JP6758411B2

JP6758411B2 - 加速器ならびに粒子線治療装置

Info

Publication number: JP6758411B2
Application number: JP2018557585A
Authority: JP
Inventors: 知新堀
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2017-11-01
Publication date: 2020-09-23
Anticipated expiration: 2037-11-01
Also published as: US10617886B2; JPWO2018116647A1; US20190232085A1; WO2018116647A1

Description

本発明は、加速器ならびにそれを備えた粒子線治療装置に関する。

本発明の背景技術として特許文献１に記載の技術がある。特許文献１では、エネルギーが異なるビームを効率よく出射するサイクロトロン型の加速器が提案されている。特許文献１の加速器では、エネルギーの異なる各ビーム軌道の位置関係が略同心円状ではなく、低エネルギーから高エネルギーにかけて、ビーム軌道中心がある直線状を一方向に移動していく。このため、隣接するビーム軌道の間隔（ターンセパレーション）が狭まる集約領域と、逆に広がる離散領域がビーム周回方向において異なる位置にある。すなわち、高エネルギービームのターンセパレーションが略同心円状のビーム軌道よりも増大する領域があるため、ビームを選択的に取り出すことが容易となる。

国際公開2016/092621

特許文献１では、集約領域と離散領域をもつビーム軌道を実現するための磁場分布（特許文献１の図１０）、ならびにその磁場分布を実現するための磁極形状（特許文献１の図３０）について開示されている。特許文献１で開示されている磁場分布は、ビーム周回方向に沿って、極大値と極小値の間を三角関数のように滑らかに変化する。この滑らかな磁場変化を実現させるために、磁石装置のビーム周回面と向き合う上下の磁極面は、必然的に、ビーム周回方向に沿って滑らかな凹凸を有することになる。

上下の一対の凸部で挟まれた領域をヒル領域と呼び、同様に、上下の一対の凹部で挟まれた領域をバレー領域という。一般に、サイクロトロンでは、バレー領域には加速空洞が配置され、ヒル領域には主磁場を微調整するためのトリムコイルなどを配置する。磁極面の形状が三角関数のように滑らかに変化する場合、こうした加速器用磁石に組み込む機器の形状と配置が複雑化する。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、加速器用磁石に組み込む機器を配置する空間が容易に確保でき、ビームのターンセパレーションが密になる集約領域と疎になる離散領域をビーム周回方向に異なる位置に有する加速器を提供すること、およびその加速器を備えた粒子線治療装置を提供することである。

前記課題を解決するために、本発明の加速器は、円盤状の鉄芯と、前記鉄芯の円状の面に固定された磁極と、前記磁極を囲むように配置されたコイルと、を一対有し、前記一対の磁極の間にイオンビームを周回させ加速させる空間を有し、前記一対の磁極は、前記イオンビームの周回する軌道に沿って複数の凹凸構造を有するとともに、前記イオンビームの周回する軌道が形成する軌道面に対して面対称、かつ前記軌道面に垂直な垂直面の一つに面対称となる加速器用の磁石装置であって、前記一対の磁極は、前記複数の凹凸構造のなかで前記垂直面と交差する位置に凹構造を有し、前記垂直面と交差する位置に配置された凹構造と、該凹構造と隣接する凸構造との境界面は前記垂直面に対して一様に凸状または凹状であることを特徴とする。

本発明によれば、ビーム周回方向に沿って凹部と凸部の境界面が略垂直に変化しているので、加速器用磁石に組み込む機器を配置する空間の確保が容易であり、垂直対称面を含む凹部の面積が異なるため、ビームのターンセパレーションが密になる集約領域と疎になる離散領域ができる。

実施例１における加速器の斜視図である。実施例１における加速器の断面図である。実施例１における加速器の磁極の平面図である。実施例１における加速器の磁極の断面図である。セクター型サイクロトロン加速器の磁極面の平面図である。セクター型サイクロトロン加速器の磁極の断面図である。セクター型サイクロトロンのビーム軌道を偏心させた磁極面の平面図である。ビーム軌道が略同心円状で、各凹凸部における磁極間隔が異なる場合の磁極面の平面図である。

以降で、本発明を実施するための形態を、各図を参照して説明する。

まず、図１から図４を用いて、磁石装置１の構造を説明する。

図１は、磁石装置１の斜視図である。磁石装置１は、図１に示すように鉛直方向から見て略円盤状の形状を成す上鉄芯部４と下鉄芯部５とを主な構成として有し、上鉄芯部４と下鉄芯部５は、水平対称面２に対してほぼ上下対称な形状を有している。この水平対称面２は、おおむね磁石装置１の鉛直方向中心を通り、加速中のイオンが描く軌道に対して平行な面である。また上鉄芯部４と下鉄芯部５は、水平対称面２に垂直であり、かつおおむね磁石装置１の水平対称面２に対する中心を通過する平面である垂直対称面３に対して面対称な形状をしている。なお、図１では水平対称面２の磁石装置１に対する交差部分を一点鎖線、垂直対称面３の磁石装置１に対する交差部分を破線で示している。

図２は、磁石装置１の垂直対称面３による断面図である。上鉄芯部４と下鉄芯部５に囲まれた空間内にはコイル６が水平対称面２に対して面対称に配置されており、上部磁極８と下部磁極９が同様に水平対称面２対して面対称に配置される。コイル６と各磁極との位置関係は、図２に示されるように各磁極を囲むようにコイル６が配置されるものとなる。なおコイル６は超伝導と常伝導のいずれであってもよい。また上鉄芯部４および下鉄芯部５に囲まれた空間内には真空容器７が設けられており、この上部磁極８および下部磁極９は真空容器７の内部に配置され、それぞれ上鉄芯部４と下鉄芯部５と結合されている。磁石装置１は水平対称面２に対して上下対称の構造であるため、以下では、下部磁極９の磁極面１０について詳細に説明する。

図３は、磁極面１０を水平対称面２から見た平面図である。磁極面１０には、ビーム軌道５１，５２、５３の周回方向にわたって実線で示す凹部２１、２２、２３、２４と凸部３１、３２、３３、３４が交互に配置されており、垂直対称面３に対して面対称になっている。なお、図から明らかのように本実施例の磁石装置１の構造においては、上部磁極８および下部磁極９は、イオンビームの周回する軌道に沿って複数の凹凸構造を有するとともに、ビーム軌道が形成する軌道面に対して面対称、かつ軌道面に垂直な一つの垂直対称面３に対しても面対称の構造を有する。

それぞれの凹部と凸部は略扇形形状であり、各凹部と凸部の扇形形状の頂点が集約される位置にイオン入射装置を配置するための空間６１が存在する。なお、この空間６１は磁極面１０におけるイオン入射位置と考えてもよい。

ここで本実施例の特徴は、水平対称面２から見た際の凹部と凸部の形状にあり、すなわち凹部と凸部との境界面が描く形状について詳細に説明する。なお実際の装置においては、水平対称面２から見た際の様子は、凹部および凸部との間にその中間様の領域が形成されることは避け得ないが、以降では説明の簡単のために凹部と凸部との間に中間部が無いものとする。

まず凹部２１と凸部３１の形状について説明する。この形状を説明するにあたり、図３において、両者の境界を境界面４１とし、境界面４１に対して接線７１を引いた場合に、接線７１と垂直対称面３とがなす角度を角度８１とする。本実施例において角度８１は、接線７１と境界面４１との接点を空間６１の近傍から外周面１１に向かって動かすに従って広義単調増加であり、境界面４１は垂直対称面３からみて下に凸の曲線を描く。同様に、凸部３１と凹部２２についても両者の境界を境界面４２とし、境界面４２に対する接線７２が垂直対称面３となす角度である角度８２は、および凸部３２と凹部２２との境界を境界面４３とし、境界面４３と接線７３が垂直対称面３となす角度である角度８３は、空間６１から外周面１１に向かうように接点を移動させるに従って単調増加であり、境界面４２および境界面４３は垂直対称面３に対して張り出すような凸形状を呈する。一方、凹部２３と凸部３２に関する境界面４４の接線７４が垂直対称面３となす角度である角度８４は、空間６１から外周面１１に向かい接点を移動させるに従って広義単調減少であり、境界面４４は垂直対称面３から張り出すような凸形状を呈する。垂直対称面３を含む凹部２１と凹部２３は面積が異なり、実施例１では凹部２１の面積が小さく、凹部２３の面積が大きくなっている。

以上で説明した凹凸構造に関しては、次のように説明することもできる。すなわち軌道面を間に対向して配置される一対の磁極は、複数の凹凸構造のなかで垂直対称面３と交差する位置に凹構造（凹部２１および凹部２３）を有する。これらの凹構造と隣接する凸構造（凸部３１，３２，３３，３４）との境界面（４１，４４，４５，４８）は垂直対称面３に対して一様に凸状または凹状である。

あるいは、複数の凹凸構造は、空間６１（入射位置）を頂点とし、各鉄芯の外縁に沿った円弧を有する扇形状の領域とも言えるため、次のようにも説明される。すなわち、複数の凹凸構造のなかで垂直対称面３と交差する凹部２１，２３については、入射位置（空間６１）から円弧までの距離が短い凹構造（凹部２１）と、これに隣接する凸構造（凸部３１，３４）との境界面４１，４８に関する接線（図示は接線７１のみ）が、垂直対称面３となす鋭角の角度８１は、接線７１と境界面４１との接点が空間６１から鉄芯の外縁に向かうに従って単調増加する。

一方、入射位置（空間６１）から円弧までの距離が長い凹構造（凹部２３）とこれに隣接する凸構造（凸部３２，３３）との境界面４４，４５に関する接線（図示は接線７４のみ）が垂直対称面３となす鋭角の角度８４は、接線７４と境界面４４との接点が空間６１から鉄芯の外縁に向かうに従って単調減少する。

図４は、図３に示したビーム軌道５１に沿った上部磁極８および下部磁極９の断面図である。上下の凹部２１で挟まれたバレー領域９１、上下の凸部３１に挟まれたヒル領域９４、上下の凹部２２に挟まれたバレー領域９２、上下の凸部３２に挟まれたヒル領域９５、および上下の凹部２３に挟まれたバレー領域９３が、ビーム軌道５１に沿って並んでいる。境界面４１、４２、４３、４４は、水平対称面２に対して略垂直である。バレー領域９１における磁極間隔１０１、バレー領域９２における磁極間隔１０２、バレー領域９３における磁極間隔１０３の設計値は異なっており、同様に、ヒル領域９４における磁極間隔１０４、ヒル領域９５における磁極間隔１０５の設計値も異なっている。

次に、上で説明した構造による効果を対比して説明するために、通常のセクター型サイクロトロン用の磁石装置２０１について図５から図７を用いて説明する。なお、磁石装置２０１の説明における図中の番号は、磁石装置１における構造物で対応する番号を用いる。

図５は、磁石装置２０１の磁極２０９の平面図である。セクター型サイクロトロンでは、複数の凹部と凸部はそれぞれ同形状に設計される。また、角度８１は空間６１から外周面１１に向かう方向に従って単調減少で境界面４１が垂直対称面３からみて上に凸であり、高エネルギー側では角度８１が負になる領域がある。このため、湾曲部１１１が存在する。

図６に、磁石装置２０１の磁極のビーム軌道５１に沿った断面図を示す。複数の凹部と凸部はそれぞれ同じ形状に設計されるため、磁極間隔１０１、１０２、および１０３は等しく、磁極間隔１０４と１０５も同様に等しくなっている。同様に、磁極幅１０６、１０７、および１０８は等しく、磁極幅１０９と１１０も等しくなっている。

図７は、磁石装置２０１の磁極面を、各エネルギー軌道を垂直対称面３の一方向にずらす偏心操作によって得た下部磁極３０９の平面図である。すなわち、ビーム軌道５１に沿った磁極３０９の断面図は、図６と一致する。図５において、角度８１が負になる領域があるため、図７においても角度８１は負になる領域があり、垂直対称面３の方向に沿った角度８１の変化率が大きくなっているため、湾曲部１１１の曲率が大きくなっている。この急激な境界の湾曲は磁場の多極成分を発生させるため、ビームの周回安定性にとって好ましくない。

そこで、発明者は、図５に示した磁極２０９をまず図８に示した磁極４０９のように変形し、その後、各エネルギーのビーム軌道を垂直対称面３の一方向に偏心させることによって、図３に示した下部磁極９を得た。すなわち、下部磁極４０９のビーム軌道５１に沿った断面図は、図４と一致する。このように、複数の凹部と凸部がそれぞれ同形状であるという制限をはずした設計をすることによって、ビーム軌道に沿った断面を図６から図３のように変形させ、境界面４１の湾曲部１１１を除去した。このとき、ビームの等時性の条件を保つために、空間６１から外周２０１に向けた角度８３の増加率を、磁極４０９では磁極２０９よりも増大させる必要がある。すると、図３に示したように、各ビーム軌道を偏心させたとき、境界面４１には湾曲部１１１が発生しない。そして、境界面４３は垂直対称面３からみて下に凸な形状となる。

以上みたように、実施例１では、境界面４１から境界面４８が水平対称面２に対して略垂直のため、加速器用磁石に組み込む機器のための領域を広く確保することができるとともに、垂直対称面３を含んだ凹部２１の面積が凹部２３よりも小さいため、バレー領域９１ではターンセパレーションが密になり、バレー領域９３ではターンセパレーションが疎になる。また、境界面４１と境界面４３が垂直対称面３からみて下に凸であるため、等時性を保ったままビームを安定周回させることができる。

また通常、サイクロトロンから取り出されるビームエネルギーは一定値であるため、アルミなどの金属板で構成されたディグレーダーと呼ばれる散乱体にビームを通過させることでエネルギーを調整する。ディグレーダーを通過させることでビームエネルギーが調整可能だが、ビームサイズの増加、電流の低下、放射線の発生といった課題も生じる。しかし、本実施例の磁石装置１を用いた加速器であれば、取り出すビームエネルギーを可変にでき、それらの課題は抑制しやすいという効果も奏する。

なお、本実施例では、凹部と凸部がそれぞれ４つある場合を説明したが、凹部や凸部が６以上の偶数個の場合にも、本発明は同様に適用可能である。

１、２０１磁石装置
２水平対称面（軌道面）
３垂直対称面（垂直面）
４上鉄芯部
５下鉄芯部
６コイル
７真空容器
８上部磁極
９、２０９、３０９、４０９下部磁極
１０磁極面
１１外周面
２１、２２、２３、２４凹部
３１、３２、３３、３４凸部
４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８境界面
５１、５２、５３ビーム軌道
６１空間（入射位置）
７１、７２、７３、７４接線
８１、８２、８３、８４接線と対称面がなす角度
９１、９２、９３バレー領域
９４、９５ヒル領域
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５磁極間隔
１０６、１０７、１０８、１０９、１１０凹部と凸部の磁極幅
１１１湾曲部

Claims

円盤状の鉄芯と、前記鉄芯の円状の面に固定された磁極と、前記磁極を囲むように配置されたコイルと、を一対有し、
一対の前記磁極の間にイオンビームを周回させ加速させる空間を有し、
一対の前記磁極は、前記イオンビームの周回する軌道に沿って複数の凹凸構造を有するとともに、前記イオンビームの周回する軌道が形成する軌道面に対し面対称、かつ前記軌道面に垂直な垂直面の一つに面対称になる加速器であって、
一対の前記磁極は、前記複数の凹凸構造のなかで前記垂直面と交差する位置に凹構造を有し、前記垂直面と交差する位置に配置された凹構造と、該凹構造と隣接する凸構造との境界面は前記垂直面に対して一様に凸状または凹状であり、
一対の前記磁極が有する複数の凹凸構造は、前記軌道面を挟み対向して配置された凹構造の間隔が、前記イオンビームの周回する方向において配置された位置が異なる凹構造間で異なることを特徴とする加速器。
請求項１に記載の加速器であって、
前記軌道面を挟み対向して配置された凸構造の間隔が、前記イオンビームの周回する方向において配置された位置が異なる凸構造間で異なることを特徴とする加速器。
請求項１に記載の加速器であって、
前記鉄芯は、該鉄芯の軌道面側の表面中央とは異なる位置であって前記垂直面を含む位置にイオン入射口を有し、
前記複数の凹凸構造は、前記イオン入射口が設けられた入射位置を頂点とし、前記鉄芯の外縁に沿った円弧を有する扇形状であり、
前記垂直面と交差する凹部のうち前記イオン入射位置から前記円弧までの距離が短い凹構造と該凹構造と隣接する凸構造との境界面に関する接線が前記垂直面となす鋭角の角度は、前記接線と前記境界面との接点が前記入射位置から前記鉄芯の外縁に向かうに従って単調増加し、
前記垂直面と交差する凹部のうち前記入射位置から前記円弧までの距離が長い凹構造と該凹構造と隣接する凸構造との境界面に関する接線が前記垂直面となす鋭角の角度は、前記接線と前記境界面との接点が前記入射位置から前記鉄芯の外縁に向かうに従って単調減少することを特徴とする加速器。
円盤状の鉄芯と、前記鉄芯の円状の面に固定された磁極と、前記磁極を囲むように配置されたコイルと、を一対有し、
一対の前記磁極の間にイオンビームを周回させ加速させる空間を有し、
一対の前記磁極は、前記イオンビームの周回する軌道に沿って複数の凹凸構造を有するとともに、前記イオンビームの周回する軌道が形成する軌道面に対し面対称、かつ前記軌道面に垂直な垂直面の一つに面対称になる加速器であって、
一対の前記磁極は、前記複数の凹凸構造のなかで前記垂直面と交差する位置に凹構造を有し、前記垂直面と交差する位置に配置された凹構造と、該凹構造と隣接する凸構造との境界面は前記垂直面に対して一様に凸状または凹状であり、
前記軌道面を挟み対向して配置された凸構造の間隔が、前記イオンビームの周回する方向において配置された位置が異なる凸構造間で異なることを特徴とする加速器。
請求項４に記載の加速器であって、
前記鉄芯は、該鉄芯の軌道面側の表面中央とは異なる位置であって前記垂直面を含む位置にイオン入射口を有し、
前記複数の凹凸構造は、前記イオン入射口が設けられた入射位置を頂点とし、前記鉄芯の外縁に沿った円弧を有する扇形状であり、
前記垂直面と交差する凹部のうち前記イオン入射位置から前記円弧までの距離が短い凹構造と該凹構造と隣接する凸構造との境界面に関する接線が前記垂直面となす鋭角の角度は、前記接線と前記境界面との接点が前記入射位置から前記鉄芯の外縁に向かうに従って単調増加し、
前記垂直面と交差する凹部のうち前記入射位置から前記円弧までの距離が長い凹構造と該凹構造と隣接する凸構造との境界面に関する接線が前記垂直面となす鋭角の角度は、前記接線と前記境界面との接点が前記入射位置から前記鉄芯の外縁に向かうに従って単調減少することを特徴とする加速器。
円盤状の鉄芯と、前記鉄芯の円状の面に固定された磁極と、前記磁極を囲むように配置されたコイルと、を一対有し、
一対の前記磁極の間にイオンビームを周回させ加速させる空間を有し、
一対の前記磁極は、前記イオンビームの周回する軌道に沿って複数の凹凸構造を有するとともに、前記イオンビームの周回する軌道が形成する軌道面に対し面対称、かつ前記軌道面に垂直な垂直面の一つに面対称になる加速器であって、
一対の前記磁極は、前記複数の凹凸構造のなかで前記垂直面と交差する位置に凹構造を有し、前記垂直面と交差する位置に配置された凹構造と、該凹構造と隣接する凸構造との境界面は前記垂直面に対して一様に凸状または凹状であり、
前記鉄芯は、該鉄芯の軌道面側の表面中央とは異なる位置であって前記垂直面を含む位置にイオン入射口を有し、
前記複数の凹凸構造は、前記イオン入射口が設けられた入射位置を頂点とし、前記鉄芯の外縁に沿った円弧を有する扇形状であり、
前記垂直面と交差する凹部のうち前記イオン入射位置から前記円弧までの距離が短い凹構造と該凹構造と隣接する凸構造との境界面に関する接線が前記垂直面となす鋭角の角度は、前記接線と前記境界面との接点が前記入射位置から前記鉄芯の外縁に向かうに従って単調増加し、
前記垂直面と交差する凹部のうち前記入射位置から前記円弧までの距離が長い凹構造と該凹構造と隣接する凸構造との境界面に関する接線が前記垂直面となす鋭角の角度は、前記接線と前記境界面との接点が前記入射位置から前記鉄芯の外縁に向かうに従って単調減少することを特徴とする加速器。
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の加速器を備えた粒子線治療装置。