TWI802972B - 帶電粒子線的入射裝置及其入射方法 - Google Patents

帶電粒子線的入射裝置及其入射方法 Download PDF

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Abstract

提供一種技術，當併用相異的複數個核種(nuclide)而照射帶電粒子線時，使各個核種的粒子數及能量最佳化而做前段加速，而使其入射至主加速器。 帶電粒子線的入射裝置(10)具備：第1離子源(11)，使第1核種離子(31)產生；及第1線形加速器(21)，使產生的第1核種離子(31)線形加速而做成第1帶電粒子線(41)；及第2離子源(12)，使第2核種離子(32)產生；及第2線形加速器(22)，使產生的第2核種離子(32)線形加速而做成第2帶電粒子線(42)；及切換電磁鐵(15)，使第1帶電粒子線(41)及第2帶電粒子線(42)的其中一方入射至主加速器(20)的反曲器(25)。

Description

帶電粒子線的入射裝置及其入射方法
本發明之實施形態，有關將帶電粒子線做前段加速而使其入射至主加速器之技術。
放射線所致之癌治療法的一種亦即粒子線治療，是將氫的原子核亦即質子或碳離子等的重粒子藉由加速器加速至光速的約70%而對腫瘤集中照射。此粒子線治療，沒有伴隨治療之痛楚，相較於其他的放射線治療副作用少，因此作為兼顧治療與社會生活而能夠維持生活品質(QoL：Quality of Life)之最先進的治療法而受到矚目。
又，以提升粒子線照射所致之治療效果為目的，當前正在研究併用核種(nuclide)相異的帶電粒子線來使其對腫瘤照射。具體而言，正在研究質子線與重粒子線之併用，二種類以上的重粒子線(碳、氦、氧、氖等)之併用。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2015-084886號公報
[發明所欲解決之問題]
但，當併用核種相異的帶電粒子線而進行照射的情形下，存在下述般的待解問題。當併用碳線與質子線照射的情形下，得到同一吸收劑量所必要的粒子數，相對於碳而言質子會多一位數以上。因此，當共用碳線用的線形加速器而進行質子線的前段加速的情形下，帶電粒子線中含有的質子的粒子數會變得不足。此外由於共用線形加速器，若碳與質子以相同能量入射至圓形加速器(同步加速器)，則由於空間電荷效應，會導致質子線的蓄積粒子數變少。
本發明之實施形態有鑑於這樣的事態而創作，目的在於提供一種技術，當併用相異的複數個核種而照射帶電粒子線時，使各個核種的粒子數及能量最佳化而做前段加速，而使其入射至主加速器。
(第1實施形態) 以下，基於所附圖面說明本發明之實施形態。圖1為採用了本發明的第1實施形態之帶電粒子線的入射裝置10a(10)的加速器系統40的全體構成圖。像這樣，加速器系統40大致被分類為入射裝置10、主加速器20及射束輸送系統30。
像這樣，入射裝置10a具備：第1離子源11，使第1核種離子31產生；及第1線形加速器21，使產生的第1核種離子31線形加速而做成第1帶電粒子線41；及第2離子源12，使第2核種離子32產生；及第2線形加速器22，使產生的第2核種離子32線形加速而做成第2帶電粒子線42；及切換電磁鐵15，使第1帶電粒子線41及第2帶電粒子線42的其中一方入射至主加速器20的反曲器25。
第1實施形態中，第1核種離子31為質子(氫)，第2核種離子32為重粒子(比氫還重的核種的多價離子)。作為此重粒子，可舉出碳、氦、氧、氖等。電子被完全剝除的全剝除(full stripped)狀態之碳離子 12C 6+，電荷質量比成為1／2。另，上述的氦離子 4He 2+、氧離子 16O 8+、氖離子 20Ne 10+亦在全剝除狀態下同樣地電荷質量比成為1／2。
第1離子源11及第2離子源12，除了ECR(Electron Cyclotron Resonance；電子迴旋共振)離子源、PIG(Penning Ionization Gauge；萍林式游離計)離子源這些高頻(包含微波)照射型以外，可舉出雷射照射型的離子源等。但，不限定於該些，只要是能夠有效率地生成第1核種離子31及第2核種離子32便可適宜採用。
ECR離子源中，利用電子迴旋共振現象，將中性原子電離而做成電漿狀態。若對ECR離子源導入原料氣體而從外部施加微波，則電離生成的電子會藉由磁場而被封閉，此高能量的電子進一步衝撞離子或原子而反覆將電子彈出，生成多價離子。
使質子產生的第1離子源11中，導入氫氣體作為原料而使氫原子核(質子) 1H +生成。此質子 1H +，質量數A為1而價數Z為1，因此電荷質量比為1。另，作為質子線當採用氫分子離子H 2 +的情形下，質量數A為2而價數Z為1，因此電荷質量比為1／2。使碳的重粒子產生之第2離子源12中，將原料的甲烷氣體(CH 4)在真空腔室內電漿化，使其生成碳離子 12C 4+。此碳離子 12C 4+，質量數A為12而價數Z為4，因此電荷質量比為1／3。
像這樣，電荷質量比，相對於碳為1／3，質子則為1。利用此一事實，將第1帶電粒子線(質子線)做線形加速之第1線形加速器21，能夠比將第2帶電粒子線(碳線)做線形加速之第2線形加速器22還小型化。又，第1線形加速器21及第2線形加速器22為各自分開，藉此能夠比起碳線將質子線的粒子數增多或提高每一核子的能量。藉此，能夠將碳線的照射與質子線的照射所造成之每單位時間吸收劑量做成彼此相等。
線形加速器21，22，由高頻四極(RFQ：Radio Frequency Quadrupole)線形加速器21a，22a、與漂移管線形加速器(DTL：drift tube linac)21b，22b所構成，將核種離子31，32加速而輸出作為帶電粒子線41，42。
RFQ21a，22a連接至離子源11，12的下游側，具備藉由高頻而形成四極的電場之4片電極(圖示略)。RFQ線形加速器21a，22a，對來自離子源11，12的核種離子31，32，藉由四極的電場同時進行加速與收斂。
DTL21b，22b，連接至RFQ21a，22a的後段，具備藉由高頻而形成沿著中心軸的電場之電極(圖示略)、與沿著中心軸各自遠離配置之漂移管(圖示略)。DTL21b，22b，於電場朝向平行於中心軸的行進方向之期間，使帶電粒子線41，42加速，於電場朝向和行進方向相反之期間，使帶電粒子線41，42通過漂移管當中，藉此使帶電粒子線41，42階段性地加速。像這樣，線形加速器21，22將從離子源11，12入射的核種離子31，32加速成帶有規定的能量之帶電粒子線41，42而射出。
被設定成非激磁的切換電磁鐵15，使第1帶電粒子線41維持直進，使其入射至主加速器20的反曲器25。被設定成激磁的切換電磁鐵15，將第2帶電粒子線42藉由電磁力彎曲而使其入射至反曲器25。另，此反曲器25，若質子的第1帶電粒子線41的能量相對於碳的第2帶電粒子線42的能量為2倍程度，則能夠不變更規格而適用。
不過，從離子源11，12產生的核種離子31，32，會有能量不均或混入目的以外的雜質離子。因此，必須僅篩選帶有如規格般的規定的能量之核種離子31，32而使其入射至線形加速器21，22。
鑑此，入射裝置10a，更具備：第1篩選電磁鐵51，將產生的第1核種離子31藉由電磁力彎曲而使其入射至第1線形加速器21；及第2篩選電磁鐵52，將產生的第2核種離子32藉由電磁力彎曲而使其入射至第2線形加速器22。藉由使其通過被激磁成事先訂定好的設定值之篩選電磁鐵51，52，便能排除和帶有規定的能量的核種離子31，32相異之目的以外的離子。
又，入射裝置10a具有：偏向電磁鐵16，將從第1線形加速器21射出的第1帶電粒子線41藉由電磁力彎曲而使其入射至主加速器20的反曲器25。藉此，便能將第1帶電粒子線41中包含的目的以外的離子除去。
又，入射裝置10a中，在第2線形加速器22的射出側，配置有將第2帶電粒子線42的核種離子的內殻電子剝除之剝除器(stripper)17。另，雖省略圖示，但此剝除器17有時亦會配置於第1線形加速器21的射出側。
藉由第2離子源12而生成的碳離子 12C 4+，是僅最外殻電子被剝除，但藉由通過剝除器17而內殻電子亦被剝除。其結果，變換成所有的電子被剝除之全剝除狀態的碳離子 12C 6+，電荷質量比從1／3變化為1／2，第2帶電粒子線42的加速性會提升。
第1控制部35，僅將切換電磁鐵15及偏向電磁鐵16當中的其中一者設定成激磁，將其他設定成非激磁。藉此，僅有藉由設定成激磁而劃出圓弧軌道的帶電粒子線才會入射至主加速器20的反曲器25。
當切換電磁鐵15被設定成非激磁而偏向電磁鐵16被設定成激磁的情形下，第2帶電粒子線42不會入射至反曲器25，僅第1帶電粒子線41會入射至反曲器25。此外，當切換電磁鐵15被設定成激磁而偏向電磁鐵16被設定成非激磁的情形下，第1帶電粒子線41不會入射至反曲器25，僅第2帶電粒子線42會入射至反曲器25。又，被設定成激磁設定的切換電磁鐵15，具有除去第2帶電粒子線42中包含的目的以外的離子之機能。
另，實施形態中雖示意第1核種離子31為質子而第2核種離子32為重粒子之情形，但亦有各自核種相反之情形，亦有兩方皆為核種彼此相異的重粒子之情形。
主加速器20，只要採用同步加速器等的圓形加速器則無特別限定。此同步加速器20，由下述所構成：高頻加速空洞27，使從入射裝置10入射的帶電粒子線41，42藉由高頻電力而加速；及複數個偏向電磁鐵28，將產生使環繞的帶電粒子彎曲之磁場；及複數個四極電磁鐵29，產生使環繞的帶電粒子發散／收斂而制止於環繞軌道內之磁場；及偏轉器26，使環繞同步加速器20的帶電粒子射出至射束輸送系統30。
基於這樣的構成，從入射裝置10射出的低能量的第1帶電粒子線41或第2帶電粒子線42，入射至反曲器25後，在同步加速器20環繞。然後，被加速直到光速的70～80%而到達了規定的高能量時，藉由偏轉器26使其從環繞軌道變更行進方向而被取出至射束輸送系統30。
另，射束輸送系統30中，亦設有：四極電磁鐵29，用來將直進的帶電粒子制止於軌道內；及偏向電磁鐵28，用來將帶電粒子的軌道彎曲。又，在此射束輸送系統30的前方，連接有藉由照射帶電粒子線55而治療患者56的腫瘤之照射裝置50。另，此照射裝置50為示例，連接於射束輸送系統30的前方之設施無特別限定。
(第2實施形態) 接著參照圖2說明本發明中的第2實施形態。圖2為第2實施形態之帶電粒子線的入射裝置10b(10)示意構成圖。另，圖2中具有和圖1共通的構成或機能之部分，以同一符號示意，省略重複的說明。
像這樣，第2實施形態之入射裝置10b，除了第1實施形態中的第1離子源11、第1線形加速器21、第2離子源12、第2線形加速器22、切換電磁鐵15之構成外，更具備：第3離子源13，使第3核種離子33產生；及第3篩選電磁鐵53，將產生的第3核種離子33藉由電磁力彎曲再使其直進通過第2篩選電磁鐵52而入射至第2線形加速器22。
又，入射裝置10b，具備：第4篩選電磁鐵54，將產生的第4核種離子34藉由電磁力彎曲再使其直進通過第3篩選電磁鐵53及第2篩選電磁鐵52而入射至第2線形加速器22。像這樣，第2實施形態中能夠逐漸增設離子源。
第2控制部36，僅將複數個的篩選電磁鐵52，53，54當中的其中一者設定成激磁，將其他設定成非激磁。藉此，便能僅使從連接至被設定成激磁的篩選電磁鐵的離子源的核種離子坐上加速軌道。
又，在入射裝置10b，設有基於配置於同一粒子線軌道上的複數個篩選電磁鐵52，53，54的激磁狀態而發動互鎖(interlock)訊號之機構37。藉由該些篩選電磁鐵52，53，54而形成的磁場，被設定成適合供各自負責的核種離子32，33，34通過軌道之磁通量密度。
互鎖機構37，取得在篩選電磁鐵52，53，54的各者計測出的磁通量密度，當預定入射的核種離子脫離事先設定好的範圍的情形下，發動互鎖訊號而使往主加速器20之帶電粒子線的供給停止。
有一種需求是在短時間切換相異的核種離子而將帶電粒子線連續照射。第2實施形態中，在帶電粒子線42的直線軌道上配置複數個篩選電磁鐵52，53，54，而複數個離子源12，13，14連接至各者。藉由做成這樣的構成，便能藉由一組的線形加速器來切換複數個重粒子離子而連續照射作為帶電粒子線。
此外，針對示例作為重粒子的碳、氦、氧、氖，已講述了在入射至主加速器20前一刻的全剝除狀態下，電荷質量比為1／2。有關全剝除狀態的該些核種，係全部帶有同一電荷質量比，因此難以偵測帶電粒子線中混入目的以外離子。
另一方面，從離子源11，12，13，14剛產生後，電荷質量比各自成為碳離子 12C 4+是1／3、氦離子 4He 2+是1／2、氧離子 16O 5+是5／16，因此只要篩選電磁鐵52，53，54的激磁設定設計地理想，則帶電粒子線中不會混入目的以外離子。
鑑此，當藉由篩選電磁鐵52，53，54計測出的磁通量密度脫離事先訂定好的範圍的情形下，訂為帶電粒子線中有可能混入目的以外離子，而設計成發動互鎖訊號。這是因為和治療計劃相異的核種照射至患者這件事，就治療的特性上是絕對不可不避免的事態。
基於圖3的流程圖說明實施形態之帶電粒子線的入射方法(適宜參照圖1及圖2)。首先，於第1離子源11使第1核種離子31產生(S11)。然後，使此產生的第1核種離子31藉由第1線形加速器21線形加速而做成第1帶電粒子線41(S12)。
接著，於第2離子源12使第2核種離子32產生(S13)。然後，使此產生的第2核種離子32藉由第2線形加速器22線形加速而做成第2帶電粒子線42(S14)。
接著，藉由切換電磁鐵15的設定(S15)，使第1帶電粒子線41及第2帶電粒子線42的其中一方入射至主加速器20的反曲器25(S16)。此時，若將切換電磁鐵15設定成非激磁則第1帶電粒子線41會入射(S16a)，若設定成激磁則第2帶電粒子線41會入射(S16b)。
另，上述的(S11)至(S16)的所有工程中，互鎖機構37會進行篩選電磁鐵52，53，54的各者中的激磁狀態的判定(S17)。又，當此激磁狀態被判定為異常時，互鎖訊號立刻發動而帶電粒子線的入射停止(END)。
又，在篩選電磁鐵52，53，54的各者中的激磁狀態持續正常判定的期間，帶電粒子線41，42通過射束輸送系統30，直到照射裝置50中的照射結束之前，(S11)至(S17)為止的工程連續(S19，No，Yes、END)。
按照以上講述的至少一個實施形態之帶電粒子線的入射裝置，藉由運用個別的線形加速器，當併用相異的複數個核種而照射帶電粒子線時，可使各者的粒子數及能量最佳化而做前段加速，使其入射至主加速器。
雖已說明了本發明的幾個實施形態，但該些實施形態是提出作為例子，並非意圖限定發明的範圍。該些實施形態可藉由其他各式各樣的形態而實施，在不脫離發明主旨的範圍內，能夠進行種種的省略、置換、變更、組合。該些實施形態或其變形，均被包含於發明的範圍或主旨，同樣地被包含於申請專利範圍記載之發明及其均等範圍。
10a,10b(10):入射裝置 11:第1離子源 12:第2離子源 13:第3離子源 15:切換電磁鐵 16:偏向電磁鐵 17:剝除器 20:主加速器 21:第1線形加速器 22:第2線形加速器 21a,22a:高頻四極(RFQ：Radio Frequency Quadrupole)線形加速器 21b,22b:漂移管線形加速器(DTL：drift tube linac) 25:反曲器 26:偏轉器 27:高頻加速空洞 28:偏向電磁鐵 29:四極電磁鐵 30:射束輸送系統 31:第1核種離子 32:第2核種離子 33:第3核種離子 34:第4核種離子 35:第1控制部 36:第2控制部 37:互鎖機構 40:加速器系統 41:第1帶電粒子線 42:第2帶電粒子線 50:照射裝置 51:第1篩選電磁鐵 52:第2篩選電磁鐵 53:第3篩選電磁鐵 54:第4篩選電磁鐵 55:帶電粒子線 56:患者
[圖1]採用了本發明的第1實施形態之帶電粒子線的入射裝置的加速器系統的全體構成圖。 [圖2]第2實施形態之帶電粒子線的入射裝置示意構成圖。 [圖3]實施形態之帶電粒子線的入射方法說明流程圖。
10a(10):入射裝置
11:第1離子源
12:第2離子源
15:切換電磁鐵
16:偏向電磁鐵
17:剝除器
20:主加速器
21:第1線形加速器
22:第2線形加速器
21a,22a:高頻四極(RFQ：Radio Frequency Quadrupole)線形加速器
21b,22b:漂移管線形加速器(DTL：drift tube linac)
25:反曲器
26:偏轉器
27:高頻加速空洞
28:偏向電磁鐵
29:四極電磁鐵
30:射束輸送系統
31:第1核種離子
32:第2核種離子
35:第1控制部
40:加速器系統
41:第1帶電粒子線
42:第2帶電粒子線
50:照射裝置
51:第1篩選電磁鐵
52:第2篩選電磁鐵
55:帶電粒子線
56:患者

Claims (6)

  1. 一種帶電粒子線的入射裝置，具備：第1離子源，使第1核種(nuclide)離子產生；第1線形加速器，使產生的前述第1核種離子線形加速而做成第1帶電粒子線；第2離子源，使第2核種離子產生；第2線形加速器，使產生的前述第2核種離子線形加速而做成第2帶電粒子線；切換電磁鐵，使前述第1帶電粒子線及前述第2帶電粒子線的其中一方入射至主加速器的反曲器(inflector)；第1篩選電磁鐵，將產生的前述第1核種離子藉由電磁力彎曲而使其入射至前述第1線形加速器；第2篩選電磁鐵，將產生的前述第2核種離子藉由電磁力彎曲而使其入射至前述第2線形加速器；第3離子源，使第3核種離子產生；及第3篩選電磁鐵，將產生的前述第3核種離子藉由電磁力彎曲，再使其直進通過前述第1篩選電磁鐵或前述第2篩選電磁鐵，而入射至前述第1線形加速器或前述第2線形加速器。
  2. 如請求項1記載之帶電粒子線的入射裝置，其中，基於配置於同一粒子線軌道上的複數個前述篩選電磁鐵的激磁狀態而發動互鎖(interlock)訊號。
  3. 如請求項1或請求項2記載之帶電粒子線 的入射裝置，其中，具有：偏向電磁鐵，將從前述第1線形加速器射出的前述第1帶電粒子線藉由電磁力彎曲而使其入射至前述反曲器，前述切換電磁鐵，將從前述第2線形加速器射出的前述第2帶電粒子線藉由電磁力彎曲而使其入射至前述反曲器。
  4. 如請求項1或請求項2記載之帶電粒子線的入射裝置，其中，在前述第1線形加速器及前述第2線形加速器的至少一方的射出側，配置有將核種離子的內殻電子剝除之剝除器(stripper)。
  5. 如請求項1或請求項2記載之帶電粒子線的入射裝置，其中，前述第1核種離子及前述第2核種離子的其中一方為氫離子而另一方為比氫還重的核種的多價離子。
  6. 一種帶電粒子線的入射方法，包含：於第1離子源使第1核種離子產生之工程；使產生的前述第1核種離子以第1線形加速器線形加速而做成第1帶電粒子線之工程；於第2離子源使第2核種離子產生之工程；使產生的前述第2核種離子以第2線形加速器線形加速而做成第2帶電粒子線之工程；藉由切換電磁鐵的設定而使前述第1帶電粒子線及前 述第2帶電粒子線的其中一方入射至主加速器的反曲器之工程；使產生的前述第1核種離子以第1篩選電磁鐵藉由電磁力彎曲而使其入射至前述第1線形加速器之工程；使產生的前述第2核種離子以第2篩選電磁鐵藉由電磁力彎曲而使其入射至前述第2線形加速器之工程；於第3離子源使第3核種離子產生之工程；及使產生的前述第3核種離子以第3篩選電磁鐵藉由電磁力彎曲，再使其直進通過前述第1篩選電磁鐵或前述第2篩選電磁鐵，而入射至前述第1線形加速器或前述第2線形加速器之工程。
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