JPH07111199A - 加速器とそのビーム出射方法並びに医療用装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】機器構成が簡単で且つ小型であり、しかも制御
が容易で良質な荷電粒子ビームを得ることができる加速
器とそれを用いた医療用装置を提供することにある。 【構成】偏向電磁石による偏向機能によって荷電粒子ビ
ームを周回させ、ベータトロン振動しながら周回する荷
電粒子ビームのチューンを４極磁場により所要値に設定
し、該所要値のチューンで周回する荷電粒子ビームに共
鳴を発生させてベータトロン振動振幅を安定限界を越え
て増大させ当該荷電粒子ビームを出射する円形加速器の
偏向電磁石として、周回する荷電粒子ビームを水平方向
に収束させ且つ垂直方向に発散させる４極磁場成分を発
生させる偏向電磁石と、周回する荷電粒子ビームを水平
方向に発散させ且つ垂直方向に収束させる４極磁場成分
を発生させる偏向電磁石とを用いる構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は荷電粒子ビームを周回さ
せながらエネルギーを高め出射させる加速器とこれを利
用した医療用装置に係り、特に、ビーム径が一定の良質
な荷電粒子ビームを容易に得るのに好適な小型の加速器
と医療用装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図２に示す従来の加速器では、荷電粒子
ビームを加速した後、出射・輸送し、物理実験や医療等
に利用してきた。前段加速器３４から入射器１５と入射
用パルス電磁石３５を使って円形加速器内に取り込まれ
た荷電粒子ビ−ムは、真空ダクト１０の中心のビ−ム中
心軌道１の回りをベータトロン振動しながら周回してい
る。このような周回形加速器を通常、円形加速器と呼ん
でいる。この荷電粒子ビームを円形加速器から出射する
ときは、収束４極電磁石５と発散４極電磁石６と共鳴発
生用多極電磁石９を用いてビームの水平面内のベータト
ロン振動に共鳴を発生させてベータトロン振動振幅を増
大させ、出射器４から荷電粒子ビームを取り出せる様に
している。

【０００３】収束４極電磁石５は、水平方向に収束作用
を持つと共に垂直方向に発散作用を持つ。即ち、光学系
にすれば、水平方向には凸レンズに対応し、垂直方向に
は凹レンズに対応する。一方、発散４極電磁石６は、水
平方向に発散作用を持ち垂直方向に収束作用を持つ。即
ち、光学系にすれば、水平方向には凹レンズに対応し、
垂直方向には凸レンズに対応する。また、共鳴が発生し
た粒子は、ベータトロン振動振幅が増加するが、その
際、真空ダクト１０に衝突することなく出射器４から出
射されるように、出射用バンプ電磁石６１，６２が使用
されている。

【０００４】ベータトロン振動の共鳴は、エー・アイー
・ピー・コンファランス・プロシーディングズＮｏ．１
２７（１９８３年）（AIP Conference Proceedings）の
第５３頁から第６１頁において論じられている。これ
は、次のような現象である。荷電粒子は、水平方向及び
垂直方向に振動しながら周回する。これをベータトロン
振動という。ベータトロン振動の周回軌道一周あたりの
振動数をチューンという。チューンを〔整数＋１／３〕
もしくは〔整数＋２／３〕に近付けるかあるいは〔整数
＋１／２〕に近づけると同時に、周回軌道上に設けられ
た共鳴発生用多重極磁場を励磁すると、多数周回してい
る荷電粒子のうち、ある一定以上のベータトロン振動振
幅を持つ荷電粒子の振幅が急激に増加する。この現象を
ベータトロン振動の共鳴という。チューンを〔整数＋１
／２〕に近付けた時の共鳴を２次共鳴、チューンを〔整
数＋１／３〕または〔整数＋２／３〕に近付けた時の共
鳴を３次共鳴と呼ぶ。共鳴が発生する境界を安定限界と
呼び、その大きさは、共鳴発生用多極磁場とチューンの
少数部の値により変化する。チューンの値は、４極磁場
の強度により決まる。

【０００５】以下では、チューンを〔整数＋１／３〕に
近付ける３次共鳴の場合を例にとって説明する。共鳴の
安定限界の大きさは、チューンの〔整数＋１／３〕から
の偏差が小さい程、共鳴発生用多極磁場の強度が大きい
程、小さくなる。そこで従来は、チューンをまず〔整数
＋１／３〕に近付け、周回中の荷電粒子のうちベータト
ロン振動振幅が大きな荷電粒子に共鳴を発生させ、その
後、チュ−ンをさらに〔整数＋１／３〕に近付けて安定
限界を小さくし、振動振幅が小さな荷電粒子にも共鳴を
発生させている。上記のチューンの制御は、周回軌道上
に設けられた４極電磁石５，６の磁場強度、即ち、４極
電磁石５，６に流す電流を制御することにより行われて
いる。

【０００６】ベータトロン振動に共鳴が発生した粒子
は、周回ごとに振動振幅が増加し、真空ダクト１０の内
壁と粒子との距離が減小する。そこで、真空ダクト内壁
と衝突する前にビームを出射器４から取り出せるよう
に、出射用バンプ電磁石６１，６２を用いて、振動する
ビ−ムの中心軌道１を出射前に局所的に出射器４側へ寄
せる。バンプ電磁石により局所的に移動させた軌道をバ
ンプ軌道とよぶ。図３は、バンプ電磁石６１，６２の間
を直線的に示したときのバンプ軌道１１を示す図であ
る。図３の２０は、出射器４の電極であり、共鳴により
振動振幅が増加した粒子は、電極２０の間から外部へ出
射される。図２、図３では、出射用バンプ電磁石は２台
使用しているが、４〜５台使用されることもある。バン
プ軌道１１は、出射器４から出射される軌道の位置を一
定にするために、出射過程で移動させており、そのた
め、複数のバンプ電磁石は、出射過程で磁場強度を変化
させていた。

【０００７】一方、従来技術には、チューン一定、即
ち、４極電磁石５，６の磁場強度を一定とし、ベータト
ロン振動振幅を増加させて共鳴を発生させる方法があ
る。この場合の機器構成を、図４に示す。図２と異なる
点は、後述する高周波印加装置１４を使用する点であ
り、Nuclear Instruments & Methods in PhysicsResear
ch vol A322 pp154−160 K. Hiramoto and M. Nishi
“Resonant BeamExtraction Scheme with Constant Sep
aratrix”に記載されているように、チュ−ンを一定、
即ち、４極電磁石５，６の励磁量を一定に制御し、ま
た、共鳴励起用多極電磁石９を励磁し、更に高周波印加
装置１４を用いて高周波をビームに印加して、ベータト
ロン振動振幅を増加させて共鳴を発生させることで、径
の小さなビームを出射させている。この出射のとき、図
２，図３の従来技術と同様に、バンプ電磁石を励磁し、
バンプ軌道を作っている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術は、次
のような問題点が有る。

【０００９】第１の問題点は、４極電磁石を多数設置す
るために加速器が大型化することである。

【００１０】第２の問題点は、多数の４極電磁石を制御
する必要があるため、制御が複雑化することである。

【００１１】第３の問題点は、出射ビ−ムの軌道の変化
を補正するためのバンプ電磁石を設置する必要があり、
更に加速器が大型化し、しかも、出射過程でのバンプ電
磁石の連携制御が複雑化してしまうことである。

【００１２】本発明の目的は、機器構成が簡単で且つ小
型であり、しかも制御が容易で良質な荷電粒子ビームを
得ることができる加速器とそれを用いた医療用装置を提
供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的は、荷電粒子ビ
ームを加速する高周波加速空胴と，前記荷電粒子ビーム
のベータトロン振動振幅を増加させることにより安定限
界を越えさせる高周波印加装置と，該安定限界を越えた
荷電粒子ビームのベータトロン振動に共鳴を発生させる
多極電磁石と，前記荷電粒子ビームを水平方向に収束さ
せ且つ垂直方向に発散させると共に該荷電粒子ビームの
偏向も行う第１偏向電磁石と，前記荷電粒子ビームを水
平方向に発散させ且つ垂直方向に収束させると共に該荷
電粒子ビームの偏向も行う第２偏向電磁石とを備えるこ
とで達成される。

【００１４】また、荷電粒子ビームを加速する高周波加
速空胴と，前記荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅
を増加させることにより安定限界を越えさせる高周波印
加装置と，該安定限界を越えた荷電粒子ビームのベータ
トロン振動に共鳴を発生させると共に該荷電粒子ビーム
の偏向も行う第１偏向電磁石と，前記荷電粒子ビームを
水平方向に収束させ且つ垂直方向に発散させると共に該
荷電粒子ビームの偏向も行う第２偏向電磁石と，前記荷
電粒子ビームを水平方向に発散させ且つ垂直方向に収束
させると共に該荷電粒子ビームの偏向も行う第３偏向電
磁石とを備えることで達成される。

【００１５】また、荷電粒子ビームを加速する高周波加
速空胴と，前記荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅
を増加させることにより安定限界を越えさせる高周波印
加装置と，該安定限界を越えた荷電粒子ビームのベータ
トロン振動に共鳴を発生させる多極電磁石と，前記荷電
粒子ビームを水平方向及び垂直方向に収束させると共に
該荷電粒子ビームの偏向も行う偏向電磁石と，前記荷電
粒子ビームの水平方向チューンを変える４極電磁石とを
備えることで達成される。

【００１６】

【作用】荷電粒子ビームは、加速器の真空ダクト内をそ
の中心軌道に沿って周回するのではなく、その中心軌道
の周囲を水平方向・垂直方向にベータトロン振動しなが
ら周回しており、出射させるときはこのベータトロン振
動の共鳴現象を利用して出射させる。本発明では、荷電
粒子ビームを水平方向，垂直方向において収束，発散さ
せる４極電磁石の機能を偏向電磁石に併せ持たせたこと
により、この機能を果たす４極電磁石が不要になる分だ
け装置が小型化し、制御が容易になる。また、高周波印
加装置で荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅を増加
させて安定限界を越えさせることにより、荷電粒子ビー
ムの出射軌道を安定化できるので、ビームの径変化や位
置変化が小さい良質のビームを出射することができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。

【００１８】図１は、本発明の一実施例に係る円形加速
器の構成図である。本実施例に係る円形加速器は、前段
加速器３４から出射されビーム輸送系を通ってくる荷電
粒子ビームを円形加速器内に取り込む入射器１５及び入
射用パルス電磁石３５と、円形加速器内を周回する荷電
粒子ビ−ムを加速する高周波加速空胴８と、収束４極電
磁石機能付き偏向電磁石２と、発散４極電磁石機能付き
偏向電磁石３と、共鳴の安定限界を発生させる多極電磁
石９と、荷電粒子ビ−ムのベータトロン振動振幅を増加
して共鳴の安定限界を越えさせるために使用する高周波
印加装置１４と、出射器４で構成し、従来の加速器で使
用していた出射用バンプ電磁石（図２の６１，６２）
と、４極電磁石単体（図２の５，６）は使用しない。

【００１９】高周波印加装置１４は、ビ−ムのベータト
ロン振動振幅を増加させ、共鳴の安定限界を越えさせる
ことにより、ベータトロン振動に共鳴を発生させる。こ
の共鳴を発生させるとき、従来は、多数設置した４極電
磁石の強度を一定に制御することで安定限界を一定に保
っていた。しかし、本実施例では４極電磁石を用いてい
ないので、偏向電磁石２，３により安定限界を一定に保
たせる。このため、本実施例の偏向電磁石は、その磁極
形状を選定して、偏向用の２極磁場だけでなく４極（あ
るいはそれ以上の）磁場を発生させる構成とし、偏向電
磁石２，３の励磁により適切な４極磁場を発生させてい
る。即ち、適切なチューンになるように偏向電磁石２，
３の磁極形状を選定し、目標エネルギまで加速するよう
に偏向電磁石２，３の電流を増加すれば、加速終了段階
で、自動的に出射に必要なチュ−ンになる。尚、本実施
例の共鳴に必要な多極磁場は、これも偏向電磁石で発生
させる構成とすることが可能であり、また、独立に設置
した電磁石（図１の多極電磁石９）で発生させる構成と
することも可能である。

【００２０】このように、本実施例では、偏向電磁石
２，３で適切な４極磁場を発生させる構成としているの
で、従来は多数設置ししかもその制御が複雑であった４
極電磁石が省略できる。その結果、加速器の小型化を図
ることができ、加速器の周長をおよそ２０ｍに低減でき
るほか、運転の簡単化を図ることができる。本実施例の
ように、ビームを加速したのち出射する加速器では、直
線部の最大長さは図３に示すように、４極電磁石５，６
と出射器４の長さで決まり、従来はおよそ３ｍ以上の長
さが必要であった。しかし、本実施例では、前述のよう
に４極電磁石を省略できるので、直線部を２ｍ以下に抑
えることができ、加速器の小型化が図れる。その結果、
加速器全体も小型となり、周長をおよそ２０ｍ以下に低
減できると共に、運転も簡単になる。

【００２１】図５は、４極磁場成分を発生させる発散４
極磁石機能付き偏向電磁石３の磁極及び磁極間ギャップ
Ｇの一部を示す図で、図１のＶ−Ｖ′断面を示してい
る。図５で、ビームは紙面裏側から表側へ向かって進
む。図５の１０１は磁極のギャップに面している部分
で、電磁石の曲率中心Ｃはｘ軸の負方向側にあり、ｘ軸
の正方向側すなわち径方向外側に向かうに伴いギャップ
サイズが大きくなっている。曲率中心からの距離ｒの位
置でのギャップ幅ｙを、ｙ₀ を定数として次式のように
する。

【００２２】

【数１】

【００２３】ここで、ρは偏向電磁石の曲率半径で、図
５の曲率中心Ｃからｘ＝ｙ＝０の原点Ｏまでの距離であ
る。

【００２４】その結果、図５に示す磁場の方向から分か
るように、ｙ＝０の面では磁場はｙ方向成分のみであ
る。ｘ方向の位置と垂直方向（ｙ方向）磁場の関係はほ
ぼ１次式で表わすことができ、４極磁場が発生される。
垂直方向（ｙ方向）の磁場は、径方向外側ほど弱くな
る。その結果、ｘ＝０の位置を通るビームに比べて径方
向位置が外側のビームは軌道の曲率半径が大きくなり、
ｘ＝０の位置のビームから離れる傾向になる。また、ｘ
＝０の位置より径方向内側にあるビームは、軌道の曲率
半径が小さくなり、ｘ＝０の位置のビームから離れる傾
向になる。このようにして、水平方向（ｘ方向）には発
散作用を有する。

【００２５】次に、ｙ＝０の面から垂直方向に離れる
と、水平方向の磁場成分は直線的に増加する。但し、ｙ
が正方向に離れる場合と、負方向に離れる場合では、水
平方向磁場の向きが逆転する。しかし、何れの場合でも
ｙ＝０の面に戻る力が働く。従って、垂直方向（ｙ方
向）には収束作用を有する。これらの収束作用・発散作
用の強さは、ギャップＧの変化、即ちｎの大きさを適切
に選定することにより制御できる。

【００２６】上記ではｎが１以上の場合について説明し
たが、次に、ｎが１以下の場合について説明する。ま
ず、ｎ＜０の場合を説明する。ｎ＜０の場合、径方向外
側ほどギャップＧの垂直方向の大きさは小さくなる。こ
の結果、径方向外側ほど垂直方向磁場は強くなり、水平
方向に収束作用を有する。一方、ｙ＝０の面から離れる
と水平方向磁場は強くなるが、ｎ＞１の場合と水平方向
磁場の向きが逆となるので、垂直方向に発散作用を有す
る。但し、ｎ＝０の場合は、垂直方向には収束作用も発
散作用も持たないが、水平方向には収束作用を有する。

【００２７】上述したように、ｎ＜０で垂直方向に発散
作用を持ち、ｎ＝０では垂直方向に収束作用も発散作用
も持たないので、０＜ｎ＜１の場合には垂直方向に収束
作用を持つようになる。しかし、水平方向については、
ｎ＜０でもｎ＝０でも収束作用を持つので、０＜ｎとな
ってもすぐには発散作用にならず、収束作用を持つ。こ
の結果、０＜ｎ＜１では、水平方向・垂直方向共に収束
作用を持つようになる。

【００２８】以上から、ギャップＧの変化、即ちｎの大
きさを適切に選定することにより、収束作用・発散作用
の強さを制御できることがわかる。

【００２９】図６は発散４極電磁石機能付き偏向電磁石
３の部分断面積であり、磁極３Ａに一対のコイル３Ｂが
巻かれ、磁極３Ａ間にギャップが形成されている。

【００３０】図１の円形加速器では、偏向電磁石２を上
記のｎが負になるように構成し、ビームの軌道を偏向さ
せる本来の機能の他に、水平方向に収束作用を持つ４極
電磁石の機能を併せ持たせている。偏向電磁石３は、ｎ
が１より大きくなるようにしたもので、ビームの軌道を
偏向させる本来の機能の他に、水平方向に発散作用，垂
直方向に収束作用を持つ４極電磁石の機能を持たせてい
る。

【００３１】次に、本実施例では従来使用していたバン
プ電磁石を省略でき、更に小型化できる点について説明
する。座標系を、図１に示すように、ビーム周回方向を
ｓ，水平方向をｘとし、ｘは、真空ダクト中心を０と
し、径方向外側を正とする。

【００３２】以下では３次の共鳴を例にとり、ビームを
水平方向から取り出す場合について説明する。

【００３３】偏向電磁石２，３各々で必要な４極磁場成
分を発生させて、水平方向チューンを〔整数±１／３〕
に近い値に設定しておき、同時に、共鳴発生に必要な多
極磁場を図１の電磁石９で発生させると、共鳴の安定限
界は一定となっている。図１の出射器４が設置されてい
るｓ方向位置をｓ_o とし、ｓ＝ｓ_o におけるビームの周
回毎のｘとｄｘ／ｄｓの関係（位相空間）を図７に示
す。図７に示す破線が、位相空間における安定限界を示
している。ベータトロン振動振幅が安定限界以上になる
と、共鳴により、一周毎に振動振幅が急激に増加する。
振動振幅が増加すると真空ダクトに衝突する荷電粒子が
増える。そこで、真空ダクトに衝突する前に出射器４か
ら荷電粒子を取り出せる様に、本実施例では、出射前に
偏向電磁石により加速器一周にわたりビームの中心軌道
を、図１の符号１で示す軌道から出射器４側に寄せてお
く。この移動したビーム中心軌道を図１の符号１１で示
す。この状態における図１のｓ＝ｓ₀ の位相空間を図８
に示す。図８の２０は出射器４の２枚の電極で、２００
は真空ダクト壁を示す。尚、同図では、ｘが負の対称位
置に存在する真空ダクト壁は省略している。ビーム中心
軌道の移動に伴い、同じｓ＝ｓ₀ での位相空間を示した
図７と比較して、安定限界の中心が出射器４の２枚の電
極２０に近づく。ビーム中心軌道を移動させた後、高周
波ノイズをビームに印加すると、その結果、ベータトロ
ン振動の振幅が増加し、初期の振動振幅の大きな粒子か
ら順次、安定限界を越える。図８中に示す番号は周回数
を示しており、３周毎にほぼ等しい変位となるが、安定
限界を越えた粒子は徐々に振動振幅が増加し、出射器４
の電極２０から軌道勾配ｄｘ／ｄｓ＝Ａで出射されるこ
とがわかる。安定限界を一定に保つことにより、出射軌
道勾配は一定になり、従来のバンプ電磁石を使用する必
要がなく、また、従来行っていた、出射過程で電磁石の
磁場強度を変えてビームの中心軌道位置を移動させるこ
とも不要になる。このように、バンプ電磁石を用いない
で、ビーム中心軌道を平均的に移動できるのは、多数の
４極電磁石を省略し、４極磁場を偏向電磁石で発生させ
ているからであり、図２の従来の加速器で、偏向電磁石
の強度のみを変えると、多数の４極電磁石での軌道勾配
変化の影響により、ビーム中心軌道は、平均的に出射器
側に寄らなくなる。その結果、出射前に真空ダクトに衝
突する粒子が増えて、ビーム損失がかえって増加する。
従って、バンプ電磁石を出射時に使わざるを得ない構成
になっている。しかし、本発明実施例のように、偏向電
磁石に４極磁場発生機能をもたせてチューンを一定に保
ち、即ち、共鳴の安定限界を一定に保ち、高周波により
ベータトロン振動振幅を増加させることにより、バンプ
電磁石を省略することが可能になる。

【００３４】共鳴の安定限界内にある粒子のベータトロ
ン振動振幅を増加させるには、（１）ビームに時間的に
変動する電場または磁場を印加する、（２）出射ビーム
と異なる粒子を出射ビームと衝突させる、などの方法が
ある。

【００３５】（１）の方法で磁場を用いる場合は、出射
する面が水平面の時は、垂直方向（ｙ方向）に印加し、
出射面が垂直面の時は、水平方向（ｘ方向）に印加し、
ビームの軌道勾配を繰り返し変化させる。磁場の時間変
化は、規則的，不規則のどちらでも良いが、その周波数
は、ベータトロン振動の周波数、即ち、チューンに周回
周波数をかけた周波数に近いことが望ましい。電場を印
加する場合は、ビームの周回方向即ちｓ方向に印加する
か、あるいは出射する面が水平面の時は、水平方向（x
方向）に印加し、出射面が垂直面の時は、垂直方向（y
方向）に印加する。ビームのｓ方向に電場を印加する
と、ビームのエネルギが変化する。ビームのエネルギが
変化すると、偏向電磁石部での軌道の曲率半径が変化す
るためベータトロン振動の中心軌道位置が変化し、結果
的にベータトロン振動の振幅が変化する。ｘ方向又はｙ
方向に印加する場合は、磁場と同様に、ビームの軌道勾
配を変化させ、ベータトロン振動の振幅を拡大してい
く。電場の時間変化も、磁場の場合と全く同じである。

【００３６】（２）の方法は、衝突により軌道勾配が代
わってベータトロン振動の振幅が増加する効果を用いる
もので、（１）の電磁場を用いる場合と同一原理であ
る。

【００３７】以下、本発明の実施例を更に具体的に説明
する。

【００３８】図１に示す円形加速器において、エネルギ
がおよそ２０ＭｅＶのプロトンを入射し、１００ＭｅＶ
まで加速し、その後、出射する。６極電磁石９と、高周
波印加装置１４と、出射器４は、ビームを目標エネルギ
まで加速した後の出射する過程でのみ使用する。

【００３９】入射器１５から入射されたビームは、周回
する過程で偏向電磁石２，３により軌道が曲げられる。
同時に、偏向電磁石２，３では、ビーム中心軌道１から
のずれに比例した力で軌道勾配が変えられる。偏向電磁
石２は、ビームを水平方向に収束するように軌道勾配を
変える働きを持ち、垂直方向にはビームを発散させる働
きをする。即ち、ｎインデックスが負の電磁石で、図９
に示す断面構造になっている。偏向電磁石３は、水平方
向にビームを発散させる方向に軌道勾配を変える働きを
し、垂直方向にはビームを収束させる働きをする。即
ち、ｎインデックスが正の電磁石で、図１０に示す断面
構造になっている。これらの偏向電磁石の働きにより、
ビームは軌道１のまわりをベータトロン振動しながら周
回し、ベータトロン振動の振動数は、偏向電磁石２，３
の４極磁場成分の強度、即ち、ｎインデックスの大きさ
により決まる。本実施例では水平方向チューンνｘを1.
70、垂直方向チューンνｙを０.７５ になるように偏向
電磁石２，３のｎインデックス、即ち、磁極形状を設定
しておく。この状態でビームは加速器内を安定に周回す
るが、その過程で高周波加速空胴８からビームが周回す
る周波数の高周波エネルギをビームに加える。高周波加
速空胴８からビームにエネルギを与えながら偏向電磁石
２及び３の電流を増加させる。偏向電磁石の電流を増加
させると、２極磁場と４極磁場は、一定の比を保ちなが
ら増加し、チューン一定で高エネルギまで加速できる。

【００４０】図１１は、目標エネルギまで加速した荷電
粒子を出射する運転手順を示すフローチャートである。
まずステップＳ１で、高周波加速空胴８からビームへ与
えていたエネルギ付与を停止する。次にステップＳ２
で、６極電磁石９に共鳴励起のための電流を流す。ステ
ップＳ３では、偏向電磁石の強度を若干減少させ、ビー
ムの中心軌道を図１の破線１１で示すように加速器１周
にわたって出射器側に寄せる。出射器が加速器の内側に
ある場合は、偏向電磁石の強度を逆に、わずかに強め、
ビーム中心軌道を内側に移動させる。この時の出射位置
ｓ＝ｓ₀ での位相空間（ｘ，ｄｘ／ｄｓ）上の軌跡が図
８である。図８の破線で囲まれた三角形ＰＱＲが安定限
界であり、粒子の位相空間上の軌跡は、大きさが異なる
相似形の三角形状になる。６極電磁石９に流す電流は、
周回中のビームでベータトロン振動振幅が大きい粒子が
安定限界内におさまる程度の値にしておくが、その値は
予め計算で求めるか、出射の運転の繰り返しを通じて求
める。

【００４１】次のステップＳ４では、円形加速器の高周
波印加装置１４より、不規則な時間変化をする高周波、
即ち、高周波ノイズを荷電粒子ビームに印加する。図１
２に、高周波印加装置１４の構造を示す。電極２５，２
６は、棒状電極で、水平方向に対向させて時間変化信号
を印加する。棒状電極２５，２６に符号が逆の電流を電
源２４から流すと、図１２に示す方向の磁場と電場が荷
電粒子ビームに加わる。負荷抵抗２３は、印加した電流
が電極端部から電源側に反射しないように両電極を接続
している。ビームの軌道勾配が電場，磁場の効果で変化
し、図８に示す位相空間内のビームのベータトロン振動
の振幅が増加し始め、安定限界を越えた粒子は、共鳴に
よりベータトロン振動の振幅が急激に増加して出射器４
の２枚の電極２０間に到り、ここから出射される。その
後も電極２５，２６に不規則信号を加えると、各粒子の
ベータトロン振動の振幅は増加していき、初期のベータ
トロン振動の振幅が小さな粒子も図８の安定限界を越
え、出射器４から出射される（ステップＳ５）。図８の
位相空間で安定限界は一定であり、出射ビームの軌道勾
配ｄｘ／ｄｓも出射過程で一定値Ａに保たれる。

【００４２】ビームのベータトロン振動を増加させる高
周波は、ベータトロン振動の周波数を含んでいることが
望ましい。ベータトロン振動の基本周波数は、周回周波
数とチューンの小数部の積になる。一方、周回している
ビームには、運動量が設計値からずれている粒子も含ま
れており、これらの粒子のチューンは、設計値からずれ
る。また、多極電磁石を励磁すると、ベータトロン振動
振幅の大きな粒子のチューンは、振動振幅の小さな粒子
のチューンからずれてくる。従って、図１２の高周波源
２４は、frを周回周波数として、およそ周波数０.７fr
を中心に±0.05fr程度の幅を持つ周波数スペクトルにな
るようにする。また、ｍを正整数として（ｍ＋０.７
０）fr を中心に、上記と同様の幅を持たせても、同様
の出射が実現できる。

【００４３】このようにして、安定限界を一定にして出
射することにより、出射用のバンプ電磁石を用いること
なく、また、出射過程で偏向電磁石の出射器の強度を変
えることなく、軌道勾配一定の出射が実現でき、ビーム
径の小さな良質の荷電粒子ビームを治療室（あるいは実
験室）３３へ輸送できる。また、安定限界の大きさの変
化は、およそ２０％以下であれば、出射ビームの軌道勾
配の変化はわずかであり、安定限界一定の場合と実質的
差異はない。安定限界の大きさはチューンの小数部（本
実施例では０.７０ ）と２／３もしくは１／３の差（２
次共鳴の場合は、チューン小数部と０.５の差）に比例
するため、チューンの変化をおよそ0.005以下に保て
ば、安定限界の変化をおよそ２０％以下に抑さえること
ができる、上記と同様の出射が可能である。

【００４４】図１３は、本発明の第２実施例に係る円形
加速器の構成図である。この第２実施例では、図１の第
１実施例と異なり、偏向電磁石を１種類のみとする。本
実施例で用いる偏向電磁石１２は、径方向外側に磁極間
隔が広がる構造をしており、ｎインデックスは正であ
る。第１実施例で説明したように、径方向外側ほど磁極
間ギャップが広がるタイプの偏向電磁石は、垂直方向に
ビーム収束作用を有する。また、ギャップの変化を緩や
かにして、ｎインデックスが０から１の範囲内にあるよ
うにすると、水平方向にも収束作用を有する。そこで、
第２実施例では、偏向電磁石１２として、ｎが０から１
の範囲にあり、水平方向・垂直方向の何れについても収
束作用を持つ１種類のものを用いる。具体的には、磁極
間ギャップを水平方向チューン，垂直方向チューンとも
０.７５ となるようにする。また、本実施例では、４極
電磁石１３を一台設置し、これを用いて、出射前に水平
方向チューンを０.７５から０.７０まで移動させる。本
実施例では、移動後のチューンの値を０.７０ としてい
るが、これはチューンの小数部の１／３，２／３あるい
は１／２からの偏差がおよそ０.０５ 以下であればよ
い。入射器１５からビームを入射したのち、高周波加速
空胴８から高周波エネルギを荷電粒子ビームに加えなが
ら偏向電磁石１２の強度を増加させることにより、ビー
ムを必要エネルギまで加速する。この間、チューンは一
定に保たれる。必要エネルギに到達したのちの運転手順
を示すフローチャートが図１４である。

【００４５】必要エネルギに達した後、ステップＳ１１
に示すように、高周波エネルギの供給を停止し、その
後、ステップＳ１２に示すように、４極電磁石１３を使
用して水平方向チューンを０.７０ に設定し、一定に保
つ。ステップＳ１３では、共鳴励起用６極電磁石９を励
磁し、共鳴の安定限界が、周回しているビームのベータ
トロン振動振幅より大きくなるように設定する。次のス
テップＳ１４では、偏向電磁石１２の強度を減少させ
て、ビーム中心軌道を一周にわたって出射器４側に寄せ
る。このようにした後、電磁石強度を一定に保ったま
ま、高周波印加装置１４からベータトロン振動の振幅を
増加させるための高周波をビームに加えると（ステップ
Ｓ１５）、ステップＳ１６で荷電粒子ビームが出射器４
から出射される。

【００４６】本実施例では、単一周波数の交流信号源を
用いて、周波数がｆの交流信号を印加する。周波数ｆ
は、ビームが周回する周波数と出射時のチューンの小数
部、即ち、０.７ との積に等しい値とする。このような
周波数の信号を加えると、電極から加えられる外部信号
の周期とベータトロン振動の周期が概ね一致し、この結
果、共鳴の安定限界内の粒子のベータトロン振動の振幅
が増加して安定限界を越え、第１実施例と同様に出射さ
れる。ただし、第１実施例で述べたように、ビームに
は、チューンが設計値からずれた粒子も含まれており、
ベータトロン振動と印加高周波が十分には同期しないた
めに、ベータトロン振動振幅の増加速度が低下する場合
がある。この場合には、印加高周波の強度を十分大きく
しておくことにより、高い効率で出射できる。また、高
周波印加装置１４から高周波を印加する場合を述べた
が、前述したように、他粒子との衝突を利用してもベー
タトロン振動振幅を増加できる。例えば、中性ガスを出
射時のみ注入すれば、同様の出射が実現できる。

【００４７】尚、第１，第２実施例で述べた加速器は、
癌治療等の医療用装置に適用できる。この場合、出射器
４から出射されたビームを、ビーム輸送系３２を通じて
治療室に輸送し、患者の治療を行う。本実施例の円形加
速器を使用することで、勾配一定でビームを出射でき、
ビーム径や位置変化が小さい医療に適した良質のビーム
を得ることが可能である。ベータトロン振動振幅を増加
させるためにビームに加える高周波強度を制御すること
により、医療に必要なビームの量を制御することができ
る。この高周波強度の制御は、あらかじめ時間変化パタ
ーンを定めておき、出射過程でのビームを測定し、所望
値と比較して時間変化パターンを最適値に近づけ、ある
いは、実時間でフィードバックをかける等により行う。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、運転が簡単な小型の加
速器で、ビームの径変化及び位置変化が小さな良質のビ
ームを出射できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る円形加速器の平面構
成図である。

【図２】従来の円形加速器の平面構成図である。

【図３】従来の円形加速器におけるバンプ軌道を示す図
である。

【図４】従来の円形加速器の別の例を示す平面構成図で
ある。

【図５】第１実施例における偏向電磁石で４極磁場成分
を発生する構成の説明図である。

【図６】第１実施例における偏向電磁石で４極磁場成分
を発生する構成を説明する斜視図である。

【図７】第１実施例における共鳴の安定限界内で周回す
る荷電粒子ビームの位相空間を示す図である。

【図８】共鳴が発生した荷電粒子ビームと共鳴の安定限
界内で周回する荷電粒子ビームの位相空間を示す図であ
る。

【図９】図１に示す偏向電磁石の断面図である。

【図１０】図１に示す偏向電磁石の断面図である。

【図１１】第１実施例の出射時の運転手順を示すフロー
チャートである。

【図１２】第１実施例の高周波印加装置の構成図であ
る。

【図１３】本発明の第２実施例に係る円形加速器の平面
構成図である。

【図１４】第２実施例の出射時の運転手順を示すフロー
チャートである。

【符号の説明】

１…ビーム中心軌道、２…収束４極電磁石機能付き偏向
電磁石、３…発散４極電磁石機能付き偏向電磁石、４…
出射器、５…収束４極電磁石、６…発散４極電磁石、８
…高周波加速空胴、９…共鳴励起用電磁石、１０…真空
ダクト、１１…出射のために移動したビーム中心軌道
（バンプ軌道）、１２…０＜ｎ＜１の偏向電磁石、１３
…チューン設定用４極電磁石、１４…高周波印加装置、
１５…入射器、２０…出射器電極、２２…真空ダクト、
２３…負荷抵抗、２４…高周波源、２５，２６…棒状電
極、３１…４極磁場のない偏向電磁石、３２…ビーム輸
送系、３３…治療室あるいは物理実験室、３４…前段加
速器、３５…入射用パルス電磁石、６１，６２…出射用
バンプ電磁石、１０１，１０２…磁極面、１０３…コイ
ル、１０４…ギャップ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西 政嗣 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者 野田 章 京都府京都市右京区東奉行町伏見合同宿舎 143 (72)発明者 井上 信 京都府京都市右京区西院西田町30ロイヤル シャトー葛野702

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】荷電粒子ビームを加速する高周波加速空胴
   と，前記荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅を増加
   させることにより安定限界を越えさせる高周波印加装置
   と，該安定限界を越えた荷電粒子ビームのベータトロン
   振動に共鳴を発生させる多極電磁石と，前記荷電粒子ビ
   ームを水平方向に収束させ且つ垂直方向に発散させると
   共に該荷電粒子ビームの偏向も行う第１偏向電磁石と，
   前記荷電粒子ビームを水平方向に発散させ且つ垂直方向
   に収束させると共に該荷電粒子ビームの偏向も行う第２
   偏向電磁石とを備えることを特徴とする加速器。
2. 【請求項２】荷電粒子ビームを加速する高周波加速空胴
   と，前記荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅を増加
   させることにより安定限界を越えさせる高周波印加装置
   と，該安定限界を越えた荷電粒子ビームのベータトロン
   振動に共鳴を発生させると共に該荷電粒子ビームの偏向
   も行う第１偏向電磁石と，前記荷電粒子ビームを水平方
   向に収束させ且つ垂直方向に発散させると共に該荷電粒
   子ビームの偏向も行う第２偏向電磁石と，前記荷電粒子
   ビームを水平方向に発散させ且つ垂直方向に収束させる
   と共に該荷電粒子ビームの偏向も行う第３偏向電磁石と
   を備えることを特徴とする加速器。
3. 【請求項３】荷電粒子ビームを加速する高周波加速空胴
   と，前記荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅を増加
   させることにより安定限界を越えさせる高周波印加装置
   と，該安定限界を越えた荷電粒子ビームのベータトロン
   振動に共鳴を発生させる多極電磁石と，前記荷電粒子ビ
   ームを水平方向及び垂直方向に収束させると共に該荷電
   粒子ビームの偏向も行う偏向電磁石と，前記荷電粒子ビ
   ームの水平方向チューンを変える４極電磁石とを備える
   ことを特徴とする加速器。
4. 【請求項４】請求項３において、 前記偏向電磁石は、周回する荷電粒子ビームを水平方向
   及び垂直方向に収束させる磁場成分を発生し、且つ該荷
   電粒子ビームの水平方向チューン及び垂直方向チューン
   を共に所定値にし、 前記４極電磁石は、出射前に前記荷電粒子ビームの水平
   方向チューンを前記所定値より若干変化させることを特
   徴とする加速器。
5. 【請求項５】請求項３において、前記４極電磁石で変化
   させた水平方向チューンはその小数部と１／３，２／
   ３，１／２の何れかとの差が０.０５ 以下であることを
   特徴とする加速器。
6. 【請求項６】荷電粒子ビームを周回させる電磁石と、ベ
   ータトロン振動を共鳴状態にして前記荷電粒子ビームを
   出射用デフレクタから出射する出射装置を備える加速器
   において、 前記電磁石のうち偏向電磁石を、２極磁場成分と４極以
   上の多重極磁場成分を発生する電磁石とし、該偏向電磁
   石の４極磁場成分と、該偏向電磁石による多極磁場とで
   共鳴の安定限界を発生させ、前記ベータトロン振動の振
   幅を増加させて共鳴の安定限界を越えさせることにより
   共鳴を励起し、ビ−ムを出射させることを特徴とする加
   速器。
7. 【請求項７】荷電粒子ビームを周回させる電磁石と、ベ
   ータトロン振動を共鳴状態にして前記荷電粒子ビームを
   出射用デフレクタから出射する出射装置を備える加速器
   において、 前記電磁石のうち偏向電磁石を、２極磁場成分と４極以
   上の多重極磁場成分を発生する電磁石とし、該偏向電磁
   石による多極磁場と４極電磁石で発生させる４極磁場と
   で共鳴の安定限界を発生させ、前記ベータトロン振動の
   振幅を増加させて共鳴の安定限界を越えさせることによ
   り共鳴を励起し、ビ−ムを出射させることを特徴とする
   加速器。
8. 【請求項８】請求項１において、共鳴が発生する安定限
   界値の変化を、出射開始時の安定限界値の２０％以下と
   することを特徴とする加速器。
9. 【請求項９】請求項１において、出射中における前記荷
   電粒子ビームのチュ−ンの変化を、０.００５ 以下とす
   ることを特徴とする加速器。
10. 【請求項１０】請求項１において、周波数が単一もしく
    は多周波成分を持つ高周波によりベータトロン振動振幅
    を増加させ、共鳴を励起することを特徴とする加速器。
11. 【請求項１１】請求項１において、加速終了後、出射前
    に前記荷電粒子ビームの中心軌道を偏向電磁石により出
    射器側に移動することを特徴とする加速器。
12. 【請求項１２】請求項１１において、ビーム出射中の偏
    向電磁石及び出射用偏向器の強度変化が１％以下である
    ことを特徴とする加速器。
13. 【請求項１３】請求項１において、ベータトロン振動振
    幅の増加速度を変えてビ−ムを制御することを特徴とす
    る加速器。
14. 【請求項１４】加速器をベータトロン振動しながら周回
    する荷電粒子ビームのチューンを第１の４極電磁石機能
    付き偏向電磁石及び第２の４極電磁石機能付き偏向電磁
    石を用いて所定値とし、該所定値のチューンで周回する
    前記荷電粒子ビームをエネルギー付与手段を用いて目標
    エネルギーまで加速した後、該荷電粒子ビームに共鳴を
    発生させて出射する荷電粒子ビーム出射方法において、 前記エネルギー付与手段のエネルギー付与動作を停止す
    る段階と、前記第１及び第２の４極電磁石機能付き偏向
    電磁石の強度を制御して前記荷電粒子ビームの中心軌道
    を出射器側に移動させる段階と、前記荷電粒子ビームに
    共鳴を発生させるために高周波信号を印加する段階とを
    備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム出射方法。
15. 【請求項１５】請求項１４において、前記高周波信号が
    高周波ノイズであることを特徴とする荷電粒子ビーム出
    射方法。
16. 【請求項１６】請求項１４において、前記高周波信号が
    単一周波数であることを特徴とする荷電粒子ビーム出射
    方法。
17. 【請求項１７】荷電粒子ビームにより治療を行う治療室
    と、請求項１乃至３の何れかに記載の加速器と、該加速
    器から出射された荷電粒子ビームを前記治療室に輸送す
    る輸送系とを備えることを特徴とする医療用装置。
18. 【請求項１８】偏向電磁石による偏向機能によって荷電
    粒子ビームを周回させ、該荷電粒子ビームのベータトロ
    ン振動に共鳴を発生させて出射する加速器であって、出
    射器が設置されている直線部の長さが２ｍ以下であるこ
    とを特徴とする加速器。
19. 【請求項１９】偏向電磁石による偏向機能によって荷電
    粒子ビームを周回させ、該荷電粒子ビームのベータトロ
    ン振動に共鳴を発生させて出射する加速器であって、周
    長が２０ｍ以下であることを特徴とする加速器。