JP6180976B2

JP6180976B2 - イオン加速器、イオン加速制御方法及び粒子線治療装置

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Publication number: JP6180976B2
Application number: JP2014058217A
Authority: JP
Inventors: 晶子角谷; 潔和佐藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2017-08-16
Anticipated expiration: 2034-03-20
Also published as: JP2015185245A

Description

本発明の実施形態は、レーザを用いて生成させたイオンビームを加速するイオン加速器、イオンビームの加速制御方法及び加速されたイオンビームを患者の患部に照射して治療を行う粒子線治療装置に関する。

炭素イオン等で構成されるイオンビームを患者の患部（がん）に照射して治療を行う粒子線治療装置が広く知られるようになっている。

この粒子線治療装置では、イオン源から引き出されたイオンを線形加速器で加速させてイオンビームを生成し、シンクロトロン（円形加速器）で周回加速させ設定エネルギーまで高められたイオンビームをがん治療に用いる。

イオンを発生させるイオン源においては、ガス中にマイクロ波や電子ビームを利用して放電を起こして、イオンを得る方法が知られている。

一般的に、がん治療用のイオン加速器には、ＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）イオン源（電子サイクロトロン共鳴イオン源）と呼ばれるイオン源が用いられている。この方法は、ガスを電離してプラズマを生成して、電界によりイオンを引き出すものである。

しかし、ＥＣＲイオン源から生成されるイオンビームは直流ビームとなり、引き出せる最大電流値に上限がある（通常、数百μＡ）。このため、シンクロトロンへのイオンビーム入射は、マルチターン入射と呼ばれる複数回入射方式を採用して、治療に必要なイオン数を確保している。

一方、近年、レーザを用いてイオンビームを生成させるレーザイオン源の活用が広まってきている。このレーザイオン源は、レーザ光を固体ターゲットに集光照射して、レーザ光のエネルギーを用いてターゲット元素を蒸発・イオン化してプラズマを生成する。そして、プラズマ中に含まれるイオンをプラズマのまま輸送して、引出しの際に加速することでイオンビームを作り出すものである（例えば、特許文献１、２参照）。

従来のＥＣＲイオン源では、直流的にイオンビームが引き出されるが、レーザイオン源ではピークの高いパルス（〜数μｓｅｃ）ビームとなる。このレーザビームは、短パルス（〜数μｓｅｃのパルス幅）であるものの、ピーク電流がｍＡオーダーという大電流を引き出すことができる。また、高いエネルギーを有するレーザによってイオンを発生させるため、多価イオンの発生が可能となる。

このため、がん治療等に必要なイオン数を１パルスで確保できるため、シングルターン入射と呼ばれる１回入射方式の採用が可能となる。

特許第３７１３５２４号公報特開２００９−３７７６４号公報

ところで、シンクロトロン内に入射されたイオンビームは、バンチと呼ばれる塊になって周回加速される。

レーザイオン源を用いてパルス状の大電流ビームをシンクロトロンに入射する場合、シンクロトロン内で周回する電流値が一様でなく、時間的に分布した状態で周回加速される。このため、バンチ数が２以上となる場合、バンチごとの電流値に大きな偏りが生じ、電流値の高いバンチでは大きな空間電荷効果を発生させるという問題があった。

この問題は、シンクロトロン上でイオンビームを安定的に周回加速させる上で機器の設計、構成を複雑なものとしていた。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、シンクロトロンにおいてイオンビームを周回加速する際に、バンチごとの電流値のばらつきを抑制するイオン加速技術及び粒子線治療装置を提供することを目的とする。

本実施形態のイオン加速器は、レーザを用いてプラズマを生成させるレーザイオン源と、前記プラズマからイオンを引き出して加速させたイオンビームを出力する線形加速器と、前記イオンビームを円形軌道上で周回させるための偏向電磁石と前記円形軌道上を周回する前記イオンビームを加速させる高周波加速空洞とが設けられ、出力された前記イオンビームを入射させて周回加速させるシンクロトロンと、前記イオンビームを加速させずに前記シンクロトロンの前記円形軌道上を周回させる時間を無加速周回時間として設定する無加速周回時間設定部と、前記イオンビームが前記シンクロトロンに入射された後、前記無加速周回時間が経過した後に前記高周波加速空洞を起動させて前記イオンビームを前記周回加速させるシンクロトロン制御部と、を備えて、前記無加速周回時間は、入射された前記イオンビームが有するエネルギーのばらつきによって生じる周回時間差が前記イオンビームにおいて定格エネルギーを有するイオンの周回時間以上になるまで前記イオンビームを加速させずに周回させる時間であることを特徴とする。

本実施形態のイオン加速制御方法は、イオンビームを円形軌道上で周回させるための偏向電磁石と前記円形軌道上を周回する前記イオンビームを加速させる高周波加速空洞とが設けられ、前記イオンビームを入射させて周回加速させるシンクロトロンを用いて、レーザを用いてプラズマを生成させるステップと、前記プラズマからイオンを引き出して加速させたイオンビームを出力するステップと、前記イオンビームを加速させずに前記シンクロトロンの前記円形軌道上を周回させる時間を無加速周回時間として設定するステップと、前記イオンビームが前記シンクロトロンに入射された後、前記無加速周回時間が経過した後に前記高周波加速空洞を起動させて前記イオンビームを前記周回加速させるステップと、を含んで、前記無加速周回時間は、入射された前記イオンビームが有するエネルギーのばらつきによって生じる周回時間差が前記イオンビームにおいて定格エネルギーを有するイオンの周回時間以上になるまで前記イオンビームを加速させずに周回させる時間であることを特徴とする。

本発明によれば、シンクロトロンにおいてイオンビームを周回加速する際に、バンチごとの電流値のばらつきを抑制するイオン加速技術及び粒子線治療装置が提供される。

本実施形態に係るイオン加速器の構成図。本実施形態に係るイオン加速器の制御動作を説明するタイミングチャート。（Ａ）入射イオンビームの電流値の時間変化を示す図、（Ｂ）シンクロトロンで加速せずにイオンビームを周回させた場合における電流値の時間変化を示す図。（Ａ）入射イオンビームの電流値の時間変化を示す図、（Ｂ）無加速周回時間を０．５ｍ（ｓ）に設定した場合における電流値の時間変化を示す図、（Ｃ）無加速周回時間を１ｍ（ｓ）に設定した場合における電流値の時間変化を示す図。本実施形態に係るイオンビームの加速制御方法を示すフローチャート。本実施形態に係る粒子線治療装置の構成図。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように本実施形態に係るイオン加速器１０は、レーザを用いてプラズマを生成させるレーザイオン源１１と、プラズマからイオンを引き出して加速させたイオンビームを出力する線形加速器１２と、イオンビームを円形軌道上で周回させるための偏向電磁石１７と円形軌道上を周回するイオンビームを加速させる高周波加速空洞２２とが設けられ、出力されたイオンビームを入射させて周回加速させるシンクロトロン１６と、イオンビームを加速させずに円形軌道上を周回させる時間を無加速周回時間として設定する無加速周回時間設定部２８と、イオンビームがシンクロトロン１６に入射された後、無加速周回時間が経過した後に高周波加速空洞２２を起動させてイオンビームを周回加速させるシンクロトロン制御部２７と、を備える。
なお、図１はシンクロトロン１６の構成を例示したものであり、各構成の配置、数量は図１に限定されるものでは無い。

レーザイオン源１１では、固体ターゲットに対してレーザ光を集光照射させる。そして、レーザ光のエネルギーにより固体ターゲットの元素が蒸発しイオン化することでプラズマが生成される。

線形加速器１２は、レーザイオン源１１に連結されており、レーザイオン源１１から生成されたプラズマを導入してイオンを引き出す。そして、引き出したイオンを加速させたイオンビームの出力を行う。出力されたイオンビームは、ドリフトチューブ線形加速器１３を用いて所定のエネルギーまで高められる。

入射ビーム輸送系１５は、輸送軌道上にイオンビームの軌道を変更させるための偏向電磁石１４が設けられており、ドリフトチューブ線形加速器１３から出力されたイオンビームをシンクロトロン１６まで輸送する。

シンクロトロン１６は、入射ビーム輸送系１５から入射されたイオンビームを周回加速させて必要なエネルギーまで高めるための円形加速器である。

シンクロトロン１６には、円形状に配置され、入射されたイオンビームを偏向させて円形軌道上を周回させるための偏向電磁石１７と、円形軌道上を周回するイオンビームを加速させる高周波加速空洞２２とが設けられている。

シンクロトロン１６には、イオンビームの入射位置近傍に入射用静電セプタム２０が配置され、さらに入射イオンビームが周回軌道と交差する位置に入射用キッカー電磁石２１が設置されている。これら入射用静電セプタム２０及び入射用キッカー電磁石２１が、イオンビーム入射時に起動（励磁）されることにより、入射ビーム輸送系１５からシンクロトロン１６に入射されたイオンビームが周回軌道上に乗せられる。

また、シンクロトロン１６には、イオンビームの収束をコントロールする４極電磁石１８、クロマティシティ（色収差）補正用の６極電磁石１９等が各所に配置されてイオンビームの周回を補助する。

必要なエネルギーまで加速されたイオンビームは、出射用バンプ電磁石、セプタム（図示省略）を用いて出射ビーム輸送系２３から取り出される。そして、出射ビーム輸送系２３を介してシンクロトロン１６外部に設置された照射装置まで輸送されて、がん治療等に利用される。

制御装置２４は、イオンビームの出力、シンクロトロン１６での周回加速、そしてイオンビームの取り出しまでの一連の動作を同期させて制御するものである。

制御装置２４は、レーザイオン源１１でレーザ照射を開始させて、線形加速器１２からのビーム出力を制御する入射ビーム制御部２５と、イオンビームの出力情報に基づいてシンクロトロン１６への入射タイミングをシンクロトロン制御部２７に送信するタイミング制御部２６と、シンクロトロン１６でのイオンビームの周回加速及びイオンビームの取り出しを制御するシンクロトロン制御部２７と、シンクロトロン１６でイオンビームを加速させずに周回させる時間を無加速周回時間として設定する無加速周回時間設定部２８と、を備えている。

図２のタイミングチャートを用いて、イオン加速器１０の制御動作を具体的に説明する（適宜、図１参照）。
入射ビーム制御部２５は、レーザイオン源１１でレーザ照射を開始させて、短パルスのイオンビームを線形加速器１２から出力させる。

シンクロトロン制御部２７は、イオンビーム入射のタイミングをタイミング制御部２６から受信して、入射用キッカー電磁石２１を励磁してイオンビームを周回軌道上に乗せる。

シンクロトロン制御部２７は、イオンビーム入射のタイミングから無加速周回時間が経過するまで、高周波加速空洞２２を起動しないで、すなわちイオンビームを加速せずに周回軌道させる。

そして、無加速周回時間が経過した後、高周波加速空洞２２を起動（励磁）して、イオンビームを周回加速させる。

シンクロトロン制御部２７は、シンクロトロン１６で加速状態を維持し、イオンビームが設定エネルギーに到達した際に出射ビーム輸送系２３からビームの取り出しを実行する。そして、不要なイオンビームは減速、除去されて、新たなイオンビームの出力が実行される。

なお、レーザイオン源１１からのイオンビームは短パルス大電流ビームとなる。このため、シンクロトロン１６への入射は、１回の制御動作について、パルス状のイオンビームを単発で入射するシングルターン入射が可能となる。

シンクロトロン１６へ複数回のビーム入射を行うマルチターン入射の場合は、イオンビームのそれぞれが同じ軌道に入射しないように、入射用バンプ電磁石等を周回軌道上に設置してイオンビームの軌道をずらす必要がある。

このように、シンクロトロン１６へのイオンビームの入射をシングルターン入射とすることで、入射用バンプ電磁石等のマルチターン入射に必要な機器が低減することができる。

続いて、イオンビームを加速せずに周回させる無加速周回時間を設ける効果について説明する。

図３は、イオンビームを無加速で周回させた場合における、イオンビームにおける電流値の分布変化を示す図である。図３（Ａ）は入射イオンビームの電流値の時間変化を示しており、図３（Ｂ）はシンクロトロン１６で加速せずにイオンビームを周回させた後の電流値の時間変化を示している。

なお、ここでは、シンクロトロン１６へ入射されるビームのパルス幅が、イオンビームにおいて定格エネルギーＥ_０を持つイオンの周回時間ｔ_０より短い場合について検討する。

なお、ビームパルス幅の定義は、例えばパルスの半値幅（ＦｕｌｌＷｉｄｔｈＨａｌｆＭｅａｎ：ＦＷＨＭ）の２倍、標準偏差の２σ、イオンビームを構成する粒子の９０％が含まれるパルスの幅等が考えられる。

入射イオンビームは、定格エネルギーＥ_０に対してＥ_０±ΔＥのばらつきが許容されている。このエネルギーのばらつきによって周回速度の差が生じ、周回時間はｔ_０±Δｔのばらつきを有する。つまり、入射イオンビームにおいて、２Δｔの周回時間差が生じることになる。

イオンビームが、シンクロトロン１６の周回を繰り返して周回距離が増加するにつれて、最初の周回で２Δｔであった周回時間差は周回を重ねるごとに大きくなっていく。そして、周回時間差が大きくなるにつれて、イオンビームの電流値のピーク値は低下して、イオンビームは平坦化されていく。

そして、入射されたイオンビームが有するエネルギーのばらつきによって生じる周回時間差が定格エネルギーＥ_０を持つイオンの周回時間ｔ_０と等しくなった場合、つまりイオンビームがｔ_０／（２Δｔ）回周回した場合、イオンビームは周回時間ｔ_０に一様に分布することになる。

このように、無加速周回時間を設けることにより、入射イオンビームが有するエネルギーのばらつきにより生じる周回時間差が大きくなるため、イオンビームの電流値のばらつきを平坦化することができる。

図４は、シンクロトロン１６で加速せずにイオンビームを周回させた場合における、イオンビームの電流値の分布変化を示すシミュレーション結果である。
図４（Ａ）は入射イオンビームの電流値の時間変化を示し、図４（Ｂ）は無加速周回時間を０．５ｍ（ｓ）に設定した場合における電流値の時間変化を示し、図４（Ｃ）は無加速周回時間を１ｍ（ｓ）に設定した場合における電流値の時間変化を示している。

ここでは、入射ビームのパルス幅（ＦＷＨＭ）は５ｅ^−７（ｓ）、定格エネルギーＥ_０を有するイオンの周回時間を２．２ｅ^−６（ｓ）とする。そして、定格エネルギーＥ_０を４ＭｅＶ／ｕ、エネルギーの広がりを±０．２％（エネルギーの広がりは一様と仮定）としてシミュレーションを行っている。

無加速周回時間Ｔ＝０．５ｍｓｅｃ（２２０周後）で電流のピーク値は入射時の約６０％となる（図４（Ｂ））。そして、無加速周回時間Ｔ＝１ｍｓｅｃ（４４０周後）でほぼ一様に分布する（図４（Ｃ））。

図５は、本実施形態に係るイオンビームの加速制御方法を示すフローチャートである（適宜、図１参照）。

入射ビーム制御部２５は、レーザイオン源１１でレーザ照射を開始させて、短パルスのイオンビームを線形加速器１２から出力させる（Ｓ１０）。そして、出力されたイオンビームは、入射ビーム輸送系１５を介してシンクロトロン１６に入射される（Ｓ１１）。

シンクロトロン制御部２７は、イオンビーム入射のタイミングから無加速周回時間が経過するまで、高周波加速空洞２２を起動しないでイオンビームを加速せずに周回させる（Ｓ１２、Ｓ１３：ＮＯ）。

無加速周回時間が経過した後、高周波加速空洞２２を起動（励磁）して、イオンビームを周回加速させる（Ｓ１３：ＹＥＳ、Ｓ１４）。

シンクロトロン制御部２７は、シンクロトロン１６で加速状態を維持して、イオンビームが設定エネルギーに到達した際に出射ビーム輸送系２３からイオンビームの取り出しを実行する（Ｓ１５）。

このように、シンクロトロン１６でイオンビームを加速せずに周回することで、入射イオンビームの有するエネルギーばらつきによって生じる周回時間差が大きくなっていき、イオンビームの電流値のばらつきは平坦化される。これにより、イオンビームを加速させた際に、バンチごとの電流値の差を小さく抑えることが可能となる。

さらに、図３で示したように、無加速周回時間を、入射イオンビームの有するエネルギーのばらつきによって生じる周回時間差がイオンビームにおいて定格エネルギーを有するイオンの周回時間以上となるように設定することで、イオンビームは周回時間内に一様に分布する。これにより、イオンビームを加速させた際に、バンチごとのイオン電流値の偏りを無くすことが可能となる。

図６は、本実施形態に係るイオン加速器１０が適用された粒子線治療装置３２の一例を示す構成図である。

粒子線治療装置３２は、イオン加速器１０、出射ビーム輸送系２３、照射装置２９を備えている。

イオン加速器１０で加速されたイオンビームが、出射ビーム輸送系２３を介して取り出され照射装置２９に輸送される。そして、治療台３１に横臥された患者３０が照射装置２９に挿入され、患者３０の患部にイオンビームが照射されて治療が行われる。

本実施形態に係るイオン加速器１０を適用することにより、構成機器の低減やイオンビームの制御が容易な粒子線治療装置３２を実現できる。

以上に述べたイオン加速器によれば、シンクロトロンに入射されたイオンビームを所定の時間加速せずに周回させた後にイオンビームを周回加速させることにより、イオンビームを周回加速させる際に生じ得る、バンチごとの電流値のばらつきを抑制することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…イオン加速器、１１…レーザイオン源、１２…線形加速器、１３…ドリフトチューブ線形加速器、１４…偏向電磁石、１５…入射ビーム輸送系、１６…シンクロトロン、１７…偏向電磁石、１８…４極電磁石、１９…６極電磁石、２０…入射用静電セプタム、２１…入射用キッカー電磁石、２２…高周波加速空洞、２３…出射ビーム輸送系、２４…制御装置、２５…入射ビーム制御部、２６…タイミング制御部、２７…シンクロトロン制御部、２８…無加速周回時間設定部、２９…照射装置、３０…患者、３１…治療台、３２…粒子線治療装置。

Claims

レーザを用いてプラズマを生成させるレーザイオン源と、
前記プラズマからイオンを引き出して加速させたイオンビームを出力する線形加速器と、
前記イオンビームを円形軌道上で周回させるための偏向電磁石と前記円形軌道上を周回する前記イオンビームを加速させる高周波加速空洞とが設けられ、出力された前記イオンビームを入射させて周回加速させるシンクロトロンと、
前記イオンビームを加速させずに前記シンクロトロンの前記円形軌道上を周回させる時間を無加速周回時間として設定する無加速周回時間設定部と、
前記イオンビームが前記シンクロトロンに入射された後、前記無加速周回時間が経過した後に前記高周波加速空洞を起動させて前記イオンビームを前記周回加速させるシンクロトロン制御部と、を備えて、
前記無加速周回時間は、入射された前記イオンビームが有するエネルギーのばらつきによって生じる周回時間差が前記イオンビームにおいて定格エネルギーを有するイオンの周回時間以上になるまで前記イオンビームを加速させずに周回させる時間であることを特徴とするイオン加速器。
前記シンクロトロンへの前記イオンビームの入射は、パルス状の前記イオンビームを単発で入射するシングルターン入射であることを特徴する請求項１に記載のイオン加速器。
イオンビームを円形軌道上で周回させるための偏向電磁石と前記円形軌道上を周回する前記イオンビームを加速させる高周波加速空洞とが設けられ、前記イオンビームを入射させて周回加速させるシンクロトロンを用いて、
レーザを用いてプラズマを生成させるステップと、
前記プラズマからイオンを引き出して加速させた前記イオンビームを出力するステップと、
前記イオンビームを加速させずに前記シンクロトロンの前記円形軌道上を周回させる時間を無加速周回時間として設定するステップと、
前記イオンビームが前記シンクロトロンに入射された後、前記無加速周回時間が経過した後に前記高周波加速空洞を起動させて前記イオンビームを前記周回加速させるステップと、を含んで、
前記無加速周回時間は、入射された前記イオンビームが有するエネルギーのばらつきによって生じる周回時間差が前記イオンビームにおいて定格エネルギーを有するイオンの周回時間以上になるまで前記イオンビームを加速させずに周回させる時間であることを特徴とするイオン加速制御方法。
請求項１または請求項２に記載のイオン加速器と、
前記イオン加速器により加速されたイオンビームを取り出して輸送する出射ビーム輸送系と、
前記出射ビーム輸送系を介して案内された前記イオンビームを、患者の患部に照射する照射装置と、を備えることを特徴とする粒子線治療装置。