JPH08298200A

JPH08298200A - 粒子加速器とその運転方法

Info

Publication number: JPH08298200A
Application number: JP7102622A
Authority: JP
Inventors: Junichi Hirota; 淳一廣田; Kazuo Hiramoto; 和夫平本; Koji Matsuda; 浩二松田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-04-26
Filing date: 1995-04-26
Publication date: 1996-11-12
Anticipated expiration: 2014-02-17
Also published as: JP2857598B2

Abstract

(57)【要約】【目的】繰り返し運転を行なう粒子加速器で、使用用
途や使用ユーザの変化に伴う初期化運転を不要にしビー
ムの利用効率即ちビームの稼働率を向上させる。【構成】加速器システムは、前段加速器100、入射用
ビーム輸送系200、シンクロトロン300、出射用ビーム輸
送系400、照射室500で構成される。シンクロトロンを構
成する電磁石群（偏向磁石301，４極磁石302等）は、入
射、加速、出射に続き、残留磁化を一定にするために所
要励磁量まで再励磁した後に減磁する。同様に、出射ビ
ーム輸送系の電磁石も再励磁、減磁、出射待機を設定値
運転のみで行なう。以上の動作を、繰り返し運転毎に行
う。これにより、ビームの出射エネルギーに因らず電磁
石の残留磁化を一定にすることができ、運転サイクル毎
に出射ビームのエネルギーを変化させることができ、出
射後のビームの利用効率即ちビームの稼働率を向上させ
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は粒子線治療等に用いられ
る粒子加速器に係り、特に、粒子線ビームを有効利用し
患者の治療時間を短縮するのに好適な粒子加速器とその
運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、粒子加速器は、これまでの高エネ
ルギー物理学の研究用はもとより、放射線同位元素の生
成や癌の粒子線治療等の医療用、材料照射等の工業用、
種子照射などの農業利用に用いられており、また、一台
の加速器が多目的に使用されることもある。

【０００３】粒子加速器を使用する場合、前段加速器か
ら円形加速器への粒子ビームの入射、円形加速器による
粒子ビームの加速、円形加速器からの粒子ビームの出射
という運転パターンを数秒程度の間隔で繰り返し行うこ
とがある。このような粒子加速器の運転は、従来、月刊
フィジクス／Vol.6 No.1,1985 p.4-11「ビーム入射・蓄
積」に示されるように、正弦波状あるいは階段状の予め
確認された運転パターンをある決められた周期で繰り返
すことにより行なわれる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の運転方法では、
加速器を構成する電磁石の励磁パターンが一定である。
例えば癌治療を行う場合、患部に粒子ビームを照射する
が、ビームエネルギーを調節してその患部深さに対応す
るエネルギーとすることで、患部前後の正常細胞を傷つ
けないで済む。つまり、治療対象とする患者を変える場
合、各患者毎にビームエネルギーを調節した運転を行う
必要が生じる。

【０００５】使用ユーザが変化して使用ビームエネルギ
ーを変える場合、即ち、電磁石の励磁量を変化させる場
合は、電磁石の運転履歴、即ち電磁石のヒステリシス
（磁気履歴）を消すために、初期化運転が必要となる。
初期化運転は、実際に使用する運転パターンを予め複数
回繰り返し、電磁石のヒステリシスをその運転条件で一
定にするために必須でする。

【０００６】しかし、初期化運転のためにビームを出さ
ない時間が生じるため、ビームの稼働時間が大幅に減少
するという問題がある。また、ユーザ毎に加速器の運転
パターンが異なるため、実際にビームが利用できるまで
にビーム調整等に費やす時間が必要になるという問題も
ある。

【０００７】本発明の目的は、加速器から得られるビー
ムの稼働時間を増すと共にユーザが変わっても初期化運
転を不要にする粒子加速器とその運転方法を提供するこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、荷電粒子を
入射・加速・出射する粒子加速器において、荷電粒子を
入射，加速，出射した後に該粒子加速器を構成する電磁
石を所定磁場まで再励磁した後減磁し、前記入射，加
速，出射及び前記再励磁，減磁を１運転サイクルとし該
運転サイクルを繰り返すことで、達成される。

【０００９】

【作用】稼働時間を増すためには、円形加速器を構成す
る電磁石群の運転履歴、即ち磁気履歴を常に一定に保て
ばよい。電磁石の運転または磁気履歴は、その電磁石が
経験した最高の磁場により一義的に決定されるために、
加速器の運転サイクル毎に、電磁石を、その電磁石の使
用最高磁場または最高磁場以上のある一定値または飽和
磁場まで常に一旦は再励磁しその後減磁することで、残
留磁気は運転サイクル毎に一定となる。このため、ビー
ム出射時の励磁量を変えた場合でも、イオンの加速パタ
ーンの勾配を一定にすることができ、ユーザの変化（出
射エネルギーの変化）に対して同一の運転パターンを適
用することが可能となる。

【００１０】

【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。まず、本発明の原理を説明する。一般に電磁石
は、積層鉄板に代表される磁性体と、励磁用のコイル等
で構成される。磁性体は励磁に伴い、図２に示すような
ヒステリシス環線（磁気履歴曲線）を描く。電磁石電流
を増加するに従い磁界Ｈが増加し、これに伴って図中の
原点０からａ点に向かって励磁される。その後に電流を
減らした場合、ａ点からｂ点に向かって減磁される。し
かし、電流を０に戻しても磁場は０とはならず、磁性体
により決まるある値Ｂrを持つ。これを残留磁化あるい
は残留磁束密度と呼ぶ。

【００１１】図３を用い、従来の運転パターンに基づく
一定エネルギー出射時の加速器の運転について考える。
運転は、「入射→加速→出射→減磁」を１運転サイクル
としてこれを必要回数繰り返すことにより行なわれる。
この運転毎の電磁石の磁気履歴を、それぞれ模式的に図
３の下段に示す。第一回目の運転では、磁性体は図２の
原点０からａ点へ向かう初磁化曲線上を移動し、残留磁
化Ｂrに戻ってくる。第２回目からは、Ｂrを出発点とし
てＢ2まで励磁され、その後再びＢrに戻ってくるような
磁気履歴を残す。

【００１２】従って、ビームを実際に加速する前に、電
磁石の磁気履歴を安定させる運転つまり初期化運転が必
要がある。そして、運転パターンの出射時の励磁量Ｂ2
を変えない限り電磁石は同じ磁気履歴を持つため、ビー
ムを繰り返し同じエネルギーで加速し出射することがで
きる。

【００１３】次に、図４を用い、運転サイクルn-1とnと
の間において、出射時の電磁石励磁量を変化させた場合
にどうなるかを考える。この場合、n-1とnサイクルでの
磁気履歴を図４の下段にそれぞれ示す。n-1サイクルとn
サイクルでは、出射時の励磁量（Ｂ2及びＢ3）が違うた
め、磁気履歴が変化する。つまり、残留磁化は、Ｂrか
らＢr'に変化する。これにより、nサイクル終了時の残
留磁化が変化する。

【００１４】これに伴い、n+1回目以降の入射エネルギ
ーに対応した励磁電流が、図中のＩ1（Ｈ1）からＩ2
（Ｈ2）に変化することになり、ビーム入射ができなく
なる。従って、n+1サイクル以降では、ビームを加速・
出射できない。これを避けるために、nサイクルに入る
前に、新たに初期化運転が必要になる。従って、ビーム
利用の稼働率が大幅に減少してしまうことになる。

【００１５】この残留磁化は、電磁石に印加する磁界Ｈ
の大きさ、即ち励磁電流量に比例する。そこで後述する
本発明実施例では、出射時の励磁量の大きさに関わら
ず、電磁石を各運転サイクルにおける「減磁」前に、例
えば、電磁石の使用最高磁場またはそれ以上のある一定
値または飽和磁界まで、加速器内にビームの有る無しに
関わらず、一旦再励磁した後に減磁する。これにより、
残留磁化の大きさを常に一定にすることが可能となる。

【００１６】従って、図４に示すような励磁量の違う場
合でも、初期化運転無しに運転を継続することが可能と
なる。この様子を、模式的に図５に示す。第一サイクル
後では、電磁石の残留磁場はＢrとなり、第２サイクル
以降は、このＢrを始点及び終点として第１サイクルと
は異なる磁気履歴を変遷する。この時、ビーム出射を行
なう磁場をＢ1あるいはＢ2と異なる磁場で一定として
も、その後どちらの場合も、電磁石をＢrを再現するた
めに選んだある一定磁場Bmaxまで再励磁した後に減磁す
れば、常に残留磁場Ｂrを一定に保持することが可能と
なる。従って、ビーム出射時の磁場を変化させた場合で
も、初期化運転が不要でビームの稼働率を上がることが
可能となる。

【００１７】図１は、本発明の一実施例に係る粒子加速
器における運転パターンを示す図である。図１は、発明
の効果が最も大きくなるように、ビーム出射後に電磁石
をその飽和磁場まで再励磁した後、減磁する運転方法を
示している。入射ビームのエネルギーに対応した電磁石
の励磁量をＢinj、第一の出射エネルギーをＢ1、第２の
出射エネルギーをＢ2、電磁石の飽和磁場をＢmaxとす
る。

【００１８】電磁石は、まずＢinjに励磁され、入射ビ
ームを待ち受ける。その後、この励磁量においてビーム
を円形加速器内で周回させながら、円形加速器内に置か
れた高周波加速空胴に電圧を発生させることによりビー
ムを捕獲し加速の準備を行なう。捕獲が完了した後、電
磁石の励磁量をＢinjからＢ1まで徐々に増加させなが
ら、また加速空胴の電圧及び位相を電磁石の励磁量の変
化に合わせて調節しながら、加速器内の安定軌道上でイ
オンのエネルギーを徐々に増加させる、即ち加速運転を
行なう。

【００１９】励磁量がＢ1に達した時点で励磁量を固定
し、出射動作を開始する。出射を完了した後、再び電磁
石の励磁量をＢ1から飽和磁場Ｂmaxまで再励磁し、電磁
石の発生する磁場が飽和磁場となった後これを減磁す
る。その後、入射磁場Ｂinjに磁場を立ち上げ次の入射
を行なう。

【００２０】以上の、運転サイクルを繰り返すことによ
り、加速器システムの運転が実行される。この運転で
は、電磁石の経験する最大磁場は、実際にビームを出射
する磁場であるＢ1やＢ2ではなく、飽和磁場Ｂmaxであ
るので、減磁を終了した時点での残留磁化Ｂrは、Ｂ1や
Ｂ2に因らず一定値となる。従って、運転サイクル毎に
ビーム出射エネルギー即ち電磁石の出射磁場、フラット
トップ磁場Ｂ1，Ｂ2を容易に変化させることが可能とな
る。

【００２１】図６は、医療用イオンシンクロトロンシス
テムの構成図である。医療用シンクロトロンシステム
は、前段加速器100、入射ビーム輸送系200、シンクロト
ロン300、出射ビーム輸送系400及び照射室500から構成
される。前段加速器100で生成されたイオンビーム10
は、入射ビーム輸送系200により位置や形状を成形され
シンクロトロン300に入射され、シンクロトロン300で所
望のエネルギーまで加速された後、出射される。出射ビ
ーム輸送系400は、シンクロトロン300から出射されたビ
ーム10を成形しながら照射室500に輸送する。そして、
照射室500において、患者の患部を照射する。

【００２２】医療用途では、患者の患部を３次元的に照
射する。即ちビームの進行方向に垂直な面内での照射の
他に、ビームの進行方向、即ち深さ方向への照射が重要
である。この照射は、シンクロトロンからのイオンビー
ムのエネルギーを運転サイクル毎に変化させることで行
う。この運転方法の実現方法を次に示す。

【００２３】図７は、照射運転のタイミングチャートで
ある。前段加速器100、入・出射用ビーム輸送系200,40
0、シンクロトロン300ともそれぞれの初期化運転を行な
い、シンクロトロン300中の偏向磁石301、４極磁石302
等の磁気履歴等を揃える。その後、入射用ビーム輸送系
200は、入射エネルギーに相当する電磁石の励磁量で待
機する。次に、前段加速器100をONし、イオンビーム10
を発生させる。イオンビーム10は、ビーム輸送系200を
経由して、入射系機器（例えばインフレクター303、入
射用バンプ電磁石304等で構成される。）を用いてシン
クロトロン内に入射される。

【００２４】入射されたイオンビームは、電磁石の励磁
量を増しながら加速空胴305により加速電界を受けて所
望のエネルギーまでシンクロトロン加速を受け、そのエ
ネルギーに固定される。所望のエネルギーに固定された
後、例えば患者の呼吸に同期または一定の時間間隔に同
期して、シンクロトロン内に設置された出射用高周波源
306と共鳴励起用磁石309を用いビームのベータトロン振
幅を増加させ、その安定限界を越した粒子からシンクロ
トロン外に出射用機器（例えば、出射用デフレクタ30
7、出射用バンプ電磁石308等で構成される。）を用いて
取り出される。取り出された粒子は、予めそのエネルギ
ーに相当する励磁量で待機していた出射用ビーム輸送系
400により、患者が固定されている照射室500に導かれ
る。

【００２５】シンクロトロン300を周回する全イオンが
出射されるかまたは必要な照射量が確保された場合、出
射用高周波源306をOFFし、ビーム出射を停止する。その
後、シンクロトロンの電磁石群は、残留磁化を一致させ
るために選ばれた励磁量までパターン運転により再励磁
される。この時、出射用ビーム輸送系400もシンクロト
ロンと同様に残留磁化を揃えるために選ばれた任意の励
磁量まで設定値運転により再励磁される。再励磁終了
後、シンクロトロンの電磁石は決められた減磁パターン
で、ビーム輸送系の電磁石は、その設定値を0とする設
定値運転で減磁される。減磁終了後、ビーム輸送系の電
磁石は、次の運転サイクルでのビームエネルギーに対応
する設定値を受け、電磁石群を励磁しビーム出射を待ち
受ける。

【００２６】以上により、従来のシンクロトロンと同様
にパターン運転が必須と考えられていた出射ビーム輸送
系の運転を、設定値運転のみで、運転サイクル毎にエネ
ルギーが変化した場合でもそれに連動して出射ビームを
照射室に輸送することが可能となる。また、ビーム輸送
系の運転は、設定値運転のみであるので制御装置の大幅
な簡素化、低コスト化が可能となる。

【００２７】図６，図７に示す実施例では、シンクロト
ロンを周回する粒子線ビームを、そのベータトロン振幅
を増大させて安定限界を越えさせ出射させたが、本発明
はかかる出射方法を採用するシンクロトロンに適用する
場合に限られるものではなく、他の方法による出射方
法、例えば、周回する粒子線ビームに高速な偏向磁場を
印加して全粒子を短時間で軌道から外し出射する方法を
採用するシンクロトロンにも適用できることはいうまで
もない。本発明では図１に示す様な磁場Ｂ1やＢ2で粒子
線ビームを出射させるが、この出射時においてシンクロ
トロンを構成する電磁石群の励磁量をほぼ一定に維持で
きる出射方法と本発明による運転方法とを組み合わせる
のが好ましい。尚、粒子線ビームの出射方法に関連する
ものとして、本願発明者等が先に提案した特開平５―１
９８３９７号がある。

【００２８】次に、運転サイクル毎にエネルギーを変化
させる方法について図８及び図９を用いて説明する。ま
ず初めに図８に示すように、加速器システムで使用する
最大の励磁量まで加速するパターンを生成し、このパタ
ーンでイオンビームが確かに加速できることを確立す
る。次に、一回の運転で使用する励磁量をＢ1，Ｂ2のよ
うに複数設定する。それぞれの出射エネルギーでの出射
時間を一定とするために図８でのＢmaxでのフラットト
ップを加速勾配に添って平行移動させる。この操作によ
り、Ｂ1あるいはＢ2間での加速パターンを生成できる。
そして同じ勾配でＢ1またはＢ2からＢmaxまでの再励磁
パターンを生成する。

【００２９】最後に、ＢmaxからＢinj間での減磁パター
ンを生成する。このように、確実にビームを加速、出射
できるパターンデータをもとに、平行移動及びデータの
入れ替えのみで新たな出射エネルギーに対応するパター
ンデータを生成することが可能となる。また、平行移動
と入れ替えのみであるため、パターンデータ送出装置に
バタフライメモリ等のメモリの二重化装置を用いれば、
データを送り出しながら次のデータをメモリに格納で
き、運転サイクル毎、即ちパルス毎に出射エネルギーを
容易に変えることができる。さらに、どのエネルギーで
も加速の勾配が一定であるため、制御データの削減も可
能で制御装置の簡略化、低コスト化も合わせて実現でき
る。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、ビームの出射エネルギ
ーに因らず電磁石の残留磁化を一定にできるので、運転
サイクル毎に出射ビームのエネルギーを変化させること
ができる。従って、出射後のビームの利用効率即ちビー
ムの稼働率を向上させることができると共に、シンクロ
トロンの運転に同期して出射させる出射ビーム輸送系
を、設定値運転のみとすることができるので、制御装置
の簡素化、低コスト化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る運転方法を示す運転パ
ターン図である。

【図２】磁気履歴曲線グラフである。

【図３】従来の運転方法による一定エネルギー運転の説
明図である。

【図４】従来の運転方法によりエネルギーを変化させた
場合の説明図である。

【図５】図１に示す運転方法を適用したときの磁気履歴
の様子を示す図である。

【図６】本発明の一実施例に係る粒子加速器の構成図で
ある。

【図７】図６に示す粒子加速器の加速運転タイムチャー
トである。

【図８】本発明の別実施例に係る運転方法の基本パター
ン図である。

【図９】図８に示す運転方法で任意パターンを生成する
方法を説明する図である。

【符号の説明】

１０…イオンビーム、１００…前段加速器、２００…入
射ビーム輸送系、３００…シンクロトロン、３０１…偏
向磁石、３０２…４極磁石、３０３…インフレクタ、３
０４…入射用バンプ電磁石、３０５…加速空胴、３０６
…出射用高周波源、３０７…出射用デフレクタ、３０８
…出射用バンプ電磁石、３０９…共鳴励起用磁石、４０
０…出射ビーム輸送系、５００…照射室。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】荷電粒子を入射・加速・出射する粒子加
速器において、荷電粒子を入射，加速，出射した後に該
粒子加速器を構成する電磁石を所定磁場まで再励磁した
後減磁する制御手段と、前記入射，加速，出射及び前記
再励磁，減磁を１運転サイクルとし該運転サイクルを繰
り返す運転手段とを備えることを特徴とする粒子加速
器。
【請求項２】請求項１において、各運転サイクル毎に
荷電粒子のエネルギーを可変にする手段を備えることを
特徴とする粒子加速器。
【請求項３】荷電粒子を入射・加速・出射する粒子加
速器において、荷電粒子を入射，加速，出射した後に該
粒子加速器を構成する電磁石を所定磁場まで再励磁した
後減磁する運転を１運転サイクルとし、該運転サイクル
を繰り返して加速器運転中での前記電磁石の残留磁化を
一定に保つことを特徴とする粒子加速器の運転方法。
【請求項４】請求項３において、運転サイクル毎に荷
電粒子のエネルギーを可変にすることを特徴とする粒子
加速器の運転方法。
【請求項５】請求項３または請求項４において、前記
所定磁場を当該電磁石の使用最大磁場とすることを特徴
とする粒子加速器の運転方法。
【請求項６】請求項３または請求項４において、前記
所定磁場を当該電磁石の使用最大磁場以上飽和磁場以下
の任意磁場とすることを特徴とする粒子加速器の運転方
法。
【請求項７】請求項３または請求項４において、前記
所定磁場を当該電磁石の飽和磁場とすることを特徴とす
る粒子加速器の運転方法。
【請求項８】請求項１または請求項２に記載の粒子加
速器において、荷電粒子を照射室に導く出射ビーム輸送
系を、加速リングに同期して励磁，再励磁，減磁の各設
定値を指示するのみの設定値運転で運転することを特徴
とする粒子加速器の運転方法。
【請求項９】請求項１または請求項２において、荷電
粒子を照射室に導く出射ビーム輸送系に、加速リングに
同期して励磁，再励磁，減磁の各設定値を指示するのみ
の設定値運転で運転する制御手段を設けたことを特徴と
する粒子加速器。
【請求項１０】荷電粒子を入射・加速・出射する粒子
加速器において、使用する最大磁場パターンを基本パタ
ーンとし、該基本パターンの加速勾配を一定とし、該加
速勾配に添ってフラットトップを平行移動あるいは入れ
替えることで任意の運転パターンで運転することを特徴
とする粒子加速器の運転方法。
【請求項１１】荷電粒子を入射・加速・出射する粒子
加速器において、使用する最大磁場パターンを基本パタ
ーンとし該基本パターンの加速勾配を一定とし該加速勾
配に添ってフラットトップを平行移動あるいは入れ替え
て任意運転パターンを生成し該任意運転パターンで運転
する制御手段を備えることを特徴とする粒子加速器。