TW201826888A - 粒子加速系統及粒子加速系統的調節方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種能夠與離子的種類無關地產生離子，並且將離子向加速器輸送之粒子加速系統及粒子加速系統的調節方法。該粒子加速系統及粒子加速系統的調節方法中，依離子的種類，調節離子源(10)相對於輸送部(30)之安裝角度及安裝位置。藉此，依離子的種類，適當調節離子的輸送路徑(P)。從而，無需改變以能夠將電子閉鎖於離子源(10)內的方式適當地調節之磁場的強度，便能夠將以期望的能量從離子源(10)內引出之離子經由輸送部(30)中規定之到達目標點(T)輸送，而到達加速器(20)。故此，能夠與離子的種類無關地產生離子，並且將離子向加速器(20)輸送。

Description

粒子加速系統及粒子加速系統的調節方法

本發明係有關一種粒子加速系統及粒子加速系統的調節方法。

先前，已知作為粒子加速系統具備以下者，亦即，產生離子之離子源、加速離子之加速器、及從離子源向加速器輸送離子之輸送部。(例如，參閱專利文獻1)。該種粒子加速系統中，在離子源內形成磁場的同時，向該離子源內導入電子及氣體分子。此時，若適當地調節磁場的強度，則藉由磁場的作用電子被閉鎖於離子源內。閉鎖於離子源內之電子與氣體分子碰撞，其結果、在離子源中產生電漿狀態的離子。

並且、若對設置於離子源的引出電極施加引出電壓，則以對應引出電壓的能量從離子源內引出離子。被引出之離子藉由輸送部輸送。此時，當離子經由輸送部中的規定之到達目標點輸送之情況下，能夠藉由輸送部適當引導而到達加速器。故此，以從離子源內引出而輸送之離子經由到達目標點的方式，設定離子源與輸送部相互安裝之位置 関係。

(先前技術文獻) (專利文獻)

專利文獻1：日本特開2002-25797號公報

然而，離子源能夠產生多種離子之情況下，為了使多種離子分別經由同一到達目標點而輸送，需要依離子的種類改變磁場強度。但若磁場強度被改變，則會影響離子源中的電漿的狀態，可能導致無法產生離子。

藉此，本發明的目的在於提供一種能夠與離子的種類無關地產生離子，並且將離子向加速器輸送之粒子加速系統及粒子加速系統的調節方法。

本發明之粒子加速系統具備，產生離子之離子源、使離子加速之加速器、從離子源向加速器輸送離子之輸送部，離子源能夠調節相對於輸送部的安裝角度及安裝位置。

並且，本發明之粒子加速系統的調節方法為，具備產生離子之離子源、使離子加速之加速器、從離子源向加速器輸送離子之輸送部之粒子加速系統的調節方法，依離子的種類，調節離子源相對於輸送部之安裝角度及安裝位 置。

該粒子加速系統及粒子加速系統的調節方法中，依離子的種類，調節離子源相對於輸送部之安裝角度及安裝位置。藉此，依離子的種類，適當調節離子的輸送路徑。從而，無需改變以能夠將電子閉鎖於離子源內的方式適當地調節之磁場的強度，便能夠將以期望的能量從離子源內引出之離子經由輸送部中規定之到達目標點輸送，而到達加速器。故此，能夠與離子的種類無關地產生離子，並且將離子向加速器輸送。

並且，本發明之粒子加速系統具備支撐離子源之支撐部，支撐部可以相對於離子源裝卸。該情況下，準備多個構件作為支撐部，該多個構件能夠將離子源相對於輸送部的安裝角度及安裝位置以互不相同之狀態支撐。然後，依離子的種類選擇多個構件中的任一個，所選擇之構件能夠作為支撐部而使用。藉此，依離子的種類，離子的輸送路徑被適當地調節。從而，僅依離子的種類裝卸支撐部，便能夠輕鬆地調節離子源相對於輸送部的安裝角度及安裝位置。

並且，本發明之粒子加速系統具備支撐離子源之支撐部，支撐部可以能夠藉由相對於輸送部轉動離子源而調節安裝角度，且能夠沿與輸送部中的離子的輸送方向交叉之方向調節離子源的安裝位置。該情況下，依離子的種類、能夠藉由支撐部調節離子源相對於輸送部之安裝角度及安裝位置。藉此，依離子的種類，離子的輸送路徑被適當地 調節。從而，能夠輕鬆地調節離子源相對於輸送部的安裝角度及安裝位置。

依本發明，能夠與離子的種類無關地產生離子，並且將離子向加速器輸送。

1A、1B‧‧‧粒子加速系統

10‧‧‧離子源

20‧‧‧加速器

30‧‧‧輸送部

40A，40B‧‧‧支撐部

第1圖係表示本發明的實施方式之粒子加速系統之前視圖。

第2圖係表示第1圖的離子源的內部構造之剖視圖。

第3圖係表示支撐部的變形例之圖。

第4圖係示意地表示離子源相對於輸送部之安裝角度及安裝位置之圖。

以下，參照附圖，對本發明的較佳之實施方式進行詳細說明。再者，對於各圖中相同或相當的部分標記相同符號，並省略重複說明。

〔第1實施方式〕

第1圖係表示本發明的實施方式之粒子加速系統之前視圖。如第1圖所示，粒子加速系統1A具備離子源10、加速器20、輸送部30及支撐部40A。以下說明中，將粒 子加速系統1A載置於水平面之狀態下的裝置的上下方向設為Z軸方向，將包含後述之離子的輸送路徑P之平面內，且與Z軸方向垂直的方向設為X軸方向，將與Z軸方向及X軸方向垂直的方向設為Y軸方向。粒子加速系統1A為，例如產生α粒子、質子、氘核等的離子並使其加速之系統。粒子加速系統1A將加速之離子，例如供給至進行PET(Positron Emission Tomography)、BNCT(Boron neutron Capture Therapy)等之裝置。

粒子加速系統1A中，離子源10與加速器20藉由輸送部30連接。離子源10、加速器20及輸送部30配置於ZX平面上。相對於離子源10，在X軸正方向側配置有輸送部30，輸送部30的Z軸正方向側配置有加速器20。並且，離子源10的下方(Z軸負方向)側設置有支撐部40A。粒子加速系統1A載置於基座S上。

離子源10為，從氣體分子產生電漿狀態的離子之裝置。離子源10能夠產生多種離子。離子源10，例如能夠從氦氣產生α粒子，或者能夠從氫氣產生質子。再者，離子源10無需一定能夠產生α粒子及質子。

離子源10為設置於加速器20的外部之外部離子源。離子源10呈大致圓筒形狀，其中心軸線L1位於ZX平面內。離子源10在延伸方向上的一端中具有相對於中心軸線L1斜向傾斜之端面10a。離子源10以端面10a呈大致垂直的方式配置。端面10a與輸送部30的單透鏡(einzel lens)31的框體31b(詳細見後述)的X軸負方向側的外 表面對向。離子源10在ZX平面內，以端面10a側之一端側在Z軸方向上高於另一端側的方式，中心軸線L1傾斜配置。離子源10具有，真空箱11、氣體分子流路12、電極13、電磁鐵14及引出電極15。

第2圖係表示第1圖的離子源的內部構造之剖視圖。如第1圖及第2圖所示，真空箱11在其內部形成用於閉鎖離子之空間。真空箱11配置於離子源10的內部。真空箱11與未圖示之真空泵連接，能夠使其內部保持真空狀態。真空箱11介由氣體分子流路12向內部導入氣體分子。例如，作為離子產生α粒子之情況下，作為氣體分子使用氦氣。再者，產生α粒子以外的離子之情況下，使用對應於其離子之氣體分子。

電磁鐵14為用於在真空箱11內形成磁場者。電磁鐵14於Y軸方向上的真空箱11的兩側成對設置。藉此，電磁鐵14在真空箱11內形成大致沿Y軸方向之方向的磁場。電磁鐵14藉由適當調節形成於真空箱11內之磁場的強度，藉由磁場的作用將電子閉鎖於真空箱11內。

電極13例如藉由熱電子放出向真空箱11內供給電子。電極13藉由支撐板16相對於真空箱11支撐，而設置於真空箱11內，作為一例，設置於從Y軸方向觀察時的真空箱11的中央付近。電極13包含圓筒形狀的陽極電極13a、以夾持陽極電極13a的方式設置於與中心軸線L1交叉之方向上之一對陰極電極13b、13b。陰極電極13b連接於冷卻管道17，藉由冷卻管道17相對於真空箱11 支撐，並且藉由冷卻管道17中流通之冷凍劑冷卻。冷卻管道17與真空箱11的接點上配置有真空密封18。再者，陽極電極13a的圓筒軸方向可以為沿離子源10的中心軸線L1之方向。

電極13中，從一方的陰極電極13b放出電子(e^-)，電子往復於一對陰極電極13b，13b之間。此時，若藉由電磁鐵14，於陽極電極13a的圓筒軸方向上產生磁場，則電子進行螺旋運動，並且不與陽極電極13a碰撞地閉鎖於陽極電極13a內。在陽極電極13a內，往復一對陰極電極13b，13b之間之電子藉由氣體分子流路12與導入之氦氣等的氣體分子碰撞，而產生α粒子等的離子。

引出電極15藉由被施加引出電壓，從真空箱11內引出離子。引出電極15以對應於被施加之引出電壓的能量，從真空箱11內引出離子。引出電極15設置於陽極電極13a的附近。從真空箱11內引出之離子通過形成於離子源10的端面10a之開口，輸送至後述之輸送部30側。

如此構成之離子源10中，藉由真空泵成為真空狀態之真空箱11內，氣體分子介由氣體分子流路12而被導入。並且，藉由電極13，電子被供給至真空箱11內。此時，若藉由向電磁鐵14通電，真空箱11內形成磁場，並且，磁場強度及方向被適當調節，則藉由磁場的作用電子被閉鎖於真空箱11內。若閉鎖於真空箱11內之電子與氣體分子碰撞，則氣體分子離子化，以電漿狀態產生離子。然後，若向引出電極15施加引出電壓，則以對應於引出 電壓之能量，從真空箱11內被引出離子。

如第1圖所示，加速器20為加速藉由離子源10產生之離子而製造出帶點粒子束之裝置。本實施方式中，作為加速器20例示有迴旋加速器。再者，加速器20並不限定於迴旋加速器，亦可以是同步加速器、同步迴旋加速器、直線加速器等。

加速器20呈大致圓筒形狀，其中心軸線L2沿向Z軸方向延伸的方向配置。加速器20與離子源10相比，在Z軸方向上配置於較高的位置。若需加速之離子入射到加速器20的規定位置，則加速器20加速該離子。該加速器20中，需加速之離子入射至在加速器20的下面(Z軸負方向上的面)側的中心部開口之入射部20a。再者，加速器20的中心軸線L2可以不沿Z軸方向延伸，例如，將圖中所示之粒子加速系統1A整體設為以Y軸作為中心90°旋轉之狀態，中心軸線L2沿X軸方向延伸亦可。並且，圖中所示之粒子加速系統1A整體設為以X軸作為中心90°旋轉之狀態，中心軸線L2沿Y軸方向延伸亦可。該情況下，離子源10的中心軸線L1位於XY平面內。

輸送部30將藉由離子源10產生之離子，從離子源10輸送至加速器20。輸送部30具有單透鏡31、偏向電磁鐵32及波紋管33。

單透鏡31用於收斂輸送之離子。單透鏡31包含，透鏡部31a、及容納透鏡部31a之箱形狀的框體31b。透鏡部31a由被交替地賦予正負電勢之三片電極構成，藉由該 些電極形成之電場收斂通過之離子。框體31b的離子源10側(X軸負方向側)的外表面與離子源10的端面10a對向，與端面10a之間藉由具有可撓性之波紋管33連接。並且，框體31b之與離子源10側相反側(X軸正方向側)的外表面直接連接於偏向電磁鐵32。

偏向電磁鐵32產生磁場，並藉由該磁場將通過單透鏡31之離子的輸送方向在ZX平面內上彎曲。具體而言，偏向電磁鐵32將通過單透鏡31並向X軸正方向輸送之離子的輸送方向向Z軸正方向彎曲。藉此，偏向電磁鐵32將離子向加速器20的入射部20a引導。

輸送部30中，例如在波紋管33及單透鏡31的內部形成從真空箱11洩漏之磁場亦即漏磁場。故此，藉由輸送部30輸送之離子的實際輸送路徑P藉由漏磁場的作用而彎曲。具體而言，離子的輸送路徑P從X軸正方向與Z軸正方向的合成方向亦即斜上方向藉由漏磁場的作用，向X軸正方向慢慢彎曲。再者，該漏磁場的作用強度依離子的種類及能量而不同。藉此，以期望的能量將離子從離子源10內引出之情況下，離子的輸送路徑P依離子的種類以不同軌跡彎曲。

輸送部30中，單透鏡31的框體31b與偏向電磁鐵32的邊界中的YZ平面內的規定區域上設定有離子的到達目標點T。到達目標點T為如下區域，亦即輸送部30中，經由該到達目標點T輸送離子之情況下，該離子能夠適當地被引導而到達加速器20的入射部20a的區域。再 者，本實施方式中，到達目標點T設定於單透鏡31的框體31b與偏向電磁鐵32的邊界，但亦能夠依輸送部30(尤其，偏向電磁鐵32)的結構，設定於其他位置。

支撐部40A為支撐離子源10之機構。支撐部40A為可以相對於離子源10裝卸的多個架台。構成支撐部40A之多個架台各自以離子源10相對於輸送部30成為互不相同之安裝角度及安裝位置之方式，支撐離子源10。亦即，支撐部40A藉由交換該些可裝卸的多個架台，能夠調節離子源10相對於輸送部30之安裝角度及安裝位置。支撐部40A在與離子源10連接側的相反側被基座S支撐。

其中，離子源10相對於輸送部30之安裝角度是指，離子源10安裝於輸送部30之狀態(亦即，藉由支撐部40A被支撐之離子源10介由波紋管33安裝於單透鏡31的框體31b之狀態)下，Z軸方向與離子源10的中心軸線L1所成之角度(相對於Z軸方向之中心軸線L1的傾斜角)。再者，離子源10相對於輸送部30之安裝角度可以為，離子源10安裝於輸送部30之狀態下，到達目標點T中的離子的輸送方向與離子源10的中心軸線L1所成之角度，或設置於離子源10之與一對電磁鐵14的相對向方向垂直之規定之一方向，與離子源10的中心軸線L1所成之角度。

離子源10相對於輸送部30之安裝位置是指，離子源10安裝於輸送部30之狀態下，輸送部30中的任意一點作為基準之、離子源10中的任意一點於ZX平面內之位 置。具體而言，輸送部30中的任意一點是指，例如可設定為到達目標點T，可設定為單透鏡31的框體31b與波紋管33的連接部之中央部，亦可設定為輸送部30的重心。並且，離子源10中的任意一點是指，例如可設定為從一對電磁鐵14的相對向方向觀察之該一對電磁鐵14的中央部，可設定為離子源10的端面10a的中央部，亦可設定為離子源10的重心。

構成支撐部40A之多個架台各自例如呈柱狀，大致向鉛直方向(Z軸方向)延伸。多個架台各自作為支撐部40A而使用時，在其上端側與離子源10連接，在其下端側與基座S連接。多個架台各自在其上端側形成有用於載置離子源10而固定之支撐面40a。支撐面40a相對於Z軸方向傾斜地形成，依其傾斜角決定離子源10的安裝角度。多個架台各自與支撐面40a的傾斜角互不相同。故此，依作為支撐部40A而被選擇之架台，離子源10相對於輸送部30之安裝角度變得不同。再者，支撐部40A並不限定於藉由多個架台的各自的支撐面40a的傾斜角不同而改變安裝角度之結構。

並且，多個架台各自在延伸方向上的長度互不相同。故此，依據作為支撐部40A而被選擇之架台，離子源10相對於輸送部30之安裝位置變得不同。再者，支撐部40A並不限定於藉由多個架台的延伸方向上的各自的長度互不相同而改變安裝位置之結構。

再者，支撐部40A並不限定於架台，只要能夠支撐離 子源10即可。其中，第3圖係表示支撐部40A的變形例之圖。例如，支撐部40A可以為如第3(a)圖所示之滾珠螺桿機構。在此，支撐部40A，例如配置於能向X軸方向移動之移動式平台41上。或者，支撐部40A可以為如第3(b)圖所示之連桿機構或波紋管等。

接著，對於本實施方式之粒子加速系統1A的動作及粒子加速系統1A的調節方法進行說明。

作為一例，對從氦氣產生α粒子之情況進行說明。第4圖係示意地表示離子源相對於輸送部之安裝角度及安裝位置之圖。如第1圖及第4圖所示，首先，支撐部40A分離交換為α粒子用的架台，離子源10成為藉由α粒子用的架台被支撐之狀態(參閱第4圖中的狀態A)。如此，支撐部40A被設為α粒子用的架台之情況中，在輸送部30輸送之離子為α粒子時，離子的輸送路徑P經由到達目標點T而輸送。

具體而言，狀態A中，在離子源10中產生之α粒子藉由輸送部30被輸送時，藉由漏磁場的作用而在ZX平面內彎曲。更具體而言，α粒子的輸送方向從X軸正方向與Z軸正方向的合成方向亦即斜上方向藉由漏磁場的作用，向X軸正方向慢慢彎曲。之後，α粒子經由到達目標點T被輸送。然後，α粒子藉由偏向電磁鐵32從X軸正方向引導至Z軸正方向，入射至加速器20的入射部20a而被加速。

接著，作為其他例對從氫氣產生質子之情況進行說 明。首先，拆卸支撐部40A而交換為質子用的架台，離子源10成為藉由質子用的架台被支撐之狀態(參閱第4圖中的狀態B)。與狀態A相比狀態B中離子源10的中心軸線L1的角度成為變陡(向Z軸方向靠近)之狀態，並且，離子源10的位置成為變低(向Z軸負方向移動)之狀態。如此，支撐部40A被設為質子用的架台之情況中，於輸送部30所輸送之離子為質子時，離子的輸送路徑P經由到達目標點T而輸送。

具體而言，狀態B中，在離子源10中產生之質子藉由輸送部30被輸送時，藉由漏磁場的作用而在ZX平面內彎曲。更具體而言，質子的輸送方向從X軸正方向與Z軸正方向的合成方向亦即斜上方向藉由漏磁場的作用，向X軸正方向慢慢彎曲。之後，質子經由到達目標點T被輸送。然後，質子藉由偏向電磁鐵32從X軸正方向引導至Z軸正方向，入射至加速器20的入射部20a而被加速。與α粒子的輸送路徑P相比，質子的輸送路徑P中，離子的輸送方向的彎曲曲率更大。故此，假如將離子源10相對於輸送部30之安裝角度及安裝位置設為適用於α粒子之狀態A，則質子被輸送至比到達目標點T更靠Z軸負方向側，其結果，不能入射至加速器20的入射部20a。

再者，第4圖中的狀態C中例示出，產生α粒子、質子以外的離子時的，離子源10相對於輸送部30之安裝角度及安裝位置，及該離子的輸送路徑P。

如以上說明，依據本實施方式之粒子加速系統1A及 粒子加速系統1A的調節方法，依離子的種類，調節離子源10相對於輸送部30之安裝角度及安裝位置。藉此，依離子的種類適當地調節離子的輸送路徑P。從而，無需改變以將電子閉鎖於離子源10內的方式適當地調節之磁場的強度，能夠將以期望的能量從離子源10內引出之離子經由輸送部30中的規定之到達目標點T而輸送，使之到達加速器20。藉此，能夠與離子的種類無關地，產生離子並將離子向加速器20輸送。

並且，本實施方式之粒子加速系統1A具備支撐離子源10之支撐部40A，支撐部40A可以相對於離子源10裝卸。作為支撐部40A準備多個構件，該多個構件能夠將相對於輸送部30的離子源10的安裝角度及安裝位置以互不相同之狀態支撐。故此，依離子的種類選擇多個構件中的任一個，選擇之構件能夠作為支撐部40A而使用。藉此，依離子的種類，離子的輸送路徑P被適當地調節。從而，僅依離子的種類裝卸支撐部40A，便能夠輕鬆地調節相對於輸送部30的離子源10的安裝角度及安裝位置。

〔第2實施方式〕

第2實施方式之粒子加速系統1B中，與第1實施方式之粒子加速系統1A相比，支撐部的結構不同。以下，對第2實施方式之支撐部40B的結構進行說明。

支撐部40B為如下架台，藉由相對於輸送部30使離子源10轉動而能夠調節安裝角度，並且能夠沿與輸送部 30中的離子的輸送方向交叉之方向調節離子源10的安裝位置。支撐部40B以離子源10能夠以轉動軸線L3為中心轉動之方式支撐。轉動軸線L3設定為沿Y軸方向。支撐部40B例如呈柱狀，大致向鉛直方向(Z軸方向)延伸。架台在其上端側與離子源10連接，在其下端側與基座S連接。架台在其上端側具有未圖示之支撐軸，離子源10相對於該支撐軸以能夠轉動之方式連接。亦即，轉動軸線L3與支撐軸的中心一致。離子源10藉由以支撐軸為中心轉動，而改變相對於輸送部30之安裝角度。再者，支撐部40B可以在架台的下端側具有支撐軸(亦即，轉動軸線)，對於該支撐軸連接有基座S。或者，支撐部40B可以在其上端側及下端側的雙方具有支撐軸，分別與離子源10及基座S以能夠轉動之方式連接。

並且，架台具有向延伸方向伸縮之伸縮機構。架台設為如下結構，藉由中空的柱狀構件雙重重疊而能夠收縮，能夠藉由螺栓固定至期望的長度。再者，架台的伸縮機構並不限定於上述結構，可以為例如藉由油壓汽缸、電動缸、滾珠螺桿、直線導軌、傳送帶機構、連桿機構等而伸縮之結構。並且，支撐部40B伸縮之方向並不限定於架台的延伸方向。

若藉由支撐部40B使離子源10相對於輸送部30轉動而調節安裝角度，則藉由離子源10產生之離子的輸送部30中的輸送方向依離子源10的安裝角度的改變而在ZX平面內改變。並且，若藉由支撐部40B沿與輸送部30中 的離子的輸送方向交叉之方向調節離子源10的安裝位置，則藉由離子源10產生之離子的輸送部30中的輸送方向依離子源10的安裝位置的改變而在ZX平面內改變。

如此構成之支撐部40B中，依離子的種類使離子源10相對於輸送部30轉動而調節安裝角度，並且沿輸送部30中的離子的輸送方向交叉之方向調節離子源10的安裝位置。藉此，輸送部30中，能夠以經由到達目標點T之輸送路徑P輸送離子。

如以上說明，依據本實施方式之粒子加速系統1B，具備支撐離子源10之支撐部40B，支撐部40B能夠藉由相對於輸送部30轉動離子源10而調節安裝角度，且能夠沿與輸送部30中的離子的輸送方向交叉之方向調節離子源10的安裝位置。故此，依離子的種類、能夠藉由支撐部40B調節離子源10相對於輸送部30之安裝角度及安裝位置。藉此，依離子的種類，離子的輸送路徑P被適當地調節。從而，能夠輕鬆地調節相對於輸送部30的離子源10的安裝角度及安裝位置。

以上，將本發明基於其實施方式進行了具體說明，但本發明並不限定於上述實施方式。例如，上述實施方式中，離子源10僅設置於粒子加速系統1A、1B的X軸方向中的一側。但是，離子源10亦可以設置於粒子加速系統1A、1B的X軸方向中的另一側。

並且，上述第2實施方式中，支撐部40B亦可以為例如藉由馬達等的駆動機構而進行轉動及移動之結構。該情 況下，能夠更輕鬆地調節離子源10相對於輸送部30之安裝角度及安裝位置。

Claims (4)

1. 一種粒子加速系統，其具備：產生離子之離子源；使前述離子加速之加速器；從前述離子源向前述加速器輸送前述離子之輸送部，前述離子源能夠調節相對於前述輸送部的安裝角度及安裝位置。
2. 如申請專利範圍第1項所述之粒子加速系統，其中具備支撐前述離子源之支撐部，前述支撐部可以相對前述於離子源裝卸。
3. 如申請專利範圍第1項所述之粒子加速系統，其中具備支撐前述離子源之支撐部，前述支撐部能夠藉由相對於前述輸送部轉動前述離子源而調節前述安裝角度，且能夠沿與前述輸送部中的前述離子的輸送方向交叉之方向調節前述離子源的前述安裝位置。
4. 一種粒子加速系統的調節方法，該粒子加速系統具備：產生離子之離子源；使前述離子加速之加速器；從前述離子源向前述加速器輸送前述離子之輸送部，依前述離子的種類，調節前述離子源相對於前述輸送部之安裝角度及安裝位置。