JPH11312599A - 荷電粒子ビ―ム出射方法及びその出射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】荷電粒子ビームの照射線量を必要とされる照射
線量値に制御することができる荷電粒子ビーム出射方法
及びその出射装置を提供する。 【解決手段】照射室９において放射線モニター８で照射
線量を測定し、比較器１２が放射線モニター８から出力
される照射線量の測定値１７と制御装置１０から出力さ
れる照射線量の設定値１４ｂとを比較して、測定値１７
が設定値１４ｂとなるようにゲインコントローラ１３に
ゲインコントロール信号１８を出力し、電極７に印加す
る高周波電圧１６の振幅を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、荷電粒子ビーム出
射方法及びその出射装置に係り、特に加速・蓄積させた
荷電粒子ビームを円形加速器から出射するのに好適な荷
電粒子ビーム出射方法及びその出射装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】シンクロトロン等の円形加速器中の荷電
粒子ビームは、設計軌道を中心としてベータトロン振動
をしながら周回している。この際、セパラトリックスと
呼ばれる安定限界が存在し、安定限界内のビームは安定
に周回するが、安定限界を越えたビームは振動振幅が増
加して発散する性質を有する。従来のビーム出射方法で
はベータトロン振動の低次の共鳴が利用されていた。即
ち、４極磁石を用いて、加速器１周当りのベータトロン
振動数を表すチューンを整数±１／２に近付けると同時
に８極磁石を励磁したり（２次共鳴）、チューンを整数
±１／３に近付け６極磁石を励磁する（３次共鳴）こと
が行われていた。特に出射の過程では、実験物理講座２
８「加速器」：熊谷寛夫編集，共立出版（株），ｐ．５
２５に記載のように、４極磁石の励磁量を制御してチュ
ーンを変化させることによりビームの安定限界を徐々に
小さくし、ベータトロン振動振幅が安定限界を越えた荷
電粒子から順次出射していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のビーム出射
方法では、出射位置でのビームの軌道勾配が時間的に変
化するので、ビームの出射効率が悪く、照射線量の制御
が困難になるという問題がある。

【０００４】本発明の目的は、荷電粒子ビームの照射線
量を必要とされる照射線量値に制御することができる荷
電粒子ビーム出射方法及びその出射装置を提供すること
にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の特徴は、荷電粒子ビームに高周波電磁界を印加する
ことにより加速器から荷電粒子ビームを出射する場合
に、加速器から出射された荷電粒子ビームによる照射線
量を測定し、測定された照射線量に応じて高周波電磁界
の強度を制御することにある。

【０００６】荷電粒子ビームの照射線量は高周波電磁界
の強度に応じて変化するので、本発明の特徴によれば、
測定された照射線量に応じて高周波電磁界の強度を制御
することにより、荷電粒子ビームの照射線量を必要とさ
れる照射線量値に制御することができる。

【０００７】以下、図１０を用いて好ましい荷電粒子ビ
ームの出射法である安定限界一定での荷電粒子ビームの
出射について説明する。同図は、円形加速器の出射器の
位置における位相空間を示す図であり、４極磁石の励磁
電流を一定にして、即ち安定限界を一定にして、高周波
電磁場を荷電粒子ビームに印加し、安定限界内の荷電粒
子のベータトロン振動振幅を徐々に増加させ、安定限界
を越えた荷電粒子を共鳴により出射する。横軸はビーム
の荷電粒子の位置ｘを、縦軸は軌道の勾配ｄｘ／ｄｓ
（ｓは周回方向距離）を表す。破線が安定限界で、破線
内の閉じた太い実線は安定に周回中のビームの軌跡を示
している。安定限界を越えた荷電粒子は、共鳴により振
動振幅が増加し、出射器電極の間から出射されるが、安
定限界を一定にすることによって出射する荷電粒子ビー
ムの軌道勾配が一定となるので、高い効率で荷電粒子ビ
ームを出射できる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
例を説明する。図１は本発明を医療用装置に適用した第
１の実施例を示す図である。本実施例の医療用装置は、
加速器室２０内に設置される機器と、照射室９内に設置
される機器と、制御室２１内に設置される機器とで構成
される。加速器室２０内において、前段加速器１は荷電
粒子ビームを発生し、入射器２によりビームをシンクロ
トロンに入射させる。シンクロトロンは、ビームを周回
させる周回軌道を有し、この周回軌道に、ビームを偏向
する偏向磁石３，ビームを収束又は発散させる４極磁石
４，ビームを加速する加速空胴５，ビームを出射する出
射器６、及びビームのベータトロン振動振幅を増加させ
る電極７を設置して構成される。加速空胴５によりビー
ムの進行方向に電場を発生させ、この電場でビームを所
望のエネルギーまで加速した後、電極７によりビームに
高周波電磁場を印加してベータトロン振動振幅を増加さ
せ、出射器６から徐々にビームを出射して照射室９にい
る患者１９の患部に照射する。患者１９の照射治療の際
は、照射室９に設置したモニターカメラなどを用いて患
者１９の様子を見ながら、照射治療を行うことが安全上
も有効となる。

【０００９】次に、図２のフローチャートを用いて、図
１の装置によるビームの出射方法を説明する。まず、制
御装置１０に、出射ビームのエネルギー，エネルギー
幅，加速器の動作点（チューン）、及び患者に照射する
ビームの線量をデータとして入力する（図２の１００，
１０１，１０２，１０３）。ここで、チューンとはシン
クロトロン１周当りのビームのベータトロン振動数であ
る。次に、入力データが正しいかどうかをチェックして
（図２の１０４）、正しい場合はこれらのデータに基づ
いて、高周波信号発生装置１１に出射に必要な周波数成
分を有する高周波信号１５を発生させる（図２の１０
５）。入力データが正しくない場合は、データを再入力
する。高周波信号１５は、アンプ等のゲインコントロー
ラ１３により電極７に印加すべき振幅に調整され（図２
の１０７）、高周波電圧１６として電極７に印加される
（図２の１０８）。

【００１０】これと同時に、照射室９では放射線モニタ
ー８で照射線量を測定し（図２の１１０）、比較器１２
は、放射線モニター８から出力される照射線量の測定値
１７と、制御装置１０から出力される照射線量の設定値
１４ｂとを比較し、測定値１７が設定値１４ｂとなるよ
うに、ゲインコントローラ１３にゲインコントロール信
号１８を出力し、電極７に印加する高周波電圧１６の振
幅を制御する（図２の１１１，１０７，１０８）。最後
に、患者１９へのビーム照射が終了かどうかチェックし
（図２の１０９）、終了であればビーム出射を終了し、
照射が終了でなければ再度ゲインコントロール１０７以
下を繰返す。このようにして、電極７から周回中のビー
ムに高周波電磁場を印加することにより、ビームのベー
タトロン振動振幅を増加させることができるので、ビー
ムの安定限界を一定にしたまま同じ軌道勾配でビームを
効率良く出射することができる。

【００１１】尚、図１の実施例ではビームに高周波電磁
場を印加する手段として電極７を用いたが、電極７の替
わりに加速空胴５と同じものを用いてこれに前記の高周
波電圧１６を印加したり、又は、電極７の替わりに高速
応答性を有する電磁石を用いてこれに前記の高周波成分
を有する高周波電流を流しても、同様の効果が得られ
る。

【００１２】次に、高周波信号発生装置１１について詳
しく説明する。初めに、出射に用いる高周波信号につい
て説明する。図３は、出射に必要な理想的な高周波信号
の周波数スペクトルを示す。シンクロトロン中のビーム
は設計軌道の周囲をベータトロン振動をしながら周回し
ており、加速器１周当りのベータトロン振動数を表わす
チューンは幅を持つので、出射に用いる高周波信号はチ
ューンの幅を含む周波数帯域が必要となる。即ち、ビー
ムの周回周波数をｆrev ，チューンの最小値及び最大値
の小数部をνmin及びνmaxとすると、必要となる高周波
信号の中心周波数ｆ₀ 及び周波数幅Δｆは次式で与えら
れる。

【００１３】

【数１】 ｆ₀＝ｆrev・(νmax＋νmin)／２ …（数１）

【００１４】

【数２】 Δｆ＝ｆrev・(νmax−νmin) …（数２） また、周回周波数ｆrev はビームのエネルギーＥを用い
て次式で表せる。

【００１５】

【数３】 ｆrev＝ｃ{１−(ｍ0・ｃ2／Ｅ)２}０.５／Ｌ …（数３） ここで、ｃは光速、ｍ0は荷電粒子の静止質量、Ｌはビ
ームの軌道長さである。

【００１６】従って、ビームのエネルギーＥとチューン
の最小値，最大値（νmin，νmax）が与えられれば、
（数１)〜(数３）を用いて出射に必要な高周波信号の中
心周波数ｆ₀及び周波数幅Δｆを求めることができる。
また、ビームのエネルギーＥ，エネルギー幅ΔＥ、及び
チューンの中心値ν０が与えられても、次式を用いて中
心周波数ｆ₀ 及び周波数幅Δｆを求めることができる。

【００１７】

【数４】 ｆ₀ ＝ν０・Ｇ(Ｅ) …（数４）

【００１８】

【数５】 Δｆ＝ν０・{Ｇ(Ｅ＋ΔＥ／２)−Ｇ(Ｅ−ΔＥ／２)｝ …（数５） ここで、Ｇ(Ｅ)は（数３）の右辺を表した関数である。

【００１９】尚、通常加速器のチューンと呼ぶ場合は、
上記チューンの中心値ν０を表しており、チューンの中
心値ν０，最大値νmax 、及び最小値νmin はシンクロ
トロンの設計時点で決まる設計条件と考えることができ
る。従って、上述した実施例の他に、予めビームのエネ
ルギーＥとチューン（中心値ν０，幅Δν＝νmax−νm
in ）の関係をメモリに記憶しておき、エネルギーＥの
みをデータとして入力し、これに対応するチューンをメ
モリから読み出して、出射に必要な高周波信号の中心周
波数ｆ₀ 及び周波数幅Δｆを求めることもできる。もち
ろん、これらの演算に使用するチューンとして測定値を
用いることも可能である。

【００２０】更に、周波数強度（振幅）Ｖは必要とする
照射線量で決まるので、予め振幅Ｖと照射線量の関係を
試験的又は理論的に求めておくことにより、照射線量か
ら出射に必要な高周波信号の振幅Ｖを決定できる。

【００２１】このようにして求めた高周波成分を有する
電磁場をビームに印加することにより、必要最小限の高
周波電磁界を用いてエネルギーに分布を持つ、即ちチュ
ーンに分布を持つビームを構成する全ての荷電粒子の振
動振幅を確実に増加することができるので、安定限界一
定で高効率なビーム出射が可能となる。

【００２２】上記した特徴を備えた本発明の効果を上記
特徴を備えない比較例と比べてみる。例えば、（数
２)，(数４）で与えられるΔｆより周波数幅の狭い(Δ
ｆ₁ ）高周波信号を用いる場合は、Δｆ₁ に対応するエ
ネルギー幅ΔＥ1に含まれない荷電粒子を確実に出射す
ることはできない。また、上記Δｆより周波数幅の広い
高周波信号を用いる場合は、全ての荷電粒子を出射する
ことはできるものの、ビーム出射に必要以上の電力を要
することになり、投入電力も考慮した全体としての出射
効率は必ずしも高くならない。

【００２３】次に、図４を用いて図１の高周波信号発生
装置１１の第１の実施例を説明する。本実施例では、高
周波信号発生装置１１は演算器６１とＤ／Ａ（デジタル
／アナログ）コンバータ６２で構成される。演算器６１
は、制御装置１０から出力される出射ビームのエネルギ
ー，エネルギー幅，加速器のチューンに関するデータ１
４ａに基づいて、上述したようにして出射に必要な周波
数特性（中心周波数及び周波数幅）を求め、周波数スペ
クトルを周波数領域で作成する。このとき、各周波数成
分の位相をランダムにする。この周波数領域の高周波ス
ペクトルデータを逆フーリエ変換を用いて時間領域に変
換することにより、図３に示した周波数特性を有する高
周波データ６３を作成する。Ｄ／Ａコンバータ６２は高
周波データ６３をアナログ信号に変換して、高周波信号
１５を発生する。

【００２４】次に、図５を用いて高周波信号発生装置１
１の第２の実施例を説明する。本実施例では、高周波信
号発生装置１１はホワイトノイズ源３１と、予め出射ビ
ームのエネルギーに応じて通過させる周波数帯域を別々
に設定したバンドパスフィルター３２〜３５とで構成さ
れる。制御装置１０から出力されるデータ１４ａのう
ち、出射ビームのエネルギーに関するデータに応じて、
バンドパスフィルターを選択することにより、図３で示
した周波数スペクトルを有する高周波信号１５を発生す
る。この構成のほかに、中心周波数，通過周波数幅が可
変なバンドパスフィルターを用いる構成としても同様の
結果が得られる。

【００２５】次に、図６を用いて高周波信号発生装置１
１の第３の実施例を説明する。本実施例では、高周波信
号発生装置１１はコントローラ４６と、発振器４１〜４
４と、加算器４５とで構成され、複数の発振器４１〜４
４の出力を加算器４５で加算して、必要な周波数スペク
トルを有する高周波信号１５を発生する。このとき、コ
ントローラ４６は制御装置１０から出力されるデータ１
４ａのうち出射ビームのエネルギーに関するデータに応
じて、必要な発振周波数及び位相の制御信号４７〜５０
を各発振器４１〜４４に送り、各発振器はこの制御信号
に基づいて必要な高周波信号を出力する。このようにし
て、図３で示した周波数スペクトルを有する高周波信号
１５を発生する。

【００２６】次に、図７を用いて高周波信号発生装置１
１の第４の実施例を説明する。本実施例では、高周波信
号発生装置１１はコントローラ５１と、周波数掃引器５
２とで構成される。コントローラ５１は、制御装置１０
から出力されるデータ１４ａのうち出射ビームのエネル
ギーに関するデータに応じて、予め各エネルギー毎に設
定された周波数掃引パターンを発生し、周波数掃引器５
２がこのパターンに基づいて必要な周波数範囲で周波数
掃引する。掃引パターンは、照射室に患者がいない状態
でシンクロトロンを運転し、照射線量の測定結果に基づ
いて予め決定する。

【００２７】次に、図８を用いて本発明を医療用装置に
適用した第２の実施例を説明する。図８は図１の実施例
と同じシンクロトロン構成であり、制御装置１０に出射
ビームのエネルギー，エネルギー幅，加速器のチュー
ン、及び照射線量に関するデータを入力する。高周波信
号発生装置１１は、出射ビームのエネルギー，エネルギ
ー幅、及び加速器のチューンに関するデータ１４ａに基
づいて出射に必要な周波数特性を有する高周波信号１５
を発生する。ゲインコントローラ１３は、高周波信号１
５の振幅を出射に必要な大きさに調整し、高周波電圧１
６として電極７に印加する。これと同時に、照射室９と
出射装置６の間のビームラインに電流モニター８１を設
置し、照射室９に患者１９がいない状態で運転する。

【００２８】比較器１２は、電流モニター８１で測定し
たビーム電流の測定値８２と、制御装置１０の出力であ
る照射線量の設定値に対応したビーム電流の設定値１４
ｃとを比較して、測定値８２が設定値１４ｃとなるよう
にゲインコントローラ１３にゲインコントロール信号１
８を出力する。ゲインコントローラ１３は、ゲインコン
トロール信号１８に基づいて電極７に印加する高周波電
圧１６の振幅を制御する。このようにして、照射室９に
患者１９がいない状態において、ゲインコントロール信
号１８を運転開始から終了まで制御装置１０に取込み、
照射のための最適な運転条件を記憶する。その後、患者
１９を照射室９に設置し、制御装置１０に記憶した運転
条件データ８４に従って制御装置１０で運転を制御す
る。

【００２９】次に、図９を用いて本発明を医療用装置に
適用した第３の実施例を説明する。図９は図１の実施例
と同じ機器構成で、制御装置１０が偏向磁石３の励磁電
流９１に基づいて、出射ビームのエネルギーを設定す
る。偏向磁石３の偏向磁場強度とシンクロトロンの軌道
上を安定に周回できるビームのエネルギーには相関があ
るので、このような制御が可能となる。シンクロトロン
を構成する偏向磁石３の励磁電流に基づいて出射に必要
な高周波電圧１６を発生するという点以外は図１の実施
例と同じであるので、ここでは説明を省略する。本実施
例では、偏向電磁石３の励磁電流により出射ビームのエ
ネルギーを設定したが、加速空胴５の周波数等により出
射ビームのエネルギーを設定することも可能である。

【００３０】以上説明した実施例では、医療用のシンク
ロトロンについて示したが、本発明の出射方法及び装置
は、高周波電磁界を用いて荷電粒子ビームを出射する全
ての円形加速器に適用可能である。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、荷電粒子ビームの照射
線量を必要とされる照射線量値に制御することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を医療用装置に適用した第１の実施例を
示す図。

【図２】本発明によるビーム出射方法を示す図。

【図３】出射に必要な高周波信号の周波数スペクトルを
示す図。

【図４】高周波信号発生装置の第１の実施例を示す図。

【図５】高周波信号発生装置の第２の実施例を示す図。

【図６】高周波信号発生装置の第３の実施例を示す図。

【図７】高周波信号発生装置の第４の実施例を示す図。

【図８】本発明を医療用装置に適用した第２の実施例を
示す図。

【図９】本発明を医療用装置に適用した第３の実施例を
示す図。

【図１０】安定限界一定でのビーム出射を説明する図。

【符号の説明】

１…前段加速器、２…入射器、３…偏向磁石、４…４極
磁石、５…加速空胴、６…出射器、７…電極、８…放射
線モニター、９…照射室、１０…制御装置、１１…高周
波信号発生装置、１２…比較器、１３…ゲインコントロ
ーラ、１５…高周波信号、１６…高周波電圧、１７…照
射線量の測定値、２０…加速器室、２１…制御室、３１
…ホワイトノイズ源、３２，３３，３４，３５…バンド
パスフィルター、４１，４２，４３，４４…発振器、４
５…加算器、４６，５１…コントローラ、５２…周波数
掃引器、６１…演算機、６２…Ｄ／Ａコンバータ、８１
…電流モニター、８２…ビーム電流の測定値。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西 正嗣 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

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】荷電粒子ビームに高周波電磁界を印加する
   ことにより加速器から荷電粒子ビームを出射する荷電粒
   子ビーム出射方法であって、 前記加速器から出射された荷電粒子ビームによる照射線
   量を測定し、測定された照射線量に応じて前記高周波電
   磁界の強度を制御することを特徴とする荷電粒子ビーム
   出射方法。
2. 【請求項２】入力される高周波信号に基づいて電磁界印
   加装置が発生する高周波電磁界を荷電粒子ビームに印加
   することによって、加速器から荷電粒子ビームを出射す
   る荷電粒子ビーム出射方法であって、 前記加速器から出射された荷電粒子ビームによる照射線
   量を測定し、測定された照射線量に応じて前記高周波信
   号の振幅を制御することを特徴とする荷電粒子ビーム出
   射方法。
3. 【請求項３】前記高周波信号の振幅は、前記測定された
   照射線量が予め設定された照射線量となるように制御さ
   れることを特徴とする請求項２記載の荷電粒子ビーム出
   射方法。
4. 【請求項４】入力された高周波信号に基づいて高周波電
   磁界を発生し、発生した高周波電磁界を荷電粒子ビーム
   に印加することによって加速器から荷電粒子ビームを出
   射する電磁界印加装置を備えた荷電粒子ビーム出射装置
   であって、 前記加速器から出射された荷電粒子ビームによる照射線
   量を測定する放射線モニターと、前記放射線モニターに
   より測定された照射線量に応じて前記高周波信号の振幅
   を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする荷電粒
   子ビーム出射装置。
5. 【請求項５】前記制御手段は、前記測定された照射線量
   と予め設定された照射線量とを比較する比較器と、前記
   比較器による比較結果に基づいて、前記放射線モニター
   により測定される照射線量が予め設定された照射線量と
   なるように前記高周波信号の振幅を制御するゲインコン
   トローラとを備えたことを特徴とする請求項４記載の荷
   電粒子ビーム出射装置。