JP7481753B2

JP7481753B2 - 粒子線治療装置

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Publication number: JP7481753B2
Application number: JP2021504926A
Authority: JP
Inventors: 康太水島; 敏之白井
Original assignee: NATIONAL INSTITUTES FOR QUANTUM AND RADIOLOGICALSCIENCE AND TECHNOLOGY
Current assignee: NATIONAL INSTITUTES FOR QUANTUM AND RADIOLOGICALSCIENCE AND TECHNOLOGY
Priority date: 2019-03-08
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2024-05-13
Anticipated expiration: 2040-02-28
Also published as: JPWO2020184232A1; WO2020184232A1

Description

この発明は、荷電粒子ビームを加速し出射するような粒子加速器、粒子線治療装置、および荷電粒子ビーム出射方法に関する。

従来、科学、医療、産業などの様々な分野において、粒子加速器は、高エネルギーの荷電粒子ビームを生成する目的で広く使われている。粒子加速器の１つであるシンクロトロンは、高周波加速空洞でビームにエネルギーを与えながら、ビームエネルギーの変化に合わせて電磁石の発生磁場を高めることで、ビームの軌道半径を保ちつつ様々なエネルギーにビームを加速、出射することができる円形加速器である。シンクロトロンの小型化は、製作コストやランニングコスト、建屋コストの低減などに寄与する。このため、高エネルギーの荷電粒子ビームを用いる粒子線治療分野などから、シンクロトロンの小型化は強く求められている。

シンクロトロンが用いられたものとして、シンクロトロン型加速器及びそれを用いた医療装置が提案されている（特許文献１参照）。この文献には、出射用の静電偏向器１０１により荷電粒子ビームを偏向し、出射用偏向電磁石１０２によりさらに偏向して出射することが記載されている。そして、静電偏向器１０１および出射用偏向電磁石１０２を同じ直線部に設置しなくてよいので、加速器１００を小型化できるとされている。

また、同様に、シンクロトロンおよびそれを用いた粒子線治療装置も提案されている（特許文献２参照）。この文献には、第１出射用偏向器と第２出射用偏向器の間に複数台の偏向電磁石と偏向電磁石間に１台の発散四極電磁石を配置し、第１出射用偏向器の上流側と第２出射用偏向器の下流側にそれぞれ収束四極電磁石を配置する構成が示されており、出射用偏向器間の四極電磁石の台数を削減しつつ、第１出射用偏向器によって偏向された出射ビームが四極電磁石によって周回ビーム側に蹴り戻される作用をなくすことができると記載されている。

このように出射用機器を多段構成にするのは、次の２点が理由に挙げられる。［１］静電場によってビームを曲げる第１の出射用機器だけでは、放電の問題による電界強度制限があるために高エネルギーのビームを大きく曲げることが難しい。［２］電磁石である第２の出射用機器では、真空ダクトやセプタムコイルにビームが衝突してロスしないように周回ビームと出射ビームが大きく分離されている必要がある。

つまり、出射用機器を多段構成にすることで、周回ビームと出射ビームを十分に分離でき、ロスを少なくシンクロトロンの外にビームを取り出すことができる。

さらに小型なシンクロトロンとするため、従来、前述の多段構成の出射用機器を用いてシンクロトロンの「曲線部」を短縮するための技術が提案されていた。すなわち、小型化のためには出射用機器を多段構成にしても電磁石等の構成機器を密に並べる必要があるため、第１と第２の出射用機器の間に偏向電磁石等の収束要素が入ってしまい、周回ビームと出射ビームの分離がうまく行えない。

具体的には、シンクロトロンの小型化には、曲線部の数を減らし、曲線部を短くする必要があるが、その場合、曲線部を構成する偏向電磁石の曲率と偏向角が大きくなり、偏向電磁石が強い収束要素として働く。そのため、第１の出射用機器で周回ビームから離れるように曲げられた出射ビームがその収束要素によって周回ビーム方向に戻されてしまい、第２の出射用機器の位置での周回ビームと出射ビームの大きな分離が阻害されるという問題があった。

この問題に対し、第１出射用偏向器２０７で周回ビームと出射ビームのセパレーションを取った後、より偏向角の大きな、例えばセプタム電磁石のような第２出射用偏向器２０８で第１出射用偏向器２０７とは逆方向に偏向し、周回ビームと交差させた後に第３出射用偏向器２０９で出射ビームを取り出す構成を用いたシンクロトロンおよびそれを用いた粒子線治療装置も提案されている（特許文献３参照）。これにより、第３出射用偏向器２０９での必要なセパレーションを確保でき、出射用機器の小型化とシンクロトロンの小型化が可能になると記載されている。

特開平１０－１６２９９９号公報特開２０１２－２３４８０５号公報特開２０１２－２２７７６号公報

しかしながら、ビーム出射でのロスが少ない小型シンクロトロンを実現するためには、「曲線部」だけでなく「長直線部も含めた全体の長さ」を短縮した上で、後段の出射デフレクタ位置で周回ビームと出射ビームを十分に分離できることが必要である。

この要求に対して、前記特許文献３に記載の方法では、第１出射用偏向器２０７と第２出射用偏向器２０８の間に発散用四極電磁石を配置するか、第１出射用偏向器２０７と第２出射用偏向器２０８を離して配置しないと、第２出射用偏向器２０８での周回ビームと出射ビームのセパレーションが十分に確保できず、その分だけ長直線部を長くしなければならない。このため、シンクロトロンの小型化が制限されてしまう課題があった。

また、各機器間には、シンクロトロン内を真空状態に保つためのダクトやフランジといった構成要素が必要であり、第１出射用偏向器２０７と第２出射用偏向器２０８を近接して配置するにも、真空ダクトや真空フランジ等の構成要素が機器間に必要である等の制限があった。

この発明は、上述した問題に鑑み、加速された荷電粒子ビームを周回させながら出射可能な小型の粒子加速器、これを用いた粒子線治療装置、および荷電粒子ビーム出射方法を提供することを目的とする。

この発明は、荷電粒子ビームを周回軌道に沿った方向へ偏向させる複数の偏向電磁石を有して前記荷電粒子ビームを周回および加速して出射する粒子加速器であって、前記周回軌道から離間する方向へ前記荷電粒子ビームを偏向させる前段出射デフレクタと、前記離間する方向へ偏向させた荷電粒子ビームを前記周回軌道へ近づく方向へ偏向させる中段出射デフレクタと、前記近づく方向へ偏向させた荷電粒子ビームをさらに偏向させる後段出射デフレクタとを備え、前記中段出射デフレクタと前記後段出射デフレクタの間には、前記偏向電磁石が少なくとも１つ備えられ、前記前段出射デフレクタと前記中段出射デフレクタは、１つの真空容器内に収容されている粒子加速器、粒子線治療装置、および荷電粒子ビーム出射方法であることを特徴とする。

この発明により、加速された荷電粒子ビームを周回させながら出射可能な小型の粒子加速器、これを用いた粒子線治療装置、および荷電粒子ビーム出射方法を提供することができる。

粒子線治療装置の概略構成を示す平面図。前段出射デフレクタと中段出射デフレクタの拡大平面図。前段出射デフレクタから後段出射デフレクタまでの拡大平面図。出射ビームの遮断構造を示す中段出射デフレクタ周辺の拡大平面図。

以下、本発明の一実施形態を図面と共に説明する。

図１は、粒子線治療装置１の概略構成を示す平面図である。
粒子線治療装置１は、荷電粒子ビームを入射する入射器１０と、入射器１０から入射ビームライン１１を通じて入射した荷電粒子ビームを加速する粒子加速器２０（シンクロトロン）と、粒子加速器２０から出射して出射ビームライン３０上で荷電粒子ビームをモニタするビームモニタ３０ａと、出射ビームライン３０から出射された荷電粒子ビームを治療室内の患者の標的部位に照射するため照射装置３１と、入射器１０及び粒子加速器２０を制御する加速器制御装置４０と、照射装置３１を制御する照射制御装置４１を有している。

入射器１０は、イオン源（図示せず）と線形加速器（図示せず）がこの順で配置されて構成されている。
入射器１０内のイオン源は、中性ガスに高速の電子を衝突させるなどしてイオンを生成し、線形加速器にて粒子加速器２０で加速可能な状態に加速する。イオン化される原子、粒子としては、例えば、水素、ヘリウム、炭素、窒素、酸素、ネオン、シリコン、アルゴンなどがある。

入射器１０内の線形加速器は、イオン源から供給される荷電粒子を所定のエネルギーまで加速して、粒子加速器２０に供給する。線形加速器としては、例えば、高周波の４極電場によって荷電粒子の加速と集束を行うＲＦＱライナックやドリフトチューブライナックが用いられる。線形加速器によって、荷電粒子は、例えば、核子あたり数ＭｅＶ程度のエネルギーに加速される。
入射器１０は、このようにして取り出し加速した荷電粒子ビームを出射し、入射ビームライン１１を通じて粒子加速器２０に入射させる。

粒子加速器２０は、入射器１０で加速されてから入射ビームライン１１で輸送される荷電粒子ビームを粒子加速器２０に入射するための入射用装置２３と、粒子加速器２０内を周回する荷電粒子ビ一ムを高エネルギーまで加速する高周波加速空洞２４と、荷電粒子ビームを収束する四極電磁石２２と、荷電粒子ビームを周回方向（周回軌道に沿った方向）に偏向する偏向電磁石２１と、色収差の補正や共鳴による遅い取り出しを行うための六極電磁石２５と、遅い取り出しのために周回する荷電粒子ビームを励振する高周波電場装置２６と、真空容器２７ｃ内に設けられた前段出射デフレクタ２７及び中段出射デフレクタ２８と、後段出射デフレクタ２９とを有している。

これらの機器は、粒子加速器２０に設けられた加速器制御装置４０により制御される。すなわち、粒子加速器２０は、加速器制御装置４０の制御により、入射用装置２３にて入射を受け入れた荷電粒子ビームを、偏向電磁石２１により偏向させ四極電磁石２２により収束させて周回軌道上を周回させ、高周波加速空洞２４により高エネルギーまで加速し、六極電磁石２５により色収差の補正や共鳴による遅い取り出しを行い、高周波電場装置２６により遅い取り出しのために周回する荷電粒子ビームを励振して、前段出射デフレクタ２７、中段出射デフレクタ２８及び後段出射デフレクタ２９により出射する。

また、加速器制御装置４０と照射制御装置４１は、それぞれ出射防止機能部４０ａ，４１ａを備えている。出射防止機能部４０ａ，４１ａは、中段出射デフレクタ２８に対して生成磁場を下げる指令を出して荷電粒子ビームを遮断して即座に出射防止する機能を有している。これらの加速器制御装置４０と照射制御装置４１は、記憶媒体内に記憶されているプログラムによって制御されて動作する。

高周波加速空洞２４は、内部に設けられる加速ギャップ（図示せず）の間に発生する電界によって、粒子加速器２０の周回軌道を周回する荷電粒子ビームを加速するものである。高周波加速空洞２４において、加速ギャップの間（図１に示す右から左）を通る荷電粒子ビームは、正のエネルギーゲインを得られる位相で高周波電界が印加されて加速され、周回毎にエネルギーが増加していく。また、出射ビーム（出射荷電粒子ビーム）の出射終了後、加速ギャップの間で発生する電界の位相を逆にすることによって、荷電粒子ビームを減速し放射線の発生を抑制する。

前段出射デフレクタ２７は、静電デフレクタにより構成されている。
中段出射デフレクタ２８及び後段出射デフレクタ２９は、セプタム電磁石により構成されている。

粒子加速器２０において、荷電粒子ビームは、所定のエネルギー、例えば核子あたり数百ＭｅＶのエネルギーまで加速される。この際、偏向電磁石２１、四極電磁石２２、六極電磁石２５、及び高周波電場装置２６は、高周波加速空洞２４における加速または減速に同期して、加速または減速された荷電粒子ビームのエネルギーに応じて、荷電粒子ビームが粒子加速器２０の周回軌道に沿った軌道を描くように磁場強度が加速器制御装置４０により制御される。

周回軌道上で所定のエネルギーに加速された荷電粒子ビームは、前段出射デフレクタ２７と中段出射デフレクタ２８と後段出射デフレクタ２９とによって、その軌道を偏向されて、粒子加速器２０から出射され、出射ビームとして出射ビームライン３０に取り出される。

図２は、前段出射デフレクタ２７と中段出射デフレクタ２８の周辺の概略構成を示す拡大平面図である。この図２に、周回荷電粒子ビーム６の周回軌道である周回ビーム軌道５０、および出射ビームの出射ビーム軌道５１を模式的に示す。

前段出射デフレクタ２７と中段出射デフレクタ２８は、同一の（１つの）真空容器２７ｃ内に設けられている。真空容器２７ｃは、荷電粒子ビームの軌道方向である前後端に真空フランジ２８ａがそれぞれ設けられている。上流側（荷電粒子ビームの入射側）の真空フランジ２８ａは、六極電磁石２５（図１参照）の真空フランジ（図示省略）に接続されている。下流側（荷電粒子ビームの出射側）の真空フランジ２８ａは、偏向電磁石２１の真空フランジ２１ａに接続されている。

前段出射デフレクタ２７は、薄いセプタム電極２７ａと高圧電極２７ｂが真空容器２７ｃ内に設置された構造となっている。薄いセプタム電極２７ａは、周回荷電粒子ビーム６の軌道方向に沿って、周回荷電粒子ビーム６が周回する方向を基準にして当該周回荷電粒子ビーム６の内側周辺に配置されており、周回荷電粒子ビーム６の進行方向（入射側から出射側）へ進むにつれて周回荷電粒子ビーム６から離間する方向へ湾曲した形状の薄い板状に形成および配置されている。高圧電極２７ｂは、薄いセプタム電極２７ａとほぼ同じ大きさおよび同じ面積でセプタム電極２７ａより厚い湾曲した板状に形成され、薄いセプタム電極２７ａとほぼ平行で、薄いセプタム電極２７ａよりも周回荷電粒子ビーム６から遠い側に配置されている。
換言すると、高圧電極２７ｂは、セプタム電極２７aの幅広面であって、周回荷電粒子ビーム６から遠い側の面に対向して配置される。高圧電極２７ｂの形状は、例えば、高圧電極２７ｂのセプタム電極２７aに対向する面がセプタム電極２７aと略同じ面積および略同じ大きさであり、かつ、セプタム電極２７aより厚い板状であり得る。このとき、高圧電極２７bとセプタム電極２７aの離間距離（電極ギャップ幅９１）が略一定となるように、すなわち、高圧電極２７bとセプタム電極２７aがほぼ平行となるように、高圧電極２７bはセプタム電極２７aに沿うように湾曲した形状に形成される。

薄いセプタム電極２７ａと高圧電極２７ｂの間の電極ギャップ幅９１は、１０ｍｍ以上２０ｍｍ未満に構成されている。この前段出射デフレクタ２７は、電極ギャップに静電場を生成するための高電圧が印加される。前段出射デフレクタ２７からの出射ビームは、電極ギャップで静電場による力を受けて、周回荷電粒子ビーム６から遠ざかる方向に曲げられる。即ち、出射ビームが前段出射デフレクタ２７を通過すると、電極ギャップで静電場による力を受けて、出射ビームの軌道（出射ビーム軌道５１）が周回荷電粒子ビーム６から遠ざかる方向に曲げられる。

前段出射デフレクタ２７の下流（荷電粒子ビームの出射側）には、周回ビーム軌道５０と前段出射デフレクタ２７の距離と同程度の距離を周回ビーム軌道５０から離間させた位置で、前段出射デフレクタ２７からギャップ９４の距離を開けて中段出射デフレクタ２８が設けられている。前段出射デフレクタ２７と中段出射デフレクタ２８の間には、通過する荷電粒子ビームの出射ビーム軌道５１と平面が交差する静電シールド２７ｄが設けられている。

前段出射デフレクタ２７と静電シールド２７ｄの間のギャップ９２は、１０ｍｍ～３０ｍｍとすることができ、この実施例では２０ｍｍ程度に構成されている。静電シールド２７ｄと中段出射デフレクタ２８の間のギャップ９３は、１０ｍｍ～４０ｍｍとすることができ、２０ｍｍ～３０ｍｍが好ましく、この実施例では３０ｍｍ程度に構成されている。前段出射デフレクタ２７と中段出射デフレクタ２８とは、互いの間の距離を、前段出射デフレクタ２７の高圧電極２７ｂと薄いセプタム電極２７ａとの間の電極ギャップ幅９１よりも、大きくして配置されている。具体的には、前段出射デフレクタ２７と中段出射デフレクタ２８とは、互いの間の距離を例えば１５０ｍｍ（１５ｃｍ）以下にして配置されている。前段出射デフレクタ２７と中段出射デフレクタ２８のとの隙間の距離であるギャップ９４は、例示したように、１５０ｍｍ以下とすることができ、さらには、１００ｍｍ以下とすることが好ましく、この実施例では５０ｍｍ程度に構成されている。前段出射デフレクタ２７と中段出射デフレクタ２８との距離（ギャップ９４）の下限は特に限定されないが、例えば１０ｍｍ以上、好ましくは２０ｍｍ以上とすることができる。

中段出射デフレクタ２８は、セプタム電磁石であり、磁極長９５（出射ビーム軌道５１と平行方向の長さ）が２００ｍｍ程度に構成されている。すなわち、中段出射デフレクタ２８は、できるだけ前段出射デフレクタ２７に近づけ、かつ、真空環境内に設置されている。

中段出射デフレクタ２８の位置において、周回荷電粒子ビーム６と出射ビームの間にはセプタムコイル２８ｃと両ビームの間を仕切る略板状の磁気シールド（図示省略）しかなく、出射ビームの周辺に真空ダクトもないため、鉄心の磁極ギャップを小さくすることが可能であり、電流密度と生成磁場強度を保ちながらセプタムコイル２８ｃの厚みを薄くできる。このため、中段出射デフレクタ２８位置で周回荷電粒子ビーム６と出射ビームの分離距離が非常に小さくても、出射ビームをロスすることなく中段出射デフレクタ２８のアパーチャを通過させることができる。したがって、出射ビーム軌道５１の荷電粒子ビームを必要な方向へ必要なだけ偏向させるために必要な励磁量が小さくてすみ、中段出射デフレクタ２８及びこれを収容する真空容器２７ｃを小型化できる。

中段出射デフレクタ２８は、前段出射デフレクタ２７とは逆方向に出射ビームを曲げる。中段出射デフレクタ２８は、高圧電極２７ｂの放電を避けるために、前段出射デフレクタ２７の電極ギャップ幅よりも高圧電極２７ｂから離して配置されている。即ち、中段出射デフレクタ２８と高圧電極２７ｂとの距離が、前段出射デフレクタ２７の電極ギャップ幅９１よりも大きくなるように、中段出射デフレクタ２８が配置される。また、前段出射デフレクタ２７と中段出射デフレクタ２８の間に静電シールド２７ｄを設けることで、より安定に高圧電極２７ｂの放電を避けつつ、前段出射デフレクタ２７と中段出射デフレクタ２８を近接して配置することが可能となっている。

なお、中段出射デフレクタ２８のセプタムコイル２８ｃは、板状の導体であってもよい。セプタム電磁石である中段出射デフレクタ２８は、放出ガスが多く、真空容器２７ｃ内の真空度を悪化させてしまうため、静電デフレクタである前段出射デフレクタ２７の放電の原因となる。そのため、前段出射デフレクタ２７と中段出射デフレクタ２８を一緒に収める真空容器２７ｃには複数の吸引孔３を設け、それぞれに真空ポンプ４を設けることで複数台の真空ポンプ４にて真空にすることが好ましい。この真空ポンプ４としては、特にイオンポンプを取り付けるとよい。

図３は、前段出射デフレクタ２７と中段出射デフレクタ２８と後段出射デフレクタ２９による出射ビームの出射ビーム軌道５１と周回荷電粒子ビーム６の周回ビーム軌道５０を示す拡大平面図である。図示するように、中段出射デフレクタ２８と後段出射デフレクタ２９の間には、収束要素となる偏向電磁石２１及び四極電磁石２２が配置されている。

前段出射デフレクタ２７で周回ビーム軌道５０から離間する方向へ曲げられた後に中段出射デフレクタ２８で周回ビーム軌道５０へ近づく方向（交差する方向）へ曲げられた出射ビーム軌道５１は、下流の偏向電磁石２１に入り、周回ビーム軌道５０と交差するように偏向電磁石２１内部を通過し、前段出射デフレクタ２７出口での出射ビーム軌道５１の変位とは逆符号側に至る。

なお、偏向電磁石２１は機能結合型電磁石でもよく、また、電磁石端部にエッジ角があってもよい。また、偏向電磁石２１は、中段出射デフレクタ２８と後段出射デフレクタ２９との間に少なくとも１つ以上備えられている。この１つ以上備えられる偏向電磁石２１は、合計した偏向角度が６０度以上９０度以下になるように構成されている。ここで、中段出射デフレクタ２８と後段出射デフレクタ２９の間の偏向電磁石２１の偏向角が６０度以上、特に９０度の場合、偏向電磁石２１が強い収束要素として働くようになる。このため、より効果的に出射ビームを周回ビームから短距離で十分に離間させて出射することができる。

偏向電磁石２１を抜けた出射ビーム軌道５１はさらに下流の四極電磁石２２を通過し、周回ビーム軌道５０と十分に分離された位置で、後段出射デフレクタ２９により粒子加速器２０の外に取り出される。後段出射デフレクタ２９は、ランバートソン型電磁石としてもよい。

図４は、出射ビームの遮断構造を説明する中段出射デフレクタ２８周辺の拡大平面図である。中段出射デフレクタ２８の下流には、出射ビーム軌道５１より周回ビーム軌道５０の外側で、中段出射デフレクタ２８の生成磁場を下げた際に荷電粒子ビームが通過する位置に、ビームモニタ５２ａを配置し、さらにその下流で荷電粒子ビームが届く位置にビームダンプ５２ｂを配置している。これにより、荷電粒子ビームを遮断でき、遮断している荷電粒子ビームの位置や大きさ等をモニタリングすることができる。ビームモニタ５２ａとビームダンプ５２ｂは、出射ビーム軌道５１よりも外側の遮断ビーム軌道５２上に配置されるため、周回ビーム軌道５０を通過する荷電粒子ビームを阻害することはない。

加速器制御装置４０や照射制御装置４１が機器やビームの異常を検知した場合には、加速器制御装置４０または照射制御装置４１が指令を出して中段出射デフレクタ２８の生成磁場を下げる。これにより、速やかに出射ビーム軌道５１を変え、粒子加速器２０からビームが出射されることを防ぐことができる。従って、なんらかの異常が生じた場合など、荷電粒子ビームの照射を停止したい場合に、簡単な操作で即座に出射を停止することができる。

また、遮断ビーム軌道５２の先にビームモニタ５２ａやビームダンプ５２ｂを配置することで、遮断されたビームの強度やサイズなどの情報を取得することもできる。

またこれにより、例えば粒子加速器２０から出射ビームを取り出して出射ビームライン３０にあるビームモニタ３０ａで測定するといった構成を用いなくても、粒子加速器２０の内部で中段出射デフレクタ２８の生成磁場を変更し、遮断ビームをビームモニタ５２ａで測定することで、出射ビ一ムを測定することと同等の情報を得ることができる。そうすれば、照射を行う前に、粒子加速器２０単独で出射ビームの健全性を遮断ビームで模擬して確認することもできる。そして、出射ビームライン３０の構成機器を減らすことができるため、出射ビームライン３０を短縮化して粒子線治療装置１を小型化することもできる。

以上の構成および動作により、粒子線治療装置１は、前段出射デフレクタ２７と中段出射デフレクタ２８を同一の真空容器２７ｃの内部に近接して配置することで粒子加速器２０（シンクロトロン）の長直線部を短縮化し、粒子加速器２０全体を小型化することができる。

すなわち、前段出射デフレクタ２７と中段出射デフレクタ２８を同一の真空容器２７ｃ内に入れることで、機器間に真空ダクトや真空フランジを挟まない構造（つまり、例えば前段出射デフレクタ２７を収容する真空容器と中段出射デフレクタ２８を収容する真空容器を真空フランジ等で接続するという必要のない構造）を実現できる。また、周回ビームと出射ビームの間の真空ダクトも不要なため、中段出射デフレクタ２８位置で必要な周回ビームと出射ビームの分離距離を非常に小さくできる。これにより、前段出射デフレクタ２７と中段出射デフレクタ２８を近接した配置が可能となり、長直線部を従来以上に短縮することでシンクロトロンの小型化を実現できる。

特に、真空容器２７ｃ内に本来であれば設置したくない中段出射デフレクタ２８をあえて真空容器２７ｃ内に入れて設置することで、小型化を実現できる。すなわち、真空容器２７ｃ等に電磁石を設置すると、放出ガスによって真空容器２７ｃ内の真空度が低下し、真空度が低下すると荷電粒子ビームが放出ガスとの荷電変換や多重散乱を起こして粒子加速器２０内で長時間周回させることが困難になる。しかしながら、このような技術的疎外要因があるにもかかわらず、真空容器２７ｃ内に前段出射デフレクタ２７や中段出射デフレクタ２８を設置し、電磁石の発生する放出ガスを排出できるように真空ポンプ４を２つ接続して真空度を確保することで、小型化を実現することができる。

また、中段出射デフレクタ２８で曲げられた出射ビームは下流の偏向電磁石２１に入り、周回ビームと交差するように周回軌道中心付近を通過し、前段出射デフレクタ２７出口での出射ビーム変位とは逆符号側に至る。出射ビームは偏向電磁石２１内部で周回軌道中心付近を通過するため、その間に収束要素があっても出射ビームが受ける収束力は弱くなり、周回ビームとの分離が阻害されない。そうして出射ビームと周回ビームが十分に分離できる位置に配置された後段出射デフレクタ２９により、粒子加速器２０から出射ビームをロスなく取り出すことができる。

また、前段出射デフレクタ２７と中段出射デフレクタ２８を同一の真空容器２７ｃ内に入れることで、前段出射デフレクタ２７と中段出射デフレクタ２８の間に真空ダクトや真空フランジをはさまない構造を実現し、また、周回ビームと出射ビームの間の真空ダクトも不要なため、中段出射デフレクタ２８位置で必要な周回ビームと出射ビームの分離距離を非常に小さくできる。その結果、前段出射デフレクタ２７と中段出射デフレクタ２８を近接した配置が可能となり、長直線部を従来以上に短縮することで粒子加速器２０の小型化を実現できる。

また、前段出射デフレクタ２７と中段出射デフレクタ２８の間に静電シールド２７ｄを設けたことにより、前段出射デフレクタ２７と中段出射デフレクタ２８の間の距離を短くした際に前段出射デフレクタ２７の電極から放電してしまうといったことを防止できる。また、中段出射デフレクタ２８を前段出射デフレクタ２７に近づけることができることによって、中段出射デフレクタ２８が必要とする電磁力を小さくでき、これによって中段出射デフレクタ２８のコイルを薄くすることができ、これによってさらに中段出射デフレクタ２８を静電シールド２７ｄに近づけることができる。これによって、中段出射デフレクタ２８が出射ビーム軌道５１を曲げ戻す力が小さくて済むようになる。

また、この機構を出射ビームの高速遮断システムに応用することで出射ビームラインを短縮することも可能であり、結果として、粒子線治療装置１全体を小型化することも可能となる。

つまり、中段出射デフレクタ２８の生成磁場を下げることで荷電粒子ビームを遮断できるため、緊急時のときに荷電粒子ビームを即座に遮断して標的部位等に照射されない状態とすることができる。特に、中段出射デフレクタ２８の生成磁場を上げる方向ではなく下げる（停止も含む）ことで遮断できるため、どこかに不具合が生じているような場合（例えば生成磁場を上げられない場合など）でも問題なく荷電粒子ビームの高速遮断を実行することができる。

このようにして、本発明を超電導電磁石と組み合わせて重粒子線治療用のシンクロトロン設計に用いた場合、従来の重粒子線治療用シンクロトロンに比べて、シンクロトロンの周長を１／２程度、シンクロトロン装置面積を１／４程度に縮小が可能となる。

なお、本発明は、上述した実施例に限らず、様々な形態をとることができる。
例えば、上述した実施例では、中段出射デフレクタ２８と後段出射デフレクタ２９の間に１台の偏向電磁石２１と１台の四極電磁石２２を配置したが、２台以上の偏向電磁石２１や四極電磁石２２を組み合わせて配置してもよい。この場合も同様の作用効果を得られる。

また、上述した実施例では、前段出射デフレクタ２７と中段出射デフレクタ２８を粒子加速器２０の内側に、後段出射デフレクタ２９を粒子加速器２０の外側にそれぞれ配置したが、それらの内外の配置を互いに逆にしてもよい。この場合も上述した実施例と同様の効果を得られる。

この発明は、粒子加速器、特にシンクロトロンを用いる産業に利用することができる。

１…粒子線治療装置
６…周回荷電粒子ビーム
１０…入射器
１１…入射ビームライン
２０…粒子加速器
２１…偏向電磁石
２１ａ，２８ａ…真空フランジ
２２…四極電磁石
２３…入射用装置
２４…高周波加速空洞
２５…六極電磁石
２６…高周波電場装置
２７…前段出射デフレクタ
２７ａ…セプタム電極
２７ｂ…高圧電極
２７ｃ…真空容器
２７ｄ…静電シールド
２８…中段出射デフレクタ
２８ｃ…セプタムコイル
２９…後段出射デフレクタ
３０…出射ビームライン
３０ａ…ビームモニタ
３１…照射装置
４０…加速器制御装置
４０ａ，４１ａ…出射防止機能部
４１…照射制御装置
５０…周回ビーム軌道
５１…出射ビーム軌道
５２…遮断ビーム軌道
５２ａ…ビームモニタ
５２ｂ…ビームダンプ
９１…電極ギャップ幅
９２、９３、９４…ギャップ
９５…磁極長

Claims

荷電粒子ビームを周回軌道に沿った方向へ偏向させる複数の偏向電磁石を有して前記荷電粒子ビームを周回および加速して出射する粒子加速器であって、前記周回軌道から離間する方向へ前記荷電粒子ビームを偏向させる前段出射デフレクタと、前記離間する方向へ偏向させた荷電粒子ビームを前記周回軌道へ近づく方向へ偏向させる中段出射デフレクタと、前記近づく方向へ偏向させた荷電粒子ビームをさらに偏向させる後段出射デフレクタとを備えた粒子加速器と、
前記粒子加速器に荷電粒子ビームを供給する入射器と、
前記入射器と前記粒子加速器を制御する加速器制御装置と、
前記後段出射デフレクタから出射される荷電粒子ビームを治療室に輸送する出射ビームラインと、
前記輸送された荷電粒子ビームを標的部位に照射する照射装置と、
前記前段出射デフレクタから前記中段出射デフレクタへ入射される荷電粒子ビームが前記後段出射デフレクタから出射されないように前記中段出射デフレクタの生成磁場を低下させて出射防止する出射防止機能部とを備え、
前記中段出射デフレクタと前記後段出射デフレクタの間には、前記偏向電磁石が少なくとも１つ備えられ、
前記前段出射デフレクタと前記中段出射デフレクタは、１つの真空容器内に収容されている
粒子線治療装置。
前記少なくとも１つ備えられた偏向電磁石は、合計した偏向角度が６０度以上９０度以下になるように構成されている
請求項１記載の粒子線治療装置。
前記前段出射デフレクタと前記中段出射デフレクタとは、互いの間の距離を１５ｃｍ以下にして配置されている
請求項１または２記載の粒子線治療装置。
前記前段出射デフレクタは、高圧電極と前記高圧電極よりも薄い電極とを有する静電デフレクタで構成され、
前記中段出射デフレクタは、電磁石によって構成され、
前記前段出射デフレクタと前記中段出射デフレクタとは、互いの間の距離を、前記高圧電極と前記薄い電極との間の電極ギャップ幅よりも、大きくして配置されている
請求項１、２、または３記載の粒子線治療装置。
前記前段出射デフレクタと前記中段出射デフレクタの間に、静電シールドを配置した
請求項１から４のいずれか１つに記載の粒子線治療装置。
前記前段出射デフレクタと前記中段出射デフレクタを収容している前記真空容器は、２台以上の真空ポンプが接続されている
請求項１から５のいずれか１つに記載の粒子線治療装置。
前記中段出射デフレクタの生成磁場を低下させることによって出射軌道の変化した荷電粒子ビームを遮断するビームダンプを前記粒子加速器内に備えた
請求項１から６のいずれか１つに記載の粒子線治療装置。
前記生成磁場を低下させた中段出射デフレクタから出射した荷電粒子ビームを検出するビームモニタを前記粒子加速器内に備えた
請求項１から７のいずれか１つに記載の粒子線治療装置。
荷電粒子ビームを周回軌道に沿った方向へ偏向させる複数の偏向電磁石を有して前記荷電粒子ビームを周回および加速して出射する粒子加速器を備え、
前記粒子加速器は、
前記周回軌道から離間する方向へ前記荷電粒子ビームを偏向させる前段出射デフレクタと、
前記離間する方向へ偏向させた荷電粒子ビームを所定の方向へ偏向させる中段出射デフレクタと、
前記所定の方向へ偏向させた荷電粒子ビームをさらに偏向させる後段出射デフレクタと、
を含み、
前記粒子加速器に荷電粒子ビームを供給する入射器と、
前記入射器と前記粒子加速器を制御する加速器制御装置と、
前記後段出射デフレクタから出射される荷電粒子ビームを治療室に輸送する出射ビームラインと、
前記輸送された荷電粒子ビームを標的部位に照射する照射装置と、
前記前段出射デフレクタから前記中段出射デフレクタへ入射される荷電粒子ビームが前記後段出射デフレクタから出射されないように前記中段出射デフレクタの生成磁場を低下させて出射防止する出射防止機能部と、
を備えた粒子線治療装置。
前記所定の方向は、前記周回軌道へ近づく方向である
請求項９に記載の粒子線治療装置。