JP4276160B2 - 円形荷電粒子加速器およびその円形荷電粒子加速器の運転方法 - Google Patents

Description

この発明は、荷電粒子を円形の軌道を描かせながら高エネルギーに加速し、ターゲットに衝突させ２次粒子を発生させる円形荷電粒子加速器およびその運転方法に関するものであり、特にＢＮＣＴ（Ｂｏｒｏｎ Ｎｅｕｔｒｏｎ Ｃａｐｔｕｒｅ Ｔｈｅｒａｐｙ；中性子捕捉法）の応用分野であるがん治療用や、その他の中性子ラジオグラフィに用いられる円形荷電粒子加速器に係るものである。

従来のＢＮＣＴ等の応用分野に用いられている荷電粒子加速装置では、サイクロトロン加速原理を用い、等時性磁場中を加速した荷電粒子を荷電粒子加速装置の外側に配置したターゲットに衝突させ、２次粒子を発生させる方法が示されている（例えば非特許文献１）。

加速器工学ハンドブック（日本原子力産業会議）、５．５節中性子ラジオグラフィ、平成１２年（２７２頁図５−７）

しかしながら、前記非特許文献１に示されたサイクロトロン加速器では、加速したイオンビームをターゲットに一度だけ衝突させ２次粒子を発生させているので、２次粒子の発生数が少ない。
また、サイクロトロン加速器では、加速位相安定性がないので、加速させるイオンを同じ半径で多周回回転させることが不可能で、数百〜数千ターンの周回ビームをワイヤターゲットに衝突させることができず、よって２次粒子発生効率が悪い。すなわち、サイクロトロン加速器では、下記の様な問題点があった。
（１）２次粒子発生量が少なく、ＢＮＣＴ等の医療応用分野に用いることが難しい。
（２）２次粒子の発生部分の断面積が大きく、たとえば、２次粒子で画像を得る時に点発生源とみなすことができず、分解能が悪い画像となる。

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り、多量の２次粒子の発生が可能で、かつ発生部分の断面積が小さく、点光源とみなすことが可能な荷電粒子加速器を得ることを目的としている。

第１の発明に係る円形荷電粒子加速器は単一の電磁石と、電磁石に設けられたイオン源と、加速空胴と２次粒子発生手段とで構成されており、
イオン源で発生したイオンは、加速空胴によって所定のエネルギに達するよう、かつ、電磁石が生成する等時性磁場と非等時性磁場とによって、円形軌道上を収束されて加速されるものであり、２次粒子発生手段は非等時性磁場領域に設けられ、電磁石の磁場強度の制御により、イオンは、２次粒子発生手段の設置軌道近傍で加減速なしの状態に保持され、２次粒子発生手段に所定時間衝突して、２次粒子を発生させるものである。

第２の発明は円形荷電粒子加速器の運転方法であって、ワイヤ・ターゲットに衝突してエネルギを失ったイオンビームは、加速空胴によってそのビーム位置が非等時性磁場を再度周回、加速されるよう運転されるものである。

第１の発明の円形荷電粒子加速器は、加速空胴によって所定のエネルギに達するよう、かつ、単一の電磁石が生成する等時性磁場と、非等時性磁場とによって、円形軌道上をイオンビームを収束、加速し、２次粒子発生手段は非等時性磁場領域に設けられ、電磁石の磁場強度の制御により、イオンは、２次粒子発生手段の設置軌道近傍で加減速なしの状態に保持され、２次粒子発生手段に所定時間衝突して、２次粒子を発生させるので、下記の様な従来にない顕著な効果を奏するものである。
（１）従来は原子炉でしか実現できなかったＢＮＣＴ等の医学利用に用いることができる大強度の中性子等の２次粒子を発生させることができる。
（２）２次粒子発生効率が高くなり、多量の２次粒子の発生が可能な装置が得られる。

また、第２の発明による円形荷電粒子加速器の運転方法では、ワイヤ・ターゲットに衝突してエネルギを失ったイオンビームは、加速空胴によって非等時性磁場領域を再度周回、加速されるので数百〜数千周回のビームをワイヤ・ターゲットに衝突させることが可能で、２次粒子発生効率が高く、また一度ワイヤ・ターゲットに衝突したビームも、再度ワイヤ・ターゲットに衝突可能であるので、大強度の２次粒子の発生が可能となる。さらに、断面積が小さく、点光源とみなすことが可能な２次粒子を得ることができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図１〜図４に基づいて説明する。
図１はこの実施の形態１による円形荷電粒子加速器１００を示す側断面図である。本実施の形態１はイオンを加速する例を示している。イオンとしては例えば水素イオンが挙げられる。イオン源１で発生したイオンは、入射輸送系２を通り、円形荷電粒子加速器１００の中央部に導かれる。イオンはヨーク３、磁極先端部４、コイル５により構成される単一の電磁石７により円形軌道を形成、ビーム収束を行いながら、加速空胴６を通過する毎に徐々に加速される。加速と共にイオンの軌道の半径は大きくなり、やがて２次粒子発生手段であるターゲット８に衝突し、中性子等の２次粒子を発生する。
図２は実施の形態１による円形荷電粒子加速器１００のイオンが通る軌道平面で切った水平断面図である。磁極先端部４は４つの部分に別れ、スパイラル形状をなしている。この電磁石７のギャップが小さい部分は磁場強度が大きく、ギャップが大きい部分は磁場強度が弱くなっている。上記の様に周回軌道に磁場強度の強弱があることと、磁極先端部４の境界がスパイラル形状になっていることを利用してビーム収束を行っている。

図３は実施の形態１による円形荷電粒子加速器１００の電磁石７の生成する偏向磁場の半径方向分布を示す。図３に示す様に、等時性磁場３１の領域と非等時性磁場３２の２つの領域を形成している。イオンは加速と共に、平均半径の小さい領域から平均半径の大きい領域に移動する。等時性磁場３１の領域では半径が変化しても、イオンの周回周波数が変化しない様に磁場が整形されており、イオンを一定周波数で加速できる。よって、図４に示す加速空胴６でのイオンの加速位相は、等時性磁場領域の加速位相４１に保つことができる。一方非等時性磁場３２の時には、半径が変化すると周回周波数が変化するので、図４に示す加速空胴６でのイオンの加速位相は、等時性磁場領域の加速位相４１に保つことができず、徐々に加速位相がずれる。図３の非等時性領域の偏向磁場３２の半径方向の磁場強度を調整することにより、図４の非等時性磁場領域の加速位相上にイオンの加速位相を誘導することが可能である。なお、加速位相４１から加速位相４２に急に飛ぶのではなく、イオンの周回半径が大きくなるに従い徐々に移動する。非等時性磁場領域の加速位相４２に達すると、イオンをマクロで見れば、加速も減速もしない状態に保持することが可能となる。また等時性磁場３１からずれているので、シンクロトロン振動の位相安定化作用により、イオンはほぼ一定の偏向半径の軌道上で微小振動しながら、数百ターン、数千ターン周回させ続けることが可能となる。

図３のＰに示す部位に、２次粒子発生手段であるターゲット、例えばワイヤ・ターゲット８を配置すれば、イオンビームは数千ターンする間に必ずワイヤ・ターゲット８に衝突するのでイオンは２次粒子を発生する。即ち、ワイヤ径の大きさを発生源とする２次粒子発生源が実現できる。１μｍレベルのワイヤを作成することは難しくなく、点光源の２次粒子発生手段を実現できる。例えば中性子の反応断面積は小さいので、ワイヤに衝突しても中性子を発生しないイオンも存在する。上記イオンはワイヤ・ターゲット８に衝突することでエネルギーを失うが、再度図１の加速空胴６を通過する時にエネルギー補給を受け、再度ワイヤ・ターゲット８に衝突する。本システムで２次粒子の発生量を大きくする為には図３の非等時性磁場領域３２のエネルギーアクセプタンスをいかに大きくし、一度ワイヤ・ターゲット８に衝突したイオンも再度周回する様な磁場を作成することがポイントとなる。

以上の実施の形態１を従来のサイクロトロン加速器を用いたシステムとの相違に絞り記述すると下記の様になる。
（１）従来のサイクロトロン加速器では、イオンを加速器から取り出すか、又は、ターゲットに一度だけ衝突させてイオンを発生させていた。本実施の形態１では数百、数千周回もイオンをターゲットに衝突させる。
（２）従来のサイクロトロン加速器では、加速位相安定性がないのでイオンを同じ半径で多周回回転させることができず、ワイヤ・ターゲットを置いても、数百ターン、数千ターンの周回ビームを衝突させることは難しい。よってワイヤ・ターゲットを置くと２次粒子発生効率が極端に悪くなる。本実施の形態１では数千周回ものイオンをターゲットに衝突させることが可能であり、２次粒子発生効率が高くなる。また、１度ワイヤ・ターゲットに衝突したイオンも再度ワイヤ・ターゲットに衝突可能であるので大強度の２次粒子を発生させることが可能である。
このように、偏向磁場を等時性磁場の領域３１と非等時性磁場の領域３２を作り、後者にワイヤ・ターゲット８を置くことにより、大量の２次粒子を発生させることが可能となる。また、発生源はワイヤ・ターゲット８の外径で決まるので、発生源の断面積を小さくすることが可能となる。

なおこの実施の形態１では、電磁石による偏向磁場としての等時性磁場と非等時性磁場は、磁極に設けられた４個のスパイラル形状の磁極先端部によって生成されている例を示したが、４個に限らず３個以上の複数のスパイラル形状の磁極先端部であってもよい。
またさらに、前記スパイラル形状の磁極先端部に加えて、図示省略した補正コイルによって前記等時性／非等時性磁場の生成をアシストしてもよい。

実施の形態２．
また、実施の形態１では２次粒子発生手段としてワイヤ・ターゲット８を使用したが、薄膜のターゲットでも良い。この場合、発生源の断面積は小さくすることはできないが、多量の２次粒子を発生可能であるという効果が奏する。

実施の形態３．
また、実施の形態１では等時性磁場の領域３１と非等時性磁場領域３２の２つの領域の偏向磁場を設けたが、等時性磁場の領域３１は完全に等時性磁場にする必要はなく、等時性磁場から若干ずらしても良い。但し、その場合には加速する時に加速空胴６に投入する高周波電界の周波数を加速中に変える必要が生じる。よって直流のビームを加速することはできず、パルスビームとなるので発生する２次粒子の個数は実施の形態１と比べて少なくなる。また、加速空胴６の共振の幅（Ｑ値）と比べて大きく周波数をずらす設計をした場合には特殊な磁性体例えばファインメット（商品名）やフェライト等を用いたり、回転コンデンサーを用いたりして空胴の共振周波数をずらす必要がある。この場合でも、発生源の断面積を小さくすることが可能であるという効果を奏する。
また、ワイヤ・ターゲット８は、薄膜のターゲットでも良い。この場合、発生源の断面積は小さくすることはできないが、多量の２次粒子を発生可能であるという効果が奏する。

この発明の実施の形態１〜３は、ＢＮＣＴの医療応用分野であるがん治療や、中性子ラジオグラフィに応用可能である。

この発明の実施の形態１の円形荷電粒子加速器を示す側断面図である。 この発明の実施の形態１の円形荷電粒子加速器の軌道平面の断面図である。 この発明の実施の形態１の円形荷電粒子加速器の偏向磁場の半径方向分布を示す図である。 この発明の実施の形態１の円形荷電粒子加速器のイオン加速位相を示す図である。

符号の説明

１ イオン源、４ 磁極先端部、６ 加速空胴、７ 電磁石、
８ ２次粒子発生手段（ターゲット）、３１ 等時性磁場の領域、
３２ 非等時性磁場の領域、１００ 円形荷電粒子加速器。

Claims (6)

1. 円形荷電粒子加速器であって、前記円形荷電粒子加速器は単一の電磁石と、前記電磁石に設けられたイオン源と、加速空胴と２次粒子発生手段とで構成されており、
   前記イオン源で発生したイオンは、前記加速空胴によって所定のエネルギに達するよう、かつ、前記電磁石が生成する等時性磁場と非等時性磁場とによって、円形軌道上を収束されて加速されるものであり、前記２次粒子発生手段は前記非等時性磁場領域に設けられ、前記電磁石の磁場強度の制御により、前記イオンは、前記２次粒子発生手段の設置軌道近傍で加減速なしの状態に保持され、前記２次粒子発生手段に所定時間衝突して、２次粒子を発生させることを特徴とする円形荷電粒子加速器。
2. 前記電磁石の等時性磁場と非等時性磁場は、前記電磁石の磁極に設けられた複数のスパイラル形状の磁極によって生成されることを特徴とする請求項１に記載の円形荷電粒子加速器。
3. 前記電磁石の等時性磁場と非等時性磁場は、さらに加えて補正コイルによって生成されることを特徴とする請求項２に記載の円形荷電粒子加速器。
4. 前記２次粒子発生手段が、ワイヤ・ターゲットであることを特徴とする請求項１に記載の円形荷電粒子加速器。
5. 前記２次粒子発生手段が、薄膜ターゲットであることを特徴とする請求項１に記載の円形荷電粒子加速器。
6. 請求項４に記載の円形荷電粒子加速器の運転方法であって、前記ワイヤ・ターゲットに衝突してエネルギを失った前記イオンビームは、前記加速空胴によって、前記イオンビーム位置が前記非等時性磁場領域を再度周回、加速されるよう運転されることを特徴とする円形荷電粒子加速器の運転方法。

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