JP4063783B2 - Ion beam separation system and ion beam acceleration system equipped with the ion beam separation system - Google Patents
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Description
この発明は、陽子などのイオンビームを加速するイオンビーム加速器に関するもので、特に必要なイオンを加速するためのイオンビーム分離システムおよびそのイオンビーム分離システムを備えたイオンビーム加速器システムに係るものである。 The present invention relates to an ion beam accelerator for accelerating an ion beam such as a proton, and particularly to an ion beam separation system for accelerating necessary ions and an ion beam accelerator system including the ion beam separation system. .
従来より、高エネルギに加速したイオンビームを癌などの悪性腫瘍の治療や、その他の医療目的に利用が盛んである。イオン源から出射されるイオンビームは、例えば炭素イオンを発生させる際、一価から四価までの炭素イオンビームが出射される。これを加速器に入射して高エネルギに加速しようとすると、加速器側からすれば電荷数の多いほど加速しやすいが、一般に電荷数が多いほどビーム強度が小さくなる。そこで加速器に入射する前に、イオン源からの出射イオンビームを所望のイオンのみに分離することが一般に行われている。
例えば後述の非特許文献1の場合、最初の加速器であるRFQで四価の炭素イオンを加速することが示されている。この場合、四価以外の炭素イオンがRFQに入射されると、適切な収束力が得られず、RFQの加速電極に衝突し、電極表面を劣化させ放電しやすい状態となる。このため、四価以外の炭素イオンが入射されないように、イオン源とRFQの間に分析電磁石を設け、それぞれの電荷数をもつ炭素ビームを所定の曲率半径で取り出し、電磁石の下流に所望の電荷数の炭素イオンビームだけを通すスリットを設置し、他のビームがRFQに入射されないような構成が示されている。
Conventionally, ion beams accelerated to high energy have been actively used for the treatment of malignant tumors such as cancer and other medical purposes. The ion beam emitted from the ion source emits, for example, monovalent to tetravalent carbon ion beams when generating carbon ions. If this is incident on an accelerator and is accelerated to high energy, acceleration from the accelerator side becomes easier as the number of charges increases, but generally the beam intensity decreases as the number of charges increases. Therefore, it is a common practice to separate the emitted ion beam from the ion source into only desired ions before entering the accelerator.
For example, in
しかしながら、前記非特許文献1に示されたものは、所望の電荷数、この場合四価の炭素イオンビームを加速器に入射させるため、イオン源とスリットとの間にイオンビームを90°偏向させる分析電磁石を設けているので、装置が大型化し、広い設置面積を必要とし、コスト上昇の原因ともなるという問題点があった。
However, the
この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであって、イオン源下流にイオンビームの中心軌道上に直線状にイオンビーム分離システムを設け、装置を小型化したものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is a device in which an ion beam separation system is provided linearly on the central orbit of an ion beam downstream of the ion source, and the apparatus is miniaturized. .
この第1の発明に係るイオンビーム分離システムは、所定の種類のイオンビームを含むイオンビームを出射するイオン源と、当該出射されたイオンビームを収束するための収束場を発生する、少なくとも1個のソレノイドコイル、または2もしくは3個の4極電磁石のいずれか一方で構成されているイオンビーム収束手段と、イオンビーム収束手段の下流に設置されたイオンビーム弁別用のスリットとを備え、イオン源と、イオンビーム収束手段と、スリットとはイオンビームの中心軌道上に直線状に配置されるとともに、所定の種類のイオンビームと、イオンビーム収束手段からスリットの位置までの距離に対応して、イオンビーム収束手段の通電量を変えて収束場の強度を変えることにより所定の種類のイオンビームがスリット位置に収束するようにしたものである。 The ion beam separation system according to the first aspect of the present invention includes at least one ion source that emits an ion beam including a predetermined type of ion beam and a convergence field for converging the emitted ion beam. An ion beam converging means composed of either one of two solenoid coils or two or three quadrupole electromagnets, and an ion beam discriminating slit installed downstream of the ion beam converging means, and an ion source And the ion beam converging means and the slit are linearly arranged on the center trajectory of the ion beam, and corresponding to a predetermined kind of ion beam and the distance from the ion beam converging means to the position of the slit, By changing the energization amount of the ion beam converging means and changing the intensity of the convergence field, a predetermined type of ion beam is converged at the slit position. It is obtained by way.
また、この第2の発明に係るイオンビーム加速システムは、前記第1の発明に係るイオンビーム分離システムと、イオンビーム輸送システムとイオンビーム加速器とを備えたものである。 An ion beam acceleration system according to the second invention includes the ion beam separation system according to the first invention, an ion beam transport system, and an ion beam accelerator.
この第1の発明のイオンビーム分離システムは、イオンビームの中心軌道上に直線状に、少なくとも1個のソレノイドコイル、または2もしくは3個の4極電磁石のいずれか一方で構成されているイオンビーム収束手段と、スリットが設置されているので、システムが小型化され設置面積の縮小化、コスト低減化がはかれる。
また、第2の発明のイオンビーム加速システムは、前記第1の発明のイオンビーム分離システムを備えているので、イオンビーム加速システムが小型化され、設置面積の縮小化、コスト低減化がはかれる。
The ion beam separation system according to the first aspect of the present invention is an ion beam constituted by at least one solenoid coil or two or three quadrupole magnets linearly on the central orbit of the ion beam. Since the converging means and the slit are installed, the system is downsized, and the installation area can be reduced and the cost can be reduced.
In addition, since the ion beam acceleration system of the second invention includes the ion beam separation system of the first invention, the ion beam acceleration system is reduced in size, and the installation area can be reduced and the cost can be reduced.
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1を図に基づいて説明する。
図1は、実施の形態1のイオンビーム加速システム100を示す構成図である。このイオンビーム加速システム100は、イオンビーム分離システム200と、イオンビーム輸送システム210と、加速器5とで構成されている。前記イオンビーム分離システム200はイオンビームの中心軌道上に直線状に設置されたビーム収束手段20とスリット3とで構成されており、前記ビーム収束手段20は、図1に示す例では2台のソレノイドコイル2によって構成されている。また、前記イオンビーム輸送システム210は、この図1の例では2台の四極電磁石4で構成されている。ここで前記イオン分離システム200と四極電磁石4とでイオンビーム輸送システムと称呼される場合もあるが、この実施の形態1では、前記のようにイオン分離システム200とイオンビーム輸送システム210に分けて定義する。
なお、前記加速器5は、シンクロトロン、FFAG加速器等の円形加速器や線形加速器のいずれであってもよい。このような実施の形態1のイオンビーム加速システム100に係わるイオンビーム分離システム200について、以下詳細に述べる。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an ion
The
イオン源1は、水素ガスをプラズマ化して高電圧で水素イオンを引き出す。水素イオンはこの加速システムで必要な所定の種類のイオンである陽子(H+)の他に、陽子2個からなるH2 +と陽子3個からなるH3 +も含まれる。これらの含有率はイオン源によって異なるが、陽子が10%程度の場合もある。
取り出された水素イオンは、ソレノイドコイル2とスリット3からなるイオンビーム分離システム200と四極電磁石4からなるビーム輸送系210の真空ダクト6内を通ってFFAG(Fixed Field Alternating Gradient)加速器或いはシンクロトロン或いは線形加速器等の加速器5に入射される。図1のビーム輸送系210では、四極電磁石4は2台設けているが、加速器5に必要とされるビームパラメータ(エミッタンス形状)とするために、更に多くの四極電磁石4を有する場合もある。ここで、エミッタンス形状とは、ビーム進行方向に対して直角な断面における水平又は垂直軸と進行方向の傾きを与える軸からなる平面(x−x’或いはy−y’)での粒子の分布である。
加速器5で効率良く陽子を加速するためには、加速器5で必要とされるビームパラメータにビーム輸送系210の四極電磁石4で調整する必要があり、そのためにビーム輸送系210にはビームモニター(図1では省略している)が設置されており、ビームサイズやビーム電流値を測定する。しかし、先に述べたように、陽子以外にH2 +やH3 +が混在していると、所定の種類である陽子ビームのパラメータが測定できない。それぞれのイオンビームはソレノイドコイル2や四極電磁石4で受ける収束力が異なるため、エミッタンス形状も異なる。
ソレノイドコイル2や四極電磁石4の収束力は、ビームの運動量に反比例する。ここで、陽子に対するH2 +とH3 +の運動量の違いを考える。イオン源1の加速電圧をVとし、陽子の運動量をm0・v0とする。質量mはH2 +が陽子の2倍、H3 +が3倍である。速度vは陽子当たりのエネルギーの平方根に比例するが、H2 +の陽子当たりのエネルギーはV/2、H3 +はV/3である。従って、それぞれの運動量は陽子に比べて20.5、30.5倍であり、収束機器での収束力はその逆数である。
The
The extracted hydrogen ions pass through the inside of the
In order to accelerate the protons efficiently with the
The convergence force of the
本発明は、この収束力の違いを積極的に利用したものである。イオン源1からは、通常は発散ビームが出力される。広がったイオンビームは、ソレノイドコイル2で収束力を受け、その磁場強度によっては、その下流でビームサイズを十分に小さくできる。ソレノイドコイル2は軸対象な磁場を発生させるので、イオン源1から出射された軸対象のイオンビームを軸対象に収束させることができる。ソレノイドコイル2の磁場強度を、陽子ビームがその下流でビームサイズを縮小し、それ以外の種類のイオンビームは発散或いはビームが絞られないように設定することができる。ここで言う発散とは、収束力が足りないために、イオンビームがその下流で絞られず広がってゆくことを意味する。図2はその計算例を示す。ビームは図の左より右に進む。横軸はビーム軸、縦軸はビーム半径の平方根に比例したパラメータであり、上から陽子、H2 +、H3 +である。イオン源出口Aでは、全て同じエミッタンス形状だが、運動量の平方根に反比例してエミッタンス(面積)は異なると仮定している。同図のBで示した位置で、陽子ビームは絞られているが、他のビームサイズはそれほど小さくならないことが分かる。この計算例でのBの位置でのビーム半径比は、陽子:H2 +:H3 +=1:4.6:7、ビーム強度に関係するビーム断面積はその2乗の陽子:H2 +:H3 +=1:21:49であり、ここに陽子のビームサイズに合わせたイオンビーム弁別用のスリット3を設置すれば、陽子以外のビームは数%以下に低減できる。
The present invention positively utilizes this difference in convergence power. A diverging beam is usually output from the
図3はスリット3の一実施例を示す。冷却水入口9、冷却水出口10の部分以外は基本的には軸対称な構造である。ビーム強度が強くなると、通常の平板の中央に穴を開けた単純なスリットでは、熱除去が難しくなる。そこで、材質は熱伝導の良い、例えば銅とし、かつイオンビームが当たる面積を増やすために、コーン状(ビーム遮蔽コーン)7とし、熱除去のために冷却水通路8を設ける構造としている。冷却水通路8は様々なものが考えられるが、ここでは単純な空洞とし、冷却水入口9から冷却水を入れて冷却水出口10から取り出す構造とした。ビーム遮蔽コーン7の最も絞られた部分の半径が、陽子ビームの半径に大体等しくなるようにする。本例では、軸対称な円としたが、この形に限定されるものではない。
なお、スリット3は、前記イオンビーム収束手段20からの距離を可変とするようビーム軸方向に移動できる構造であれば、更に高い効果が得られる。これはイオン源1からのビームパラメータは計算での正確な予測は難しいため、収束点がずれる可能性があるためである。なお、イオンビーム分離システム200のイオンビーム収束手段20にソレノイドコイルによる磁界発生装置を設ける例を示したが、これに代わり、電界発生装置であってもよい。また、前記収束手段20の収束場の強度は、所定の種類のイオンビームと、前記収束手段20とスリット3との距離に応じて、可変可能とするものである。
このように、この実施の形態1では、イオン源1の下流にソレノイドコイル2とスリット3からなるビーム分離システム200をイオンビームの中心軌道上に直線状に設けたので、直線的にイオンを分離できるため、イオンビーム分離システム200やイオンビーム加速システム100をコンパクト化することができる。
FIG. 3 shows an embodiment of the slit 3. Except for the cooling
If the slit 3 has a structure that can move in the beam axis direction so that the distance from the ion
As described above, in the first embodiment, the
実施の形態2.
前記実施の形態1では対象イオンを水素イオンとしたが、これに限定されるものではなく、全てのイオンに適用できる。水素イオンの場合は、陽子、H2 +、H3 +の三種類しか存在せず、その電荷数対質量数比は1:1/2:1/3と大きいため、収束力の差が大きく、分離が比較的容易にできる特徴がある。また、複数の分子の集合体のイオンの分離にも同様の効果が得られる。
In the first embodiment, the target ions are hydrogen ions. However, the present invention is not limited to this and can be applied to all ions. In the case of hydrogen ions, there are only three types of protons, H 2 + and H 3 + , and the charge number to mass number ratio is as large as 1: 1/2: 1/3, so the difference in convergence force is large. , There is a feature that separation is relatively easy. In addition, the same effect can be obtained for the separation of ions of an assembly of a plurality of molecules.
実施の形態3.
実施の形態3を図4に示す。前記実施の形態1では、イオンビーム分離システム200のビーム収束手段20の磁界発生装置としてソレノイドコイル2を2個としたが、1個でも良いし2個以上でも同様の効果が得られる。強い収束力が必要な場合、1個ではソレノイドコイル2が非常に大きなものになる問題があるが、収束力によっては小型のソレノイドコイル2が使用でき、全体をコンパクト化できる効果がある。
Embodiment 3 FIG.
Embodiment 3 is shown in FIG. In the first embodiment, two
実施の形態4.
実施の形態4を図5に示す。前記実施の形態1では、イオン分離のためのビーム収束手段20の磁界発生装置として、ソレノイドコイル2を使用したが、四極電磁石12でも同様の効果が得られる。図5では、3連の四極電磁石12を使った場合の例を示している。四極電磁石は、水平方向に収束力を与える場合には、垂直方向に発散力が生じ、極性によりその逆が可能である。3連の四極電磁石使用の原理は、収束、発散レンズの組み合わせにより収束力となる原理と同じで、中心の四極電磁石に対して両端の四極電磁石の極性は逆である。この3連方式は、その下流の収束点で比較的軸対称なビームを作りやすい効果があり、ソレノイドコイル2に比べて小型化できる効果がある。
また、2台の極性の異なる四極電磁石を使っても、同様の効果が得られる。
Embodiment 4 FIG.
A fourth embodiment is shown in FIG. In the first embodiment, the
The same effect can be obtained by using two quadrupole electromagnets having different polarities.
実施の形態5.
実施の形態5を図に基づいて説明する。図6はこの実施の形態5のスリットを示す。イオン源1からのイオンビームのエミッタンスは、設計値と異なることがある。この場合、スリットで必要な種類のイオンビームを全て通過させ、不要な種類のビームはできるだけ除去するスリット径は設計値とは異なってくる。このため、スリット径を容易に変えられる構造が望ましい。
図6に示すスリット3aは、ビーム遮蔽コーン7aのイオンビーム出口側にリムーバルスリット15を取り出し可能に設けたものであり、陽子ビームのビームサイズに合わせた径の開口15aを有する。このリムーバルスリット15は単位面積あたりの発熱が高いため、熱伝導がよくかつ耐熱性の高い、例えばモリブデン等とする。
図7に構造を単純化したリムーバルスリット15bを示し、開口15cはビームサイズに合わせた径である。このような実施の形態5のスリット構造では、リムーバルスリット15,15bが損傷した場合、容易に取り替え可能である。
The fifth embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 6 shows a slit according to the fifth embodiment. The emittance of the ion beam from the
The
FIG. 7 shows a removal slit 15b with a simplified structure, and the
実施の形態6.
図8に実施の形態6のスリット3cを示す。このスリット3cは、例えば実施の形態1で示したスリット3のイオンビーム出口側に、イオンビーム軌道に対して垂直方向に移動可能な可動マルチスリット3dを設けたものである。この可動マルチスリット3dは支持棒15fを介して真空ダクト6外部に設けられた駆動機構22によって垂直方向に移動するとともに、想定するイオンビーム径に合わせた複数の口径の開口15eを設けたマルチスリット板15dを有する。このようにこの実施の形態6のスリット3cは、可動マルチスリット3dを移動させることにより、イオンビームサイズに合わせた開口径を選択することができ、容易にスリット径の最適化が可能となり、イオンビーム調整を迅速に実行できる。なお、可動マルチスリット3dの移動方向を上下方向に限定されるものでなく、左右方向、斜め方向いずれであってもよい。
なお、イオンビーム電流値が小さいときは、図9に示すようなスリット3eとしてもよい。このスリット3eは、図8に示したと同様の複数の口径の開口15eを有する可動マルチスリットであり、駆動機構22により上下方向に移動可能であり、イオンビーム径に合わせたスリット径の選択が容易に可能である。なお、この図9に示す例では上下方向移動を示すが、これに限定されず、左右、斜め方向であってもよい。
FIG. 8 shows the
When the ion beam current value is small, a
実施の形態7.
前記実施の形態5、6に示したスリットの構造は、必要なイオン種を細く絞ってスリットを通過させ、他のイオン種の多くは、スリットで失う方式のものを示したが、これに代わって、不要なイオン種を絞って必要なイオン種を広げるようイオンビーム収束手段20を設定し、スリット3の替わりに、例えばブロックを配置すれば、不要なイオン種の多くはブロック上で失われ、前記実施の形態5、6と同様の効果が得られる。この方式は、一箇所に限定する必要なく、イオンビームの軌道に沿って数箇所にブロックを配置しても、より高い効果が得られる。またスリットとブロックを併用する方式であっても同様の効果が得られる。
In the slit structure shown in the fifth and sixth embodiments, the necessary ion species are narrowed down and passed through the slit, and many other ion species are lost in the slit. Thus, if the ion
このイオンビーム分離システムおよびそのイオンビームを使用したイオンビーム加速システムは、癌などの悪性腫瘍の治療、その他の医療的や、殺菌、あるいは、金属材料にイオンビームを注入することによる金属材料の特性向上等、多方面にわたる利用可能性がある。 This ion beam separation system and ion beam acceleration system using the ion beam are used to treat malignant tumors such as cancer, other medical treatments, sterilization, or characteristics of metal materials by injecting ion beams into metal materials. It can be used in many ways, such as improvements.
1 イオン源、2 ソレノイドコイル、3,3a,3b,3c スリット、
3d,3e 可動マルチスリット、4 四極電磁石、5 加速器、
7 ビーム遮蔽コーン、15,15b リムーバルスリット、
15a,15c,15e 開口、15d マルチスリット板、
20 ビーム収束手段、100 イオンビーム加速システム、
200 イオンビーム分離システム、210 イオンビーム輸送システム。
1 ion source, 2 solenoid coil, 3, 3a, 3b, 3c slit,
3d, 3e Movable multi slit, 4 quadrupole electromagnet, 5 accelerator,
7 Beam shielding cone, 15, 15b Removal slit,
15a, 15c, 15e opening, 15d multi slit plate,
20 beam focusing means, 100 ion beam acceleration system,
200 ion beam separation system, 210 ion beam transport system.
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