JPH01319298A - 荷電粒子ビームの加速及び輸送装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、荷電粒子ビームの加速及び輸送装置に関す
る。特にこの発明は、放射線治療で用いられる電子直線
加速装置に関する。

〔従来の技術〕

典型的な直線加速装置は垂直な台架とこの台架により支
持された門形フレームとを備えるので、この装置は水平
な軸線（共有中心）を中心として回転することができる
０円形フレームは水平に延ヒル二つのアームを有し、一
方のアームは電子源と加速装置とを収容し、またこのア
ームの外端部にビーム偏向磁石装置といわゆる「下側治
療ヘッド」とを収容し、下側治療ヘッドは偏向されたビ
ームを最純的な治療ビームへ変換するための種々の要素
を収容する。そして治療ビームは共有中心を通って他方
のアームの外端部に取り付けられたビーム検出器へ投射
され、他方のアームはまた門形フレーム軸受の釣合いの
ための釣合いおもりを支持する。

一般的に幾つかの磁極、コイル及び磁束帰還要素により
囲まれた真空密なビーム外被から成る偏向装置は、種々
のエネルギーと軌跡とを宥する入射粒子を密な平行ビー
ムへ変換するばかりでなく、低い共有中心と円形フレー
ム軸受での低減されたトルクとを与えるようにも設計さ
れるべきである。

良好な電気−光学的特性を得るために、電子ビームを２
７０°偏向する複数の磁石装置が開発された。これらの
磁石装置は、幾つかの例が「メディカル　フィジックス
（ＭｅｄｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ　）　Ｊ　、第１１巻
（１９８４年）、第１０５〜１２８ページ、特に第Ｖ　
、ＤＩ！Ｈに記！されており、適度に低い共有中心を有
するがしかし比較的重くかつ寸法が大きい、更にこれら
の磁石装置は機械的に複雑である。なぜならば、外被の
中の約１０−９トルの非常に高い真空度を維持し、かつ
出射窓の中の熱応力を避けるために、特殊な手段を講じ
なければならないからである（例えばアメリカ合衆国特
許ｉ　４２９３７７２号明細書参照）。

［発明が解決しようとする課題］ この発明は、良好なビーム輸送特性を有しそれにもかか
わらず小形で軽い荷電粒子ビームの加速及び輸送装置を
提供することを目的とする。

この発明の別の目的は、直線加速装置が一層低い共有中
心を持つことができるようにする荷電粒子ビームの加速
及び輸送装置を提供することである。

この発明の更に別の目的は、構造が簡単であり特にビー
ム窓を過熱から防ぐために特殊な手段を必要としない荷
電粒子ビームの加速及び輸送装置を提供することである
。

この発明のまた更に別の目的は、従来の荷電粒子ビーム
の加速及び輸送装置を改良することである。

［課題を解決するための手段］ この発明は、高エネルギーすなわちＭ　ｅ　Ｖ　範囲の
エネルギーを有する荷電粒子ビームの加速及び輸送装置
に対するものである。この発明に基づくかかる装置は加
速装置とビームの偏向のための磁石装置とを支持するハ
ウジングを有する。加速装置は第１の真空引きされた空
間を囲む第１の外被を有する。加速装置は荷電粒子を第
１の真空引きされた空間の中で加速し、荷電粒子を第１
のビーム軸線に沿って出射する。磁石装置は第２の真空
引きされた空間を囲む第２の外被を有する。磁石装置は
出射されたビームを第２の真空引きされた空間の中で偏
向路に沿って輸送し、ビームを第２のビーム軸線に沿っ
て出射する。真空引きされた同空間は相互に分離されて
いる。加速装置と磁石袋ことは、第２の外被が第１のビ
ーム軸線に関して角度を変えることができるように取り
付けられている。

［作用効果］ この発明は次の観察に由来する。すなわち従来の装置で
は加速器と偏向磁石との両方の外被が単一の真空系を形
成する。従って加速器と偏向磁石とは真空密な形で相互
に強固に結合されている。実際上かかる結合部、通常溶
接継手は、磁石の中の外被が常に正確に第１のビーム軸
線に心合わせされていることを保証するほど十分正確に
構成することはできない、従ってこの外被は比較的幅が
広くかつ向かい合う磁極の間に付加的な余裕が与えられ
るので、たとえこの外被に心ずれ及び／又はひずみがあ
っても、偏向装置を注入されたビームに関して正確に方
向づけることができる。その結果組立体全体は寸法が過
大でかつ重くなる。なぜならば組立体は必要な磁界を形
成するために強力な磁石を持たなければならないからで
ある。しかしながらこの発明によれば、ビーム偏向装置
は加速装置から機械的に結合を外され、磁石装置はまず
前組立され（そして内部で心合わせされ）、続いて両ビ
ーム軸線に関して心合わせされる。こうして向かい合う
磁極の間の隙間を、これらの磁極がそれ自体で磁石部外
被の側壁を形成する程度まで、小さく保つことができる
。その結果継鉄を含むすべての部品を一層小さくかつ軽
くすることができ、それにより（第２のビーム軸線に沿
った延長部を含み）全体の容積と重量と磁石装置の電力
消費量とが著しく減少する。

窓取り付は部は真空密である必要がなく、どの窓もビー
ムが非常に小さい直径を有する個所すなわち窓が局部的
な過熱にさらされる個所に置く必要がないゆえに、この
発明は比較的単純である。

ビームが下側放射線治療ヘッドに入射する前に、ビーム
は比較的長い真空引きされていない区間を通過するけれ
ど、この発明のビーム操縦特性は良好である。これは磁
石装置が磁石装置に入射するすべての荷電粒子を、ビー
ム軸線から成る角度ずれ及び横方向ずれ以内に、また中
央値を中心とする成るエネルギー範囲以内に導きかつ閉
じ込めるからである。ビームが加速装置と磁石との間の
経路上で広げられていても、偏向装置は実際上すべての
荷電粒子を受は入れるように作ることができる。そして
−たび粒子が偏向装置に入射すると、たとえビームが磁
石装置から離れるよりも幾分早く真空引きされた空間か
ら出射されなければならない場合でも１粒子は適当に集
束される。

この発明に基づく装置は別の意外な長所を有する。すな
わち溶接個所を無くしたことにより電子源の耐用年数が
助長される。従来の装置では、加速部外波と磁石部外被
とが前に述べたように一体に溶接されている。この溶接
継目は捕えられた炭素原子を含み、この炭素原子は加速
器の高周波電界によりまた迷走するビーム電子により徐
々に解放される。解放された炭素原子は容易にイオン化
され、結局は電子陰極を損なう暗電流の一因となる。し
かしながらこの発明に基づく装置では、ビーム源を劣化
させない技術と材料とを用いて加速装置を溶接せずに封
止することができる。

［実施態様］ この発明の有利な実施態様では、ビーム偏向装置がビー
ムを２７０’偏向し、第１の真空引きされた空間がビー
ム出射窓により封止され、第２の真空引きされた空間が
ビーム入射窓及びビーム出射窓により封止される。更に
、偏向されたビームは、第１の真空引きされた空間のビ
ーム出射窓と第２の真空引きされた空間のビーム入射窓
との間で、第１のビーム軸線を横切る。

この発明の別の有利な実施態様によれば、磁石装置のビ
ーム出射窓は真空引きされた空間を封止するばかりでな
く、エネルギー選別フィルタとしても働くように設計か
つ配置されている０例えば前記論文第Ｖ、Ｆ節に記載さ
れているかかるフィルタは、中心軌道からの粒子軌跡の
半径方向ずれが粒子運動量の所定の値からの偏差に一致
するような個所に設けられた二つの羽根により形成され
ている。これらの羽根はビームの中に突入し、外側のビ
ーム部分を遮ることにより、呼び値を中心とする成る範
囲以内のエネルギーを有する粒子だけを通過させる。フ
ィルタのそばではビームは特に幅が広いので、窓は熱的
に過負荷を受けるおそれはない。

この発明の更に別の実施態様によれば、第２の真空引き
れた空間は荷電粒子に対する有効断面積が空気のそれよ
り小さいガスを充填されている。かかるガスの充填によ
り、装置の全体的な電気−光学的特性を損なうことなく
比較的緩い真空の採用が考慮される。もし電子を輸送し
ようとするならば、充填は１０−２トルを超える圧力の
ヘリウムが有利である。

この発明の特別な実施態様によれば、治療ビームを第１
のビーム軸線を中心としてこの軸線に垂直な平面上で旋
回できるように支えられた磁石袋はの中でビームが２７
０°偏向される。かかるビームの動きは成る種の治療に
対して、例えば患者の胸郭壁を照射しようとするときに
望ましい。

［実施例］ 次にこの発明に基づく荷電粒子ビームの加速及び輸送装
置の複数の実施例を示す図面により、この発明の詳細な
説明する。

第６図は従来の直線加速装置から、加速導波装置ｌの端
部と外被２と磁極３．４を備えた磁石装置とコイルユニ
ット５と磁束帰遺のための継鉄とを示す０作動時にパル
ス状の電子ビーム６が陰極（図示されていない）により
導波装置１の中に注入され、そして（約１０ＭｅＶに）
加速され、最後に水平に延びる第１のビーム軸線７に沿
って外被２の中へ放射される。磁石装置の中では電子は
磁界にさらされ、この磁界が電子軌道を２７０゜偏向す
る。磁石装置を通る経路上でビームは二つの羽根８．９
を備えたエネルギー選別フィルタを通過し、そして第２
のビーム軸線１１に沿って窓１０を通り外被２から出て
共有中心の方へ進む。

゛　外被２は導波装置１に溶接されているので、導波装
置の加速部と外被２の内部とは一つの共通な真空系を形
成する。加速部は高真空を要求するので、この真空系の
中の空気圧力は１０−９トル程度の大きさである。心ず
れを調整するために、外被２は偏向面を横切って約９ｍ
ｍの幅を有し、また相対する磁極は約２０ｍｍｇｌ１れ
ている。

第１図ないし第３図はそれぞれ、この発明に基づく装置
の第１の実施例の縦断面図、左側面図及び平面図を示す
、ここでも電子ビーム６が導波装置ｌの中で加速され、
磁石装置の中で２７０゜偏向される。磁石装置は二つの
磁極１２．１３と、二つの部分１６．１７から成る金属
製のリムにより間隔を離された二つのコイルユニット１
４．１５と、帰磁路を提供する継鉄とを有する。この継
鉄はボルトで締め合わされた二つの半部１８．１９から
成る。

コイルからの熱を排除するために、これらの巻線は管２
０．２１を経て送られる冷却液にさらされる、各コイル
は導線２２．２３を経て電流源（図示されていない）に
接続され、かつねじ２４．２５により継鉄に取り付けら
れている。継鉄はコイルを保持するばかりでなく金属リ
ムをねじ２６により保持し、リムの各部分１６．１７は
ボルト２７により相互に結合されている。

各磁極１２．１３は文字りに似た断面を有する（第１図
参照）、磁極１２．１３が相互に向かい合う所では、こ
れらの磁極は領域２８．２９を除き偏向面（ここでは第
１図の紙面）に平行な平行表面を有する。その個所の磁
界を修正するために、領域２８では磁極１２．１３が傾
けられ、領域２９では磁極１２．１３がへこまされてい
る。

磁極１２又は１３の間に、入射窓３１と出射窓３２と外
側リム３３と内側リム３４と両磁極１２．１３とにより
結合形成された真空密な外被３０が設けられている。こ
の外被は二つの羽根３５．３６を有するエネルギー選別
スリットを備え、１０−２トルの圧力でヘリウムを充填
されている。

６窓３１．３２はアルミニウムを被覆されたＢｅ０円板
から成るのが有利であり、この円板は高エネルギー電子
を透過しまた著しく耐熱性である。

窓の数を減らしそれにより構造を簡単化するために外被
の形は同一の窓が電子ビーム６の入射及び出射のために
、用いられるように修正することができる。かかる構造
は、一つの磁極１２と、磁極により壁を画成された外被
と、金属製部分３７と、窓３８とを示す第４図に図解さ
れている。

更に別の実施例（第５図参照）では、外被が二つのリム
４０．４１により相互に結合された二つの窓３２．３９
を有する。この実施例ではエネルギー選別フィルタとし
て働く出射窓３９のために外被が一層短くなっており、
ビームが１３５°偏向される磁石装この対称面上に、置
かれている。

すべての実施例において、導波装置ｌと磁石装置の継鉄
とは一つの支持台（図示されていない）上に取り付けら
れ、継鉄は第１図に符号４２により示されたねじ孔にね
じ込まれる３木の調節ねじ（図示されていない）により
固定されている。これらのねじを用いて継鉄を導波装置
１に関して動かすことができる。その結果外被３０と磁
界配置と偏向面とをビーム軸線７に関して心合わせする
ことができる。ビーム軸線１１をビーム軸線７を中心と
して振動させるために、支持台がビーム軸線７を中心と
して旋回できるようにつり下げられるだけでよい。

有利な実施例を特に参照してこの発明を説明したが、こ
の発明を理解した後に特許請求の範囲により制限された
この発明の趣旨と範囲とから逸脱することなく種々の変
更及び修正を行うことができることは、当業者にとって
明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図はそれぞれこの発明に基づく装置の
一実施例の縦断面図、左側面図及び平面図、第４図及び
第５図はそれぞれ異なる別の実施例の要部縦断面図、第
６図は荷電粒子ビームの加速及び輸送装置の一従来例の
縦断面図である。 １・・・第１の外被 ６・・・荷電粒子ビーム ７・・・第１のビーム軸線 １１・・・第２のビーム軸線 １２．１３・・・磁極 １４．１５・・・コイルユニット １８．１９・・・継鉄 ３０・・・第２の外被 ３１．３８・・・第２の窓 ３２．３９・・・第３の窓 ＦＩＧ　６ ＦＩＧ　ｆ １８　　　　　ＦＩ６３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）第１の真空引きされた空間を囲む第１の外被を有す
   る加速装置と、第２の真空引きされた空間を囲む第２の
   外被を有する磁石装置とを備え、前記加速装置が荷電粒
   子ビームを第１の真空引きされた空間の中で加速し、加
   速された荷電粒子ビームを第１のビーム軸線に沿って出
   射し、前記磁石装置が出射された荷電粒子ビームを第２
   の真空引きされた空間の中で偏向ビーム路に沿って輸送
   し、 偏向された荷電粒子ビームを第２のビーム軸線に沿って
   出射し、また第２の外被の位置が第１のビーム軸線に関
   して可変であるように、加速装置と磁石装置とを支持す
   るための手段を備えることを特徴とする荷電粒子ビーム
   の加速及び輸送装置。 ２）荷電粒子ビームが出射されるときに通る第１の窓に
   より第１の外被が封止され、荷電粒子ビームが第２の真
   空引きされた空間へ入射するときに通る第２の窓により
   第２の外被が封止されることを特徴とする請求項１記載
   の装置。 ３）荷電粒子ビームが第２の真空引きされた空間から出
   射するときに通る第３の窓により第２の外被が更に封止
   されることを特徴とする請求項２記載の装置。 ４）磁石装置が偏向ビーム路の両側に二つの磁極を備え
   、前記磁極が第２の外被の側壁を形成することを特徴と
   する請求項１記載の装置。 ５）荷電粒子ビームが磁石装置の中で２７０°偏向され
   、第１及び第２の窓の間で第１のビーム軸線を横切るこ
   とを特徴とする請求項２記載の装置。 ６）荷電粒子ビームが偏向ビーム路に沿って種々の直径
   を取るようにこのビームが磁石装置により輸送され、第
   ３の窓がビーム直径の最大となる個所に置かれているこ
   とを特徴とする請求項３記載の装置。 ７）ビーム路に沿った少なくとも一個所で荷電粒子がそ
   の運動量と呼び運動量との間の差に基づき中央の軌道か
   ら半径方向に変位されるように、荷電粒子ビームが磁石
   装置により輸送され、第３の窓がこの変位を生じる個所
   に設けられ、第３の窓が呼び運動量を含むあらかじめ定
   められた運動量範囲以外の運動量を有する荷電粒子を遮
   るように設計されていることを特徴とする請求項３記載
   の装置。 ８）荷電粒子ビームが２７０°偏向され、荷電粒子ビー
   ムが１３５°偏向された個所に第３の窓が置かれている
   ことを特徴とする請求項７記載の装置。 ９）各窓がＢｅＯから作り出されていることを特徴とす
   る請求項２記載の装置。 １０）ＢｅＯ製の窓がアルミニウムを被覆されているこ
   とを特徴とする請求項９記載の装置。 １１）第２の真空引きされた空間は荷電粒子に対する有
   効断面積が空気のそれより小さいガスを含むことを特徴
   とする請求項１記載の装置。 １２）荷電粒子が電子であり、ガスがヘリウムであり、
   ヘリウムの圧力が１０＾−＾３トルより高いことを特徴
   とする請求項１１記載の装置。 １３）ガスが＾３Ｈｅであることを特徴とする請求項１
   ２記載の装置。 １４）第２のビーム軸線が第１のビーム軸線を中心とし
   て第１のビーム軸線に垂直な平面上で振動できるように
   、磁石装置がハウジングの中に支持されていることを特
   徴とする請求項１記載の装置。