JP6434051B2 - 加速器及び粒子線照射装置 - Google Patents

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Description

本発明は、加速器及び粒子線照射装置に係り、特に、がんの治療に適用するのに好適な加速器及び粒子線照射装置に関する。
粒子線照射装置は、大きく分けて、加速器としてシンクロトロンを有する粒子線照射装置（例えば、特開２００４−３５８２３７号公報参照）、及び加速器としてサイクロトロンを有する粒子線照射装置（例えば、特開２０１１−９２４２４号公報参照）が知られている。
シンクロトロンを有する粒子線照射装置は、イオン源、直線加速器、シンクロトロン、ビーム輸送系、回転ガントリー及び照射装置を備える。シンクロトロンは、環状のビームダクトを有し、ビームダクトに、複数の偏向電磁石、複数の四極電磁石、高周波加速空胴、出射用高周波印加装置及び出射用デフレクタを設けている。イオン源は直線加速器に接続され、直線加速器はシンクロトロンに接続される。シンクロトロンの出射口に接続されたビーム輸送系は、一部が回転ガントリーに設置され、回転ガントリーに設置された照射装置に連絡される。
イオン源から出射されたイオン（例えば、陽イオンまたは炭素イオン）が直線加速器で加速される。直線加速器で生成されたイオンビームはシンクロトロンの環状のビームダクトに入射される。このビームダクトを周回するイオンビームは、高周波電圧が印加される高周波加速空胴で所定のエネルギーまで加速される。周回して所定のエネルギーに達したイオンビームに、出射用高周波印加装置の高周波印加電極から高周波電圧を印加することによって、このイオンビームが出射用デフレクタを通してビーム輸送系に出射される。イオンビームは、照射装置から治療台上の患者のがんの患部に照射される。なお、回転ガントリーは、照射装置のビーム経路が患部に対するイオンビームの照射方向に一致させるように、照射装置を回転させる。
イオンビームの照射方向においてその患部が複数の層に分割され、層ごとにイオンビームの走査を行う場合には、イオンビームのエネルギーを変えて到達する層を特定する。イオンビームのエネルギーは、前述したように、高周波加速空胴に印加する高周波電圧パターン、四極電磁石の励磁パターン及び偏向電磁石の励磁パターンを制御することによって調節される。層内のイオンビームの走査は、照射装置に設けられた操作用電磁石の励磁電流を調節することによって制御される。
サイクロトロンを有する粒子線照射装置は、イオン源、サイクロトロン、ビーム輸送系、回転ガントリー及び照射装置を備える。サイクロトロンは、横断面が円形の一対の対向する鉄心で構成される真空容器、高周波加速装置及び取出し用電磁石を有する。ビーム輸送系は、取出し用電磁石が配置された、サイクロトロンの出射口に連絡される。サイクロトロンを有する粒子線照射装置におけるビーム輸送系、回転ガントリー及び照射装置は、実質的に、シンクロトロンを有する粒子線照射装置におけるこれらの構造と同じである。
サイクロトロンを有する粒子線照射装置では、イオン源から出射されたイオン（例えば、陽イオンまたは炭素イオン）が、サイクロトロンの鉄心の横断面の中心に入射され、高周波加速装置で加速される。加速されたイオンビームは、鉄心の中心からリターンヨークの内側の側面に向かって螺旋状に周回し、鉄心の周辺部に設けられた取出し用電磁石によりビーム輸送系に出射される。この出射されたイオンビームは、ビーム輸送系を通って照射装置から治療台上の患者のがんの患部に照射される。
サイクロトロンを有する粒子線照射装置を用いて、前述したように患部が複数の層に分割され、層ごとにイオンビームの走査を行う場合には、ビーム輸送系に設けられたデグレーダを用いて、ビーム輸送系に出射されたイオンビームのエネルギーを調節する。デグレーダは、厚みの異なる金属板単体または複数の金属板の組み合わせによって、デグレーダによって低減された、デグレーダを通過した後のイオンビームのエネルギー、すなわち、患部に照射されるイオンビームのエネルギーを調節する。通常、サイクロトロンで加速されるイオンビームのエネルギーは一定であるため、通常、がんの治療に必要な最大のエネルギーまでサイクロトロンでイオンビームのエネルギーを高め、このエネルギーは、イオンビームをデグレーダに設けられた或る金属板を透過させることによって減衰され、所定のエネルギーに調節される。
特開２０１４−１６０６１３号公報は、その粒子線照射装置に用いられる、イオンビームの引き出し効率を高めることができるサイクロトロンを記載している。このサイクロトロンは、イオンビームの周回軌道を間に挟んで形成し、周方向において交互に配置された複数の凸部及び複数の凹部を有し、この凸部に挟まれたヒル領域及びこの凹部に挟まれたバレー領域をその周回軌道に沿って形成する一対の磁極と、バレー領域に設けられたディ電極と、ディ電極が設けられたバレー領域以外の少なくとも一つのバレー領域においてイオンビームの周回軌道の、半径方向における外周側に配置され、イオンビームを加速させる加速空胴を備えている。イオンビームを加速するディ電極以外に加速空胴を設けているこのサイクロトロンは、イオンビーム１ターン当たりのエネルギー増加量が増加してターンセパレーションが増加し、イオンビームの引き出し効率が向上する。
特開平１０−１１８２０４号公報は、がんの患部をイオンビームの照射方向において患者の体表面から複数の層に分割し、細いイオンビームを走査することにより各層内の複数の照射位置に対してイオンビームを照射する荷電粒子ビーム照射方法を記載している。層内で隣の照射位置へのイオンビームの移動は、照射装置に設けられた走査電磁石を制御することにより行われる。また、深い層から浅い層へのイオンビームの移動は、イオンビームエネルギーを変えることによって行われる。イオンビームのエネルギーが大きくなるほど、イオンビームの後述のブラッグピークが患部の深い位置まで到達する。イオンビームを患者に照射した場合には、患者の体表面からの深さ方向において、特開平１０−１１８２０４号公報の図３に示すような線量分布を示し、ブラッグピークで線量が最大になり、さらに、ブラッグピークを超える深さで線量分布が急激に減少する。イオンビームを用いたがん治療では、ブラッグピークで線量が最大になり、ブラッグピークを超える深さで線量が急激に減少する性質を利用している。
特許第３４７２６５７号公報に記載された粒子線照射装置では、イオンビームを出射する円形加速器を縦にして回転する回転枠に取り付け、加速器から出射されたイオンビームを治療室に導くビーム輸送チャンバーが設けられている。ビーム輸送チャンバーは加速器の出射口に接続される。ビーム輸送チャンバーは、加速器の半径方向に伸びて水平方向に曲げられて治療室の真上に達し、その後、下向きに曲げられている。照射野形成装置がビーム輸送チャンバーの先端部に取り付けられている。治療室は放射線囲内に形成され、イオンビームが照射される患者は、治療室内に設置された治療台の上に載っている。放射線囲の側壁は、加速器と治療室の間に配置される。円形加速器から出射されたイオンビームは、ビーム輸送チャンバー及び照射野形成装置を経て治療台上の患者の患部に照射される。イオンビームの照射方向を変えるために照射野形成装置の向きは、回転枠を回転させて加速器を回転させ、ビーム輸送チャンバー及び照射野形成装置を加速器の回転中心の周りに旋回させることによって変更される。
特開２００４−３５８２３７号公報 特開２０１１−９２４２４号公報 特開２０１４−１６０６１３号公報 特開平１０−１１８２０４号公報 特許第３４７２６５７号公報 特開２００６−２３９４０３号公報
シンクロトロンを用いた粒子線照射装置は、シンクロトロンにおいてエネルギーが異なる複数のイオンビームを生成することができ、シンクロトロンから出射されるイオンビームのエネルギーを変えることができる。しかしながら、複数の偏向電磁石及び複数の四極電磁石が必要になるため、シンクロトロンは、ある程度以上の小型化が困難である。また、シンクロトロンは、イオンビームの取り出しが間欠的になり、イオンビームの取り出し量が少なくなる。
これに対して、サイクロトロンは、イオンビームを連続的に取り出すことができ、イオンビームの取り出し量が多い。しかしながら、サイクロトロンにおいて生成されるイオンビームのエネルギーは一定であり、最大エネルギーよりもエネルギーが低いイオンビームの取り出しは不可能である。このため、患部の或る一つの層にイオンビームを照射する場合のように、低いエネルギーのイオンビームが必要なときには、イオンビームがその層に到達するように、ビーム輸送系に設けたデグレーダによりイオンビームのエネルギーを調節する必要がある。イオンビームのエネルギー調節にデグレーダを使用すると、デグレーダによるイオンビームのビームサイズの増加、デグレーダの金属板を透過するイオン数の減少及び放射性廃棄物の増加などの問題が生じる。
このため、異なるエネルギーを有するイオンビームの取出しを連続に実現でき、このイオンビームの取出し効率が向上できる陽子線治療装置が望まれている。
本発明の目的は、エネルギーが異なる各イオンビームを効率良く出射することができる加速器及び粒子線照射装置を提供することにある。
上記した目的を達成する本発明の特徴は、互いに対向して設置され、間に磁場を形成する２つの鉄心と、イオンビームを加速する加速電極と、イオンビームを外部に取り出すビーム出射経路とを有し、
２つの鉄心のそれぞれの鉄心に形成された複数の磁極によって形成される、異なるエネルギーのイオンビームがそれぞれ周回する環状の複数のビーム周回軌道が、ビーム出射経路の入口において集束していることにある。
複数のビーム周回軌道が、ビーム出射経路の入口において集束しているので、それぞれのビーム周回軌道から離脱されたエネルギーの異なる各イオンビームがビーム出射経路の入口に入射されやすくなり、エネルギーの異なる各イオンビームを効率良く出射することができる。
互いに対向して設置され、間に等時性磁場を形成する２つの鉄心と、イオンビームを加速する加速電極とを有し、
磁極によって形成される複数の環状のビーム周回軌道の相互間の間隔が、一方において他方より広くなっていることによっても、上記の目的を達成することができる。
ビーム周回軌道の、ビーム周回軌道の相互間の間隔が広くなっている位置で、ビーム周回軌道からイオンビームを容易に離脱させることができ、各環状のビーム周回軌道を周回するエネルギーの異なる各イオンビームを効率良く出射することができる。
環状のメインコイルと、磁場を形成する磁極と、イオンビームを加速する加速電極とを有し、
磁極によって形成される環状のビーム周回軌道の中心が、メインコイルの重心の位置と異なっていることによっても、上記の目的を達成することができる。
磁極によって形成される環状のビーム周回軌道の中心が、メインコイルの重心の位置と異なっているので、イオン入射部の周囲に形成される複数の環状のビーム周回軌道の隣り合う相互の間隔は、ビーム出射経路の入口側の領域よりも環状のビーム周回軌道の中心側の領域で広くなる。このため、ビーム周回軌道の隣り合う相互の間隔が広くなる、ビーム周回軌道の中心側の領域においてビーム周回軌道から容易にイオンビームを離脱させることができ、各環状のビーム周回軌道を周回するエネルギーの異なる各イオンビームを効率良く出射することができる。
互いに対向して設置され、間に磁場を形成する２つの鉄心と、イオンビームを加速する加速電極と、イオンビームを取り出す外部に取り出すビーム出射経路とを有し、
磁場強度がＢ、イオンビームの磁気剛性率がＢρ、磁場の垂直成分がＢｚ、及びビーム周回軌道が形成される２つの鉄心の間の軌道面内の、ビーム周回軌道に対する垂直方向の位置座標がｒであるとき、２つの鉄心のそれぞれに形成された複数の磁極によって形成される環状のビーム周回軌道の、ビーム出射経路の入口の１８０°反対側の位置を中心とした半周分の、下記の（１）式で表されるｎ値の絶対値の積分値が、ビーム周回軌道の、ビーム出射経路の入口を中心とした半周分のｎ値の絶対値の積分値より小さいことによっても、上記の目的を達成することができる。
Figure 0006434051
環状のビーム周回軌道の、ビーム出射経路の入口の１８０°反対側の位置を中心とした半周分の、上記の（１）式で表されるｎ値の絶対値の積分値が、ビーム周回軌道の、ビーム出射経路の入口を中心とした半周分のｎ値の絶対値の積分値より小さいので、エネルギーが異なる各イオンビームを効率良く出射することができる。さらに、そのような構成により、ビーム周回軌道が偏心され、ビーム出射経路の入口側に、異なるエネルギーのビーム周回軌道が集束したときに、集束によりビーム出射経路の入口側で発生する磁場勾配の傾斜を緩和することができる。
互いに対向して設置され、間に磁場を形成する２つの鉄心と、イオンビームを加速する加速電極とを有し、
鉄心間に形成される、イオンビームが周回する軌道面内において最も磁場強度が高い領域が、最外周のビーム周回軌道よりも内周側に形成されることによっても、上記の目的を達成することができる。
軌道面内において最も磁場強度が高い領域が、最外周のビーム周回軌道よりも内周側に形成されるので、エネルギーが異なる各イオンビームを効率良く出射することができる。さらに、そのような構成により、軌道面に形成される環状の複数のビーム軌道のうち外周部に位置するビーム周回軌道を周回するイオンビームの安定性が向上する。
互いに対向して設置され、間に磁場を形成する２つの鉄心と、イオンビームを加速する電極と、イオンビームを外部に取り出すビーム出射経路とを有し、
ビーム周回軌道に沿った磁場強度分布における３倍高調波の磁場成分の、このビーム周回軌道を周回するイオンビームのエネルギーによる変化率の絶対値が、軌道同心領域からこの軌道同心領域を取り囲む軌道偏心領域に推移する際に低下することによっても、上記の目的を達成することができる。
ビーム周回軌道に沿った磁場強度分布における３倍高調波の磁場成分の、このビーム周回軌道を周回するイオンビームのエネルギーによる変化率の絶対値が、軌道同心領域からこの軌道同心領域を取り囲む軌道偏心領域に推移する際に低下するので、エネルギーが異なる各イオンビームを効率良く出射することができる。さらに、イオンビームのエネルギーによる変化率の絶対値が、軌道同心領域からこの軌道同心領域を取り囲む軌道偏心領域に推移する際に低下することにより、イオンビームを安定に加速することができる。
（Ａ１）イオン源からのイオンを供給するイオン入射部が、メインコイルの重心または中心軸とは径方向に異なる位置に配置されており、及び一対の鉄心のそれぞれが、イオン入射部の周囲においてイオン入射部から放射状に伸び、先端がイオン入射部に向かい合っている複数の磁極を形成しており、さらに、イオン入射部の周囲においてイオン入射部から放射状に伸びる複数の凹部を形成しており、イオン入射部の周囲において磁極と凹部が交互に配置され、メインコイルが、鉄心内にそれぞれ配置された複数の磁極及び複数の凹部を取り囲んでいる加速器において、さらに好ましい構成を以下に説明する。
（Ａ２）好ましくは、上記の（Ａ１）において、一対の鉄心のそれぞれにおいて、メインコイルの中心軸に垂直な平面における、ビーム出射経路の入口とメインコイルの中心軸を結ぶ直線の両側のそれぞれの領域で、高周波加速電極を、その中心軸に垂直な平面でこの直線の両側にそれぞれ配置された複数の磁極のうちメインコイルの周方向で隣り合う磁極の間に配置し、
高周波加速電極の先端がイオン入射部に対向し、高周波加速電極は折れ曲り点を有し、
高周波加速電極の折れ曲り点から高周波加速電極の、メインコイルに対向する端面までの部分が、メインコイルの周方向で隣り合う磁極の間に位置する凹部の１つである、ビーム出射経路の入口と１８０°反対側に存在する第１凹部に向かって折り曲げられていることが望ましい。
（Ａ３）好ましくは、上記の（Ａ１）において、上記の第１凹部に配置されたビーム電流測定装置が、一対の鉄心間に形成されるビーム周回領域内でビーム周回軌道が形成される、メインコイルの中心軸に垂直な軌道面内で、上記の第１凹部に配置されたビーム電流測定部と、ビーム電流測定部を軌道面内でメインコイルの半径方向に移動させる移動装置と、移動されるビーム電流測定部の、軌道面内での位置を検出する位置検出装置とを有していることが望ましい。
（Ａ４）好ましくは、上記の（Ａ１）において、上記の第１凹部に配置されたビーム電流測定装置によって測定されたビーム周回軌道の位置が所定の位置に存在しないとき、複数の磁極にそれぞれ取り付けられたトリムコイルにそれぞれ供給される励磁電流を制御する第１制御装置（例えば、コイル電流制御装置）を有していることが望ましい。
（Ｂ１）メインコイルの半径方向の複数の位置で、イオンビームをビーム周回軌道から離脱させるビーム離脱装置を備える加速器において、さらに好ましい構成を以下に説明する。
（Ｂ２）好ましくは、上記の（Ｂ１）において、加速器が、イオンビームが周回するビーム周回軌道が形成されるビーム周回領域を間に挟んで互いに結合されて一対の鉄心、及び一対の鉄心内にそれぞれ配置されたメインコイル、鉄心を貫通する、イオンビームの出射口であるビーム経路を備え、イオン源からのイオンが供給されてビーム周回領域に形成されるイオン入射部が、メインコイルの中心とは径方向に異なる位置に配置されることが望ましい。
（Ｂ３）好ましくは、上記の（Ｂ２）において、一対の鉄心のそれぞれに、複数の磁極及び複数の凹部が形成され、イオン入射部を取り囲むように、磁極と凹部が交互に配置され、ビーム離脱装置である偏向電磁石装置がイオン入射部に向かって１つの凹部内に配置されることが望ましい。
（Ｂ４）好ましくは、上記の（Ｂ３）において、偏向電磁石装置が、イオン入射部を基点にしてビーム出射経路の入口と１８０°反対側に位置する、凹部の１つである第１凹部に配置されることが望ましい。
（Ｂ５）好ましくは、上記の（Ｂ４）において、偏向電磁石装置を移動させる移動装置が設けられることが望ましい。
（Ｂ６）好ましくは、上記の（Ｂ３）において、偏向電磁石装置が配置された凹部に配置されたビーム電流測定装置が、一対の鉄心間に形成されるビーム周回領域内でビーム周回軌道が形成される、メインコイルの中心軸に垂直な軌道面内で、上記の凹部に配置されたビーム電流測定部と、ビーム電流測定部を軌道面内でメインコイルの半径方向に移動させる移動装置と、移動されるビーム電流測定部の、軌道面内での位置を検出する位置検出装置とを有していることが望ましい。
（Ｂ７）上記の（Ｂ２）の加速器、及びこの加速器から出射される前記イオンビームを出力する照射装置を備えた粒子線照射装置において、さらに好ましい構成を以下に説明する。
（Ｂ８）好ましくは、上記の（Ｂ７）において、照射装置を回転させる回転装置と、照射装置のビーム軸をビーム照射対象へのイオンビームの照射方向に設定するために回転装置の回転を制御する第１制御装置（例えば、回転制御装置）と、ビーム照射対象の、その照射方向において分割された複数の層のうちの或る層に、この層に到達するエネルギーを有するイオンビームを照射するために、移動装置を制御して、偏向電磁石装置の対向する励磁すべき一対の磁極を、そのエネルギーを有するイオンビームが周回するビーム周回軌道に位置決めし、電源を制御して励磁すべき一対の磁極を励磁する第２制御装置（例えば、マスレスセプタム制御装置）とを備えることが望ましい。
（Ｃ１）一対の鉄心のそれぞれの鉄心に形成された複数の磁極によって形成される、異なるエネルギーのイオンビームがそれぞれ周回する環状の複数のビーム周回軌道が、ビーム出射経路の入口において集束している加速器において、さらに好ましい構成を以下に説明する。
（Ｃ２）上記の（Ｃ１）の加速器において、中心が互いに偏心している複数の環状のビーム周回軌道が形成され、これらの環状ビーム周回軌道が、イオン入射部とビーム経路の入口の間で、ビーム出射経路の入口において集束しており、イオン入射部を基点にしてビーム経路の入口の１８０°反対側で環状ビーム周回軌道の相互の間隔が広くなっている軌道偏心領域が、イオン入射部の周囲に形成されることが望ましい。
（Ｃ３）上記の（Ｃ２）の加速器において、イオン入射部を中心する同心の複数の環状のビーム周回軌道が形成される軌道同心領域が形成され、上記軌道偏心領域が軌道同心領域を取り囲んでいることが望ましい。
本発明によれば、加速器から、エネルギーが異なる各イオンビームを効率良く出射することができる。
本発明の好適な一実施例である実施例１の粒子線照射装置の構成図である。 図１に示された粒子線照射装置に用いられる加速器の斜視図である。 図２に示された加速器の横断面図（図５及び図６のII−II断面図）である。 図２に示された加速器の入射用電極付近の拡大図である。 図２のＶ−Ｖ断面図である。 図２のVI−VI断面図である。 図２に示されたマスレスセプタムの側面図である。 図７のそれぞれのVIII−VIIIの方向の矢視図である。 図１に示された制御システムの詳細構成図である。 図２に示された加速器内に形成される複数のイオンビームの軌道、等時性線及び磁場分布を示す説明図である。 図３及び図１０に示された等時性線ＩＬ1に沿った磁極８Ｅと中間面との間のギャップの変化を示す説明図である。 図３及び図１０に示された等時性線ＩＬ2に沿った磁極８Ｅと中間面との間のギャップの変化を示す説明図である。 図３及び図１０に示された等時性線ＩＬ3に沿った磁極８Ｅと中間面との間のギャップの変化を示す説明図である。 イオンビームのエネルギーを変えたときにおけるイオンビームの進行方向における距離と磁場強度の関係を示す特性図である。 イオンビームのエネルギーを変えたときにおけるイオンビームの進行方向における距離とｎ値の関係を示す特性図である。 イオンビームの運動エネルギーによる１倍変調波、２倍変調波及び３倍変調波の変化を示す特性図である。 イオンビームの運動エネルギーによる水平方向及び垂直方向におけるそれぞれのベータトロン振動数の変化を示す特性図である。 イオンビームのエネルギーを変えたときにおけるイオンビームの進行方向における距離と水平β関数の関係を示す特性図である。 イオンビームのエネルギーを変えたときにおけるイオンビームの進行方向における距離と垂直β関数の関係を示す特性図である。 イオンビームの運動エネルギーに応じた、出射するイオンビームの蹴り出し量を示す説明図である。 マスレスセプタムで蹴り出されたイオンビームが、取り出し位置に達するまでの軌道を、イオンビームの進行方向における距離とイオンビームの水平方向の変位との関係を示す特性図である。 図７に示されたマスレスセプタムの対向する一対の磁極の励磁を示す説明図である。 図１に示された粒子線照射装置を用いた粒子線照射方法における加速器へのイオンの入射から、加速器からのイオンビームの取り出しまでの手順を示すフローチャートである。 真空容器の半径方向における位置とイオンビームの量（ビーム電流）との関係を示す説明図である。 運転中の粒子線照射装置の加速器における各状態量の変化を示す説明図である。 図１に示された粒子線照射装置を用いた粒子線照射方法における患者の患部へのイオンビームの照射の手順を示すフローチャートである。 本発明の他の好適な実施例である実施例２の粒子線照射装置の加速器内に形成されるビーム周回軌道を示す説明図である。 本発明の他の好適な実施例である実施例３の粒子線照射装置の構成図である。 本発明の他の好適な実施例である実施例４の粒子線照射装置の構成図である。 図２９に示された加速器の詳細横断面図である。 図２９に示された制御システムの詳細構成図である。 図２９に示された粒子線照射装置を用いた粒子線照射方法における患者の患部へのイオンビームの照射の手順を示すフローチャートである。 本発明の他の好適な実施例である実施例５の粒子線照射装置の構成図である。 図３３に示された加速器の詳細横断面図である。 図３３に示された粒子線照射装置を用いた粒子線照射方法における患者の患部へのイオンビームの照射の手順を示すフローチャートである。
本発明の他の好適な実施例である実施例６の粒子線照射装置の構成図である。 図３６に示された加速器の詳細横断面図（図３８のＢ−Ｂ断面図）である。 図３７のＡ−Ａ断面図である。 図３８に示されたマスレスセプタム付近の拡大図である。 図３９に示されたビーム電流測定装置の側面図である。 図４０のＤ−Ｄの方向の矢視図である。 本発明の他の好適な実施例である実施例７の粒子線照射装置の構成図である。 図４２に示された加速器の詳細横断面図である。 本発明の他の好適な実施例である実施例８の粒子線照射装置の真空容器付近での横断面図（図４５及び図４６のＧ−Ｇ断面図）である。 図４４のＥ−Ｅ断面図である。 図４４のＦ−Ｆ断面図である。 マスレスセプタムの他の配置例を示す説明図である。 本発明の他の好適な実施例である実施例９の粒子線照射装置の横断面図である。
発明者らは、サイクロトロンのようにイオンビームを連続的に取り出すことができ、シンクロトロンのようにエネルギーが異なるイオンビームを取り出すことができる加速器を実現するために種々の検討を行った。
発明者らがまず着目したのは、サイクロトロンの真空容器内を周回するイオンビームのビーム周回軌道の相互の間隔（真空容器の半径方向におけるビーム周回軌道相互の間隔）を広くすることである。このビーム周回軌道の間隔を広くする、すなわち、ビーム周回軌道相互間の間隔（ターンセパレーション）を大きくすることは、真空容器の直径が大きくなり、サイクロトロンが大型化する。これでは、加速器の小型化に反することになる。また、従来のサイクロトロンでは、真空容器内で同心円状のビーム周回軌道を描いており、高エネルギーでのターンセパレーションの確保が困難なため、エネルギーが異なる各イオンビームを効率良く出射することが困難であった。
サイクロトロンでは、円形の真空容器が用いられ、イオン源がこの真空容器の中心にイオンを入射するように真空容器の中心に連絡されている。発明者らは、サイクロトロンにおいて真空容器の中心に接続されているイオン源を、真空容器に形成されるビーム取り出し口側に移動させて真空容器に接続し、イオン源からのイオンを、真空容器の中心ではなく、ビーム取り出し口側にずれた位置で真空容器に入射させることを考えた。この結果、イオン源からイオンが入射されるイオン入射位置とビーム取り出し口の間で真空容器内に形成されるビーム周回軌道相互の間隔が密になり、真空容器におけるビーム取り出し口と１８０°反対側の位置とそのイオン入射位置との間では、イオン入射位置とビーム取り出し口の間とは逆に真空容器内に形成されるビーム周回軌道相互後の間隔を広くすることができた。
発明者らは、このようなビーム周回軌道の考え方を適用することによって、エネルギーが異なる各イオンビームを効率良く出射することができる新たな加速器を創成した。
以上に述べた発明者らが新たに創成した加速器を適用した本発明の各実施例を、図面を用いて以下に説明する。
本発明の好適な一実施例である実施例１の粒子線照射装置を、図１〜図８を用いて以下に説明する。
本実施例の粒子線照射装置１は、建屋（図示せず）内に配置されて建屋の床面に設置される。この粒子線照射装置１は、イオンビーム発生装置２、ビーム輸送系１３、回転ガントリー６、照射装置７及び制御システム６５を備えている。イオンビーム発生装置２は、イオン源３及びイオン源３が接続される加速器４を有する。本実施例で用いられる加速器４はエネルギー可変連続波加速器である。
ビーム輸送系１３は、照射装置７に達するビーム経路（ビームダクト）４８を有しており、このビーム経路４８に、加速器４から照射装置７に向かって、複数の四極電磁石４６、偏向電磁石４１、複数の四極電磁石４７、偏向電磁石４２、四極電磁石４９，５０及び偏向電磁石４３，４４をこの順に配置して構成されている。ビーム輸送系１３のビーム経路４８の一部は、回転ガントリー６に設置されており、偏向電磁石４２、四極電磁石４９，５０及び偏向電磁石４３，４４も回転ガントリー６に設置されている。ビーム経路４８は、加速器４に設けられた取り出し用のセプタム電磁石１９に形成されたビーム出射経路２０（図３参照）に接続される。回転ガントリー６は、回転軸４５を中心に回転され、照射装置７を回転軸４５の周りで旋回させる回転装置である。
照射装置７は、２台の走査電磁石（イオンビーム走査装置）５１，５２、ビーム位置モニタ５３及び線量モニタ５４を備えている。走査電磁石５１，５２、ビーム位置モニタ５３及び線量モニタ５４は、照射装置７の中心軸、すなわち、ビーム軸に沿って配置されている。走査電磁石５１，５２、ビーム位置モニタ５３及び線量モニタ５４は照射装置７のケーシング（図示せず）内に配置され、ビーム位置モニタ５３及び線量モニタ５４は走査電磁石５１，５２の下流に配置される。走査電磁石５１はイオンビームを照射装置７の中心軸に垂直な平面内において偏向させてｙ方向に走査し、走査電磁石５２はイオンビームをその平面内において偏向させてｙ方向と直交するｘ方向に走査する。照射装置７は、回転ガントリー６に取り付けられており、偏向電磁石４４の下流に配置される。患者５６が横たわる治療台５５が、照射装置７に対向するように配置される。
制御システム６５は、中央制御装置６６、加速器・輸送系制御装置６９、走査制御装置７０、回転制御装置８８及びデータベース７２を有する。中央制御装置６６は、中央演算装置（ＣＰＵ）６７及びＣＰＵ６７に接続されたメモリ６８を有する。加速器・輸送系制御装置６９、走査制御装置７０、回転制御装置８８及びデータベース７２は、ＣＰＵ６７に接続されている。荷電粒子ビーム照射システム１は治療計画装置７３を有しており、治療計画装置７３はデータベース７２に接続されている。
図９を用いて制御システム６５を詳細に説明する。加速器・輸送系制御装置６９は、入射用電極制御装置８３、ビーム電流測定部制御装置８４、電磁石制御装置８５、マスレスセプタム制御装置８６、コイル電流制御装置９４、高周波電圧制御装置９９及びメモリ１０７を含んでいる。走査制御装置７０は、イオンビーム確認装置８７、照射位置制御装置８９、線量判定装置９１、層判定装置９２及びメモリ７０を含んでいる。ＣＰＵ６７は、入射用電極制御装置８３、ビーム電流測定部制御装置８４、電磁石制御装置８５、マスレスセプタム制御装置８６、コイル電流制御装置９４、高周波電圧制御装置９９、メモリ１０７、イオンビーム確認装置８７、照射位置制御装置８９、線量判定装置９１、層判定装置９２及びメモリ７０に接続される。照射位置制御装置８９は入射用電極制御装置８３、電磁石制御装置８５及びマスレスセプタム制御装置８６に接続され、線量判定装置９１は入射用電極制御装置８３に接続される。層判定装置９２は照射位置制御装置８９に接続される。メモリ１０７は入射用電極制御装置８３、ビーム電流測定部制御装置８４、電磁石制御装置８５及びマスレスセプタム制御装置８６のそれぞれに接続され、メモリ７０が照射位置制御装置８９、線量判定装置９１及び層判定装置９２のそれぞれに接続される。
次に、加速器４の詳細な構成を、図３、図４、図５及び図６を用いて説明する。加速器４は、互いに対向する円形の鉄心１４Ａ及び１４Ｂを含む円形の真空容器２７を有する。鉄心１４Ａ及び１４Ｂは、後述するように、結合されて真空容器２７を形成し、加速器４の外殻を形成する。鉄心１４Ａはリターンヨーク５Ａ及び磁極７Ａ〜７Ｆを含み、鉄心１４Ｂはリターンヨーク５Ｂ及び磁極７Ａ〜７Ｆを含んでいる。磁極７Ａ〜７Ｆのそれぞれの具体的な構成は後述する。リターンヨーク５Ａは円形で所定の厚みを有するベース部７４Ａ及びベース部７４Ａの一面からこの一面に垂直な方向に伸びる筒状部（例えば、円筒部）７５Ａを有し、リターンヨーク５Ｂはベース部７４Ｂ及びベース部７４Ｂの一面からこの一面に垂直な方向に伸びる筒状部（例えば、円筒部）７５Ｂを有する（図５及び図６参照）。ベース部７４Ａが筒状部７５Ａの一端部を封鎖しているため、リターンヨーク５Ａは他端部が開放されている。ベース部７４Ｂが筒状部７５Ｂの一端部を封鎖しているため、リターンヨーク５Ｂは他端部が開放されている。真空容器２７を構成する鉄心１４Ａと鉄心１４Ｂの接触面である筒状部７５Ａと筒状部７５Ｂの接触面はシールされている。
鉄心１４Ａ及び１４Ｂ、具体的には、リターンヨーク５Ａ及び５Ｂは、図５及び図６に示されるようにそれぞれの開放されている部分を互いに向い合せ、筒状部７５Ａと筒状部７５Ｂを対向させた状態で互いに結合され、真空容器２７を構成する。本実施例では、真空容器２７を上記した建屋の床面に設置するためにリターンヨーク５Ｂを下方に位置させてその床面に設置し、リターンヨーク５Ａがリターンヨーク５Ｂの上に載っている（図６参照）。本実施例では、筒状部７５Ａ，７５Ｂは、リターンヨーク５Ａ，５Ｂのそれぞれの側壁を形成しており、真空容器２７の側壁になる。鉄心１４Ａの外側に配置されたイオン源３に接続されたイオン入射管３Ａは、リターンヨーク５Ａのベース部７４Ａに取り付けられてベース部７４Ａを貫通している。
リターンヨーク５Ａとリターンヨーク５Ｂが接触する位置で真空容器２７内に形成される一点鎖線で示された面は、中間面（メディアンプレーン）７７（図５及び図６参照）であり、真空容器２７内でイオンビームが加速されて周回する面である。また、中間面７７には、後述するように、異なるエネルギーを有するイオンビームのそれぞれが周回するビーム周回軌道が形成される。実際には、イオンビームは中間面７７に垂直な方向（真空容器２７の中心軸Ｃ）においてベータトロン振動をしながら周回するため、イオンビームは、中間面７７に垂直な方向において或る幅を有するビーム周回領域７６（図５及び図６参照）内を周回する。真空容器２７の中心軸Ｃは鉄心１４Ａ，１４Ｂの中心軸でもある。
吸引管２６が、イオン入射管３Ａの中心軸の延長線上に配置されてベース部７４Ｂを貫通し、ベース部７４Ｂに取り付けられる。ベース部７４Ｂの外面に取り付けられた真空ポンプ２５が吸引管２６に接続される。吸引管２６はビーム周回領域７６に開口している。
さらに、加速器４は、磁極７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ及び７Ｆ、高周波加速電極９Ａ，９Ｂ，９Ｃ及び９Ｄ、環状コイル１１Ａ及び１１Ｂ、マスレスセプタム１２、ビーム電流測定部１５、入射用電極１８及び取り出し用の前述のセプタム電磁石１９を有する。
環状コイル（好ましくは、円形コイル）１１Ｂはリターンヨーク５Ｂの筒状部７５Ｂの内側で筒状部７５Ｂの内面に沿って配置される（図３、図５及び図６参照）。環状コイル１１Ｂに接続される２本の引出配線２２は、筒状部７５Ｂを貫通して真空容器２７の外部に達している。環状コイル１１Ｂと同様に、環状コイル１１Ａはリターンヨーク５Ａの筒状部７５Ａの内側で筒状部７５Ａの内面に沿って配置される（図５及び図６参照）。環状コイル１１Ａにも、環状コイル１１Ｂと同様に、２本の引出配線（図示せず）が接続され、これらの引出配線は筒状部７５Ａを貫通して真空容器２７の外部に達している。真空容器２７の中心軸Ｃは、環状コイル１１Ａ，１１Ｂのそれぞれの中心軸である。環状コイル１１Ａ，１１Ｂのそれぞれの重心は、中心軸Ｃ上に位置している。環状コイル１１Ａ，１１Ｂは、環状のメインコイルである。
湾曲しているセプタム電磁石１９が、筒状部７５Ａ及び７５Ｂをそれぞれ貫通しており、リターンヨーク５Ｂの筒状部７５Ｂに取り付けられる。セプタム電磁石１９の真空容器２７内に位置する一端は、環状コイル１１Ａ，１１Ｂよりも内側に位置している。セプタム電磁石１９はビーム出射経路２０を形成している。セプタム電磁石１９の一端、及びビーム出射経路２０の一端である入口は、それぞれの、真空容器２７内に位置しており、環状コイル１１Ａ，１１Ｂの内側でこれらの内面近くに位置している。セプタム電磁石１９は、真空容器２７の中心軸Ｃ方向において環状コイル１１Ａと環状コイル１１Ｂの間に配置される。
磁極７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ及び７Ｆは鉄心１４Ａ，１４Ｂのそれぞれに形成される。鉄心１４Ａに形成された磁極７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ及び７Ｆのそれぞれは、リターンヨーク５Ａのベース部７４Ａから、筒状部７５Ａが伸びている方向に突出している。鉄心１４Ｂに形成された磁極７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ及び７Ｆのそれぞれは、リターンヨーク５Ｂのベース部７４Ｂから、筒状部７５Ｂが伸びている方向に突出している（図６参照）。高周波加速電極９Ａ，９Ｂ，９Ｃ及び９Ｄは、導波管１０Ａ〜１０Ｄのそれぞれを介して、リターンヨーク５Ａ及び５Ｂの筒状部７５Ａ及び７５Ｂのそれぞれに取り付けられる。リターンヨーク５Ｂに設けられた磁極７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ及び７Ｆ及び高周波加速電極９Ａ，９Ｂ，９Ｃ及び９Ｄのそれぞれは、環状コイル１１Ｂの内側に配置される（図３参照）。リターンヨーク５Ａに設けられた磁極７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ及び７Ｆ、高周波加速電極９Ａ，９Ｂ，９Ｃ及び９Ｄのそれぞれも、リターンヨーク５Ｂに設けられた磁極及び高周波加速電極と同様に、環状コイル１１Ａの内側に配置される。
リターンヨーク５Ｂにおける磁極７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ及び７Ｆ及び高周波加速電極９Ａ，９Ｂ，９Ｃ及び９Ｄのそれぞれの詳細な配置を、図３を用いて説明する。リターンヨーク５Ａにおける磁極７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ及び７Ｆのそれぞれの形状及び配置は、中間面７７に対して、リターンヨーク５Ｂにおける磁極７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ及び７Ｆのそれぞれの形状及び配置と対称になっており、さらに、リターンヨーク５Ａにおける高周波加速電極９Ａ，９Ｂ，９Ｃ及び９Ｄのそれぞれの形状及び配置は、中間面７７に対して、リターンヨーク５Ｂにおける高周波加速電極９Ａ，９Ｂ，９Ｃ及び９Ｄのそれぞれの形状及び配置と対称になっている。このため、リターンヨーク５Ａ内における各磁極及び各高周波加速電極の説明は省略する。
リターンヨーク５Ｂのベース部７４Ｂに形成された磁極７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ及び７Ｆは、ベース部７４Ｂから突出した凸部である（図６参照）。
リターンヨーク５Ｂにおいて、磁極７Ａ〜７Ｆのそれぞれと凹部２９Ａ〜２９Ｆのそれぞれは、リターンヨーク５Ｂの周方向において交互に配置される。すなわち、磁極７Ａと磁極７Ｂの間に凹部２９Ａ（第１凹部）が形成され、磁極７Ｂと磁極７Ｄの間に凹部２９Ｂが形成され、磁極７Ａと磁極７Ｃの間に凹部２９Ｆが形成される（図３、図４及び図６参照）。さらに、リターンヨーク５Ｂにおいて、磁極７Ｄと磁極７Ｆの間に凹部２９Ｃが形成され、磁極７Ｆと磁極７Ｅの間に凹部２９Ｄ（第２凹部）が形成され、磁極７Ｅと磁極７Ｃの間に凹部２９Ｅが形成される（図３、図４及び図５参照）。リターンヨーク５Ｂにおいて、磁極７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ及び７Ｆのそれぞれと筒状部７５Ｂの間に、環状コイル１１Ｂが配置される凹部２９Ｇがそれぞれ形成される（図３及び図６参照）。
イオン入射管３Ａの先端部は、リターンヨーク５Ａのベース部７４Ａに形成された磁極７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ及び７Ｆのそれぞれの先端によって取り囲まれている。入射用電極１８が、イオン入射管３Ａの先端に取り付けられており、中間面７７を横切った状態でビーム周回領域７６に配置される。イオン入射管３Ａの先端はビーム周回領域７６に連絡される。イオン入射管３Ａの先端に形成されたイオン入射口であるイオン注入口、及び入射用電極１８は、環状コイル１１Ａ，１１Ｂの中心軸Ｃとビーム出射経路２０の入口を結ぶ一点鎖線Ｘ上に配置され、環状コイル１１Ａ，１１Ｂの中心軸Ｃからビーム出射経路２０の入口側にずれて配置されている。すなわち、そのイオン注入口及び入射用電極１８は、その中心軸Ｃとは異なる位置に配置され、環状コイル１１Ａ，１１Ｂのそれぞれの重心とは異なる位置に配置されている。イオン注入口及び入射用電極１８は、鉄心１４Ａ，１４Ｂの中心軸Ｃとは異なる位置に配置されている。イオン注入口はイオンをビーム周回領域７６に入射するイオン入射口である。さらに、イオン注入口からのイオンを受け入れるイオン入射部１０９（図１０参照）は、最も内側のビーム周回軌道の内側に形成される領域であり、具体的には、入射用電極１８の周囲でビーム周回領域７６内に形成される。
入射用電極１８とビーム出射経路２０の入口の間に位置している凹部２９Ｄ（第２凹部）、及び入射用電極１８を基点にしてビーム出射経路２０の入口とは１８０°反対側に位置している凹部２９Ａ（第１凹部）は、一点鎖線Ｘに沿って一直線に配置されている。
本実施例の加速器は、ビーム周回軌道に沿った磁場分布に強弱をつけ強収束を得るために、対向する鉄心に複数の凸部（磁極）が形成されている。以下に、円形である鉄心の中心とは異なる軌道平面上の位置にイオン入射点を設けた本実施例加速器において、偏心したビーム周回軌道を形成する磁場分布を得るための、凸部（磁極）形状について説明する。なお、偏心したビーム周回軌道を形成するのに適切な鉄心及びその凸部（磁極）形状は加速するイオン粒子の質量や電荷等により異なり、図面に示された形状には限られない。図面及び以下に説明する磁極形状は、本発明を陽子に適用した場合の一例である。鉄心の中心は鉄心の中心軸上にある。
リターンヨーク５Ｂのベース部７４Ａに形成された磁極７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ及び７Ｆは、水平方向（中心軸Ｃに垂直な方向）において、イオン注入口、すなわち、入射用電極１８の位置を中心に放射状に配置される。これらの磁極のそれぞれの環状コイル１１Ｂの周方向における幅が入射用電極１８に向って減少している。これらの磁極の先端はそれぞれ尖っており、尖った各先端が入射用電極１８に対向している。磁極７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ及び７Ｆのそれぞれの環状コイル１１Ｂの周方向における幅は、それぞれの磁極の、環状コイル１１Ｂに対向している部分で最も大きくなる。
磁極７Ａは向き合っている２つの側面に形成される折れ曲り点２４Ａ，２４Ｂで、磁極７Ｂは向き合っている２つの側面に形成される折れ曲り点２４Ｃ，２４Ｄで、及び磁極７Ｃは向き合っている２つの側面に形成される折れ曲り点２４Ｅ，２４Ｆでそれぞれ折れ曲がっている（図４参照）。また、磁極７Ｄは向き合っている２つの側面に形成される折れ曲り点２４Ｇ，２４Ｈで、磁極７Ｅは向き合っている２つの側面に形成される折れ曲り点２４Ｉ，２４Ｊで、及び磁極７Ｆは向き合っている２つの側面に形成される折れ曲り点２４Ｋ，２４Ｌでそれぞれ折れ曲がっている（図４参照）。
磁極７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ及び７Ｆの、それぞれの折れ曲り点と環状コイル１１Ｂに対向する端面の間の部分は、凹部２９Ａ側に折れ曲がっている。すなわち、磁極７Ａ，７Ｃ及び７Ｅのそれぞれの折れ曲り点と環状コイル１１Ｂに対向する端面の間の部分は、イオンビームが周回する方向において凹部２９Ａ側に折れ曲がっている。磁極７Ｂ，７Ｄ及び７Ｆのそれぞれの折れ曲り点と環状コイル１１Ｂに対向する端面の間の部分は、イオンビームが周回する方向とは逆の方向において凹部２９Ａ側に折れ曲がっている。磁極７Ａ，７Ｂの各折れ曲り部分の折れ曲り角度の絶対値は同じである。磁極７Ｃ，７Ｄの各折れ曲り部分の折れ曲り角度の絶対値は同じであり、磁極７Ｅ，７Ｆの各折れ曲り部分の折れ曲り角度の絶対値は同じである。各磁極の折れ曲り角度の絶対値は、磁極７Ａ、磁極７Ｃ及び磁極７Ｅの順に増大する。磁極７Ｅ，７Ｆの折れ曲り角度の絶対値が最も大きい。
磁極７Ａの、折れ曲り点２４Ａ，２４Ｂと先端との間の部分、磁極７Ｂの、折れ曲り点２４Ｃ，２４Ｄと先端との間の部分、磁極７Ｃの、折れ曲り点２４Ｅ，２４Ｆと先端との間の部分、磁極７Ｄの、折れ曲り点２４Ｇ，２４Ｈと先端との間の部分、磁極７Ｅの、折れ曲り点２４Ｉ，２４Ｊと先端との間の部分、及び磁極７Ｆの、折れ曲り点２４Ｋ，２４Ｌと先端との間の部分は、水平方向において、入射用電極１８を中心に６０°ごとに配置される。
本実施例では、後述するように、入射用電極１８（イオン入射管３Ａのイオン注入口）を中心する軌道同心領域、及びこの軌道同心領域を取り囲む軌道偏心領域が形成される。軌道同心領域は、磁極７Ａ〜７Ｆのそれぞれの折れ曲り点の内側の一定領域に形成される。よって、各磁極の折れ曲がり点の内側の形状は、６セクターのラジアルセクタ型ＡＶＦサイクロトロンと類似した形状を有している。軌道同心領域では、軌道同心領域内に形成されるそれぞれの環状ビーム周回軌道の中心はエネルギーが異なるイオンビームが周回する環状ビーム周回軌道ごとに変化しない。つまり、ビーム周回軌道の周期の中の所定タイミングで、又は、ビーム周回軌道の中心に対して放射状に磁極が設置された所定の周回角度間において、磁場の強弱、つまりビームの収束及び発散が得られるようにそれらの磁極が形成されている。
一点鎖線Ｘに対して、磁極７Ａと磁極７Ｂが、磁極７Ｃと磁極７Ｄが、磁極７Ｅと磁極７Ｆが、凹部２９Ｆと凹部２９Ｂが、及び凹部２９Ｅと凹部２９Ｃが、それぞれ対称の形状を有している。また、鉄心１４Ａ，１４Ｂのそれぞれに形成された６個の磁極（凸部）７Ａ〜７Ｆのうち磁極７Ａ，７Ｃ及び７Ｅは、環状コイルの中心軸Ｃとビーム出射経路２０の入口を結ぶ直線に対して、磁極７Ｂ，７Ｄ及び７Ｆと線対称に設置されている。同時に本実施例に示す磁極形状は、円形な鉄心の中心に対しても、環状コイルの重心に対しても、イオン入射点に対しても、全体として回転対称には設置されていない。その理由は、エネルギーごとに徐々にそのビーム周回軌道の中心が変位していても、各ビーム周回軌道の周期の中の所定タイミングで、又は、結果的にそれぞれのビーム周回軌道の中心に対して概ね同様の周回角度で、磁場の強弱、つまりビームの収束及び発散を得るためである。このため、磁極形状は、ビーム周回軌道の中心がずれる方向に対して線対称であって、中心がずれる逆方向に向かって斜めに傾くように設置されることとなり、つまり回転対称ではない形状となる。このような磁極形状では、６つの磁極部分の全体の重心は、鉄心の中心からビーム周回軌道の中心がずれる逆方向に変位するため、鉄心の中心と６つの磁極部分全体の重心は異なる水平面上の座標に位置する。磁極形状とビーム周回軌道の関連性については、図１０を用いた詳細な説明を後述する。
トリムコイル８Ａが磁極７Ａに設置され、引出配線２１Ａ，２１Ｂがトリムコイル８Ａの両端にそれぞれ接続される。トリムコイル８Ｂが磁極７Ｂに設置され、引出配線２１Ｃ，２１Ｄがトリムコイル８Ｂの両端にそれぞれ接続される。トリムコイル８Ｃが磁極７Ｃに設置され、引出配線２１Ｅ，２１Ｆがトリムコイル８Ｃの両端にそれぞれ接続される。トリムコイル８Ｄが磁極７Ｄに設置され、引出配線２１Ｇ，２１Ｈがトリムコイル８Ｄの両端にそれぞれ接続される。トリムコイル８Ｅが磁極７Ｅに設置され、引出配線２１Ｉ，２１Ｊがトリムコイル８Ｅの両端にそれぞれ接続される。トリムコイル８Ｆが磁極７Ｆに設置され、引出配線２１Ｌ，２１Ｋがトリムコイル８Ｆの両端にそれぞれ接続される。引出配線２１Ａ〜２１Ｋのそれぞれが、環状コイル１１Ａと環状コイル１１Ｂの間を通って筒状部７５Ｂを貫通し、真空容器２７の外部に取り出される。
トリムコイル８Ａ〜８Ｆのそれぞれは、中間面７７において等時性磁場を生成するために、そこに発生させたい磁場に応じて磁極７Ａ〜７Ｆのそれぞれに設置されるため、設置されたトリムコイルの間隔は一定ではない。磁極７Ａ〜７Ｆのそれぞれにおいて、入射用電極１８側よりも環状コイルの内面に近いほど、設置されたトリムコイルの間隔は狭くなる。さらに、磁極７Ａ，７Ｃ及び７Ｅでは、磁極７Ａ，７Ｃ及び７Ｅの順に設置されたトリムコイルの間隔は狭くなる。磁極７Ｂ，７Ｄ及び７Ｆでは、磁極７Ｂ，７Ｄ及び７Ｆの順に設置されたトリムコイルの間隔は狭くなる。ビーム出射経路２０の入口付近において環状コイルの半径方向の狭い範囲に幅広いエネルギービーム周回軌道７８が集束するので、ビーム出射経路２０の入口に隣接している磁極７Ｅ及び７Ｆでは、設置されたトリムコイルの間隔が、必要となる急なその半径の磁場勾配及び高エネルギーのビーム周回軌道に対応するためにそれらの外周部において狭くなっている。
リターンヨーク５Ｂ内での高周波加速電極９Ａ，９Ｂ，９Ｃ及び９Ｄの配置を、図３及び図６を用いて説明する。
高周波加速電極９Ａは、磁極７Ａと磁極７Ｃの間で凹部２９Ｆ内に配置され、導波管１０Ａに接続される。高周波加速電極９Ａは、凹部２９Ｆ内で折れ曲り点２４Ｂ及び２４Ｅと環状コイル１１Ｂの間に配置される。高周波加速電極９Ｂは、磁極７Ｂと磁極７Ｄの間で凹部２９Ｂ内に配置され、導波管１０Ｂに接続される。高周波加速電極９Ｂは、凹部２９Ｂ内で折れ曲り点２４Ｄ及び２４Ｇと環状コイル１１Ｂの間に配置される。高周波加速電極９Ａ及び９Ｂは、イオン注入口側の端面を、高周波加速電極９Ａ及び９Ｂのそれぞれの折れ曲がり点とイオン注入口の間の中間点に位置させてもよい。導波管１０Ａ及び１０Ｂは、環状コイル１１Ａと環状コイル１１Ｂの間を通って筒状部７５Ｂを貫通し、真空容器２７の外部に取り出される。高周波加速電極９Ａ，９Ｂでは、環状コイル１１Ｂの周方向における幅が入射用電極１８から環状コイル１１Ｂに向って増大している。
高周波加速電極９Ｃは、磁極７Ｃと磁極７Ｅの間で凹部２９Ｅ内に配置され、導波管１０Ｃに接続される。高周波加速電極９Ｃは、２つの側面に形成される折れ曲り点２４Ｍ及び２４Ｎ（図４参照）で折れ曲っている。高周波加速電極９Ｃの、折れ曲り点２４Ｍ及び２４Ｎと環状コイル１１Ｂに対向する端面の間の部分が、イオンビームが周回する方向において、凹部２９Ａ（第１凹部）側に折れ曲がっている。高周波加速電極９Ｃの、環状コイル１１Ｂの周方向における幅は、折れ曲り点２４Ｍ及び２４Ｎのそれぞれの折れ曲がった位置から先端に向かって減少し、これらの折れ曲がり点から環状コイル１１Ｂに対向する端面に向って増加する。高周波加速電極９Ｄは、磁極７Ｄと磁極７Ｆの間で凹部２９Ｃ内に配置され、導波管１０Ｄに接続される。高周波加速電極９Ｄは、２つの側面に形成される折れ曲り点２４Ｏ及び２４Ｐ（図４参照）で折れ曲っている。高周波加速電極９Ｄの、折れ曲り点２４Ｏ及び２４Ｐと環状コイル１１Ｂに対向する端面の間の部分が、イオンビームが周回する方向とは逆の方向において、凹部２９Ａ（第１凹部）側に折れ曲がっている。高周波加速電極９Ｄの、環状コイル１１Ｂの周方向における幅が、折れ曲り点２４Ｏ及び２４Ｐのそれぞれの折れ曲がった位置から先端に向かって減少し、これらの折れ曲がり点から環状コイル１１Ｂに対向する端面に向って増加する。導波管１０Ｃ，１０Ｄは、環状コイル１１Ａと環状コイル１１Ｂの間を通って筒状部７５Ｂを貫通し、真空容器２７の外部に取り出される。高周波加速電極９Ｃ及び９Ｄのそれぞれの先端は、入射用電極１８側に位置しており、入射用電極１８が設置されたイオン入射領域で、互いに接続される。入射用電極１８は、高周波加速電極９Ｃと高周波加速電極９Ｄの接続部に面し、この接続部から離れた状態でビーム周回領域７６内に配置される。
凹部２９Ａ、入射用電極１８及び凹部２９Ｄは、真空容器２７の中心軸Ｃを通る一点鎖線Ｘに沿って配置される。
リターンヨーク５Ａのベース部７４Ａに形成された磁極７Ａ〜７Ｆのそれぞれは、図６に示すように、筒状部７５Ａから突出した凸部である。リターンヨーク５Ａにおいても、リターンヨーク５Ｂと同様に、磁極７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ及び７Ｆのそれぞれと筒状部７５Ａの間に、環状コイル１１Ａが配置される凹部２９Ｇがそれぞれ形成される（図６参照）。
リターンヨーク５Ａとリターンヨーク５Ｂが向き合って互いに結合された状態では、磁極７Ａ同士、磁極７Ｂ同士、磁極７Ｃ同士、磁極７Ｄ同士、磁極７Ｅ同士及び磁極７Ｆ同士が互いに対向している。リターンヨーク５Ａとリターンヨーク５Ｂのそのような結合状態では、凹部２９Ａ同士、凹部２９Ｂ同士、凹部２９Ｃ同士、凹部２９Ｄ同士、凹部２９Ｅ同士及び凹部２９Ｆ同士も互いに対向している。
また、中間面７７に対して、リターンヨーク５Ａ及び５Ｂのそれぞれに形成された磁極７Ａ同士が、磁極７Ｂ同士が、磁極７Ｃ同士が、磁極７Ｄ同士が、磁極７Ｅ同士が及び磁極７Ｆ同士が、さらに、リターンヨーク５Ａ及び５Ｂのそれぞれに形成された凹部２９Ａ同士が、凹部２９Ｂ同士が、凹部２９Ｃ同士が、凹部２９Ｄ同士が、凹部２９Ｅ同士が及び凹部２９Ｆ同士が、それぞれ対称となる形状を有する。
リターンヨーク５Ａに形成された凹部２９Ａの底面９５とリターンヨーク５Ｂに形成された凹部２９Ａの底面９５は、図５に示すように、イオン入射管３Ａの位置で互いに最も接近している。真空容器２７において、これらの底面９５は、入射用電極１８を基点にしてビーム出射経路２０の入口とは１８０°反対側、具体的には凹部２９Ａに配置されたマスレスセプタム１２に向かって傾斜面となっており、これらの底面９５間の、中心軸Ｃ方向の幅も、イオン入射管３Ａからマスレスセプタム１２に向かって徐々に広くなる。マスレスセプタム１２が配置された位置で、リターンヨーク５Ａに形成された凹部２９Ａの底面９５とリターンヨーク５Ｂに形成された凹部２９Ａの底面９５の間の幅は、これらの底面９５間に形成される幅内で最も広くなっている。
リターンヨーク５Ａに形成された凹部２９Ｄの底面９５とリターンヨーク５Ｂに形成された凹部２９Ｄの底面９５も、図５に示すように、イオン入射管３Ａの位置で互いに最も接近している。真空容器２７において、これらの底面９５は、イオン入射管３Ａの位置からセプタム電磁石１９に向かって傾斜面となっており、これらの底面９５間の、中心軸Ｃ方向の幅も、イオン入射管３Ａからセプタム電磁石１９に向かって徐々に広くなる。リターンヨーク５Ａに形成された凹部２９Ｄの環状コイル１１Ａが配置される部分の底面９５とリターンヨーク５Ｂに形成された凹部２９Ｄの環状コイル１１Ａが配置される部分の底面９５の間の幅は、リターンヨーク５Ａに形成された凹部２９Ａのマスレスセプタム１２が配置される部分の底面９５とリターンヨーク５Ｂに形成された凹部２９Ａのマスレスセプタム１２が配置される部分の底面９５の間の幅と同じである。
鉄心１４Ａでは、磁極７Ａ〜７Ｆ、ベース部７４Ａ及び筒状部７５Ａが一体になって鉄心１４Ａが構成される。鉄心１４Ｂでは、磁極７Ａ〜７Ｆ、ベース部７４Ｂ及び筒状部７５Ｂが一体になって鉄心１４Ｂが構成される。
図６に示すように、リターンヨーク５Ａの磁極７Ａとこれと対向しているリターンヨーク５Ｂの磁極７Ａの間には、間隙２８Ａが形成され、真空容器２７の軸方向において対向する磁極７Ｂ間には、前述の間隙２８Ｂが形成され、リターンヨーク５Ａの磁極７Ｃとこれと対向しているリターンヨーク５Ｂの磁極７Ｃの間には、間隙２８Ｃが形成され、及びリターンヨーク５Ａの磁極７Ｄとこれと対向しているリターンヨーク５Ｂの磁極７Ｄの間には、間隙２８Ｄが形成される。図示されていないが、リターンヨーク５Ａの磁極７Ｅとこれと対向しているリターンヨーク５Ｂの磁極７Ｅの間及びリターンヨーク５Ａの磁極７Ｆとこれと対向しているリターンヨーク５Ｂの磁極７Ｆの間にも、間隙がそれぞれ形成される。さらに、リターンヨーク５Ａの高周波加速電極９Ａとこれと対向しているリターンヨーク５Ｂの高周波加速電極９Ａの間にも間隙が形成され、リターンヨーク５Ａの高周波加速電極９Ｂとこれと対向しているリターンヨーク５Ｂの高周波加速電極９Ｂの間にも間隙が形成される。図示されていないが、リターンヨーク５Ａの高周波加速電極９Ｃとこれと対向しているリターンヨーク５Ｂの高周波加速電極９Ｃの間及びリターンヨーク５Ａの高周波加速電極９Ｄとこれと対向しているリターンヨーク５Ｂの高周波加速電極９Ｄの間にも、同様に、間隙がそれぞれ形成されている。
前述した各磁極の相互間に形成された間隙及び各高周波加速電極の相互間に形成された間隙は、全て、中間面７７を内包しており、イオンビームが水平方向において周回するビーム周回領域７６を形成する。
マスレスセプタム１２が、リターンヨーク５Ａ，５Ｂのそれぞれに形成された凹部２９Ａ内に配置され（図５参照）、磁極７Ａと磁極７Ｂの間に位置している。このマスレスセプタム１２を、図７及び図８を用いて詳細に説明する。マスレスセプタム１２及び後述のエネルギー吸収体６２は、それぞれ、イオンビームを、これが周回しているビーム周回軌道からずらすビーム離脱装置である。
マスレスセプタム１２は、鉄心部材３０、及びコイル３３Ａ，３３Ｂを有する。鉄心部材３０は、鉄製の鉄心部３１Ａ，３１Ｂ及び鉄製の連結部３１Ｃを有する。平板状の鉄心部３１Ａ及び平板状の鉄心部３１Ｂは互いに対向して平行に配置され、鉄心部３１Ａ及び３１Ｂのそれぞれの一端部が連結部３１Ｃによって連結される。鉄心部３１Ａの、鉄心部３１Ｂに対向する面には、突出部である複数（例えば、２８個）の磁極３２Ａが形成され、これらの磁極３２Ａは鉄心部３１Ａの長手方向において所定の間隔を持って一列に配置される。コイル３３Ａがそれぞれの磁極３２Ａに別々に巻き付けられている。鉄心部３１Ｂの、鉄心部３１Ａに対向する面には、突出部である複数（例えば、２８個）の磁極３２Ｂが形成され、これらの磁極３２Ｂは鉄心部３１Ｂの長手方向において所定の間隔を持って一列に配置されている。コイル３３Ｂがそれぞれの磁極３２Ｂに別々に巻き付けられている。
各コイル３３Ａの両端には、配線２３Ａが一本ずつ接続される。複数の配線２３Ａは束ねられ、図８に示すように、配線２３Ａの一つの束が鉄心部３１Ａの一つの側面に取り付けられ、配線２３Ａの他の束が鉄心部３１Ａの他の側面に取り付けられる。また、各コイル３３Ｂの両端には、配線２３Ｂが一本ずつ接続される。複数の配線２３Ｂも束ねられ、図８に示すように、配線２３Ｂの一つの束が鉄心部３１Ｂの一つの側面に取り付けられ、配線２３Ｂの他の束が鉄心部３１Ｂの他の側面に取り付けられる。
鉄心部３１Ａに形成された複数の磁極３２Ａと鉄心部３１Ｂに形成された複数の磁極３２Ｂは、一つずつの磁極３２Ａと一つずつの磁極３２Ｂが対向して配置される。磁極３２Ａのそれぞれと磁極３２Ｂのそれぞれの間には、周回するイオンビームが通過する間隙であるビーム通路３５が形成される。ビーム通路３５は中間面７７の一部を内包する。
棒状の操作部材１６の一端部がマスレスセプタム１２の貫通孔３１Ｄを形成した連結部３１Ｃに取り付けられる。この操作部材１６は、マスレスセプタム１２の支持部材でもあり、ピストン及びシリンダを有する移動装置１７のピストンに接続される（図３参照）。マスレスセプタム１２の真空容器２７内での位置を検出する位置検出器３８が、移動装置１７に取り付けられる（図１参照）。操作部材１６は、環状コイル１１Ａと環状コイル１１Ｂの間に配置され、例えば、リターンヨーク５Ｂの筒状部７５Ｂを貫通して筒状部７５Ｂに摺動可能に取り付けられる。移動装置１７はモータであってもよい。移動装置１７としてモータを用いるとき、位置検出器３８としてエンコーダを用い、このエンコーダをモータの回転軸に連結する。
マスレスセプタム１２は、リターンヨーク内に配置された環状コイルの半径方向における異なる位置でイオンビームを偏向させる偏向電磁石装置である。
ビーム電流測定装置９８は、ビーム電流測定部１５、移動装置１７Ａ及び位置検出器３９を含んでいる。ビーム電流測定部１５が、真空容器２７内の中間面７７において、凹部２９Ａの位置で真空容器２７の中心軸Ｃ及び入射用電極１８を通る一点鎖線Ｘ上に配置される（図３参照）。ビーム電流測定部１５に接続された棒状の操作部材１６Ａが真空容器２７を貫通して真空容器２７の外部まで伸びている。操作部材１６Ａは、ビーム電流測定部１５の支持部材でもあり、真空容器２７の外部で、ピストン及びシリンダを有する移動装置１７Ａのピストンに接続される。操作部材１６Ａは、環状コイル１１Ａと環状コイル１１Ｂの間に配置され、例えば、リターンヨーク５Ｂの筒状部７５Ｂを貫通して筒状部７５Ｂに摺動可能に取り付けられる。ビーム電流測定部１５の真空容器２７内での位置を検出する位置検出器３９が、移動装置１７Ａに取り付けられる（図１参照）。移動装置１７Ａはモータであってもよい。移動装置１７Ａとしてモータを用いる場合には、位置検出器３９としてエンコーダを用い、このエンコーダをモータの回転軸に連結する。
操作部材１６Ａは、連結部３１Ｃに形成された貫通孔３１Ｄを通してマスレスセプタム１２の複数の磁極３２Ａと複数の磁極３２Ｂの間に形成されたビーム通路３５内に挿入される（図５参照）。このため、操作部材１６Ａが一点鎖線Ｘに沿って真空容器２７の半径方向に移動するとき、ビーム電流測定部１５が中間面７７内でビーム通路３５内を移動する。この際、マスレスセプタム１２の各磁極３２Ａの端面に沿った一点鎖線Ｘ上で凹部２９Ａの位置では、ビーム周回軌道７８相互間の間隔が広くなっているため、ビーム電流測定部１５を環状コイルの半径方向において一点鎖線Ｘ上に移動して計測することで、各ビーム周回軌道７８でのビーム電流の計測を容易に実施できる。
高周波加速電極９Ｄに接続された導波管１０Ｄが、高周波電源３６に接続される（図１参照）。他の高周波加速電極９Ａ，９Ｂ及び９Ｃに接続された導波管１０Ａ，１０Ｂ及び１０Ｃのそれぞれも、図示されていないが、高周波加速電極ごとに設けられた各高周波電源３６に接続される。磁極７Ｂに設けられたトリムコイル８Ｂの両端にそれぞれ接続された引出配線２１Ｃ，２１Ｄが、電源３７に接続される（図１参照）。他の磁極７Ａ及び７Ｃ〜７Ｆのそれぞれに設けられたトリムコイル８Ａ及び８Ｃ〜８Ｆのそれぞれの両端に接続された前述の各引出配線も、図示されていないが、磁極ごとに設けられた各電源３７に接続される。以上の高周波電源及び磁極はリターンヨーク５Ｂ内に存在するが、リターンヨーク５Ａにおいても、高周波加速電極９Ａ〜９Ｄのそれぞれが別々の高周波電源３６に接続され、磁極７Ａ〜７Ｆのそれぞれが別々の電源３７に接続される。さらに、入射用電源１８は、配線８１によって電源８２に接続される（図１参照）。
リターンヨーク５Ｂに設けられた環状コイル１１Ｂに接続された２本の引出配線２２は電源５７に接続される（図１参照）。リターンヨーク５Ａに設けられた環状コイル１１Ａに接続された２本の引出配線２２は、上記の電源５７に接続される。マスレスセプタム１２の各磁極３２Ａ，３２Ｂごとに巻き付けられたコイル３３Ａ，３３Ｂの一つ一つに接続された前述の各配線２３Ａ，２３Ｂは、一つの電源４０に接続される（図１参照）。
電源５７から各引出配線２２を通して環状コイル１１Ａ，１１Ｂに励磁電流を供給する。この励磁電流の作用によって、鉄心１４Ａ，１４Ｂが磁化される。それぞれの電源３７からの励磁電流が、引出配線２１Ａ、引出配線２１Ｃ、引出配線２１Ｅ、引出配線２１Ｇ、引出配線２１Ｇ、引出配線２１Ｉ及び引出配線２１Ｋを通して、磁極７Ａ〜７Ｆに設けられたトリムコイル８Ａ〜８Ｆに供給され、磁極７Ａ〜７Ｆのそれぞれを励磁する。イオン源３を起動する。各高周波電源３６からの高周波電圧を、導波管１０Ａ〜１０Ｄのそれぞれを通して高周波加速電極９Ａ〜９Ｄのそれぞれに印加する。入射用電極１８に電源８２からの電圧を印加する。
鉄心１４Ａ，１４Ｂが磁化されることによって、リターンヨーク５Ｂに形成された磁極７Ａ〜７Ｆのそれぞれ、これらの磁極のそれぞれと対向するリターンヨーク５Ａに形成された磁極７Ａ〜７Ｆのそれぞれ、リターンヨーク５Ａのベース部７４Ａ、リターンヨーク５Ａの筒状部７５Ａ、リターンヨーク５Ｂの筒状部７５Ｂ、リターンヨーク５Ｂのベース部７４Ｂ及びリターンヨーク５Ｂに形成された磁極７Ａ〜７Ｆのそれぞれの閉じた磁気回路で発生する。このとき、リターンヨーク５Ｂに形成された凹部２９Ａ〜２９Ｆのそれぞれの底面９５から、各底面９５に対向する、リターンヨーク５Ａに形成された凹部２９Ａ〜２９Ｆのそれぞれの底面９５に向かう磁力線も発生する。対向する底面９５間で発生する磁力線は、対向する磁極間で発生する磁力線よりも少なくなる。対向する磁極（凸部）間に形成される磁場は、対向する凹部間に形成される磁場よりも高くなる。
この結果、真空容器２７内の中間面７７において、図１０に示す磁場分布が形成される。この磁場分布は等時性磁場の分布を示している。等時性磁場は、加速されるイオンビームのエネルギーが増加してこのイオンビームが周回するビーム周回軌道の半径が大きくなってもイオンビームが一周する時間が変わらない磁場である。この等時性磁場は、磁極７Ａ〜７Ｆによって形成される。図１０に示された「高」は磁場強度が高い領域を示し、「低」は磁場強度が低い領域を示している。磁場強度が高い領域と磁場強度が低い領域は、イオン注入口、すなわち、入射用電極１８の周囲に交互に形成される。磁場強度が高い領域において最も高い磁場強度は、例えば、２．２Ｔであり、磁場強度が低い領域において最も低い磁場強度は、例えば、０．８４Ｔである。本実施例では、磁場強度が高い領域及び磁場強度が低い領域は、それぞれ６つ存在する。入射用電極１８の位置とセプタム電磁石１９の位置（図１０では、ビーム周回軌道７８がセプタム電磁石１９側にずれて複数のビーム周回軌道７８が集約されている点（集約点））が一致するように図３と図１０を重ねた時、磁場強度が高い６つの領域は、図３に示された磁極７Ａ〜７Ｆのうちのそれぞれ一つと重なる。すなわち、磁場強度が高い各領域には、各磁極が配置されている。また、磁場強度が低い６つの領域は、図３に示された凹部２９Ａ〜２９Ｆのうちのそれぞれ一つと重なる。すなわち、磁場強度が低い各領域には、各凹部が配置される。
イオン源３Ａから放出されたイオン（例えば、陽子（Ｈ+））は、イオン入射管３Ａを通してビーム周回領域７６に入射され、電圧が印加された入射用電極１８の作用によってビーム周回領域７６において進行方向を水平方向に曲げられる。入射された陽子は、磁極７Ａ〜７Ｆのそれぞれ及び環状コイル１１Ａ，１１Ｂが励磁された状態で、高周波加速電極９Ａ〜９Ｄのそれぞれによって加速される。陽子は、入射用電極１８に近い領域では、高周波加速電極９Ｃ及び９Ｄによって加速され、環状コイル１１Ａ，１１Ｂに近い領域では、高周波加速電極９Ａ〜９Ｄによって加速される。加速された陽子は、陽子イオンビーム（以下、単にイオンビームという）となって入射用電極１８の周囲に形成されるビーム周回軌道に沿って中間面７７において周回する。具体的には、イオンビームは、中間面７７に垂直な方向においてベータトロン振動をするため、中間面７７を中心にしてその垂直な方向において所定の幅を有するビーム周回領域７６内で周回する。
図１０は、環状コイル１１Ｂ内側で中間面７７での各ビーム周回軌道７８、及び磁場強度の分布を示しており、さらに複数の等時性線７９を示している。等時性線とは、同一の時刻に存在する周回中のイオン（例えば、陽子）の位置を結んだ線である。図１０に点線で示された各等時性線７９は、入射用電極１８から放射状に伸びて途中（３５ＭｅＶのイオンビームのビーム周回軌道の位置）で曲がっている。リターンヨーク５Ａ，５Ｂに設けられた磁極７Ａ〜７Ｆの側面は、図１０に示された該当する等時性線７９に一致している。
加速器４において、ビーム周回領域７６内に形成されるビーム周回軌道７８は、図１０に示すように、複数の軌道となる。図１０には、イオンビームのエネルギーが２５０ＭｅＶ以下の範囲において、０．５ＭｅＶ以下のエネルギー領域では０．２５ＭｅＶごとに、０．５ＭｅＶを超えて１ＭｅＶ以下の範囲のエネルギー領域では０．５ＭｅＶごとに、１ＭｅＶを超えて１０ＭｅＶ以下の範囲のエネルギー領域では１ＭｅＶごとに、１０ＭｅＶを超えて５０ＭｅＶ以下のエネルギー領域では５ＭｅＶごとに、５０ＭｅＶを超えて１００ＭｅＶ以下の範囲のエネルギー領域では１０ＭｅＶごとに、１００ＭｅＶを超えて２２０ＭｅＶ以下の範囲のエネルギー領域では２０ＭｅＶごとに、２２０ＭｅＶを超えて２５０ＭｅＶまでの範囲のエネルギー領域では１５ＭｅＶごとに、ビーム周回軌道７８が示されている。
３５ＭｅＶ以下のエネルギーを有する各イオンビームが周回するそれぞれのビーム周回軌道７８は、入射用電極１８を中心とする環状ビーム周回軌道である。３５ＭｅＶを超えるエネルギーを有する各イオンビームが周回するそれぞれのビーム周回軌道７８は、入射用電極１８から偏心している環状ビーム周回軌道である。この結果、入射用電極１８とセプタム電磁石１９の間では、３５ＭｅＶを超えるエネルギーを有する各イオンビームのそれぞれのビーム周回軌道７８の中心は、ビーム出射経路２０の入口から離れるようにずれており、ビーム出射経路２０の入口側でビーム周回軌道７８相互間の間隔が密になっている。特に、６０ＭｅＶを超えるエネルギーを有する各イオンビームのそれぞれのビーム周回軌道７８は、ビーム出射経路２０の入口側で特定の範囲内に集約される。また、入射用電極１８を基点としてビーム出射経路２０の入口とは１８０°反対側では、３５ＭｅＶを超えるエネルギーを有する各イオンビームのそれぞれのビーム周回軌道７８は、入射用電極１８とビーム出射経路２０の入口の間でビーム周回軌道７８相互間の間隔が密になる分、ビーム周回軌道７８相互間の間隔が広くなっている。
イオン入射管３Ａを通過して入射用電極１８により、ビーム周回領域７６内で水平方向に曲げられた陽子は、低いエネルギーを有するイオンビームとなって低いエネルギーのイオンビームが周回するビーム周回軌道に沿って周回する。このイオンビームは、高周波電圧が印加された高周波加速電極９Ｃの折れ曲り点２４Ｍ及び２４Ｎと先端との間の部分、及び高周波電圧が印加された高周波加速電極９Ｄの折れ曲り点２４Ｏ及び２４Ｐと先端との間の部分で加速され、外側に位置するビーム周回軌道７８に移行する。例えば、１０ＭｅＶのイオンビームのビーム周回軌道７８を周回している１０ＭｅＶのイオンビームは、高周波加速電極９Ｃ，９Ｄの上記の部分で加速されて、外側に位置する、１１ＭｅＶのイオンビームのビーム周回軌道７８に移行し、このビーム周回軌道８に沿って周回する。このように、周回するイオンビームは、加速されて、外側のビーム周回軌道７８に、順次、移行し、例えば、１１９ＭｅＶのイオンビームのビーム周回軌道７８に移行したとする。このビーム周回軌道７８を周回する、１１９ＭｅＶのイオンビームは、高周波加速電極９Ａ〜９Ｄによって加速され、外側の２２０ＭｅＶのイオンビームのビーム周回軌道７８に向けて移行する。
２２０ＭｅＶのイオンビームのビーム周回軌道７８に沿って周回している２２０ＭｅＶのイオンビームは、マスレスセプタム１２によってそのビーム周回軌道７８から蹴り出されることによって、すなわち、そのビーム周回軌道７８から離脱されることによって、セプタム電磁石１９に形成されたビーム出射経路２０を通してビーム輸送系１３のビーム経路４８に出射される。また、１４０ＭｅＶのイオンビームのビーム周回軌道７８に沿って周回している１４０ＭｅＶのイオンビームは、マスレスセプタム１２によって蹴り出されることによって、ビーム出射経路２０を通してビーム経路４８に出射される。このように、イオンビーム発生装置２の加速器４からエネルギーが異なるイオンビームを出射することができる。このようなイオンビームの出射は、入射用電極１８とビーム出射経路２０の入口の間で各ビーム周回軌道７８がビーム出射経路２０の入口側にずれてビーム周回軌道７８相互間の間隔が密になり、入射用電極１８を基点にしてビーム出射経路２０の入口とは１８０°反対側で、ビーム周回軌道７８相互間の間隔が広くなっていることにより、実現されるのである。特に、後述の軌道偏心領域において、エネルギーが異なるイオンビームが周回する複数のビーム周回軌道７８がビーム出射経路２０の入口側に集約されていることが、エネルギーが異なるイオンビームの出射に貢献する。なお、マスレスセプタム１２の機能の詳細については、後述する。
本実施例に用いられる加速器４は、ビーム周回領域７６内のビーム周回軌道７８が形成される中間面７７に、入射用電極１８（イオン入射管３Ａのイオン注入口）を中心とする同心の複数の環状ビーム周回軌道が形成される軌道同心領域（例えば、図１０に示された、３５ＭｅＶのイオンビームが周回するビーム周回軌道７８を含み、このビーム周回軌道７８よりも内側の領域）、及びこの軌道同心領域を取り囲んで中心が互いに偏心した複数の環状ビーム周回軌道が形成されて入射用電極１８とビーム出射経路２０の入口の間ではこれらの環状ビーム周回軌道の間隔が密になり、逆に入射用電極１８を基点にしてビーム出射経路２０の入口の１８０°反対側ではこれらの環状ビーム周回軌道の間隔が広くなっている軌道偏心領域（例えば、図１０に示された、３５ＭｅＶのイオンビームが周回するビーム周回軌道７８よりも外側の領域）が形成されている。
真空容器２７内に配置された高周波加速電極９Ｃ及び９Ｄに形成された折れ曲り点２４Ｍ〜２４Ｐのそれぞれも、例えば、図１０に示された、３５ＭｅＶのイオンビームが周回するビーム周回軌道７８の位置に位置している。
加速器４における、等時性線ＩＬ1に沿った、リターンヨーク５Ａの磁極７Ｅとこれと対向するリターンヨーク５Ｂの磁極７Ｅとの間のギャップの変化を図１１、等時性線ＩＬ2に沿った、リターンヨーク５Ａの磁極７Ｃとこれと対向するリターンヨーク５Ｂの磁極７Ｃとの間のギャップの変化を図１２、及び等時性線ＩＬ3に沿った、リターンヨーク５Ａの磁極７Ａとこれと対向するリターンヨーク５Ｂの磁極７Ａとの間のギャップの変化を図１３に示す。図１１、図１２及び図１３に示されたギャップは、対向する磁極７Ｅ間のギャップ、対向する磁極７Ｃ間のギャップ、及び対向する磁極７Ａ間のギャップのそれぞれの１／２を示している。これらのギャップは、磁極７Ｅと中間面７７との間のギャップ、磁極７Ｃと中間面７７との間のギャップ、及び磁極７Ａと中間面７７との間のギャップに相当する。なお、上記した等時性線ＩＬ1，ＩＬ2及びＩＬ3は、図３及び図１０にそれぞれ示される。水平方向において、等時性線ＩＬ1，ＩＬ2及びＩＬ3のそれぞれは、磁極７Ｅ，７Ｃ及び７Ａのそれぞれの中心線に相当する。
図１１に示されるように、磁極７Ｅと中間面７７との間のギャップは、磁極７Ｅの、入射用電極１８に対向する先端と環状コイル１１Ｂの内面に対向する磁極７Ｅの端面との間の、等時性線ＩＬ1に沿った長さに対してその先端から好ましくは９３．０％〜９６．０％の範囲内の位置で最も狭くなる。これは、この範囲内の位置において、磁極７Ｅの中心線上での中心軸Ｃ方向における高さ（凹部２９Ｄ，２９Ｅの各底面９５からの磁極７Ｅの高さ）が最も高くなることを示している。一点鎖線Ｘに対して磁極７Ｅと対称に配置された磁極７Ｆの、磁極７Ｆの中心線上での中心軸Ｃ方向における高さ（凹部２９Ｃ，２９Ｄの各底面９５からの磁極７Ｆの高さ）も、磁極７Ｅと同様に、磁極７Ｆの中心線に沿った長さに対して入射用電極１８に対向する先端からその範囲内の位置で最も高くなる。
図１２に示されるように、磁極７Ｃと中間面７７との間のギャップは、磁極７Ｃの、入射用電極１８に対向する先端と環状コイル１１Ｂの内面に対向する磁極Ｃの端面との間の、等時性線ＩＬ2に沿った長さに対してその先端から好ましくは８６．２％〜８９．２％の範囲内の位置で最も狭くなる。これは、この範囲内の位置において、磁極７Ｃの中心線上での中心軸Ｃ方向における高さ（凹部２９Ｅ，２９Ｆの各底面９５からの磁極７Ｃの高さ）が最も高くなることを示している。一点鎖線Ｘに対して磁極７Ｃと対称に配置された磁極７Ｄの、磁極７Ｄの中心線上での中心軸Ｃ方向における高さ（凹部２９Ｂ，２９Ｃの各底面９５からの磁極７Ｂの高さ）も、磁極７Ｃと同様に、磁極７Ｄの中心線に沿った長さに対して入射用電極１８に対向する先端からその範囲内の位置で最も高くなる。
また、図１３に示されるように、磁極７Ａと中間面７７との間のギャップは、磁極７Ａの、入射用電極１８に対向する先端と環状コイル１１Ｂの内面に対向する磁極Ａの端面との間の、等時性線ＩＬ3に沿った長さに対してその先端から好ましくは８８．７％〜９１．７％の範囲内の位置で最も狭くなる。これは、この範囲内の位置において、磁極７Ａの中心線上での中心軸Ｃ方向における高さ（凹部２９Ａ，２９Ｆの各底面９５からの磁極７Ａの高さ）が最も高くなることを示している。一点鎖線Ｘに対して磁極７Ａと対称に配置された磁極７Ｂの、磁極７Ｂの中心線上での中心軸Ｃ方向における高さ（凹部２９Ａ，２９Ｂの各底面９５からの磁極７Ｂの高さ）も、磁極７Ａと同様に、磁極７Ｂの中心線に沿った長さに対して入射用電極１８に対向する先端からその範囲内の位置で最も高くなる。図示されていないが、凹部２９Ｅの底面９５の中心軸Ｃ方向における位置は、凹部２９Ａ〜２９Ｃ，２９Ｆのそれぞれの底面９５の中心軸Ｃ方向における各位置と同じである。
リターンヨーク５Ａにおいて、磁極７Ｅ及び７Ｆの、それぞれの磁極の中心線上での中心軸Ｃ方向における高さも、リターンヨーク５Ｂの磁極７Ｅ及び７Ｆの、上記の範囲内の位置において最も高くなる。また、リターンヨーク５Ａにおいて、磁極７Ｃ及び７Ｄの、それぞれの磁極の中心線上での中心軸Ｃ方向における高さも、リターンヨーク５Ｂの磁極７Ｃ及び７Ｄの、上記の範囲内の位置において最も高くなり、磁極７Ａ及び７Ｂの、それぞれの磁極の中心線上での中心軸Ｃ方向における高さも、リターンヨーク５Ｂの磁極７Ａ及び７Ｂの、上記の範囲内の位置において最も高くなる。
この結果、リターンヨーク５Ｂとリターンヨーク５Ａの間の中間面７７における磁場強度分布において、リターンヨーク５Ｂの磁極７Ｅ及び７Ｆにおいて上記の範囲内の位置でこれらの磁極７Ｅ及び７Ｆのそれぞれと対向する、リターンヨーク５Ａの磁極７Ｅ及び７Ｆのそれぞれの間の磁場強度、リターンヨーク５Ｂの磁極７Ｃ及び７Ｄにおいて上記の範囲内の位置でこれらの磁極７Ｃ及び７Ｄと対向する、リターンヨーク５Ａの磁極７Ｃ及び７Ｄのそれぞれの間の磁場強度、及びリターンヨーク５Ｂの磁極７Ａ及び７Ｂにおいて上記の範囲内の位置でこれらの磁極７Ａ及び７Ｂと対向する、リターンヨーク５Ａの磁極７Ａ及び７Ｂのそれぞれの間の磁場強度が、図１０に示す２．２Ｔのように、最も高くなる。これにより、中間面７７における磁場強度は、磁極７Ａ〜７Ｆのそれぞれが配置された領域で、環状コイル１１Ａ，１１Ｂのそれぞれの内面よりもより内側の領域、例えば、図１０に示すように、２００ＭｅＶ及び１８０ＭｅＶのそれぞれのビーム周回軌道７８の位置で最も高くなる。このような磁場強度の分布により、ビーム周回軌道に対して垂直な方向において収束力を付与することができ、イオンビームをビーム周回軌道７８に沿って安定に周回させることができる。
本実施例に用いられる加速器４では、中間面７７における磁場分布が一様でないため、形成されるビーム周回軌道７８は環状であるが真円ではない。前述したように、鉄心１４Ａ，１４Ｂにおいて、磁極（凸部）７Ａ〜７Ｆのそれぞれが位置する個所の磁場強度は凹部２９Ａ〜２９Ｆのそれぞれが位置する箇所のそれに比べて強いため、鉄心１４Ａ，１４Ｂのそれぞれに形成された対向する磁極間では、ビーム周回軌道の曲率が大きくなる。上記の対向する一対の磁極はビーム周回軌道７８の一周につき６個所に配置される。このため、各ビーム周回軌道は概ね六角形の角を取ったような形状になる。図１４においてビーム周回軌道に沿った磁場強度の振幅が大きいビーム周回軌道ほどその傾向が強くなる。磁場強度の振幅が同じであるならば、低エネルギー側のビーム周回軌道ほど、イオンビームは曲がりやすいため、その傾向が強くなる。真円ではないビーム周回軌道の中心とは、軌道形状の重心であり、軌道座標の算術平均となる点である。
なお、一般的なサイクロトロンであれば、外周に存在するビーム周回軌道ほど、イオンビームのエネルギー上昇に伴って、イオンビームは曲がりにくくなり、集束が困難となる。このため、図１４に示すビーム周回軌道に沿った磁場強度の振幅を増大させる必要がある。つまり、各磁極の中心線に沿った半径方向の磁場強度はその最大エネルギーのビーム周回軌道（最外周のビーム周回軌道）において最大となるように、一般的には設計される。
本実施例の加速器４の特性を、図１４〜図２１を用いて説明する。以下では、特に断りの無い限り、中心軸Ｃに垂直な方向を「水平方向」、及び中心軸Ｃの方向、すなわち中間面７７に垂直な方向を「垂直方向」と称する。
図１４は、０．５ＭｅＶのイオンビーム、７０ＭｅＶのイオンビーム、１６０ＭｅＶのイオンビーム及び２３５ＭｅＶのイオンビームのそれぞれが別々に周回する４つのビーム周回軌道７８において、各ビーム周回軌道７８に沿った磁場強度の分布を示している。進行方向距離が「０」の位置は、セプタム電磁石１９に形成されたビーム出射経路２０の入口（加速器４の出射口）付近における、この入口と中心軸Ｃを結ぶ直線（一点鎖線Ｘ）と各ビーム周回軌道７８との各交点の位置である。進行方向距離が「１」の位置は、加速器４の出射口からビーム周回軌道７８を半周した位置である。それぞれのビーム周回軌道７８では、ビーム周回軌道７８に沿って磁場強度が図１４に示すように変化するため、収束力（振幅）を確保することができ、それぞれのエネルギーのイオンビームを各ビーム周回軌道７８で安定に周回させることができる。２３５ＭｅＶのイオンビームが周回するビーム周回軌道７８では、単純な正弦波ではない磁場強度の分布で収束力を確保しており、イオンビームを該当するビーム周回軌道で安定に周回させることができる。具体的には、２３５ＭｅＶのイオンビームのビーム周回軌道は、一周する間に通過する磁場強度の６つの最大ピークのうち、進行方向距離が０の位置から２つ目及び５つ目における最大ピークが他よりも低く、それら最大ピークの両側の最小ピークの値は他よりも高くなるように磁場が形成されている。このため、２３５ＭｅＶのイオンビームのビーム周回軌道は、その内側の１６０ＭｅＶのイオンビームのビーム周回軌道よりも、通過する磁場強度の変動の振幅が小さい。
図１５は、ビーム周回軌道７８に沿った規格化磁場の勾配の変化を示している。規格化磁場は、式（１）で表わされるｎ値である。
Figure 0006434051
ただし、Ｂは磁場強度、Ｂρはイオンビームの磁気剛性率及びＢｚは磁場の垂直成分である。ｒは中間面７７である軌道面内のビーム周回軌道に対する垂直方向の位置座標であり、外向きを正としている。ｎ＜１であるとき、ビーム周回軌道を周回するイオンビームは水平方向で収束し、ｎ＞０であるとき、ビーム周回軌道を周回するイオンビームは垂直方向で収束する。
７０ＭｅＶのイオンビーム、１６０ＭｅＶのイオンビーム及び２３５ＭｅＶのイオンビームのそれぞれが別々に周回する３つのビーム周回軌道７８では、進行方向距離が「１」の位置（下記の各交点から半周の位置）でｎ値は小さい値であるが、ビーム出射経路２０の入口（加速器４の出射口）付近における、この入口と中心軸Ｃを結ぶ直線（一点鎖線Ｘ）と各ビーム周回軌道７８との各交点の位置である、各ビーム周回軌道７８の進行方向距離が「０」の位置）付近でｎ値の絶対値が大きくなる。これは進行方向距離が「０」の位置では前述のように各エネルギーのビーム周回軌道が集中しており、隣り合うビーム周回軌道の相互間の間隔が小さい。この帰結として磁場勾配、すなわち、ｎ値の絶対値が大きくなり、逆に、隣り合うビーム周回軌道の相互間の間隔が大きい進行方向距離が「１」の位置（半周の位置）では磁場勾配の絶対値は小さくなる。このように、ビーム周回軌道に沿って水平方向の収束作用及び垂直方向の収束作用を交互に周回しているイオンビームに対して作用させることによって、水平方向及び垂直方向ともにイオンビームを安定に周回することができる。
図１５に示された特性は以下に述べる概念を示している。それぞれの環状のビーム周回軌道７８において、ビーム周回軌道７８の、中心軸Ｃを基点にして、ビーム出射経路２０の入口の１８０°反対側の位置（進行方向距離が「１」の位置）を中心とした半周分（進行方向距離が「１」の位置を基点にして時計方向に１／４周と進行方向距離が「１」の位置を基点にして半時計方向に１／４周の合計）の、上記の（２）式で表されるｎ値の絶対値の積分値が、ビーム周回軌道７８の、ビーム出射経路２０の入口側の前述の交点（進行方向距離が「０」の位置）を中心とした半周分（進行方向距離が「０」の位置を基点にして時計方向に１／４周と進行方向距離が「０」の位置を基点にして半時計方向に１／４周の合計）のｎ値の絶対値の積分値より小さくなっている。
環状のビーム周回軌道の、ビーム出射経路の入口の１８０°反対側の位置を中心とした半周分の、上記の（１）式で表されるｎ値の絶対値の積分値が、ビーム周回軌道の、ビーム出射経路の入口を中心とした半周分のｎ値の絶対値の積分値より小さいので、エネルギーが異なる各イオンビームを効率良く出射することができ、さらに、ビーム周回軌道が偏心され、ビーム出射経路の入口側に、異なるエネルギーのビーム周回軌道が集束したときに、集束によりビーム出射経路の入口側で発生する磁場勾配の傾斜を緩和することができる。
次に、磁場分布を詳細に述べる。或るビーム周回軌道７８上の或る位置での磁場強度Ｂ（Ｌ1）は、式（２）で表わされる。
Ｂ(Ｌ1)＝Ｂ0＋Ｂ1cos(２πＬ1／Ｌ2)＋Ｂ2cos(４πＬ1／Ｌ2)
＋Ｂ3cos(６πＬ1／Ｌ2) …（２）
ここで、Ｂは磁場強度、Ｌ1はビーム周回軌道のイオンビーム進行方向の距離、Ｌ2はビーム周回軌道の半周の長さ、Ｂ0は磁場強度の中心値（イオンビームが受ける平均の磁場強度）、及びＢ1、Ｂ2及びＢ3はエネルギーごとのビーム周回軌道７８における磁場強度のフーリエ展開係数である。ちなみに、ビーム周回軌道の半周の長さを基準の波長として、Ｂ1は１倍高調波の振幅、Ｂ2は２倍高調波の振幅及びＢ3は３倍高調波の振幅を表している。
本実施例では、図１６に示すように、イオンビームの運動エネルギーが約１８０ＭｅＶ以上になると、３倍高調波の磁場成分Ｂ3が上昇するが、同時に、２倍高調波の磁場成分Ｂ2が減少する。このため、１８０ＭｅＶ以上のエネルギーを有する各イオンビームが周回するそれぞれのビーム周回軌道７８において、最大磁場を大きくすることなく、イオンビームの収束力を確保することができる。３倍高調波の磁場成分Ｂ3は、軌道同心領域である
図１７は、イオンビームの運動エネルギーに対応したベータトロン振動数の水平方向および垂直方向における変化を示している。水平方向におけるベータトロン振動数がイオンビームの運動エネルギーの増加に伴ってほぼ単調に増加している。しかし、そのベータトロン振動数の変化幅は、運動エネルギーが０〜２５０ＭｅＶの範囲で０．６以下である。運動エネルギーが５０ＭｅＶ付近で垂直方向にビーム周回軌道が偏っているが、その運動エネルギーの増加によっても、垂直方向におけるベータトロン振動数は０．５以下に収まっている。このため、イオンビームは、図６に示される対向する磁極の間及び対向する高周波電極の間に形成されるビーム周回領域７６内で安定に周回することができる。さらに、このイオンビームは、図７に示すマスレスセプタム１２に形成されるビーム通路３５内も安定に通過することができる。
図１８は、ビーム出射経路２０の入口付近における、この入口と中心軸Ｃを結ぶ直線（一点鎖線Ｘ）と０．５ＭｅＶ，７０ＭｅＶ，１６０ＭｅＶ及び２３５ＭｅＶのそれぞれのエネルギーを有する各イオンビームが周回する各ビーム周回軌道７８との各交点（イオンビームの進行方向における距離：０）から半周（イオンビームの進行方向における距離：１）における各ビーム周回軌道７８に沿った水平方向のβ関数の変化を示している。β関数はイオンビームの空間的な広がりを示す量である。イオンビームの進行方向における距離が１の位置に、マスレスセプタム１２が配置される。
図１８よれば、マスレスセプタム１２が配置された位置では、水平方向のβ関数が１０ｍ以下になって、０．５ＭｅＶ，７０ＭｅＶ，１６０ＭｅＶ及び２３５ＭｅＶのそれぞれのエネルギーを有する各イオンビームが周回する各ビーム周回軌道７８を分離することができる。このため、マスレスセプタム１２によってこれらのエネルギーを有するイオンビームを別々に蹴り出すことができ、加速器４からビーム輸送系１３に出射することができる。
図１９は、０．５ＭｅＶ，７０ＭｅＶ，１６０ＭｅＶ及び２３５ＭｅＶのそれぞれのエネルギーを有する各イオンビームが周回する各ビーム周回軌道７８の出射口（イオンビームの進行方向における距離：０）から半周（イオンビームの進行方向における距離：１）における各ビーム周回軌道７８に沿った垂直方向のβ関数の変化を示している。マスレスセプタム１２が配置された、イオンビームの進行方向における距離が１の位置では、加速器４から出射される７０ＭｅＶ，１６０ＭｅＶ及び２３５ＭｅＶの各エネルギーを有するそれぞれのイオンビームの垂直方向のβ関数が３ｍ以下になるため、これらのエネルギーのイオンビームはマスレスセプタム１２のビーム通路３５を容易に通過することができる。また、各ビーム周回軌道７８の出射口から半周までの間において、垂直方向のβ関数は、加速器４内の磁極に衝突しない限度である１００ｍ以下であるため、対向する磁極の間及び対向する高周波加速電極の間に形成されるビーム周回領域７６内で、磁極及び高周波加速電極に衝突することなく、安定に周回することができる。
図２０は、加速器４からイオンビームを出射する際に、マスレスセプタム１２の磁極の励磁によってビーム周回軌道７８を周回しているイオンビームの蹴り出し量を、周回するイオンビームの運動エネルギーに対応して示している。セプタム電磁石１９に形成されたビーム出射経路２０の入口が、最低エネルギーのビーム周回軌道の中心を基準として、図１０における−７２０ｍｍの位置に存在する。ここでは、加速器４から出射されるイオンビームのエネルギーは、７０ＭｅＶ以上であるとしている。図２０に示された「軌道位置」は、マスレスセプタム１２で蹴り出されない各エネルギーのイオンビームが通過し及びビーム出射経路２０の入口に最も接近するビーム周回軌道７８の、ビーム出射経路２０の入口付近での位置を示している。図２０に示された軌道位置とビーム出射経路２０の入口のずれ量は、マスレスセプタム１２を用いた、イオンビームの周回するビーム周回軌道７８からの蹴り出しによって生じる軌道変位量を表している。このイオンビームの蹴り出し量は、周回するイオンビームのエネルギーが低いほど大きくなる。マスレスセプタム１２の該当する一対の磁極３２Ａ，３２Ｂのそれぞれに設けられたコイル３３Ａ，３３Ｂに供給される励磁電流が、その蹴り出し量に応じて調節される。
マスレスセプタム１２の対向する一対の磁極３２Ａ及び３２Ｂは、マスレスセプタム１２が配置されているリターンヨーク５Ａ，５Ｂの凹部２９Ａにおいて発生する磁力線の方向と同じ方向に磁力線（磁極３２Ｂから磁極３２Ａに向かう磁力線）を発生し、磁場を強めるように励磁される。マスレスセプタム１２に形成されるビーム通路３５内で、真空容器２７の半径方向において中間面７７内の所定の位置に、図２２に示すような磁場のピークが形成される。磁場ピークの位置は、マスレスセプタム１２に形成された選択的に励磁できる２８対の磁極３２Ａ及び３２Ｂのいずれかの位置と対応している。マスレスセプタム１２の対向する一対の磁極３２Ａ及び３２Ｂの励磁により形成された、ビーム通路３５内の局所的に磁場が強い領域を通過するイオンビームは、ビーム周回軌道７８の曲率にと比べて曲率が大きくなる。このため、このイオンビームは、マスレスセプタム１２の励磁量とその幅分だけ水平方向のベータトロン振動が増幅され、イオンビームは周回するビーム周回軌道７８より内側方向に向かって蹴り出され、ビーム周回軌道７８から離脱する。なお、ビーム通路３５内における磁場強度のピーク発生位置は、移動装置１７によりマスレスセプタム１２を半径方向に移動させて励磁する一対の磁極３２Ａ，３２Ｂの半径方向における位置を調整できるため、２８対以上の磁極３２Ａ，３２Ｂをマスレスセプタム１２に設けた場合と同様に、磁場強度のピーク発生位置を精度良く調整できる。
図２１は、７０ＭｅＶのイオンビーム、１６０ＭｅＶのイオンビーム及び２３５ＭｅＶのイオンビームのそれぞれがマスレスセプタム１２によって蹴り出されたとき、蹴り出されたイオンビームがマスレスセプタム１２からセプタム電磁石１９に形成されたビーム出射経路２０の入口に達するまでの、ビーム周回領域７６の水平方向における該当するエネルギーのビーム周回軌道からの変位を示している。図２１は他の図と異なり、イオンビームの進行方向における距離が「０」の位置にマスレスセプタム１２が配置されており、イオンビームの進行方向における距離が「１」の位置（マスレスセプタム１２から半周の位置）にビーム出射経路２０の入口（イオンビーム取り出し位置）が位置している。水平方向の変位が正の値であるとき、蹴り出されたイオンビームがビーム周回軌道７８の外側に向かって変位していることを意味し、水平方向の変位（中間面７７内での変位）が負の値であるとき、蹴り出されたイオンビームがビーム周回軌道７８の内側に向かって変位していることを意味している。マスレスセプタム１２によりビーム周回軌道の内側に向かって蹴り出されたイオンビームは、ある程度内側に向かって変位した後に水平方向のベータトロン振動に従ってビーム周回軌道の外側に向かって大きく変位する。周回するイオンビームのエネルギーが小さいほど、蹴り出されたイオンビームの水平方向における変位の絶対値が大きくなるようにマスレスセプタム１２を制御し、イオンビーム取り出し位置におけるビーム周回軌道の外側への変位も大きくなる。図２１で説明した通り、エネルギーが異なるイオンビームが周回する各ビーム周回軌道７８とビーム出射経路２０の入口の間の距離が異なるのは、図２０で示した、各エネルギーのイオンビームに対する各ビーム周回軌道７８とセプタム電磁石１９の間の距離が異なることに起因している。
軌道同心領域及び軌道偏心領域が形成される加速器４は、図１４〜図２１に示された各特性により、各エネルギーのイオンビームをそれぞれのビーム周回軌道７８に沿って安定に周回させることができ、イオンビームを照射する患部の分割された深さが異なる各層に照射できる異なるエネルギーを有する各イオンビームを連続して出射することができる。
粒子線照射装置を用いた粒子線照射方法を、図２３〜図２６を用いて説明する。
イオンビームを照射して癌の患部を治療する患者５６ごとの治療計画データが、治療前に治療計画装置７３を用いて作成される。この治療計画データは、患者の識別番号、患者の体表面から深さ方向に分割された、患部の層の数、層ごとに照射されるイオンビームのエネルギー、イオンビームの照射方向、各層内の照射位置（スポット位置）及び各層内の各照射位置に対するイオンビームの照射量等のデータを含んでいる。治療計画装置７３で作成された治療計画データは、記憶装置であるデータベース７２に記憶される。
ＣＰＵ６７は、入力された患者識別情報を用いて、これから治療を行う患者５６に関する治療計画データをデータベース７２から読み込み、メモリ６８に格納する。メモリ６８には、照射するイオンビームのエネルギー（例えば、７０ＭｅＶ〜２３５ＭｅＶ）に応じて、ビーム輸送系１３の四極電磁石４６，４７，４９及び５０及び偏向電磁石４１〜４４に供給する励磁電流値、加速器４内の中間面７７において各エネルギーのイオンビームが周回するそれぞれのビーム周回軌道の位置情報、及び各ビーム周回軌道を周回するイオンビームを蹴り出すときにマスレスセプタム１２の磁極３２Ａ，３２Ｂにそれぞれ巻き付けられたコイル３３Ａ，３３Ｂに供給する励磁電流値も記憶されている。
ＣＰＵ６７は、制御情報作成装置として、患者５６の患部を治療するために、治療計画データ、ビーム輸送系１３の各電磁石に供給する励磁電流値、各ビーム周回軌道の位置情報及びマスレスセプタム１２のコイル３３Ａ，３３Ｂに供給する励磁電流値を用いて、ビーム輸送系１３の各電磁石及びマスレスセプタム１２を制御するための制御指令情報を作成する。
図２３に示す各工程の手順がメモリ６８に記憶されており、この手順に基づいてＣＰＵ６７は加速器・輸送系制御装置６９及び走査制御装置７０のそれぞれに含まれる各制御装置に制御指令情報を出力する。
環状コイル及びトリムコイルに励磁電流を供給する（ステップＳ１）。ＣＰＵ６７から制御指令情報を入力したコイル電流制御装置９４は、ステップＳ１の工程を実施するために、各電源３７及び電源５７を制御する。前述したように、各電源３７からトリムコイル８Ａ〜８Ｆに励磁電流が供給されて磁極７Ａ〜７Ｆが励磁される。また、電源５７から環状コイル１１Ａ，１１Ｂに励磁電流が供給され、鉄心１４Ａ，１４Ｂが励磁される。この結果、前述した磁力線が鉄心１４Ａ，１４Ｂに発生する。環状コイル１１Ａ，１１Ｂ及びトリムコイル８Ａ〜８Ｆには、図２５に示された環状コイル電流及びトリムコイル電流が流れる。真空ポンプ２５は、常時駆動されており、真空容器２７内の空気を、吸引管２６を通して外部に排出し、真空容器２７内を真空に維持する。真空容器２７を構成するリターンヨーク５Ａ，５Ｂの、導波管、引出配線、操作部材１６，１６Ａのそれぞれの貫通部は、シール部材で封鎖され、気密性が保たれている。
イオン源を起動する（ステップＳ２）。ＣＰＵ６７から制御指令情報を入力した加速器・輸送系制御装置６９は、イオン源３を起動し、制御する。
高周波加速電極に高周波電圧を印加する（ステップＳ３）。高周波電圧制御装置９９は、ステップＳ３の工程を実施するために、ＣＰＵ６７からの制御指令情報に基づいて各高周波電源３６を制御し、高周波加速電極９Ａ〜９Ｄのそれぞれに印加する高周波電圧を調節する。この結果、前述したように、高周波加速電極９Ａ〜９Ｄに高周波電圧が印加される。図２５に示された周波数の高周波電圧が高周波加速電極９Ａ〜９Ｄに印加される。
入射用電極に電圧を印加する（ステップＳ４）。入射用電極制御装置８３は、ステップＳ４の工程を実施するために、ＣＰＵ６７からの制御指令情報に基づいて電源８０を制御し、入射用電極１８に電圧を印加する。電圧が入射用電極１８に印加されることによって、イオン源３からイオン入射管３Ａの先端に形成されたイオン注入口を通してビーム周回領域７６内に形成されるイオン入射部１０９に入射されたイオン（陽子）は、入射用電極１８で水平方向に曲げられ、このイオン入射部１０９の近くに位置する高周波加速電極９Ｃと高周波加速電極９Ｄの接続部で加速されて反時計方向に周回し始める。
エネルギーが設定エネルギーに増加するまでイオンビームを加速器内で周回させる（ステップＳ５）。入射された陽子は、イオンビームとなって、磁極７Ａ〜７Ｆのそれぞれ及び環状コイル１１Ａ，１１Ｂが励磁された状態で、まず、イオンビームは高周波電圧が印加された高周波加速電極９Ｃ及び９Ｄによって７０ＭｅＶまで加速される。７０ＭｅＶ以下のエネルギーの各ビーム周回軌道では、イオンビームはこれら２つの高周波加速電極によってビーム周回軌道を一周するとき４回加速される。７０ＭｅＶを超えるエネルギーの領域では、高周波電圧が印加された高周波加速電極９Ａ及び９Ｂもイオンビームの加速に寄与し、この結果、イオンビームは高周波加速電極９Ａ〜９Ｄで２２０ＭｅＶまで加速される。７０ＭｅＶを超えるエネルギーの各ビーム周回軌道では、イオンビームはこれら４つの高周波加速電極によってビーム周回軌道を一周するとき８回加速される。加速されたイオンビームは、加速器４内で、中間面７７内のビーム周回軌道７８を周回し、このイオンビームのエネルギーが設定エネルギー（例えば、２５０ＭｅＶ）まで増加される。このとき、マスレスセプタム１２が配置された位置では、例えば、図１０に示された７０ＭｅＶ〜２５０ＭｅＶのそれぞれのイオンビームに対する各ビーム周回軌道７８を周回しているそれらのイオンビームは、マスレスセプタム１２の対向する磁極３２Ａ，３２Ｂ間に形成されたビーム通路３５を通過する。
７０ＭｅＶ以上のエネルギーを有するイオンビームが、治療のために患者５６の患部に照射される。この７０ＭｅＶ以上のエネルギーを有するイオンビームは、照射対象である患部に照射されるイオンビームのうち最小のエネルギーを有するイオンビームである。
各ビーム周回軌道を周回しているイオンビームを測定する（ステップＳ６）。ビーム電流測定部制御装置８４は、ステップＳ６の工程を実施するために、ＣＰＵ６７からの制御指令情報に基づいて移動装置１７Ａを制御する。この制御によって、移動装置１７Ａが駆動されて操作部材１６Ａが移動される。通常、環状コイル１１Ａと環状コイル１１Ｂの間の位置まで引き抜かれているビーム電流測定部１５が、操作部材１６Ａの移動によって、連結部３１Ｃの貫通孔３１Ｄを通してビーム通路３５内に達し、中間面７７において、一点鎖線Ｘに沿って入射用電極１８に向かって移動する。ビーム電流測定部１５は、入射用電極１８に向かって移動しながら、各ビーム周回軌道７８（例えば、図１０に示された２５０ＭｅＶのイオンビームが周回するビーム周回軌道７８から７０ＭｅＶのイオンビームが周回するビーム周回軌道７８）を周回するイオンビームのビーム電流をビーム周回軌道７８ごとに測定する。ビーム電流測定部１５によって測定された各ビーム電流の値は、各ビーム周回軌道７８を周回するイオンビームのエネルギーに相当する。測定された各ビーム電流の値に対応するそれぞれのエネルギー情報が、ビーム電流測定部制御装置８４に伝えられる。入射用電極１８に向かうビーム電流測定部１５の位置は、ビーム周回軌道７８ごとに位置検出器３９によって検出される。位置検出器３９によって検出された、ビーム電流測定部１５の位置情報、すなわち、環状コイルの半径方向におけるビーム周回軌道７８の位置情報も、ビーム電流測定部制御装置８４に伝えられる。ビーム電流測定部制御装置８４は、測定された各ビーム電流値に対応するそれぞれのエネルギー情報と各ビーム周回軌道７８の位置情報を、互いに対応付けて加速器・輸送系制御装置６９のメモリ１０７に格納する。各エネルギー情報と各ビーム周回軌道７８を対応付けて得られた情報の一例を図２４に示す。
ビーム周回軌道が所定の位置に形成されているかを判定する（ステップＳ２３）。コイル電流制御装置９４は、メモリ１０７から読み出された各ビーム周回軌道７８の位置情報に基づいて中間面７７において各ビーム周回軌道７８がそれぞれの所定の位置に形成されているかを判定する。
トリムコイルに供給する励磁電流を調節する（ステップＳ２４）。各ビーム周回軌道７８のうち少なくとも一つのビーム周回軌道７８の位置が所定の位置からずれているとき、ステップＳ２３の判定結果は「Ｎｏ」となる。このとき、コイル電流制御装置９４は、磁極７Ａ〜７Ｆに設置されたトリムコイル８Ａ〜８Ｆのそれぞれに接続された電源３７を制御し、所定の位置からずれているビーム周回軌道７８が所定の位置に形成されるように、トリムコイル８Ａ〜８Ｆのそれぞれに供給する励磁電流を調節する。このような励磁電流の調節によって、ビーム周回軌道の位置が修正される。
その後、ステップＳ６及びＳ２３の各工程が実施される。ステップＳ２３の判定結果が「Ｎｏ」であるとき、ステップＳ２４，Ｓ６及びＳ２３の各工程が、ステップＳ２３の判定結果が「Ｙｅｓ」になるまで繰り返される。中間面７７に形成された全てのビーム周回軌道７８がそれぞれの所定の位置に形成されているとき、ステップＳ２３の判定結果は「Ｙｅｓ」となり、ステップＳ７の工程が実施される。
セプタム電磁石及びビーム輸送系の各電磁石の励磁量を調節する（ステップＳ７）。電磁石制御装置８５は、ステップＳ７の工程を実施するために、ＣＰＵ６７からの制御指令情報に基づいて電源８２を制御してセプタム電磁石１９に供給する励磁電流を出射されるイオンビームのエネルギー（例えば、２５０ＭｅＶ）に対応する励磁電流に調節する。セプタム電磁石１９は、この励磁電流により励磁される。また、電磁石制御装置８５は、その制御指令情報に基づいて、別の電源（図示せず）を制御し、ビーム輸送系１３の四極電磁石４６，４７，４９及び５０及び偏向電磁石４１〜４４のそれぞれに供給する励磁電流を、出射されるイオンビームのエネルギー（例えば、２５０ＭｅＶ）に対応する励磁電流に調節する。この励磁電流により、それらの四極電磁石及びそれらの偏向電磁石が励磁される。セプタム電磁石１９及びビーム輸送系１３に設けられた各電磁石が、２５０ＭｅＶのイオンビームを出射装置７まで移送できる状態に励磁される。
マスレスセプタムの磁極の位置を調節する（ステップＳ８）。マスレスセプタム制御装置８６は、ステップＳ８の工程を実施するために、ＣＰＵ６７からの制御指令情報に基づいて移動装置１７を制御し、移動装置１７を用いて操作部材１６を移動させることによって、マスレスセプタム１２は、真空容器２７の半径方向において一点鎖線Ｘに沿って、真空容器２７の中心軸Ｃを基点としてビーム出射経路２０の入口と１８０°反対側の位置から入射用電極１８に向かって移動される。マスレスセプタム１２は、移動装置１７によって、例えば、１０ｍｍ程度の範囲内で移動することができる。この範囲内での移動は、対向する一対の磁極３２Ａ，３２Ｂの位置決めを微調整するために行われる。このマスレスセプタム１２の移動によって、中心軸Ｃを基点としてビーム出射経路２０の入口と１８０°反対側で隣り合うビーム周回軌道７８の間隔が広くなっている領域において、例えば、２５０ＭｅＶのイオンビームが周回するビーム周回軌道７８に合せた状態で励磁すべき一対の磁極３２Ａ，３２Ｂのそれぞれの入射用電極１８側の角が、このビーム周回軌道７８に合せられる。このとき、マスレスセプタム１２の真空容器２７内での位置は、図２５に示された最も左側に示されたマスレスセプタム１２の位置となる。
マスレスセプタムの磁極を励磁する（ステップＳ９）。該当する一対の磁極３２Ａ，３２Ｂが２５０ＭｅＶのイオンビームが周回するビーム周回軌道７８に合せられた後、マスレスセプタム制御装置８６は、ステップＳ９の工程を実施するために、ＣＰＵ６７からの制御指令情報に基づいて電源４０を制御する。さらに、マスレスセプタム制御装置８６は、スイッチを制御し、上記の励磁すべき磁極３２Ａ，３２Ｂのそれぞれに巻き付けられたコイル３３Ａ，３３Ｂのそれぞれに接続された配線２３Ａ，２３Ｂのそれぞれを電源４０に接続する。電源４０からの励磁電流が、上記のコイル３３Ａ，３３Ｂにそれぞれ供給され、その対向する励磁すべき一対の磁極３２Ａ，３２Ｂがそれぞれ励磁される。この励磁によって、磁力線が、励磁された磁極３２Ａ，３２Ｂ、鉄心部３１Ｂ、連結部３１Ｃ、鉄心部３１Ａ及び磁極３２Ａの閉じた磁気回路で発生する。その磁極３２Ａからその磁極３２Ｂに向かう磁力線は、これらの磁極間に形成されてイオンビームが通過するビーム経路３５を横切る。この磁力線の作用によって、２５０ＭｅＶのイオンビームが、このイオンビームが周回するビーム周回軌道７８から蹴り出されてこのビーム周回軌道７８から離れ、セプタム電磁石１９に形成されたビーム出射経路２０の入口に向かって移動する。
やがて、蹴り出された２５０ＭｅＶのイオンビームが、励磁されたセプタム電磁石１９の作用によって、ビーム出射経路２０を通ってビーム輸送系１３のビーム経路４８に出射される。このイオンビームは、ビーム経路４８を通って照射装置７に導かれ、照射装置７より出射される。このとき、患者５６が治療台５５上に横たわっていない。
イオンビームの加速器からの出射を確認する（ステップＳ１０）。照射装置７に設けられたビーム位置モニタ５３が、照射装置７を通過するイオンビームの位置を検出する。検出されたイオンビームの位置情報は、ビーム位置モニタ５３からイオンビーム確認装置８７に入力される。イオンビーム確認装置８７は、イオンビームの位置情報が入力されたとき、加速器４からイオンビームが出射されたと判定し、この判定結果を表示装置（図示せず）に出力する。オペレータは、表示装置に表示されたその判定結果を見ることにより、イオンビームの出射を確認する。
以上により、イオンビームを加速器から取り出すための各工程の説明を終了する。
次に、図２６に示された手順に基づいて、粒子線照射方法における、エネルギーが異なる各イオンビームを患者の患部の層ごとに照射する各工程について説明する。
患者５６が治療台５５に横たわった後、治療台５５を移動させて患部を照射装置７のビーム軸の延長線上に位置決めする。
回転ガントリーを回転させて照射装置のビーム軸を、患部（ビーム照射対象）へのイオンビームの照射方向に設定する（ステップＳ１１）。イオンビーム照射により治療を行う、患者５６の患部は、ビーム照射対象である。回転制御装置８８は、ステップＳ１１の工程を実施するために、ＣＰＵ６７からの制御指令情報に基づいて回転ガントリー６の回転装置（図示せず）を制御する。この回転装置が駆動され、回転ガントリー６は、前述の治療計画データに含まれるイオンビームの照射方向の情報に基づいて、照射装置７のイオンビームが通るビーム軸がこの照射方向に設定されるまで回転軸４５を中心に回転される。照射装置７のビーム軸がこの照射方向に一致したとき、回転ガントリー６の回転が停止される。
イオンビームを照射するビーム照射対象内の一つの層を設定する（ステップＳ１２）。照射位置制御装置８９は、ＣＰＵ６７からの制御指令情報に基づいて患部内のイオンビームを照射する一つの層を設定する。照射位置制御装置８９によるこの層の設定は、メモリ７０に格納された治療計画データである、患部を分割した複数の層の情報に基づいて、最も深い位置にある層が設定される。さらに、照射位置制御装置８９は、設定された層に照射されるイオンビームのエネルギーの情報（例えば、２２０ＭｅＶ）をメモリ７０から検索する。照射位置制御装置８９は、検索したイオンビームのエネルギー情報を、マスレスセプタム制御装置８６に出力する。
マスレスセプタムの磁極の位置決めを行う（ステップＳ１３）。マスレスセプタム１２に形成された複数の磁極３２Ａ，３２Ｂのうち前述の設定された層に照射されるイオンビームのエネルギー（例えば、２２０ＭｅＶ）に対応して２２０ＭｅＶのイオンビームのビーム周回軌道７８に位置決めされる一対の磁極３２Ａ，３２Ｂは、ステップＳ８で２５０ＭｅＶのイオンビームが周回するビーム軌道７８に位置決めされた一対の磁極３２Ａ，３２Ｂよりも入射用電極１８側に位置する他の対向している一対の磁極３２Ａ，３２Ｂである。マスレスセプタム制御装置８６は、照射位置制御装置８９で設定された層の情報を照射位置制御装置８９から入力する。マスレスセプタム制御装置８６は、照射位置制御装置８９から入力した設定された層に照射するイオンビームのエネルギー（２２０ＭｅＶ）、及びメモリ１０７に格納されたエネルギーに対応付けられたビーム周回軌道７８の位置情報（位置検出装置３９によって検出されたビーム電流測定部１５の位置情報）に基づいて、マスレスセプタム１２の複数対の磁極３２Ａ，３２Ｂのうち２２０ＭｅＶのイオンビームのビーム周回軌道７８に位置決めして励磁する一対の磁極３２Ａ，３２Ｂを特定する。さらに、マスレスセプタム制御装置８６は、メモリ１０７に格納されたビーム周回軌道７８の位置情報に基づいて特定された一対の磁極３２Ａ，３２Ｂのそれぞれの入射用電極１８側の角を、２２０ＭｅＶのイオンビームのビーム軌道７８に位置決めするための環状コイルの半径方向におけるマスレスセプタム１２の移動量を求める。
マスレスセプタム制御装置８６は、求められたマスレスセプタム１２の移動量に基づいて移動装置１７を制御し、マスレスセプタム１２を入射用電極１８に向かって移動させる。この移動によって、前述の特定された励磁すべき磁極３２Ａ，３２Ｂの、それぞれの入射用電極１８側の角が、中心軸Ｃを基点としてビーム出射経路２０の入口と１８０°反対側で隣り合うビーム周回軌道７８の間隔が広くなっている領域において、２２０ＭｅＶのイオンビームが周回するビーム周回軌道７８に位置決めされる。特定された一対の磁極３２Ａ，３２Ｂの位置決めによるマスレスセプタム１２の移動量は、位置検出器３８で測定されたマスレスセプタム１２の位置データに基づいて確認することができる。ステップＳ１３の工程は、前述のステップＳ８の工程と実質的に同じである。
マスレスセプタムの磁極を励磁する（ステップＳ１４）。ステップＳ１３での磁極の位置決めが終了した後、マスレスセプタム制御装置８６は、特定された一対の磁極３２Ａ，３２Ｂの情報に基づいてスイッチを制御し、ステップＳ１３で位置決めされた励磁すべき他の磁極３２Ａ，３２Ｂのそれぞれに巻き付けられたコイル３３Ａ，３３Ｂのそれぞれに接続された配線２３Ａ，２３Ｂのそれぞれを電源４０に接続する。そして、マスレスセプタム制御装置８６は、ＣＰＵ６７からの制御指令情報に基づいて電源４０を制御し、図２０に示される２２０ＭｅＶのイオンビームをビーム出射経路２０の入口に入射するために必要な蹴り出し量が得られるような励磁電流を出力するように、電源４０を制御する。上記のように位置決めされた対向する励磁すべき一対の磁極３２Ａ，３２Ｂに巻き付けられたコイル３３Ａ，３３Ｂのそれぞれにその励磁電流が供給され、その励磁すべき一対の磁極３２Ａ，３２Ｂが励磁される。ステップＳ１３の工程は、前述のステップＳ８の工程と実質的に同じである。
セプタム電磁石及びビーム輸送系の各電磁石の励磁量を調節する（ステップＳ７）。電磁石制御装置８５は、照射位置制御装置８９で設定された層の情報を照射位置制御装置８９から入力する。電磁石制御装置８５は、この設定された層に照射されるイオンビームのエネルギー情報（例えば、２２０ＭｅＶ）に基づいて、前述したように、電源８２を制御し、セプタム電磁石１９を、出射されるイオンビームの２２０ＭｅＶに対応する励磁電流で励磁する。また、ビーム輸送系１３の四極電磁石４６，４７，４９及び５０及び偏向電磁石４１〜４４も、前述したように、２２０ＭｅＶに対応する励磁電流で励磁される。このとき、セプタム電磁石１９及びビーム輸送系１３に設けられた各電磁石の励磁量は、図２５の最も下方の特性で左から２番目の励磁量になる。
走査電磁石を制御し、設定された層内でのイオンビームの照射位置を設定する（ステップＳ１５）。照射位置制御装置８９は、電磁石制御装置８５から各電磁石の励磁量の調節終了信号を入力したとき、治療計画データに含まれる設定された層内での照射位置の情報に基づいて走査電磁石５１及び５２のそれぞれに供給される励磁電流を制御し、イオンビームを目標であるその照射位置に照射するように、走査電磁石５１及び５２のそれぞれに偏向磁場を発生させる。走査電磁石５１で発生した偏向磁場が、ｙ方向において、後述のステップＳ１６の工程で加速器４から出射されたイオンビームの位置を制御する。走査電磁石５２で発生した偏向磁場が、ｙ方向と直交するｘ方向において、加速器４から出射されたイオンビームの位置を制御する。
ステップＳ１５において、照射位置制御装置８９は、イオンビームが目標とする照射位置にイオンビームが到達するように走査電磁石５１及び５２へのそれぞれの励磁電流が制御されたと判定したとき、ビーム照射開始信号を出力する。
入射用電極に電圧を印加する（ステップＳ１６）。入射用電極制御装置８３は、照射位置制御装置８９からビーム照射開始信号を入力したとき、ステップＳ４と同様に、電源８０を制御し、入射用電極１８に電圧を印加する。イオン源３からイオン入射管３Ａを通してビーム周回領域７６に入射されたイオンは、入射用電極１８で水平方向に曲げられ、中間面７７内で周回し、高周波電圧が印加された高周波加速電極９Ａ〜９Ｄによって加速される。２２０ＭｅＶのイオンビームが周回するビーム周回軌道７８に沿って周回しているイオンビームは、ステップＳ１４で励磁された一対の磁極３２Ａ，３２Ｂの相互間に形成されたビーム通路３５に入る。このビーム通路３５に入ったイオンビームは、励磁された一対の磁極３２Ａ，３２Ｂの作用によって周回するビーム周回軌道７８から蹴り出される。すなわち、そのイオンビームは、そのビーム周回軌道７８から離脱される。その後、このイオンビームは、そのビーム周回軌道７８から離れてビーム出射経路２０の入口に向かって移動し、セプタム電磁石１９の作用によってビーム出射経路２０を通過し、加速器４からビーム経路４８に出射される。照射装置７に達したイオンビームは、走査電磁石５１及び５２の作用によって設定された層内の目標とする照射位置に照射される。
目標の照射位置に照射されるイオンビームの位置が、ビーム一モニタ５３によって測定され、測定されたその位置に基づいてイオンビームが目標の照射位置に照射されていることが確認される。
照射位置での照射線量が目標線量に一致したかを判定する（ステップＳ１７）。目標の照射位置への照射線量が、線量モニタ５４で測定される。測定された照射線量が、線量判定装置９１に入力される。線量判定装置９１は、目標の照射位置に照射されて測定された照射線量が目標の照射線量に達したかを判定する。測定された照射線量が目標の照射線量に一致していないとき、ステップＳ１７の判定は「Ｎｏ」となり、ステップＳ１６及びステップＳ１７の各工程が繰り返して実施され、測定された照射線量が目標の照射線量に一致するまで、目標の照射位置へのイオンビームの照射が継続して行われる。測定された照射線量が目標の照射線量に一致したとき（ステップＳ１７の判定が「Ｙｅｓ」になったとき）、線量判定装置９１は、入射用電極制御装置８３にビーム出射停止信号を出力する。
入射用電極への電圧の印加を停止する（ステップＳ１８）。入射用電極制御装置８３は、線量判定装置９１からビーム出射停止信号を入力したとき、電源８０を制御して電源８０から入射用電極１８への電圧の印加を停止する。この結果、イオン源３からビーム周回領域７６への陽子の入射が停止され、加速器４からビーム経路４８へのイオンビームの出射が停止される。すなわち、患部へのイオンビームの照射が停止される。
設定された層内へのイオンビームの照射が終了かを判定する（ステップＳ１９）。或る照射位置へのイオンビームの照射が終了したとき、層判定装置９２は、設定された層内へのイオンビームの照射が終了かを判定する。この判定結果が「Ｎｏ」であるとき、すなわち、設定された層内へのイオンビームの照射が終了していないとき、ステップＳ１５〜Ｓ１９の各工程が繰り返して実施される。繰り返されたステップＳ１５では、設定された層内の目標とする別の照射位置にイオンビームが照射されるように、走査電磁石５１及び５２のそれぞれに供給される励磁電流が制御される。
ステップＳ１６でその別の照射位置にイオンビームを照射し、ステップＳ１７の判定が「Ｙｅｓ」になったとき、ステップＳ１７で入射用電極１８への電圧の印加を停止する。
ステップＳ１９の判定が「Ｙｅｓ」になったとき、全ての層へのイオンビームの照射が終了したかを判定する（ステップＳ２０）。層判定装置９２が、全ての層へのイオンビームの照射が終了したかを判定する。イオンビームの照射が行われていない層が残っているため、ステップＳ２０の判定は、「Ｎｏ」になり、ステップＳ１２〜Ｓ１４，Ｓ７及びＳ１５〜Ｓ２０の各工程が、繰り返して順次実行される。ステップＳ１２では、２番目に深い位置にある層が設定される。この層に照射されるイオンビームに必要なエネルギーは、２１９ＭｅＶである。
繰り返されたステップＳ１３では、前述の２２０ＭｅＶのイオンビームが移動するビーム周回軌道７８に合せられた他の磁極３２Ａ，３２Ｂのそれぞれの入射用電極１８側の角が、その前のステップＳ１３と同様に、２１９ＭｅＶのイオンビームのビーム周回軌道７８に位置決めされる。このときのマスレスセプタム１２の移動量は、前述の２２０ＭｅＶのイオンビームが移動するビーム周回軌道７８に磁極３２Ａ，３２Ｂを位置決めするときよりも大きくなる。これらの他の磁極３２Ａ，３２Ｂが、ステップＳ１４において励磁される。
ステップＳ１５及びＳ１６では、入射用電極１８に電圧が印加されたとき、イオンビームが各ビーム周回軌道７８に沿って周回し、励磁された他の磁極３２Ａ，３２Ｂの作用により、２１９ＭｅＶのイオンビームが周回するビーム周回軌道７８からこの２１９ＭｅＶのイオンビームが蹴り出される。蹴り出されたイオンビームが、照射装置７から患部の２番目に深い層の照射位置に照射される。ステップＳ１７の判定が「Ｙｅｓ」になったとき、ステップＳ１８が実行されてその照射位置へのイオンビームの照射が停止される。
ステップＳ１９の判定が「Ｎｏ」になったとき、ステップＳ１５〜Ｓ１９の各工程が、ステップＳ１９の判定が「Ｙｅｓ」になるまで繰り返される。ステップＳ１９の判定が「Ｎｏ」になったとき、ステップＳ１２〜Ｓ１４，Ｓ７及びＳ１５〜Ｓ２０の各工程が、ステップＳ２０の判定が「Ｙｅｓ」になるまで、繰り返して順次実行される。ステップＳ１２〜Ｓ１４，Ｓ７及びＳ１５〜Ｓ２０の各工程が繰り返されるとき、ステップＳ１２ではより浅い層が設定され、この層に到達するイオンビームのエネルギーも順次低くなる（例えば、２２０ＭｅＶから始まり、１ＭｅＶごとにエネルギーを低減する）。ステップＳ１３及びＳ１４では、これらのエネルギーの低いイオンビームが周回するビーム周回軌道７８に、マスレスセプタム１２の対向する一対の磁極３２Ａ，３２Ｂの位置決めが行われ、その後、これらの磁極が励磁される。１８０ＭｅＶ及び１６０ＭｅＶのそれぞれのイオンビームを加速器４から出射するときには、２２０ＭｅＶ及び２００ＭｅＶの各イオンビームを出射するときに励磁された一対の磁極３２Ａ，３２Ｂの、入射用電極１８側で隣に位置する他の一対の磁極３２Ａ，３２ＢがステップＳ１４でそれぞれ励磁される。ただし、１６０ＭｅＶのイオンビームを出射するときには、１８０ＭｅＶのイオンビームを出射する場合に比べてステップ１３における磁極の位置決め時におけるマスレスセプタム１２の移動量が大きくなる。
ステップＳ２０の判定が「Ｙｅｓ」になったとき、患部へのイオンビームの照射が終了する（ステップＳ２１）。
以上により、患者５６の患部の、イオンビームの照射による治療が終了する。
本実施例では、鉄心１４Ａ，１４Ｂは、中間面７７において最外周のビーム周回軌道を形成するのに適した円形であるが、他の形状であっても実施可能である。また、環状コイル１１Ａ及び１１Ｂも円形であるが、これらは、他の形状、例えば、リターンヨークのベース部に形成される各磁極を取り囲むクローバー形状にしてもよい。
一般的なサイクロトロンでは、最外周に形成された、最も高いエネルギーを有するイオンビームのビーム周回軌道からしかイオンビームを取り出すことができなかった。しかし、本実施例によれば、加速器外周部にビーム軌道間隔が狭くなるビーム軌道偏心領域を形成することで、異なるエネルギーを有する複数のビーム軌道７８がセプタム電磁石１９、及びビーム出射経路２０の入口に集束して形成されるため、最も外周に位置する最も高いエネルギーのイオンビームが周回するビーム軌道７８のみならず、このビーム周回軌道７６の内側に形成される複数のビーム周回軌道７８から、異なるエネルギーを有するそれぞれのイオンビームを、随時、選択的に取り出すことができる。このため、本実施例は、エネルギーが異なる各イオンビームを加速器４から効率良く出射することができる。
本実施例によれば、中心が互いに偏心している複数の環状のビーム周回軌道７８が入射用電極１８またはイオン注入口またはイオン入射部１０９とビーム出射経路２０の入口の間で密になって入射用電極１８を基点にしてビーム出射経路２０の入口の１８０°反対側でそれらの環状のビーム周回軌道７８の相互の間隔が広くなっている軌道偏心領域が、入射用電極１８（またはイオン注入口またはイオン入射部１０９）の周囲で、ビーム周回領域７６内に存在してビーム周回軌道７８が形成される、中間面７７に形成されているので、ビーム周回軌道偏心領域内の、入射用電極１８を基点にしてビーム出射経路２０の入口の１８０°反対側では、異なるエネルギーを有する各イオンビームのそれぞれのビーム周回軌道７８の相互の間隔が広くなり、異なるエネルギーの各イオンビームを該当するビーム周回軌道７８から効率良く離脱させることができる。このため、エネルギーが異なる各イオンビームを、加速器４のセプタム電磁石１９に形成されるビーム出射経路２０を通してビーム輸送系１３のビーム経路４８に効率良く出射することができる。さらに、本実施例では、エネルギーの異なる各イオンビームを、それぞれ連続して加速器４から出射することができる。
本実施例では、入射用電極１８を中心する同心の複数の環状のビーム周回軌道７８が形成される軌道同心領域が、中間面７７において、軌道偏心領域の内側に形成されるので、イオンビームを出射するビーム出射経路２０の入口付近でのビーム周回軌道７８の集約度合いが緩和され、この結果、その入口付近での磁場勾配がより小さくなる。異なるエネルギーを有する各イオンビームが、該当するビーム周回軌道７８をより安定に周回することができる。
イオン入射部１０９（または入射用電極１８またはイオン注入口）が環状コイルの重心とは径方向に異なる位置に配置されるので、イオン入射部（または入射用電極１８またはイオン注入口）の周囲に形成される複数の環状のビーム周回軌道７８の隣り合う相互の間隔は、イオン入射部１０９（または入射用電極１８またはイオン注入口）よりビーム出射経路２０の入口側の領域よりも、イオン入射部（または入射用電極１８またはイオン注入口）を基点にしてビーム出射経路２０の入口の反対側の領域で広くなる。このため、ビーム周回軌道７８の隣り合う相互の間隔が広くなる、ビーム出射経路２０の入口の反対側の領域においてビーム周回軌道７８から容易にイオンビームを離脱させることができ、各環状のビーム周回軌道７８を周回するエネルギーの異なる各イオンビームを効率良く出射することができる。
イオン入射部１０９（または入射用電極１８またはイオン注入口）が鉄心の中心とは径方向に異なる位置に配置されるので、イオン入射部１０９（または入射用電極１８またはイオン注入口）の周囲に形成される複数の環状のビーム周回軌道７８の隣り合う相互の間隔は、イオン入射部１０９（または入射用電極１８またはイオン注入口）よりビーム出射経路の入口側の領域よりも、イオン入射部１０９（または入射用電極１８またはイオン注入口）を基点にしてビーム出射経路２０の入口の反対側の領域で広くなる。このため、ビーム周回軌道７８の隣り合う相互の間隔が広くなる、ビーム出射経路２０の入口の反対側の領域においてビーム周回軌道７８から容易にイオンビームを離脱させることができ、各環状のビーム周回軌道７８を周回するエネルギーの異なる各イオンビームを効率良く出射することができる。
高周波加速電極９Ｃ及び９Ｄの、その内面の位置から環状コイルの内側に向かって伸びている部分のそれぞれの先端部が、環状コイルの重心とは径方向に異なる位置に配置されるので、高周波加速電極９Ｃ及び９Ｄのそれぞれの先端部が配置されるその位置の周囲に形成される複数の環状のビーム周回軌道７８の隣り合う相互の間隔は、イオン入射部１０９（または入射用電極１８またはイオン注入口）よりビーム出射経路２０の入口側の領域よりも、イオン入射部１０９（または入射用電極１８またはイオン注入口）を基点にしてビーム出射経路２０の入口の反対側の領域で広くなる。このため、ビーム周回軌道７８の隣り合う相互の間隔が広くなる、ビーム出射経路２０の入口の反対側の領域においてビーム周回軌道７８から容易にイオンビームを離脱させることができ、各環状のビーム周回軌道７８を周回するエネルギーの異なる各イオンビームを効率良く出射することができる。
磁極（凸部）７Ａ〜７Ｆは、鉄心の重心とは径方向に異なる位置に向かって、鉄心外周から径内周方向に伸びるように設置されているので、磁極７Ａ〜７Ｆのそれぞれの先端部が配置される、鉄心の重心とは径方向に異なる位置の周囲に形成される複数の環状のビーム周回軌道７８の隣り合う相互の間隔は、イオン入射部１０９（または入射用電極１８またはイオン注入口）よりビーム出射経路２０の入口側の領域よりも、イオン入射部１０９（または入射用電極１８またはイオン注入口）を基点にしてビーム出射経路２０の入口の反対側の領域で広くなる。このため、ビーム周回軌道７８の隣り合う相互の間隔が広くなる、ビーム出射経路２の入口の反対側の領域においてビーム周回軌道７８から容易にイオンビームを離脱させることができ、各環状のビーム周回軌道７８を周回するエネルギーの異なる各イオンビームを効率良く出射することができる。
本実施例によれば、複数のビーム周回軌道７８が、ビーム出射経路２０の入口において集束しているので、それぞれのビーム周回軌道７８から離脱されたエネルギーの異なる各イオンビームがビーム出射経路２０の入口に入射されやすくなり、エネルギーの異なる各イオンビームを効率良く出射することができる。
本実施例によれば、磁極７Ａ〜７Ｆによって形成される環状のビーム周回軌道７８の中心が、環状コイルの重心の位置と異なっているので、イオン入射部１０９（または入射用電極１８またはイオン注入口）の周囲に形成される複数の環状のビーム周回軌道７８の隣り合う相互の間隔は、ビーム出射経路２０の入口側の領域よりも環状のビーム周回軌道７８の中心側の領域で広くなる。このため、ビーム周回軌道７８の隣り合う相互の間隔が広くなる、ビーム周回軌道７８の中心側の領域においてビーム周回軌道７８から容易にイオンビームを離脱させることができ、各環状のビーム周回軌道７８を周回するエネルギーの異なる各イオンビームを効率良く出射することができる。
本実施例によれば、中間面７７内で最も磁場強度が高い領域が、第１磁場領域において最外周のビーム周回軌道７８よりも、イオン入射部１０９（または入射用電極１８またはイオン注入口）側に形成されるので、エネルギーが異なる各イオンビームを効率良く出射することができ、さらに、中間面７７に形成される環状の複数のビーム周回軌道７８のうち外周部に位置するビーム周回軌道を周回するイオンビームの安定性が向上する。
本実施例によれば、一対の鉄心１４Ａ，１４Ｂのそれぞれが、イオン入射部１０９（または入射用電極１８またはイオン注入口）の周囲においてイオン入射部１０９（または入射用電極１８またはイオン注入口）から放射状に伸び、先端がイオン入射部１０９（または入射用電極１８またはイオン注入口）に向かい合っている磁極７Ａ〜７Ｆを形成しており、さらに、イオン入射部１０９（または入射用電極１８またはイオン注入口）の周囲においてイオン入射部１０９（または入射用電極１８またはイオン注入口）から放射状に伸びる凹部２９Ａ〜２９Ｆを形成しており、イオン入射部１０９（または入射用電極１８またはイオン注入口）の周囲において磁極と凹部が交互に配置され、環状コイル１１Ａ，１１Ｂが、鉄心１４Ａ，１４Ｂ内にそれぞれ配置された磁極７Ａ〜７Ｆ及び凹部２９Ａ〜２９Ｆを取り囲んでいるので、イオン入射管３Ａを通してのビーム周回領域７６へのイオンの入射を安定に行うことができる。
本実施例では、凹部２９Ｄ（第２凹部）にビーム出射経路２０の入口が開口しているので、環状のビーム周回軌道７８から離脱したイオンビームの、ビーム出射経路２０の入口への入射が容易になり、各環状のビーム周回軌道７８を周回するエネルギーの異なる各イオンビームを効率良く出射することができる。これは、軌道偏心領域内に形成されるそれぞれの環状のビーム周回軌道７８が凹部２９Ｄにおいてビーム出射経路２０の入口側に集束されているからである。
本実施例では、磁極７Ａ〜７Ｆのそれぞれが折れ曲り点を有し、及び磁極７Ａ〜７Ｆのそれぞれの折れ曲り点から環状コイルの内面に対向する端面までの部分が凹部２９Ａに向かって折り曲げられているので、偏心した複数のビーム周回軌道７８が存在するビーム偏心領域が形成され、ビーム周回軌道相互間の間隔が広くなり、各環状のビーム周回軌道７８を周回するエネルギーの異なる各イオンビームを効率良く出射することができる。
本実施例では、ビーム電流測定装置９８が凹部２９Ａに配置されているので、このビーム電流測定装置９８による測定により、各ビーム周回軌道７８を周回するそれぞれのイオンビームのエネルギー及び各ビーム周回軌道７８の環状コイルの半径方向における位置のそれぞれの情報を得ることができる。各イオンビームのエネルギー情報及び各ビーム周回軌道７８の位置情報を用いることによって、患部に含まれる設定された層に照射されるイオンビームのエネルギーに対応したビーム周回軌道７８の位置情報を得ることができ、この位置情報により、マスレスセプタム１２の励磁すべき対向する一対の磁極３２Ａ，３２Ｂを特定することができ、この励磁すべき対向する一対の磁極３２Ａ，３２を、設定された層に照射されるエネルギーのイオンビームが周回するビーム周回軌道７８に精度良く位置決めすることができる。
また、ビーム電流測定装置９８のビーム電流測定部１５を、移動装置１７Ａを用いて、凹部２９Ａ内において中間面７７に沿って、イオン入射部１０９（または入射用電極１８またはイオン注入口）に向かって移動するので、広範囲において、それぞれのビーム周回軌道７８に対する各イオンビームのエネルギー情報及び各ビーム周回軌道７８の位置情報を得ることができる。
凹部２９Ａに配置されたビーム電流測定装置９８によって測定されたビーム周回軌道７８の位置が所定の位置に存在しないとき、磁極７Ａ〜７Ｆにそれぞれ取り付けられたトリムコイル８Ａ〜８Ｆにそれぞれ供給される励磁電流を、コイル電流制御装置９４によって調節するので、所定の位置に存在しないビーム周回軌道７８が形成された場合でも、このビーム周回軌道７８を所定の位置に形成することができる。
本実施例では、前述したように、一対の鉄心１４Ａ，１４Ｂのそれぞれにおいて、中心軸Ｃに垂直な平面で一点鎖線Ｘの両側のそれぞれの領域で、先端が入射用電極１８に対向している高周波加速電極９Ｃを真空容器２７の周方向において隣り合う磁石７Ｃと磁極７Ｅの間に、先端が入射用電極１８に対向している高周波加速電極９Ｄを真空容器２７の周方向において隣り合う磁石７Ｄと磁極７Ｆの間に配置し、高周波加速電極９Ｃの折れ曲り点２４Ｍ，２４Ｎから高周波加速電極９Ｃの、環状コイル１１Ａまたは１１Ｂに対向する端面までの部分、及び高周波加速電極９Ｃの折れ曲り点２４Ｍ，２４Ｎから高周波加速電極９Ｃの、環状コイル１１Ａ及び１１Ｂのいずれかに対向する端面までの部分が、凹部２９Ａに向かって折り曲げられているので、入射用電極１８に近いビーム周回軌道７８と環状コイル１１Ａまたは１１Ｂに近いビーム周回軌道７８の間に存在する各ビーム周回軌道７８を周回する各イオンビームを容易に加速することができる。さらに、本実施例は、高周波加速電極９Ａ及び９Ｂが、磁極７Ａと磁極７Ｃの間及び磁極７Ｂと磁極７Ｄのそれぞれの間で、これらの磁極の折れ曲がり点と環状コイル１１Ａ及び１１Ｂのいずれかに対向する端面の間にそれぞれ配置されているため、高いエネルギーを有するイオンビームの各ビーム周回軌道７８をそれぞれ周回するイオンビームも、容易に加速することができる。
本実施例では、中間面７７内で凹部２９Ａにビーム電流測定部１５を配置し、このビーム電流測定部１５を移動装置１７によって中間面７７において一点鎖線Ｘに沿って移動させ、位置検出装置３９によって移動されるビーム電流測定部１５の中間面７７内での位置を検出するので、前述したように、各ビーム周回軌道７８におけるビーム電流値及びこれらのビーム周回軌道７８の位置を精度良く検出することができる。
マスレスセプタム１２を一対の鉄心１４Ａ，１４Ｂのそれぞれの凹部２９Ａ内に配置しているため、マスレスセプタム１２を鉄心１４Ａと鉄心１４Ｂの間に容易に配置することができる。
マスレスセプタム１２を凹部２９Ａに配置しているため、マスレスセプタム１２がビーム周回軌道偏心領域内のビーム周回軌道７８の相互の間隔が広くなる位置に位置することになり、マスレスセプタム１２によって、異なるエネルギーを有する各イオンビームをそれぞれのビーム周回軌道７８から効率良く離脱させることができる。これにより、エネルギーが異なる各イオンビームを加速器４から効率良く出射することができる。
マスレスセプタム１２は、複数対の対向する磁極３２Ａ，３２Ｂを有しているので、患部の設定された層に照射するイオンビームのエネルギーに基づいて、ビーム周回軌道７８に位置決めして励磁すべき一対の磁極３２Ａ，３２Ｂを容易に特定することができる。
マスレスセプタム１２を環状コイルの半径方向に移動する移動装置１７が設けられているので、マスレスセプタム１２の励磁すべき一対の磁極３２Ａ，３２Ｂを、患部の設定された層に照射すべきエネルギーを有するイオンビームが周回するビーム周回軌道７８への位置決めの調節を行うことができる。このため、一対の磁極３２Ａ，３２Ｂの該当するビーム周回軌道７８への位置決めを精度良く行うことができる。
サイクロトロンを用いた粒子線照射装置は、患部に照射するイオンビームのエネルギーを変えるために、ビーム輸送系に厚みの異なる複数の金属板を有するデグレーダを設けている。これに対し、本実施例の粒子線照射装置１は、前述したように、加速器４からエネルギーの異なるイオンビームを出射することができ、デグレーダが不要になる。または、その利用を大幅に低減することができる。このため、粒子線照射装置１では、デグレーダによるイオンビームのビームサイズの増加、デグレーダの金属板を透過する際に一部のイオンが散乱することによるイオン数の減少、及び、デグレーダの放射化による放射性廃棄物の増加を防止することができる。
本実施例では、イオンビームが周回するビーム周回領域７６を真空に保つために、一対の鉄心１４Ａと鉄心１４Ｂを互いに対向させて結合して真空容器２７を形成している。このため、本実施例で用いられる加速器４は、後述する実施例８及び９のように、互いに対向する鉄心１４と鉄心１４Ｂとの間に真空容器を配置して構成される加速器に比べて小型化することができる。
本実施例では、前述したように、エネルギーが低いイオンビーム（７０ＭｅＶ以下のイオンビーム）が周回するビーム周回軌道７８では、イオンビームが２台の高周波加速電極で９Ｃ及び９Ｄによって加速される。また、ビーム周回軌道７８が偏心しているために、安定で細かな軌道制御が必要で、かつ高エネルギーであるために更なる加速に高い高周波加速電圧または長い加速時間が必要な、エネルギーが高いイオンビーム（７０ＭｅＶを超えるイオンビーム）が周回するビーム周回軌道７８では、イオンビームが４台の高周波加速電極９Ａ〜９Ｄにより加速される。
磁極の折れ曲がり点と環状コイルの内面との間に配置される高周波加速電極、及びイオン注入口から環状コイルの内面まで伸びている高周波加速電極は、それぞれ１つでも、またそれぞれ３つ以上でも、上記した機能を発揮することができる。ただし、前述した軌道偏心領域をビーム周回領域７６内の軌道面である中間面７７に形成するために、高周波加速電極９Ａ〜９Ｄのうち高周波加速電極９Ａ及び９Ｃ配置及び形状を、中心軸Ｃとビーム出射経路２０の入口を結ぶ直線（一点鎖線Ｘ）に対して、高周波加速電極９Ｂ及び９Ｄの配置及び形状と対称にすることにより、周回するイオンビームの安定性が得やすくなる。
鉄心１４Ａ、１４Ｂは、水平方向に円形であり、一般的にその中心は加速器４の構造上の中心を意味する。また、環状コイル１１Ａ及び１１Ｂは円形のメインコイルであり、一般的にその中心及び重心も同様に、加速器４の構造上の中心を意味する。さらに、本実施例の加速器４では、前述のイオン入射部は、鉄心の中心とも、環状コイルの重心とも異なる位置に設置され、ビーム出射経路２０の入口側にずれた位置に設けられている。
通常のサイクロトロンの場合、ビーム周回軌道は加速器の構造上の中心を起点として、同心円状に形成されるため、イオンは加速器の構造上の中心に入射される。厳密には、イオンは、中心点そのものではなく、最内周のビーム周回軌道に入射される。仮に、イオンが入射されてこのイオンを最内周のビーム周回軌道に導く、最内周のビーム周回軌道よりも内側の領域を、イオン入射部と定義したとき、通常のサイクロトロンでは、このイオン入射部は加速器の構造上の中心に位置している。これに対して、本実施例で用いられる加速器４では、イオン入射部は、鉄心の中心とも、環状コイルの重心とも異なる位置に設置され、ビーム出射経路２０の入口側にずれた位置に配置される。
本発明の他の好適な実施例である実施例２の粒子線照射装置を、図２７を用いて以下に説明する。
本実施例の粒子線照射装置１Ａは、加速器４Ａを備えており、実施例１の粒子線照射装置１において加速器４を加速器４Ａに変えた構成を有する。粒子線照射装置１Ａの他の構成は粒子線照射装置１と同じである。
加速器４Ａは、リターンヨーク５Ａ，５Ｂを含む真空容器２７を有する。これらのリターンヨーク５Ａ，５Ｂは、実施例１のリターンヨーク５Ａ，５Ｂと実質的に同一である。加速器４Ａに用いられるリターンヨーク５Ｂを説明する。リターンヨーク５Ｂも、磁極７Ａ〜７Ｆの６つの磁極及び高周波加速電極９Ａ〜９Ｄの４つの高周波加速電極を有し、６つの凹部２９Ａ〜２９Ｆを形成している。磁極７Ａ〜７Ｆ及び高周波加速電極９Ａ〜９Ｄは、環状コイル１１Ｂの内側に配置される。加速器４と同様に、磁極７Ａ〜７Ｆのそれぞれの間に、凹部２９Ａ〜２９Ｆのそれぞれが一つずつ配置される。加速器４Ａにおける高周波加速電極９Ａ〜９Ｄの配置は、加速器４における高周波加速電極９Ａ〜９Ｄの配置と同じである。
加速器４Ａでは、イオン注入口及び入射用電極１８が、加速器４のリターンヨーク５Ｂよりもビーム出射経路２０の入口側に移動した状態で配置される。入射用電極１８の、ビーム出射経路２０の入口側への移動に伴い、イオン入射管３Ａも入射用電極１８の位置まで移動してリターンヨーク５Ａに設置されている。加速器４Ａのリターンヨーク５Ｂに形成される吸引管２６も、そのイオン入射管３Ａの延長線上で加速器４Ａのリターンヨーク５Ｂに取り付けられる。
磁極７Ａ〜７Ｆ及び高周波加速電極９Ｃ及び９Ｄのそれぞれの折れ曲り点２４Ａ〜２４Ｐは、加速器４よりも内側に配置され、入射用電極１８の周囲に形成される、１０ＭｅＶのイオンビームが周回するビーム周回軌道７８上に配置される。磁極７Ａ〜７Ｆ及び高周波加速電極９Ｃ及び９Ｄのそれぞれの先端は、尖っており、入射用電極１８に対向している。磁極７Ａ〜７Ｆ及び高周波加速電極９Ｃ及び９Ｄは、図３に示すそれらの形状と同様に、それぞれの折れ曲り点から先端に向かって細くなっている。磁極７Ａ〜７Ｆ及び高周波加速電極９Ｃ及び９Ｄは、それぞれの折れ曲り点からそれぞれの環状コイル１１Ｂの内面に対向する端面までの長さが、実施例１の加速器４に用いられるリターンヨーク５Ｂにおけるそれぞれのその長さよりも長くなっている。磁極７Ａ〜７Ｄのそれぞれの折れ曲り点よりも環状コイル１１Ｂの内面側に配置されている高周波加速電極９Ａ及び９Ｂのそれぞれの長さは、加速器４で用いられる高周波加速電極９Ａ及び９Ｂのそれぞれの長さよりも少し長くなっている。
このため、加速器４Ａに用いられるリターンヨーク５Ｂ内で入射用電極１８を中心に形成される軌道同心領域は、加速器４におけるその領域よりも小さくなる。逆に、軌道同心領域の周囲に形成される軌道偏心領域は加速器４におけるその領域よりも大きくなる。
加速器４Ａのリターンヨーク５Ａでも、加速器４Ａのリターンヨーク５Ｂと同様な形状の磁極７Ａ〜７Ｆ及び高周波加速電極９Ａ〜９Ｄを有している。加速器４Ａは、磁極７Ａ〜７Ｆ及び高周波加速電極９Ａ〜９Ｄのそれぞれの形状、及び入射用電極１８、イオン入射管３Ａ及び吸引管２６のそれぞれが配置され位置を除いて、マスレスセプタム１２を含めて加速器４と同じ構成を有する。
本実施例の粒子線照射装置１Ａも、粒子線照射装置１で実施されるステップＳ１〜Ｓ６，Ｓ２３，Ｓ２４、Ｓ７〜Ｓ１４，Ｓ７及びＳ１５〜Ｓ２１の各工程が実施され、治療台５５上の患者５６の患部に対してイオンビームが照射される。
本実施例は、実施例１で生じる各効果を得ることができる。
本発明の他の好適な実施例である実施例３の粒子線照射装置を、図２８を用いて以下に説明する。
本実施例の粒子線照射装置１Ｂは、ビーム輸送系及び加速器４の回転装置が実施例１の粒子線照射装置１と異なっている。粒子線照射装置１Ｂの加速器４、照射装置７及び制御システム６５は、粒子線照射装置１のそれらと同じである。
実施例１及び２では、加速器４及び４Ａは、水平に配置され、真空容器２７のリターンヨーク５Ｂの下面が建屋の床に設置されている。本実施例の粒子線照射装置１Ｂは、床面に回転可能に設置される回転枠を有しており、垂直に配置された加速器４がその回転枠に取り付けられている。この回転枠は、特許第３４７２６５７号公報に記載された回転枠と同じ構成を有し、建屋の床に設置された支持装置に設けられた回転するローラにより支持される。この支持装置は、シンクロトロンを有する従来の粒子線照射装置に設けられる回転ガントリーを支持する複数のローラを有する支持装置（特開２００６−２３９４０３号公報参照）と同じである。支持装置に設けられたローラの少なくとも１つは、回転装置（例えば、モータ）により、回転される。ローラの回転により、回転枠が回転し、これと共に加速器４が真空容器２７の中心軸Ｃを中心にして回転する。加速器４が垂直に配置される関係上、真空容器２７内に形成される中間面７７も、床面に対して垂直になっている。
治療室が放射線遮へい壁（図示せず）で囲まれており、この放射線遮へい壁は、特許第３４７２６５７号公報に記載された放射線囲と同じ構造になっている。放射線遮へい壁の一部は、側壁となっており、回転枠に取り付けられた加速器４と治療室の間に配置される。治療される患者５６が載る治療台５５が、治療室内に設置される。
真空容器２７に設けられたセプタム電磁石１９内に形成されるビーム出射経路２０に接続されたビーム輸送系１３Ｂのビーム経路４８は、真空容器２７の外側でそれの半径方向に伸びてやがて水平方向に曲がっており、治療室の天井部分となる放射線遮へい壁に沿って治療室の真上まで伸びている。ビーム経路４８は、治療室の真上で治療室に向かって曲げられている。偏向電磁石９５，９６がビーム経路４８の曲り部に配置され、このビーム経路４８には複数の四極電磁石９７が設けられる。ビーム経路４８の先端部には、照射装置７が取り付けられている。実施例１の粒子線照射装置１と同様に、２台の走査電磁石５１，５２、ビーム位置モニタ５３及び線量モニタ５４が照射装置７に取り付けられている。
治療室内の治療台５５上に横たわっている患者５６のがんの患部にイオンビームを照射して患部の治療を行うとき、陽子線治療装置１Ｂにおいても、実施例１で実施されたステップＳ１〜Ｓ６，Ｓ２３，Ｓ２４、Ｓ７〜Ｓ１４，Ｓ７及びＳ１５〜Ｓ２１の各工程が実施される。特に、陽子線治療装置１Ｂを用いた場合におけるステップＳ１１の工程では、回転枠を回転させて加速器４を回転させる。このとき、ビーム輸送系１３Ｂ及び照射装置７は、加速器４の回転の中心（中心軸Ｃ）の周りを旋回する。このような照射装置７の旋回によって照射装置７のビーム軸が、患部へのイオンビームの照射方向に合わせられる。このとき、治療台５５上の患者５６の患部は、加速器４の回転の中心の延長線上に位置している。
ステップＳ１１〜Ｓ１４，Ｓ７及びＳ１５〜Ｓ２１の各工程を実施することにより、患部へのイオンビームの照射が行われ、患部の治療が実施される。
本実施例は、実施例１で生じる各効果を得ることができる。さらに、本実施例は、加速器４を垂直に配置して回転枠により回転させるので、実施例１の粒子線照射装置１よりも小型化される。
本発明の他の好適な実施例である実施例４の粒子線照射装置を、図２９及び図３０を用いて以下に説明する。
本実施例の粒子線照射装置１Ｃは、粒子線照射装置１においてイオンビーム発生装置２をイオンビーム発生装置２Ａに替えた構成を有する。また、イオンビーム発生装置２Ａはイオンビーム発生装置２において加速器４を加速器４Ｂに替えた構成を有する。加速器４Ｂは、加速器４においてマスレスセプタム１２、移動装置１７及び電源４０を削除し、エネルギー吸収体６２及び移動装置６０を追加した構成を有する。なお、粒子線照射装置１Ｃで用いられる制御システム６５Ａは、制御システム６５の加速器・輸送系制御装置６９を加速器・輸送系制御装置６９Ａに替えた構成を有する。加速器・輸送系制御装置６９Ａは、加速器・輸送系制御装置６９においてマスレスセプタム制御装置８６をエネルギー吸収体制御装置９３に替えた構成を有する。エネルギー吸収体制御装置９３は、ＣＰＵ６７，メモリ１０７及び照射位置制御装置８９にそれぞれ接続される。加速器・輸送系制御装置６９Ａの他の構成は加速器・輸送系制御装置６９と同じである。また、粒子線照射装置１Ｃの他の構成は粒子線照射装置１と同じである。図２９及び図３０に図示されていないが、粒子線照射装置１で用いられている、ビーム電流測定部１５、操作部材１６Ａ、移動装置１７及び位置検出器３９を含むビーム電流測定装置９８は、粒子線照射装置１Ｃでも用いられる。このビーム電流測定装置９８は、粒子線照射装置１と同様に、真空容器２７に取り付けられている。ビーム電流測定部１５及び操作部材１６Ａは、凹部２９Ａにおいて中間面７７に配置される。
エネルギー吸収体６２が、真空容器２７内で、リターンヨーク５Ａの磁極７Ａとリターンヨーク５Ｂの、リターンヨーク５Ａの磁極７Ａと対向している磁極７Ａの間に配置され、棒状の操作部材６３の先端部に取り付けられる。エネルギー吸収体６２は、アルミニウムの薄い板であり、ビーム周回軌道７８に対して垂直になるように配置される。エネルギー吸収体６２は、アルミニウムの替りにタングステン、銅及びチタン等の非磁性材である金属材料または非金属材料で構成してもよい。エネルギー吸収体６２の中間面７７に垂直な方向における幅は、リターンヨーク５Ａの磁極７Ａとリターンヨーク５Ｂの磁極７Ａの間の間隙よりも小さくなっている。
エネルギー吸収体６２に取り付けられた操作部材６３が真空容器２７を貫通して真空容器２７の外部まで伸びている。操作部材６３は、エネルギー吸収体６２の支持部材でもあり、真空容器２７の外部で、ピストン及びシリンダを有する移動装置６０のピストンに接続される。操作部材６３は、上記した対向する磁極２９Ａの間及び環状コイル１１Ａと環状コイル１１Ｂの間に配置され、例えば、リターンヨーク５Ｂの筒状部７５Ｂを貫通して筒状部７５Ｂに摺動可能に取り付けられる。エネルギー吸収体６２の真空容器２７内での位置を検出する位置検出器６１が、移動装置６０に取り付けられる（図２９参照）。移動装置６０はモータであってもよい。移動装置６０としてモータを用いる場合には、位置検出器３８としてエンコーダを用い、このエンコーダをモータの回転軸に連結する。エネルギー吸収体６２、操作部材６３、移動装置６０及び位置検出器６１は、ビーム離脱装置の一種であるビーム取り出し調整装置を構成する。
粒子線照射装置１Ｃにおいても、実施例１で述べたステップＳ１〜Ｓ６，Ｓ２３，Ｓ２４及びＳ７〜Ｓ１０の各工程のうちステップＳ８及びＳ９の各工程を除いた各工程が実施される。さらに、ステップＳ７とステップＳ１０の間では、ステップＳ８及びＳ９の替りに、後述のステップＳ２２（図３２参照）の工程が実施される。ステップＳ２２の工程は、後で詳細に説明する。
治療台５５上の患者５６の患部にイオンビームを照射して患部の治療を行う場合には、図３２に示されるステップＳ１１，Ｓ１２，Ｓ２２，Ｓ７及びＳ１５〜Ｓ２１の各工程が実施される。ステップＳ２２以外の各工程は、実施例１と同様に実施される。ここでは、ステップＳ２２の工程について説明する。
エネルギー吸収体を位置決めする（ステップＳ２２）。エネルギー吸収体制御装置９３は、ステップＳ２２の工程を実施するために、ＣＰＵ６７からの制御指令情報に基づいて移動装置６０を制御し、移動装置６０によって操作部材６３を移動させることによってエネルギー吸収体６２を中間面７７において真空容器２７の中心軸Ｃに向かって移動させる。このようなエネルギー吸収体６２の移動によって、エネルギー吸収体６２は、少なくとも７０ＭｅＶ〜２５０ＭｅＶのそれぞれのイオンビームが周回するそれぞれのビーム周回軌道７８を横切ることができる。
エネルギー吸収体制御装置９３は、照射位置制御装置８９から入力した、ステップＳ１２で設定された層に照射されるイオンビームのエネルギーの情報、及びエネルギー吸収体６２によるエネルギーの減衰度合いに基づいてその層に照射すべきイオンビームのエネルギーよりも若干高めのエネルギーのイオンビームが周回するビーム周回軌道７８の位置を、位置検出装置３９によって測定された、メモリ１０７に格納されたエネルギーに対応付けられたビーム周回軌道７８の位置情報に基づいて特定する。エネルギー吸収体制御装置９３は、特定された移動装置６０を制御することによって、エネルギー吸収体６２を、特定された、そのビーム周回軌道７８の位置まで移動させ、このビーム周回軌道７８に位置決めする。
エネルギー吸収体６２の、中間面７７の半径方向における位置（真空容器２７内の半径方向における位置）は、位置検出器６１で測定される。位置検出器６１で測定されたエネルギー吸収体６２の位置情報は、エネルギー吸収体制御装置９３に入力される。エネルギー吸収体制御装置９３は、測定されたエネルギー吸収体６２の位置情報が特定された、そのビーム周回軌道７８の位置と一致しているかを判定し、一致していない場合には、エネルギー吸収体制御装置９３により移動装置６０を制御して、エネルギー吸収体６２をそのビーム周回軌道の位置まで移動させる。測定されたエネルギー吸収体６２の位置情報と該当するビーム周回軌道の位置が一致したとき、エネルギー吸収体制御装置９３により移動装置６０の駆動を停止させる。
エネルギー吸収体制御装置９３による移動装置６０の制御により、前述の特定された、ビーム周回軌道７８の位置にエネルギー吸収体６２が位置しているとき、ステップＳ１６においてビーム周回領域７６にイオンが入射された後、特定された位置のビーム周回軌道７８を周回するイオンビームは、このエネルギー吸収体６２を通過する際にエネルギーを減衰する。この結果、エネルギーが減衰したイオンビームは、実質的に平衡軌道に対して外側に位置することとなる。そして、ビーム出射経路２０のある凹部２９Ｄまで移動する間に、そのビームがベータトロン振動をし、ビーム出射経路２０の入口に向かって移動する。この結果、エネルギー吸収体６２を通過したイオンビームが、ビーム出射経路２０を通して加速器４Ｂからビーム輸送系１３のビーム経路４８に出射される。
治療計画データにより患部のある層に照射されるイオンビームが２００ＭｅＶである場合には、加速器４Ｂからビーム経路４８に２００ＭｅＶのイオンビームを出射する必要がある。エネルギー吸収体６２を通過したイオンビームのエネルギーを２００ＭｅＶにする必要があり、この場合には、エネルギー吸収体６２によるエネルギーの減衰を考慮すると、２０５ＭｅＶのイオンビームを、エネルギー吸収体６２を透過させる必要がある。この場合には、２０５ＭｅＶのイオンビームが周回するビーム周回軌道にエネルギー吸収体６２を位置させる。
ステップＳ２０の判定が「Ｎｏ」であるとき、ステップＳ２０の判定が「Ｙｅｓ」になるまで、ステップＳ１１，Ｓ１２，Ｓ２２，Ｓ７及びＳ１５〜Ｓ２０の各工程が繰り返して実施される。この繰り返しにおいて、ステップＳ２２では、上記したようなエネルギー吸収体６２の位置決めが行われる。
本実施例は実施例１で得られる各効果のうちマスレスセプタム１２で生じる効果を除いた残りの各効果を得ることができる。本実施例では、複雑な構造のマスレスセプタム１２、及び電源４０が不要になるため、粒子線照射装置１Ｃの構造が単純化される。
エネルギー吸収体６２を環状コイルの半径方向に移動する移動装置１７Ａが設けられているので、エネルギー吸収体６２の、患部の設定された層に照射すべきエネルギーを有するイオンビームが周回するビーム周回軌道７８への位置決めの調節を行うことができる。このため、エネルギー吸収体６２の該当するビーム周回軌道７８への位置決めを精度良く行うことができる。
本発明の他の好適な実施例である実施例５の粒子線照射装置を、図３３及び図３４を用いて以下に説明する。
本実施例の粒子線照射装置１Ｄは、粒子線照射装置１において加速器４を加速器４Ｃに替えた構成を有する。加速器４Ｃは加速器４にエネルギー吸収体６２、操作部材６３及び移動装置６０を追加した構成を有する。粒子線照射装置１Ｃの他の構成は粒子線照射装置１と同じである。本実施例で用いられる加速器・輸送系制御装置６９は、マスレスセプタム制御装置８６以外にエネルギー吸収体制御装置９３を含んでいる。なお、本実施例で用いられるエネルギー吸収体６２の厚みは、マスレスセプタム１２を用いているため、実施例４で用いられるエネルギー吸収体６２の厚みよりも薄くすることができる。
粒子線照射装置１Ｄにおいては、実施例１で述べたステップＳ１〜Ｓ６，Ｓ２３，Ｓ２４及びＳ７〜Ｓ１０の各工程が実施される。さらに、粒子線照射装置１Ｄを用いて治療台５５上の患者５６の患部にイオンビームを照射して患部の治療を行う場合には、図３５に示されるステップＳ１１，Ｓ１２，Ｓ２２，Ｓ１３，Ｓ１４，Ｓ７及びＳ１５〜Ｓ２１の各工程が実施される。ステップＳ２２の工程は、実施例４で実施されたその工程と同じである。
本実施例は、マスレスセプタム１２及びエネルギー吸収体６２を用いている関係上、ステップＳ１６におけるイオンビームの出射が、実施例１及び４と異なっているため、ステップＳ１６を詳細に説明する。
エネルギー吸収体６２が、イオンビームの周回方向においてマスレスセプタム１２よりも手前に配置される。このため、あるエネルギーのイオンビームは、エネルギー吸収体６２でエネルギーが減衰された後、このエネルギーが減衰されたイオンビームがマスレスセプタム１２により蹴り出されることになる。エネルギー吸収体６２でエネルギーが減衰されたイオンビームは、エネルギーが減衰される前のイオンビームが周回していたビーム周回軌道よりも内側に移動する。このイオンビームの移動量は予めわかるため、ステップＳ１３におけるマスレスセプタム１２における電極の位置決めでは、その移動量を考慮して、エネルギーが減衰される前のイオンビームが周回していたビーム周回軌道よりも内側に存在する対向する一対の磁極３２Ａ，３２Ｂを、移動装置１７により、エネルギー吸収体６２を透過したイオンビームの位置に前述したように位置決めする。
このため、ステップＳ１６においてビーム周回領域７６にイオンが入射された後に生成されるイオンビームが周回するビーム周回軌道にエネルギー吸収体６２が配置しているため、エネルギー吸収体６２を通過したイオンビームは、エネルギーを減衰して患部の或る層に照射されるイオンビームのエネルギーになる。エネルギー吸収体６２を通過したイオンビームは、予め位置決めされた、マスレスセプタム１２の励磁された一対の磁極３２Ａ，３２Ｂによってさらに蹴り出される。この蹴り出されたイオンビームは、ビーム出射経路２０に入射され、ビーム輸送系１３のビーム経路４８に出射される。
本実施例は実施例１及び４で生じる各効果を得ることができます。本実施例は、マスレスセプタム１２を併用しているため、エネルギー吸収体６２の厚みを実施例４で用いたエネルギー吸収体６２の厚みよりも薄くすることができる。このため、エネルギー吸収体６２によるイオンビームの散乱が少なくなり、それだけ、加速器４Ｃからビーム輸送系１３に出射されるイオンビームが増加する。患者５６の治療に利用されるイオンビームの利用効率が増加する。
本発明の他の好適な実施例である実施例６の粒子線照射装置を、図３６、図３７及び図３８を用いて以下に説明する。
本実施例の粒子線照射装置１Ｅは、実施例１の粒子線照射装置１においてビーム電流測定装置９８をビーム電流測定装置９８Ａに替えた構成を有する。粒子線照射装置１Ｅの他の構成は粒子線照射装置１と同じである。
ビーム電流測定装置９８Ａは、図４０及び図４１に示すように、モニタ筐体１０１、複数のモニタ電極１０３Ａ及び複数のモニタ電極１０３Ｂを有する。モニタ筐体１０１は、互いに対向して平行に配置された筐体部１０２Ａ及び１０２Ｂ、及び連結部１０２Ｃを有する。それぞれのモニタ電極１０３Ａは、所定の間隔を持って一列に配置され、複数（例えば、４個）の絶縁碍子１０４を介して筐体部１０２Ａの、筐体部１０２Ｂに対向する一面に取り付けられる。それぞれのモニタ電極１０３Ｂは、所定の間隔を持って一列に配置され、複数（例えば、４個）の絶縁碍子１０４を介して筐体部１０２Ｂの、筐体部１０２Ａに対向する一面に取り付けられる。筐体部１０２Ａ及び１０２Ｂのそれぞれの端部は、連結部１０２Ｃによって結合される。それぞれのモニタ電極１０３Ａはそれぞれのモニタ電極１０３Ｂと一つずつ対向して配置される。
各モニタ電極１０３Ａには電極リード線１０６がそれぞれ接続されており、各モニタ電極１０３Ｂにも別の電極リード線１０６がそれぞれ接続される。真空容器２７内の真空中での脱ガス及び放電による損傷を防ぐために、各モニタ電極１０３Ａに接続された電極リード線１０６は、束ねられて、電極リードカバー１０５Ａで覆われている。電極リードカバー１０５Ａは筐体部１０２Ａの表面に沿ってこの表面に取り付けられる。また、各モニタ電極１０３Ｂに接続された電極リード線１０６も、真空容器２７内の真空中での脱ガス及び放電による損傷を防ぐために、束ねられて、電極リードカバー１０５Ｂで覆われている。電極リードカバー１０５Ｂは筐体部１０２Ｂの表面に沿ってこの表面に取り付けられる。各モニタ電極１０３Ａに接続された電極リード線１０６及び各モニタ電極１０３Ｂに接続された電極リード線１０６は、連結部１０２Ｃの位置で束ねられ、電極リードカバー（図示せず）で覆われた状態で、リターンヨーク５Ｂの筒状部７５Ｂを貫通して真空容器２７の外部に取り出される。これらの電極リード線１０６は、ビーム電流測定部制御装置８４に接続される。
ビーム電流測定装置９８Ａは、図３８及び図３９に示されるように、マスレスセプタム１２の、各磁極３２Ａとこれに対向する各磁極３２Ｂの間に配置され、マスレスセプタム１２に取り付けられる。本実施例においても、マスレスセプタム１２は、対向しているリターンヨーク５Ａ，５Ｂのそれぞれに形成される凹部２９Ａ内に配置される。このため、ビーム電流測定装置９８Ａもそれらの凹部２９Ａ内に配置される。モニタ電極１０３Ａのそれぞれとモニタ電極１０３Ｂのそれぞれの間には、周回するイオンビームが通過する間隙であるビーム通路３５が形成される。このビーム通路３５は中間面７７の一部を内包する。各モニタ電極１０３Ａと各モニタ電極１０３Ｂは間に中間面７７を挟んで対向している。モニタ筐体１０１の長さはマスレスセプタム１２の長さよりも長く、モニタ筐体１０１には、例えば、３５ＭｅＶのイオンビームのビーム周回軌道７８から２５０ＭｅＶのイオンビームのビーム周回軌道７８の範囲内でビーム電流が測定できるように、複数のモニタ電極１０３Ａ及び複数のモニタ電極１０３Ｂが設けられている。
本実施例の粒子線照射装置１Ｅも、粒子線照射装置１で実施されるステップＳ１〜Ｓ６，Ｓ２３，Ｓ２４、Ｓ７〜Ｓ１４，Ｓ７及びＳ１５〜Ｓ２１の各工程が実施され、治療台５５上の患者５６の患部に対してイオンビームが照射される。これらの工程のうち本実施例で実施されるステップＳ６（イオンビームの測定）を具体的に説明する。本実施例では、ステップＳ６は、ビーム電流測定装置９８Ａを用いて実施される。ステップＳ１〜Ｓ５の各工程が実施された後、移動装置１７を用いてマスレスセプタム１２の位置を調節し、ビーム電流測定装置９８Ａのモニタ電極１０３Ａ及び１０３Ｂのそれぞれが一点鎖線Ｘに沿って所定の位置になるように調節する。各ビーム周回軌道７８を周回するそれぞれのイオンビームがビーム通路３５を通過する。イオンビームが対向しているモニタ電極１０３Ａ及び１０３Ｂの間を通過するときにこれらの電極間に生じる電圧が測定される。ビーム電流に相当する、この測定された電圧情報がビーム電流に変換され、このビーム電流に対応するそれぞれのエネルギー情報が、これらのモニタ電極の、環状コイルの半径方向における一点鎖線Ｘ上での位置情報、すなわち、ビーム周回軌道７８のその半径方向における位置情報に対応付けられてメモリ１０７に格納される。
ステップＳ１３では、マスレスセプタム制御装置８６は、設定された層に照射されるイオンビームのエネルギーの情報、及びメモリ１０７に格納されたエネルギー（電圧情報）に対応付けられたビーム周回軌道７８の位置情報に基づいて、該当するビーム周回軌道７８に位置決めして励磁する一対の磁極３２Ａ，３２Ｂを特定する。さらに、実施例１におけるステップＳ１３と同様に、マスレスセプタム１２の移動量を求める。マスレスセプタム制御装置８６は、その移動量に基づいて移動装置１７を制御してマスレスセプタム１２を入射用電極１８に向かって移動させ、特定された磁極３２Ａ，３２Ｂの該当するビーム周回軌道７８への位置決めがなされる。さらに、ステップＳ１４において、特定された一対の磁極３２Ａ，３２Ｂが励磁される。
本実施例は、実施例１で生じる各効果を得ることができる。
実施例１で用いられたビーム電流測定装置９８は、ビーム電流測定部１５に周回するイオンビームを衝突させてビーム電流を検出する。このため、周回しているイオンビームを破壊して計測する上、ビーム電流測定部１５を移動させる移動装置１７Ａが必要になる。最外周に位置するビーム周回軌道７８を周回するイオンビームのビーム電流を計測するために、ビーム電流測定部１５を環状コイル１１Ａ，１１Ｂの内面付近まで引き抜く必要があり、操作部材１６Ａを長くしなければならない可能性がある。したがって、ビーム電流測定装置９８の大型化が懸念される。
本実施例で使用するビーム電流測定装置９８Ａは、対向するモニタ電極１０３Ａ，１０３Ｂを用いてイオンビームのビーム電流に相当する前述の電圧を測定するために、周回するイオンビームを破壊させることなくその電圧を測定することができ、電圧に対応するビーム電流を求めることができる。また、モニタ電極１０３Ａ，１０３Ｂの位置を微調節するために、マスレスセプタム１２の移動装置１７を使用することができるので、ビーム電流測定装置９８Ａはビーム電流測定装置９８よりも小型化することができる。
なお、マスレスセプタム１２内に配置されたビーム電流測定装置９８Ａは、後述の実施例７のように、棒状の支持部材１０８を用いてリターンヨーク５Ｂの筒状体７５Ｂに固定してもよい。この場合には、ビーム電流測定装置９８Ａに取り付けられた支持部材１０８は、マスレスセプタム１２の連結部３１に形成された貫通孔３１Ｄを通してマスレスセプタム１２の外部に達する。
本発明の他の好適な実施例である実施例７の粒子線照射装置を、図４２及び図４３を用いて以下に説明する。
本実施例の粒子線照射装置１Ｆは、実施例４の粒子線照射装置１Ｃにおいてビーム電流測定装置９８を前述したビーム電流測定装置９８Ａに替えた構成を有する。粒子線照射装置１Ｆの他の構成は粒子線照射装置１Ｃと同じである。粒子線照射装置１Ｆでは、ビーム電流測定装置９８Ａは、中心軸Ｃを通って中心軸Ｃに垂直な一点鎖線Ｘに沿ってリターンヨーク５Ａ，５Ｂのそれぞれに形成された凹部２９Ａに配置され、棒状の支持部材１０８によってリターンヨーク５Ｂの筒状部７５Ｂに取り付けられる。ビーム周回軌道７８が形成される中間面７７の一部が、ビーム電流測定装置９８Ａに形成されるビーム通路３５内に存在する。各モニタ電極１０３Ａと各モニタ電極１０３Ｂは間に中間面７７を挟んで対向している。
本実施例では、実施例４と同様に、実施例１で述べたステップＳ１〜Ｓ６，Ｓ２３，Ｓ２４及びＳ７〜Ｓ１０の各工程のうちステップＳ８及びＳ９の各工程を除いた各工程が実施され、さらに、図３５に示すステップＳ１１，Ｓ１２，Ｓ２２，Ｓ７及びＳ１５〜Ｓ２１の各工程が実施される。
本実施例でも、ステップＳ６において、実施例６と同様に、イオンビームが周回しているときに、ビーム電流測定装置９８Ａを用いて対向しているモニタ電極１０３Ａとモニタ電極１０３Ｂの間の電圧を測定する。さらに、ステップＳ２２では、設定された層に照射されるイオンビームのエネルギーの情報及びエネルギー吸収体６２によるエネルギーの減衰度合いに基づいてその層に照射すべきイオンビームのエネルギーよりも若干高めのエネルギーのイオンビームが周回するビーム周回軌道７８の位置を、メモリ１０７に格納されたビーム電流情報である電圧情報に対応付けられたその位置情報に基づいて特定する。エネルギー吸収体制御装置９３は、移動装置６０を制御することによって、エネルギー吸収体６２を、その特定された、そのビーム周回軌道７８の位置まで移動させる。
本実施例は実施例４で生じる各効果を得ることができる。さらに、本実施例は実施例６においてビーム電流測定装置９８Ａにより生じた各効果も得ることができる。
本発明の他の好適な実施例である実施例８の粒子線照射装置を、図４４、図４５及び図４６を用いて以下に説明する。
粒子線照射装置１等の実施例１ないし７で述べた粒子線照射装置は、各加速器が鉄心１４Ａ及び１４Ｂを用いて構成した真空容器２７を有する。しかしながら、本実施例の粒子線照射装置１Ｇでは、加速器４Ｄが、鉄心１４Ａ及び１４Ｂを有し、さらに、鉄心１４Ａと鉄心１４Ｂの間に配置した真空容器２７Ａを有している。真空容器２７Ａは非磁性材（例えば、ステンレス鋼）で作られている。鉄心１４Ａが真空容器２７Ａの上方に配置され、鉄心１４Ｂが真空容器２７Ａの下方に配置される。マスレスセプタム１２及びビーム電流測定装置９８のビーム電流測定部１５が真空容器２７Ａ内に配置される。ビーム周回軌道７８が形成される中間面７７は、真空容器２７及び環状コイル１１Ａ，１１Ｂの中心軸Ｃに垂直に真空容器２７Ａ内に形成される。イオン入射管３Ａは、鉄心１４Ａに含まれるリターンヨーク５Ａのベース部７４Ａを貫通して真空容器２７Ａ内に達している。イオン入射管３Ａの先端に形成されたイオン注入口は真空容器２７Ａ内に開口している。イオン入射管３Ａの中心軸の延長線上に配置される吸引管２６が、リターンヨーク５Ｂのベース部７４Ｂを貫通してベース部７４Ｂに取り付けられる。この吸引管２６は、真空容器２７Ａに接続され、真空容器２７Ａ内に開口している。入射用電極１８は、イオン注入管３Ａの先端に取り付けられる。
鉄心１４Ａ及び１４Ｂを含む粒子線照射装置１Ｇの他の構成は粒子線照射装置１と同じである。
マスレスセプタム１２に取り付けられた操作部材１６及びビーム電流測定部１５に取り付けられた操作部材１６Ａは、真空容器２７Ａ及びリターンヨーク５Ｂの筒状部７５Ｂを貫通してリターンヨーク５Ｂの外部に達する。リターンヨーク５Ｂの外部で操作部材１６及び１６Ａは移動装置１７及び１７Ａに接続される。セプタム電磁石１９は真空容器２７Ａ及び筒状部７５Ｂに取り付けられる。セプタム電磁石１９に形成されたビーム出射経路２０は、ビーム輸送系１３のビーム経路４８に連絡される。ビーム出射経路２０の入口は真空容器２７Ａ内に位置している。
真空容器２７Ａ内の中間面７７には、前述した軌道同心領域及びこの軌道同心領域を取り囲む軌道偏心領域が形成される。軌道同心領域及びこの軌道同心領域は入射用電極１８を取り囲んでいる。軌道同心領域に形成される各ビーム周回軌道７８は、実施例と同様に、ビーム出射経路２０の入口側に集約されている。本実施例においても、入射用電極１８及びイオン注入口の位置が、環状コイルの中心軸Ｃ、すなわち、この中心軸Ｃ上に位置する環状コイルの重心からビーム出射経路２０の入口にずれており、加速器４Ｄの半径方向において環状コイルの重心とは異なった位置に位置している。鉄心１４Ａ及び１４Ｂに形成された磁極７Ａ〜７Ｆのそれぞれは、実施例１と同様に、イオン注入口の位置の周囲を取り囲んで配置され、イオン注入口の位置から放射状に伸びている。鉄心１４Ａ及び１４Ｂに形成された凹部２９Ａ〜２９Ｆのそれぞれも、実施例１と同様に、イオン注入口の位置の周囲を取り囲んで配置され、イオン注入口の位置から放射状に伸びている。
本実施例でも、実施例１と同様に、中間面７７において図１０に示す磁場分布が形成され、ステップＳ１〜Ｓ６，Ｓ２３，Ｓ２４、Ｓ７〜Ｓ１４，Ｓ７及びＳ１５〜Ｓ２１の各工程が実施されて治療台５５上の患者５６の患部に対してイオンビームが照射される。
本実施例は実施例１で生じる各効果を得ることができる。本実施例は、真空容器２７Ａを別途設けているため、実施例１のように、互いに対向しているリターンヨーク５Ａの筒状部７５Ａとリターンヨーク５Ｂの筒状部７５Ｂの対向面をシールする必要がない。しかしながら、本実施例では、真空容器２７Ａを鉄心１４Ａと鉄心１４Ｂの間に配置しているので、本実施例で用いられる加速器４Ｄは実施例１で用いられる加速器４よりも大きくなる。
図４７に示すように、マスレスセプタム１２を真空容器２７Ａの外部に配置し、この真空容器２７Ａをマスレスセプタム１２の、各磁極３２Ａとこれに対向する各磁極３２Ｂの間に配置してもよい。この場合には、ビーム電流測定部１５が真空容器２７Ａ内の中間面７７に配置される。このように配置されるマスレスセプタム１２によっても、真空容器２７Ａ内の中間面７７に形成されるビーム周回軌道７８を周回するイオンビームを蹴り出すことができ、このイオンビームを、ビーム出射経路２０を通してビーム輸送系１３に出射することができる。
本発明の他の好適な実施例である実施例９の粒子線照射装置を、図４８を用いて以下に説明する。
本実施例の粒子線照射装置１Ｆは、粒子線照射装置１Ｅと同様に、鉄心１４Ａと鉄心１４Ｂの間に真空容器２７Ａを配置している。粒子線照射装置１Ｆは、鉄心１４Ａ及び１４Ｂ、真空容器２７Ａ、及び真空容器２７Ａ内に配置されたビーム電流測定部１５及びエネルギー吸収体６２を有する加速器４Ｅを備えている。ビーム電流測定部１５に取り付けられた操作部材１６Ａ及びエネルギー吸収体６２に取り付けられた操作部材６２は、真空容器２７Ａ及びリターンヨーク５Ｂの筒状部７５Ｂを貫通してリターンヨーク５Ｂの外部に達する。
本実施例でも、実施例４と同様に、中間面７７において図１０に示す磁場分布が形成され、実施例１で述べたステップＳ１〜Ｓ６，Ｓ２３，Ｓ２４及びＳ７〜Ｓ１０の各工程のうちステップＳ８及びＳ９の各工程を除いた各工程が実施される。さらに、図３２に示されるステップＳ１１，Ｓ１２，Ｓ２２，Ｓ７及びＳ１５〜Ｓ２１の各工程が実施される。本実施例においても、真空容器２７Ａからビーム輸送系１３に出射されたイオンビームが、治療台５５上の患者５６の患部に照射される。
本実施例は実施例４で生じる各効果を得ることができる。しかしながら、本実施例では、真空容器２７Ａを鉄心１４Ａと鉄心１４Ｂの間に配置しているので、本実施例で用いられる加速器４Ｄは実施例４で用いられる加速器４Ｂよりも大きくなる。
本発明では、陽子を発生するイオン源３の替りに、炭素イオン（Ｃ4+）を発生するイオン源を用い、この炭素イオン（Ｃ4+）を荷電変換器で荷電変換して炭素イオン（Ｃ6+）に変換して加速器内で炭素イオンビーム（Ｃ6+のイオンビーム）を生成し、生成された炭素イオンビームを加速器から出射してビーム輸送系を通して照射装置７に導いてもよい。この場合には、陽子イオンビームの替りに炭素イオンビームが、治療台５５上の患者５６の患部に照射される。さらに、イオン源３としてヘリウムイオンを発生するイオン源を用い、加速器からビーム輸送系にヘリウムイオンビームを出射してもよい。
なお、本出願では、環状コイル１１Ａ，１１Ｂの中心軸Ｃに垂直な平面内に存在しない要素間の位置関係は、これらの要素を中心軸Ｃ方向において中間面７７に投影し、この中間面７７におけるそれらの要素間の位置関係を意味している。このような要素間の位置関係は、例えば、実施例８及び９において記載されたイオン入射管３Ａの先端に形成されたイオン注入口（イオン入射口）または入射用電極１８またはイオン入射部と磁極７Ａ〜７Ｆ，高周波加速電極９Ａ〜９Ｄ、ビーム出射経路２０及び凹部２９Ａ〜２９Ｆのそれぞれとの位置関係、磁極７Ａ〜７Ｆ，高周波加速電極９Ａ〜９Ｄ、ビーム出射経路２０及び凹部２９Ａ〜２９Ｆ相互間の位置関係、イオン注入口とビーム出射経路２０の入口との位置関係などが該当する。
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ…粒子線照射装置、２，２Ａ，２Ｂ…イオンビーム発生装置、３…イオン源、３Ａ…イオン入射管、４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅ…加速器、６…回転ガントリー、７…照射装置、７Ａ〜７Ｆ，３２Ａ，３２Ｂ…磁極、８Ａ〜８Ｆ…トリムコイル、９Ａ〜９Ｄ…高周波加速電極、１１Ａ，１１Ｂ…環状コイル、１２…マスレスセプタム、１３，１３Ｂ…ビーム輸送系、１４Ａ，１４Ｂ…鉄心、１５…ビーム電流測定部、１７，１７Ａ，６０…移動装置、１８…入射用電極、１９…セプタム電磁石、２０，４８…ビーム経路、２４Ａ〜２４Ｐ…折れ曲り点、２７，２７Ａ…真空容器、２９Ａ〜２９Ｆ…凹部、３０，３０Ａ，３０Ｂ…鉄心部材、３１Ａ，３１Ｂ…鉄心部、３１Ｃ…連結部、３３Ａ，３３Ｂ…コイル、３５…ビーム通路、３６…高周波電源、３７，４０，５７，８０，８２…電源、５１，５２…走査電磁石、５３…ビーム位置モニタ、５４…線量モニタ、６２…エネルギー吸収体、６５…制御システム、６６…中央制御装置、６９，６９Ａ，６９Ｂ…加速器・輸送系制御装置、７０…走査制御装置、７６…ビーム周回領域、７７…中間面、８３…入射用電極制御装置、８４…ビーム電流測定部制御装置、８５…電磁石制御装置、８６…マスレスセプタム制御装置、８８…回転制御装置、８９…照射位置制御装置、９１…線量判定装置、９２…層判定装置、９３…エネルギー吸収体制御装置、９４…コイル電流制御装置、９８，９８Ａ…ビーム電流測定装置、９９…高周波電圧制御装置、１０１…モニタ筐体、１０３…モニタ電極。

Claims (13)

  1. 互いに対向して設置され、間に磁場を形成する一対の鉄心と、
    イオンビームを加速する加速電極と、
    前記イオンビームを外部に取り出すビーム出射経路とを有し、
    前記一対の鉄心によって形成される、異なるエネルギーの前記イオンビームがそれぞれ周回する環状の複数のビーム周回軌道が、前記ビーム出射経路の入口において集束していることを特徴とする加速器。
  2. 互いに対向して設置され、間に等時性磁場を形成する一対の鉄心と、
    イオンビームを加速する加速電極とを有し、
    前記鉄心のそれぞれに形成された磁極によって形成される複数の環状のビーム周回軌道の相互間の間隔が、一方において他方より広くなっていることを特徴とする加速器。
  3. 環状のメインコイルと、
    磁場を形成する磁極と、
    イオンビームを加速する加速電極とを有し、
    前記磁極によって形成される環状のビーム周回軌道の中心が、前記メインコイルの重心の位置と異なっていることを特徴とする加速器。
  4. 互いに対向して設置され、間に磁場を形成する一対の鉄心と、
    イオンビームを加速する加速電極と、
    前記イオンビームを取り出す外部に取り出すビーム出射経路とを有し、
    磁場強度がＢ、前記イオンビームの磁気剛性率がＢρ、磁場の垂直成分がＢｚ、及びビーム周回軌道が形成される前記一対の鉄心の間の軌道面内の、前記ビーム周回軌道に対する垂直方向の位置座標がｒであるとき、前記一対の鉄心のそれぞれに形成された複数の磁極によって形成される環状の前記ビーム周回軌道の、ビーム出射経路の入口の１８０°反対側の位置を中心とした半周分の、下記の（１）式で表されるｎ値の絶対値の積分値が、前記ビーム周回軌道の、前記入口を中心とした半周分の前記ｎ値の絶対値の積分値より小さいことを特徴とする加速器。
    Figure 0006434051
  5. 互いに対向して設置され、間に磁場を形成する一対の鉄心と、
    イオンビームを加速する加速電極と、
    前記イオンビームを外部に取り出すビーム出射経路と、
    前記一対の鉄心の相互間に形成されるビーム周回領域に配置されて前記鉄心の中心軸よりも前記ビーム出射経路側に配置され、イオン源から前記ビーム周回領域に導かれる前記イオンビームの進行方向を、前記イオンビームが前記ビーム周回領域においてビーム周回軌道が形成される軌道面における前記ビーム周回軌道で周回されるように、曲げる入射用電極とを有し、
    前記入射用電極を中心とする同心の複数の前記ビーム周回軌道が形成される軌道同心領域、及び前記軌道同心領域を取り囲み、前記軌道同心領域内の前記複数のビーム周回軌道とは異なる他の複数の前記ビーム周回軌道のそれぞれの中心が前記入射用電極から偏心して互いに異なるように配置され、前記他の複数のビーム周回軌道が形成される軌道偏心領域を有し、
    前記軌道偏心領域内の前記他の複数のビーム周回軌道が、前記ビーム出射経路の入口において集束していることを特徴とする加速器。
  6. 前記磁場は、前記軌道面に形成された複数の第１磁場領域、及び、この第１磁場領域よりも磁場強度が低い複数の第２磁場領域を含み、
    前記軌道面において、イオン入射部の位置から、前記複数の第１磁場領域及び前記複数の第２磁場領域が放射状に伸びており、
    前記第１磁場領域と前記第２磁場領域が、前記イオン入射部の周囲において交互に形成され、
    前記軌道面内において最も磁場強度が高い領域が、前記第１磁場領域において最外周の前記ビーム周回軌道よりも、前記イオン入射部側に形成される請求項４に記載の加速器。
  7. 前記磁場は、前記軌道面に形成された複数の第１磁場領域、及び、この第１磁場領域よりも磁場強度が低い複数の第２磁場領域を含み、
    前記軌道面において、前記入射用電極が配置される位置から、前記複数の第１磁場領域及び前記複数の第２磁場領域が放射状に伸びており、
    前記第１磁場領域と前記第２磁場領域が、前記入射用電極の周囲において交互に形成され、
    前記軌道面内において最も磁場強度が高い領域が、前記第１磁場領域において最外周の前記ビーム周回軌道よりも、前記入射用電極側に形成される請求項５に記載の加速器。
  8. 前記ビーム周回軌道に沿った磁場強度分布の２倍高調波成分が、前記軌道偏心領域で低下する請求項５に記載の加速器。
  9. 前記第１磁場領域と前記第２磁場領域はそれぞれ６個あり、
    前記ビーム周回軌道のうち最大エネルギーを有するビーム周回軌道は、一周する間に通過する磁場強度の６つの最大ピークの内、イオンを取り出す前記ビーム出射経路の入口に対応する位置から２つ目と５つ目の最大ピークが他より低く、それら最大ピークの両側の最小ピークの値は他より高い請求項６または７に記載の加速器。
  10. 前記複数のビーム周回軌道の中心は互いに偏心しており、
    前記環状のビーム周回軌道が、前記イオンビームを軌道面に入射するイオン入射部と前記ビーム出射経路の入口の間で密になっている請求項１に記載の加速器。
  11. 前記鉄心には凸部である複数の磁極が放射状に形成され、
    前記磁極はそれぞれ折れ曲り点を有し、
    前記軌道同心領域は前記折れ曲がり点よりも内周側に形成されている請求項５に記載の加速器。
  12. 前記ビーム周回軌道の相互間の間隔が最も広い、前記イオンビームの周回方向の位置に、前記ビーム周回軌道から前記イオンビームを脱離させるビーム脱離装置を備えた請求項５に記載の加速器。
  13. 等時性磁場の加速器と、
    前記加速器から取り出されたイオンビームを輸送する輸送系と、
    前記輸送系によって輸送される前記イオンビームを照射対象に照射する照射装置と、
    前記照射装置の要求に従い、異なるエネルギーの前記イオンビームを出射する前記加速器とを備え、
    前記加速器は、軌道ごとに異なるエネルギーを有する環状ビーム周回軌道、及びイオンビームを外部に取り出すビーム出射経路を有し、
    前記異なるエネルギーを有する複数のビーム周回軌道が、前記ビーム出射経路の入口において集束しており、
    前記集束しているビーム周回軌道の最小エネルギーが、前記照射装置から照射対象に出射される最小エネルギーであることを特徴とする粒子線照射装置。
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