TWI615064B - 圓形加速器 - Google Patents

Abstract

本發明的圓形加速器中的粒子束產生器係具備：離子源；引出電極，從該離子源引出帶電粒子；斷束器電極，設置在該引出電極的下游且由隔著帶電粒子的軌道相對向的電極對所構成；及狹縫構件，設置在該斷束器電極的下游且具有讓帶電粒子通過之狹縫；且係構成為：藉由令施加於斷束器電極的電極對間的電壓變化而使帶電粒子的軌道變化，藉由該軌道的變化，控制帶電粒子通過或不通過狹縫。

Description

圓形加速器

本發明係有關令帶電粒子一邊環繞大致圓形的螺旋軌道一邊加速至高能量(energy)的圓形加速器，具體而言係有關圓形加速器中的帶電粒子的產生源。

就令帶電粒子一邊環繞螺旋軌道一邊加速至高能量的裝置而言，係有迴旋加速器(cyclotron)或同步迴旋加速器(synchrocyclotron)等圓形加速器。迴旋加速器係有以下類型：具有等時性磁場及磁場強度按一定的角度具有強弱的AVF(Azimuthally Varying Field；磁場強度隨方位角變化)迴旋加速器，以複數個扇形(sector)磁鐵形成的分離扇型迴旋加速器，使用弱收斂磁場的弱收斂迴旋加速器，及於平面上形成一定磁場的經典迴旋加速器。上述該些迴旋加速器或同步迴旋加速器，係令帶電粒子從中心部附近開始加速。為了產生帶電粒子雖使用離子(ion)源，惟為了使裝置全體小型化，係使用將離子源設置在加速器內亦即設置在加速器中心部分，產生進行加速的帶電粒子之內部離子源。

另一方面，在使用經加速的帶電粒子時， 必須控制經加速的帶電粒子數。尤其，當用於對屬於患者的患部之癌照射帶電粒子進行治療的粒子放射治療時，必須精密地控制帶電粒子的照射量。

在具備離子源作為內部離子源的習知技術的圓形加速器中，加速粒子數控制的設計主要有以下三種方法：(1)控制內部離子源的電漿(plasma)的狀態來控制加速粒子數的方法(例如下述之專利文獻1、專利文獻2)；(2)控制引出電極針對內部離子源的電漿的參數(parameter)來控制加速粒子數的方法(例如下述之專利文獻3)；(3)對在圓形加速器內環繞的粒子束施加脈衝(pulse)形式的高電壓使粒子束軌道變更，藉由改變施加電壓強度來控制加速粒子數的方法(例如下述之專利文獻4)。其中，方法(1)、(2)會影響內部離子源的電漿的狀態，故穩定性不足；方法(3)係受施加電壓之位置的粒子束的能量所左右，必須以至少數kV的高電壓電源和磁場進行控制。

(先前技術文獻) (專利文獻)

專利文獻1：國際專利公開第2010/149740號

專利文獻2：國際專利公開第2014/052709號

專利文獻3：日本國特開2015-179585號公報

專利文獻4：國際專利公開第2009/056165號

穩定性不足的問題係肇因於以內部離子源內的電漿的狀態對加速粒子數的控制進行調整，或以引出電極的電壓強度和施加時間對加速粒子數的控制進行調整。一旦令電漿的狀態變更，從實驗結果來看一般認為嚴格來說係難以再重現出相同的狀態，使用該方法而變更射出粒子數難以說是穩定的。令引出電極的參數變化係意味著令電漿表面的狀態變更，會打亂穩定性。

此外，於加速電壓為10kV時在一圈加速兩次的加速器中，粒子在一圈後係擁有20keV的能量。在對環繞的粒子束施加脈衝形式的高電壓使粒子束軌道變更來控制加速粒子數的方法中，變更粒子軌道需要與該粒子的能量相同程度的電壓。此在裝置規模上為大型裝置，期望有更加單純的構造。此外，由於圓形加速器具有令軌道收斂的要素，即使變更軌道仍會有軌道於加速環繞次數當中回復成原軌道的情形。因此，無法照著施加電壓強度以線性控制加速粒子數。

本發明的目的在於提供解決上述課題，以單純的構造實現穩定的粒子數控制之圓形加速器。

本發明的圓形加速器係在中心部具備產生帶電粒子且對輸送至加速電極的粒子數進行控制的粒子束產生器，令從該粒子束產生器射出的帶電粒子一邊藉由偏向磁場而沿螺旋軌道環繞一邊藉由高頻電場而加速，其粒子束產生器係具備：離子源；引出電極，從該離子源引出 帶電粒子；斷束器(chopper)電極，設置在該引出電極的下游且由隔著帶電粒子的軌道相對向的電極對所構成；及狹縫構件，設置在該斷束器電極的下游且具有讓帶電粒子通過之狹縫(slit)；上述粒子束產生器構成為：藉由令施加於斷束器電極的電極對間的電壓變化而使帶電粒子的軌道變化，藉由該軌道的變化，控制帶電粒子通過或不通過狹縫。

依據本發明，係構成為藉由令以離子源產生的帶電粒子在粒子束產生器內變化軌道來控制粒子數，因此能夠實現以圓形加速器加速的帶電粒子的穩定的粒子數控制。

1‧‧‧粒子束產生器

2‧‧‧離子源

3‧‧‧引出電極

4‧‧‧斷束器電極

5、50‧‧‧狹縫構件

6‧‧‧屏蔽電極

7‧‧‧線圈

8‧‧‧軛部

9‧‧‧偏向電磁鐵

10‧‧‧加速電極

11‧‧‧高頻腔

13‧‧‧真空裝置

14‧‧‧高頻電源

20‧‧‧加速電極對向接地板

22‧‧‧離子引出孔

30‧‧‧加速間隙

33‧‧‧引出電壓

40‧‧‧射出道

55、56‧‧‧狹縫

66‧‧‧射出孔

100‧‧‧螺旋軌道

101‧‧‧遮擋軌道

200‧‧‧圓形加速器

O‧‧‧螺旋軌道的軌道面

第1圖係顯示本發明實施形態1的圓形加速器的主要部的構成之放大示意圖。

第2圖係顯示使用本發明的圓形加速器的概略構成之俯視剖面示意圖。

第3圖係顯示使用本發明的圓形加速器的概略構成之側視剖面示意圖。

第4圖係用以說明本發明實施形態1的圓形加速器的粒子束產生器的構成構件的電位的線圖。

第5圖係顯示本發明實施形態1的圓形加速器的粒子束產生器的不同構成之示意圖。

第6圖係說明本發明實施形態1的圓形加速器的動作 之第1線圖。

第7圖係說明本發明實施形態1的圓形加速器的動作之第2線圖。

第8圖係顯示本發明實施形態2的圓形加速器的主要部的構成之放大示意圖。

第9圖係用以說明本發明實施形態2的圓形加速器的粒子束產生器的構成構件的電位的線圖。

第10圖係顯示本發明實施形態3的圓形加速器的主要部的構成之放大示意圖。

第11圖係顯示本發明實施形態3的圓形加速器的主要部的不同構成之放大示意圖。

實施形態1.

首先，利用第2圖、第3圖，說明使用本發明的迴旋加速器或同步迴旋加速器等令射入中心的帶電粒子一邊藉由偏向磁場而沿螺旋軌道環繞一邊藉由高頻電場而加速的圓形加速器200的全體構成及動作。第2圖係顯示使用本發明的圓形加速器200的概略構成之俯視剖面示意圖，第3圖係第2圖的A-A部的側視剖面示意圖。

如第3圖所示，藉由上下對向配置的以一對線圈(coil)7及軛部(yoke)8構成的偏向電磁鐵9，而沿第3圖的上下方向(垂直於第2圖圖面的方向)形成預定的偏向磁場。藉由該偏向磁場使含有離子源的粒子束產生器1產 生的帶電粒子獲得加速，藉此使帶電粒子的環繞軌道形成。此外，從高頻電源14供給高頻，對形成在加速電極(D電極(D))10與加速電極對向接地板(虛設D電極(dummy D))20之間的加速間隙(gap)30施加高頻的加速電場。每次帶電粒子通過加速間隙30，便藉由該加速電場而逐漸加速。加速電極10、加速電極對向接地板20的構成並不限於第2圖及第3圖所示構成，只要為環繞軌道的每一圈最少能夠通過一次加速間隙的構成，便可為任意構成。亦即，加速電極(D電極)10與加速電極對向接地板(虛設D電極)20的數量亦可為複數，且只要形成加速電場，其實現方法亦可為任意構成。每次帶電粒子受到加速，帶電粒子的環繞軌道的半徑係逐漸變大，亦即環繞軌道係繞成螺旋軌道，經加速的帶電粒子最後從射出道(duct)40取出至加速器外部。在第2圖中，以虛線表示螺旋軌道100；在第3圖中，以鏈線表示螺旋軌道的軌道面O。加速器全體形成高頻腔11，藉由真空裝置13排氣而使內部形成真空。

本發明係能夠適用於迴旋加速器、同步迴旋加速器、任何的圓形加速器。迴旋加速器係包含AVF迴旋加速器、分離扇型迴旋加速器、弱收斂迴旋加速器、經典迴旋加速器。

接著，根據第1圖，說明本發明的屬於主要部之粒子束產生器的構成。第1圖係將第2圖中所示包括粒子束產生器1在內的中心部放大顯示之圖，係顯示本發明實施形態1的圓形加速器的主要部之示意圖。在第1圖 中，為了讓人了解粒子束產生器1的內部構成，粒子束產生器1係特別以放大的內部示意圖的形式顯示。藉由在引出電極3與離子源2之間施加引出電壓33，使離子亦即帶電粒子從離子源2的離子引出孔22引出。在引出電極3之後的軌道上亦即在引出電極的下游，以使正交於軌道的直流電場產生之方式，設置具有相對向電極對的斷束器電極4。在斷束器電極4之後的軌道上亦即在斷束器電極4的下游係設置有狹縫構件5。離子源2、引出電極3、斷束器電極4、及狹縫構件5係由保持在接地電位的屏蔽(shield)電極6所罩覆。在斷束器電極4係設有對斷束器電極4的相對向電極間施加電壓的期間及不施加電壓的期間。在未施加電壓於斷束器電極4的電極間的期間，帶電粒子係通過狹縫構件5的狹縫55，從開設在屏蔽電極6的射出孔66射出。在有施加電壓於斷束器電極4的電極間時，帶電粒子受到偏向，循偏離所設計的螺旋軌道的遮擋軌道101(第1圖中以虛線所示的軌道)而撞到狹縫構件5，帶電粒子係不會從粒子束產生器1射出。

亦可將狹縫構件5設置成在有施加電壓於斷束器電極4的期間，亦即帶電粒子被斷束器電極4偏向時，讓偏向的軌道通過狹縫構件5的狹縫55。此時，係將狹縫55構成為在未施加電壓於斷束器電極4的期間，亦即帶電粒子不被斷束器電極4偏向時，不讓該軌道的帶電粒子通過將之遮擋掉。藉由如上述構成狹縫構件5的狹縫55，便能夠在有施加電壓於斷束器電極4的期間使帶電粒 子從粒子束產生器1射出。如上述，藉由令斷束器電極4的電極對間的電壓變化，亦即令斷束器電極4的軌道上的電場強度變化，控制帶電粒子通過或不通過狹縫55，從而能夠控制從粒子束產生器1射出的帶電粒子的粒子數。另外，亦可將狹縫55的寬度設計為可變動。此時，能夠以將依據狹縫55而定之帶電粒子被射出的脈衝的寬度和脈衝波形予以最佳化之方式，依帶電粒子的參數選擇狹縫55的寬度。此外，狹縫55亦具有成形從粒子束產生器1射出的帶電粒子的空間性分布亦即粒子束形狀之功能，故亦能夠藉由令狹縫55的寬度變化來使粒子束形狀變化。

在加速電極10與加速電極對向接地板20之間的加速間隙30係形成有藉由從高頻電源14施加的高頻電壓而產生的加速電場，從粒子束產生器1射出的帶電粒子係於每次通過加速間隙30時受到加速。在第1圖中，係為了幫助理解而將形成上側的加速間隙30之加速電極10與形成下側的加速間隙30之加速電極10以不同之電極的形式顯示，但如第2圖所示，第1圖中的上側的加速電極10與下側的加速電極10係可連結在一起。此外，在第1圖中係將高頻電源14顯示為有兩個，但實際上係構成為如第2圖和第3圖所示，從一個高頻電源供給高頻電力至加速電極10。

接著，針對構成粒子束產生器1的構成構件的電位，參照第4圖進行說明。在離子源2與引出電極3之間係施加直流的電壓，但如第4圖所示，將引出電極3 設為接地電位。離子源2係在帶電粒子為帶正電荷的離子時係設為正的電位，當帶電粒子為帶負電荷的離子時係設為負的電位。第4圖係顯示帶電粒子為帶正電荷的離子時的電位。斷束器電極4雖為電極對，但不在電極對間產生電場時，將電極對的兩電極的電位皆設為接地電位。在令電場產生於電極對間時，係在電極對間施加直流的電壓。可將其中一電極設為接地電位，將另一電極設為比接地電位高或低，亦可將其中一方設為比接地電位低，將另一電極設為比接地電位高。狹縫構件5係如第4圖所示，設為接地電位。

如上述，藉由將引出電極3設為接地電位，只要將斷束器電極4以接地電位為基準來產生電場即可，此外，狹縫構件5亦能夠設為接地電位。雖然將離子源2設為接地電位，將引出電極3設為正或負的電位也能夠將帶電粒子引出，但此方式必須將斷束器電極4的基準電位及狹縫構件5的電位設為與引出電極的電位相同，構成變得複雜，故較佳為將引出電極3設為接地電位。此外，罩覆粒子束產生器全體的屏蔽電極6係以使粒子束產生器1的構成構件儘可能不影響加速電場之方式設置，故較佳為設為接地電位。從如上述將屏蔽電極6設為接地電位這點來看，同樣較佳為將引出電極3設為接地電位，將粒子束產生器1的大部分構成構件設為接地電位。

第5圖係顯示本發明實施形態1的圓形加速器的粒子束產生器1的不同構成之示意圖，係從與第3圖 相同的觀看方向觀看粒子束產生器1亦即從側視所見之圖。斷束器電極4係以由兩片板狀的電極相對向的電極對所構成，其擺向係只要設置成隔著帶電粒子的軌道相對向即可。第1圖中所示的斷束器電極4係以使板狀的電極面垂直於帶電粒子的軌道面之方式設置，但亦可如第5圖所示，以使板狀電極面平行於帶電粒子的軌道面之方式設置。不論是哪種方式，只要將狹縫55設置為當藉由斷束器電極4產生直流電場使帶電粒子的軌道變成遮擋軌道101時以狹縫構件5將帶電粒子遮擋，當沒有藉由斷束器電極4產生的電場時係讓帶電粒子通過狹縫55即可。另外，屏蔽電極6的形狀在第1圖及第5圖中雖係描繪成長方體，但只要為能夠進行屏蔽的形狀則可為任何形狀，例如圓筒形狀等。

第6圖及第7圖係用以說明本發明的圓形加速器的動作的線圖。在圓形加速器為同步迴旋加速器的情形中，如第6圖上段的線圖所示，令高頻頻率以某一變化模式(pattern)變化來使帶電粒子加速。關於高頻頻率的變化模式的一次變化，如第6圖中段的線圖所示，在該變化模式的初期，使帶電粒子射入，藉此如第6圖下段的線圖所示，在變化模式的終期，帶電粒子從加速器射出。第7圖係將第6圖的射入加速器粒子數亦即從粒子束產生器射出的帶電粒子數a、b的部分的時間放大顯示及將第6圖的加速器射出帶電粒子數A、B的部分的時間放大顯示之圖。第7圖上段的線圖係顯示施加在斷束器電極4的電極對間 的電壓的時間性變化。如第7圖中段所示，在未施加電壓於斷束器電極4的期間，帶電粒子從粒子束產生器1射出。從粒子束產生器1射出的帶電粒子在通過加速間隙30時，當於加速間隙30有沿加速方向產生電場時獲得加速。因此，從圓形加速器射出的帶電粒子係以脈衝形式在高頻的每一週期射出。第7圖下段的線圖係將第6圖的加速器射出帶電粒子數的A、B的部分的時間放大顯示之圖。另外，以圓形加速器的電極的配置決定高頻的一週期射出的脈衝數。此外，如前述，亦能夠與第7圖相反，構成為在未施加電壓於斷束器電極4的期間係沒有帶電粒子從粒子束產生器1射出，在有施加電壓於斷束器電極4的期間使帶電粒子從粒子束產生器1射出。

在本發明實施形態1的圓形加速器的粒子束產生器1，係能夠以斷束器電極4的施加電壓期間來控制從粒子束產生器1射出的帶電粒子數亦即射入加速器的帶電粒子數。因此，當將本發明實施形態1的粒子束產生器使用於進行如上述動作的同步迴旋加速器，便能夠控制在高頻頻率的一次變化模式射出的射出粒子數。此外，在迴旋加速器，同樣能夠藉由控制按照與第7圖相同的斷束器電極4的施加電壓的變化而以與第7圖相同的射入加速器帶電粒子的模式射入加速器的帶電粒子數，亦即從粒子束產生器1射出的帶電粒子數，而獲得與第7圖下段相同之模式的加速器射出帶電粒子數的輸出。

在本發明實施形態1的圓形加速器中，係以 離子源2的參數或引出電極的電壓來決定從離子源2射出的帶電粒子的粒子數，再藉由對斷束器電極4施加電壓或不施加電壓的期間來決定從粒子束產生器1射出的粒子的比例。亦即，以離子源2與引出電極3之間的電壓，以及對斷束器電極4的電壓施加期間或電壓不施加期間來決定從粒子束產生器1射出的粒子數。在以對斷束器電極施加電壓或不施加電壓的期間來控制射出粒子數時，係令離子源2的參數不變化，故能夠在不使離子源2的電漿表面的狀態變更下控制射出粒子數，故能夠更穩定地進行射出粒子數的控制。

實施形態2.

第8圖係顯示本發明實施形態2的圓形加速器的主要部的構成之放大示意圖，第9圖係用以說明粒子束產生器1的構成構件的電位的線圖。在實施形態1中，係將施加在離子源2與引出電極3之間的電壓採用直流電壓，而在本實施形態2中，係構成為在離子源2與引出電極3之間施加從高頻電源14輸出的高頻電壓。其餘構成係與實施形態1的粒子束產生器的構成相同。

如實施形態1中的說明，引出電極3的電位係較佳為如第9圖所示設為接地電位。此時，視離子的電荷的正負而在高頻電位為正或負的期間將帶電粒子從離子源2引出。依據此構成，能夠令帶電粒子同步於加速間隙30的高頻的相位而射出。但由於電場以高頻的週期變化， 引出的效率比實施形態1的以直流電場引出帶電粒子的方式低。同實施形態1中的說明，藉由斷束器電極4與狹縫55的構成來控制從粒子束產生器1射出的粒子數，藉此相較於改變高頻電壓的大小來控制從離子源取出的粒子數的習知方法，能夠更穩定地控制粒子數。

實施形態3.

第10圖係顯示本發明實施形態3的圓形加速器的主要部的構成之放大示意圖。在第10圖的構成中，狹縫構件50係兼作為前述各實施形態的屏蔽電極。亦即，具有狹縫56的狹縫構件50係構成為罩覆離子源2、引出電極3、斷束器電極4予以屏蔽。在斷束器電極4的電壓為使帶電粒子的軌道變成遮擋軌道101的電壓時，係藉由兼作為屏蔽電極的狹縫構件50遮擋帶電粒子。此外，構成為當斷束器電極4的電壓為使帶電粒子的軌道變成正規軌道的電壓時，係讓帶電粒子通過狹縫56。

第11圖係顯示本發明實施形態3的圓形加速器的主要部的不同構成之放大示意圖。第11圖的構成，係構成為從第1圖的構成中拿掉屏蔽電極。實施形態1及2中設置的屏蔽電極6，或第10圖中具有屏蔽電極之功能的狹縫構件50係以使內部的構成構件的電位儘可能不影響加速間隙的電場之方式設置，惟當內部的構成構件的電位給加速間隙的電場造成的影響小時，屏蔽電極的功能便並非一定必須。因此，本發明的圓形加速器的粒子束產生 器1的必要構成要素乃係離子源2、引出電極3、斷束器電極4、及具有狹縫55的狹縫構件5或具有狹縫56的狹縫構件50。必須構成為在離子源2與引出電極3之間施加將帶電粒子引出之用的電壓，在斷束器電極4產生用以使帶電粒子的軌道變化之電場。

另外，本發明係當能夠在本發明的範圍內將各實施形態進行組合，或對各實施形態適當進行變形、省略。

1‧‧‧粒子射束產生器

2‧‧‧離子源

3‧‧‧引出電極

4‧‧‧斷束器電極

5‧‧‧狹縫構件

6‧‧‧屏蔽電極

10‧‧‧加速電極

14‧‧‧高頻電源

20‧‧‧加速電極對向接地板

22‧‧‧離子引出孔

30‧‧‧加速間隙

33‧‧‧引出電極

55‧‧‧狹縫

66‧‧‧射出孔

100‧‧‧螺旋軌道

101‧‧‧遮擋軌道

Claims (8)

1. 一種圓形加速器，係在中心部具備產生帶電粒子的粒子束產生器，令從該粒子束產生器射出的帶電粒子一邊藉由偏向磁場而沿螺旋軌道環繞一邊藉由高頻電場而加速；前述粒子束產生器係具備：離子源；引出電極，從該離子源引出帶電粒子；斷束器電極，設置在該引出電極的下游且由隔著帶電粒子的軌道相對向的電極對所構成；及狹縫構件，設置在該斷束器電極的下游且具有讓前述帶電粒子通過之狹縫；前述粒子束產生器構成為：藉由令施加於前述斷束器電極的電極對間的電壓變化而使帶電粒子的軌道變化，藉由該軌道的變化，控制前述帶電粒子通過或不通過前述狹縫。
2. 如申請專利範圍第1項所述之圓形加速器，其中，前述狹縫構件係罩覆前述離子源、前述引出電極、及前述斷束器電極。
3. 如申請專利範圍第1項所述之圓形加速器，其中，具備罩覆前述離子源、前述引出電極、前述斷束器電極、及前述狹縫構件的屏蔽電極。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之圓形加速器，其中，當在前述斷束器電極的電極對間未施加有電壓時，前述帶電粒子通過前述狹縫，當施加有電壓時，前述帶電粒子不通過前述狹縫。
5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之圓形加速器，其中，當在前述斷束器電極的電極對間施加有電壓時，前述帶電粒子通過前述狹縫，當未施加有電壓時，前述帶電粒子不通過前述狹縫。
6. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之圓形加速器，其中，前述引出電極的電位係維持在接地電位。
7. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之圓形加速器，其中，在前述離子源與前述引出電極之間施加直流電壓。
8. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之圓形加速器，其中，在前述離子源與前述引出電極之間施加與前述高頻電場相同頻率的高頻電壓。