JP6214880B2 - レーザイオン源及び重粒子線治療装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、レーザ光を照射することによりイオンを発生させるレーザイオン源及びこれを使用した重粒子線治療装置に関する。
一般に、イオン源では、イオンを発生させる方法として、ガス中に放電を発生させてイオンを得る方法が知られている。放電を発生させる方法としては、マイクロ波や電子ビームを用いている。
一方、レーザを用いたレーザイオン源は、レーザ光を集光してターゲットに照射し、このターゲット元素を蒸発させ、イオン化してプラズマを生成させる。また、レーザイオン源は、そのプラズマ中に含まれるイオンをプラズマのまま輸送し、そのイオンを引き出す際に加速することで、イオンビームを作り出す装置である(例えば、特許文献1、2参照)。したがって、レーザイオン源は、固体ターゲットにレーザ光を照射することにより、イオンを発生させることが可能であり、パルス大電流、多価イオンを発生させるのに有利である。
レーザイオン源で発生したイオンは、固体ターゲットの面に対して垂直方向の初速を有する。そのため、レーザイオン源は、イオン発生部と同電位の輸送管を輸送方向の下流まで延ばすことにより、イオンを輸送することが可能である。さらに、レーザイオン源は、プラズマの輸送経路上に電極を設置し、正電場をかけることで、不要なイオンが通過することができないようにすることも可能である(特許文献3参照)。
ところで、レーザイオン源のレーザ入射系の構造については、非特許文献1に記載された技術がある。この技術は、YAGレーザから出射されたレーザ光を真空容器の外部から2つのミラーを経て真空容器に導く。このレーザ光は、真空容器の真空窓を通して真空容器内に導入される。この真空容器内では、レーザ光をミラーで反射させてレンズに入射させ、このレンズにて集光してターゲットに照射している。
特許第3713524号公報 特開2009−37764号公報 特開2012−99273号公報
Review of Scientific Instruments 81, 02A510(2010年発行)
上記非特許文献1に記載されたレーザ入射系においては、ミラーとレンズとの軸合わせが必要である。この場合、真空容器内に光学系であるミラー及びレンズを配置しているため、真空容器外からミラーとレンズとの相対的な軸方向位置を調整するには、モータ等の駆動機構が必要である。そのため、上記非特許文献1のレーザイオン源は、真空容器外に配線を引き回す等、構造が複雑化するという課題がある。
また、上記非特許文献1のレーザイオン源では、ミラー及びレンズがプラズマ生成部に設置されていると、アブレーション粒子による汚れが付着し、ターゲットへのレーザ光照射性能が劣化する。そのため、ミラー及びレンズの交換やこれらの汚れ防止機構(真空容器内に巻取式透明フィルムを設置する等)が必要になる。
したがって、上記レーザイオン源では、ミラー及びレンズを交換する際は、再度光学系の軸方向位置を調整する必要がある。また、真空容器内に汚れ防止機構を配置すると、構造が複雑化する課題がある。
本発明の実施形態が解決しようとする課題は、集光レンズの軸合わせが容易で、構造を簡素化したレーザイオン源及びこれを使用した重粒子線治療装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の実施形態に係るレーザイオン源は、真空排気され、レーザ光を入射するための入射窓が形成された真空容器と、前記真空容器内に配置され、前記レーザ光の照射によりイオンを発生するターゲットと、前記レーザ光の光軸方向に配置され、かつ前記ターゲットに前記レーザ光を集光する集光レンズと、前記集光レンズをOリングに圧接して前記集光レンズを真空隔壁とする集光レンズ圧接機構と、前記集光レンズ及び前記集光レンズ圧接機構が装着され、前記集光レンズを機械的に位置決めするレンズホルダと、前記真空容器の前記入射窓に固定され、前記レンズホルダが取り付けられたホルダ取付部材と、を備え、前記レンズホルダと前記ホルダ取付部材との間をねじ取付構造とし、前記レンズホルダを回転することで、前記レーザ光の光軸方向に前記集光レンズを移動可能としたことを特徴とする。
また、本発明の実施形態に係るレーザイオン源は、真空排気され、レーザ光を入射するための入射窓が形成された真空容器と、前記真空容器内に配置され、前記レーザ光の照射によりイオンを発生するターゲットと、前記真空容器の入射窓に設けられ、真空隔壁機能を有し前記レーザ光を導入するための真空窓と、前記真空容器外に配置され、前記真空窓を通して前記ターゲットに前記レーザ光を集光する集光レンズと、を備え、前記真空窓及び前記集光レンズを前記レーザ光の光軸方向に配置し、前記レーザ光の光軸方向に前記真空窓及び前記集光レンズを一体で移動可能としたことを特徴とする。
本発明の実施形態に係る重粒子線治療装置は、上記実施形態のレーザイオン源のいずれかを有している。
本発明の実施形態によれば、集光レンズの軸合わせが容易で、構造を簡素化することが可能になる。
本発明の実施形態に係るレーザイオン源を具備する重粒子線治療装置の構成の一例を示す図である。 本発明に係るレーザイオン源の第1実施形態の構成を示す概略断面図である。 図2のレンズ取付機構を示す拡大断面図である。 本発明に係るレーザイオン源の第2実施形態のレンズ取付機構を示す拡大断面図である。 本発明に係るレーザイオン源の第3実施形態の構成を示す概略断面図である。 図5のレンズ取付機構を示す拡大断面図である。 本発明に係るレーザイオン源の第4実施形態の真空窓及びレンズ取付機構を示す拡大断面図である。 本発明に係るレーザイオン源の第5実施形態の真空窓及びレンズ取付機構を示す拡大断面図である。 本発明に係るレーザイオン源の第6実施形態の構成を示す概略断面図である。 図9のミラー取付機構を示す拡大図である。
以下に、本発明に係るレーザイオン源の実施形態と、これを具備する重粒子線治療装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
(重粒子線治療装置)
図1は本発明の実施形態に係るレーザイオン源を具備する重粒子線治療装置の構成の一例を示す図である。
図1に示すように、重粒子線治療装置300は、レーザイオン源20、線型加速器8を含む加速器40、X用電磁石30a、Y用電磁石30b、真空ダクト31、線量モニタ部50、リッジフィルタ60、レンジシフタ70、コントローラ80等を備えて構成されている。
重粒子線治療装置300は、レーザイオン源20で発生させる重粒子イオンを加速器40で高速に加速して粒子線ビームを生成し、この粒子線ビームを患者200の患部(腫瘍細胞)201に向けて照射して重粒子イオンを作用させて治療を行う装置である。重粒子線治療装置300では、患部201を3次元の格子点に離散化し、各格子点に対して細い径の粒子線ビームを順次走査する3次元スキャニング照射法を実施することが可能である。
具体的には、患部201を粒子線ビームの軸方向(図1右上に示す座標系におけるZ軸方向)にスライスと呼ばれる平板状の単位で分割し、分割したスライスZi、スライスZi+1、スライスZi+2等の各スライスの2次元格子点(図1右上に示す座標系におけるX軸及びY軸方向の格子点)を順次走査することによって3次元スキャニングを行っている。
レーザイオン源20で発生させた重粒子イオンを、線型加速器8、シンクロトロン等の加速器40よって患部201の奥深くまで到達できるエネルギーまで加速して粒子線ビームを生成している。
X方向に走査するX用電磁石30aとY方向に走査するY用電磁石30bは、粒子線ビームをX方向及びY方向に偏向させ、スライス面上を2次元で走査する。レンジシフタ70は、患部201のZ軸方向の位置を制御する。レンジシフタ70は、例えば複数の厚さのアクリル板から構成されており、これらのアクリル板を組み合わせることによってレンジシフタ70を通過する粒子線ビームのエネルギー、即ち体内飛程を患部201スライスのZ軸方向の位置に応じて段階的に変化させることができる。レンジシフタ70による体内飛程の大きさは通常等間隔で変化するように制御され、この間隔がZ軸方向の格子点の間隔に相当する。なお、体内飛程の切り替え方法としては、レンジシフタ70のように粒子線ビームの径路上に減衰用の物体を挿入する方法のほか、上流機器の制御によって粒子線ビームのエネルギー自体を変更する方法でもよい。
リッジフィルタ60は、ブラッグピークと呼ばれる体内深さ方向における線量のシャープなピークを拡散させるために設けられている。ここで、リッジフィルタ60によるブラッグピークの拡散幅は、スライスの厚み、即ちZ軸方向の格子点の間隔と等しくなるように設定される。3次元スキャニング照射用のリッジフィルタ60は、断面が略2等辺三角形のアルミニウム棒状部材を複数並べて構成している。粒子線ビームが2等辺三角形を通過する際に生じる径路長の差異によってブラッグピークのピークを拡散させることが可能であり、2等辺三角形の形状によって拡散幅を所望の値に設定することができる。
線量モニタ部50は、照射する線量をモニタするためのものであり、その筐体内に、粒子線の電離作用によって生じた電荷を平行電極で収集する電離箱や、筐体内に配置された二次電子放出膜から放出される二次電子を計測するSEM(Secondary Electron Monitor)装置等によって構成されている。
(レーザイオン源の第1実施形態)
図2は本発明に係るレーザイオン源の第1実施形態の構成を示す概略断面図である。図3は図2のレンズ取付機構を示す拡大断面図である。
図2に示すように、真空容器1は、耐食性や耐薬品性に優れ、放出ガスが少ない材料、例えばステンレス鋼製である。真空容器1の内部には、イオンとなる元素又はそれを含有するターゲット2が配置されている。このターゲット2は、例えばカーボン系の板状部材により形成されている。
真空容器1には、図示しない高電圧電源から高電圧が印加されている。正イオンビームを生成するときは正電位を、負イオンビームを生成するときは負電位を付与する。本実施形態では、正の高電圧を印加している。真空容器1は、図示しない排気口が形成され、この排気口に図示しない真空ポンプが接続され、真空容器1内が真空排気されている。
真空容器1は、壁面の一部に、具体的には側面の上部にレーザ光を入射するための入射窓1aが形成されている。この入射窓1aには、レンズ取付機構3が固定されている。このレンズ取付機構3には、レーザ光Lを集光するための光学系としての集光レンズ4が取り付けられている。図示しない光源から出射されたレーザ光Lは、集光レンズ4を通して真空容器1内に入射した後、ターゲット2に集光照射される。上記光源としては、例えばCOレーザやNd−YAGレーザを用いることができる。
真空容器1の一側面(図1では右側面)には、イオンを取り出すための輸送管9が設けられている。この輸送管9内には、正電場をかけることで、不要なイオンを排除する電極10が配置されている。輸送管9は、正の高電位であり、真空を保持した絶縁管7内に設置されている。この絶縁管7は、一端が真空容器1の側面に接続され、他端が接地電位の線型加速器(RFQ:Radio Frequency Quadrupole)8に接続されている。電極11は、接地電位であり、輸送管9の軸方向延長線上における線型加速器8側に配置されている。電極11は、引出電界を強めるための機能を有する。
レンズ取付機構3は、レンズホルダ12(図に示す)を真空容器1に溶接することにより固定されている。このレンズホルダ12は、円筒状に形成されている。レンズホルダ12内には、図に示すように集光レンズ4が装着されている。この集光レンズ4は、機械的に位置決めされ、レンズホルダ12により支持されている。レンズホルダ12は、集光レンズ4を真空隔壁とするため、Oリング13に集光レンズ4を圧接してシールしている。
集光レンズ4を圧接するための機構は、集光レンズ4に当接する押えリング12aと、この押えリング12aを介して集光レンズ4を押え付ける固定リング12bと、この固定リング12bをレンズホルダ12に固定するビス12cとを備えている。レンズホルダ12、Oリング13、押えリング12a、及び固定リング12bは、同心状に設置されている。押えリング12aは、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂等のように集光レンズ4を傷付けない素材から形成されている。このようにして集光レンズ4は、真空容器1と一体化し、真空隔壁として構成されている。
次に、本実施形態の作用を説明する。
なお、真空容器1内は、図示しない排気口に接続された真空ポンプ等により十分に排気されているものとする。真空容器1には、例えば正電位が与えられ、輸送管9には、真空容器1の電位よりも高い正の高電位が与えられ、電極10には正電場がかけられ、さらに電極11には、接地電位が与えられているものとする。
この状態で、パルス駆動のレーザ光源(図示せず)からレーザ光Lを、真空容器1と一体化した集光レンズ4により集光してターゲット2上に照射する。このターゲット2上に集光したレーザ光Lによりレーザ集光点では、ターゲット2の微小部分が高温に熱せられる。この高温に熱せられた部分がプラズマ化して、レーザアブレーションプラズマ5が生成される。
このレーザアブレーションプラズマ5は、正の高電位である輸送管9で輸送され、この輸送管9と接地電位の線型加速器8との間の電位差により、必要とするイオン6のみが加速されて、イオンビームとなって線型加速器8に入射される。ここで、不要なイオンは、電極10によって排除される。そして、イオンビームは、線形加速器8によってさらに加速されることになる。
ところで、レーザ光Lを集光するための集光レンズ4は、集光レンズ4の焦点距離と真空容器1の形状によって、真空容器1の内外のいずれに配置してもよい。しかし、焦点距離の短い方がターゲット2上でのレーザエネルギ密度を高められることから、価数の多いイオンを発生させる際は、真空容器1内に集光レンズ4を配置することが一般的である。この場合、レーザ光Lが透過する真空窓を真空隔壁とし、真空容器1内の光軸上に集光レンズ4を配置することが一般的である。
本実施形態では、真空容器1内のプラズマ生成部にミラー及び集光レンズ4を配置しなくて済むため、ミラー及びレンズの交換やこれらの汚れ防止機構が不要になり、構造を簡素化することができる。
また、本実施形態では、集光レンズ4を真空隔壁として用い、真空窓を不要とすることにより、構成要素を削減するとともに、レーザ光Lの損失を低減することが可能になる。
さらに、本実施形態では、集光レンズ4を真空隔壁とすることで、真空窓の構成要素が不要となる。また、集光レンズ4は真空容器1と一体化しているため、集光レンズ4の軸合わせを不要にすることができる。
このように本実施形態によれば、集光レンズ4の軸合わせが容易で、構造を簡素化することが可能になる。
(レーザイオン源の第2実施形態)
図4は本発明に係るレーザイオン源の第2実施形態のレンズ取付機構を示す拡大断面図である。なお、以下のレーザイオン源の各実施形態では、前記第1実施形態と同一又は対応する部分には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
図4に示すように、本実施形態は、前記第1実施形態の集光レンズ4をレーザ光軸方向に移動可能に構成したものである。具体的には、ホルダ取付部材14の内周面に雌ネジを刻設し、この雌ネジに螺合する雄ネジをレンズホルダ12の外周面に刻設している。ホルダ取付部材14は、円筒状に形成され、真空容器1に溶接により固定されている。
これにより、レンズホルダ12を回転させることで、集光レンズ4をレーザ光軸方向に移動させて焦点位置を調整することが可能になる。
レンズホルダ12の真空シール構造は、前記第1実施形態と同様に構成されている。また、レンズホルダ12とホルダ取付部材14との間は、例えばレンズホルダ12に固定したOリング13aで真空シールすることが可能である。
このように本実施形態によれば、集光レンズ4の軸合わせが不要で、かつ集光レンズ4を真空隔壁とし、真空状態を破ることなく、集光レンズ4を光軸方向に移動させて焦点位置を調整することが可能になる。
(レーザイオン源の第3実施形態)
図5は本発明に係るレーザイオン源の第3実施形態の構成を示す概略断面図である。図6は図5のレンズ取付機構を示す拡大断面図である。
図5及び図6に示すように、本実施形態は、前記第1実施形態のレンズホルダ12の真空隔壁を、真空窓15及びOリング13を用いてシールし、真空隔壁外に集光レンズ4を配置したものである。
真空窓15は、例えばレーザ光Lを透過するガラス等の材質から成形され、表面に反射防止コートが施されている等、効率よくレーザ光Lを透過するものが望ましい。真空窓15の真空隔壁外には、真空窓15及び集光レンズ4を傷付けないようにするためポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂等の押えリング12dが配置されている。集光レンズ4は、押えリング12aにより押えリング12d側に押え付けられ、固定リング12bをビス止めすることで固定される。
このように本実施形態によれば、真空窓15を真空隔壁に用いることにより、集光レンズ4にアブレーション粒子による汚れが付着することがなくなる。
また、本実施形態によれば、真空容器1に集光レンズ4及び真空窓15が一体に設けられていることから、集光レンズ4の軸合わせが不要になる。
なお、本実施形態では、押えリング12a,12dの厚みを変えることにより、集光レンズ4の光軸方向の位置調整が可能になる。
(レーザイオン源の第4実施形態)
図7は本発明に係るレーザイオン源の第4実施形態の真空窓及びレンズ取付機構を示す拡大断面図である。
図7に示すように、本実施形態は、前記第3実施形態の構成に加え、レンズホルダ12の集光レンズ4をレーザ光軸方向に移動可能に構成したものである。具体的には、ホルダ取付部材14の真空側に真空窓15が配置されている。この真空窓15は、押えリング12aによりOリング13側に押え付けられ、固定リング12bをビス止めすることで固定される。
可動レンズホルダ16は、円筒状に形成され、ホルダ取付部材14と同心状に設けられる。本実施形態では、ホルダ取付部材14の内周面に雌ネジを刻設し、この雌ネジに螺合する雄ネジを可動レンズホルダ16の外周面に刻設している。これにより、可動レンズホルダ16を回転させることで、集光レンズ4をレーザ光軸方向に位置調整することが可能になる。その結果、集光レンズ4の焦点位置を調整することができる。
可動レンズホルダ16には、押えリング16aを用いて集光レンズ4が固定されている。図6では省略しているが、押えリング16aは、真空窓15と同様にビス止め等で固定することが可能である。また、押えリング16aの軸方向の長さを変えることによっても、集光レンズ4をレーザ光軸方向に位置調整することが可能になる。
このように本実施形態によれば、集光レンズ4の軸合わせが不要で、かつ真空状態を破ることなく、真空外で集光レンズ4を光軸方向に位置調整を行うことが可能になる。
(レーザイオン源の第5実施形態)
図8は本発明に係るレーザイオン源の第5実施形態の真空窓及びレンズ取付機構を示す拡大断面図である。
図8に示すように、本実施形態は、前記第3実施形態のレンズホルダ12の集光レンズ4及び真空窓15をレーザ光軸方向に移動可能に構成したものでる。具体的には、真空窓15及び集光レンズ4は、レンズホルダ12に一体に設けられている。
また、本実施形態では、ホルダ取付部材14の内周面に雌ネジを刻設し、この雌ネジに螺合する雄ネジをレンズホルダ12の外周面に刻設している。これにより、レンズホルダ12を回転させることで、集光レンズ4及び真空窓15をレーザ光軸方向に位置調整することが可能となる。その結果、集光レンズ4の焦点位置を調整することができる。
さらに、本実施形態では、真空窓15がOリング13によりシールされ、ホルダ取付部材14とレンズホルダ12との間がOリング13aによりシールされている。
このように本実施形態によれば、集光レンズ4の軸合わせが不要で、かつ真空状態を破ることなく、集光レンズ4を光軸方向に位置調整を行うことが可能になる。
(レーザイオン源の第6実施形態)
図9は本発明に係るレーザイオン源の第6実施形態の構成を示す概略断面図である。図10は図9のミラー取付機構を示す拡大図である。
図9及び図10に示すように、本実施形態は、前記第3実施形態のレーザイオン源において、ミラーホルダ17aが真空容器1の外側面に固定され、ミラーホルダ17aにミラー17を取り付けたものである。ミラー17は、集光レンズ4にレーザ光Lを入射させるためのものである。
ミラーホルダ17aは、金属薄板等、振動せずに再現性のある材質から形成されている。ミラーホルダ17aには、機械的な位置調整機構が設けられ、この位置調整機構により集光レンズ4に対してミラー17のレーザ光Lの軸合わせを行っている。
このように本実施形態によれば、ミラーホルダ17aを用いてミラー17と真空容器1を一体化させることにより、ミラー17の設置場所を自由に選択することができ、かつ集光レンズ4の軸合わせが不要になる。
(その他の実施形態)
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、組み合わせ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同様に、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ものである。
例えば、上記レーザイオン源の第1実施形態では、真空容器1の入射窓1aにレンズホルダ12を固定し、このレンズホルダ12に集光レンズ4を取り付けるようにしたが、これに限らず真空容器1の入射窓1aに直接集光レンズ4を取り付けるようにしてもよい。
また、上記レーザイオン源の第2実施形態〜第5実施形態の構成に、第6実施形態の構成を組み合わせるようにしてもよい。
1…真空容器、1a…入射窓、2…ターゲット、3…レンズ取付機構、4…集光レンズ、5…レーザアブレーションプラズマ、6…イオン、7…絶縁管、8…線型加速器、9…輸送管、10…電極、11…電極、12…レンズホルダ、12a…押えリング、12b…固定リング、12c…ビス、12d…押えリング、13…Oリング、13a…Oリング、14…ホルダ取付部材、15…真空窓、16…可動レンズホルダ、16a…押えリング、17…ミラー、17a…ミラーホルダ、20…レーザイオン源、30a…X用電磁石、30b…Y用電磁石、31…真空ダクト、40…加速器、50…線量モニタ部、60…リッジフィルタ、70…レンジシフタ、80…コントローラ、201…患部、300…重粒子線治療装置、L…レーザ光

Claims (4)

  1. 真空排気され、レーザ光を入射するための入射窓が形成された真空容器と、
    前記真空容器内に配置され、前記レーザ光の照射によりイオンを発生するターゲットと、
    前記レーザ光の光軸方向に配置され、かつ前記ターゲットに前記レーザ光を集光する集光レンズと、
    前記集光レンズをOリングに圧接して前記集光レンズを真空隔壁とする集光レンズ圧接機構と、
    前記集光レンズ及び前記集光レンズ圧接機構が装着され、前記集光レンズを機械的に位置決めするレンズホルダと、
    前記真空容器の前記入射窓に固定され、前記レンズホルダが取り付けられたホルダ取付部材と、を備え、
    前記レンズホルダと前記ホルダ取付部材との間をねじ取付構造とし、前記レンズホルダを回転することで、前記レーザ光の光軸方向に前記集光レンズを移動可能としたことを特徴とするレーザイオン源。
  2. 真空排気され、レーザ光を入射するための入射窓が形成された真空容器と、
    前記真空容器内に配置され、前記レーザ光の照射によりイオンを発生するターゲットと、
    前記真空容器の入射窓に設けられ、真空隔壁機能を有し前記レーザ光を導入するための真空窓と、
    前記真空容器外に配置され、前記真空窓を通して前記ターゲットに前記レーザ光を集光する集光レンズと、を備え、
    前記真空窓及び前記集光レンズを前記レーザ光の光軸方向に配置し、前記レーザ光の光軸方向に前記真空窓及び前記集光レンズを一体で移動可能としたことを特徴とするレーザイオン源。
  3. 前記真空容器の外面にミラーホルダを固定し、このミラーホルダに前記真空容器内に前記レーザ光を導入するためのミラーを取り付けたことを特徴とする請求項1又は2に記載のレーザイオン源。
  4. 請求項1ないし3のいずれか一項に記載のレーザイオン源を有することを特徴とする重粒子線治療装置。
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