JPWO2017145259A1

JPWO2017145259A1 - 重粒子線治療装置

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Publication number: JPWO2017145259A1
Application number: JP2018501445A
Authority: JP
Inventors: 山本　和男; 和男山本; 良夫今井; 祥太前田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-02-23
Filing date: 2016-02-23
Publication date: 2018-07-12
Also published as: TW201729865A; WO2017145259A1; TWI625144B

Abstract

この発明は、超電導シンクロトロン加速器と位相安定性原理を用いた円形加速器とを組み合わせて、加速器システムの敷地面積を縮小できる重粒子線治療装置を得る。
この発明の重粒子線治療装置は、変換前荷電粒子を生成するイオン源と、上記イオン源で生成された上記変換前荷電粒子を低エネルギーまで初期加速する入射器と、上記入射器で加速された上記変換前荷電粒子を荷電変換して得られた変換後荷電粒子を高エネルギーに加速するシンクロトロン加速器と、を備え、上記入射器は、位相安定性原理を用いた円形加速器であり、上記シンクロトロン加速器は、超電導コイルを有する超電導電磁石を偏向電磁石として用いるとともに、上記変換前荷電粒子を荷電子数が異なる上記変換後荷電粒子に変換する正イオン荷電変換装置を有する超電導シンクロトロン加速器であり、上記イオン源および上記円形加速器が、上記超電導シンクロトロン加速器の内周側に設置されている。

Description

この発明は、重粒子、例えば炭素イオンを加速器により高エネルギーまで加速して、腫瘍に照射する重粒子線治療装置にするものである。

従来の重粒子線治療装置では、荷電粒子を生成して予備加速する入射器と、入射器で予備加速された低エネルギーの荷電粒子を高エネルギーの粒子ビームに加速するシンクロトロン加速器と、シンクロトロン加速器で加速された粒子ビームを照射装置まで輸送する高エネルギー搬送路と、を備えていた（例えば、特許文献１参照）。この従来の重粒子線治療装置では、入射器が、シンクロトロン加速器の外側に設置されており、シンクロトロン加速器にイオン源と入射器を含めた加速器システムの敷地面積が増大していた。

また、シンクロトロン加速器に用いられる従来の偏向電磁石は、銅製の常電導コイルを用いた電磁石であり、最大磁場はヨークである鉄材の磁場飽和以下、すなわち２テスラ以下となる。そこで、荷電粒子の偏向半径を小さくできないので、シンクロトロン加速器が大径化し、加速器システムの敷地面積が増大してしまう。

このような状況を鑑み、ドーナツ型のシンクロトロン加速器の内周側にイオン源と入射器を設置して、加速器システムの敷地面積を縮小した従来の重粒子線治療装置が提案されていた（例えば、非特許文献１参照）。

一方、Ｈ＋イオンを高エネルギーまで加速して腫瘍に照射する従来の陽子線治療装置では、シンクロトロン加速器に替えて、入射器を必要としないサイクロトロン加速器やシンクロサイクロトロン加速器を用いて、小型化を図ったシステムが提案されていた（例えば、特許文献２参照）。

また、シンクロトロン加速器を用いた従来の陽子線治療装置では、ドーナツ型のシンクロトロン加速器の内周側にサイクロトロン加速器を設置し、該サイクロトロン加速器を入射器として用いて、小型化を図ったシステムが提案されていた（例えば、特許文献３参照）。この従来の陽子線治療装置では、サイクロトロン加速器を入射器として用いているので、イオン源から発生したＨ−イオンをサイクロトロン加速器でシンクロトロン加速器が加速可能なエネルギーまで初期加速し、サイクロトロン加速器とシンクロトロン加速器との間のビーム輸送路に設置された荷電極性変換装置によりＨ−イオンをＨ＋イオンに極性を反転してから、シンクロトロン加速器に入射していた。

特許第３９９３３３８号公報特許第３４７２６５７号公報特開平１０−５０５００号公報

Ｅ．Ｔａｋａｓｈｉｔａ，ｅｔ．ａｌ．，"ＣＯＭＭＩＳＳＩＯＮＩＮＧＲＥＰＯＲＴＯＦＫＡＮＡＧＡＷＡＣＡＮＣＥＲＣＥＮＴＥＲ"，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ１２ｔｈＡｎｎｕａｌＭｅｅｔｉｎｇｏｆＰａｒｔｉｃｌｅＡｃｃｅｌｅｒａｔｏｒＳｏｃｉｅｔｙｏｆＪａｐａｎ，Ｔｓｕｒｕｇａ，Ｊａｐａｎ，２０１５，Ａｕｇｕｓｔ５−７，p.３６１−３６４

非特許文献１による従来の重粒子線治療装置では、入射器をシンクロトロン加速器の内周側に設置して、加速器システムの敷地面積の縮小を図っていた。しかしながら、入射器は、線形加速器であり、シンクロトロン加速器で加速可能なエネルギーまで荷電粒子を加速する必要があるので、入射器の全長が長くなってしまう。また、偏向電磁石が常電導コイルを用いた電磁石により構成されているので、荷電粒子の偏向半径が大きく、シンクロトロン加速器の周長を短縮できなかった。したがって、非特許文献１による従来の重粒子線治療装置では、加速器システムの小型化が図れなかった。

このような状況を鑑み、超電導コイルを用いた電磁石により偏向電磁石を構成し、２テスラを超える強磁場を生成して荷電粒子の偏向半径を縮小させ、シンクロトロン加速器の周長を短縮して加速器システムを小型化することが試みられている。

しかしながら、偏向電磁石を超電導コイルを用いた電磁石により構成して、周長が短縮されたシンクロトロン加速器（以下、超電導シンクロトロン加速器とする）に蓄積できる荷電粒子数は減少するので、イオン源で発生する荷電粒子数を増大させる必要がある。さらには、超電導シンクロトロン加速器内において、増大された荷電粒子同士の反発力（空間荷電効果）によるビーム損失を防ぐために、入射器による初期加速エネルギーを増大する必要がある。これらにより、イオン発生源および線形加速器からなる入射器の全長が増大してしまう。あるいは、線形加速器の台数を多くする必要があり、入射器の全長が増大してしまう。その結果、超電導シンクロトロン加速器の小型化が実現できても、イオン源と入射器を超電導シンクロトロン加速器の内周側に設置できなくなり、加速器システムの敷地面積が反って増大してしまうという新たな課題があった。

ここで、サイクロトロン加速器では、連続ビームにすることで、荷電粒子数を増加させることができる。しかし、シンクロトロン加速器には、原理上、連続ビームを入射できない。また、重粒子線治療装置では、陽子線治療装置で行われているような加速粒子の極性を反転することができない。これらのことから、従来の陽子線治療装置に用いられているサイクロン加速器は、重粒子線治療装置の加速器システムの入射器に採用できない。

この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、超電導コイルを用いた超電導電磁石を偏向電磁石に採用して周長を短縮した超電導シンクロトロン加速器と、位相安定性原理を用いた円形加速器からなる入射器と、を組み合わせて、加速器システムの敷地面積を縮小できる重粒子線治療装置を得ることを目的とする。

この発明の重粒子線治療装置は、変換前荷電粒子を生成するイオン源と、上記イオン源で生成された上記変換前荷電粒子を低エネルギーまで初期加速する入射器と、上記入射器で加速された上記変換前荷電粒子を荷電変換して得られた変換後荷電粒子を高エネルギーに加速するシンクロトロン加速器と、治療室に設置された照射装置と、上記シンクロトロン加速器から高エネルギーの上記変換後荷電粒子を上記治療室の上記照射装置に搬送する高エネルギー搬送路と、を備える。上記入射器は、位相安定性原理を用いた円形加速器であり、上記シンクロトロン加速器は、超電導コイルを有する超電導電磁石を偏向電磁石として用いるとともに、上記変換前荷電粒子を荷電子数が異なる上記変換後荷電粒子に変換する正イオン荷電変換装置を有する超電導シンクロトロン加速器であり、上記イオン源および上記円形加速器が、上記超電導シンクロトロン加速器の内周側に設置されている。

この発明によれば、シンクロトロン加速器として超電導シンクロトロン加速器を用いているので、周長を短縮でき、小型化が図られる。また、入射器として位相安定性原理を用いた円形加速器を用いているので、超電導シンクロトロン加速器に多くの粒子数を入射することができる。これにより、超電導シンクロトロン加速器の内周側にイオン源および円形加速器を設置することが可能となり、超電導シンクロトロン加速器にイオン源および円形加速器を含めた加速器システムの小型化が図られ、加速器システムの敷地面積を縮小することができる。

この発明の実施の形態１に係る重粒子線治療装置の構成を説明する模式図である。この発明の実施の形態１に係る重粒子線治療装置に適用される加速器システムの構成を示す模式図である。この発明の実施の形態１に係る重粒子線治療装置に適用される加速器システムの入射装置の構成を示す模式図である。この発明の実施の形態１に係る重粒子線治療装置に適用される加速器システムの入射装置における荷電粒子の入射角度を説明する図である。サイクロトロン加速器とシンクロサイクロトロン加速器の出力ビーム波形を示す図である。高周波加速空洞に印加される高周波電圧波形を示す図である。この発明の実施の形態２に係る重粒子線治療装置に適用される加速器システムの構成を示す模式図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る重粒子線治療装置の構成を説明する模式図、図２はこの発明の実施の形態１に係る重粒子線治療装置に適用される加速器システムの構成を示す模式図である。

図１において、重粒子線治療装置１００は、荷電粒子ビームの供給源となる加速器システム２０１と、治療室２０２毎に設けられた照射装置２０３と、加速器システム２０１と照射装置２０３とをつなぎ、加速器システム２０１から各治療室２０２の照射装置２０３に荷電粒子ビームを搬送する高エネルギー輸送路２０４と、を備える。ここでは、説明の便宜上、入射される荷電粒子としてＣ４＋イオン、周回する荷電粒子としてＣ６＋イオンを例にとって説明する。そして、変換前荷電粒子がＣ４＋イオンであり、変換後荷電粒子がＣ６＋イオンである。

加速器システム２０１は、イオン源１、入射器としての円形加速器２、および超電導シンクロトロン加速器３からなる。イオン源１は、例えば、ミラーコイルと６極電磁石から構成されたＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｒｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）イオン源であり、メタンガスが導入されてＣ４＋イオンを生成する。円形加速器２は、位相安定性原理を用いたシンクロサイクロトロン加速器である。Ｃ４＋イオンは、シンクロサイクロトロン加速器の中心部に入射され、例えば、８ＭｅＶ／ｕまで初期加速される。

超電導シンクロトロン加速器３は、Ｃ６＋イオンが周回するリング状の真空ダクト４と、円形加速器２から供給されたＣ４＋イオンを真空ダクト４内の周回ビーム軌道Ａに入射するための入射装置５と、Ｃ６＋イオンが真空ダクト４内の周回ビーム軌道Ａに沿って周回するようにＣ６＋イオンの軌道を偏向させる偏向電磁石９と、周回ビーム軌道Ａ上を周回するＣ６＋イオンが発散しないように収束させる収束用電磁石１０と、周回するＣ６＋イオンに同期した高周波電圧を与えて加速する高周波加速空洞１１と、真空ダクト４内の周回ビーム軌道Ａを周回して加速されたＣ６＋イオンを真空ダクト４外に取り出して高エネルギー輸送路２０４に出射する出射装置１２と、を備える。

偏向電磁石９は、超電導コイルを用いた超電導電磁石である。偏向電磁石９は、真空ダクト４に周方向に互いに離間して複数台設置され、２テスラを超える強磁場を生成して真空ダクト４内を周回するＣ６＋イオンの軌道を偏向し、Ｃ６＋イオンを真空ダクト４内の周回ビーム軌道Ａに沿って周回させる。
真空ダクト４は、直線状の真空ダクト部４ａを偏向電磁石９の設置部でつなぎ合わせてリング状に構成されている。収束用電磁石１０は、四極電磁石で構成され、隣り合う偏向電磁石９間の真空ダクト部４ａのそれぞれに設置されている。高周波加速空洞１１は、隣り合う偏向電磁石９間の真空ダクト部４ａに設置されている。

入射装置５は、ビームバイパス２０と、円形加速器２から供給されたＣ４＋イオンの軌道を偏向させてビームバイパス２０内に入射させるセプタム電磁石６と、ビームバイパス２０内に入射したＣ４＋イオンを正イオン荷電変換法によりＣ６＋イオンに変換する正イオン荷電変換装置７と、Ｃ４＋イオンの軌道を偏向して正イオン荷電変換装置７に導くとともに、荷電変換されたＣ６＋イオンの軌道を偏向して真空ダクト４に戻す４つの偏向電磁石８と、から構成される。この正イオン荷電変換装置７は、Ｃ４＋イオンに電子を付与し、電荷の極性は変えずに電荷質量比を変えるものである。

つぎに、入射装置５の構成について図３および図４を用いて具体的に説明する。図３はこの発明の実施の形態１に係る重粒子線治療装置に適用される加速器システムの入射装置の構成を示す模式図、図４はこの発明の実施の形態１に係る重粒子線治療装置に適用される加速器システムの入射装置における荷電粒子の入射角度を説明する図である。なお、図３および図４において、ｑｃは周回する荷電粒子、すなわちＣ６＋イオンであり、ｑｉは入射する荷電粒子、すなわちＣ４＋イオンである。また、説明の便宜上、４つの偏向電磁石８に、入射装置５における並び順に８₁、８₂、８₃、８₄を付した。

ビームバイパス２０は、真空ダクト４の真空ダクト部４ａから内周側に分岐し、真空ダクト部４ａの内周側を真空ダクト部４ａと平行に通り、内周側から真空ダクト部４ａに連結されている。４つの偏向電磁石８₁〜８₄が、ビームバイパス２０の真空ダクト部４ａからの分岐部、真空ダクト部４ａと平行な部分の両端部、さらに真空ダクト部４ａとの連結部に設置されている。

ビームバイパス２０は、周回ビーム軌道Ａを周回する荷電粒子ｑｃが、偏向電磁石８₁により内周側に偏向され、ついで偏向電磁石８₂により外周側に偏向されて周回ビーム軌道Ａと略平行な軌道となり、ついで偏向電磁石８₃により外周側に偏向され、ついで偏向電磁石８₄により内周側に偏向されて、周回ビーム軌道Ａに戻るように構成される。そして、セプタム電磁石６により偏向された荷電粒子ｑｉは、偏向電磁石８₃の位置で、ビームバイパス２０に入射される。正イオン荷電変換装置７は、ビームバイパス２０の偏向電磁石８₃と偏向電磁石８₄との間に設置され、荷電粒子ｑｉを荷電粒子ｑｃに変換する。

荷電粒子ｑｃは、図４に示されるように、磁場固定の偏向電磁石８₃により外周側に角度θｃだけ偏向される。一方、荷電粒子ｑｉは、図４に示されるように、磁場固定の偏向電磁石８₃により外周側に角度θｉだけ偏向される。ここで、荷電粒子ｑｃと荷電粒子ｑｉは、価数が異なることから、偏向電磁石８₃が発生する同一磁場による偏向角度が異なる。そこで、偏向電磁石８₃により偏向された荷電粒子ｑｉが、偏向電磁石８₃により偏向された荷電粒子ｑｃの軌道に入るように、荷電粒子ｑｉのビームバイパス２０への入射角度が設定される。

荷電粒子ｑｃ（Ｃ６＋イオン）の価数が荷電粒子ｑｉ（Ｃ４＋イオン）の価数より多いので、荷電粒子ｑｃが偏向電磁石８₃により偏向される角度θｃは、荷電粒子ｑｃが偏向電磁石８₃により偏向される角度θｉより大きくなる。そこで、荷電粒子ｑｉを内周側から直接周回ビーム軌道Ａ、すなわち真空ダクト４に入射することができない。この実施の形態１では、４つの偏向電磁石８₁〜８₄により、真空ダクト４から内周側に迂回して真空ダクト４に戻るビームバイパス２０を構成し、荷電粒子ｑｉの内周側からの入射を実現している。

この加速器システム２０１では、円形加速器２から出力されたＣ４＋イオンは、偏向電磁石１４により軌道を偏向されて低エネルギー搬送路１３を通って、超電導シンクロトロン加速器３の内周側から入射装置５に供給される。そして、入射装置５に供給されたＣ４＋イオンは、セプタム電磁石６により偏向され、偏向電磁石８₃の位置で、ビームバイパス２０に入射される。そこで、Ｃ４＋イオンは、偏向電磁石８₃により外周側に偏向されてビームバイパス２０内のＣ６＋イオンの軌道に入り、正イオン荷電変換装置７によりＣ６＋イオンに荷電変換される。ついで、Ｃ６＋イオンは、偏向電磁石８₄により内周側に偏向されて真空ダクト４内の周回ビーム軌道Ａに乗る。

一方、Ｃ６＋イオンは、真空ダクト４内の周回ビーム軌道Ａを周回し、高エネルギーに加速される。そして、Ｃ４＋イオンの入射時には、周回ビーム軌道Ａを周回するＣ６＋イオンは、偏向電磁石８₁により内周側に偏向され、周回ビーム軌道Ａから分岐してビームバイパス２０に入る。ついで、偏向電磁石８₂により外周側に偏向されて軌道角度を元に戻し、偏向電磁石８₃により外周側に偏向される。ついで、偏向電磁石８₄により内周側に偏向されて真空ダクト４内の周回ビーム軌道Ａに戻る。

つぎに、円形加速器２としてシンクロサイクロトロン加速器を用いることの効果について説明する。図５はサイクロトロン加速器とシンクロサイクロトロン加速器の出力ビーム波形を示す図である。

サイクロトロン加速器は、図５に示されるように、連続ビームを出力する。一方、シンクロサイクロトロン加速器は、図５に示されるように、１ｍ秒オーダ間隔のパルスビームを出力する。一般に、シンクロサイクロトロン加速器は、高周波加速装置の位相安定性原理を用いることから、その出力の電流ピーク値は、サイクロトロン加速器の出力の電流ピーク値より高い。

超電導シンクロトロン加速器３は、入射ビームを受け取る時間が定められている。例えば、図５中、Ｔ_wが超電導シンクロトロン加速器３の入射ビームを受け取る時間範囲とすると、シンクロサイクロトロン加速器からの出力の方が、サイクロトロン加速器からの出力より、入射できる全電流量、すなわち粒子数が多くなる。したがって、円形加速器２としてシンクロサイクロトロン加速器を用いれば、超電導シンクロトロン加速器３に入射できる粒子数を増大できるので、超電導シンクロトロン加速器３の周長が短縮することに起因する蓄積できる粒子数の減少という課題を解決できる。

つぎに、位相安定性原理を用いるシンクロサイクロトロン加速器の動作について説明する。図６は高周波加速空洞に印加される高周波電圧波形を示す図である。図６において、縦軸は電圧値、横軸は時間である。

高周波加速空洞１１には、正弦波状の高周波電圧が印加される。ここで、この高周波電圧に同期した同期粒子の位相をφｓ、その周期をＴｒとするとき、このφｓがπ／２とπとの間にあるものとする。そして、粒子が、φｓより位相が進んでいるａ点で、高周波加速空洞１１から受けるエネルギーは、同期粒子が受けるエネルギーより大きいため、その周期Ｔが周期Ｔｒより長くなる。その結果、当該粒子は、次の周期でｂ点でエネルギーを受けることになり、同期粒子が次の周期でエネルギーを受ける周期φｓに近づく。

逆に、図示していないが、粒子が、φｓより位相が遅れている点で、高周波加速空洞１１から受けるエネルギーは、同期粒子が受けるエネルギーより小さいため、その周期Ｔが周期Ｔｒより短くなる。その結果、当該粒子が次の周期でエネルギーを受ける点は、同期粒子が次の周期でエネルギーを受ける周期φｓに近づく。

このように、位相が同期位相φｓを中心に振動する。つまり、ある範囲の位相にある粒子が，加速高周波と自動的に同期がとられる。そこで、高周波の位相のある範囲で高周波加速空洞１１を通過する粒子のみが正常に加速されることになり、シクロサイクロトロン加速器は、パルスビームを出力することができる。

高エネルギー輸送路２０４は、加速器システム２０１から取り出されたＣ６＋イオンの輸送経路となる真空ダクト２０５と、Ｃ６＋イオンのビーム軌道を切り替える切替電磁石２０６と、Ｃ６＋イオンのビーム軌道を偏向する偏向電磁石２０７と、を備える。そして、真空ダクト２０５内を進むＣ６＋イオンが、そのビーム軌道を必要に応じて切替電磁石２０６で変えられ、指定された治療室２０２に設けられた照射装置２０３に導かれ、腫瘍に照射される。

このように、実施の形態１による加速器システム２０１では、シクロトロン加速器として超電導シンクロトロン加速器３を用いているので、超電導シンクロトロン加速器３の周長が短縮され、小型化が図られる。また、円形加速器２としてシンクロサイクロトロン加速器を用いているので、超電導シンクロトロン加速器３に多くの粒子数を入射することができる。したがって、超電導シンクロトロン加速器３の内周側にイオン源１および円形加速器２を設置することができ、加速器システム２０１の小型化が図られる。

また、荷電粒子の荷電子数を変換する正イオン荷電変換装置７がビームバイパス２０に設置され、ビームバイパス２０に入射されたＣ４＋イオンをＣ６＋イオンに変換している。そこで、周回するＣ６＋イオンと入射するＣ４＋イオンとの一定磁場における偏向角度の違いをＣ４＋イオンの入射に利用しているので、入射装置５を複雑な構成とすることなく、Ｃ４＋イオンを周長が短縮された超電導シンクロトロン加速器３に入射することができる。

また、イオン源１が円形加速器２の外周側に設置されているので、加速粒子としてＣ４＋イオンのみを選別することが可能となり、円形加速器２内の放射汚染を低減できる。
また、重粒子線治療装置１００では、加速器システム２０１を用いているので、加速器システム２０１の敷地面積を縮小でき、重粒子線治療施設の建設コストを削減できる。

実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２に係る重粒子線治療装置に適用される加速器システムの構成を示す模式図である。

図７において、加速器システム２１１は、イオン源１、入射器としての円形加速器２、および超電導シンクロトロン加速器３を備え、円形加速器２から出射されたＣ４＋イオンが偏向電磁石１４により偏向されて低エネルギー搬送路１３を通って超電導シンクロトロン加速器３の外周側から入射装置５Ａに供給されている。また、円形加速器２は、位相安定性原理を用いたシンクロサイクロトロン加速器である。

入射装置５Ａは、ビームバイパス２１と、円形加速器２から供給されたＣ４＋イオンの軌道を偏向させてビームバイパス２１内に入射させるセプタム電磁石６と、ビームバイパス２１内に入射したＣ４＋イオンを正イオン荷電変換法によりＣ６＋イオンに変換する正イオン荷電変換装置７と、Ｃ４＋イオンの軌道を偏向して正イオン荷電変換装置７に導くとともに、荷電変換されたＣ６＋イオンの軌道を偏向して真空ダクト４に戻す４つの偏向電磁石８₁〜８₄と、から構成される。

ビームバイパス２１は、真空ダクト４の真空ダクト部４ａから外周側に分岐し、真空ダクト部４ａの外周側を真空ダクト部４ａと平行に通り、外周側から真空ダクト部４ａに連結されている。４つの偏向電磁石８₁〜８₄が、ビームバイパス２１の真空ダクト部４ａからの分岐部、真空ダクト部４ａと平行な部分の両端部、さらに真空ダクト部４ａとの連結部に設置されている。

ビームバイパス２１は、周回ビーム軌道Ａを周回するＣ６＋イオンが、偏向電磁石８₁により外周側に偏向され、ついで偏向電磁石８₂により内周側に偏向されて周回ビーム軌道Ａと略平行な軌道となり、ついで偏向電磁石８₃により内周側に偏向され、ついで偏向電磁石８₄により外周側に偏向されて、周回ビーム軌道Ａに戻るように構成される。そして、セプタム電磁石６により偏向されたＣ４＋イオンは、偏向電磁石８₃の位置で、ビームバイパス２１に入射される。正イオン荷電変換装置７は、ビームバイパス２１の偏向電磁石８₃と偏向電磁石８₄との間に設置され、Ｃ４＋イオンをＣ６＋イオンに変換する。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

実施の形態２においても、偏向電磁石８₃により偏向されたＣ４＋イオンが、偏向電磁石８₃により偏向されたＣ６＋イオンの軌道に入るように、Ｃ４＋イオンのビームバイパス２１への入射角度が設定される。

そこで、加速器システム２１１では、円形加速器２から出力されたＣ４＋イオンは、偏向電磁石１４により軌道を偏向されて低エネルギー搬送路１３を通って、超電導シンクロトロン加速器３の外周側から入射装置５Ａに供給される。そして、入射装置５Ａに供給されたＣ４＋イオンは、セプタム電磁石６により偏向され、偏向電磁石８₃の位置で、ビームバイパス２１に入射される。そこで、Ｃ４＋イオンは、偏向電磁石８₃により内周側に偏向されてビームバイパス２１内のＣ６＋イオンの軌道に入り、正イオン荷電変換装置７によりＣ６＋イオンに荷電変換される。ついで、Ｃ６＋イオンは、偏向電磁石８₄により外周側に偏向されて真空ダクト４内の周回ビーム軌道Ａに乗る。

一方、Ｃ６＋イオンは、真空ダクト４内の周回ビーム軌道Ａを周回し、高エネルギーに加速される。そして、Ｃ４＋イオンの入射時には、周回ビーム軌道Ａを周回するＣ６＋イオンは、偏向電磁石８₁により外周側に偏向され、周回ビーム軌道Ａから分岐してビームバイパス２１に入る。ついで、偏向電磁石８₂により内周側に偏向されて軌道角度を元に戻し、偏向電磁石８₃により内周側に偏向される。ついで、偏向電磁石８₄により外周側に偏向されて真空ダクト４内の周回ビーム軌道Ａに戻る。

この実施の形態２による加速器システム２１１においても、シクロトロン加速器として超電導シンクロトロン加速器３を用い、円形加速器２としてシンクロサイクロトロン加速器を用いているので、超電導シンクロトロン加速器３の内周側にイオン源１および円形加速器２に設置でき、加速器システム２１１の小型化が図られる。

なお、上記各実施の形態では、円形加速器２としてシンクロサイクロトロン加速器を用いたが、円形加速器は、シンクロサイクロトロン加速器に限定されず、位相安定性原理を用いた円形加速器であればよく、例えば、ＦＦＡＧ（ＦｉｘｅｄＦｉｅｌｄＡｌｔｅｒｎａｔｉｎｇＧｒａｄｉｅｎｔ：固定磁場高収束）加速器を用いてもよい。
また、上記各実施の形態では、入射される荷電粒子としてＣ４＋イオンを用い、荷電変換されて周回する荷電粒子としてＣ６＋イオンを用いるものとして説明しているが、入射される荷電粒子および周回する荷電粒子は、炭素イオンに限定されず、例えば、ヘリウムイオンなどを用いてもよい。
また、上記各実施の形態では、イオン源１が円形加速器２の外周側に設置されているが、イオン源１は円形加速器２の内周側に設置されてもよい。

Claims

変換前荷電粒子を生成するイオン源と、
上記イオン源で生成された上記変換前荷電粒子を低エネルギーまで初期加速する入射器と、
上記入射器で加速された上記変換前荷電粒子を荷電変換して得られた変換後荷電粒子を高エネルギーに加速するシンクロトロン加速器と、
治療室に設置された照射装置と、
上記シンクロトロン加速器から高エネルギーの上記変換後荷電粒子を上記治療室の上記照射装置に搬送する高エネルギー搬送路と、を備えた重粒子線治療装置において、
上記入射器は、位相安定性原理を用いた円形加速器であり、
上記シンクロトロン加速器は、超電導コイルを有する超電導電磁石を偏向電磁石として用いるとともに、上記変換前荷電粒子を荷電子数が異なる上記変換後荷電粒子に変換する正イオン荷電変換装置を有する超電導シンクロトロン加速器であり、
上記イオン源および上記円形加速器が、上記超電導シンクロトロン加速器の内周側に設置されている重粒子線治療装置。
上記超電導シンクロトロン加速器は、入射装置を備え、
上記入射装置は、上記変換後荷電粒子が周回するリング状の真空ダクトから内周側に分岐し、該真空ダクトの内周側を該変換後荷電粒子の周回方向に延びて該真空ダクトに連結されたビームバイパスと、上記ビームバイパスの上記真空ダクトからの分岐部に設置され、該真空ダクトを周回する上記変換後荷電粒子を内周側に偏向して該ビームダクト内に引き入れる第１電磁石と、上記ビームバイパスの上記真空ダクトとの連結部に設置され、上記ビームダクト内の上記変換後荷電粒子を内周側に偏向して上記真空ダクトに戻す第２電磁石と、上記ビームバイパスの上記第１電磁石と上記第２電磁石との間に設置され、上記変換後荷電粒子および上記変換前荷電粒子を外周側に偏向する第３電磁石と、低エネルギー搬送路により上記円形加速器から上記ビームバイパスの内周側に搬送された上記変換前荷電粒子を偏向して上記第３電磁石に入射する第４電磁石と、上記ビームバイパスの上記第１電磁石と上記第３電磁石との間に設置された上記正イオン荷電変換装置と、を有する請求項１記載の重粒子線治療装置。
上記超電導シンクロトロン加速器は、入射装置を備え、
上記入射装置は、上記変換後荷電粒子が周回するリング状の真空ダクトから外周側に分岐し、該真空ダクトの外周側を該変換後荷電粒子の周回方向に延びて該真空ダクトに連結されたビームバイパスと、上記ビームバイパスの上記真空ダクトからの分岐部に設置され、該真空ダクトを周回する上記変換後荷電粒子を外周側に偏向して該ビームダクト内に引き入れる第１電磁石と、上記ビームバイパスの上記真空ダクトとの連結部に設置され、上記ビームダクト内の上記変換後荷電粒子を外周側に偏向して上記真空ダクトに戻す第２電磁石と、上記ビームバイパスの上記第１電磁石と上記第２電磁石との間に設置され、上記変換後荷電粒子および上記変換前荷電粒子を内周側に偏向する第３電磁石と、低エネルギー搬送路により上記円形加速器から上記ビームバイパスの外周側に搬送された上記変換前荷電粒子を偏向して上記第３電磁石に入射する第４電磁石と、上記ビームバイパスの上記第１電磁石と上記第３電磁石との間に設置された上記正イオン荷電変換装置と、を有する請求項１記載の重粒子線治療装置。
上記円形加速器が、シンクロサイクロトロン加速器又はＦＦＡＧ加速器である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の重粒子線治療装置。
上記イオン源が、上記円形加速器の外周側に設置されている請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の重粒子線治療装置。