームのエ
ネルギー、運動量及び周回周波数、並びに各磁場強度の
時間変化を図５に示す。

【００６１】(７)(４)と同時に、高周波印加装置１４か
らビームに印加する高周波電磁界の中心周波数を、周波
数幅はΔｆ＝０.１ｆrs のままで、０.３ｆrsから０.３
ｆreへ変化させる。

【００６２】ビームの周回周波数がｆrsからｆreに変化
するのに伴い、ベータトロン振動に同期する周波数も変
化するので、(７)によりビームのエネルギーを変化しな
がら各粒子のベータトロン振動振幅を増加することがで
きる。従って、初期のベータトロン振動振幅が小さな粒
子もやがて図８の安定限界を超え、出射器４から出射さ
れる。図８の位相空間で安定限界は一定であり、出射器
４の入口での軌道勾配ｄｘ／ｄｓも出射過程で一定に保
たれる。

【００６３】以上の(４)〜(７)の制御は、ビームの運動
量が所望の変化をするように、予め制御装置１１０の演
算部２００ｂで求めておき、発信部２０１から加速器機
器電源１１３にパターン信号を送信して行う。これによ
り、ビームのエネルギーを変化しながら出射することが
可能となる。

【００６４】(８)(４)と同時に、ビームのエネルギー変
化に対応させて、出射器４及び出射ビーム輸送系１０２
の構成機器の強度を変化させる。

【００６５】即ち、出射過程で変化するビームエネルギ
ーに対応させて、出射器４の強度、並びに出射ビーム輸
送系１０２の偏向電磁石１０５及び４極電磁石１０４の
磁場強度と、加速器１１１の偏向電磁石２の磁場強度の
比を一定にするように変化させる。

【００６６】これら出射器４及び出射ビーム輸送系１０
２の構成機器の強度変化は予め制御装置１１０の演算部
２００ｃで求めておき、発信部２０１から加速器機器電
源１１３内の出射器４の電源、及び出射ビーム輸送系機
器電源１１２にパターン信号を送信して、加速器１１１
の他の機器と同期させて制御する。

【００６７】ビームのエネルギーは変化するものの安定
限界一定で出射するので、図８から分かるように、出射
器４の入口部での軌道勾配は一定になる。更に、出射器
４及び出射ビーム輸送系１０２の構成機器の強度と、偏
向電磁石２の強度の比を一定に保つことにより、径の小
さなビームを治療室１０３へ連続して出射できる。

【００６８】次に、図１０を用いて本発明を医療用装置
に適用した第２の実施例を説明する。本実施例が第１の
実施例と異なる点は、偏向電磁石１１に収束用４極電磁
石の機能を、偏向電磁石１２に発散用４極電磁石の機能
を持たせて、第１の実施例の多数の４極電磁石を省略し
ていることである。４極電磁石としてはチューンを調整
するための４極電磁石１３のみを使用しており、他の構
成機器は第１の実施例と同じであるので、ここでは説明
を省略する。

【００６９】偏向電磁石１１にはビーム軌道を曲げると
共にビームを水平方向に収束させる機能を持たせ、偏向
電磁石１２にはビーム軌道を曲げると共にビームを水平
方向に発散させる機能を持たせる。

【００７０】以下、偏向電磁石１１及び１２で発生する
４極磁場について説明する。図１１に偏向電磁石１２の
磁極周りの詳細図を示す。１００はギャップに面してい
る磁極面で、電磁石の曲率中心はｘ軸の負方向側にあ
り、ギャップ間隔は径方向の外側（ｘ軸の正方向側）ほ
ど大きい。この磁極構造により、垂直方向（ｙ方向）の
磁場強度は径方向の外側ほど小さくなり、水平方向即ち
ｘ方向の磁場強度はｙ＝０の面から離れるほど強くなる
ので、４極磁場成分が発生する。

【００７１】垂直方向磁場強度Ｂｙが次式の関係を満た
すようにギャップ間隔を設定すると、水平方向には（１
−ｎ）に比例し、垂直方向にはｎに比例する力でビーム
の軌道勾配が変化する。

【００７２】

【数１】

【００７３】ここで、Ｂ₀ は定数、ρは設計軌道の曲率
半径、ｒは曲率中心からの距離、ｎは実数である。数１
から、ｎの大きさ及び符号を適切に選ぶことにより、ビ
ームのチューンを所望の値に設定できる。

【００７４】偏向電磁石１１はｎが負となるようにする
ことにより、ビームを偏向させる機能と、水平方向にビ
ームを収束させる機能を併せ持ち、偏向電磁石１２はｎ
が１より大きくなるようにすることにより、ビームを偏
向させる機能と、水平方向にビームを発散させる機能を
併せ持たせている。この偏向電磁石１１と１２のｎ値を
適切に選定することによって、水平方向チューンを２.
２５ ，垂直方向チューンを１.２５ とする。

【００７５】第１の実施例と同様に、治療室１０３から
の情報により出射ビームのエネルギー範囲をＥｓからＥ
ｅとするように、加速器１１１へ入射したビームをまず
エネルギーＥｓまで加速する。但し、エネルギーＥｓま
での加速は、偏向電磁石１１及び１２の磁場強度を増加
させると共に、高周波加速空胴８からビームに印加する
高周波電磁界の周波数も増加させて行う。この過程で必
要な偏向電磁石１１及び１２の磁場強度、並びに高周波
加速空胴８の高周波電磁界の周波数は、予め制御装置１
１０の演算部２００ａで求め、発信部２０１から電源１
１３にパターンデータを送信して制御する。また、エネ
ルギーＥｓまでの加速においては、４極電磁石１３は使
用しない。このように、偏向電磁石１１及び１２の磁場
強度、並びに高周波加速空胴８からビームに印加する高
周波電磁界の周波数を増加することにより、第１の実施
例と同様にエネルギーをＥｓまで増加することができ
る。次に、図１２を用いて第２の実施例における出射過
程の運転方法を説明する。この運転方法は以下の（１)
〜(６）の手順で行う。

【００７６】(１)出射開始前に、４極電磁石１３により
水平方向チューンを２.３０ に設定する。

【００７７】このときの４極電磁石１３の磁場強度とビ
ームの運動量の比をＲqpとする。第１の実施例では４極
電磁石と偏向電磁石の磁場強度比を考慮したのに対し
て、本実施例でビームの運動量と４極電磁石の磁場強度
の比を考慮するのは、本実施例では偏向電磁石の磁場強
度を一定にしてビームの運動量を変化させるためであ
る。

【００７８】(２)６極電磁石９に共鳴励起のための電流
を流す。

【００７９】６極電磁石９に流す電流は、周回中のビー
ムでベータトロン振動振幅が大きい粒子が安定限界内に
納まる程度の値にするが、この値は予め計算で求める
か、出射運転を繰り返して求めておく。６極電磁石９の
磁場強度とビームの運動量の比をＲspとする。

【００８０】(３)高周波印加装置１４から、不規則に時
間変化する帯域の広い高周波電磁界をビームに印加す
る。

【００８１】電源２４から高周波印加装置１４に供給す
る高周波信号は不規則信号とし、ビームエネルギーがＥ
ｓからＥｅまで変化する過程でベータトロン振動振幅の
増加を簡単に実現するために、変化するベータトロン振
動周波数の範囲、即ち0.25ｆrsから０.３５ｆre程度の
帯域を含む周波数スペクトルを持たせる。ここで、ｆrs
及びｆreはビームエネルギーがＥｓ及びＥｅの時の周回
周波数である。

【００８２】このような周波数成分を持たせることによ
り、出射開始から終了までのエネルギー範囲でのベータ
トロン振動周波数成分を全て含むので、第１の実施例で
述べたような周波数スペクトルの変更が不要となる。高
周波印加装置１４からこのような高周波電磁界をビーム
に印加することにより、ビームの軌道勾配が電場及び磁
場の作用で変化してビームのベータトロン振動振幅が増
加し、図８に示す安定限界を超えた粒子は、共鳴により
ベータトロン振動振幅が急激に増加して出射器４から出
射される。

【００８３】(４)偏向電磁石１１及び１２の磁場強度一
定で、高周波加速空胴８からビームに印加する高周波電
磁界の周波数をｆrsからｆreへ変化させる。

【００８４】ここで、ｆrs及びｆreはエネルギーがＥｓ
及びＥｅのビームの周回周波数である。

【００８５】(５)(４)と同時に、Ｒqp及びＲspが一定と
なるように、４極電磁石１３及び６極電磁石９の磁場強
度を変化させる。

【００８６】(４)及び(５)の磁場強度の変化は、制御装
置１１０の演算部２００ｂで求めた機器強度変化パター
ンを発信部２０１からパターン信号として加速器機器電
源１１３に送信して制御する。

【００８７】(６)(４)と同時に、ビームの運動量と、出
射器４及び出射ビーム輸送系１０２の構成機器の機器強
度の比が一定となるように、各機器の強度を変化させ
る。

【００８８】即ち、ビーム運動量と各機器の強度の比が
一定となるように、出射器４，出射ビーム輸送系１０２
の偏向電磁石１０５及び４極電磁石１０４の強度を変化
させる。これにより、ビームエネルギーは変化するが、
出射器４の入口部での軌道勾配は一定であるので、治療
室１０３に径の小さなビームを連続して出射することが
できる。

【００８９】(６)の機器強度変化は、制御装置１１０の
演算部２００ｃで求めた機器強度変化パターンを発信部
２０１からパターン信号として加速器機器電源１１３に
送信して制御する。

【００９０】尚、以上の実施例では、プロトンのビーム
エネルギーを５０〜３００ＭｅＶの範囲で変化させなが
ら出射する例を説明したが、他にＣやＡｒ等の重イオン
を用いても同様にして５０〜８００ＭｅＶ程度のエネル
ギー範囲でビームエネルギーを変えながら、出射するこ
とができる。

【００９１】

【発明の効果】本発明によれば、ビームの出射開始時か
らビームの出射停止時においてビームエネルギーを増加
させても加速器からのビーム出射軌道を概ね一定にして
出射できるので、エネルギーを増加させながら小径ビー
ムを出射することができる。

【００９２】また、様々な深さや大きさの患部に対して
時間的に連続してビーム照射治療が可能となるので、患
者が照射治療を受けるまでの待ち時間を短縮し、且つ広
がりのある患部を精度良く照射することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を医療用装置に適用した第１の実施例を
示す図。

【図２】従来の医療用装置の説明図。

【図３】イオンビームの体内でのブラッグピークを示す
図。

【図４】飛程調整器の一例を示す図。

【図５】第１の実施例の出射時の運転方法の説明図。

【図６】第１の実施例の出射前の位相空間を示す図。

【図７】第１の実施例の出射時の運転方法を示す図。

【図８】第１の実施例の出射器における位相空間を示す
図。

【図９】第１の実施例の高周波印加装置の説明図。

【図１０】本発明を医療用装置に適用した第２の実施例
を示す図。

【図１１】第２の実施例の偏向電磁石の磁極周りの説明
図。

【図１２】第２の実施例の出射時の運転方法を示す図。

【図１３】第１の実施例の制御装置の詳細図。

【符号の説明】

１…設計軌道、２…偏向電磁石、４…出射器、５…収束
用４極電磁石、６…発散用４極電磁石、８…高周波加速
空胴、９…６極電磁石、１１…収束４極電磁石機能付き
偏向電磁石、１２…発散４極電磁石機能付き偏向電磁
石、１３…チューン調整用４極電磁石、１４…高周波印
加装置、２２…真空ダクト、２３…負荷抵抗、２４…電
源、２５，２６…棒状電極、１００…磁極面、１０１…
加速器、１０２…出射ビーム輸送系、１０３…治療室、
１０４…出射ビーム輸送系４極電磁石、１０５…出射ビ
ーム輸送系偏向電磁石、１１０…制御装置、１１１…加
速器、１１２…出射ビーム輸送系機器電源、１１３…加
速器機器電源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田所 昌宏 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株式会社 日立製作所 エネルギー研究 所内 (72)発明者 櫻畠 広明 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (56)参考文献 特開 平５−198397（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−109499（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−258900（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−156900（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−111199（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−163196（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−14699（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05H 13/04

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】荷電粒子ビームを加速して出射器から出射
   する加速器において、 前記荷電粒子ビームの出射開始時からその出射停止時に
   おいて高周波加速空胴によりビームエネルギーを増加さ
   せ、共鳴の安定限界内の前記荷電粒子ビームのベータト
   ロン振動振幅をそのビームエネルギーの増加に応じて増
   加させ、前記ベータトロン振動振幅の増加によって前記
   安定限界を超えた前記荷電粒子ビームを、前記ビームエ
   ネルギーが増加する前記出射開始時から前記出射停止時
   において前記出射器から出射することを特徴とする加速
   器。
2. 【請求項２】荷電粒子ビームを加速して出射器から出射
   する加速器において、 前記荷電粒子ビームの出射開始時からその出射停止時に
   おいて高周波加速空胴により前記荷電粒子ビームの周回
   方向に高周波エネルギーを付与してビームエネルギーを
   増加させ、このビームエネルギーの変化に応じて該高周
   波の周波数を変えながら、共鳴の安定限界内のビームの
   ベータトロン振動振幅を増加させてベータトロン振動に
   共鳴を発生させ、該荷電粒子ビームを、前記ビームエネ
   ルギーが増加する前記出射開始時から前記出射停止時に
   おいて前記出射器から出射することを特徴とする加速
   器。
3. 【請求項３】請求項１又は２に記載の加速器において、
   前記ビームの周回方向に垂直な方向に前記高周波加速空
   胴より高周波電界または高周波磁界を印加してベータト
   ロン振動振幅を増加させ、共鳴の安定限界内のビームに
   該安定限界を超えさせて出射することを特徴とする加速
   器。
4. 【請求項４】請求項３に記載の加速器において、前記安
   定限界内のビームのベータトロン振動振幅を増加させる
   ための高周波電界又は高周波磁界が複数の周波数成分を
   含むことを特徴とする加速器。
5. 【請求項５】請求項３又は４に記載の加速器において、
   前記安定限界内のビームのベータトロン振動振幅を増加
   させるための高周波電界又は高周波磁界の周波数を時間
   的に変化させることを特徴とする加速器。
6. 【請求項６】荷電粒子ビームを周回させる電磁石と、前
   記ビームを出射する出射器を備えた加速器において、 前記ビームに高周波電磁界を印加して前記ビームを加速
   する加速手段と、 前記ビームの偏向磁場を発生する偏向電磁石と、 前記ビームの共鳴の安定限界を規定する多極磁場を発生
   する多極電磁石と、 前記安定限界内のビームのベータトロン振動振幅を増加
   させて前記ビームを前記安定限界を超えさせる高周波印
   加手段と、 入力したビーム出射開始時の第１ビームエネルギー値、
   及び前記第１エネルギー値とは異なる、ビーム出射停止
   時の第２ビームエネルギー値を用いて、前記ビーム出射
   開始時から前記ビーム出射停止時においてビームエネル
   ギーが変化するように前記加速手段から前記ビームに印
   加する電場または磁場の周波数を制御すると共に前記多
   極磁場と偏向磁場の強度比が概ね一定となるように制御
   し、前記ベータトロン振動振幅を増加させるために前記
   高周波印加手段から前記ビームに印加する電場または磁
   場の周波数を、前記ビームエネルギーの変化に応じて制
   御する制御装置と、 前記安定限界を超えた前記荷電粒子ビームを出射する出
   射器とを備えたことを特徴とする加速器。
7. 【請求項７】荷電粒子ビームを周回させる電磁石と、前
   記ビームを出射する出射器を備えた加速器において、 前記ビームにエネルギーを付与して前記ビームを加速す
   る加速手段と、 前記ビームの偏向磁場を発生する偏向電磁石と、 前記ビームの共鳴の安定限界を規定する多極磁場を発生
   する多極電磁石と、 前記安定限界内のビームのベータトロン振動振幅を増加
   させて前記ビームを前記安定限界を超えさせる高周波印
   加手段と、 入力したビーム出射開始時の第１ビームエネルギー値、
   及び前記第１エネルギー値とは異なる、ビーム出射停止
   時の第２ビームエネルギー値を用いて、前記加速手段が
   発生する電場又は磁場の周波数を、前記ビーム出射開始
   時から前記ビーム出射停止時におけるそのビームエネル
   ギーの変化に応じて制御すると共に、前記偏向磁場の強
   度を概ね一定に制御し、前記ベータトロン振動振幅を増
   加させるために前記高周波印加手段が発生する電場又は
   磁場の周波数を、前記ビームエネルギーの変化に応じて
   制御する制御装置と、 前記安定限界を超えた前記ビームを出射する出射器とを
   備えたことを特徴とする加速器。
8. 【請求項８】荷電粒子ビームの加速及び出射を行う加速
   器と、該加速器から出射したビームを治療室に輸送する
   輸送系と、該輸送系で輸送したビームを用いて照射治療
   を行う治療室と、前記加速器及び輸送系の制御を行う制
   御装置とを備えた医療用装置において、 前記加速器は、前記ビームにエネルギーを付与して前記
   ビームを加速する加速手段と、前記ビームの偏向磁場を
   発生する偏向電磁石と、前記ビームの共鳴の安定限界を
   規定する多極磁場を発生する多極電磁石と、前記安定限
   界内のビームのベータトロン振動振幅を増加させて前記
   ビームを前記安定限界を超えさせる高周波印加手段と、
   前記安定限界を超えた前記ビームを出射する出射器とを
   備え、 前記制御装置は、ビーム出射開始時の第１ビームエネル
   ギー値、及び前記第１エネルギー値とは異なる、ビーム
   出射停止時の第２ビームエネルギー値を入力し、前記ベ
   ータトロン振動振幅を増加させるために前記高周波印加
   手段から前記ビームに印加する電磁場の周波数を、前記
   ビーム出射開始時から前記ビーム出射停止時におけるそ
   のビームエネルギーの変化に応じて制御し、前記ビーム
   の出射時において前記加速器内の多極磁場と偏向磁場の
   強度比、及び前記加速器内の偏向磁場と前記輸送系内の
   磁場の強度比が概ね一定となるように制御することを特
   徴とする医療用装置。
9. 【請求項９】荷電粒子ビームを加速器で加速して出射す
   る出射方法において、 前記荷電粒子ビームの出射開始時からその出射停止時に
   おいてビームエネルギーを増加させ、共鳴の安定限界内
   の前記荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅をそのビ
   ームエネルギーの増加に応じて増加させ、前記ベータト
   ロン振動振幅の増加によって該安定限界を超えた前記荷
   電粒子ビームを、前記ビームエネルギーが増加する前記
   出射開始時から前記出射停止時において前記加速器から
   出射することを特徴とする荷電粒子ビームの出射方法。
10. 【請求項１０】荷電粒子ビームを加速器で加速して出射
    する出射方法において、 前記荷電粒子ビームの出射開始時からその出射停止時に
    おいてビームエネルギーを増加させながら、共鳴が発生
    していない前記荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅
    を増加させてベータトロン振動に共鳴を発生させ、前記
    荷電粒子ビームを、前記ビームエネルギーが増加する前
    記出射開始時から前記出射停止時において前記加速器か
    ら出射することを特徴とする荷電粒子ビームの出射方
    法。