JP5030893B2 - 荷電粒子ビーム加速器およびその加速器を用いた粒子線照射医療システム - Google Patents

Description

この発明は、荷電粒子ビーム加速器およびその加速器を用いた粒子線照射医療システムに関するものであり、特に真空ダクトを固着した偏向電磁石を備えた荷電粒子ビーム加速器およびその加速器を用いた粒子線医療システムに係るものである。

荷電粒子ビーム加速器は物理研究実験用や癌などの悪性腫瘍の治療や診断、さらにはシンクロトロン放射光装置（ＳＯＲ装置）等に利用されている。前記ＳＯＲ装置として、ライナックで加速された電子を蓄積リングに入射し、この入射された電子ビームを、閉ループ状の真空ダクト内で偏向電磁石により随時曲げながら繰り返し周回させる技術が示されている。そして、前記真空ダクトの位置を調整する真空ダクトのサポート構造として、架台上に第１の位置調整機構を介して第１のステージが設け、この第１のステージ上にさらに第２のステージを載せ、第２の位置機構により前後、左右に真空ダクトを位置調整する構造が示され、この構造は閉ループ状の真空ダクトに適用してもよいことが記載されている（例えば、特許文献１）。

特開平０７−２１１４９９号公報

しかしながら前記特許文献１に示された構造によって、真空ダクトを偏向電磁石の磁極中心の所定の位置に精度良く設置するアライメント作業は、偏向電磁石のアライメントと、真空ダクトのアライメントを別個に実施、行わねばならない構造であり、アライメント作業が２度手間を要するという問題点がある。またこのアライメント作業は、複雑な機構の操作、すなわち上下位置調整機構のボルト４本、前後、左右調整機構のボルト６本、計１０本のボルトの締め、または緩め作業が必要であり、また所定位置の設定には、ボルトの締め、緩め作業後に位置確認（光学機器等使用の）作業が必要で、熟練した作業者による高度な技術を必要とし、現地サイトにおける加速器システムの据付調整作業に長時間を要し、その結果、コスト高の要因となるという問題点も有している。

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って、真空ダクトを工場内製造過程において所定位置に固定、装着した偏向電磁石を備えることにより、現地サイトにおいて偏向電磁石のアライメントを実施することのみで、真空ダクトは自動的に所定の位置にアライメントされ、アライメント作業が容易かつアライメント回数の低減化した荷電粒子ビーム加速器と、その加速器を用いた粒子線照射医療システムを提供するものである。

この発明に係る荷電粒子ビーム加速器は、偏向電磁石と該偏向電磁石の磁極ギャップ間に配置された真空ダクトが設けられており、該真空ダクトは、前記荷電粒子ビームを入射、出射する前記偏向電磁石の端面に該真空ダクトと一体化構成された支持板が支持されているとともに、前記端面に設けられたノックピンによって所定の位置に固定されているものである。

この発明に係る荷電粒子ビーム加速器は、上記のような構成を備えているので、現地サイトにおける荷電粒子ビーム加速器の据付調整工事において、偏向電磁石のアライメントを行うことのみによって真空ダクトのアライメントが自動的に完了するので、アライメント作業回数が減り、据付調整工事期間の短縮、ひいてはコスト低減が可能となるという効果がある。

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、荷電粒子ビーム加速器２００と、この荷電粒子ビーム加速器２００を用いた場合の粒子線照射医療システム５００とを示す図である。この粒子線照射医療システム５００は、入射系１００、荷電粒子ビーム加速器２００、ビーム輸送系３００、照射系４００によって構成される。荷電粒子ビーム加速器２００は、入射セプタム３、偏向電磁石４、四極電磁石５、高周波加速装置６、六極電磁石７および高周波発生装置であるＲＦＫＯ機器８、出射四極電磁石９、出射セプタム１０、真空ダクト２０によって構成されており、ＲＦＫＯ機器８や出射四極電磁石９は出射制御部３０で制御される。この荷電粒子ビーム加速器２００は、その前段には低エネルギビームの入射系１００が設けられている。この入射系１００はイオン源１、線形加速器２によって構成されている。また、荷電粒子ビーム加速器２００の出射セプタム１０から出射された出射ビームは、ビーム輸送系３００を通り、医療室に設けられた照射系４００の照射装置１４および線量モニタ１５を通って照射対象体１６、例えば患者の腹部に照射される。前記ビーム輸送系３００は、偏向電磁石１１、スピルモニタ１２、照射路偏向電磁石１３が設けられており、照射系４００は照射装置１４、線量モニタ１５と照射対象体１６とよりなる。
これら入射系１００、荷電粒子ビーム加速器２００、ビーム輸送系３００、照射系４００は、それぞれの系内において、各構成要素の機器が、例えば±０．５ｍｍ以下の精度でアライメントされている。

次に、荷電粒子ビーム加速器２００を構成する偏向電磁石４および真空ダクト２０の詳細構造を図２、図３に基づいて説明する。
この実施の形態１では、偏向電磁石４は代表的なＨ型電磁石であり、上、下２分割のヨーク構造のものを示し、図３は上部ヨーク部分を分解して、下部ヨーク部４Ｌとした場合を上部から見た図を示し、図２のＡ−Ａ矢視断面図を示す。図において、偏向電磁石４はケイ素鋼板で積層されており、荷電粒子ビーム偏向軌道２５に対する外側ヨーク４Ａ、内側ヨーク４Ｂ、これらを継ぐ下側ヨーク４Ｃを有し、この下側ヨーク４Ｃには磁極面４Ｆを備える磁極４Ｄを有している。また、コイル２４が磁極４Ｆを囲むよう設けられている。上、下ヨークの磁極４Ｄによって形成される磁極ギャップ間には、荷電粒子ビーム偏向軌道２５を沿って囲む真空ダクト２０が配置されており、偏向電磁石４の生成するパルス磁場による渦電流発生を抑制するため非磁性材の薄板構造であり、適宜個所に設けた複数の補強リブ２１によって剛性を高めている。
偏向電磁石４に荷電粒子ビームが入射および出射する端面４Ｅには、真空ダクト２０と一体化構成された真空ダクト支持板２２が図示省略のボルト等で取り付けられるとともに、位置決め部材であるノックピン２３で、所定の位置つまり真空ダクト２０の開口断面における横軸中心線Ｘ−Ｘと、開口断面における縦軸中心線Ｙ−Ｙが、偏向電磁石４の磁極ギャップの中心線Ｘ−Ｘと、磁極４Ｄの中心線Ｙ−Ｙに一致するように固定される。
このように真空ダクト２０は、工場内製造過程において、偏向電磁石４に所定の位置にアライメント配置後に、ノックピン２３でその位置を固定されている。その状態を図３に示す。

なお、図２、図３の偏向電磁石４はＨ型電磁石で、外側ヨーク４Ａ、内側ヨーク４Ｂの端面４Ｅで真空ダクト支持板２２をノックピン２３で固定する例を示したが、偏向電磁石４が必ずしもＨ型に限定されることなく、Ｃ型であってもよい。また、外側ヨーク４Ａ、内側ヨーク４Ｂの両端面４Ｅで真空ダクト支持板２２を固定する例を示したが、外、内側ヨーク４Ａ、４Ｂのいずれか一方の両端面４Ｅであってもよい。また、真空ダクト２０の断面形状をレーストラック型を図示したが、角型、楕円形、または円形であってもよく、また、非磁性薄板構造とは限らず、非磁性ベローズ製であってもよい。

このように偏向電磁石４の磁極ギャップ間に真空ダクト２０が設置されるとともに、真空ダクト２０と一体化構成された真空ダクト支持板２２が偏向電磁石４の端面４Ｅにてノックピン２３で位置固定されていることで真空ダクト２０が偏向電磁石４の所定位置に精度良くアライメントされており、現地サイトにおける荷電粒子ビーム加速器２００としてのアライメント作業が、従来では偏向電磁石４のアライメント後に真空ダクト２０のアライメントと２度にわたって必要とするものが、この実施の形態１では偏向電磁石４のアライメントを行うことのみで真空ダクト２０のアライメントは自動的に、かつ精度良く行われることになり、現地サイトにおける荷電粒子ビーム加速器２００の据付調整が容易になるとともにその調整期間が短縮できる効果がある。

なお、この実施の形態１では、荷電粒子ビーム加速器２００を構成する偏向電磁石４とその真空ダクト２０の例で示したが、図１に示した粒子線照射医療システム５００に用いられている他の偏向電磁石、例えば、ビーム輸送系の偏向電磁石１１や照射系４００の照射偏向電磁石１３に用いてもよく、この実施の形態１のような真空ダクトを所定位置に固着した偏向電磁石を採用することにより、前記のような効果を奏する。

実施の形態２．
次に実施の形態２を図４〜図６に基づいて説明する。
図４は、図２と同様に、下部ヨーク４Ｌを上部から見た図を示し、図５は図４のＡ−Ａ断面を示す。この実施の形態２による真空ダクト２０の偏向電磁石４への取付は、実施の形態１による図２に示した真空ダクト支持板２２とノックピン２３に代替して、真空ダクト２０に一体化して真空ダクト２０の開口断面における縦横軸中心線Ｙ−Ｙ、Ｘ−Ｘ軸に取り付けた支持棒２６が、偏向電磁石４の磁極面４Ｆの荷電粒子ビーム周回軌道中心すなわち磁極面４Ｆの幅の中心に設けられたリーマ穴４Ｈに挿入されていることによって所定の位置にアライメントされて取り付けられる。なお、図４ではリーマ穴４Ｈは２カ所の例を示したが、３カ所以上であってもよい。また、偏向電磁石４への真空ダクト２０の支持が、前記支持棒２６で強度、剛性上充分でない場合には、別途真空ダクト２０を支持する部材を用いて偏向電磁石４の端面４Ｅにボルトで締め付け保持してもよい。この場合にも、真空ダクト２０の所定の位置へのアライメントは、支持棒２６によってなされる。図６に支持棒２６がリーマ穴４Ｈに挿入された断面図を示す。支持棒２６の真空ダクト２０側は非磁性材２６Ａで、リーマ穴４Ｈに挿入される側は磁性材２６Ｂが用いられ、これら非磁性材２６Ａと磁性材２６Ｂはろう付けや溶接によって一体化され、非磁性材２６Ａ側が真空ダクト２０側に一体化されているものである。磁性材２６Ｂを用いているのは、磁極面４Ｆ表面にリーマ穴４Ｈが開口されることによる磁極面４Ｆの表面における磁性体を補填することにより、磁場の一様性を損なうことのないような構造としているからである。なお、この磁場一様性を損なうことのない場合には、非磁性材のみの支持棒２６であってもよい。
このようにこの実施の形態２による偏向電磁石４と真空ダクト２０の構成は、前記実施の形態１と同様の効果を奏する。

実施の形態３．
次に実施の形態３を図７〜図８に基づいて説明する。
図７は図２と同様に、下部ヨーク４Ｌを上部から見た図を示し、図８は図７のＡ−Ａ断面を示す。この実施の形態３による真空ダクト２０の偏向電磁石４への取り付けは、真空ダクト２０に一体化して取り付けられた最も外側の補強リブ２１Ａが、偏向電磁石４の下部ヨーク４Ｌの外側ヨーク４Ａ、内側ヨーク４Ｂに設けられた溝４Ｓ内に挿入されることによって、偏向電磁石４に真空ダクト２０がアライメントされて取り付けられている。なお、真空ダクト２０の補強リブ２１Ａが下部ヨーク４Ｌの外側ヨーク４Ａ、内側ヨーク４Ｂの溝４Ｓに挿入される例を示したが、外、内側ヨーク４Ａ、４Ｂのいずれか一方であってもよく、さらには下部ヨーク４Ｌに加えて図示省略した上部ヨークの外側ヨーク４Ａ、４Ｂの溝あるいはその一方の溝にも挿入する構成であってもよい。
さらには、最も外側の補強リブ２１Ａが溝４Ｓに挿入されているが、複数の補強リブ２１の内の任意のものであってもよい。このような実施の形態３による偏向電磁石４と真空ダクト２０の構成は、前記実施の形態１と同様の効果を奏する。

この発明は、シンクロトロン等の荷電粒子ビーム加速器システムや粒子線照射医療システム等に利用可能である。

実施の形態１の粒子線照射医療システムを示す図である。 実施の形態１の偏向電磁石に真空ダクトを取り付けた状態を示す図である。 図２のＡ−Ａ矢視断面を示す図である。 実施の形態２の偏向電磁石に真空ダクトを取り付けた状態を示す図である。 図４のＡ−Ａ矢視断面を示す図である。 実施の形態２の真空ダクト支持棒を拡大した図である。 実施の形態３の偏向電磁石に真空ダクトを取り付けた状態を示す図である。 図７のＡ−Ａ矢視断面を示す図である。

符号の説明

４ 偏向電磁石、４Ａ 外側ヨーク、４Ｂ 内側ヨーク、４Ｄ 磁極、４Ｅ 端面、
４Ｆ 磁極面、４Ｈ リーマ穴、４Ｓ 溝、２０ 真空ダクト、
２１，２１Ａ 補強リブ、２２ 真空ダクト支持板、２３ ノックピン、２６ 支持棒、
２００ 荷電粒子ビーム加速器、５００ 粒子線照射医療システム。

Claims (6)

1. 荷電粒子ビームを加速する荷電粒子ビーム加速器において、該荷電粒子ビーム加速器には、偏向電磁石と該偏向電磁石の磁極ギャップ間に配置された真空ダクトが設けられており、該真空ダクトは、前記荷電粒子ビームを入射、出射する前記偏向電磁石の端面に該真空ダクトと一体化構成された支持板が支持されているとともに、前記端面に設けられたノックピンによって所定の位置に固定されていることを特徴とする荷電粒子ビーム加速器。
2. 荷電粒子ビームを加速する荷電粒子ビーム加速器において、該荷電粒子ビーム加速器には、偏向電磁石と該偏向電磁石の磁極ギャップ間に配置された真空ダクトが設けられており、該真空ダクトは、前記偏向電磁石の磁極面に設けられたリーマ穴に、該真空ダクトと一体化構成された支持棒を挿入して、所定の位置に固定、支持されていることを特徴とする荷電粒子ビーム加速器。
3. 荷電粒子ビームを加速する荷電粒子ビーム加速器において、該荷電粒子ビーム加速器には、偏向電磁石と該偏向電磁石の磁極ギャップ間に配置された真空ダクトが設けられており、該真空ダクトは、前記偏向電磁石の内側ヨークおよび外側ヨークに設けられた溝内に、該真空ダクトと一体化構成された補強リブを挿入して、所定の位置に固定、支持されていることを特徴とする荷電粒子ビーム加速器。
4. 前記真空ダクトは非磁性材のベローズ製あるいは非磁性材薄板構造であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム加速器。
5. 前記真空ダクトの支持棒は、長手方向で磁性部材と非磁性部材とが接続されたものであり、前記磁性部材が前記磁極面に設けられたリーマ穴に挿入されていることを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビーム加速器。
6. 前記請求項１ないし請求項５のいずれか１項の荷電粒子ビーム加速器を用いたことを特徴とする粒子線照射医療システム。

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