KR20050083810A - 전자 가속기 및 이것을 사용한 방사선 치료장치 - Google Patents

전자 가속기 및 이것을 사용한 방사선 치료장치 Download PDF

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KR20050083810A
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요시하루 모리
야스유키 아키네
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도꾸리쯔교세이호징 가가꾸 기쥬쯔 신꼬 기꼬
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Abstract

본 발명은 전자빔 강도가 강하고 소형 및 경량인 고정 자장형 강수속을 사용한 전자 가속기(2, 40 및 60)에 관한 것으로서, 진공 용기(10)와, 진공 용기(10)에 배치한 전자석(20)과, 진공 용기(10)에 전자빔을 입사시키는 전자빔 입사부(11)와, 전자빔을 가속하는 가속장치(13)와, 진공 용기(10)로부터 가속된 전자빔을 수송하는 전자빔 수송부(26)를 구비하고, 전자석(20)이, 집속 전자석(21)과 그 양측에 설치한 발산 전자석(22)으로 이루어지는 강수속 전자석, 또는, 집속 전자석(21)과 그 양측에 설치한 발산부로 이루어지는 강수속 전자석이며, 전자빔 수송부(26)의 직전의 진공 용기(10) 내에, X선을 발생시키는 내부 표적(25)을 설치하고, 가속된 전자빔과 X선을 선택 가능하게 인출한다. 가속 전압 10 MeV로 종래의 10배 이상에 해당하는 1 mA ∼ 10mA의 전자빔을 얻을 수 있으므로, 종래의 1/10 이하의 단시간에 암 조직 등에 전자빔 조사를 할 수 있는 방사선 치료장치(1)를 제공할 수 있다.

Description

전자 가속기 및 이것을 사용한 방사선 치료장치 {ELECTRON ACCELERATOR AND RADIOTHERAPY APPARATUS USING SAME}
본 발명은, 수 MeV ~ 십 수 MeV 에너지를 가지는 전자선을 발생시키고, 고정 자장형 강수속(强收束)에 의한, 전자 가속기 및 그것을 사용한 방사선 치료장치에 관한 것이다.
종래예 1의 전자빔 및 그리고 발생시킨 X선을 사용한 암 등의 방사선 치료장치로서는, 수 MeV ~ 십 수 MeV 정도의 에너지로 가속된 선형 가속기(직선형 전자 가속기)가 현재 주로 이용되고 있다(예를 들면, 하기 특허 문헌 1 참조). 또, 선형 가속기로서는, 마이크로트론 전자 가속기가 알려져 있다(예를 들면, 하기 특허 문헌 2 참조).
도 20은, 종래예 1의 의료용 선형 가속기의 구성의 일례를 나타낸 도면이다. 의료용 선형 가속기(100)는, 전자총(101)과, 가속기 디바이스(102)와, 가속기 디바이스(102)의 외부에 설치되는 자기(磁氣) 굴곡 장치(103)에 의해 구성되어 있다.
전자총(101)에 의해 가속기 디바이스(102)에 입사(入射)된 전자는, 가속기 디바이스(102)의 빔 축을 따라 가속된다. 가속기 디바이스(102)는, 마이크로파 가속 공동(空洞)으로 구성되고, 마이크로파 발진기(104)와 그 제어 회로(105)가 접속되어 있다. 마이크로파 발진기(104)는, 가속기 디바이스(102)의 가속 공동에 전자계(電磁界)를 발생시킨다. 전자가 가속기 디바이스(102)의 가속 공동을 통과할 때에, 마이크로파의 전자계에 의해 초점에 맞추어져 가속된다. 이와 같이 하여 가속된 전자빔(106)은, 사출창(107)으로부터 방사되어 출력 전자빔(108)이 되어, 방사선 치료에 이용된다.
또, 상기 출력 전자빔(108)이, 자기 굴곡 장치(103)로부터 궤도를 바꿀 수 있어서, 금 또는 텅스텐과 같은 X선을 발생시키는 타겟(표적)(109)에 조사(照射)됨으로써, X선 빔(110)을 발생시킬 수가 있다. 상기 X선 빔(110)도, 방사선 치료에 이용된다. 상기 가속기 디바이스(102)의 크기는, 전자빔을 10 MeV로 가속하기 위해, 길이가 2m정도 필요하다(예를 들면, 하기 특허 문헌 3 참조).
종래예 2의 다른 암 등의 방사선 치료장치로서, 중립자선 가속기가 있다. 중립자선 가속기는, 에너지가 크고, 전자선 및 X선에 의한 종래예 1의 선형 가속기와 비교해서, 암 조직에 한정된 조사가 가능해져서, 정상 조직에 입히는 손상이 작다고 하는 이점이 있다(예를 들면, 하기 특허 문헌 4 참조).
종래예 3의 가속기로서, 1953년에 일본국 오카와(大河)에 의해 제안된 고정 자장형 강수속 가속기(FFAG 가속기: Fixed Field Alternative Gradient 가속기)가 있다(하기 비특허 문헌 1 참조). FFGA 가속기는, 전자빔 등의 입자의 수속에 0(제로) 색수차(色數差)를 가지며, 이른바, 강수속 전자석을 사용하고, 종래의 싱크로트론(synchrotron) 가속기와 같이 가속에 따라 자장을 변화시킬 필요가 없고, 고정 자장에서 실시할 수 있는 특징이 있다. 따라서, 입자의 가속을 빨리 행할 수 있다.
그러나, FFAG 가속기는, 제안 당시의 기술 수준으로는 강수속 전자석을 실현하기 위한 정밀한 자장 분포의 실현 등이 곤란하였고, 최근에, 소립자 원자핵 물리 연구용으로 양자 가속용의 FFAG 장치의 설계 및 시작(試作)을 하게 되었다(예를 들면, 하기 비특허 문헌 2 및 비특허 문헌 3 참조).
또, 특허 문헌 5에 있어서, 베타트론(betatron) 가속장치를 사용한 FFAG 전자 가속기에있어서의 소음 저감 기술이 개시되어 있다. 상기 소음 저감 기술은, FFAG 전자 가속기로부터 발생하는 소음을 없애는 음을 스피커로부터 발생시키는 것이며, FFAG 전자 가속기 자체로부터의 소음을 없애는 것은 아니다.
[특허 문헌]
(1) 일본국 특개평10(1998)-64700호 공보(p4, 도 1)
(2)일본국 특개평07(1995)-169600호 공보(p2 ~ p3, 도 1 및 도 2)
(3)일본국 특개2001-21699호 공보(p2)
(4)일본국 특개2002-110400호 공보
(5)일본국 특개2003-159342호 공보
[비특허 문헌]
(1) 오카와 치히로(大河 千弘), 일본 물리학회 연차보고, 1953
(2) Y.Mori외 14명, “FFAG(Fixed-field Alternating Gradient) Proton Synchrotron”, 1999, The 12th Syposium on Accelerator Science and Technology, pp. 81-83
(3) 나카노(中野 讓) 및 KEKFFAG 그룹, 「150 MeV Fixed Fit Field Alternative Gradient(FFAG) Accelerator」2002년 9월, 일본국 원자핵 연구 Vol. 47, No. 4, pp. 91 ~ 101
종래예 1의 직선형 전자 가속기의 빔 강도는, 수 100μA로서 작기 때문에, 암 등의 방사선 치료에 걸리는 시간이 길어서 환자에게 부담이 되거나 호흡 운동에 의한 조사 영역의 위치가 맞지 않거나, 암 조직 등의 환부에 집중하여 조사 하는 것이 곤란한 등의 과제가 있다. 그러므로, 전자선 및 X선의 치료에서는, 종래예 2의 중립자선을 사용한 암치료장치에 비해, 암 조직에 한정된 조사가 곤란하고, 정상 조직에 입히는 손상이 크다.
또한, 종래예 1의 직선형 전자 가속기에서는, 전자를 가속하는 마이크로파 공동(空洞)에 X선을 발생시키는 타겟을 설치하면, 전자빔을 가속할 수 없기 때문에, 전자빔은 가속기로부터 인출 시에만 사용할 수 있다. 또, 종래예 1의 직선형 전자 가속기에서는, 전자빔을 가속기로부터 인출하여 X선을 발생시키는 등, 방사선의 방사에 의해 사용자의 건강을 해치지 않게 하기 위해, 방사선 실드의 설치가 필요하고, 설치에 비용이 든다. 또, 종래예 1의 직선형 전자 가속기에 있어서는 필요한 가속 전압을 얻기 위해 출력 전력이 큰 마이크로파 발진기가 필요하고, 또한 펄스 동작의 마이크로파 발진기 밖에 사용하지 못하고, 연속 운전을 할 수 없다.
한편, 종래예 2의 중립자선을 사용한 암 등의 방사선 치료장치는, 가속기의 길이가, 전자선 가속기의 2 ~ 수m에 대해서 10 m ~ 수 십m나 되고, 중량도 100톤이 넘는다. 또, 비용이 전자선 가속기의 100배나 들어서, 일반 병원에 간단하게 설치할 수 없는 문제가 있다.
또한, 종래 기술에 의한 가속장치에는, 극히 높은 주파수(수 GHz)의 m단위 길이가 큰 고주파 공동이 필요하다. 따라서, 극히 고도하고 고정밀도의 가공 기술이 요구되고, 제조 비용이 비싸지는 문제가 있다.
종래예 3의 FFAG 가속기에 있어서는, 종래예 1 및 종례예 2의 가속기에 대해서 빔 전류가 크고, 빨리 반복할 수 있는 가속기이지만, 현상태에 있어서는, 방사선 치료장치에 필요한 십 수 MeV 정도의 가속 전압을 가지면서, 일반 병원에 간단하게 설치할 수 있는 가속기는 아직도 실현되지 않은 것과, 가속기에 사용하는 가속장치 등으로 가청 주파수의 소음이 발생하는 등의 문제가 있다.
본 발명은, 이하의 상세한 설명 및 본 발명의 실시예를 나타낸 첨부 도면을 참조하여, 보다 잘 이해할 수 있게 된다. 그리고, 첨부 도면에 나타낸 실시예는 본 발명을 특정 또는 한정하기 위한 것이 아니고, 단지 본 발명의 설명 및 이해를 용이하게 하기 위해서 기재된 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 고정 자장형 강수속 전자 가속기를 사용한 암 등의 치료에 사용하는 방사선 치료장치의 일실시예의 구성을 나타낸 외관도이다.
도 2는 본 발명의 고정 자장형 강수속 전자 가속기의 개략 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 전자빔 입사부의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 4는 전자석의 구성예를 나타낸 사시도이다.
도 5는 전자석의 구성예를 나타낸 도면 4의 변형예의 사시도이다.
도 6은 전자빔 수송부의 구성을 나타낸 평면도이다.
도 7은 본 발명의 고정 자장형 강수속 전자 가속기로부터 발생되는 전자빔 궤도의 개략을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 고정 자장형 강수속 전자 가속기에 있어서, 전자를 10 MeV까지 가속하는 빔 궤도 계산을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 관한 실시예 2에 의한 고정 자장형 강수속 전자 가속기의 구성을 나타낸 측면에서 본 모식도이다.
도 10은 제1 전자빔 궤도 보정용 전자석에 의한 전자빔 궤도의 보정을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 제 1및 제2 전자빔 궤도 보정용 전자석에 의한 전자빔 궤도의 보정을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 12는 도 11에있어서의 위상 공간에서의 전자빔 궤도 시뮬레이션을 나타낸 도면이다.
도 13은 도 9의 빔 주사부의 구성인 스폿 주사를 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 14는 도 9의 빔 주사부의 다른 구성인 전자 주사를 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 15는 본 발명에 관한 제3의 실시예에 의한 고정 자장형 강수속 전자 가속기의 구성을 나타낸 측면에서 본 모식도이다.
도 16은 실시예 3에 사용하는 전자석의 구성을 나타내고, (a)는 전자석의 평면을 나타낸 평면도, (b)는 전자석의 코일부의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 17은 도 16에 나타낸 전자석의 여자(勵磁) 방법을 나타낸 도면이다.
도 18은 도 16에 나타낸 전자석의 다른 여자 방법을 나타낸 도면이다.
도 19는 도 16에 나타낸 전자석의 자속 밀도 분포를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 20은 종래의 의료용 선형 가속기의 구성의 일례를 나타낸 도면이다.
본 발명은, 상기 문제를 감안하여, 전자빔 강도가 강하고 소형이며 경량인 고정 자장형 강수속(强收束)을 사용한 전자 가속기와 단시간에 암 조직 등에 전자빔 조사를 할 수 있는, 고정 자장형 강수속 전자 가속기를 사용한 방사선 치료장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 전자 가속기는, 진공 용기와 상기 진공 용기 내 또는 진공 용기 밖에 설치되는 전자석과 진공 용기에 전자빔을 입사시키는 전자빔 입사부와 전자빔을 가속하는 가속장치와, 진공 용기로부터 가속된 전자빔을 수송하는 전자빔 수송부를 구비한 고정 자장형 강수속 전자 가속기로서, 전자석이 강수속 전자석이며, 상기 강수속 전자석은, 집속(集束) 전자석 및 집속 전자석의 양측에 설치된 발산 전자석으로 이루어지거나, 또는, 집속 전자석 및 집속 전자석의 양측에 설치된 발산부로 이루어져 있고, 전자빔 수송부의 직전의 진공 용기 내에 X선을 발생시키는 내부 표적을 설치하고, 가속된 전자빔과 X선을 선택 가능하게 인출할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 있어서 전자빔 입사부는, 바람직하게는, 전자총과 전자총으로부터 발생된 전자빔의 궤도를 바꾸어 진공 용기에 입사시키는 전자석을 구비하고 있다. 전자빔 수송부는, 바람직하게는, 진공 용기 밖으로 전자빔의 궤도를 바꾸는 전자석 또는 수속 렌즈를 구비하고, 전자빔 수송부를 통과하는 전자빔 또는 X선이 주사(走査) 된다. 또, 가속장치는, 고주파 가속 방식 또는 유도 가속 방식이며, 적어도 연속 출력 또는 펄스 발진기를 구비하고 있으면 적절한 조건을 갖추게 된다.
상기 구성에 의하면, 전자빔이, 강 집속 전자석과 고주파 등을 사용한 가속장치에 의해 효율적으로 가속됨으로써, 종래의 직선형 전자 가속기 등의 전자 가속기에 비해, 대체로 10배 이상의 전자빔과 상기 전자빔에 의한 X선을 선택 가능하게 발생하는 고정 자장형 강수속 전자 가속기가 제공된다. 또, 연속 출력 또는 펄스 출력으로, 저출력의 고주파 발진기를 가속장치로서 사용할 수 있기 때문에, 소형, 경량 및 저비용으로 제작할 수 있다.
또, 본 발명의 전자 가속기는, 진공 용기와 상기 진공 용기 내 또는 진공 용기 밖에 설치되는 전자석과 진공 용기에 전자빔을 입사시키는 전자빔 입사부와 전자빔을 가속하는 가속장치와, 진공 용기 내의 가속된 전자빔 인출용 전자석과 진공 용기로부터 가속된 전자빔을 수송하는 전자빔 수송부를 구비한 고정 자장형 강수속 전자 가속기로서, 전자석은 강수속 전자석이며, 상기 강수속 전자석은, 집속 전자석 및 집속 전자석의 양측에 설치된 발산 전자석으로 이루어지거나, 또는, 집속 전자석 및 집속 전자석의 양측에 설치된 발산부로 되어 있고, 전자빔 수송부로부터 출사(出射)한 전자빔이 주사되는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 있어서, 바람직하게는, 가속된 전자빔 수송부의 직전의 진공 용기 내에, X선을 발생시키는 내부 표적을 설치하고, 가속된 전자빔과 X선을 선택 가능하게 인출할 수 있다. 바람직하게는, 전자빔 또는 X선은, 적어도 핀홀 슬릿(pinhole slit)을 포함하는 주사부에 의해 주사된다.
상기 구성에 의하면, 종래의 직선형 전자 가속기 등의 전자 가속기에 비해, 대체로 10배 이상의 전자빔과 상기 전자빔에 의해 발생한 X선을 얻을 수 있고, 또한 전자빔 또는 X선을 주사할 수 있는 고정 자장형 강수속 전자 가속기가 제공된다. 또, 연속 출력 또는 펄스 출력으로, 저출력의 고주파 발진기를 가속장치로서 사용할 수 있어서, 소형, 경량 및 저비용으로 제작할 수 있다.
상기 구성에 있어서, 바람직하게는, 전자빔 수송부는 진공 용기 밖으로 전자빔의 궤도를 바꾸는 격벽(septum) 전자석 또는 수속 렌즈로 이루어지고, 진공 용기 내의 강수속용 전자석의 전자빔 출사부의 근방에 제1 전자빔 궤도 보정용 전자석이 설치되어 있다. 바람직하게는, 제1 전자빔 궤도 보정용 전자석은, 격벽 전자석 또는 수속 렌즈에 대해서, 전자빔 위상 공간에 있어서 π/2 라디안 지연된 위치에 설치되어 있다. 상기 구성에 의하면, 제1 전자빔 궤도 보정용 전자석을 구비함에 의해, 보다 강도가 강한 전자빔을 얻을 수 있다.
상기 구성에 있어서, 바람직하게는, 강수속용 전자석의 전자빔 입사부의 근방에, 제2 전자빔 궤도 보정용 전자석이 배치되고, 제2 전자빔 궤도 보정용 전자석이, 제1 전자빔 궤도 보정용 전자석과 함께, 전자빔의 궤도를 조정한다. 제 1및 제2 전자빔 궤도 보정용 전자석은, 바람직하게는, 전자빔 위상 공간에 있어서 nπ라디안(여기서 n은 정수)의 관계가 되는 위치에 설치된다. 상기 구성에 의하면, 제2 전자빔 궤도 보정용 전자석을 더 구비하는 것에 의해, 보다 강도가 강한 전자빔을 얻을 수 있다.
상기 구성에 있어서, 바람직하게는, 강수속용 전자석을 구성하는 전자석의 코일부는 분할 코일 구조이며, 분할 코일부의 각각의 전류가, 소정의 자장 분포가 되도록 구동 제어된다. 상기 구성에 의하면, 강수속 전자석을 분할 코일 구조의 전자석으로 하여, 각 코일부의 전류를 구동 제어함에 의해 자장 분포를 조정할 수 있고, 강도가 강한 연속 전자빔을 얻을 수 있다.
또, 본 발명의 전자 가속기는, 진공 용기와 상기 진공 용기 내 또는 진공 용기 밖에 설치되는 전자석과 진공 용기에 전자빔을 입사시키는 전자빔 입사부와 전자빔을 가속하는 가속장치와, 진공 용기 내의 가속된 전자빔 인출용 전자석과 진공 용기로부터 가속된 전자빔을 수송하는 전자빔 수송부를 구비한 고정 자장형 강수속 전자 가속기로서, 전자석이 강수속 전자석이며, 상기 강수속 전자석이, 집속 전자석 및 집속 전자석의 양측에 설치된 발산 전자석으로 이루어지거나, 또는, 집속 전자석 및 집속 전자석의 양측에 설치된 발산부로 이루어지고, 강수속용 전자석을 구성하는 전자석의 코일부가 분할 코일 구조이며, 분할 코일부의 각각의 전류가, 소정의 자장 분포가 되도록 구동 제어되는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 있어서, 바람직하게는, 분할 코일부의 각 부의 전류는, 각 코일부에 병렬로 접속되는 저항에 의해 제어되거나, 각 코일부에 접속되는 전류원에 의해 제어된다.
상기 구성에 의하면, 강수속 전자석이 분할 코일 구조이므로, 각 코일부의 전류를 최적 자장 분포로 할 수 있고, 보다 강도가 강한 전자빔을 얻을 수 있다. 전자석을 직류 구동하고, 가속장치가 가청 주파수 이상의 고주파 발진기를 사용할 수 있기 때문에, 전자 가속기로부터 소음이 발생하지 않는다.
또, 본 발명의 전자 가속기를 사용한 방사선 치료장치는, 전자선 또는 X선을 선택 가능하게 발생시키는 전자 가속기와, 조사 헤드와, 지지부와, 피치료자를 탑재하는 치료대로 구성되며, 상기 전자 가속기가, 고정 자장형 강수속 전자 가속기인 것을 특징으로 한다. 상기 구성에 의하면, 고정 자장형 강수속 전자 가속기를 사용하기 때문에, 전자빔 강도가 대체로 10배 이상 강하고, 주사 등을 용이하게 할 수 있기 때문에, 암 등의 조직에 조사하는 시간이 10분의 1이하로 단축할 수 있다. 또, 소형, 경량이며, 소음이 발생하지 않고 저비용이므로, 일반 병원에 있어서도 설치할 수가 있다.
이하, 도면에 나타낸 실시예에 따라서, 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2는, 본 발명에 의한 고정 자장형 강수속 전자 가속기를 사용한 암 등의 치료에 사용하는 방사선 치료장치의 일실시예의 구성을 나타낸 외관도 및 고정 자장형 강수속 전자 가속기의 구성을 측면에서 본 모식도이다.
도 1에 있어서, 고정 자장형 강수속 전자 가속기를 사용한 방사선 치료장치(1)는, 전자를 가속하는 고정 자장형 강수속 전자 가속기(2)와 고정 자장형 강수속 전자 가속기(2)를 지지하는 지지부(3)와 피치료자를 탑재하는 치료대(4)로 구성되어 있다.
고정 자장형 강수속 전자 가속기(2)의 치료대(4)측의 부분(2a)는, 후술하는 전자빔 수송부(26)이 내부에 수용되어 있는 전자빔 수송 부분이며, 전자빔 수송부(26)의 선단이, 전자빔 또는 전자빔을 사용하여 발생시킨 X선을 피치료자에게 조사하기 위한 조사 헤드(2b)로 되어 있다. 고정 자장형 강수속 전자 가속기(2)는, 피치료자에게 임의의 각도로 조사 가능하도록 지지부(3)에, 회전 가동부에 지지되어 있다(도 1의 화살표 참조).
다음에, 고정 자장형 강수속 전자 가속기(2)에 대하여 설명한다.
도 2에 있어서, 고정 자장형 강수속 전자 가속기(2)는, 진공 용기(10)와, 전자빔 입사부(11)와, 전자석(20)(20a ~ 20f)과, 가속장치(13)와, 전자빔 수송부(26)로 구성되어 있다. 진공 용기(10)는, 진공되는 링형의 중공(中空) 용기이다. 전자빔 입사부(11)는, 전자총 등으로 구성되어 있다. 전자석(20)은, 진공 용기(10)을 주회하도록 설치되어 있고, 고정 자장을 발생시키는 전자석이며, 각 전자석(20)은, 집속 전자석(21)의 양측에 발산 전자석(22)을 구비하고 있다. 그리고, 도 2에서는, 전자석의 아래쪽 반 밖에 나타내고 있지 않지만, 그 위쪽에도, 동일 구조의 전자석이 정면으로 대하도록 설치되어 있다.
여기서, 전자석(20)은, 진공 용기 내에 설치 할 수 있다. 또, 진공 용기가 비자성 재료인 경우에는, 전자석(20)을 진공 용기 외측에 설치하여, 진공 용기 내에 자장 분포를 형성하는 구조로 할 수도 있다. 비자성 재료로서는, Al(알루미늄) 등을 사용할 수 있다. 또, 진공 용기(10)의 대략적인 폭을 L로 나타내고 있지만, 10 MeV의 가속 전압을 얻기 위한 L은, 약 1 m이다.
다음에, 전자빔 입사부(11)에 대하여 설명한다. 도 3은 전자빔 입사부(11)의 구성을 나타낸 개략도이다. 도 3에 있어서, 전자빔 입사부(11)는 전자총(14)과 키커(kicker) 자석(15)을 구비하고 있다. 전자총(14)으로부터 발생된 전자는, 키커 자석(15)에 의해 궤도가 진공 용기(10)내로 절곡되어, 입사 전자빔(16)이 된다.
다음에, 전자석(20)에 대하여 설명한다. 여기서 사용하는 전자석(20)은, 본 발명자가 2001년 10월 31일 일본국 특원2001-334461호에 개시한 전자석 등을 사용할 수 있다. 도 4는 상기 전자석의 구성예를 나타낸 사시도이다. 도시한 바와 같이, 전자석(20)은, 집속 전자석(21)의 양측에 발산 전자석(22)을 가지는 강수속 전자석을 구비하고 있다. 도 4에 있어서 상방이 전자석(20)의 진공 용기(10)의 외주측이고, 하방이 전자석(20)의 진공 용기(10)의 내주측이다. 집속 전자석(21)과 발산 전자석(22)에는, 각각 코일(23a)과 코일(23b)이 권취되어 있다.
그리고, 집속 전자석(21)과 발산 전자석(22)의 코일(23a)과 코일(23b)에는, 직류에 의한 일정한 자장, 즉, 고정 자장을 발생하도록 전압과 전류가 인가되어 자장의 방향은 서로 반대 방향으로 되어 있다. 도면 중의 화살표(21a 및 22a)는, 각각 집속 전자석(21)과 발산 전자석(22)의 자장의 방향을 나타내고 있다.
여기서, 집속 전자석(21) 및 발산 전자석(22)에서 발생시킨 자속은, 각각, 발산 전자석(22) 및 집속 전자석(21)에 직접 되돌아간다, 이른바, 정자장과 역자장이 폐(loop) 자기 회로를 형성한다. 따라서, 종래, 자기 회로를 구성하기 위해 불가결한 리턴 요크(return yoke)를 사용할 필요가 없어져, 전자빔의 입사와 인출이 용이하게 된다. 상기 전자석(20)은, 자장 강도의 일례로서, 0.5 T(테슬라) 정도의 자속 밀도를 얻을 수 있다. 또, 전자석(20)으로서, 초전도 자석을 사용하여도 된다. 또한, 전자석(20)은, 집속 전자석(21)의 양측에 설치되는 발산 단부를 구비하는 것에 의해, 강수속 전자석으로 할 수도 있다.
도 5는, 전자석의 다른 구성예를 나타낸 사시도이다. 도시한 바와 같이, 전자석(20')은, 도 4의 전자석(20)에 더하여서, 자기 회로를 형성하는 분리(shunt) 요크(24)가, 전자석(20')의 상부와 하부에 설치되어 있다. 다른 구성은, 도 4와 동일하므로 설명은 생략한다.
이로써, 발산 전자석(22)의 리턴 플럭스(fulx, 자속)의 일부는, 자기 회로가 되는 분리 요크(24)에 흐르므로, 발산 전자석(22)로부터 생기는 발산 자장 강도의 크기를 조정하는 것이 가능하게 되어, 발산 궤도의 조정이 용이해진다.
그리고, 상기 전자석은 어디까지나 구성예의 일례이며, 다른 구성으로 할 수도 있다. 예를 들면, 분리 요크(24)는, 발산 자장 강도에 따라, 상하 어느 쪽으로 1개로 할 수도 있다. 또, 발산 전자석(22)의 코일(23b)을 생략하여, 집속 전자석(21)으로부터의 자장에 의해 유기되는 자장, 또는, 단부 형상으로부터 유기되는 발산 자장을 사용하여도 된다.
다음에, 전자석의 작용에 대하여 설명한다.
도 2에서도 설명한 것처럼, 도 4에 있어서 전자석이 한 개 밖에 나타내고 있지 않지만, 동일 구조의 전자석이 정면으로 대하도록 도 우측(도시하지 않음)에 설치되어 있다. 따라서, 도 5에 있어서 전자석(20)의 고정 자장에 수직으로 입사하는 점선으로 나타낸 입사 전자빔(16)은, 점선과 같이, 발산, 수속, 발산에 따른 궤도가 된다. 여기서, 도 2에서는 전자석(20)(20a ~ 20f)이 진공 용기(10)내에 6개 배치되는 예를 나타내고 있지만, 후술하는 바와 같이 전자빔이 전자석(20)에 의한 고정 자장 분포에 순차적으로 통과되어, 진공 용기(10) 내를 주회(周廻)한다. 이로써, 전자석(20)에 의해 형성되는 고정 자장 분포에 의해, 전자빔을 진공 용기(10)내에 있어서 양호한 수속성으로 주회시킬 수가 있다. 이러한 작용을 고정 자장형 강수속이라고 한다.
다음에, 가속장치(13)에 대하여 설명한다. 전자빔을 가속하기 위한 가속장치(13)는, 도 2에 있어서 전자석(20b)과 전자석(20c) 사이에 형성되어 있다. 가속장치(13)는, 고주파 발진기와 그 제어 장치 등으로 구성되어 있다. 상기 가속장치(13)는, 전자빔을 가속하는 고주파 에너지를 가하는 안테나나 코일 등의 에너지 공급 수단 만이 진공 용기 내에 설치되어 있으면 되고, 다른 고주파 발진기와 그 제어 장치 또는 전원 등은 진공 용기 밖에 설치할 수도 있다. 이 때, 전자빔이, 고주파 가속 방식 또는 유도 가속 방식을 사용한 가속장치(13)로 가속된다. 고주파 발진기를 사용한 가속장치(13)의 경우, 주파수가 5 MHz ~ 수 100 MHz로, 전력이 500 kW의 경우에, 가속 전압은 수 십 kV를 얻을 수 있다. 여기서, 고주파 발진기로서, 연속 동작 또는 펄스 동작의 발진기를 사용할 수 있다. 또, 가속장치(13)의 주파수를 가청 주파수 이상으로 하면, 소음이 발생하지 않게 할 수 있다.
다음에, 전자빔 수송부(26)에 대하여 설명한다. 도 6은, 전자빔 수송부(26)의 구성을 나타낸 평면도이다. 도시한 바와 같이, 10 MeV ~ 15 MeV로 가속된 전자빔(27)이, 전자빔 수송부(26)에 입사된다. 상기 전자빔(27)을 가속기 외부로 인출할 경우, 격벽 전극, 격벽 자석, 키커 자석(28) 중, 어느 하나와 수속 렌즈(29)를 사용하여 행해진다.
다음에, 본 발명의, 고정 자장형 강수속 전자 가속기의 전자빔 궤도에 대하여 설명한다.
도 7은, 본 발명의 고정 자장형 강수속 전자 가속기로부터 발생되는 전자빔 궤도의 개략을 나타낸 도면이다. 도시한 바와 같이, 전자빔 입사부(11)로부터의 입사 전자빔(16)이 진공 용기(10) 내로 입사한다. 입사 전자빔(16)은, 전자석(20)에 의해 진공 용기(10)내에서 가속장치(13)에 의해 가속되면서, 소정의 가속 전압이 될 때까지 주회 한다. 도면 중의 점선은 전자빔(16)의 모식적인 궤도를 나타내고 있다. 입사 전자빔(16)이 진공 용기(10)를 일주하고, 2주 째의 전자빔(17)이 된다. 도시한 바와 같이, 전자빔(16 및 17)의 궤도는 대략 동심원이 되어, 전자빔 에너지의 증가와 함께, 직경은 아주 조금씩 크게 되고, 소정의 가속 전압까지 가속된다. 전자빔(18)은, 소정의 가속 전압이 된 전자빔이다.
따라서, 가속 전자빔 궤도와 최고 에너지에서의 전자빔 궤도가 공간적으로 분리되어 있으므로, 진공 용기(10)내에, X선(31)의 발생을 위해서 사용하는 내부 표적(25)을 설치하는 것이 용이해진다.
전자빔(27)과 X선을 선택 가능하게 외부로 인출하는 방법으로서, 전자빔(27)을 외부로 인출하는 경우에는, 내부 표적(25)을 전자빔(27)에 의해 조사되지 않는 위치로 이동해, 전자빔(27)을 전자빔 수송부(26)에 입사시키면 된다. 이에 비해, X선을 외부로 인출하는 경우에는, X선을 발생시킬 때에만 내부 표적(25)을 진공 용기(10)내에서 이동하고, 전자빔(27)을 내부 표적(25)에 조사하여 X선을 발생시키면 된다.
이같이 하여, 10 MeV ~ 15 MeV로 가속된 전자빔(27)은, 진공 용기(10)로부터 인출되어 이용되는 경우와 내부 표적(25)에 의해 X선(31)으로 변환되어 이용되는 경우, 양쪽 다 이용되는 경우가 있다.
도 8은, 본 발명의 고정 자장 강수속 전자 가속기에 있어서, 전자를 10 MeV까지 가속하는 빔 궤도 계산을 나타낸 도면이다. 도면의 수평 및 수직 베타트론 튠(betatron tune)은, 전자빔이 진공 용기(10) 내를 수속, 발산을 반복하여 진동 운동을 행할 때의, 폐궤도의 주위를 1바퀴 돌 때의 진동수이다. 상기 진동수는, 전자빔이 진공 용기(10)를 1바퀴 돌 때의 전자빔의 수평 방향과 수직 방향의 진동수이다.
상기 결과로부터, 빔 입사와 가속된 빔 출사로 인하여, 수평과 수직 양쪽 방향의 베타트론 튠이 가속 에너지에 의해 크게 변화하지 않고, 전자빔이 양호하게 수속하고 있는 것을 알 수 있다. 이로써, 전자석(20)에 의한 고정 자장 분포에 의해, 전자빔이 가속 되어도 빔의 수속성이 가속 에너지와 함께 그다지 변화하지 않는, 이른바, 영색수차 형상을 가지고 있는 것을 알 수 있다. 또, 빔의 수속성이 에너지에 의존하는 비영색수차 형상의 경우도, 빔의 가속 속도가 극히 빠른 경우에는 빔 가속이 가능하다.
또, 본 발명의 고정 자장형 강수속 전자 가속기(2)에서는, 시간적으로 변화하지 않는 고정 자장을 사용하므로, 자장 강도가 시간적으로 변화하는 통상의 가속기와 비교해서, 극히 고반복으로 가속이 가능하다.
다음에, 본 발명의 고정 자장형 강수속 전자 가속기의 동작에 대하여 설명한다.
본 발명의 고정 자장형 강수속 전자 가속기(2)는, 최초에, 전자총(14)에 의해 생성된 전자빔(16)이, 전자빔 입사부(11)에 의해 진공 용기(10) 내에 입사된다. 입사한 전자빔(16)은, 전자석(20)의 고정 자장 분포에 의한 강수속 작용에 의해 전자빔의 발산을 못하게 되고, 또한, 진공 용기(10) 내의 전자빔의 궤도 상에 배치한 가속장치(13)에 의해 전자빔이 가속된다. 가속장치(13)에 의해 가속된 전자빔은, 또한 전자석(20)의 고정 자장에 의해, 진공 용기(10)내를 대략 링형으로, 대체로 100 ~ 1000회 주회하면서 주회할 때마다 가속장치(13)에 의해 가속된다.
이같이 하여, 입사한 전자빔(16)은, 원하는 가속 전압에 이를 때까지 서서히 가속 전압을 높일 수 있다. 소정의 가속 전압까지 가속된 전자빔(27)은, 전자빔 수송부(26)에 있어서, 궤도를 외부로 굴곡시킬 수 있다. 이로써, 전자빔(30)을 외부로 인출할 수가 있다.
또, 본 발명의 고정 자장형 강수속 전자 가속기(2)에 있어서는, 전자빔 궤도 위치가, 전자빔 에너지의 증가와 함께, 진공 용기(10)의 외주측으로 약간 크게 되므로, 입사 전자빔(16)의 궤도와, 최고 에너지에서의 전자빔 궤도(18)가 공간적으로 분리되어 있다. 이로써, 전자빔을 진공 용기(10) 밖으로 인출하는 것과, 진공 용기(10) 내에 X선(31)의 발생을 위해서, 사용하는 내부 표적(25)를 설치하는 것, 양쪽 다 용이해진다. 즉, 전자빔(27)은, 진공 용기(10)로부터 인출되어 이용되는 경우와 내부 표적(25)에 의해 X선(31)으로 변환되어 이용되는 경우가 있다.
다음에, 본 발명의 고정 자장형 강수속 전자 가속기의 특징에 대하여 설명한다.
고정 자장형 강수속 전자 가속기에 사용하는 전자석(20)은 고정 자장형이며, 고반복 가속이 가능한 것 외에, 종래의 직선형 가속기와 같은 매우 높은 가속 전기장을 필요로 하지 않는다.
또, 본 발명의 고정 자장형 강수속 전자 가속기의 전자빔 가속 효율(duty factor)은, 수10% 이상의 고효율을 얻을 수 있다. 이에 비해, 종래의 직선 가속기에서는, 전자빔 강도가 약하기 때문에, 일반적으로 수 %의 효율이다.
여기서, 전자빔 가속 효율은, 전자빔 파워(1전자빔 에너지 × 전자빔 전류)를 전자빔 가속에 필요한 전력(1 고주파 가속 또는 유도 가속에서의 전력)으로 나눈 값이다.
따라서, 종래의 전자 가속기에 비해, 10배 이상인 1 mA에서 10 mA의 전자빔 강도 및 상기 전자빔에 의한 X선을 얻을 수 있다.
또, 본 발명의 고정 자장형 강수속 전자 가속기(2)는, 종래의 가속장치로 사용되고 있는 극히 높은 수 GHz의 마이크로파 대의 주파수를 사용한 발진기를 사용하지 않기 때문에, 고도의 기술이 요구되고, 또한 비용이 높은 고주파 공동이 불필요하다. 본 발명의 고정 자장형 강수속 전자 가속기(2)에 사용하는 가속장치(13)는, 전자빔을 전자석(20)에 의해 수속시키면서, 또한 여러번 주회시키면서 가속하므로, 1회 당의 가속 전압을 낮게 하여도, 소정의 가속 전압으로 가속할 수 있다. 또, 극히 저주파수(수 kHz ~ 수십 MHz)로 연속 동작의 저출력 고주파 발진기를 사용할 수 있으므로, 저비용이다. 따라서, 전자빔 강도가 10배 이상의 1 mA ~ 10 mA이면서, 장치의 크기는 종래와 동일한 정도이므로, 종래의 전자빔 가속기와 동일한 정도의 비용으로 제조할 수 있다.
다음에, 본 발명의 고정 자장형 강수속 전자 가속기에 관한 실시예 2를 설명한다.
도 9는, 본 발명에 관한 실시예 2에 의한 고정 자장형 강수속 전자 가속기의 구성을 측면에서 본 모식도이다. 실시예 2에 의한 고정 자장형 강수속 전자 가속기(40)에서는, 제1 전자빔 궤도 보정용 전자석(41)과, 제2 전자빔 궤도 보정용 전자석(42)과, 빔 주사부(43)를 구비하고, 또한, 전자석(20a) 내지 전자석(20e)을 직류로 구동하도록 구성되어 있는 점이, 도 7에 나타낸 고정 자장형 강수속 전자 가속기(2)와 다르다. 전자빔(27')은 최고 에너지인 10 MeV ~ 15 MeV로 가속된 전자빔을 나타내고 있다. 다른 구성은, 도 7과 동일 구성이므로 설명은 생략한다.
제1 전자빔 궤도 보정용 전자석(41)은, 진공 용기(10)내의 내부 표적(25)과 전자석(20e) 사이의 영역에 삽입되고, 전자빔 궤도(16, 17 및 18)의 보정에 이용된다. 마찬가지로, 제2 전자빔 궤도 보정용 전자석(42)은 진공 용기(10) 내에 설치되어 전자빔 입사부(11)에 대향하는 위치에 설치된다. 여기서, 제 1및 제2 전자빔 궤도 보정용 전자석(41 및 42)는, 윈도우없는 전자석을 사용할 수 있다. 또, 제1 전자빔 궤도 보정용 전자석(41)만으로도, 전자빔 궤도를 보정해서 전자빔을 출사하는 것이 가능하다.
먼저, 제1 전자빔 궤도 보정용 전자석에 의한 전자빔 궤도의 보정에 대하여 설명한다.
도 10은, 제1 전자빔 궤도 보정용 전자석(41)에 의한 전자빔 궤도의 보정을 모식적으로 나타낸 도면이다. 제1 전자빔 궤도 보정용 전자석(41)은, 전자빔 수송부(26)에 설치되어 있는 격벽 전극 또는 격벽 전자석(28)에 대해서, 전자빔 위상 공간으로 π/2 라디안 지연된 위치에 설치되어 있다.
도면 중의 선은 소정의 가속 전압된 전자빔(18)과 소정의 가속 전압이 되는 최근접의 전자빔(17')을 나타내고 있다. 전자빔(18)의 점선부(18')는, 격벽 전극 또는 전자석(28)이 없는 경우의 전자빔의 궤도를 나타내고 있다. 도면에서 명백하게 나타낸 것 처럼, 격벽 전극 또는 전자석(28)은 제1 전자빔 궤도 보정용 전자석(41)에 대해서 전자빔 위상 공간으로 π/2 라디안 진행되는 위치에 설치되어 있어서, 소정의 가속 전압이 된 전자빔(18)이, 격벽 전극 또는 전자석(28)에 입사되고, 가장 효율적으로 궤도 수정이 되어서 전자빔(46)이 되어, 빔 주사부(43)에 출사된다. 제1 전자빔 궤도 보정용 전자석(41)의 설치에 의해, 전자빔 궤도의 보정 및 빔 출사를 효율적으로 행할 수 있다.
도 11은, 제1 및 제2 전자빔 궤도 보정용 전자석(41 및 42)에 의한 전자빔 궤도의 보정을 모식적으로 나타낸 도면이다. 제1 및 제2 전자빔 궤도 보정용 전자석(41 및 42)는, 전자빔 위상 공간에서 180도의 정수 배(nπ라디안, 여기서 n은 정수)가 되도록 배치되어 있다. 도면에서 명백하게 나타낸 것 처럼, 격벽 전극 또는 격벽 전자석(28)에 대해서, 제1 및 제2 전자빔 궤도 보정용 전자석 (41 및 42)이, 전자빔 위상 공간에서 180도의 정수 배로 설치되어 있어서, 소정의 가속 전압이 된 전자빔(18)이, 격벽 전극 또는 격벽 전자석(28)에 입사되어 가장 효율적으로 궤도가 수정된 전자빔(47)이 되어, 빔 주사부(43)에 출사된다.
도 12는, 도 11에 있어서의 위상 공간에서의 전자빔 궤도 시뮬레이션을 나타낸 도면이다. 도면에 있어서, 가로축은 반경 방향의 거리 R(mm)을 나타내고, 세로축은 위상 각도(mrad)를 나타내고 있다. 도면에서 명백하게 나타낸 것 처럼, R = 1000 mm, 즉, 1m 보다도 커지면 급격하게 위상 각도가 커지고, 전자빔이 인출되는 것을 알 수 있다. 이로써, 제1 전자빔 궤도 보정용 전자석(41), 또는, 제 1및 제2 전자빔 궤도 보정용 전자석(41 및 42)을 설치해서, 전자빔 궤도의 보정 및 빔 출사가 정밀하게 행해지는 것을 알 수 있다.
다음에, 빔 주사부 에 대하여 설명한다. 빔 주사부(43)는 전자빔 또는 X선(27')을, 이들 빔(27')의 직진 방향의 수직 평면(XY 평면)에서 임의의 방향으로 이동, 즉 주사를 행하는 영역이다. 도 13은, 도 9의 빔 주사부의 구성인 스폿 주사를 모식적으로 나타낸 사시도이다. 도시한 바와 같이, 전자빔 또는 X선(27')은, 렌즈(50 및 51)에 의해 그 빔 직경이 확대되어, 핀홀 슬릿(52)이 도시하는 X 및 Y 방향으로 주사됨으로써, 주사된 전자빔 또는 X선(44)을 얻을 수 있다.
도 14는 도 9의 빔 주사부의 다른 구성인 전자 주사를 모식적으로 나타낸 사시도이다. 도 14에 있어서, 전자빔(27')은, 정전(靜電) 렌즈 또는 전자 렌즈 혹은 이들의 조합으로 이루어지는 렌즈(53 및 54)의 구동 회로(도시하지 않음)에 의해, 전자빔이 X 및 Y 방향으로 주사된다. 이로써, 본 발명의 고정 자장형 강수속 전자 가속기(40)에 의하면, 전자빔 또는 X선(27')은 스폿 주사에 의해 주사할 수 있고, 또, 전자빔 유닛은 전자 주사에 의해, 고속 및 효율적으로 주사할 수 있다.
이상, 본 발명의 고정 자장형 강수속 전자 가속기(40)에 의하면, 전자빔의 궤도 보정을 할 수 있어서, 전자빔 또는 X선의 인출이, 연속적으로, 또한, 효율적으로 행해진다. 또, 빔 주사부에 의해, 전자빔 또는 X선의 주사를 할 수 있다.
다음에, 본 발명의 고정 자장형 강수속 전자 가속기에 관한 실시예 3을 설명한다.
도 15는, 본 발명에 관한 실시예 3에 의한 고정 자장형 강수속 전자 가속기의 구성을 측면에서 본 모식도이다. 도시하는 고정 자장형 강수속 전자 가속기(60)가 전자석(62)을 구비하고 있는 점이, 도 9에 나타낸 고정 자장형 강수속 전자 가속기(40)와 다르다. 다른 구성은, 도 9와 동일 구성이므로 설명은 생략한다.
전자석(62)은, 진공 용기(10) 내에 6개(62a ~ 62f)가 설치되어 있다.
도 16은, 실시예 3에 사용하는 전자석(60)의 구성을 나타내고, (a)는 전자석의 평면도, (b)는 전자석의 코일부의 구성을 나타낸 단면도이다. 도 16(a)에 나타낸 바와 같이, 전자석(62a)은, 전자석(20a)과 같이, 수속 전자석(63)의 양측에 발산 전자석(64)을 가지고 있는 강수속 전자석이다. 도 16(b)에 나타낸 바와 같이, 수속 전자석(63) 및 발산 전자석(64)은, 코일부를 복수개의 블록으로 분할한 구조를 가지고 있다. 도면의 경우, 수속 전자석(63) 및 발산 전자석(64)은, 각각 5 분할의 경우를 나타내고 있지만, 코일부의 분할수는 5 분할에 한정되지 않고, 목적으로 하는 자장 분포의 형상에 따라 적절히 설정하면 된다.
도 17은 도 16에 나타낸 전자석의 여자 방법을 나타낸 도면이다. 도시한 바와 같이, 5 분할된 발산 전자석 코일의 코일부(64a ~ 64e)에는, 전류 조정용 션트(shunt) 저항(66a ~ 66e)이 각각 병렬로 접속되어 있다. 션트 저항의 값은, 션트 저항(66a)이 r0, 션트 저항(66b)이 r0의 저항을 2개 병렬 접속하는 것과 같이 하여 병렬 수를 증가시키고 있다. 코일의 양단부(64g 및 64h)가 전류원(68)에 의해 정전류(constant current) 구동이 된다. 수속 전자석(63)도 마찬가지 구성이다. 따라서, 코일부(64a ~ 64e)의 각각에 흐르는 전류 L1~I5가 변화하므로, 그에 따라, 각 코일부(64a ~ 64e)로부터 생기는 자속 밀도가 변화되고, 발산 전자석(64)의 자속 밀도 분포를 제어할 수 있다. 수속 전자석(63)도 마찬가지로 제어함으로써, 발산 전자석과 수속 전자석으로 이루어지는 전자석(62a)의 자속 밀도 분포를 최적이 되도록 제어할 수 있다.
도 18은 도 16에 나타낸 전자석의 다른 여자 방법을 나타낸 도면이다. 도시한 바와 같이, 5 분할된 발산 전자석 코일의 코일부(64a ~ 64e)는, 각각 독립적인 전류원(70 ~ 74)으로부터 정전류 구동된다. 각 코일부(64a ~ 64e)에는, 각각 L1 ~ I5의 전류를 흐르게 하는 것이 가능하다. 따라서, 각 코일부로부터 생기는 자속 밀도가 변화되고, 발산 전자석(64)의 자속 밀도 분포를 제어할수있다. 수속 전자석 (63)도 마찬가지로 제어함으로써, 발산 전자석과 수속 전자석으로 이루어지는 전자석(62a)의 자속 밀도 분포를 최적이 되도록 제어할 수 있다.
도 19는 도 16에 나타낸 전자석의 자속 밀도 분포를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도면에 있어서, 가로축은 진공 용기(10)의 수평면의 직경 방향 거리를, 세로축은 자속 밀도를 나타내고 있다. 도 19에서 명백하게 나타낸 것 처럼, 전자석(62a)의 코일 코일부(64a ~ 64e)를 독립적으로 조정함으로써, 직경 방향의 자장 분포가 B = B0(r/r0)k가 되도록 조정할 수 있다. 여기서, B는 입사 궤도 상의 자장 강도, r0는 입사 궤도 반경이며(도 15 참조), k는 자장 계수(field index)이다. 전자석(62a)의 코일의 코일부(64a ~ 64e)를 조정함으로써, 자장 계수 k를 임의로 변경할 수가 있다. 따라서, 직경 방향의 자장 분포를 전자의 궤도의 수속이 최적이 되도록 함으로써, 전자빔의 영색수차 형상을 용이하게 실현할 수 있게 되어, 전자빔 강도를 증대시킬 수 있는 것과 동시에, 전자빔 에너지의 변경을 용이하게 행할 수 있다.
이로써, 본 발명의 고정 자장형 강수속 전자 가속기(60)에 있어서, 전자빔의 수속 상태의 최적화를 도모할 수 있으므로, 전자빔 강도를 증대시킬 수가 있다. 또, 전자빔 에너지의 변경을 용이하게 행할 수 있다.
다음에, 본 발명의 고정 자장형 강수속 전자 가속기를 사용한 방사선 치료장치의 특징에 대하여 설명한다.
본 발명의 고정 자장형 강수속 전자 가속기를 사용한 방사선 치료장치(1)에서는, 가속 전압이 10 MeV ~ 15 MeV로, 종래의 10배 이상인 전류 1 mA ~ 10 mA를 얻을 수 있어서, 조사 시간이 극히 단축된다. 예를 들면, 종래예 1의 전자빔 가속기는, 피치료자의 암 등의 환부에 5Gy(그레이: 흡수선량의 단위로, 1Gy = 10Orad) 정도의 선량을 조사하는 데 몇분 정도 걸리지만, 본 장치에서는 10초 정도 걸린다. 또한, 전자빔의 단시간 조사나 전자빔의 주사가 가능함에 따라, 피치료자의 호흡 운동에 의한 전자빔이나 X선의 조사 위치가 맞지 않는 문제가 생기지 않기 때문에, 호흡을 멈추지 않고도, 종래의 전자빔 가속기에서는 곤란했던 호흡을 단시간 멈춘 상태에서 전자빔을 조사하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있는 조사가 가능해진다.
또, 본 발명의 고정 자장형 강수속 전자 가속기를 사용한 방사선 치료장치(1)는, 중량이 약 1톤으로 가볍기 때문에, 고정 자장형 강수속 전자 가속기(2, 40 및 60)를 회전시킴으로써, 피치료자에게 다방향으로부터의 조사를 단시간에 실시할 수 있다. 따라서, 방사선에 의한 정상 조직의 손상을 경감할 수 있다.
또, 본 발명의 고정 자장형 강수속 전자 가속기의 방사선 치료장치(1)에 사용되는 고정 자장형 강수속 전자 가속기(2, 40 및 60)는, 빔 가속에 있어서 원리적으로 극히 안정적인 빔 수속 및 가속 방식이므로, 조작이 용이하며 또한 조정 작업도 특별히 필요로 하지 않고, 전문가가 아니라도 충분히 사용할 수 있다.
또, 고정 자장형 강수속 전자 가속기(2, 40 및 60)의 전자빔 궤도는 전자석(20)으로 대부분 덮여 있으므로, 방사선 실드로서의 효과가 있다. 이로써, 본 발명의 고정 자장형 강수속 전자 가속기를 사용한 방사선 치료장치(1)에 있어서는, 설치 장소에서의 방사선 방호에 필요한 비용을 경감할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 고정 자장형 강수속 전자 가속기를 사용한 방사선 치료장치에 의해 암 등의 치료를 행하면, 피치료자의 환부에의 조사 시간의 대폭적인 단축과 피치료자가 호흡을 멈추지 않고도 조사 영역의 위치가 맞지 않는 문제의 방지가 가능하고, 또한, 다방향 조사에 의한 조사 부위의 한정과 방사선에 의한 정상 조직에의 손상의 감소 등을 실현할 수 있다. 또, 본 발명의 고정 자장형 강수속 전자 가속기를 사용한 방사선 치료장치는 소형 및 경량이며, 소음의 발생도 없고, 저비용으로 제조할 수 있으므로, 일반 병원에 용이하게 설치할 수가 있다.
본 발명은, 상기 실시예에 한정되지 않고, 특허 청구의 범위에 기재한 발명의 범위 내에서 각종의 변형이 가능하며, 이들도 본 발명의 범위 내에 포함된다. 예를 들면, 상기 실시예에 있어서, 전자빔의 입사부와 전자빔 수송부, 전자석의 구성이나 수 등은, 가속 전압이나 전자빔 전류에 따라서 적절하게 변경할 수 있다.
본 발명의 고정 자장형 강수속 전자 가속기에 의하면, 가속 전압 10 MeV ~ 15 MeV에 있어서, 1 ~ 10 mA로서, 종래의 전자빔 가속기의 10배 이상의 고강도의 전자빔 전류를 얻을 수 있고, 동시에, 상기 전자빔에 의한 X선을 선택 가능하게 발생시킬 수가 있다. 또, 본 장치는 소형 및 경량이며, 저비용으로 제조할 수 있다.
또, 본 발명의 고정 자장형 강수속 전자 가속기를 사용한 방사선 치료장치는, 종래의 전자빔 가속기의 10배 이상의 고강도 전자빔 전류를 얻을 수 있어 암 등의 치료 시간의 대폭적인 단축 등이 가능해져, 피치료자의 부담을 경감할 수 있다.
또, 종래의 전자빔을 사용한 암 등의 방사선 치료장치에서는 불가능한 피치료자의 암환부 등에 한정한 대선량율(大線量率)로 단시간의 조사와 호흡에 의한 조사 위치의 맞지 않는 문제 방지와 다방향 조사에 의한 정상 조직의 방사선 손상의 저감되므로, 중립자선에 의한 암치료 장치 등과 동등한 첨단적인 암치료를 실현할 수 있다. 또한, 본 발명의 고정 자장형 강수속 전자 가속기는, 직경 1m정도의 소형으로 구성할 수 있어 중립자선을 사용한 암치료장치의 1/100정도의 비용으로 제조할 수 있으므로, 일반 병원에서도 용이하게 설치할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Claims (17)

  1. 진공 용기와,
    상기 진공 용기 내 또는 진공 용기 밖에 설치되는 전자석과,
    상기 진공 용기에 전자빔을 입사(入射)시키는 전자빔 입사부와,
    상기 전자빔을 가속하는 가속장치와,
    상기 진공 용기로부터 가속된 전자빔을 수송하는 전자빔 수송부
    를 구비한 고정 자장형 강수속 전자 가속기로서,
    상기 전자석은 강수속(强收束) 전자석이며, 상기 강수속 전자석은, 집속(集束) 전자석 및 상기 집속 전자석의 양측에 설치된 발산(發散) 전자석으로 이루어지거나, 또는 집속 전자석 및 상기 집속 전자석의 양측에 설치된 발산부로 이루어지고,
    상기 전자빔 수송부의 직전의 진공 용기 내에, X선을 발생시키는 내부 표적을 설치하고, 상기 가속된 전자빔과 상기 X선을 선택 가능하게 인출할 수 있는 것을 특징으로 하는 전자 가속기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전자빔 입사부가, 전자총과 전자총으로부터 발생된 전자빔의 궤도를 바꾸어 상기 진공 용기에 입사시키는 전자석을 구비한 것을 특징으로 하는 전자 가속기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전자빔 수송부는 상기 진공 용기 밖으로 전자빔의 궤도를 바꾸는 전자석 또는 수속 렌즈를 구비하고, 상기 전자빔 수송부를 통과하는 전자빔 또는 상기 X선이 주사(走査)되는 것을 특징으로 하는 전자 가속기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가속장치는 고주파 가속 방식 또는 유도 가속 방식이며, 적어도 연속 출력 또는 펄스의 발진기를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 전자 가속기.
  5. 진공 용기와
    상기 진공 용기 내 또는 진공 용기 밖에 설치되는 전자석과,
    상기 진공 용기에 전자빔을 입사시키는 전자빔 입사부와,
    상기 전자빔을 가속하는 가속장치와,
    상기 진공 용기 내의 가속된 전자빔 인출용 전자석과,
    상기 진공 용기로부터 가속된 전자빔을 수송하는 전자빔 수송부
    를 구비한 고정 자장형 강수속 전자 가속기로서,
    상기 전자석은 강수속 전자석이며, 상기 강수속 전자석은, 집속 전자석 및 상기 집속 전자석의 양측에 설치된 발산 전자석으로 이루어지거나, 또는 집속 전자석 및 상기 집속 전자석의 양측에 설치된 발산부로 이루어지고,
    상기 전자빔 수송부로부터 출사(出射)한 전자빔이 주사되는 것을 특징으로 하는 전자 가속기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가속된 전자빔 수송부의 직전의 진공 용기 내에, X선을 발생시키는 내부 표적을 설치하고, 상기 가속된 전자빔과 상기 X선을 선택 가능하게 인출할 수 있는 것을 특징으로 하는 전자 가속기.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 전자빔 또는 X선은 적어도 핀홀 슬릿(pinhole slit)을 포함하는 주사부에 의해 주사 되는 것을 특징으로 하는 전자 가속기.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자빔 수송부는 상기 진공 용기 밖으로 전자빔의 궤도를 바꾸는 격벽(septum) 전자석 또는 수속 렌즈로 이루어지고, 상기 강수속용 전자석의 전자빔 출사부 부근에 제1 전자빔 궤도 보정용 전자석이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 가속기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 전자빔 궤도 보정용 전자석은 상기 격벽 전자석 또는 수속 렌즈에 대해서, 전자빔 위상 공간에 있어서 π/2 라디안 지연된 위치에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 가속기.
  10. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강수속용 전자석의 전자빔 입사부 부근에는, 제2 전자빔 궤도 보정용 전자석이 배치되고, 제2 전자빔 궤도 보정용 전자석은 상기 제1 전자빔 궤도 보정용 전자석과 함께, 전자빔의 궤도를 조정하는 것을 특징으로 하는 전자 가속기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제 1및 제2 전자빔 궤도 보정용 전자석은 전자빔 위상 공간에 있어서 nπ라디안(여기서 n은 정수)의 관계가 되는 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 전자 가속기.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 강수속용 전자석을 구성하는 전자석의 코일부는 분할 코일 구조이며, 상기 분할 코일부의 각각의 전류는 소정의 자장 분포가 되도록 구동 제어되는 것을 특징으로 하는 전자 가속기.
  13. 진공 용기와,
    상기 진공 용기 내 또는 진공 용기 밖에 설치되는 전자석과,
    상기 진공 용기에 전자빔을 입사시키는 전자빔 입사부와,
    상기 전자빔을 가속하는 가속장치와,
    상기 진공 용기 내의 가속된 전자빔 인출용 전자석과,
    상기 진공 용기로부터 가속된 전자빔을 수송하는 전자빔 수송부
    를 구비한 고정 자장형 강수속 전자 가속기로서,
    상기 전자석은 강수속 전자석이며, 상기 강수속 전자석은 집속 전자석 및 상기 집속 전자석의 양측에 설치된 발산 전자석으로 이루어지는 강수속 전자석이거나, 또는 집속 전자석 및 상기 집속 전자석의 양측에 설치된 발산부로 이루어지고, 상기 강수속용 전자석을 구성하는 전자석의 코일부는 분할 코일 구조이며, 상기 분할 코일부의 각각의 전류는 소정의 자장 분포가 되도록 구동 제어되는 것을 특징으로 하는 전자 가속기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 분할 코일부의 각 부의 전류는 각 코일부에 병렬로 접속되는 저항에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 전자 가속기.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 분할 코일부의 각 부의 전류는 각 코일부에 접속되는 전류원에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 전자 가속기.
  16. 전자선 또는 X선을 선택 가능하게 발생시키는 전자 가속기와, 조사(照射) 헤드와, 지지부와, 피치료자를 탑재하는 치료대로 구성되어 있는 방사선 치료장치로서,
    상기 가속기는 고정 자장형 강수속 전자 가속기인 것을 특징으로 하는 전자 가속기를 사용한 방사선 치료장치.
  17. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    전자선 또는 X선을 선택 가능하게 발생시키는 가속기와, 조사 헤드와, 지지부와, 피치료자를 탑재하는 치료대로 구성되어 있는 방사선 치료장치로서,
    상기 가속기는 전자 가속기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자 가속기를 사용한 방사선 치료장치.
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