JP5638457B2 - シンクロサイクロトロン及びそれを備えた荷電粒子線照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、シンクロサイクロトロン及びそれを備えた荷電粒子線照射装置に関する。

荷電粒子を加速する加速器としてサイクロトロンが知られている。サイクロトロンで加速された荷電粒子は、例えば、がん患者の腫瘍へ照射されてがんを治療する陽子線治療装置に利用される。また、サイクロトロンで加速された荷電粒子は、ターゲット物質へ照射されて放射性薬剤の原料となる放射性同位元素を製造する放射性同位元素製造装置に利用される。

サイクロトロンの内部には、荷電粒子を加速するための加速電極（ディー電極）と、サイクロトロン内で磁場を発生させる電磁石とが設けられている。加速電極には高周波電源（数十ＭＨｚ〜数百ＭＨｚ）から高周波の電力が供給される。

また、サイクロトロンでは、サイクロトロン内で螺旋状の軌道で加速される荷電粒子の周期（１回の周回に要する時間）が一定になるという前提で各部品の制御が実行されている。そして、加速電極には、荷電粒子の周回周期に対応した周波数の電力が供給される。すなわち、サイクロトロンの稼働中は、加速電極へ供給される電力の周波数は常に一定となるように制御される。

また、高周波電源と加速電極との間には、マッチング回路（整合回路）が設けられている。マッチング回路は、高周波電源と加速電極とのインピーダンス整合をとる機能を有するものである。出力側である高周波電源と入力側である加速電極とでインピーダンス整合が取れていない場合には、加速電極に送られる高周波電流の喪失が大きくなり、高周波電圧の歪み、劣化が生じることになる。そのため、高周波電流の伝送路中で反射波が発生し重畳することで高周波電流が定在波になり障害となる等の問題が起きてしまうため、マッチング回路を用いてインピーダンス整合をとることで、これらの問題の発生を回避している。このようなマッチング回路は、インダクタンス素子としてのコイルと、キャパシタンス素子としてのコンデンサーとを備える構成とされている（例えば特許文献１参照）。

特開昭５５−１０２４号公報

サイクロトロンから取り出される荷電粒子のエネルギーを設定（変更）しようとすると、サイクロトロン内に設けられた電磁石によって発生される磁場の大きさを変化させる必要がある。また電磁石による磁場の大きさを変化させると、それに応じて加速電極に供給する電力の周波数も変化させる必要がある。そして、加速電極に供給する電力の周波数も変更すると、マッチング回路の常数（コイルの自己インダクタンスＬ、コンデンサーの静電容量Ｃの値）も変更する必要がある。

サイクロトロンでは、取り出す荷電粒子のエネルギーに応じて、稼動前に電磁石により発生させる磁場の大きさ、加速電極へ供給する電流の周波数、マッチング回路の常数等を正確に設定している。そして稼動前に設定されるこれらの値は、稼働中において、取り出される荷電粒子のエネルギーを変化させないため、マッチング回路の常数を変更する速度に高い応答性は求められていなかった。そのため、初期設定として、マッチング回路中のコンデンサーを機械的に調整（コンデンサー中の２枚の電極間距離を調整）することで回路常数を調整していた。

サイクロトロンの他に、シンクロサイクロトロン（加速器）が開発されている。サイクロトロンでは、螺旋状の軌道で加速される荷電粒子の周期が一定であるという前提で各部品の制御がされているものの、実際にはエネルギーが高くなるにつれ荷電粒子の質量が重くなり、周期遅れが生じている。一方、シンクロサイクロトロンは、この周期遅れに対応するように、加速電極に供給する電流の周波数を調整（低下）している。

シンクロサイクロトロン中では、荷電粒子の周回１回に要する時間はおおよそ数十ナノ秒である。そのため、荷電粒子の周期遅れに対応するためのディ電極へ供給する電流の周波数調整は高い応答速度（短時間）で行われることが要求される。それに合わせてマッチング回路の常数の調整も高い応答速度で行われることが要求される。

しかしながら、従来のコンデンサーによる調整では、電極間の距離を調整するという機械的な調整方法であるために、調整時間の短縮には限界があり、早い繰り返しを行うシンクロサイクロトロンでの短時間での電流の周波数調整に対応することができないという問題がある。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、荷電粒子を加速するための加速電極と、加速電極に電力を供給する高周波電源とのインピーダンス整合をとる際の調整時間の短縮化を図ることが可能な調整回路を備えたシンクロサイクロトロン及びそれを用いた荷電粒子線照射装置の提供を目的とする。

本発明は、荷電粒子を加速させるシンクロサイクロトロンであって、荷電粒子を加速させる加速電極と、加速電極に電力を供給する高周波電源と、加速される荷電粒子のエネルギーに基づいて、高周波電源から供給される電力の周波数を調整する制御部と、コイル及びコンデンサーを有し加速電極と高周波電源との間のインピーダンス整合をとる整合回路と、を備え、整合回路は、コイルのインダクタンスを電気的に調整するインダクタンス調整部を有することを特徴としている。

また、本発明の荷電粒子線照射装置は、上記のシンクロサイクロトロンを備え、当該シンクロサイクロトロンから出射された荷電粒子線を被照射体へ照射することを特徴としている。

本発明によれば、シンクロサイクロトロンにおいて、加速電極と高周波電源とのインピーダンス整合をとる整合回路の常数の調整を電気的に行うことが可能であるため、従来と比較して高い応答速度（短時間）で調整を行うことができる。例えば、整合回路は、高周波電源から供給される電力の周波数の調整に応じて、コイルのインダクタンスを調整することが好適である。

また、このようなシンクロサイクロトロンを備えた荷電粒子線照射装置によれば、安定的に高エネルギーの荷電粒子線をシンクロサイクロトロンから取り出せるので、高エネルギーのビームを安定的に照射することが可能である。

ここで、上記作用を奏するシンクロサイクロトロンの具体的な構成としては、インダクタンス調整部は、コイルのインダクタンスを調整するための円環状のフェライトと、フェライトに巻き付けられたバイアス巻線と、バイアス巻線にバイアス電流を供給するバイアス電源と、バイアス巻線に供給するバイアス電流を増減するバイアス電流調整部と、を備えることが挙げられる。このような構成の粒子加速器によれば、コイルの巻き線に供給する電流の増減を調整することで、フェライトの透磁率μを変更して、整合回路の常数を短時間で調整することができる。

このように本発明によれば、荷電粒子を加速するための加速電極と、加速電極に電力を供給する高周波電源とのインピーダンス整合をとる際の調整時間の短縮化を図ることができる。

本発明の実施形態に係るシンクロサイクロトロンの整合回路を示す概略構成図である。 図１に示す整合回路のコイルのインダクタンスを可変とするインダクタンス調整部を示す概略構成図である。

以下、本発明に係る粒子加速器の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において、同一又は相当要素には同一の符号を付し重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、図面の位置関係に基づくものとする。本実施形態では、粒子加速器をシンクロサイクロトロンとした場合について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るシンクロサイクロトロンの整合回路を示す概略構成図である。シンクロサイクロトロン１は、陽子ビーム（荷電粒子ビーム）を生成するものであり、図示しないイオン源から供給されるイオン（水素の陽イオン）を真空容器２の内部で加速させて、陽子ビームを生成し、出射する。

シンクロサイクロトロン１は、上下に対向して配置された一対の鉄心（ヨーク、不図示）と、高周波電力が供給される加速電極（ディー電極）３とを備え、鉄心によって真空容器２内に磁場が形成され、イオンがらせん状に加速され、周回軌道の半径が大きくなるにつれて速度が増加する。

また、シンクロサイクロトロン１は、高周波電源４、制御部５及び整合回路１０を備えている。高周波電源４は、加速電極３に高周波の電力を供給するための電力源である。制御部５は、加速電極３で加速されるイオンのエネルギーに基づいて、高周波電源４から供給される電力の周波数を調整する。制御部５は、加速電極３、高周波電源４及び整合回路１０と電気的に接続されている。整合回路１０は、高周波電源４と加速電極３との間のインピーダンス整合をとるマッチング回路として機能する。

整合回路１０の入力端子１３，１４は、高周波電源４に接続され、整合回路１０の出力端子１５，１６は、加速電極３に接続されている。整合回路１０には、入力端子１３と出力端子１５とを電気的に接続する導線１１、及び入力端子１４と出力端子１６とを電気的に接続する導線１２が設けられている。また、整合回路１０は、導線１１，１２間で並列に接続された可変コンデンサー２１及び可変コンデンサー２２を備え、可変コンデンサー２１は入力端子１３，１４側に接続され、可変コンデンサー２２は出力端子１５，１６側に接続されている。

ここで、整合回路１０は、導線１１に直列に接続されたコイル２３を備え、コイル２３のインダクタンスＬ１を電気的に調整することで、高周波電源４のインピーダンスＺ４と加速電極３のインピーダンスＺ３との整合をとることが可能な構成とされている。

図２は、図１に示す整合回路のコイルのインダクタンスを可変とするインダクタンス調整部を示す概略構成図である。整合回路１０は、コイル２３のインダクタンスＬ１を電気的に調整するインダクタンス調整部３０を備えている。インダクタンス調整部３０は、コイル２３のインダクタンスＬ１を調整するための円環状のフェライト（磁性体）２４と、フェライト２４に巻き付けられたバイアス巻線２５と、バイアス巻線２５にバイアス電流を供給するバイアス電源３１と、フェライト２４に伝わる高周波電力がバイアス電源３１に伝わらないようにするＲＦフィルター３２とを備えている。

フェライト２４には、コイル（ＲＦコイル）２３が１／２ターンで巻かれている。ＲＦフィルター３２の入力端子３３，３４は、バイアス電源３１に接続され、ＲＦフィルター３２の出力端子３５，３６は、バイアス巻線２５に接続されている。ＲＦフィルター３２には、入力端子３３と出力端子３５とを電気的に接続する導線３７、及び入力端子３４と出力端子３６とを電気的に接続する導線３８が設けられている。また、インダクタンス調整部３０は、導線３７，３８間で並列に接続されたコンデンサー４１，４２を備え、コンデンサー４１は入力端子３３，３４側に接続され、コンデンサー４２は出力端子３５，３６側に接続されている。また、ＲＦフィルター３２の導線３７には、フィルター４３が直列に接続されている。

バイアス電源３１から出力されたバイアス電流は、バイアス巻線２５に供給される。バイアス電源３１は、バイアス巻線２５に供給するバイアス電流を増減する機能（バイアス電流調整部）を有する。バイアス電源３１は、バイアス巻線２５に供給されるバイアス電流を増減させて、フェライト２４の透磁率μを変更することで、整合回路１０のコイル２３のインダクタンスＬ１を調整することができ、整合回路１０の常数を短時間で調整することができる。ここでいう整合回路１０の常数とは、コイル２３のインダクタンスＬ又はコンデンサー２１，２２の容量を指す。バイアス電源３１では、例えば、バイアス電流を増加させることで、フェライト２３の透磁率μを低くし、コイル２３のインダクタンスＬ１を低下させる。

このように本実施形態のシンクロサイクロトロン１によれば、整合回路１０の常数を電気的に調整することができるため、従来と比較して高い応答速度（例えば１ｍｓ）で調整を行うことができる。シンクロサイクロトロン１では、整合回路１０によって、加速電極３と高周波電源４とのインピーダンス整合をとり、加速電極３へ供給する高周波電力の周波数調整を好適に行うことができる。シンクロサイクロトロン１では、加速電極３に供給する電力の周波数を低下させる。これにより、荷電粒子のエネルギーが高くなることで生じる周期遅れを回避することができ、好適に荷電粒子を加速させて、高強度のビーム電流を得ることができる。

また、本実施形態のシンクロサイクロトロン１は、例えばがん治療に適用される陽子線治療装置（荷電粒子線照射装置）に採用することができる。陽子線治療装置は、シンクロサイクロトロン１を備え、シンクロサイクロトロン１から出射された陽子ビームを、患者の体内の腫瘍（被照射体）に対して照射する。

本実施形態に係るシンクロサイクロトロン１を備えた陽子線治療装置によれば、安定的に高エネルギーの陽子ビームをシンクロサイクロトロン１から取り出せるので、高エネルギーのビームを安定的に照射することが可能である。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。粒子線（荷電粒子）は陽子ビームに限定されず、炭素ビーム（重粒子ビーム）などでも良い。

１…シンクロサイクロトロン（粒子加速器）、２…真空容器、３…加速電極（ディー電極）、４…高周波電源（ＲＦ電源）、５…制御部、１０…整合回路（マッチング回路）、２３…コイル（インダクタンス素子）、２４…フェライト、２５…バイアス巻線、３０…インダクタンス調整部、３１…バイアス電源（バイアス電流調整部）、３２…ＲＦフィルター。

Claims (4)

1. 荷電粒子を加速させるシンクロサイクロトロンであって、
   前記荷電粒子を加速させる加速電極と、
   前記加速電極に電力を供給する高周波電源と、
   加速される前記荷電粒子のエネルギーに基づいて、前記高周波電源から供給される前記電力の周波数を調整する制御部と、
   コイル及びコンデンサーを有し前記加速電極と前記高周波電源との間のインピーダンス整合をとる整合回路と、を備え、
   前記整合回路は、前記コイルのインダクタンスを電気的に調整するインダクタンス調整部を有することを特徴とするシンクロサイクロトロン。
2. 前記整合回路は、前記高周波電源から供給される前記電力の周波数の調整に応じて、前記コイルのインダクタンスを調整することを特徴とする請求項１に記載のシンクロサイクロトロン。
3. 前記インダクタンス調整部は、前記コイルのインダクタンスを調整するための円環状のフェライトと、
   前記フェライトに巻き付けられたバイアス巻線と、
   前記バイアス巻線にバイアス電流を供給するバイアス電源と、
   前記バイアス巻線に供給する前記バイアス電流を増減するバイアス電流調整部と、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のシンクロサイクロトロン。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載のシンクロサイクロトロンを備え、
   前記シンクロサイクロトロンから出射された荷電粒子線を被照射体へ照射する荷電粒子線照射装置。

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