JPH11176599A - 荷電粒子照射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 この発明は、ビーム輸送系での偏向電磁石を
小さくすることができるとともに、その電源容量も小さ
くすることができ、製造コストおよびランニングコスト
を低減することができる荷電粒子照射装置を得る。 【解決手段】 この発明の荷電粒子照射装置は、円形加
速器７が垂直面内に加速するように縦置きされており、
また円形加速器７から取り出されたビームの性質はビー
ムの垂直方向のエミッタンスが水平方向のエミッタンス
よりも小さくなっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、荷電粒子、特に
陽子や重粒子などのイオンからなるビームを輸送しがん
治療装置等に利用される荷電粒子照射装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】図５は例えば「Loma Linda University
Medical Center Proton Therapy Facility Engineering
Design Report February 1987」に示された従来の荷電
粒子照射装置の全体斜視図である。図において、荷電粒
子照射装置は、円形加速器１（シンクロトロン）と加速
器１から取り出されたビームを輸送するビーム輸送系２
とを備えている。このビーム輸送系２は、ビームの散乱
を防ぐためにビームの軌道を真空に保つ真空ダクト５
と、垂直方向に対向した一対の磁極を有するとともに真
空ダクト５を囲って設けられ水平面内にビームを偏向す
る偏向電磁石３と、真空ダクト５を囲って設けられビー
ムの形状を整える四極電磁石４とを有している。この荷
電粒子照射装置は、その他にも真空排気装置、ビーム診
断機器、それぞれの電源、制御系機器等を有している
が、図５では省略されている。

【０００３】上記構成の荷電粒子照射装置では、加速器
１から取り出された荷電粒子（例えば、陽子、重イオ
ン）のビームは、ビーム輸送系２により建屋内の各目的
の場所へ所定の形状で供給され、その各部屋の照射点に
置かれた物や人の被照射体に照射される。ビーム輸送系
２では、複数個の偏向電磁石３がその電源（図示せず）
により２極磁場を作り出し、荷電粒子との相互作用によ
りビームの中心軌道は決定される。また、同様に、複数
個の四極電磁石４はその電源（図示せず）により四極磁
場を作り出し荷電粒子との相互作用によりビームの形状
が整えられる。つまり、四極電磁石４は光学系で言うと
ころのレンズの働きをしている。

【０００４】円形加速器１から取り出された荷電粒子の
ビームは、円形加速器１の特性によって、取り出された
ビームの水平方向および垂直方向のエミッタンス（発散
の度合い）が定められ、ビーム輸送系２を通過するビー
ムの性質となる。ビーム輸送系２においては、荷電粒子
は四極電磁石４によってビームの形状が整えられながら
輸送されるが、そのビームサイズはエミッタンスの大小
によって決まる。荷電粒子照射装置の設計にあたって
は、ビームサイズの大きさからそれを含む真空ダクト５
の形状が決定され、また偏向電磁石３の磁極間隔及び四
極電磁石４の磁極間隔が決定される。

【０００５】通常の建屋における各部屋の配置は水平面
内に展開されており、従ってビーム輸送系２も水平面で
展開され、ビームを偏向する偏向電磁石３は殆どの場合
水平面にビームを偏向する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の荷電粒子照射装
置は以上のように構成されているので、円形加速器１の
性質により、円形加速器１から取り出されたビームのエ
ミッタンスが水平方向よりも垂直方向に大きい場合に
は、ビーム輸送系２は全体にわたって垂直方向のサイズ
が大きくなり、また水平面内にビームを偏向するために
は垂直方向に対向した偏向電磁石３の磁極間隔を大きく
しなければならなかった。そのため、偏向電磁石３を大
型化しなければならないとともに、所定の磁束密度を得
るためにより大きな電源容量を必要とし、製造コストお
よびランニングコストが高くなってしまうという問題点
があった。

【０００７】一方、円形加速器１からのビームのエミッ
タンスが垂直方向と比較して水平方向に大きい場合は、
偏向電磁石３において有効磁場の領域を大きくするため
に、垂直方向に対向した偏向電磁石３の磁極幅（ビーム
の進行方向に対して直角水平方向の幅）を大きくしなけ
ればならないが、磁極間隔を大きくする場合と比較した
とき製造コストおよびランニングコストに与える影響は
小さい。

【０００８】この発明は、上記のような問題点を解決す
ることを課題とするものであって、ビーム輸送系での偏
向電磁石を小さくすることができるとともに、その電源
容量も小さくすることができ、製造コストおよびランニ
ングコストを低減することができる荷電粒子照射装置を
得ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項１の荷
電粒子照射装置は、入射器と、この入射器から射出した
荷電粒子を垂直面内に加速するように縦置きされた円形
加速器と、この円形加速器から取り出されたビームを輸
送するビーム輸送系とを備え、前記ビーム輸送系は、水
平面内にビームを偏向する偏向電磁石と、前記ビームの
形状を整える四極電磁石とを有し、また前記円形加速器
から取り出されたビームの性質は、ビームの垂直方向の
エミッタンスが水平方向のエミッタンスよりも小さくな
っているものである。

【００１０】また、請求項２の荷電粒子照射装置は、円
形加速器にビームに高周波電場を印加する高周波ノック
アウト法を用いてビームを取り出すビーム取り出し手段
を設けたものである。

【００１１】また、請求項３の荷電粒子照射装置は、円
形加速器およびビーム輸送系をそれぞれ上下二段に配置
し、入射器からのビームは分岐されてそれぞれの円形加
速器に入射されるとともに、ビーム輸送系によって輸送
されるようになっているものである。

【００１２】また、請求項４の荷電粒子照射装置は、ビ
ームエネルギーの異なる２台の円形加速器を配置すると
ともに、ビーム輸送系を上下二段に配置しており、入射
器からのビームは分岐されて各円形加速器に入射される
とともに、ビーム輸送系によって輸送されるようになっ
ているものである。

【００１３】また、請求項５の荷電粒子照射装置は、入
射器と、この入射器から射出した荷電粒子を加速する円
形加速器と、この円形加速器から取り出されたビームを
輸送するビーム輸送系と、このビーム輸送系の終端部に
設けられビームのエミッタンスを拡大してビームを真円
形にする散乱体と、この散乱体に回転自在に接続され前
記ビーム輸送系からのビームを回転照射する回転ガント
リーとを備えたものである。

【００１４】また、請求項６の荷電粒子照射装置は、円
形加速器が垂直面内に加速するように縦置きされてお
り、またビーム輸送系が水平面内にビームを偏向する偏
向電磁石と、ビームの形状を整える四極電磁石とを有す
るものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】実施の形態１．以下、この発明の
実施の形態を図について説明する。図１（ａ）はこの発
明の実施の形態１の荷電粒子照射装置の側面図、図１
（ｂ）は図１（ａ）の荷電粒子照射装置の要部平面図で
ある。図において、荷電粒子照射装置は、１階に配置さ
れ荷電粒子を直線的に加速する入射器である線型加速器
６と、線型加速器６からの荷電粒子が入射されるととも
に荷電粒子を加速する円形加速器７（シンクロトロン）
と、円形加速器７から取り出されたビームを輸送するビ
ーム輸送系２とを備えている。このビーム輸送系２は、
ビームの散乱を防ぐためにビームの軌道を真空に保つ真
空ダクト５と、垂直方向に対向した一対の磁極を有する
とともに真空ダクト５を囲って設けられ水平面内にビー
ムを偏向する偏向電磁石３と、真空ダクト５を囲って設
けられビームの形状を整える四極電磁石４とを有してい
る。この荷電粒子照射装置は、その他にも真空排気装
置、ビーム診断機器、それぞれの電源、制御系機器等を
有しているが、図１（ａ）および図１（ｂ）では省略さ
れている。

【００１６】円形加速器７は、地下１階の架台（図示せ
ず）に垂直面内に荷電粒子を加速するように縦置きに載
置されている。また、この円形加速器７のビーム取り出
し部にはビームに高周波電場を印加する高周波ノックア
ウト法を用いてビームを取り出すビーム取り出し手段２
０が設けられている。このビーム取り出し手段２０によ
り円形加速器７から取り出されたビームの形状は、ビー
ムの垂直方向のエミッタンスが水平方向のエミッタンス
よりも小さくなっている。そして、この円形加速器７か
ら取出されたビームは地下１階に水平面内に設置されて
いるビーム輸送系２によって、地下１階の各照射室８に
ビームが輸送される。

【００１７】この実施の形態１による荷電粒子照射装置
では、円形加速器７は、従来の横置きされた円形加速器
１が縦置きにしたものであり、ビームのエミッタンスの
垂直方向と水平方向とが入れ替わり、垂直方向の寸法が
水平方向の寸法よりも小さくなり、ビーム輸送系２を構
成する偏向電磁石３の垂直方向に対向した磁極間距離を
小さくすることができ、偏向電磁石３の全体を小型化す
ることができる。また、この偏向電磁石３の小型化に伴
い、電磁石電源類（図示せず）の仕様の低減が可能とな
り、またランニングコストも低減される。

【００１８】また、この実施の形態１では、照射室８を
地下に配置するとともに、円形加速器７を縦置きにして
おり、また線型加速器６を１階に設置しているので、線
型加速器６、ビーム輸送系２および水平置きの円形加速
器をそれぞれ地下に載置した場合と比較して荷電粒子照
射装置が地下で占める面積を減少させることができ、建
屋の建設費を削減することができる。

【００１９】実施の形態２．図２（ａ）はこの発明の実
施の形態２の荷電粒子照射装置の側面図、図２（ｂ）は
図２（ａ）の荷電粒子照射装置の要部平面図であり、中
２階に載置された入射器である線型加速器６からのビー
ムは分岐されて上下二段に配置された同一仕様の第１の
円形加速器７ａおよび第２の円形加速器７ｂにそれぞれ
入射されるようになっている。なお、符号９はスイッチ
ング電磁石であり、線型加速器６からの荷電粒子を第１
の円形加速器７ａまたは第２の円形加速器７ｂに分ける
ものである。

【００２０】線型加速器６からのビームはスイッチング
電磁石９により第１の円形加速器７ａまたは第２の円形
加速器７ｂに分けられ、このビームは第１の円形加速器
７ａと第２の円形加速器７ｂとでは互いに逆向きに回転
して加速され、第１の円形加速器７ａから取り出された
ビームは１階に配置された第１のビーム輸送系２ａを通
過して各照射室８ａに供給される。また、第２の円形加
速器７ｂから取り出されたビームは２階に配置された第
２のビーム輸送系２ｂを通過して各照射室８ｂに供給さ
れる。

【００２１】この実施の形態２による荷電粒子照射装置
では、第１の円形加速器７ａから取り出されたビーム
は、水平に展開した第１のビーム輸送系２ａを介して１
階の各照射室８ａに供給され、第２の円形加速器７ｂか
ら取り出されたビームは、水平に展開した第２のビーム
輸送系２ｂを介して２階の各照射室８ｂに供給されてお
り、これらのビーム輸送系２ａ、２ｂでは、垂直方向に
ビームを向ける箇所は無い。

【００２２】通常、一台の線型加速器６から射出された
ビームを１階の照射室８ａおよび２階の照射室８ｂにそ
れぞれ供給する場合には、ビームを垂直方向に向けるビ
ーム輸送系が必要となる。このビーム輸送系の場合には
垂直面でのビームの偏向は水平方向に対向した一対の磁
極を有する偏向電磁石が必要となる。そして、この実施
の形態２のように、水平方向のビームのエミッタンスが
垂直方向と比較して大きい場合には、垂直面でのビーム
を偏向する偏向電磁石の磁極間距離を大きくしなければ
ならず、大型な偏向電磁石が必要となるばかりでなく、
所定の磁束密度を得るためにより大きな電源容量が必要
となり、製造コストおよびランニングコストが高くなっ
てしまう。しかしながら、この実施の形態では、垂直面
内にビームを偏向する、大型で電源容量が大きな偏向電
磁石を用いなくても、一台の線型加速器６から放出され
たビームを１階および２階の各照射室８ａ、８ｂ内に供
給することができる。また、第１の円形加速器７ａと第
２の円形加速器７ｂはまったく同一の仕様であるので、
全ての照射室８ａ、８ｂに同じ仕様のビームが届けら
れ、がん治療などにおける照射室８ａ、８ｂとしての利
用に適している。

【００２３】実施の形態３．図３はこの発明の実施の形
態３の荷電粒子照射装置の側面図であり、この実施の形
態では、縦置きの最大エネルギーの異なる第１の円形加
速器１７ａおよび第２の円形加速器１７ｂを備え、また
１台の線型加速器６はそれらの入射器として用いられて
いる。 第１の円形加速器１７ａは小型の例えば陽子線
治療用の円形加速器であり、第２の円形加速器１７ｂは
より高いエネルギーまで加速する大型の例えば物理実験
用の円形加速器である。それぞれの円形加速器１７ａ、
１７ｂからのビーム取出しは、例えば１階と地下１階に
取出し位置がくるように配置されている。線型加速器６
は２階に配置され、その線型加速器６からのビームは、
スイッチング電磁石９によってコースが切替えられ、第
１の円形加速器１７ａおよび第２の円形加速器１７ｂの
入射部にそれぞれ入射される。第１の円形加速器１７ａ
と第２の円形加速器１７ｂとでは線型加速器６からのビ
ームは同じ回転方向に加速され、第１のビーム輸送系２
ａと第２のビーム輸送系２ｂに取出される。そして、第
１のビーム輸送系２ａでのビームは１階にある各照射室
８に供給され、第２のビーム輸送系２ｂでのビームは地
下１階にある物理実験室１０に供給される。

【００２４】この実施の形態３の荷電粒子照射装置で
は、実施の形態２と同様に、垂直面内にビームを偏向す
る、大型で電源容量が大きな偏向電磁石を用いなくて
も、一台の線型加速器６から放出された荷電粒子を１階
の各照射室８ａおよび地下１階の物理実験室１０内に供
給することができる。また、各階でビームの仕様が異な
り、例えば１階は比較的ビームエネルギーが低いがん治
療のフロアーとし、地下１階はエネルギーやビーム強度
の高い物理実験などのフロアーとすることにより、より
遮蔽が必要な部分を地下にもっていくことが可能とな
り、建屋構造を簡略化することができ、また治療と物理
実験とを並行して行うことができる。

【００２５】実施の形態４．図４（ａ）はこの発明の実
施の形態４の荷電粒子照射装置の側面図、図４（ｂ）は
図４（ａ）の荷電粒子照射装置の要部平面図であり、こ
の実施の形態では、ビーム輸送系３の各終端部にビーム
のエミッタンスを拡大してビームを真円形にする散乱体
１１がそれぞれ設けられており、またこの散乱体１１に
ビーム輸送系からのビームを回転照射する回転ガントリ
ー１２が回転自在に設けられている。

【００２６】図６は従来の荷電粒子照射装置の平面図で
あり、この従来例では、円形加速器１とビーム輸送系２
との間に散乱体１１が設けられており、また各照射室８
に分岐されたビーム輸送系２の各終端部に回転自在に回
転ガントリー１２が接続されている。そして、散乱体１
１でエミッタンスが拡大されたビームは、ビーム輸送系
２、各回転ガントリー１２を通じて各照射室８に供給さ
れている。

【００２７】一方、この実施の形態４の荷電粒子照射装
置では、各照射室８に分岐した後のビーム輸送系２の末
端の回転ガントリー１２の直前に散乱体１１を配置して
おり、そこで始めてエミッタンスが拡大されるようにな
っている。このように、この実施の形態４の荷電粒子照
射装置によれば、ビーム輸送系２の終端部までビームの
エミッタンスが小さいままの状態でビームは輸送されて
おり、回転ガントリー照射を行うにも関わらず、ビーム
輸送系２の全体の真空ダクト５のサイズを特に大きくす
る必要はなく、また偏向電磁石３およびその電磁石電源
容量も大きくする必要性がない。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の請求項
１の荷電粒子照射装置によれば、入射器と、この入射器
から射出した荷電粒子を垂直面内に加速するように縦置
きされた円形加速器と、この円形加速器から取り出され
たビームを輸送するビーム輸送系とを備え、前記ビーム
輸送系は、水平面内にビームを偏向する偏向電磁石と、
前記ビームの形状を整える四極電磁石とを有し、また前
記円形加速器から取り出されたビームの性質は、ビーム
の垂直方向のエミッタンスが水平方向のエミッタンスよ
りも小さくなっているので、ビーム輸送系を構成する偏
向電磁石の垂直方向に対向した磁極間距離を小さくする
ことができ、偏向電磁石の全体を小型化することができ
る。また、この偏向電磁石の小型化に伴い、電磁石電源
類の仕様の低減が可能となり、またランニングコストも
低減される。

【００２９】また、請求項２の荷電粒子照射装置によれ
ば、円形加速器にビームに高周波電場を印加する高周波
ノックアウト法を用いてビームを取り出すビーム取り出
し手段を設けたので、ビームの垂直方向のエミッタンス
を水平方向のエミッタンスよりも確実に小さくすること
ができる。

【００３０】また、請求項３の荷電粒子照射装置によれ
ば、円形加速器およびビーム輸送系はそれぞれ上下二段
に配置され、入射器からのビームは分岐されてそれぞれ
の円形加速器に入射されるとともに、ビーム輸送系によ
って輸送されるようになっているので、例えば垂直面内
にビームを偏向する、大型で電源容量が大きな偏向電磁
石を用いなくても、一台の入射器から放出されたビーム
を１階および２階の各照射室内に供給することが可能と
なる。

【００３１】また、請求項４の荷電粒子照射装置によれ
ば、ビームエネルギーの異なる２台の円形加速器が配置
されているとともに、ビーム輸送系は上下二段に配置さ
れており、入射器からのビームは分岐されて各円形加速
器に入射されるとともに、ビーム輸送系によって輸送さ
れるようになっているので、例えば１階は比較的ビーム
のエネルギーが低いがん治療のフロアーとし、地下１階
はエネルギーやビーム強度の高い物理実験などのフロア
ーとすることにより、より遮蔽が必要な部分を地下にも
っていくことが可能となり、建屋構造を簡略化すること
ができ、また治療と物理実験とを並行して行うことが可
能となる。

【００３２】また、請求項５の荷電粒子照射装置によれ
ば、入射器と、この入射器から射出した荷電粒子を加速
する円形加速器と、この円形加速器から取り出されたビ
ームを輸送するビーム輸送系と、このビーム輸送系の終
端部に設けられビームのエミッタンスを拡大してビーム
を真円形にする散乱体と、この散乱体に回転自在に接続
され前記ビーム輸送系からのビームを回転照射する回転
ガントリーとを備えたので、回転ガントリーを備えた従
来の荷電粒子照射装置と比較して、ビーム輸送系の全体
を小型化することができ、また偏向電磁石の電源容量も
低減することができる。

【００３３】また、請求項６の荷電粒子照射装置によれ
ば、円形加速器は、垂直面内に加速するように縦置きさ
れており、またビーム輸送系は、水平面内にビームを偏
向する偏向電磁石と、ビームの形状を整える四極電磁石
とを有するので、ビーム輸送系を構成する偏向電磁石の
垂直方向に対向した磁極間距離を小さくすることがで
き、偏向電磁石の全体を小型化することができる。ま
た、この偏向電磁石の小型化に伴い、電磁石電源類の仕
様の低減が可能となり、またランニングコストも低減さ
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１（ａ）はこの発明の実施の形態１を示す
荷電粒子照射装置の側面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の
荷電粒子照射装置の要部平面図である。

【図２】 図２（ａ）はこの発明の実施の形態２を示す
荷電粒子照射装置の側面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の
荷電粒子照射装置の要部平面図である。

【図３】 図３はこの発明の実施の形態３を示す荷電粒
子照射装置の側面図である。

【図４】 図４（ａ）はこの発明の実施の形態４を示す
荷電粒子照射装置の側面図、図４（ｂ）は 図４（ａ）
の荷電粒子照射装置の要部平面図である。

【図５】 従来の荷電粒子照射装置の斜視図である。

【図６】 従来の荷電粒子照射装置の他の例を示す平面
図である。

【符号の説明】

１ 円形加速器、２ ビーム輸送系、３ 偏向電磁石、
４ 四極電磁石、５真空ダクト、６ 線型加速器、７
ａ，１７ａ 第１の円形加速器、７ｂ，１７ｂ第２の円
形加速器、８ 照射室、９ スイッチング電磁石、１０
物理実験室、１１ 散乱体、１２ 回転ガントリー、
２０ ビーム取り出し手段。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射器と、この入射器から射出した荷電
   粒子を垂直面内に加速するように縦置きされた円形加速
   器と、この円形加速器から取り出されたビームを輸送す
   るビーム輸送系とを備え、前記ビーム輸送系は、水平面
   内にビームを偏向する偏向電磁石と、前記ビームの形状
   を整える四極電磁石とを有し、また前記円形加速器から
   取り出されたビームの形状は、ビームの垂直方向のエミ
   ッタンスが水平方向のエミッタンスよりも小さくなって
   いる荷電粒子照射装置。
2. 【請求項２】 円形加速器にはビームに高周波電場を印
   加する高周波ノックアウト法を用いてビームを取り出す
   ビーム取り出し手段が設けられている請求項１記載の荷
   電粒子照射装置。
3. 【請求項３】 円形加速器およびビーム輸送系はそれぞ
   れ上下二段に配置され、入射器からのビームは分岐され
   てそれぞれの円形加速器に入射されるとともに、ビーム
   輸送系によって輸送されるようになっている請求項１ま
   たは請求項２記載の荷電粒子照射装置。
4. 【請求項４】 ビームエネルギーの異なる２台の円形加
   速器が配置されているとともに、ビーム輸送系は上下二
   段に配置されており、入射器からのビームは分岐されて
   各円形加速器に入射されるとともに、ビーム輸送系によ
   って輸送されるようになっている請求項１または請求項
   ２記載の荷電粒子照射装置。
5. 【請求項５】 入射器と、この入射器から射出した荷電
   粒子を加速する円形加速器と、この円形加速器から取り
   出されたビームを輸送するビーム輸送系と、このビーム
   輸送系の終端部に設けられビームのエミッタンスを拡大
   してビームを真円形にする散乱体と、この散乱体に回転
   自在に接続され前記ビーム輸送系からのビームを回転照
   射する回転ガントリーとを備えた荷電粒子照射装置。
6. 【請求項６】 円形加速器は、垂直面内に加速するよう
   に縦置きされており、またビーム輸送系は、水平面内に
   ビームを偏向する偏向電磁石と、ビームの形状を整える
   四極電磁石とを有する請求項５記載の荷電粒子照射装
   置。