JP6833355B2 - イオン入射装置及び粒子線治療装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、イオンビームを入射して加速するイオン入射装置及びこれを用いた粒子線治療装置に関する。

一般に、重粒子がん治療装置には、イオン入射装置が設置されている。このイオン入射装置は、がん治療に必要なイオンビームをシンクロトロンに入射可能なエネルギーまで加速する装置である。

このようなイオン入射装置は、イオンを生成するイオン源と、低エネルギービーム輸送系（Low Energy Beam Transport、以下、ＬＥＢＴ系機器と記す）と、高周波四重極型線形加速器（Radio Frequency Quadrupole、以下、ＲＦＱと記す）と、ドリフトチューブ型線形加速器（Drift Tube Linac、以下、ＤＴＬと記す）と、を備えている。

ＲＦＱは、鉄製の筒状部の内周面に銅メッキ層を形成した空洞部に、その軸方向に沿って４本の銅（Ｃｕ）製の電極部が取り付けられている。ＤＴＬは、ＲＦＱと同様に鉄製の筒状部の内周面に銅メッキ層を形成した空洞部に、銅製の電極部とその支持部が取り付けられている。また、ＤＴＬの筒状部は、ビーム軸方向に２分割されている。以下、これらＲＦＱ及びＤＴＬを一括して説明する場合には、線形加速器という。

上記線形加速器には、高周波電源として真空管アンプを用いてピーク値で数百ｋＷの高周波電力が供給される。

Y. Iwata et al. /Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A572 (2007年) 1007-1021

上述したようにイオン入射装置の線形加速器は、筒状部が鉄に銅メッキ層が施されて形成され、この筒状部内の空洞部に電極部を組み込んだ構成である。このような筒状部では、メッキ不良や経年変化により、銅メッキ層内に溜まったガスが放出される等して放電が発生するという問題があった。

上記イオン入射装置を重粒子がん治療装置に適用し、上記のような放電が発生した場合には、運転を中断し、その放電の発生部位を取り除く復旧作業が必要になる。特に、治療中であった場合に運転を中断することは、患者に対する負担が大きくなるとともに、治療装置の稼働率が低下することとなる。

また、ＤＴＬの筒状部がビーム軸方向に２分割されていることから、組立部品点数が多くなり、継ぎ目での電気抵抗から電流ロスが生じ、理想的な高周波計算値よりも多くの高周波電力が必要になるという問題があった。したがって、必要な高周波電力が増大するということは、容量の大きい高周波電源が必要となり、初期投資の増加につながる。加えて、高周波電源の電気代、消耗品である高周波電源の交換による運転コストも増加する問題がある。

さらに、従来のイオン入射装置は、高周波電源として真空管アンプが用いられている。この真空管アンプは、定期的な真空管の交換が必要であり、交換後や不具合時に、各種運転パラメータの調整が必要となり、メンテナンス性が低いという問題がある。

本実施形態が解決しようとする課題は、筒状部内における放電の発生を防止するとともに、高周波電源の容量を低減可能なイオン入射装置及び粒子線治療装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本実施形態に係るイオン入射装置は、イオンを生成するイオン源と、前記イオン源から引き出されたイオンビームを順に加速する前段線形加速器及び後段線形加速器と、を備え、前記前段線形加速器及び前記後段線形加速器は、それぞれ筒状部と、この筒状部内に設置された電極部と、を有し、前記前段線形加速器の前記筒状部及び前記電極部は、全体が一体に形成された継ぎ目がない無酸素銅の一体成形品であり、前記前段線形加速器の前記筒状部は、円筒状に形成されて共振器となるものであり、前記前段線形加速器の前記電極部は複数個あって、周方向に一定の間隔をおいて互いに対向して設置されていることを特徴とする。

本実施形態に係る粒子線治療装置は、イオンを生成するイオン源と、前記イオン源から引き出されたイオンビームを順に加速する前段線形加速器及び後段線形加速器と、前記後段線形加速器のイオンビームが輸送され、このイオンビームを周回させて所定のエネルギーまで加速するシンクロトロンと、前記シンクロトロンにより加速されたイオンビームを取り出す取出し機器と、前記取出し機器により取り出されたイオンビームを照射対象に照射する照射装置と、を備え、前記前段線形加速器及び前記後段線形加速器は、それぞれ筒状部と、この筒状部内に設置された電極部と、を有し、前記前段線形加速器の前記筒状部及び前記電極部は、全体が一体に形成された継ぎ目がない無酸素銅の一体成形品であり、前記前段線形加速器の前記筒状部は、円筒状に形成されて共振器となるものであり、前記前段線形加速器の前記電極部は複数個あって、周方向に一定の間隔をおいて互いに対向して設置されていることを特徴とする。

本実施形態によれば、筒状部内における放電の発生を防止するとともに、高周波電源の容量を低減することが可能になる。

各実施形態を適用した粒子線治療装置を示す構成図である。 第１実施形態のイオン入射装置を示す構成図である。 第１実施形態のＲＦＱを示す概略斜視図である。 第１実施形態の変形例のＲＦＱを示す概略斜視図である。 第１実施形態のＤＴＬを示す概略斜視図である。 第１実施形態の変形例のＤＴＬを示す概略斜視図である。 第２実施形態のイオン入射装置を示す構成図である。

以下、本実施形態に係るイオン入射装置及び粒子線治療装置について、図面を参照して説明する。

（粒子線治療装置）
（構 成）
図１は各実施形態を適用した粒子線治療装置を示す構成図である。

図１に示すように、粒子線治療装置は、概略的にイオン入射装置２０、中間エネルギービーム輸送系（Middle Energy Beam Transport、以下、ＭＥＢＴ系機器と記す）６、シンクロトロン７、取出し機器１３、照射装置１９を備えている。

イオン入射装置２０、ＭＥＢＴ系機器６、及びシンクロトロン７は、本実施形態のイオン加速装置を構成する。イオン入射装置２０は、電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance: ＥＣＲ）イオン源（以下、ＥＣＲイオン源と記す）１、ＬＥＢＴ系機器２、前段線形加速器としてのＲＦＱ３、後段線形加速器としての２つ以上（各実施形態では２つ）のＤＴＬ４、３連四極電磁石５、及び荷電変換装置２１を備えている。

シンクロトロン７は、偏向電磁石８、四極電磁石９、六極電磁石１０、高周波加速空洞１１、及びバンプ電磁石１２を備えている。

（作 用）
次に、粒子線治療装置の作用を説明する。

ＥＣＲイオン源１は、ガスを電離してプラズマを生成し、電界によりイオンを引き出し、その引出電流は直流である。ＥＣＲイオン源１は、多価イオンを生成可能であるが、価数の高いイオンの電流量が小さい。そのため、ＥＣＲイオン源１は、がん治療に必要なイオン電流量を確保するため、カーボン４価イオン（Ｃ^４＋）を生成する。なお、カーボン４価イオン以外にも、ＥＣＲで生成して治療に供することができるＨｅ等の陽イオンが考えられる。また、高周波の周波数を高くするか、若しくは超電導ＥＣＲ方式、レーザイオン源方式等で、カーボン５価イオン、カーボン６価イオンを生成することも考えられる。

ＥＣＲイオン源１で生成したイオンは、ＬＥＢＴ系機器２でビーム特性を調整しながら、その下流側に設置したＲＦＱ３、２つのＤＴＬ４に輸送される。ＲＦＱ３は、イオンビームを電気的に収束及び加速する。２つのＤＴＬ４は、イオンビームを電気的に加速する。

ＲＦＱ３とＤＴＬ４との間、及び２つのＤＴＬ４の間には、それぞれ３連四極電磁石５が設置されている。これらの３連四極電磁石５は、拡がっているイオンビームを収束させる。ＤＴＬ４を出射したイオンビームは、荷電変換装置２１でカーボン４価イオン（Ｃ^４＋）からカーボン６価イオン（Ｃ^６＋）に変換され、ＭＥＢＴ系機器６を経てシンクロトロン７へ輸送される。

シンクロトロン７は、イオンビームを多数回、周回させてがん治療に必要なエネルギーまでさらに加速する。具体的には、偏向電磁石８は、周回軌道を作成する。四極電磁石９は、イオンビームの収束をコントロールする。六極電磁石１０は、クロマティシティ（色収差）を補正する。高周波加速空洞１１は、イオンビームを加速する。

シンクロトロン７により十分なエネルギーまで加速されたイオンビームは、出射用のバンプ電磁石１２、取出し機器１３を経て出射軌道１８から図示しない照射室に輸送される。この照射室内には、照射装置１９が設置されている。この照射装置１９は、照射対象である患者の患部にイオンビームを照射することで、がん治療が行われる。

（イオン入射装置の第１実施形態）
図２は第１実施形態のイオン入射装置を示す構成図である。図３は第１実施形態のＲＦＱを示す概略斜視図である。なお、図２において、図１と同一の部分には同一の符号を付して図１と異なる構成を説明する。

図２に示すように、ＲＦＱ３、２つのＤＴＬ４には、それぞれ導波管１６を介して高周波電源である真空管アンプ１５が接続されている。各導波管１６は、それぞれの真空管アンプ１５からの高周波電力をＲＦＱ３、２つのＤＴＬ４に供給する。すなわち、各真空管アンプ１５は、それぞれ導波管１６を介してＲＦＱ３、２つのＤＴＬ４にピーク値で数百ｋＷの高周波電力を供給する。

図３に示すように、ＲＦＱ３は、円筒状に形成されて共振器となる筒状部３１と、この筒状部３１内の空洞部の周方向に一定の間隔をおいて２組の互いに対向する電極部３２と、を備えている。これら４つの電極部３２は、筒状部３１の軸方向に沿って延びて形成されている。４つの電極部３２に囲まれる空間には、イオンビーム２２の加速及び収束のための高周波電場が形成される。

本実施形態では、ＲＦＱ３の筒状部３１及び電極部３２が無酸素銅等の銅製品である。筒状部３１及び電極部３２は、イオンビーム２２の軸方向に一体に形成された一体成形品である。筒状部３１及び電極部３２は、削り出し、切り出し等の切削加工品である。

図４は第１実施形態の変形例のＲＦＱを示す概略斜視図である。なお、図３に示すＲＦＱ３と同一又は対応する部分には、同一の符号を付して説明する。

図４に示すように、変形例のＲＦＱ３は、銅製の筒状部３１及び電極部３２を周方向に２分割した分割部材３ａ，３ｂを円筒状に一体に組み立てる。この場合、分割部材３ａ，３ｂ間は、図示しないＯリング等により真空シールされる。

これにより、変形例のＲＦＱ３は、筒状部３１の周方向に継ぎ目があるものの、イオンビーム２２の軸方向に対して継ぎ目のない一体構造となる。ここで、筒状部３１及び電極部３２を周方向に２分割した分割部材３ａ，３ｂは、それぞれ削り出し、切り出し等の切削加工品であり、これらの切削加工品が円筒状に一体に組み立てられる。

また、ＲＦＱ３は、銅製の筒状部３１を周方向に２分割した分割部材３ａ，３ｂを円筒状に一体に組み立てた後、筒状部３１の内周面に４つの銅製の電極部３２を取り付けるようにしてもよい。この場合も電極部３２は、切削加工品である。また、筒状部３１と電極部３２との間は、図示しないＯリング等により真空シールされる。

なお、図４に示す変形例のＲＦＱ３は、周方向に２分割した例について説明したが、４分割又はそれ以外の複数分割であってもよい。

図５は第１実施形態のＤＴＬを示す概略斜視図である。

図５に示すように、２つのＤＴＬ４は、ＲＦＱ３と同様に円筒状に形成された筒状部４１と、この筒状部４１内の空洞部に軸方向に一定間隔をあけて一体化した電極部４２及び支持部４３と、を備えている。２つのＤＴＬ４は、ＲＦＱ３と同様に筒状部４１、電極部４２及び支持部４３が無酸素銅等の銅製品である。筒状部４１、電極部４２及び支持部４３は、イオンビーム２２の軸方向に一体に形成された一体成形品である。筒状部４１、電極部４２及び支持部４３は、それぞれ削り出し、切り出し等の切削加工品である。

図６は第１実施形態の変形例のＤＴＬを示す概略斜視図である。なお、図５に示すＤＴＬ４と同一又は対応する部分には、同一の符号を付して説明する。

図６に示すように、変形例のＤＴＬ４は、銅製の筒状部４１を周方向に２分割した分割部材４ａ，４ｂを円筒状に一体に組み立てた後、筒状部４１の内周面に一体化した電極部４２及び支持部４３を取り付ける。この場合も各部材は、切削加工により形成される。

また、筒状部４１と支持部４３との間は、ＲＦＱ３と同様に図示しないＯリング等により真空シールされる。これにより、２つのＤＴＬ４も筒状部４１の周方向に継ぎ目があるものの、イオンビーム２２の軸方向に継ぎ目のない一体構造となる。

なお、図６に示す変形例のＤＴＬ４は、周方向に２分割した例について説明したが、４分割又はそれ以外の複数分割であってもよい。

したがって、ＲＦＱ３、２つのＤＴＬ４は、数百ＭＨｚの高周波電場で筒状部３１，４１を共振し、電極部３２，４２に生じた電界によってイオンビーム２２を加速する。

なお、ＲＦＱ３、２つのＤＴＬ４は、銅で一体加工をする際には、周方向の分割する方が、ビーム軸方向に分割するよりも加工するのに適している。その理由は、従来のようにビーム軸方向に分割した場合、ＲＦＱ３では、筒状空間において電極部３２の先端が互いに対向しており、電極加工が難しいためである。また、ＲＦＱ３、２つのＤＴＬ４は、一体加工をするには、上記のように削り出し、切り出し等の切削加工が適している。

このように本実施形態によれば、ＲＦＱ３、ＤＴＬ４のそれぞれの筒状部３１，４１が銅製品であることから、メッキ不良、経年変化による筒状部３１，４１内における放電を回避することが可能になる。

また、本実施形態によれば、ＲＦＱ３、ＤＴＬ４は、イオンビーム２２の軸方向に対して一体構造とし、イオンビーム２２の軸方向に継ぎ目がないため、電気抵抗による電流ロスがなくなり、高周波電力源の容量を低減可能である。その結果、導入及び運転コストを低減可能なイオン入射装置２０を提供することができる。

さらに、本実施形態を重粒子線治療装置に適用した場合には、運転を中断することなく、安定した運転が可能となり、治療装置の稼働率の低下を未然に防止し、信頼性を高めることができる。

なお、本実施形態では、イオン源としてＥＣＲイオン源１を用いた例について説明したが、これに限らずレーザイオン源を用いてもよい。この場合には、ＬＥＢＴ系機器２が不要になる。

また、本実施形態では、前段線形加速器としてＲＦＱ３を１台設置した例について説明したが、これに限らず必要なエネルギーに対応して複数台設置してもよい。加えて、後段線形加速器としてＤＴＬ４を２台設置した例について説明したが、これに限らず必要なエネルギーに対応して少なくとも１台設置すればよい。

さらに、本実施形態では、ＲＦＱ３とＤＴＬ４との間、ＤＴＬ４とＤＴＬ４との間に、それぞれ３連四極電磁石５を設置しているが、２連四極電磁石であってもよく、また３連四極電磁石５の設置数は０又は複数であってもよい。

また、本実施形態では、３連四極電磁石５が設置される空間に、ＣＴ（カレントトランス）、ＦＣ（ファラデーカップ）、ワイヤーモニタ、蛍光板等のビームモニタを設置してもよい。

さらに、本実施形態では、ＲＦＱ３、ＤＴＬ４のそれぞれの筒状部３１，４１及び電極部３２，４２を銅製品としたが、これに限らずＲＦＱ３、ＤＴＬ４のいずれか一方の筒状部及び電極部を銅製品としてもよい。

また、本実施形態では、ＲＦＱ３、ＤＴＬ４のそれぞれの筒状部３１，４１をイオンビーム２２の軸方向に対して一体構造の一体成形品としたが、これに限らずＲＦＱ３、ＤＴＬ４のいずれか一方の筒状部を一体構造の一体成形品としてもよい。また、ＲＦＱ３、ＤＴＬ４のいずれか一方の筒状部及び電極部の双方を一体成形品としてもよい。

（イオン入射装置の第２実施形態）
図７は第２実施形態のイオン入射装置を示す構成図である。なお、前記第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

前記第１実施形態では、高周波電源に真空管アンプ１５を用いていたが、本実施形態では、半導体アンプ１７を用いている。

図７に示すように、ＲＦＱ３、２つのＤＴＬ４には、それぞれ導波管１６を介して高周波電源である半導体アンプ１７が接続されている。各導波管１６は、それぞれの半導体アンプ１７からの高周波電力をＲＦＱ３、２つのＤＴＬ４に供給する。すなわち、各半導体アンプ１７は、それぞれ導波管１６を介してＲＦＱ３、２つのＤＴＬ４に２００ｋＷ以下の高周波電力を供給する。

本実施形態では、半導体アンプ１７の高周波電力を２００ｋＷ以下とすることで、運転実績のある半導体アンプを導入することが可能となる。本実施形態では、２つのＤＴＬ４に、高周波電力が２００ｋＷ以下の半導体アンプ１７をそれぞれ接続しているが、高周波電力が２００ｋＷ以下の半導体アンプ１７を２つ組み合わせることにより、ＤＴＬ４を1つにした場合でも対応可能である。

このように本実施形態によれば、ＲＦＱ３、２つのＤＴＬ４の高周波電源として半導体アンプ１７を用いたことにより、交換後や不具合時に各種運転パラメータの調整が不要となり、メンテナンス性を向上させることが可能になる。

なお、本実施形態では、ＲＦＱ３、２つのＤＴＬ４の高周波電源を半導体アンプ１７としたが、ＲＦＱ３及びＤＴＬ４の少なくとも一方の高周波電源を半導体アンプ１７とすればよい。

（その他の実施形態）
本発明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。これらの実施形態は、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。これらの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、前記各実施形態では、イオン入射装置２０を重粒子線治療装置に適用した例について説明したが、これに限定することなく、例えば陽子線を用いた粒子線治療装置にも適用可能である。

１…ＥＣＲイオン源（イオン源）、２…ＬＥＢＴ系機器、３…ＲＦＱ（前段線形加速器）、３ａ，３ｂ…分割部材、４…ＤＴＬ（後段線形加速器）、４ａ，４ｂ…分割部材、５…３連四極電磁石、６…ＭＥＢＴ系機器、７…シンクロトロン、８…偏向電磁石、９…四極電磁石、１０…六極電磁石、１１…高周波加速空洞、１２…バンプ電磁石、１３…取出し機器、１５…真空管アンプ（高周波電源）、１６…導波管、１７…半導体アンプ（高周波電源）、１８…出射軌道、１９…照射装置、２０…イオン入射装置、２１…荷電変換装置、２２…イオンビーム、３１…筒状部、３２…電極部、４１…筒状部、４２…電極部、４３…支持部

Claims (7)

1. イオンを生成するイオン源と、
   前記イオン源から引き出されたイオンビームを順に加速する前段線形加速器及び後段線形加速器と、を備え、
   前記前段線形加速器及び前記後段線形加速器は、それぞれ筒状部と、この筒状部内に設置された電極部と、を有し、
   前記前段線形加速器の前記筒状部及び前記電極部は、全体が一体に形成された継ぎ目がない無酸素銅の一体成形品であり、
   前記前段線形加速器の前記筒状部は、円筒状に形成されて共振器となるものであり、
   前記前段線形加速器の前記電極部は複数個あって、周方向に一定の間隔をおいて互いに対向して設置されていることを特徴とするイオン入射装置。
2. 前記一体成形品は、切削加工品であることを特徴とする請求項１に記載のイオン入射装置。
3. 前記前段線形加速器及び前記後段線形加速器にそれぞれ高周波電力を供給する高周波電源をさらに有し、前記前段線形加速器及び前記後段線形加速器の少なくとも一方の高周波電源を半導体アンプとしたことを特徴とする請求項１又は２に記載のイオン入射装置。
4. 前記前段線形加速器は高周波四重極型線形加速器であって、前記後段線形加速器がドリフトチューブ型線形加速器であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のイオン入射装置。
5. 前記後段線形加速器が複数台設置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載のイオン入射装置。
6. 前記前段線形加速器と前記後段線形加速器との間、前記複数台の後段線形加速器の間のそれぞれに、前記イオンビームを収束する３連四極電磁石がさらに設置されていることを特徴とする請求項５に記載のイオン入射装置。
7. イオンを生成するイオン源と、
   前記イオン源から引き出されたイオンビームを順に加速する前段線形加速器及び後段線形加速器と、
   前記後段線形加速器のイオンビームが輸送され、このイオンビームを周回させて所定のエネルギーまで加速するシンクロトロンと、
   前記シンクロトロンにより加速されたイオンビームを取り出す取出し機器と、
   前記取出し機器により取り出されたイオンビームを照射対象に照射する照射装置と、を備え、
   前記前段線形加速器及び前記後段線形加速器は、それぞれ筒状部と、この筒状部内に設置された電極部と、を有し、
   前記前段線形加速器の前記筒状部及び前記電極部は、全体が一体に形成された継ぎ目がない無酸素銅の一体成形品であり、
   前記前段線形加速器の前記筒状部は、円筒状に形成されて共振器となるものであり、
   前記前段線形加速器の前記電極部は複数個あって、周方向に一定の間隔をおいて互いに対向して設置されていることを特徴とする粒子線治療装置。

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