JP6965185B2 - 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。

重粒子線がん治療装置は、イオン入射装置を備えている。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、このイオン源からの引き出されたイオンビームを輸送する低エネルギービーム輸送系（Low Energy Beam Transport、以下、ＬＥＢＴ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。以下、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。

上記線形加速器は、数百ＭＨｚの高周波で空洞を共振し、電極部に生じた電界によってイオンビームを加速する。そのため、線形加速器は、共振器となるタンクと、イオンを加速するための電極部とから構成される。線形加速器には、真空管アンプ等の高周波電源（ＲＦ源）からピークで数百ｋＷの高周波電力が供給される。

国際公開番号２０１６／１６７３０７Ａ１

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

上述したイオン入射装置は、イオン源で生成したイオンを線形加速器で加速する。従来のイオン源、例えば電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance、以下、ＥＣＲと記す。）イオン源を用いたイオン入射装置は、がん治療に必要なイオン電流を確保する必要がある。

そのため、イオン入射装置は、イオンの種類（以下、イオン種とも記す。）が例えばカーボン（Ｃ）の場合、カーボン４価イオン（Ｃ^４＋）を線形加速器で加速する。その後、上記線形加速器の後段に設置したカーボンの薄膜からなる荷電変換膜を通してカーボン６価イオン（Ｃ^６＋）に変換している。線形加速器から出射されるイオンビームの出射エネルギーは、上記荷電変換膜での変換効率が十分高くなるエネルギーである。

線形加速器の核子当たりのイオンビームの出射エネルギーは、固定である。これは線形加速器内の電極部の構成が、特定の速度で通過する時だけ加速するように設計されているためである。因みに、Ｅ＝１／２ｍｖ^２→Ｅ／ｍ＝１／２ｖ^２である。ここで、Ｅはエネルギー、ｍは質量、ｖは速度である。Ｅ／ｍは、核子当たりの出射エネルギーに相当し、その値は速度ｖの二乗となる。

しかし、同じ元素のイオンでも価数が高ければ、電界からのエネルギーゲインが高い分、速度が速くなる。そのため、線形加速器に供給する高周波電力を小さくすることで、イオンの価数が異なる場合でも速度を一定として運転する。

上記荷電変換膜の厚さが一定であれば、入射エネルギーに対する荷電変換効率は、最適値を有する。入射エネルギーが低すぎても、高すぎても荷電変換効率が低下する。単一イオン（例えば、カーボン（Ｃ））を取り扱う場合は、単一イオンで最適化された線形加速器からの出射エネルギー（荷電変換膜への入射エネルギー）となっている。

ところで、複数の種類のイオンを同じ線形加速器で加速する場合、イオンの種類によって最適な入射エネルギーが異なる。そのため、線形加速器の後段に荷電変換膜を設置した場合、イオン種によっては、荷電変換効率が低下し、イオン入射装置としての輸送効率が低下するという問題がある。

本実施形態が解決しようとする課題は、イオンの種類に関わらず荷電変換効率を高くすることで、輸送効率を向上させた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、前記イオン源からの引き出されたイオンビームを加速する前段線形加速器と、前記前段線形加速器により加速された前記イオンビームをさらに加速する複数の後段線形加速器と、前記前段線形加速器から前記後段線形加速器の後段まで前記イオンビームを輸送するビーム輸送部と、前記イオンの価数を変換する荷電変換部と、を備え、前記ビーム輸送部において前記荷電変換部を設置可能な設置位置を複数設け、前記荷電変換部を前記複数の設置位置のうち前記イオンの種類に対応した位置に設置し、少なくとも１つの前記荷電変換部は前記後段線形加速器と前記後段線形加速器との間に設けられ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、前記イオン源からの引き出されたイオンビームを加速する前段線形加速器と、前記前段線形加速器により加速された前記イオンビームをさらに加速する複数の後段線形加速器と、前記前段線形加速器から前記後段線形加速器の後段まで前記イオンビームを輸送するビーム輸送部と、前記イオンの価数を変換する荷電変換部と、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、を備え、前記ビーム輸送部において前記荷電変換部を設置可能な設置位置を複数設け、前記荷電変換部を前記複数の設置位置のうち前記イオンの種類に対応した位置に設置し、少なくとも１つの前記荷電変換部は前記後段線形加速器と前記後段線形加速器との間に設けられることを特徴とする。

本実施形態によれば、イオンの種類に関わらず荷電変換効率を高くすることで、輸送効率を向上させることが可能になる。

イオン入射装置の各実施形態を適用した粒子線治療装置の一例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ブロック図である。 第２実施形態のイオン入射装置を示す構成図である。 第３実施形態のイオン入射装置を示す構成図である。 第４実施形態のイオン入射装置を示すブロック図である。 第４実施形態の制御部の動作の一例を示すフローチャートである。

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はイオン入射装置の各実施形態を適用した粒子線治療装置の一例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、及び照射装置１５を備えている。

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、イオンビームの進行方向に対して前段に設置される前段線形加速器としてのＲＦＱ３、及びその後段に設置される後段線形加速器としてのＤＴＬ４ａ，４ｂ，４ｃを備えている。なお、以下の実施形態において、前段及び後段とは、イオンビームの進行方向に対する前方及び後方のことをいう。

イオン入射装置２０には、荷電変換部としての荷電変換膜の複数の設置位置５ａ〜５ｄのうち、イオン種に応じて少なくとも一箇所に荷電変換膜が設置される。なお、図１では、イオン入射装置２０内に設置されている四極電磁石及びビームモニタの図示を省略している。また、荷電変換膜の設置位置５ａ〜５ｄとイオン種との関係については、後述するイオン入射装置の第１実施形態にて説明する。

ＥＣＲイオン源１は、イオンを生成する。ＬＥＢＴ系機器２は、ＥＣＲイオン源１で生成したイオンのビーム特性を調整する。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、イオン種が例えばカーボン（Ｃ）の場合、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。

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、その後段に設置したＲＦＱ３、ＤＴＬ４ａ，４ｂ，４ｃ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。ＤＴＬ４ａ，４ｂ，４ｃは、イオンビームを電気的に加速する。

ＤＴＬ４ａ，４ｂ，４ｃを出射したイオンビームは、イオン種がカーボンの場合、荷電変換膜の設置位置５ａ〜５ｄのうち、いずれか一箇所に荷電変換膜を設置することで、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１４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１５が設置されている。この照射装置１５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。

なお、図１に示す粒子線治療装置では、重粒子線を用いた例について説明したが、これに限らず陽子線を用いた粒子線治療装置にも適用可能である。

（イオン入射装置の第１実施形態）
（構 成）
図２は第１実施形態のイオン入射装置を示すブロック図である。なお、図１に示す粒子線治療装置と同一の部分には、同一の符号を付して説明する。

図２に示すように、イオン入射装置２０は、ＥＣＲイオン源１と、ＬＥＢＴ系機器２と、１台のＲＦＱ３と、３台のＤＴＬ４ａ，４ｂ，４ｃと、ビーム輸送部１６と、ビーム輸送部１６における荷電変換膜の複数の設置位置５ａ〜５ｄのうち、少なくとも一箇所に設置される荷電変換膜と、四極電磁石１７と、ビームモニタ１８とを備えている。

上記荷電変換膜の設置位置５ａは、ＲＦＱ３とＤＴＬ４ａとの間のビーム輸送部１６である。設置位置５ｂは、ＤＴＬ４ａとＤＴＬ４ｂとの間のビーム輸送部１６である。設置位置５ｃは、ＤＴＬ４ｂとＤＴＬ４ｃとの間のビーム輸送部１６である。設置位置５ｄは、ＤＴＬ４ｃの後段のビーム輸送部１６である。荷電変換膜は、イオン種に対応して設置位置５ａ〜５ｄのうち、少なくとも一箇所に選択的に設置される。

本実施形態では、荷電変換膜の設置可能な設置位置が５ａ〜５ｄに示すように複数設けられ、荷電変換膜が複数の設置位置５ａ〜５ｄのうち、イオン種に対応した位置に設置される。ここで、荷電変換膜は、複数の設置位置５ａ〜５ｄに対してそれぞれ取付け、取外し可能に構成されている。

したがって、イオン種を変更する場合には、荷電変換膜を取り外した後、荷電変換膜の設置位置５ａ〜５ｄのうち、そのイオン種に対応した設置位置に設置することができる。

なお、荷電変換膜の設置位置５ａ〜５ｄには、それぞれ複数の荷電変換膜を取付け、取外し可能に設置することもできる。

ビーム輸送部１６は、真空ダクトから構成されている。１台のＲＦＱ３と３台のＤＴＬ４ａ，４ｂ，４ｃは、ビーム輸送部１６を介して接続される。ビーム輸送部１６は、１台のＲＦＱ３から３台のＤＴＬ４ａ，４ｂ，４ｃの後段までイオンビーム１９を輸送する。

上記荷電変換膜は、イオンビーム１９を効率的に加速するため、イオンから電子を取り除き、目的とする価数に調整するものである。荷電変換膜としては、例えば炭素膜、炭素−ホウ素複合膜、カーボンナノチューブ複合膜、炭素−有機複合膜、ベリリウム、液体リチウムがある。

イオン種がカーボン（Ｃ）の場合、荷電変換膜は、その設置位置５ａ〜５ｄのうち、例えば設置位置５ｃのビーム輸送部１６に設置される。また、イオン種がアルゴン（Ａｒ）の場合、荷電変換膜は、その設置位置５ａ〜５ｄのうち、例えば設置位置５ｂ，５ｄのそれぞれのビーム輸送部１６に設置される。このように荷電変換膜は、イオン種に対応してその設置位置５ａ〜５ｄがあらかじめ設定されており、その設置位置に設置される。

また、粒子線治療装置を用いて治療する前に、イオン種を例えばカーボン（Ｃ）からアルゴン（Ａｒ）に変更する場合には、設置位置５ｃから荷電変換膜を取り外した後、設置位置５ｂ，５ｄにそれぞれ荷電変換膜を設置する。同様に、イオン種をアルゴン（Ａｒ）からカーボン（Ｃ）に変更する場合には、設置位置５ｂ，５ｄから荷電変換膜をそれぞれ取り外した後、設置位置５ｃに荷電変換膜を設置する。

四極電磁石１７及びビームモニタ１８は、ＲＦＱ３とＤＴＬ４ａとの間、ＤＴＬ４ａとＤＴＬ４ｂとの間、ＤＴＬ４ｂとＤＴＬ４ｃとの間のビーム輸送部１６に、それぞれ設置されている。

四極電磁石１７は、イオンビーム１９の収束をコントロールして後段に入射させる。すなわち、四極電磁石１７は、拡がっているイオンビーム１９を収束させる。ビームモニタ１８は、ＲＦＱ３とＤＴＬ４ａとの間、ＤＴＬ４ａとＤＴＬ４ｂとの間、ＤＴＬ４ｂとＤＴＬ４ｃとの間で、イオンビーム１９の電流値、サイズ、位置等を測定する。この測定信号を四極電磁石１７、後述する各半導体型高周波増幅器にフィードバックし、その出力を調整する。これにより、１台のＲＦＱ３と、３台のＤＴＬ４ａ，４ｂ，４ｃとでイオンビーム１９を輸送及び加速することが可能となる。

ビームモニタ１８は、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が用いられる。なお、これらのビームモニタ１８は、必ずしも設置しなくてもよい。

１台のＲＦＱ３と、３台のＤＴＬ４ａ，４ｂ，４ｃには、それぞれ導波管２１を介して半導体型高周波増幅器２２が接続されている。各導波管２１は、それぞれの半導体型高周波増幅器２２からの高周波電力をＲＦＱ３、ＤＴＬ４ａ，４ｂ，４ｃに供給する。すなわち、各半導体型高周波増幅器２２は、それぞれ導波管２１を介してＲＦＱ３、ＤＴＬ４ａ，４ｂ，４ｃにピーク値で数百ｋＷの高周波電力を供給する。

（作 用）
図２に示すように、イオン種がカーボン（Ｃ）の場合、上記のように荷電変換膜は、設置位置５ｃに設置される。ＥＣＲイオン源１により生成されたカーボン４価イオン（Ｃ^４＋）が設置位置５ｃに設置された荷電変換膜によってカーボン６価イオン（Ｃ^６＋）に変換され、図１に示すＭＥＢＴ系機器６を経てシンクロトロン７へ輸送される。

また、イオン種をアルゴン（Ａｒ）に変更する場合、設置位置５ｃから荷電変換膜を取り外した後、上記のように荷電変換膜は、設置位置５ｂ，５ｄにそれぞれ設置される。ＥＣＲイオン源１により生成されたアルゴン１２価イオン（Ａｒ^１２＋）が設置位置５ｂに設置された荷電変換膜によってアルゴン１４価イオン（Ａｒ^１４＋）に変換される。このアルゴン１４価イオン（Ａｒ^１４＋）は、さらに設置位置５ｄに設置された荷電変換膜によってアルゴン１８価イオン（Ａｒ^１８＋）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。

したがって、本実施形態では、イオン種により荷電変換膜への入射エネルギーの相違により、設置位置５ａ〜５ｄのうち、荷電変換効率が大きくなる設置位置５ａ〜５ｄのいずれかに荷電変換膜を設置している。そのため、荷電変換効率を高くすることができる。

また、本実施形態では、荷電変換効率だけでなく、イオン電流値による空間電荷効果によるビーム発散も考慮して、最終的にイオン入射装置での輸送効率が最大となる設置位置５ａ〜５ｄのいずれかに荷電変換膜を設置している。ここで、上記空間電荷効果とは、イオンビーム１９の電荷による電場でイオンビーム１９自身が斥力を受け発散する効果をいう。

このように本実施形態によれば、ビーム輸送部１６において荷電変換部を設置可能な複数の設置位置５ａ〜５ｄを設け、荷電変換膜の設置位置５ａ〜５ｄのうち、イオン種に対応した少なくとも一箇所の位置に荷電変換膜を設置することにより、荷電変換効率が高くなるとともに、イオン入射装置の輸送効率を高くすることが可能である。その結果、輸送効率の高いイオン入射装置を提供することが可能となる。

なお、本実施形態では、３台のＤＴＬ４ａ，４ｂ，４ｃを設置した例について説明したが、ＤＴＬは少なくとも1台設置すればよく、必要な出射エネルギーに応じた台数を設置すればよい。

また、本実施形態では、ＲＦＱ３とＤＴＬ４ａとの間、ＤＴＬ４ａとＤＴＬ４ｂとの間、ＤＴＬ４ｂとＤＴＬ４ｃとの間に、それぞれ四極電磁石１７を設置しているが、これに限らず四極電磁石１７を設置しなくても、あるいは１台以上設置してもよい。

さらに、本実施形態では、１台のＲＦＱ３と、３台のＤＴＬ４ａ，４ｂ，４ｃに高周波電源としてそれぞれ半導体型高周波増幅器２２を接続した例について説明したが、これに限らず真空管アンプを接続するようにしてもよい。

しかし、本実施形態のように半導体型高周波増幅器２２を用いた場合には、上記真空管アンプと比べて定期的な交換が不要になり、メンテナンス性が高くなるという効果がある。

（イオン入射装置の第２実施形態）
図３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て、重複する説明は省略する。

図３に示すように、本実施形態は、第１の荷電変換装置としての荷電変換膜ホルダ２３と、この荷電変換膜ホルダ２３をビーム輸送部１６の外部（真空外）から直線移動する真空導入機２７と、この真空導入機２７を駆動させる駆動モータ２８とを備える。真空導入機２７及び駆動モータ２８は、本実施形態の直線駆動部を構成する。

荷電変換膜ホルダ２３は、全体が長尺の矩形に形成された矩形板２４と、この矩形板２４にそれぞれ皺なく平面状に保持された荷電変換部としての４枚の荷電変換膜２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ（以下、荷電変換膜２５ａ〜２５ｄと記す。）と、矩形板２４に形成された３つの開口部２６とを有する。４枚の荷電変換膜２５ａ〜２５ｄと３つの開口部２６は、長さ方向に一定間隔をあけて交互に直線状に配置されている。

３つの開口部２６は、イオンビーム１９のラインから荷電変換膜２５ａ〜２５ｄを退避させたい場合に用いるため、イオンビーム１９が矩形板２４に干渉しないような大きさに設定されている。

荷電変換膜ホルダ２３は、イオンビーム１９のラインに対して垂直な面（直交する面）に設置されている。荷電変換膜ホルダ２３は、図２に示す荷電変換膜の設置位置５ａ〜５ｄのうち、イオン種に対応した少なくとも一箇所の位置に設置される。荷電変換膜ホルダ２３は、イオン種が例えばカーボン（Ｃ）の場合、前記第１実施形態と同様に設置位置５ｃに設置される。

また、荷電変換膜ホルダ２３は、イオン種がアルゴン（Ａｒ）の場合、前記第１実施形態と同様に荷電変換膜は、設置位置５ｂ，５ｄのそれぞれに設置される。これらの設置位置に設置する場合は、荷電変換膜２５ａ〜２５ｄの厚さを全て同じに設定している。

荷電変換膜２５ａ〜２５ｄの膜厚を全て同じにした場合は、イオンビーム１９が照射される荷電変換膜２５ａ〜２５ｄを照射時間によって変えることにより、荷電変換膜２５ａ〜２５ｄの耐久性を向上させ、交換頻度を低減させることができる。

また、荷電変換膜２５ａ〜２５ｄは、全て異なる膜厚にしてもよい。したがって、荷電変換膜２５ａ〜２５ｄは、その厚さを変えることにより、荷電変換効率を調整することが可能である。この場合には、荷電変換膜２５ａ〜２５ｄのうち、荷電変換効率が高くなる膜厚の荷電変換膜を選択することにより、荷電変換効率を高くすることができる。その結果、イオン種によっては荷電変換膜ホルダ２３の設置位置の数を複数箇所から減少させることができる。

荷電変換膜ホルダ２３は、真空導入機２７で真空外から操作する構成である。真空導入機２７に直線導入機を用いれば、駆動モータ２８の回転駆動により荷電変換膜ホルダ２３を直線方向に移動可能となる。

また、真空導入機２７に回転導入端子を用いることも可能である。この場合には、ビーム輸送部１６内において、ギア等の駆動伝達部を用いて回転駆動を直線駆動に変換し、荷電変換膜ホルダ２３を直線方向に移動させることができる。

真空導入機２７は、駆動モータ２８で回転駆動させる。この駆動モータ２８は、有線又は無線にて信号を送受信し、遠隔にて駆動をコントロールすることで、荷電変換膜ホルダ２３の直線移動を遠隔にて操作することが可能となる。

このように本実施形態によれば、真空状態を維持しつつ荷電変換膜ホルダ２３をイオンビーム１９のラインに対して垂直な方向に直線移動させることで、前記第１実施形態の効果に加えて、イオンビーム１９のライン上へ容易に荷電変換膜２５ａ〜２５ｄの設置、あるいは退避させることが可能となる。

また、本実施形態によれば、荷電変換膜ホルダ２３の荷電変換膜２５ａ〜２５ｄの厚さを変えることにより、荷電変換効率を調整することが可能となる。

なお、本実施形態では、荷電変換膜２５ａ〜２５ｄのイオンビーム１９のラインからの退避方法によって、開口部２６は荷電変換膜ホルダ２３の少なくとも１箇所に形成すればよい。

また、本実施形態では、荷電変換膜２５ａ〜２５ｄ及び開口部２６がイオンビーム１９に対して十分大きければ、荷電変換膜ホルダ２３の移動方向は、上下方向、左右方向、斜め方向のいずれの方向でもよい。

さらに、本実施形態では、真空のビーム輸送部１６内に垂直に荷電変換膜ホルダ２３の移動ガイド機構を設け、この移動ガイド機構に沿って荷電変換膜ホルダ２３をイオンビーム１９のラインに対して垂直方向に移動させるようにしてもよい。これにより、荷電変換膜２５ａ〜２５ｄをイオンビーム１９のラインに対して確実に垂直に配置することが可能となる。

また、本実施形態では、上記のように荷電変換膜ホルダ２３をイオンビーム１９のラインに対して複数設置するようにしてもよい。これらの荷電変換膜ホルダ２３の荷電変換膜２５ａ〜２５ｄの膜厚を全て異なるようにし、これらを組み合わせるようにすれば、より多くのイオン種に対応して荷電変換効率を高くすることができる。

（イオン入射装置の第３実施形態）
図４は第３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２実施形態と同一の構成には同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図４に示すように、本実施形態は、第２の荷電変換装置としての荷電変換膜ホルダ３０と、この荷電変換膜ホルダ３０をビーム輸送部１６の外部（真空外）から回転駆動する真空導入機３７と、この真空導入機３７を駆動させる駆動モータ３８とを備える。真空導入機３７及び駆動モータ３８は、本実施形態の回転駆動部を構成する。

荷電変換膜ホルダ３０は、全体形状が円形に形成された円板３１と、この円板３１にそれぞれ皺なく平面状に保持された荷電変換部としての４枚の荷電変換膜３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ（以下、荷電変換膜３２ａ〜３２ｄと記す。）と、円板３１に形成された４つの開口部３３とを有する。４枚の荷電変換膜３２ａ〜３２ｄと４つの開口部３３は、周方向に一定間隔をあけて交互に円形状に配置されている。

４つの開口部３３は、イオンビーム１９のラインから荷電変換膜３２ａ〜３２ｄを退避させたい場合に用いるため、イオンビーム１９が円板３１に干渉しないような大きさに設定されている。

荷電変換膜ホルダ３０は、イオンビーム１９のラインに対して垂直な面（直交する面）に回転可能に設置されている。荷電変換膜ホルダ３０は、前記第２実施形態と同様に図２に示す荷電変換膜の設置位置５ａ〜５ｄのうち、イオン種に対応した少なくとも一箇所の位置に設置される。荷電変換膜ホルダ３０は、イオン種がカーボン（Ｃ）の場合、前記第１実施形態と同様に設置位置５ｃに設置される。

また、荷電変換膜ホルダ３０は、イオン種がアルゴン（Ａｒ）の場合、前記第１実施形態と同様に荷電変換膜は、設置位置５ｂ，５ｄのそれぞれに設置される。これらの設置位置に設置する場合は、荷電変換膜３２ａ〜３２ｄの厚さを全て同じに設定している。

さらに、荷電変換膜３２ａ〜３２ｄの膜厚を全て同じにした場合、全て異なる膜厚にした場合の作用及び効果は、前記第２実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

荷電変換膜ホルダ３０は、前記第２実施形態と同様に真空導入機３７で真空外から操作する構成である。真空導入機３７に回転導入機を用いれば、その回転により荷電変換膜ホルダ３０を回転させることが可能となる。この場合、荷電変換膜ホルダ３０の中心を回転軸とする。その際、イオンビーム１９のラインは、上記回転軸に対して径方向にずらしておき、イオンビーム１９に回転導入機が干渉しない構成とする。すなわち、荷電変換膜ホルダ３０は、イオンビーム１９のラインが４枚の荷電変換膜３２ａ〜３２ｄと３つの開口部３３を通るように位置決めされている。

また、本実施形態では、真空導入機３７に直線導入端子を用いることも可能である、例えば、ビーム輸送部１６内において、ギア等の駆動伝達部を用いて直線駆動を回転駆動に変換し、荷電変換膜ホルダ３０を回転させることができる。

真空導入機３７は、駆動モータ３８で回転駆動させる。この駆動モータ３８は、前記第２実施形態と同様に有線又は無線にて信号を送受信し、遠隔にて駆動をコントロールすることにより、荷電変換膜ホルダ３０の回転駆動を遠隔にて操作することが可能となる。

なお、本実施形態では、真空のビーム輸送部１６内に垂直に荷電変換膜ホルダ３０の回転ガイド機構を設け、この回転ガイド機構に沿って荷電変換膜ホルダ３０をイオンビーム１９のラインに対して垂直な方向に回転させるようにしてもよい。これにより、荷電変換膜３２ａ〜３２ｄをイオンビーム１９のラインに対して確実に垂直に配置することが可能となる。

このように本実施形態によれば、真空状態を維持しつつ荷電変換膜ホルダ３０をイオンビーム１９のラインに対して垂直な方向に回転させることで、前記第１実施形態の効果に加えて、イオンビーム１９のライン上への荷電変換膜３２ａ〜３２ｄの設置、あるいは退避させることが可能となる。

また、本実施形態によれば、荷電変換膜ホルダ３０の荷電変換膜３２ａ〜３２ｄの厚さを変えることにより、荷電変換効率を調整することが可能となる。

さらに、本実施形態によれば、荷電変換膜ホルダ３０を回転させるため、前記第２実施形態の直線移動と比べて、駆動機構の小型化を図ることができる。

なお、本実施形態では、上記のように荷電変換膜ホルダ３０をイオンビーム１９のラインに対して複数設置するようにしてもよい。また、本実施形態では、イオンビーム１９のラインに対して前段、後段にそれぞれ前記第２実施形態の荷電変換膜ホルダ２３と、本実施形態の荷電変換膜ホルダ３０を設置するようにしてもよい。そして、前段、後段は、この逆であってもよい。

したがって、荷電変換膜ホルダ３０の荷電変換膜３２ａ〜３２ｄの膜厚を全て異なるようにし、これらを組み合わせるようにすれば、前記第２実施形態と同様に、より多くのイオン種に対応して荷電変換効率を高くすることができる。

（イオン入射装置の第４実施形態）
図５は第４実施形態のイオン入射装置を示すブロック図である。図６は第４実施形態の制御部の動作を示すフローチャートである。

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て、重複する説明は省略する。また、本実施形態では、前記第１実施形態と同様に１台のＲＦＱ３と、３台のＤＴＬ４ａ，４ｂ，４ｃに、それぞれ導波管１５を介して半導体型高周波増幅器１６が接続されているが、図５では図示を省略している。

図５に示すように、本実施形態は、前記第１実施形態の構成に加えて、駆動部としてのモータ４０ａ〜４０ｄと、モータ駆動回路４１ａ〜４１ｄと、制御部４２と、イオン種入力部４３と、を備えている。

モータ４０ａ〜４０ｄは、それぞれ直線導入機又は回転導入機を駆動し、設置位置５ａ〜５ｄのうち、イオン種に対応して少なくとも一箇所に荷電変換膜を設置するための駆動源である。モータ駆動回路４１ａ〜４１ｄは、それぞれモータ４０ａ〜４０ｄをそれぞれ駆動する。

イオン種入力部４３は、ＥＣＲイオン源１により生成されるイオン種をキーボード又はタッチパネル等の入力手段を用いて入力するものである。

制御部４２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、記録媒体としてのＲＯＭ（Read Only Memory）、Ｉ／Ｏ(Input / Output)等を備えた周知のマイクロコンピュータを中心に構成された制御装置である。

このうち、上記ＲＯＭは、電源を切断しても記憶内容を保持する必要のあるデータやプログラムを記憶する。上記ＲＡＭは、データを一時的に格納する。上記ＣＰＵは、上記ＲＯＭにインストールされているプログラムを実行することで各機能を実現する。記録媒体には、上記ＲＯＭ以外に例えば、ＤＶＤ−ＲＯＭ（Digital Versatile Disk Read Only Memory）、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、ハードディスク等のコンピュータ読み取り可能な電子媒体を含む。

制御部４２は、イオン種入力部４３から入力されたイオン種のデータと、このイオン種のデータに対応して設置位置５ａ〜５ｄのうち、少なくとも一箇所に荷電変換膜を設置する設置位置のデータとがあらかじめ上記ＲＯＭに記憶されている。

具体的には、制御部４２は、イオン種入力部４３から入力されたイオン種のデータがカーボンの場合、荷電変換膜の設置位置５ａ〜５ｄのうち、設置位置５ｃのビーム輸送部１６に荷電変換膜が設置されるように、モータ駆動回路４１ｃを介してモータ４０ｃを駆動させるように対応付けている。

また、制御部４２は、イオン種がアルゴンの場合、荷電変換膜の設置位置５ａ〜５ｄのうち、設置位置５ｂ，５ｄのそれぞれのビーム輸送部１６に設置されるように、モータ駆動回路４１ｂ，４１ｄを介してモータ４０ｂ，４０ｄを駆動させるように対応付けている。

次に、制御部４２の動作の一例を図６のフローチャートに従って説明する。この例では、最初のイオン種がカーボンであり、その後のイオン種がアルゴンに変わった場合について説明する。

図６に示すように、まず、イオン源１により生成されるイオン種をイオン種入力部４３から入力する（ステップＳ１）。具体的には、イオン種が例えばカーボンの場合、そのデータをイオン種入力部４３から入力する。

次いで、制御部４２は、設置位置５ａ〜５ｄのうち、イオン種に対応した設置位置をあらかじめ記憶された記録データから読み出す（ステップＳ２）。

制御部４２は、モータ４０ａ〜４０ｄのうち、読み出した設置位置に対応するモータへモータ駆動回路４１ａ〜４１ｄのいずれかを介して駆動信号を出力する（ステップＳ３）。すると、設置位置に対応するモータが駆動してその設置位置に荷電変換膜が設置される。

具体的には、イオン種がカーボンの場合は、図５に示すように荷電変換膜の設置位置５ａ〜５ｄのうち、設置位置５ｃのビーム輸送部１６に荷電変換膜が設置されるように、モータ駆動回路４１ｃを介してモータ４０ｃを駆動させる。

制御部４２は、設置位置に荷電変換膜が設置されたかを例えばリミットセンサ等のセンサからの検出信号を取得することで、荷電変換膜の設置が終了したか否かを判定する（ステップＳ４）。荷電変換膜の設置が終了した場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ）には、ステップＳ５に移行する。荷電変換膜の設置が終了しない場合（ステップＳ４：Ｎｏ）には、終了するまでモータ４０ｃを駆動させる。

次いで、ステップＳ５では、イオン種入力部４３から異なるイオン種が入力されたかを判定する（ステップＳ５）。具体的には、イオン種がカーボンから例えばアルゴンのデータがイオン種入力部４３から入力されたかを判定する。

異なるイオン種が入力された場合（ステップＳ５：Ｙｅｓ）には、ステップＳ６に移行する。ステップＳ６では、設置位置５ｃから荷電変換膜を退避させるようにモータ駆動回路４１ｃを介してモータ４０ｃを駆動させる。

そして、ステップＳ２に戻り、再びステップＳ２〜ステップＳ５までの処理を繰り返す。異なるイオン種が入力されない場合（ステップＳ５：Ｎｏ）には、全体の処理を終了する。

なお、イオン種がアルゴンの場合、ステップＳ３では、制御部４２は、荷電変換膜の設置位置５ａ〜５ｄのうち、設置位置５ｂ，５ｄのそれぞれのビーム輸送部１６に設置されるように駆動信号を出力する。これにより、モータ駆動回路４１ｂ，４１ｄを介してモータ４０ｂ，４０ｄを駆動させる。その他の処理は、上述した通りであるため、その説明を省略する。

このように本実施形態によれば、イオン種に対応してモータ駆動回路４１ａ〜４１ｄを介してモータ４０ａ〜４０ｄの駆動を制御することで、荷電変換膜の設置位置５ａ〜５ｄのうち、イオン種に対応した設置位置に荷電変換膜が設置される。そのため、シンクロトロン７に入射するイオンビーム１９毎にイオン種が異なる場合であっても、イオン入射装置２０からシンクロトロン７への供給電流を大きくすることが可能である。

なお、前記第１実施形態〜第４実施形態に記載のイオン入射装置２０を図１に示す粒子線治療装置に適用した場合には、イオン種が異なる場合であっても、イオン入射装置２０からシンクロトロン７への供給電流が大きくなる。そのため、治療に供することが可能な電流値が高くなり、効率の高い粒子線治療装置を提供することができる。

（その他の実施形態）
本発明の各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例は、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。

なお、上記第２実施形態〜第４実施形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。

１…ＥＣＲイオン源、２…ＬＥＢＴ、３…ＲＦＱ（前段線形加速器）、４ａ，４ｂ，４ｃ…ＤＴＬ（後段線形加速器）、５ａ〜５ｄ…荷電変換膜の設置位置（荷電変換部）、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、１４…出射軌道、１５…照射装置、１６…ビーム輸送部、１７…四極電磁石、１８…ビームモニタ、１９…イオンビーム、２０…イオン入射装置、２１…導波管、２２…半導体型高周波増幅器、２３…荷電変換膜ホルダ（第１の荷電変換装置）、２４…矩形板、２５ａ〜２５ｄ…荷電変換膜（荷電変換部）、２６…開口部、２７…真空導入機（直線駆動部）、２８…駆動モータ（直線駆動部）、３０…荷電変換膜ホルダ（第２の荷電変換装置）、３１…円板、３２ａ〜３２ｄ…荷電変換膜（荷電変換部）、３３…開口部、３７…真空導入機（回転駆動部）、３８…駆動モータ（回転駆動部）、４０ａ〜４０ｄ…モータ（駆動部）、４１ａ〜４１ｄ…モータ駆動回路、４２…制御部、４３…イオン種入力部

Claims (7)

1. イオンを生成するイオン源と、
   前記イオン源からの引き出されたイオンビームを加速する前段線形加速器と、
   前記前段線形加速器により加速された前記イオンビームをさらに加速する複数の後段線形加速器と、
   前記前段線形加速器から前記後段線形加速器の後段まで前記イオンビームを輸送するビーム輸送部と、
   前記イオンの価数を変換する荷電変換部と、を備え、
   前記ビーム輸送部において前記荷電変換部を設置可能な設置位置を複数設け、前記荷電変換部を前記複数の設置位置のうち前記イオンの種類に対応した位置に設置し、少なくとも１つの前記荷電変換部は前記後段線形加速器と前記後段線形加速器との間に設けられることを特徴とするイオン入射装置。
2. 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半導体型高周波増幅器をさらに備え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. 前記荷電変換部が直線状に複数配置され、これらの荷電変換部間に開口部が形成され、かつ前記イオンビームの進行方向に対して垂直な方向に設置された第１の荷電変換装置と、
   前記第１の荷電変換装置を前記イオンビームの進行方向に対して垂直な方向に直線移動させ、前記荷電変換部又は前記開口部に前記イオンビームが通る直線駆動部と、
   をさらに備える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. 前記荷電変換部が周方向に複数配置され、これらの荷電変換部間に開口部が形成され、かつ前記イオンビームの進行方向に対して直交する方向に設置された第２の荷電変換装置と、
   前記第２の荷電変換装置を前記イオンビームの進行方向に対して垂直な方向に回転移動させ、前記荷電変換部又は前記開口部に前記イオンビームが通る回転駆動部と、
   をさらに備える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。
5. 前記イオンの種類を入力するイオン種入力部と、
   前記荷電変換部の複数の設置位置に対応して設けられ、これらの設置位置にそれぞれ前記荷電変換部を設置させる複数の駆動部と、
   前記イオン種入力部から入力された前記イオンの種類に対応する前記荷電変換部の少なくとも一つの設置位置に、前記複数の駆動部のいずれかを駆動して前記荷電変換部の少なくとも一つを設置するための制御を行う制御部と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のイオン入射装置。
6. 前記荷電変換部は、その厚さを変更可能に構成したことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項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、
   前記イオン源からの引き出されたイオンビームを加速する前段線形加速器と、
   前記前段線形加速器により加速された前記イオンビームをさらに加速する複数の後段線形加速器と、
   前記前段線形加速器から前記後段線形加速器の後段まで前記イオンビームを輸送するビーム輸送部と、
   前記イオンの価数を変換する荷電変換部と、
   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、を備え、
   前記ビーム輸送部において前記荷電変換部を設置可能な設置位置を複数設け、前記荷電変換部を前記複数の設置位置のうち前記イオンの種類に対応した位置に設置し、少なくとも１つの前記荷電変換部は前記後段線形加速器と前記後段線形加速器との間に設けられる
   ことを特徴とする粒子線治療装置。

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