JP6895776B2

JP6895776B2 - 粒子加速器

Info

Publication number: JP6895776B2
Application number: JP2017048712A
Authority: JP
Inventors: 俊典密本
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2017-03-14
Filing date: 2017-03-14
Publication date: 2021-06-30
Anticipated expiration: 2037-03-14
Also published as: JP2018152281A

Description

本発明は、粒子加速器に関する。

サイクロトロンなどの粒子加速器では、加速されたＨ⁻粒子の電子を剥ぎ取り、Ｈ^＋の陽子線として粒子加速器の外へ出射するために、フォイルストリッパーが用いられる。特許文献１には、カーボン薄膜から形成された複数のフォイルを備えたフォイルストリッパーを有する粒子加速器が記載されている。

特開２００９−２３１００７号公報

上記のようなフォイルストリッパーのフォイルは、高エネルギーの荷電粒子の衝突を受けるので、この衝突等に伴う発熱によってフォイルが昇華するおそれがある。このため、荷電粒子とフォイルとが衝突する部分が変形し、出射される荷電粒子線の形状及び方向分布が変化する。このように、使用条件によっては、フォイルは比較的短寿命な消耗品であり、定期的にフォイルの交換を行う必要がある。したがって、フォイルの寿命を長くすることが要請されている。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、フォイルの寿命を長くすることが可能なフォイルストリッパーを提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る粒子加速器は、荷電粒子を周回させながら加速する加速部と、荷電粒子の軌道上に配置され、荷電粒子を軌道上から逸らすフォイルストリッパーと、を備え、フォイルストリッパーは、荷電粒子から電子を剥ぎ取るフォイル部と、フォイル部を動かす駆動部と、を有し、駆動部は、荷電粒子が加速されている間にフォイル部を動かすことにより、フォイル部において荷電粒子が衝突する位置を変更させる。

この粒子加速器のフォイルストリッパーは、フォイル部を動かす駆動部を有している。駆動部は、荷電粒子が加速されている間にフォイル部を動かすことにより、フォイル部において荷電粒子が衝突する位置を変更させる。このようにフォイル部を動かすことにより、フォイル部が固定されている場合に比べ、荷電粒子の衝突による熱負荷を受ける範囲が広くなる。これにより、フォイル部の特定の箇所に、荷電粒子の衝突による熱負荷が集中することを抑制できる。したがって、フォイル部が昇華することを抑制することができ、フォイル部の寿命を長くすることが可能である。

一形態に係る粒子加速器において、駆動部は、荷電粒子が加速されている間、フォイル部を連続的に動かしてもよい。この構成によれば、フォイル部において荷電粒子が衝突する位置を連続的に変更することができるので、フォイル部が受ける熱負荷を更に低減することができる。したがって、フォイル部の寿命を更に長くすることが可能である。

一形態に係る粒子加速器において、駆動部は、フォイル部を回転させて動かしてもよい。この構成によれば、フォイル部の位置を変えずに、フォイル部において荷電粒子が衝突する位置を変更することができる。したがって、フォイルストリッパーが配置される加速部内の空間が狭い場合であっても、フォイル部の特定の箇所に、荷電粒子の衝突による熱負荷が集中することを抑制できる。

本発明によれば、フォイルの寿命を長くすることが可能な粒子加速器が提供される。

（ａ）は本発明の一実施形態に係る粒子加速器を概略的に示す図であり、（ｂ）は、（ａ）のIb-Ib線に沿った断面図である。図１の粒子加速器の作用を模式的に示す平面図である。図１の粒子加速器のフォイルストリッパーの構成を概略的に示す図である。（ａ）は比較例に係るフォイルストリッパーのフォイル部を概略的に示す図であり、（ｂ）は図３のフォイルストリッパーのフォイル部を概略的に示す図である。図３のフォイルストリッパーの作用を説明するための図である。

以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１及び図２を参照して、本発明の一実施形態に係る粒子加速器１００について説明する。図１（ａ）は本発明の一実施形態に係る粒子加速器を概略的に示す図であり、図１（ｂ）は、（ａ）のIb-Ib線に沿った断面図である。また、図２は図１の粒子加速器の作用を模式的に示す平面図である。図１及び図２に示される粒子加速器１００は、例えば、ホウ素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ：ＢｏｒｏｎＮｅｕｔｏｒｏｎＣａｐｔｕｒｅＴｈｅｒａｐｙ）を用いたがん治療を行う中性子捕捉療法システム等において、負イオンＰ（荷電粒子）を加速して荷電粒子線を生成するために用いられるサイクロトロンである。また、粒子加速器１００は、ＰＥＴ用サイクロトロン、ＲＩ製造用サイクロトロン、及び原子核実験用サイクロンとして用いることもできる。図１及び図２に示されるように、粒子加速器１００は、一対に磁極１０Ａ，１０Ｂ、及びそれぞれの磁極１０Ａ，１０Ｂを囲むコイル２０を含む加速部１と、荷電粒子を軌道上から逸らすことにより加速部１から荷電粒子線を引き出すフォイルストリッパー３０と、を備えている。また、加速部１は、負イオンＰが周回する真空箱４０と、磁極１０Ａ，１０Ｂの間に配置された一対の加速電極５０と、フォイルストリッパー３０によって軌道変更された陽子を取り出す出射口４１と、を有している。負イオンＰは、例えばイオン源装置（不図示）から真空箱４０内に供給される。なお、図１（ａ）においてはコイル２０を、図１（ｂ）においてはイオン供給口１３、真空箱４０、及び加速電極５０を省略している。

磁極１０Ａ，１０Ｂは互いに対向して配置されており、その形状は円柱状である。磁極１０Ａ，１０Ｂの互いに対向する面は、複数の谷領域（ヴァレー）１１と複数の山領域（ヒル）１２を含む複数のセクタに分割されている。谷領域１１と山領域１２とは、交互に現れるように形成されている。このような構成により、セクターフォーカシングを利用して真空箱４０内で加速される負イオンＰの収束を図っている。

コイル２０は円環状であり、磁極１０Ａ，１０Ｂの周囲を囲うようにそれぞれ配置されている。コイル２０に対して電流を供給することにより、一方の磁極１０Ａから他方の磁極１０Ｂへ向かう磁場が発生する。すなわち、磁極１０Ａ（又は磁極１０Ｂ）及びコイル２０によって電磁石が形成されている。

フォイルストリッパー３０は、磁極１０Ａ，１０Ｂの径方向に沿って延在する動力伝達部３１と、動力伝達部３１の先端部に設けられたフォイル部３２と、フォイル部３２を動かすフォイル駆動部３３（駆動部）と、を備えている。フォイル駆動部３３は高精度のモータ等を備えており、フォイル駆動部３３の駆動制御によって、負イオンＰの周回軌道Ｋ上に配置されたフォイル部３２を動かすことが可能である。フォイルストリッパー３０は、例えば、磁極１０Ａ，１０Ｂの谷領域１１に配置される。

真空箱４０は、例えば、箱本体（不図示）と箱蓋（不図示）とを有している。真空箱４０の低壁部には、一方の磁極１０Ａの外形と略同径の開口部が設けられており、この開口部から、一方の磁極１０Ａの谷領域１１及び山領域１２を備える面が、真空箱４０内に突出している。また、箱本体には、真空排気用の排気口（不図示）が設けられており、この排気口には真空ポンプ（不図示）が接続されている。箱蓋は、真空ポンプによって真空箱４０内を真空化できるように、箱本体の上部開口を塞いている。箱蓋には、箱本体と同様に、他方の磁極１０Ｂの谷領域１１及び山領域１２を備える面を真空箱４０内に突出させるために、他方の磁極１０Ｂの外形と略同径の開口部が設けられている。

一対の加速電極５０は、それぞれ平面視において三角形状であり、それぞれの頂角を突き合わせるようにして対向配置されている。各加速電極５０は、例えば、銅等の電気導体から構成されており、上下に二枚の三角形を底辺で連結して構成されている。そして、加速電極５０の板面には、冷却用の冷媒を通すための管が設けられている。

一対の加速電極５０は、磁極１０Ａ，１０Ｂの谷領域１１に位置している。そして、加速電極５０の先端部同士が、接続部材により、機械的且つ電気的に接続されている。なお、接続部材の形態は特に限定されず、様々な形状を採用可能である。例えば、一対の加速電極５０の先端部同士は電気的に接続されていなくてもよい。この場合、一対の加速電極５０に対して別々に高周波の電圧を供給してもよい。

磁極１０Ａ（又は磁極１０Ｂ）の中心位置には、負イオン源装置で生成された負イオンＰを真空箱４０内に供給するイオン供給口１３が設けられている。負イオン源装置は、水素ガス等の原材料中でアーク放電を行って負イオンＰを生成する装置である。負イオン源装置で生成された負イオンＰはイオン供給口１３を介して真空箱４０内に引き込まれるように供給され、高周波の電圧がかけられている加速電極５０によって周回しながら加速し、次第にエネルギーを増している。エネルギーが増せば負イオンＰの回転半径は大きくなり、螺旋運動をしているような周回軌道Ｋを描く。周回軌道Ｋは、一対の磁極１０Ａ，１０Ｂの間の中央の平面（メディアンプレーン）上に位置する。なお、負イオン源装置は、粒子加速器１００の外部に配置されていてもよいし、粒子加速器１００の内部に設けられていてもよい。

フォイル部３２は、例えば炭素性の薄膜からなる。フォイル部３２は、周回する負イオンＰの周回軌道Ｋ上に配置され、負イオンＰに接触すると、その負イオンＰから電子を剥ぎ取る。電子を剥奪されて負電荷から正電荷となった陽子は、周回軌道Ｋの曲率が反転し、その軌道が周回軌道Ｋの外側に飛び出す方向に向けて変更される。反転後の陽子の軌道上には、陽子を真空箱４０から取り出すための出射口４１が設けられている。より詳細には、フォイルストリッパー３０によって軌道が変更される陽子の軌道上に出射口４１が設けられている。したがって、フォイル部３２は、負イオンＰから電子を奪うことにより、結果的に陽子を出射口４１まで誘導することになる。

次に、図３を参照して、フォイルストリッパー３０について詳細に説明する。図３は、図１の粒子加速器のフォイルストリッパーの構成を概略的に示す図である。図３に示されるように、フォイルストリッパー３０は、フォイル部３２を駆動するフォイル駆動部３３と、フォイル部３２を支持するフォイル支持部３４と、フォイル駆動部３３において発生した動力をフォイル支持部３４に伝達する動力伝達部３１と、を更に有している。フォイル部３２は、フォイル支持部３４に固定されている。動力伝達部３１は、例えばベルト状の部材であり、フォイル駆動部３３及びフォイル支持部３４を接続するように設けられている。このような構造により、フォイル駆動部３３において発生した動力によってフォイル部３２を動かすことが可能になっている。フォイル駆動部３３は、負イオンＰが加速されている間にフォイル部３２を動かすことにより、フォイル部３２において負イオンＰが衝突する位置を変更させる。フォイル支持部３４は、例えば真空箱４０内に配置された部材により、真空箱４０内で回転可能に支持されている。なお、図３においては、フォイル支持部３４を回転可能に支持する部材を省略している。

本実施形態において、フォイル駆動部３３は、軸３３ａを中心に回転する動力を発生させる。フォイル部３２は円形状であり、フォイル部３２の中心部はフォイル支持部３４によって支持されている。これにより、フォイル支持部３４より外周側においてフォイル部３２が露出した状態となっている。フォイル支持部３４の中心部には軸部Ａが設けられており、フォイル部３２及びフォイル支持部３４は、軸部Ａを中心に回転可能に構成されている。フォイル駆動部３３において発生した動力は、動力伝達部３１を介してフォイル支持部３４の軸部Ａに伝達され、その結果フォイル部３２が回転する。フォイル駆動部３３は、負イオンＰが加速されている間、連続的にフォイル部３２を回転させることにより、フォイル部３２において負イオンＰが衝突する位置を変更させる。換言すれば、フォイル駆動部３３は、イオン源で生成された負イオンＰが順次放出され、コイル２０及び加速電極５０に高周波電力が供給されてイオン源から放出された負イオンＰが順次加速されている間、連続的にフォイル部３２を回転させる。これにより、フォイル部３２の周縁部が負イオンＰの衝突範囲となる。フォイル部３２の回転速度は、例えば６０ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍ程度とすることができる。

なお、動力伝達部３１の構成は特に限定されず、例えば、ギヤ機構によってフォイル駆動部３３の動力をフォイル支持部３４に伝達してもよい。また、フォイル駆動部３３は、負イオンＰが加速されている間、断続的にフォイル部３２を動かしてもよい。

次に、図４を参照して、フォイルストリッパー３０の作用について説明する。図４（ａ）は比較例に係るフォイルストリッパーのフォイル部を概略的に示す図であり、図４（ｂ）は図３のフォイルストリッパーのフォイル部を概略的に示す図である。図４（ａ）に示されるように、比較例に係る粒子加速器のフォイルストリッパーは、フォイル部３２Ａを動かす駆動部を有していない。したがって、フォイル部３２Ａにおいて負イオンＰが衝突する位置はほぼ固定されており、負イオンＰの衝突による熱負荷を受ける熱負荷範囲Ｓは、負イオンＰが衝突する位置の近傍の比較的狭い領域に限定される。このため、フォイル部３２Ａが受ける単位面積あたりの熱負荷が大きく、フォイル部３２Ａが昇華しやすい。なお、図４（ａ）及び図４（ｂ）においては、負イオンＰをビーム形状で示している。フォイル部３２，３２Ａは、例えば負イオンＰのビームの半分と重なる位置に配置されている。フォイル部３２，３２Ａと衝突しなかった負イオンＰは、加速部１内で更に加速された後にフォイル部３２，３２Ａと衝突し、荷電粒子線として加速部１から出射される。

これに対し、本実施形態に係る粒子加速器１００のフォイルストリッパー３０は、フォイル部３２を動かすフォイル駆動部３３を有している。したがって、図４（ｂ）に示されるように、負イオンＰが加速されている間にフォイル部３２が回転することにより、フォイル部３２の周縁部全体が熱負荷範囲Ｓとなる。すなわち、比較例に係る粒子加速器のフォイルストリッパーに比べ、負イオンＰの衝突による熱負荷を受ける熱負荷範囲Ｓを広くすることができる。このため、フォイル部３２の特定の箇所に、負イオンＰの衝突による熱負荷が集中することを抑制でき、フォイル部３２が昇華することを抑制することが可能である。なお、ここで「負イオンＰが加速されている間」とは、イオン源から負イオンＰが順次生成・放出され、コイル２０及び加速電極５０に高周波電力が供給されてイオン源から放出された負イオンＰが順次加速されている状態を意味する。すなわち、フォイル駆動部３３は、加速された１つの負イオンＰに対してフォイル部３２を動かすのではなく、順次加速される複数の負イオンＰに対してフォイル部３２を動かしている。また、「熱負荷範囲Ｓを広くすることができる」とは、瞬間的にフォイル部３２と負イオンＰとが衝突する範囲を広くすることではなく、フォイル部３２と負イオンＰとが衝突する範囲を一定に保った状態でフォイル部３２を所定時間動かす（回転させる）ことにより、熱負荷範囲Ｓの合計が広くなることを意味する。

次に、図５を参照して、フォイルストリッパー３０の作用についてより具体的に説明する。図５は、図３のフォイルストリッパーの作用を説明するための図である。図５において、温度ＴＡは、図４（ａ）に示されるフォイル部３２Ａの熱負荷範囲Ｓ内のある一点の温度を示しており、温度Ｔは、フォイル部３２の熱負荷範囲Ｓ内のある一点の温度を示している。図４（ａ）に示されるフォイル部においては、負イオンＰが衝突する位置は固定されているので、温度ＴＡは略一定の温度となっている。一方、フォイル部３２は回転しているので、温度Ｔは複数のピークを有している。より具体的には、負イオンＰが衝突する際に温度Ｔは急激に上昇し、負イオンＰが衝突する位置から逸れた後は、輻射によってフォイル部３２が冷却されるので、温度Ｔは徐々に低下する。その後、再び負イオンＰが衝突する位置まで回転した際に、温度Ｔは再び上昇する。このように、局所的な温度変化を考えた場合、フォイル部３２を回転させることにより、フォイル部３２が高温になる時間を短くすることができる。したがって、フォイル部３２が昇華することを抑制することが可能である。

また、フォイル部３２の回転速度を速くすることにより、温度Ｔが到達するピーク温度ＴＰを低下させることが可能である。一般的に、フォイル部３２の昇華速度は、フォイル部３２の温度が上昇するにつれて指数関数的に速くなる。したがって、フォイル部３２のピーク温度ＴＰが所定の温度（例えば、フォイル部３２を構成する材料の昇華温度等）に到達しないようにフォイル部３２を動かす（回転速度を調整する）ことにより、更に効果的にフォイル部３２が昇華することを抑制することが可能である。

以上説明したように、本実施形態に係る粒子加速器１００のフォイルストリッパー３０は、フォイル部３２を動かすフォイル駆動部３３を有している。フォイル駆動部３３は、負イオンＰが加速されている間にフォイル部３２を動かすことにより、フォイル部３２において負イオンＰが衝突する位置を変更させる。このようにフォイル部３２を動かすことにより、フォイル部３２が固定されている場合に比べ、負イオンＰの衝突による熱負荷を受ける範囲が広くなる。これにより、フォイル部３２の特定の箇所に、負イオンＰの衝突による熱負荷が集中することを抑制できる。したがって、フォイル部３２が昇華することを抑制することができ、フォイル部３２の寿命を長くすることが可能である。また、フォイル部３２の寿命が長くなることにより、メンテナンス等による粒子加速器１００の停止時間を低減することが可能である。

また、粒子加速器１００において、フォイル駆動部３３は、負イオンＰが加速されている間、フォイル部３２を連続的に動かす。これにより、フォイル部３２において負イオンＰが衝突する位置を連続的に変更することができるので、フォイル部３２が受ける熱負荷を更に低減することができる。したがって、更にフォイル部３２の寿命を長くすることが可能である。

また、粒子加速器１００において、フォイル駆動部３３は、フォイル部３２を回転させて動かす。これにより、フォイル部３２の位置を変えずに、フォイル部３２において負イオンＰが衝突する位置を変更することができる。したがって、フォイルストリッパー３０が配置される加速部１内の空間が狭い場合であっても、フォイル部３２の特定の箇所に、負イオンＰの衝突による熱負荷が集中することを抑制できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されることなく、種々の変形態様を採用可能である。上記の実施形態においては、フォイル駆動部３３はフォイル部３２を回転させることにより動かしていたが、フォイル部３２を動かす方法はこれに限定されない。例えば、フォイル駆動部３３は、磁極１０Ａ，１０Ｂが対向する方向においてフォイル部が往復移動するように、フォイル部３２を動かしてもよい。

また、上記の実施形態においては、フォイル部３２が円形状である場合について説明したが、フォイル部３２の形状は特に限定されず、例えば矩形状等であってもよい。

また、上記の実施形態においては、粒子加速器１００がサイクロトロンである例について説明したが、粒子加速器１００の種類は円形加速器であればよく、サイクロトロンに限定されない。例えば、粒子加速器１００はシンクロトロン等であってもよい。

１…加速部、１０Ａ，１０Ｂ…磁極、１１…谷領域、１２…山領域、１３…イオン供給口、２０…コイル、３０…フォイルストリッパー、３１…動力伝達部、３２…フォイル部、３３…フォイル駆動部（駆動部）、３４…フォイル支持部、４０…真空箱、４１…出射口、５０…加速電極、１００…粒子加速器、Ａ…軸部、Ｋ…周回軌道、Ｐ…負イオン（荷電粒子）、Ｓ…熱負荷範囲、Ｔ…温度、ＴＰ…ピーク温度。

Claims

荷電粒子を磁場中で周回させながら加速する加速部と、
前記荷電粒子の周回軌道上に配置され、前記荷電粒子を前記周回軌道上から逸らすフォイルストリッパーと、を備え、
前記フォイルストリッパーは、前記荷電粒子から電子を剥ぎ取るフォイル部と、前記フォイル部を動かす駆動部と、を有し、
前記駆動部は、前記荷電粒子が加速されている間に前記フォイル部を動かすことにより、前記フォイル部において前記荷電粒子が衝突する位置を変更させ、
前記駆動部は、前記フォイル部の周縁に沿って前記荷電粒子を衝突させるように前記フォイル部を動かす、粒子加速器。
前記駆動部は、前記荷電粒子が加速されている間、前記フォイル部を連続的に動かす、請求項１に記載の粒子加速器。
前記駆動部は、前記フォイル部を回転させて動かす、請求項１又は２に記載の粒子加速器。