WO2004039133A1 - 電子加速器及びそれを用いた放射線治療装置 - Google Patents

電子加速器及びそれを用いた放射線治療装置 Download PDF

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WO2004039133A1
WO2004039133A1 PCT/JP2003/013656 JP0313656W WO2004039133A1 WO 2004039133 A1 WO2004039133 A1 WO 2004039133A1 JP 0313656 W JP0313656 W JP 0313656W WO 2004039133 A1 WO2004039133 A1 WO 2004039133A1
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electromagnet
electron
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focusing
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PCT/JP2003/013656
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Yoshiharu Mori
Yasuyuki Akine
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Japan Science And Technology Agency
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H13/00—Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons
    • H05H13/08—Alternating-gradient magnetic resonance accelerators
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A61N2005/1085—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy characterised by the type of particles applied to the patient
    • A61N2005/1089—Electrons

Definitions

  • the present invention relates to an electron accelerator that generates an electron beam having an energy of several MeV to 10 several MeV and uses a fixed magnetic field type strong convergence, and a radiation therapy apparatus using the electron accelerator.
  • a linear accelerator As a linear accelerator, a microtron electron accelerator is known (for example, see Patent Document 2 below).
  • FIG. 20 is a diagram illustrating an example of a configuration of a medical linear accelerator of Conventional Example 1.
  • the medical linear accelerator 100 includes an electron gun 101, an accelerator device 102, and a magnetic bending device 103 provided outside the accelerator device 102.
  • the electrons incident on the accelerator device 102 by the electron gun 101 are accelerated along the beam axis of the accelerator device 102.
  • the accelerator device 102 is composed of a microwave accelerating cavity, and the microwave oscillator 104 and its control circuit 105 are connected.
  • the microwave oscillator 104 generates an electromagnetic field in the accelerating cavity of the accelerator device 102.
  • the electron beam 106 accelerated in this way is emitted from the exit window 107, becomes an output electron beam 108, and is used for radiotherapy.
  • the orbit of the output electron beam 108 is changed by the magnetic bending device 103 to irradiate a target 109, such as gold or tungsten, which generates X-rays.
  • a line beam 110 can be generated.
  • This X-ray —110 is also used for radiation therapy.
  • the size of the accelerator device 102 requires a length of about 2 m in order to accelerate the electron beam to 1 OMeV (for example, see Patent Document 3 below).
  • the heavy particle beam accelerator has high energy, enables irradiation limited to cancerous tissue, and reduces damage to normal tissue compared to the linear accelerator of Conventional Example 1 using electron beams and X-rays.
  • advantages for example, see Patent Document 4 below).
  • FF GA accelerator Fixed Field A 1 ternative Grad i ent accelerator
  • Taiga of Japan in 1953 See Patent Document 1 The FFGA accelerator uses a so-called strongly converging magnetic stone that has zero chromatic aberration in the convergence of particles such as electron beams, and does not need to change the magnetic field with acceleration as in the conventional synchrotron accelerator. There is a feature. Therefore, the particles can be accelerated quickly.
  • Patent Document 5 discloses a noise reduction technique in an FFAG electron accelerator using a betatron accelerator. This noise reduction technology is to generate a sound that cancels out the noise generated by the FFAG electron accelerator from the speaker, and does not eliminate the noise from the FFAG electron accelerator itself.
  • Patent Document 1 JP-A-10-64700 (page 4, FIG. 1)
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-169600 (Pages 2 to 3, FIGS. 1 and 2)
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-219699 (Page 2)
  • Patent Document 4 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-110400 (pages 1-2)
  • Patent Document 5 JP-A-2003-159342 (pages 1 and 2)
  • Non-Patent Document 1 Chihiro Okawa, Annual Report of the Physical Society of Japan, 1953
  • Non-patent Document 2 Y. Mori et al., 14, "FFAG (Fixed-field Aernating Gradi ent) Proton Syncrotron ", 1999, The 12th Syposium on Accelerator Science and Technology, pp. 81-83
  • Non Patent Literature 3 Nakano Yasuhiro KEK FFAG Group, “150 MeV Fixed Field Alternative Gradient (FFAG) Accelerator”, September 2002, Nuclear Research Vol. 47, No. 4, pp. 91-101
  • the beam intensity of the linac of Conventional Example 1 is as small as several hundred degrees A, it takes a long time to perform radiation treatment for cancer, etc., burdening the patient, causing a deviation in the irradiation field due to respiratory movement, and causing cancer.
  • There are problems such as difficulty in irradiating the diseased parts such as tissues. For this reason, in electron beam and X-ray treatment, irradiation limited to cancerous tissue is more difficult than conventional cancer treatment equipment using heavy ion beams, and damage to normal tissue is large. .
  • the radiation therapy system for cancer and the like using the heavy ion beam of Conventional Example 2 has an accelerator length of 1 Om to several 1 Om compared to 2 to several m of the electron beam accelerator, and the weight is also large. Over 100 tons. In addition, the cost is 100 times that of an electron beam accelerator, and it cannot be easily installed in general hospitals. '
  • the FFAG accelerator of Conventional Example 3 has a larger beam current than the accelerators of Conventional Examples 1 and I, and is capable of rapid repetition. It has an accelerating voltage of about V and can be easily installed in general hospitals. There are problems such as the fact that an accelerator that can be used has not been realized yet, and audible frequency noise is generated from the accelerator used for the accelerator. Disclosure of the invention
  • the present invention provides an electron accelerator using a small and light fixed magnetic field strong convergence with a strong electron beam intensity, and a fixed magnetic field strong convergence electron capable of irradiating cancer tissue with an electron beam in a short time. It aims to provide a radiation therapy device using an accelerator.
  • an electron accelerator comprises a vacuum vessel, an electromagnet disposed inside or outside the vacuum vessel, and an electron beam incident section for projecting an electron beam into the vacuum vessel.
  • a fixed magnetic field type strongly focused electron accelerator comprising: an accelerator for accelerating an electron beam; and an electron beam transport unit for transporting an electron beam accelerated from a vacuum vessel, wherein the electromagnet is a strongly focused electromagnet;
  • This strong focusing electromagnet is composed of a focusing electromagnetic stone and a diverging electromagnet provided on both sides of the focusing electromagnet, or is composed of a diverging section provided on both sides of the focusing electromagnetic stone and the focusing electromagnet,
  • An internal target that generates X-rays is placed in the vacuum vessel just before, and accelerated electron beams and X-rays can be extracted selectively.
  • the electron beam incident unit preferably includes an electron gun and an electromagnet that changes the trajectory of the electron beam generated from the electron gun and causes the electron beam to enter the vacuum vessel.
  • the electron beam transport unit preferably includes an electromagnetic stone or a converging lens that changes the trajectory of the electron beam out of the vacuum vessel, and the electron beam or the X-ray passing through the electron beam transport unit is scanned.
  • the acceleration device is a high-frequency acceleration system or an induction acceleration system, and is provided with at least a continuous output or pulse oscillator.
  • the electron beam is efficiently accelerated by the strong focusing electromagnet and the accelerator using high frequency, etc., so that the electron beam is about 10 times or more as compared with the electron accelerator such as the conventional linac.
  • a fixed magnetic field type strong focusing electron accelerator which selectively generates an electron beam and X-rays generated by the electron beam.
  • a high-frequency oscillator having a low output with a continuous output or a pulse output can be used as an accelerator, it can be manufactured with a small size, light weight and low cost.
  • the electron accelerator of the present invention comprises: a vacuum vessel; an electromagnet disposed inside or outside the vacuum vessel; an electron beam incident unit for projecting an electron beam into the vacuum vessel; and an accelerator for accelerating the electron beam.
  • a fixed-field strong focusing electron accelerator comprising: an electromagnet for extracting an accelerated electron beam in a vacuum vessel; and an electron beam transport unit for transporting the accelerated electron beam from the vacuum vessel.
  • a strongly converging electromagnet which consists of a focusing electromagnet and a dispersing magnet provided on both sides of the focusing electromagnet, or a focusing electromagnet and a diverging portion provided on both sides of the focusing electromagnet. And the electron beam emitted from the electron beam transport unit is scanned.
  • an internal target for generating X-rays is provided in a vacuum vessel immediately before the accelerated electron beam transport unit, and the accelerated electron beam and X-rays can be selectively extracted.
  • the electron beam or X-ray is scanned by a scanning unit including at least a pinhole slit.
  • an electron beam approximately 10 times or more and X-rays generated by this electron beam can be obtained compared to a conventional linac or other electron accelerator, and a fixed magnetic field that can be scanned by the electron beam or X-rays
  • a strongly focused electron accelerator is provided. Also
  • a high-frequency oscillator of low power with continuous output or pulse output can be used as an accelerator, it can be manufactured with a / J, type, light weight and low cost.
  • the electron beam transport unit includes a septum electromagnet or a converging lens that changes the trajectory of the electron beam to the outside of the vacuum container, and the first electron beam is provided near the electron beam emission unit of the strong focusing electromagnet in the vacuum container.
  • An electromagnet for beam trajectory correction is provided.
  • the first electron beam trajectory correcting electromagnet is disposed at a position delayed by 7 C / 2 radians in the electron beam phase space with respect to the septum electromagnet or the convergent lens. According to the above configuration, a stronger electron beam can be obtained by including the first electron beam trajectory correcting electromagnet.
  • a second electron beam trajectory correction electromagnet is disposed near the electron beam incident portion of the strong convergence electromagnet, and the first electron beam trajectory correction electromagnet is used for the first electron beam trajectory correction. Adjust the trajectory of the electron beam together with the electromagnet.
  • the first and second electron beam trajectory correcting electromagnets are preferably ⁇ ⁇ radians (where ⁇ is an integer) in the topological space. According to this configuration, a stronger electron beam can be obtained by further providing the second electron beam trajectory correcting electromagnet.
  • the winding portion of the electromagnet constituting the strong convergence electromagnet has a split winding structure, and the drive of each current of the split winding portion is controlled so as to have a predetermined magnetic field distribution.
  • the magnetic field distribution can be adjusted by driving and controlling the current in each winding portion, using the strong focusing electromagnet as an electromagnet having a split winding structure, and a continuous electron beam with higher intensity can be obtained.
  • the electron accelerator of the present invention includes a vacuum vessel, an electromagnet disposed inside or outside the vacuum vessel, an electron beam incident section for projecting an electron beam into the vacuum vessel, and an accelerator for accelerating the electron beam.
  • a fixed magnetic field type strong focusing electron accelerator comprising: an electromagnet for extracting an accelerated electron beam in a vacuum vessel; and an electron beam transport unit for transporting the accelerated electron beam from the vacuum vessel.
  • a strongly converging electromagnet which is a focusing electromagnet and a diverging electromagnet provided on both sides of the focusing electromagnet, or a focusing electromagnet and a diverging portion provided on both sides of the focusing electromagnet.
  • the winding of the electromagnet constituting the strong convergence electromagnet has a split winding structure, and the current of each of the split windings is driven and controlled to have a predetermined magnetic field distribution. And it features.
  • the current of each section of the split winding section is controlled by a resistor connected in parallel to each winding section or by a current source connected to each winding section.
  • the strong focusing electromagnet since the strong focusing electromagnet has a split winding structure, the current in each winding portion can be set to an optimum magnetic field distribution, and an electron beam with higher intensity can be obtained. Since the electromagnet is driven by direct current and the accelerator can use a high-frequency oscillator higher than the audio frequency, no noise is generated from the electron accelerator.
  • a radiotherapy apparatus using the electron accelerator of the present invention includes: an electron accelerator that selectively generates an electron beam or an X-ray; an irradiation head; a support unit; a treatment table on which a patient is placed; Wherein the electron accelerator is a fixed magnetic field type strong focusing electron accelerator. According to this configuration, a fixed magnetic field type strongly focused electron accelerator is used. Since the electron beam intensity is about 10 times stronger and scanning can be easily performed, the time for irradiating a tissue such as cancer can be reduced to one tenth or less. In addition, since it is small and lightweight, it does not generate noise and is low cost, it can be installed in general hospitals. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
  • FIG. 1 is an external view showing a configuration of an embodiment of a radiotherapy apparatus used for treatment of cancer or the like using a fixed magnetic field type strong focusing electron accelerator according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a fixed magnetic field type strong focusing electron accelerator of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a configuration of an electron beam incident unit.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a configuration example of the electromagnet.
  • FIG. 5 is a perspective view of a modification of FIG. 4 showing a configuration example of an electromagnet.
  • FIG. 6 is a plan view showing the configuration of the electron beam transport unit.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing the trajectory of an electron beam generated from the fixed magnetic field type strong convergence electron accelerator of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram showing a beam trajectory calculation for accelerating electrons to 10 MeV in the fixed magnetic field strong convergence electron accelerator of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic side view showing the configuration of the fixed-field-type strong convergence electron accelerator according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing correction of the electron beam trajectory by the first electron beam trajectory correction electromagnet.
  • FIG. 11 is a diagram schematically showing correction of the electron beam trajectory by the first and second electron beam trajectory correction electromagnets.
  • FIG. 12 shows the simulation of the electron beam orbit in the phase space in Fig. 11.
  • FIG. 13 is a perspective view schematically showing spot scanning which is a configuration of the beam scanning unit in FIG.
  • FIG. 14 is a perspective view schematically showing an electron beam which is another configuration of the beam scanning unit in FIG.
  • FIG. 15 is a schematic side view showing the configuration of a fixed-field-type strong convergence electron accelerator according to the third embodiment of the present invention.
  • FIGS. 16A and 16B show a configuration of an electromagnet used in the third embodiment.
  • FIG. 16A is a plan view showing a plane of the electromagnet
  • FIG. 16B is a cross-sectional view showing a configuration of a winding portion of the electromagnet.
  • FIG. 17 is a diagram showing a method of exciting the electromagnet shown in FIG.
  • FIG. 18 is a diagram showing another excitation method of the electromagnet shown in FIG.
  • FIG. 19 is a diagram schematically showing the magnetic flux density distribution of the electromagnet shown in FIG.
  • FIG. 20 is a diagram showing an example of the configuration of a conventional medical linear accelerator. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIGS. 1 and 1 are an external view showing the configuration of an embodiment of a radiotherapy apparatus used for treatment of cancer or the like using the fixed magnetic field type strongly focused electron accelerator according to the present invention, and the configuration of the fixed magnetic field type strongly focused electron accelerator. It is the schematic diagram seen from the side surface shown.
  • a radiotherapy device 1 using a fixed magnetic field type strongly focused electron accelerator has a fixed magnetic field type strongly focused electron accelerator 2 for accelerating electrons, and a support unit 3 for supporting a fixed magnetic field type strongly focused electron accelerator 2. And a treatment table 4 on which the subject is placed.
  • the fixed magnetic field type strong convergence electron accelerator2, the portion 2a on the treatment table 4 side is an electron beam transport portion in which an electron beam transport portion 26 described later is housed, and the electron beam transport portion 2
  • the tip of 6 is an irradiation head 2b for irradiating the patient with an electron beam or X-rays generated using the electron beam.
  • the fixed magnetic field type strongly focused electron accelerator 2 is rotatably supported by a support unit 3 so that the patient can be irradiated at an arbitrary angle (see the arrow in FIG. 1).
  • the fixed magnetic field type strongly focused electron accelerator 2 is composed of a vacuum vessel 10, an electron beam incident part 11, an electromagnet 20 (20a to 20f), an accelerator 13, and an electron It consists of a beam transport section 26 and.
  • the vacuum container 10 is a ring-shaped hollow container to be evacuated.
  • the electron beam incident section 11 is composed of an electron gun and the like.
  • the electromagnet 20 is an electromagnet that generates a fixed magnetic field that is arranged so as to go around the vacuum vessel 10.
  • Each electromagnet 20 includes a diverging electromagnet 22 on both sides of the focusing electromagnet 21. .
  • an electromagnet of the same structure is arranged on the upper side so as to face the same.
  • the electromagnet 20 can be provided in a vacuum vessel.
  • the vacuum vessel is made of a non-magnetic material
  • the electromagnet 20 may be provided outside the vacuum vessel to form a magnetic field distribution inside the vacuum vessel.
  • A1 (aluminum) or the like can be used as the non-magnetic material.
  • the approximate width of the vacuum vessel 10 is indicated by, where L for obtaining an acceleration voltage of 10 MeV is about 1 m.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the electron beam incident section 11.
  • the electron beam incident portion 11 includes an electron gun 14 and a kicker magnet 15. The trajectory of the electrons generated from the electron gun 14 is bent into the vacuum vessel 10 by the kicker magnet 15, and becomes an incident electron beam 16.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a configuration example of the electromagnet.
  • the electromagnet 0 includes a strongly converging electromagnet having a diverging electromagnet 22 on both sides of a focusing electromagnet 21.
  • the upper part is the outer peripheral side of the vacuum vessel 10 of the electromagnet 20
  • the lower part is the inner peripheral side of the vacuum vessel 10 of the electromagnet 20.
  • a coil 23a and a coil 23b are wound around the focusing electromagnet 21 and the diverging electromagnetic stone 2, respectively.
  • a voltage and a current are applied to the coils 23a and 23b of the focusing electromagnet 21 and the diverging electromagnet 22 so as to generate a constant magnetic field, that is, a fixed magnetic field, and the directions of the magnetic fields are mutually opposite. It is in the opposite direction.
  • Arrows 2 la and 22 a in the figure indicate the directions of the magnetic field of the focusing electromagnet 21 and the diverging electromagnet 22, respectively.
  • the magnetic fluxes generated by the focusing electromagnet 21 and the diverging electromagnet 22 return directly to the diverging electromagnet 22 and the focusing electromagnet 21, respectively, to form a so-called closed and positive magnetic circuit with a reverse magnetic field.
  • the electromagnet 20 has a magnetic flux density of about 0.5 T (tesla) as an example of the magnetic field strength. Further, a superconducting magnet may be used as the electromagnet 20. Further, the electromagnet 20 may be a strongly converging electromagnet by including diverging ends provided on both sides of the focusing electromagnet 21.
  • FIG. 5 is a perspective view showing another configuration example of the electromagnet. As shown in the figure, the electromagnet 20 is provided with a short circuit 24 which forms a magnetic circuit in addition to the electromagnet 20 of FIG. The other configuration is the same as that of FIG.
  • the above-described electromagnet is merely an example of a configuration example, and another configuration may be used.
  • the shunt yoke 24 may be any one of the upper and lower parts according to the divergent magnetic field strength.
  • the coil 23b of the diverging electromagnet 22 may be omitted, and a magnetic field induced by the magnetic field from the focusing electromagnet 21 or a diverging magnetic field induced by the end shape may be used.
  • FIG. 2 shows an example in which six electromagnets 20 (20a to 20f) are arranged in the vacuum vessel 10, but the electron beam is fixed by the electromagnets 20 as described later. It is sequentially passed through the magnetic field distribution and orbits inside the vacuum vessel 10. As a result, the fixed magnetic field distribution formed by the electromagnets 20 allows the electron beam to converge within the vacuum vessel 10 with good convergence. You can orbit. This action is called fixed magnetic field type strong convergence.
  • An accelerator 13 for accelerating the electron beam is provided between the electromagnet 20b and the electromagnet 20c in FIG.
  • the acceleration device 13 is composed of a high-frequency oscillator and its control device.
  • the accelerating device 13 need only include an energy supply means such as an antenna or a coil for applying high-frequency energy for accelerating the electron beam in the vacuum vessel.
  • Other high-frequency oscillators and their control devices or power supplies are required. May be installed outside the vacuum vessel. At this time, the electron beam is accelerated by an accelerator 13 using a high-frequency acceleration method or an induction acceleration method.
  • the caro-speed device 13 using a high-frequency oscillator when the frequency is 5 MHz to several 100 MHz and the power is 500 kW, an acceleration voltage of several 10 kV can be obtained.
  • a continuous operation or pulse operation oscillator can be used as the high frequency oscillator.
  • the frequency of the accelerator 13 is set to be equal to or higher than the audible frequency, noise can be prevented from being generated.
  • FIG. 6 is a plan view showing the configuration of the electron beam transport unit 26.
  • the electron beam 27 accelerated to 10 MeV to 15 MeV is incident on the electron beam transport unit 26.
  • Extraction of the electron beam 27 to the outside of the accelerator is performed using any one of a septum electrode, a septum magnet, and a kicker magnet 28, and a four-lens bundle lens 29.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing the trajectory of an electron beam generated from the fixed magnetic field type strong convergence electron accelerator of the present invention.
  • an incident electron beam 16 from the electron beam incident section 11 enters the vacuum vessel 10.
  • the incident electron beam 16 circulates until reaching a predetermined acceleration voltage while being accelerated by the electromagnet 20 in the vacuum vessel 10 by the accelerator 13.
  • the dashed line in the figure indicates a schematic trajectory of the electron beam 16.
  • the incident electron beam 16 makes one round of the vacuum vessel 10 to form a second round of the electron beam 17.
  • the trajectories of the electron beams 16 and 17 are almost concentric, and the diameter gradually increases as the electron beam energy increases, and is accelerated to a predetermined accelerating voltage.
  • the electron beam 18 is an electron beam having a predetermined acceleration voltage. Therefore, since the trajectory of the accelerated electron beam and the trajectory of the electron beam at the highest energy are spatially separated, an internal target 25 used for generating X-rays 31 must be installed in the vacuum vessel 10. Becomes easier.
  • the internal target 25 is moved to a position not irradiated by the electron beam 27, and What is necessary is just to make 27 into the electron beam transport section 26.
  • the internal target 15 is moved within the vacuum vessel 10 only when X-rays are generated, and the electron beam 27 is irradiated to the internal target 25. X-rays may be generated.
  • the electron beam 27 accelerated to 10 MeV to 15 MeV can be used by being extracted from the vacuum container 10 and used by the internal target 25 to generate X-rays 31. It is possible to use both of them after converting to.
  • FIG. 8 is a diagram showing a beam trajectory calculation for accelerating electrons to 10 MeV in the fixed magnetic field strong convergence electron accelerator of the present invention.
  • the horizontal and vertical beta-tunnels in the figure are the frequencies when the electron beam makes one round around the closed orbit when the electron beam repeatedly converges and diverges in the vacuum vessel 10 and makes an oscillating motion. This frequency is the frequency of the electron beam in the horizontal and vertical directions when the electron beam makes one round of the vacuum vessel 10.
  • the electron beam is well converged by the beam entrance and the accelerated beam exit, and the tron tune in both the horizontal and vertical directions does not change significantly with the acceleration energy.
  • the fixed magnetic field distribution by the electromagnet 20 has a so-called zero chromatic aberration shape in which the convergence of the electron beam does not change much with the acceleration energy even when the electron beam is accelerated.
  • beam acceleration is possible if the beam acceleration speed is extremely high.
  • the fixed magnetic field type strong convergence electron accelerator 2 of the present invention since a fixed magnetic field which does not change over time is used, extremely high repetition acceleration is possible as compared with a normal accelerator whose magnetic field intensity changes over time. is there.
  • the operation of the fixed magnetic field type strong convergence electron accelerator of the present invention will be described.
  • the electron beam 16 generated by the electron gun 14 is injected into the vacuum vessel 10 by the electron beam incidence unit 11.
  • the incident electron beam 16 is prevented from diverging due to the strong convergence effect of the fixed magnetic field distribution of the electromagnet 20, and furthermore, the accelerating device 13 placed on the orbit of the electron beam in the vacuum vessel 10 Accelerates the electron beam.
  • the electron beam accelerated by the accelerator 13 is further accelerated by the fixed magnetic field of the electromagnet 20 to orbit around the vacuum vessel 100 in a substantially ring shape while rotating about 100 to 100 times. Accelerated by 13
  • the acceleration voltage of the incident electron beam 16 is gradually increased until reaching the desired acceleration voltage.
  • the trajectory of the electron beam 27 accelerated to a predetermined acceleration voltage is bent outward in the electron beam transport unit 26. As a result, the electron beam 30 can be taken out.
  • the orbital position of the electron beam becomes slightly larger on the outer peripheral side of the vacuum vessel 10 with the increase of the electron beam energy. Orbit and the electron beam orbit 18 at the highest energy are spatially separated. This facilitates both taking out the electron beam out of the vacuum vessel 10 and placing an internal target 25 used for generating X-rays 31 in the vacuum vessel 10. . That is, the electron beam 27 can be used both when it is taken out of the vacuum vessel 10 and used, and when it is converted into X-rays 31 by the internal target 25 and used.
  • the electromagnet 20 used in the fixed magnetic field type strong convergence electron accelerator is a fixed magnetic field type and can perform high-repetition acceleration. Therefore, it does not require an extremely high accelerating electric field unlike the conventional linear accelerator.
  • the electron beam acceleration efficiency (duty factor) of the fixed magnetic field type strong focusing electron accelerator of the present invention can be as high as several 10% or more.
  • the electron beam intensity is low, an efficiency of typically a few 0/0.
  • an electron beam intensity of 1 mA to 1 O mA which is more than 10 times that of the conventional electron accelerator, and X-rays by this electron beam can be obtained.
  • the fixed-field-type strong convergence electron accelerator 2 of the present invention does not use an oscillator that uses a very high frequency of several GHz, which is a frequency in the microphone mouthband, which is used in a conventional accelerator. No need and costly high frequency cavities are required.
  • the accelerating device 13 used in the fixed magnetic field type strong convergence electron accelerator 2 of the present invention accelerates the electron beam while converging the electron beam many times while converging by the electromagnet 20, so that even if the accelerating voltage per operation is reduced, It can accelerate to a predetermined acceleration voltage.
  • low-cost high-frequency oscillators with continuous operation at very low frequencies (several kHz to several tens of MHz) can be used, resulting in low cost. Therefore, although the electron beam intensity is lmA to lOmA, which is 10 times or more, the size of the device is almost the same as the conventional one, so that it can be manufactured at the same cost as the conventional electron beam accelerator.
  • FIG. 9 is a schematic side view showing the configuration of a fixed-field-type strongly focused electron accelerator according to the second embodiment of the present invention.
  • the fixed magnetic field type strong convergence electron accelerator 40 according to the first embodiment includes a first electron beam orbit correction electromagnet 41, a second electron beam orbit correction electromagnet 4, and a beam scanning unit 43. , And is configured to drive the electromagnets 20a to 0e with direct current, which is different from the fixed magnetic field type strongly focused electron accelerator 2 shown in FIG. 17 shows the electron beam accelerated to the maximum energy of 1 O MeV to 15 MeV.
  • the other configuration is the same as that of FIG.
  • the first electron beam orbit correction electromagnet 41 is inserted into a region between the internal target 25 and the electromagnet 20 e in the vacuum vessel 10 to correct the electron beam orbits 16, 17, 18. Used.
  • the second electron beam trajectory correcting electromagnet 42 is provided in the vacuum vessel 10 and is provided at a position facing the electron beam incident portion 11.
  • windowless electromagnets can be used as the first and second electron beam trajectory correction electromagnets 41 and 42.
  • the electron beam orbit correction electromagnet 41 alone can be The electron beam can be emitted after correcting the orbit of the electron beam.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing the correction of the electron beam trajectory by the first electron beam trajectory correction electromagnet 41.
  • the first electron beam orbit correction electromagnet 41 is located at a position delayed by ⁇ / 2 radians in the electron beam phase space with respect to the septum electrode or the septum electromagnet 28 provided in the electron beam transport section 26. It is arranged.
  • the lines in the figure indicate the electron beam 18 at a predetermined acceleration voltage and the nearest electron beam 17 at a predetermined acceleration voltage.
  • the dotted line 18, 18 of the electron beam 18 indicates the trajectory of the electron beam without the septum electrode or the electromagnet 28.
  • the septum electrode or the electromagnet 28 is located at a position where ⁇ / 2 radians advances in the electron beam phase space with respect to the first electron beam orbit correction electromagnet 41, so that The electron beam 18 at the accelerating voltage is incident on the septum electrode or the electromagnet 28 and the orbit is corrected most efficiently to become the electron beam 46, which is emitted to the beam scanning section 43.
  • the first electron beam trajectory correcting electromagnet 41 By providing the first electron beam trajectory correcting electromagnet 41, the electron beam trajectory correction and beam emission can be performed efficiently.
  • FIG. 11 is a diagram schematically showing the correction of the electron beam trajectory by the first and second first electron beam trajectory correction electromagnets 41 and 42.
  • the first and second electron beam orbit correction electromagnets 41 and 42 are arranged so as to be an integral multiple of 180 degrees ( ⁇ radians, where ⁇ is an integer) in the electron beam phase space. ing.
  • the first and second electron beam trajectory correcting electromagnets 41 and 42 with respect to the septum electrode or the septum electromagnet 28 become integral multiples of 180 degrees in the electron beam phase space.
  • the electron beam 18 having a predetermined accelerating voltage is incident on the septum electrode or the septum electromagnet 28 and the orbit is corrected most efficiently to become the electron beam 47. It is emitted to 3.
  • FIG. 12 is a diagram showing an electron beam orbit simulation in the phase space in FIG.
  • the horizontal axis indicates the radial distance R (mm)
  • the vertical axis indicates the phase angle (mrad).
  • R 100 O mm. That is, when it becomes larger than lm, the phase angle rapidly increases, and the electron beam is extracted. You can see that By providing the first electron beam trajectory correction electromagnet 41 or the first and second electron beam trajectory correction electromagnets 41 and 42, the electron beam trajectory correction and beam emission can be performed with high accuracy. You can see what happens.
  • the beam scanning unit 43 is a region in which the electron beam or the X-ray 27 moves in an arbitrary direction on a vertical plane (referred to as an XY plane) in the straight traveling direction of the beam 27 ′, that is, a region where the beam 27 ′ runs.
  • FIG. 13 is a perspective view schematically showing spot scanning which is a configuration of the beam scanning unit in FIG. As shown in the figure, the electron beam or X-ray 27 ′ is scanned by the lens 50, 51 whose beam diameter is enlarged and the pinhole slit 52 is scanned in the X, Y directions shown in the figure. The resulting electron beam or X-ray 44 is obtained.
  • FIG. 14 is a perspective view schematically showing electronic scanning which is another configuration of the beam scanning unit in FIG.
  • the electron beam 27 ′ is transmitted by the driving circuit (not shown) of the lenses 53, 54 composed of an electrostatic lens or an electromagnetic lens or a combination thereof in the X and Y directions shown in FIG. Is scanned.
  • the driving circuit not shown
  • the electron beam or the X-ray 27 ′ can be scanned by spot scanning, and the electron beam alone can be quickly and efficiently scanned by electronic scanning. can do.
  • the trajectory of the electron beam can be corrected, and the extraction of the electron beam or X-ray can be performed continuously and efficiently.
  • the electron beam or X-ray is scanned by the beam scanning unit.
  • FIG. 15 is a schematic side view showing a configuration of a fixed-field strong focusing electron accelerator according to a third embodiment of the present invention.
  • the fixed magnetic field type strongly converging electron accelerator 60 shown in FIG. 9 differs from the fixed magnetic field type strongly converging electron accelerator 40 shown in FIG.
  • the other configuration is the same as that of FIG. 9 and the description is omitted.
  • the six electromagnets 62 (62 a to 62 f) are arranged in the vacuum vessel 10.
  • FIG. 16 shows the configuration of an electromagnet 60 used in the third embodiment.
  • FIG. 3B is a plan view of the stone
  • FIG. 4B is a cross-sectional view illustrating a configuration of a winding part of the electromagnet.
  • the electromagnet 62a is a strongly converging electromagnet having a diverging electromagnet 64 on both sides of the converging electromagnet 63, like the electromagnet 20a.
  • the converging electromagnet 63 and the diverging electromagnet 64 have a structure in which the winding part is divided into a plurality of blocks.
  • the converging electromagnet 63 and the diverging electromagnet 64 are both shown as having five divisions.However, the number of divisions of the winding part is not limited to five and depends on the shape of the target magnetic field distribution. What is necessary is just to set suitably.
  • FIG. 17 is a diagram showing a method of exciting the electromagnet shown in FIG.
  • shunt resistors 66 a to 66 e for current adjustment are connected in parallel to the winding portions 64 a to 64 e of the divergent electromagnet coil divided into five.
  • the value of the shunt resistor is increased in parallel so that two resistors with the shunt resistor 66a of r0 and the shunt resistor 661) of 0 are connected in parallel.
  • Both ends 6 4 g and 6 4 h of the winding are driven by the current source 68 at a constant current.
  • the focusing electromagnet 63 has the same configuration.
  • the magnetic flux density distribution of the diverging electromagnet 64 can be controlled.
  • the converging electromagnet 63 it is possible to control the magnetic flux density distribution of the electromagnet 62 a composed of the diverging electromagnet and the converging electromagnet to be optimal.
  • FIG. 18 is a diagram showing another method of exciting the electromagnet shown in FIG.
  • the winding portions 64a to 64e of the divergent electromagnet coil divided into five are independently driven by a constant current from current sources 70 to 74, respectively.
  • a current of I, to 15 can be passed through each of the coil winding portions 64a to 64e. Therefore, the magnetic flux density generated from each winding portion changes, and the magnetic flux density distribution of the divergent electromagnet 64 can be controlled.
  • the converging electromagnet 63 similarly, it is possible to control the magnetic flux density distribution of the electromagnetic stone 62 a composed of the diverging electromagnet and the converging electromagnet so as to be optimal.
  • FIG. 19 is a diagram schematically showing the magnetic flux density distribution of the electromagnet shown in FIG.
  • the horizontal axis represents the radial distance of the vacuum vessel 10 in the horizontal plane
  • the vertical axis represents the magnetic flux density.
  • B Is the magnetic field strength on the incident orbit
  • r. Is the orbital radius of the orbit (see Fig. 15)
  • k is the field index (fieldindex).
  • the magnetic field coefficient k can be arbitrarily changed by adjusting the winding portions 64 a to 64 e of the 62 a coil of the electromagnet. Therefore, by setting the radial magnetic field distribution to optimize the orbital convergence of the electron orbit, the zero-chromatic aberration shape of the electron beam can be easily realized, and the electron beam intensity can be increased. In addition, it is possible to easily change the energy of the electron beam.
  • the convergence state of the electron beam can be optimized, so that the electron beam intensity can be increased. Further, the electron beam energy can be easily changed.
  • an acceleration voltage of 10 MeV to 15 MeV and a current of 1 mA to 10 mA are obtained. Since it is 0 times or more, the irradiation time is extremely reduced.
  • the radiation therapy apparatus 1 using the fixed magnetic field type strong focusing electron accelerator of the present invention has a light weight of about 1 ton, the fixed magnetic field type strong focusing electron accelerator 2, 40, 60 is rotated.
  • the fixed magnetic field type strong focusing electron accelerator 2, 40, 60 is rotated.
  • irradiation from multiple directions to the subject can be performed in a short time. Therefore, radiation damage to normal tissues can be reduced.
  • the fixed magnetic field type strongly focused electron accelerator 2, 40, 60 used in the radiotherapy apparatus 1 of the fixed magnetic field type strongly focused electron accelerator of the present invention is based on an extremely stable beam focusing and acceleration method in principle in beam acceleration. Because of this, it is easy to operate, does not require any special adjustment work, and can be used by non-specialists.
  • the electron beam trajectory of the fixed-field-type strongly focused electron accelerators 2, 40, and 60 is largely covered with electromagnets 20, which is effective as a radiation shield. Thereby, in the radiotherapy apparatus 1 using the fixed magnetic field type strong focusing electron accelerator of the present invention, the cost required for radiation protection at the installation location can be reduced.
  • the radiotherapy apparatus using the fixed magnetic field type strong convergence electron accelerator of the present invention As described above, if the treatment of cancer or the like is performed by the radiotherapy apparatus using the fixed magnetic field type strong convergence electron accelerator of the present invention, the irradiation time to the affected part of the patient can be significantly reduced, and the patient can be breathed. Displacement of the irradiation field using stop irradiation can be prevented, and the irradiation area can be limited by multi-directional irradiation and radiation damage to normal tissues can be reduced. Further, the radiotherapy apparatus using the fixed magnetic field type strong convergence electron accelerator of the present invention is small and lightweight, does not generate noise, and can be manufactured at low cost, so that it can be easily installed in general hospitals.
  • the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible within the scope of the invention described in the claims, and it goes without saying that they are also included in the scope of the present invention.
  • the configuration and number of the electron beam incident portion, the electron beam transport portion, and the electromagnet can be appropriately changed according to the acceleration voltage and the electron beam current.
  • the intensity is 1 to 1 O mA, which is 10 times or more higher than that of the conventional electron beam accelerator.
  • X-rays can be selectively generated by this electron beam.
  • the device is small and lightweight, and can be manufactured at low cost.
  • the radiation therapy system using the fixed-field-type strong convergence electron accelerator of the present invention can obtain a high-intensity electron beam current more than 10 times that of the conventional electron beam accelerator, greatly reducing the treatment time for cancer and the like. And the like can be performed, and the burden on the patient can be reduced.
  • the fixed magnetic field type strong convergence electron accelerator of the present invention can be made compact with a diameter of about 1 m and can be manufactured at a cost of about 1/100 of a cancer treatment apparatus using heavy ion beams. This has the advantageous effect that it can be easily installed in hospitals.

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Abstract

電子ビーム強度が強く小型軽量な固定磁場型強収束を用いた電子加速器（２，４０，６０）で、真空容器（１０）と、真空容器（１０）に配設した電磁石（２０）と、真空容器（１０）へ電子ビームを入射させる電子ビーム入射部（１１）と、電子ビームを加速する加速装置（１３）と、真空容器（１０）から加速された電子ビームを輸送する電子ビーム輸送部（２６）とを備え、電磁石（２０）が、集束電磁石（２１）とその両側に設けた発散電磁石（２２）からなる強収束電磁石、または、集束電磁石（２１）とその両側に設けた発散部からなる強収束電磁石であり、電子ビーム輸送部（２６）の直前の真空容器（１０）内に、Ｘ線を発生させる内部標的（２５）を配設し、加速された電子ビームとＸ線とを選択可能に取り出す。加速電圧１０ＭｅＶで１ｍＡから１０ｍＡという従来の１０倍以上の電子ビームが得られるので、従来の１／１０以下の短時間で癌組織などに電子ビーム照射ができる放射線治療装置（１）を提供できる。

Description

明 電子加速器及びそれを用いた放射線治療装置 技術分野
本発明は、 数 M e V〜 l 0数 M e Vのエネルギーの電子線を発生させる、 固定 磁場型強収束による、電子加速器及びそれを用いた放射線治療装置に関するもの である。 背景技術
従来例 1の電子ビーム及びそれから発生させた X線を用いる癌などの放射線治 療装置としては、数 M e V〜l 0数 M e .V程度のエネルギーに加速された線形加 速器 （リニアック） が、 現在、 主として用いられている （例えば、下記特許文献
1参照） 。 また、線形加速器としては、 マイクロトロン電子加速器が公知である (例えば、 下記特許文献 2参照） 。
図 2 0は、 従来例 1の医療用線形加速器の構成の一例を示す図である。 医療用 線形加速器 1 0 0は、 電子銃 1 0 1と、加速器デバイス 1 0 2と、 加速器デバイ ス 1 0 2の外部に配設される磁気屈曲装置 1 0 3により構成されている。
電子銃 1 0 1によって加速器デバイス 1 0 2に入射された電子は、 加速器デバ イス 1 0 2のビーム軸に沿って加速される。 加速器デバイス 1 0 2は、 マイクロ 波加速空洞から構成され、 マイクロ波発振器 1 0 4と、 その制御回路が 1 0 5が 接続されている。 マイクロ波発振器 1 0 4は、 加速器デバイス 1 0 2の加速空洞 に電磁界を発生させる。 電子が加速器デバイス 1 0 2の加速空洞を通過するとき に、 マイクロ波の電磁界によって焦点に合わされ加速される。 このようにして加 速された電子ビーム 1 0 6は、 射出窓 1 0 7から放射され、 出力電子ビーム 1 0 8となり、 放射線治療に利用される。
また、 この出力電子ビーム 1 0 8が、磁気屈曲装置 1 0 3より軌道を変えられ て、 金またはタングステンのような X線を発生させるターゲット （標的） 1 0 9 に照射されることで、 X線ビーム 1 1 0を発生させることができる。 この X線ビ —ム 1 1 0も、 放射線治療に利用される。 上記加速器デバイス 1 02の大きさは 、 電子ビームを 1 OMe Vに加速するために、長さが 2m程度必要である （例え ば、下記特許文献 3参照） o
従来例 2の別の癌などの放射線治療装置として、 重粒子線加速器がある。 重粒 子線加速器は、 エネルギーが大きく、 電子線および X線による従来例 1の線形加 速器に比較して、 癌組織に限定した照射が可能となり、 正常組織に与えるダメ一 ジが小さいという利点がある （例えば、 下記特許文献 4参照） 。
従来例 3の加速器として、 1 9 53年に日本の大河により提案された固定磁場 型強収束加速器 (F F GA加速器： F i x e d F i e l d A 1 t e r n a t i ve Gr ad i en t加速器） がある （下記非特許文献 1参照） 。 F F G A 加速器は、電子ビームなどの粒子の収束に零色収差を有する、 所謂、強収束電磁 石を用い、 従来のシンクロトロン加速器のように加速に連れて磁場を変化させる 必要がなく、 固定磁場でよいという特徴がある。 したがって、 粒子の加速を早く 行うことができる。
しかしながら、 FFGA加速器は、提案当時の技術水準では強収束電磁石を実 現するための精密な磁場分布の実現などが困難であり、 ようやく、 近年、 素粒子 原子核物理研究用の陽子加速用の F F AG装置の設計と試作が行われるようにな つた （例えば、 下記非特許文献 2、 3参照） 。
また、 特許文献 5において、 ベ一タトロン加速装置を用いた FF AG電子加速 器における騒音低減技術が開示されている。 この騒音低減技術は、 FFAG電子 加速器から発生する騒音に対して打ち消す音をスピーカから発生させるものであ り、 FF AG電子加速器自体からの騒音を無くすものではない。
特許文献 1 ： 特開平 1 0— 64700号公報 （第 4頁、 図 1 )
特許文献 2 ： 特開平 07— 1 69600号公報 （第 2〜3頁、 図 1、 2) 特許文献 3 ： 特開 200 1— 2 1 699号公報（第 2頁）
特許文献 4 ： 特開 2002 - 1 1 0400号公報 （第 1〜2頁）
特許文献 5 ： 特開 2003 - 1 59 342号公報 （第 1〜2頁）
非特許文献 1 ： 大河千広、 日本物理学会年次報告、 1 9 53
非特許文献 2 ： Y. Mori 他 1 4名， "FFAG (Fixed-field A ernating Gradi ent) Proton Syncrotron", 1999, The 12th Syposium on Accelerator Science and Technology, pp. 81-83
非特許文献 3 ： 中野 讓及ぴ K E K F F A Gグループ、 「150 MeV Fixed Fi eld Alternative Gradient (FFAG) Accelerator」 2 0 0 2年 9月、原子核研究 Vol. 47, No. 4， pp. 91〜101
従来例 1のリニアックのビーム強度は、 数 1 0 0〃 Aと小さいために、 癌など の放射線治療にかかる時間が長く患者に負担となったり、 呼吸運動による照射野 のズレが生じたり、 癌組織などの患部に集中して照射することが困難である等の 課題がある。 このため、 電子線および X線の治療では、 従来例 2の重粒子線を使 用した癌治療装置に比べて、 癌組織に限定した照射が困難であり、 正常組織にあ たえるダメージが大きい。
さらに、 従来例 1のリニアックでは、電子を加速するマイクロ波空洞に X線を 発生させる夕一ゲットを設置すると、 電子ビームを加速できないために、 電子ビ ームは加速器から取り出すことでしか用いることができない。 また、従来例 1の リニァックでは、 電子ビームを加速器から取り出して X線を発生させたりするの で、放射線が放射されることから使用者の健康を損なわないように放射線シール ドの設置が必要で、 設置に費用が掛かる。 また、 従来例 1のリニアックにおいて は必要な加速電圧を得るために出力電力の大きなマイク口波発振器が必要になり 、 パルス動作のマイクロ波発振器しか使用できず、 連続運転ができない。
一方、 従来例 2の重粒子線を用いた癌などの放射線治療装置は、 加速器の長さ が、電子線加速器の 2〜数 mに対して 1 O m〜数 1 O mもあり、重量も 1 0 0ト ンを越す。 また、 コストが電子線加速器の 1 0 0倍もかかり、一般の病院に簡単 に設置できないという課題がある。 '
さらに、 従来技術による加速装置には、 極めて高い周波数 （数 G H z ) の m単 位の長さの大きな高周波空洞が必要である。 従って、 極めて高度で高精度の加工 技術が要求され、製造コストが高くなるという課題がある。
従来例 3の F F A G加速器においては、 従来例 1及び Iの加速器に対してビー ム電流が大きく、速い繰り返しのできる加速器であるが、 現状においては、放射 線治療装置に必要な 1 0数 M e V程度の加速電圧を有し、 一般の病院に簡単に設 置できるような加速器は未だ実現されていないことと、 加速器に使用する加速装 置などから可聴周波数の騒音が発生するなどの課題がある。 発明の開示
本発明は、 以上の点に鑑み、 電子ビーム強度が強く小型軽量な固定磁場型強収 束を用いた電子加速器と、短時間で癌組織などに電子ビーム照射ができる、 固定 磁場型強収束電子加速器を用いた放射線治療装置を提供することを目的としてい る。
上記の目的を達成するため、 本発明の電子加速器は、真空容器と、 この真空容 器内または真空容器外に配設される電磁石と、 真空容器へ電子ビームを入射させ る電子ビーム入射部と、 電子ビームを加速する加速装置と、真空容器から加速さ れた電子ビームを輸送する電子ビーム輸送部と、 を備えた固定磁場型強収束電子 加速器であって、電磁石が強収束電磁石であり、 この強収束電磁石は、 集束電磁 石及び集束電磁石の両側に設けられた発散電磁石からなるか、 または、 集束電磁 石及び集束電磁石の両側に設けられた発散部からなっており、 電子ビーム輸送部 の直前の真空容器内に X線を発生させる内部標的を配設し、 加速された電子ビ一 ムと X線とを選択可能に取り出せることを特徴とする。
上記構成において電子ビーム入射部は、 好ましくは、 電子銃と、電子銃から発 生された電子ビームの軌道を変えて真空容器へ入射させる電磁石を備えている。 電子ビーム輸送部は、好ましくは、真空容器外へ電子ビームの軌道を変える電磁 石又は収束レンズを備え、電子ビーム輸送部を通過する電子ビーム又は X線が走 查される。 また、 加速装置は、 高周波加速方式又は誘導加速方式であり、 連続出 力又はパルスの発振器を少なくとも備えていれば好適である。 ' 上記構成によれば、電子ビームが、 強集束電磁石と、 高周波などを用いた加速 装置により効率よく加速されることで、 従来のリニアックなどの電子加速器に比 ベて、 おおよそ 1 0倍以上の電子ビームとこの電子ビームによる X線とを選択可 能に発生する固定磁場型強収束電子加速器が提供される。 また、 連続出力または パルス出力で、低出力の高周波発振器を加速装置として用いることができるので 、 小型、 軽量及び低コストで製作できる。 また、本発明の電子加速器は、 真空容器と、 この真空容器内または真空容器外 に配設される電磁石と、真空容器へ電子ビームを入射させる電子ビーム入射部と 、電子ビームを加速する加速装置と、 真空容器内の加速された電子ビーム取り出 し用電磁石と、 真空容器から加速された電子ビームを輸送する電子ビーム輸送部 と、 と備えた固定磁場型強収束電子加速器であって、 電磁石は強収束電磁石であ り、 この強収束電磁石は、 集束電磁石及び集束電磁石の両側に設けられた 散電 磁石からなるか、 または、 集束電磁石及び集束電磁石の両側に設けられた発散部 からなつており、電子ビーム輸送部から出射した電子ビームが走査されることを 特徴とする。
上記構成において、好ましくは、 加速された電子ビーム輸送部の直前の真空容 器内に、 X線を発生させる内部標的を配設し、加速された電子ビームと X線とを 選択可能に取り出せる。 好ましくは、電子ビーム又は X線は、 少なくともピンホ 一ルスリットを含む走査部により走査される。
上記構成によれば、 従来のリニアックなどの電子加速器に比べて、 おおよそ 1 0倍以上の電子ビームとこの電子ビームにより発生した X線が得られ、 さらに電 子ビーム又は X線が走査できる固定磁場型強収束電子加速器が提供される。 また
、 連続出力又はパルス出力で、 低出力の高周波発振器を加速装置として用いるこ とができるので、 /J、型、 軽量及び低コストで製作できる。
上記構成において、好ましくは、 電子ビーム輸送部は真空容器外へ電子ビーム の軌道を変えるセプタム電磁石又は収束レンズからなり、 真空容器内の強収束用 電磁石の電子ビーム出射部の近傍に第 1の電子ビーム軌道補正用電磁石が配設さ れている。 好ましくは、 第 1の電子ビーム軌道補正用電磁石は、 セプタム電磁石 または収束レンズに対して、電子ビーム位相空間において 7C / 2ラジアン遅れる 位置に配設されている。 上記構成によれば、 第 1の電子ビーム軌道補正用電磁石 を備えることにより、 より強度の強い電子ビームを得ることができる。
上記構成において、好ましくは、 強収束用電磁石の電子ビーム入射部の近傍に 、 第 2の電子ビーム軌道補正用電磁石が配置され、第 の電子ビーム軌道補正用 電磁石が、 第 1の電子ビーム軌道補正用電磁石とともに、電子ビームの軌道を調 整する。 第 1及び第 2の電子ビーム軌道補正用電磁石は、好ましくは、 電子ビ一 ム位相空間において η ττラジアン （ここで ηは、 整数） の関係となる位置に配設 される。 この構成によれば、 さらに第 2の電子ビーム軌道補正用電磁石を備える ことにより、 より強度の強い電子ビームを得ることができる。
上記構成において、 好ましくは、 強収束用電磁石を構成する電磁石の卷線部は 分割巻線構造であり、 分割巻線部のそれぞれの電流が、 所定の磁場分布となるよ うに駆動制御される。 この構成によれば、 強収束電磁石を分割卷線構造の電磁石 として、 各卷線部の電流を駆動制御することで磁場分布を調整でき、 より強度の 強い連続電子ビームが得られる。
また、 本発明の電子加速器は、真空容器と、 この真空容器内または真空容器外 に配設される電磁石と、 真空容器へ電子ビームを入射させる電子ビーム入射部と 、電子ビームを加速する加速装置と、真空容器内の加速された電子ビーム取り出 し用電磁石と、 真空容器から加速された電子ビームを輸送する電子ビーム輸送部 と、 を備えた固定磁場型強収束電子加速器であって、 電磁石が強収束電磁石であ り、 この強収束電磁石が、 集束電磁石及び集束電磁石の両側に設けられた発散電 磁石からなるか、 または、集束電磁石及び集束電磁石の両側に設けられた発散部 からなつており、 強収束用電磁石を構成する電磁石の卷線部が分割巻線構造であ り、 分割卷線部のそれぞれの電流が、 所定の磁場分布となるように駆動制御され ることを特徴とする。
上記構成において、 好ましくは、 分割巻線部の各部の電流は、 各卷線部に並列, に接続される抵抗により制御されか、 各卷線部に接続される電流源により制御さ れる。
上記構成によれば、 強収束電磁石が分割卷線構造であるので、 各卷線部の電流 を最適な磁場分布とすることができ、 より強度の強い電子ビームが得られる。 電 磁石を直流駆動し、 加速装置が可聴周波数以上の高周波発振器を用いることがで きるので、電子加速器から騒音が発生しない。
また、本発明の電子加速器を用いた放射線治療装置は、 電子線又は X線を選択 可能に発生させる電子加速器と、 照射へッドと、 支持部と、被治療者を載せる治 療台と、 から構成され、 上記電子加速器が、 固定磁場型強収束電子加速器である ことを特徴とする。 この構成によれば、 固定磁場型強収束電子加速器を用いるの で、 電子ビーム強度がおおよそ 1 0倍以上強く、走査などが容易にできるから、 癌などの組織に照射する時間が十分の一以下に短縮できる。 また、 小型軽量であ り、騒音が発生せず低コストなので、 一般の病院においても設置することができ る。 図面の簡単な説明
本発明は、 以下の詳細な説明及び本発明の実施の形態を示す添付図面に基づい て、 より良く理解されるものとなろう。 なお、添付図面に示す実施の形態は本発 明を特定又は限定することを意図するものではなく、 単に本発明の説明及び理解 を容易とするためだけに記載されたものである。
図中、
図 1は、本発明による固定磁場型強収束電子加速器を用いた癌などの治療に用 いる放射線治療装置の一実施形態の構成を示す外観図である。
図 2は、本発明の固定磁場型強収束電子加速器の概略構成を示す図である。 図 3は、電子ビーム入射部の構成を示す概略図である。
図 4は、 電磁石の構成例を示す斜視図である。
図 5は、電磁石の構成例を示す図 4の変形例の斜視図である。
図 6は、電子ビーム輸送部の構成を示す平面図である。
図 7は、本発明の固定磁場型強収束電子加速器から発生される電子ビーム軌道 の概略を示す図である。
図 8は、本発明の固定磁場強収束電子加速器において、電子を 1 0 M e Vまで 加速するビーム軌道計算を示す図である。
図 9は、本発明に係る第 1の実施の形態による固定磁場型強収束電子加速器の 構成を示す側面から見た模式図である。
図 1 0は、 第 1の電子ビーム軌道補正用電磁石による電子ビーム軌道の補正を 模式的に示す図である。
図 1 1は、 第 1及び第 2の電子ビーム軌道補正用電磁石による電子ビーム軌道 の補正を模式的に示す図である。
図 1 2は、 図 1 1における位相空間での電子ビーム軌道シミュレ一ションを示 す図である。
図 1 3は、 図 9のビーム走査部の構成であるスポット走査を模式的に示す斜視 図である。
図 1 4は、 図 9のビーム走査部の別の構成である電子走查を模式的に示す斜視 図である。
図 1 5は、本発明に係る第 3の実施の形態による固定磁場型強収束電子加速器 の構成を示す側面から見た模式図である。
図 1 6は、 第 3の実施の形態に用いる電磁石の構成を示し、 （a ) は電磁石の 平面を示す平面図、 （b ) は電磁石の卷線部の構成を示す断面図である。
図 1 7は、 図 1 6に示す電磁石の励磁方法を示す図である。
図 1 8は、 図 1 6に示す電磁石の別の励磁方法を示す図である。
図 1 9は、 図 1 6に示す電磁石の磁束密度分布を模式的に示す図である。
図 2 0は、 従来の医療用線形加速器の構成の一例を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 図面に示した実施形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
図 1及び図 1は、 本発明による固定磁場型強収束電子加速器を用いた癌などの 治療に用いる放射線治療装置の一実施形態の構成を示す外観図及び固定磁場型強 収束電子加速器の構成を示す側面から見た模式図である。
図 1において、 固定磁場型強収束電子加速器を用いた放射線治療装置 1は、 電 子を加速する固定磁場型強収束電子加速器 2と、 固定磁場型強収束電子加速器 2 を支持する支持部 3と、 被治療者を載せる治療台 4と、 から構成されている。 固定磁場型強収束電子加速器 · 2の治療台 4側の部分 2 aは、 後述する電子ビー - ム輸送部 2 6が内部に収容されている電子ビーム輸送部分であり、電子ビーム輸 送部 2 6の先端が、 電子ビームまたは電子ビームを用いて発生させた X線を被治 療者に照射するための照射へッド 2 bとなっている。 固定磁場型強収束電子加速 器 2は、 被治療者へ任意の角度で照射できるように支持部 3に、 回転可動に支持 されている （図 1の矢印参照） 。
次に、 固定磁場型強収束電子加速器 2について説明する。 図 2において、 固定磁場型強収束電子加速器 2は、 真空容器 1 0と、電子ビー ム入射部 1 1 と、電磁石 2 0 ( 2 0 a〜 2 0 f ) と、 加速装置 1 3と、 電子ビー ム輸送部 2 6と、 から構成されている。 真空容器 1 0は、真空にされるリング状 の中空容器である。 電子ビーム入射部 1 1は、 電子銃などから構成されている。 電磁石 2 0は、 真空容器 1 0を周回するように配設されている固定磁場を発生さ せる電磁石であり、 各電磁石 2 0は、集束電磁石 2 1の両側に発散電磁石 2 2を 備えている。 なお、 図 2では、 電磁石の下側半分しか示していないが、 その上側 にも、 同じ構造の電磁石が正対するように配設されている。
ここで、電磁石 2 0は、 真空容器内に配設することができる。 また、 真空容器 が非磁性材料である場合には、 電磁石 2 0を真空容器外に配設して、 真空容器内 に磁場分布を形成する構造にしてもよい。 非磁性材料としては、 A 1 (アルミ二 ゥム） などを使用することができる。 また、真空容器 1 0のおおよその幅を で 示しているが、 1 0 M e Vの加速電圧を得るための Lは、約 l mである。
次に、電子ビーム入射部 1 1について説明する。 図 3は電子ビーム入射部 1 1 の構成を示す概略図である。 図 3において、 電子ビーム入射部 1 1は電子銃 1 4 とキッカー磁石 1 5とを備えている。 電子銃 1 4から発生された電子は、 キッカ 一磁石 1 5により軌道が真空容器 1 0内へ曲げられて、 入射電子ビーム 1 6とな る。
次に、電磁石 2 0について説明する。 ここで使用する電磁石 2 0は、本発明者 の平成 1 3年 1 0月 3 1日出願の特願 2 0 0 1 - 3 3 4 4 6 1号に開示した電磁 石などが使用できる。 図 4は上記電磁石の構成例を示す斜視図である。 図示する ように、電磁石 0は、 集束電磁石 2 1の両側に発散電磁石 2 2を有する強収束 電磁石を備えている。 図 4において上方が電磁石 2 0の真空容器 1 0の外周側で 、 下方が電磁石 2 0の真空容器 1 0の内周側である。 集束電磁石 2 1と発散電磁 石 2 には、 それぞれコイル 2 3 aとコイル 2 3 bが卷回されている。
そして、 集束電磁石 2 1と発散電磁石 2 2のコイル 2 3 aと 2 3 bには、 直流 で一定の磁場、即ち、 固定磁場を発生するように電圧と電流が印加され、 磁場の 方向は互いに反対向きとなっている。 図中の矢印 2 l a , 2 2 aは、 それぞれ集 束電磁石 2 1と発散電磁石 2 2の磁場の方向を示している。 ここで、 集束電磁石 2 1及び発散電磁石 2 2で発生させた磁束は、 それぞれ、 発散電磁石 2 2及び集束電磁石 2 1に直接戻す、所謂、 正と逆磁場の閉じた磁気 回路を形成する。 従って、従来、磁気回路を構成するために不可欠とされたリタ —ンヨークを使甩する必要がなくなり、電子ビームの入射と取り出しが容易にな る。 この電磁石 2 0は、磁場強度の一例として、 0 . 5 T (テスラ）程度の磁束 密度が得られる。 また、 電磁石 2 0として、超伝導磁石を使用してもよい。 さら に、電磁石 2 0は、 集束電磁石 2 1の両側に設けられる発散端部を備えることに より、 強収束電磁石としてもよい。
図 5は、電磁石の別の構成例を示す斜視図である。 図示するように、電磁石 2 0， は、 図 4の電磁石 2 0にさらに、磁気回路を形成するシヤントヨ一ク 2 4が 、 電磁石 2 0， の上部と下部に配設されている。 他の構成は、 図 4と同じである ので説明は省略する。
これにより、発散電磁石 2 2のリターンフラックスの一部は、 磁気回路となる シャントヨーク 2 4に流れるので、 発散電磁石 2 2から生じる発散磁場強度の大 きさを自在に調整することが可能になり、 発散軌道の調整が容易となる。
なお、 上記電磁石はあくまでも構成例の一例であり、 他の構成とすることもで きる。 例えば、 シャントヨーク 2 4は、 発散磁場強度に応じて、 上下の何れか 1 つとしてもよい。 また、 発散電磁石 2 2のコイル 2 3 bを省略して、 集束電磁石 2 1からの磁場により誘起される磁場、 または、端部形状により誘起される発散 磁場を使用してもよい。
次に、 電磁石の作用について説明する。
図 2でも説明したように、 図 4において電磁石の一個しか示していないが、 同 じ構造の電磁石が正対するように図右側 （図示せず） に配設されている。 従って 、 図 5において電磁石 2 0の固定磁場に垂直に入射する点線で示す入射電子ビー ム 1 6は、 点線のように、 発散、 収束、 発散という軌道になる。 ここで、 図 2で は電磁石 2 0 ( 2 0 a〜2 0 f ) が真空容器 1 0内に 6個配置される例を示して いるが、 後述するように電子ビームが電磁石 2 0による固定磁場分布の中を順次 通過させられて、 真空容器 1 0内を周回する。 これにより、 電磁石 2 0により形 成される固定磁場分布により、 電子ビームが真空容器 1 0内において収束性よく 周回させることができる。 この作用を固定磁場型強収束と呼ぶ。
次に、 加速装置 1 3について説明する。 電子ビームを加速するための加速装置 1 3は、 図 2において電磁石 2 0 bと電磁石 2 0 cの間に設けられている。 加速 装置 1 3は、 高周波発振器とその制御装置などから構成されている。 この加速装 置 1 3は、電子ビームを加速する高周波エネルギーを加えるアンテナやコイルな どのエネルギー供給手段だけが真空容器内に配設されていればよく、他の高周波 発振器とその制御装置あるいは電源などは真空容器外に設置してもよい。 この際 、 電子ビームが、 高周波加速方式あるいは誘導加速方式を用いた加速装置 1 3で 加速される。 高周波発振器を用いたカロ速装置 1 3の場合、 周波数が 5 MH z〜数 1 0 0 MH zで電力として 5 0 0 kWの場合に、加速電圧は数 1 0 k Vが得られ る。 ここで、 高周波発振器として、 連続動作またはパルス動作の発振器が使用で きる。 また、 加速装置 1 3の周波数を可聴周波数以上とすれば、騒音が発生しな いようにすることができる。
次に、 電子ビーム輸送部 2 6について説明する。 図 6は、電子ビーム輸送部 2 6の構成を示す平面図である。 図示するように、 1 0 M e V〜 l 5 M e Vに加速 された電子ビーム 2 7が、 電子ビーム輸送部 2 6に入射される。 この電子ビーム 2 7の加速器外部への取り出しは、 セプタム電極、 セプタム磁石、 キッカー磁石 2 8のいずれかと、 4又束レンズ 2 9と、 を用いて ί亍われる。
次に、 本発明の、 固定磁場型強収束電子加速器の電子ビーム軌道について説明 する。
図 7は、本発明の固定磁場型強収束電子加速器から発生される電子ビーム軌道 の概略を示す図である。 図示するように、 電子ビーム入射部 1 1からの入射電子 ビーム 1 6が真空容器 1 0内に入射する。 入射電子ビーム 1 6は、 電磁石 2 0に よって真空容器 1 0内を加速装置 1 3により加速されながら、 所定の加速電圧に なるまで周回する。 図中の点線は電子ビーム 1 6の模式的な軌道を示している。 入射電子ビーム 1 6が真空容器 1 0を一周し、 二周目の電子ビーム 1 7となる。 図示するように、電子ビーム 1 6， 1 7の軌道はほぼ同心円状となり、電子ビー ムエネルギーの増加とともに、 直径は僅かずつに大きくなり、 所定の加速電圧ま で加速される。 電子ビーム 1 8は、所定の加速電圧となった電子ビームである。 従って、加速電子ビーム軌道と、 最高エネルギーでの電子ビーム軌道が空間的に 分離しているので、 真空容器 1 0内に、 X線 3 1の発生のために用いる内部標的 2 5を設置することが容易となる。
電子ビーム 2 7と X線とを選択可能に外部に取り出す方法として、 電子ビーム 2 7を外部に取り出す場合には、 内部標的 2 5を電子ビーム 2 7により照射され ない位置に移動し、 電子ビーム 2 7を電子ビーム輸送部 2 6に入射させればよい 。 これに対して、 X線を外部に取り出す場合には、 X線を発生させるときだけ内 部標的 1 5を真空容器 1 0内で移動し、 電子ビーム 2 7を内部標的 2 5に照射し て X線を発生させればよい。
このようにして、 1 0 M e V〜 l 5 M e Vに加速された電子ビーム 2 7は、 真 空容器 1 0から取り出されて利用される場合と、 内部標的 2 5により X線 3 1に 変換されて利用される場合の双方が可能である。
図 8は、本発明の固定磁場強収束電子加速器において、電子を 1 0 M e Vまで 加速するビーム軌道計算を示す図である。 図の水平及び垂直のベータト口ンチュ —ンは、電子ビームが真空容器 1 0中を収束、 発散を繰り返して振動運動を行う 際の、 閉軌道のまわりを 1周する時の振動数である。 この振動数は、電子ビーム が真空容器 1 0を 1周するときの電子ビームの水平方向と垂直方向の振動数であ る。
この結果から、 ビーム入射と加速されたビーム出射で、水平と垂直両方向のベ 一夕一トロンチューンが加速ェネルギ一で大きく変化せず、電子ビームがよく収 束していることが分かる。 これにより、 電磁石 2 0による固定磁場分布により、 電子ビームが加速されてもビームの収束性が加速エネルギーと共にあまり変化し ない、所謂、零色収差形状を有していることが分かる。 また、 ビームの収束性が エネルギ一に依存する非零色収差形状の場合も、 ビームの加速速度が極めて速い 場合にはビーム加速が可能である。
また、 本発明発明の固定磁場型強収束電子加速器 2では、 時間的に変化しない 固定磁場を用いるので、 磁場強度が時間的に変化する通常の加速器に比較して、 極めて高繰り返し加速が可能である。
次に、 本発明の固定磁場型強収束電子加速器の動作について説明する。 本発明の固定磁場型強収束電子加速器 2は、 最初に、 電子銃 1 4により生成さ れた電子ビーム 1 6が、 電子ビーム入射部 1 1により真空容器 1 0内に入射され る。 入射した電子ビーム 1 6は、電磁石 2 0の固定磁場分布による強収束作用に よって電子ビームの発散を防がれ、 さらに、 真空容器 1 0内の電子ビームの軌道 上に配置した加速装置 1 3により電子ビームが加速される。 加速装置 1 3により 加速された電子ビームは、 さらに電磁石 2 0の固定磁場によって、 真空容器 1 0 内を概略リング状に、 おおよそ 1 0 0〜 1 0 0 0回周回しながら周回每に加速装 置 1 3により加速される。
このようにして、 入射した電子ビーム 1 6は、 所望の加速電圧に達するまで徐 々に加速電圧が高められる。 所定の加速電圧まで加速された電子ビーム 2 7は、 電子ビーム輸送部 2 6において、軌道が外部に曲げられる。 これにより、 電子ビ —ム 3 0を外部に取り出すことができる。
また、 本発明の固定磁場型強収束電子加速器 2においては、電子ビーム軌道位 置が、 電子ビームエネルギーの増加と共に、真空容器 1 0の外周側に僅かに大き くなるので、 入射電子ビーム 1 6の軌道と、 最高エネルギーでの電子ビーム軌道 1 8が空間的に分離している。 これにより、 電子ビ一ムを真空容器 1 0外に取り 出すことと、真空容器 1 0内に X線 3 1の発生のために用いる内部標的 2 5を設 置することの何れも容易となる。 即ち、電子ビーム 2 7は、 真空容器 1 0から取 り出されて利用される場合と内部標的 2 5により X線 3 1に変換され利用される 場合の双方が可能である。
次に、 本発明の固定磁場型強収束電子加速器の特徴について説明する。
固定磁場型強収束電子加速器に用いる電磁石 2 0は固定磁場型であり、 高繰り 返し加速が可能であるので、 従来の直線型加速器のように非常に高い加速電場を 必要としない。
また、 本発明の固定磁場型強収束電子加速器の電子ビーム加速効率 （デューテ ィファクター） は、 数 1 0 %以上の高効率が得られる。 これに対して、 従来の直 線加速器では、 電子ビーム強度が弱いので、 一般に数0 /0の効率である。
ここで、 電子ビーム加速効率は、 電子ビームパワー （=電子ビームエネルギー X電子ビーム電流） を電子ビーム加速に要する電力 高周波加速もしくは誘導 加速での電力） で割った値である。 これにより、 従来の電子加速器に比し、 1 0 倍以上の 1 mAから 1 O mAの電子ビーム強度及びこの電子ビームによる X線が 得られる。
また、本発明の固定磁場型強収束電子加速器 2は、 従来の加速装置で使用され ている極めて高い数 G H zというマイク口波帯の周波数を用いた発振器を使用し ないので、高度な技術が要求され、 かつコストの高い高周波空洞が不要である。 本発明の固定磁場型強収束電子加速器 2に用いる加速装置 1 3は、電子ビームを 電磁石 2 0により収束させながら多数回周回させながら加速するので、 1回当り の加速電圧を低くしても、 所定の加速電圧に加速できる。 また、 極めて低周波数 で （数 k H z〜数十 M H z ) 連続動作の低出力の高周波発振器の使用ができるの で、 低コストである。 従って、 電子ビーム強度が 1 0倍以上の l mA〜 l O mA でありながら、装置の大きさは従来と同程度であるので、従来の電子ビーム加速 器と同程度のコストで製造できる。
次に、本発明の固定磁場型強収束電子加速器に係る第 2の実施の形態を説明す る。
図 9は、 本発明に係る第 2の実施の形態による固定磁場型強収束電子加速器の 構成を示す側面から見た模式図である。 第 1の実施の形態による固定磁場型強収 束電子加速器 4 0では、 第 1の電子ビーム軌道補正用電磁石 4 1と、 第 2の電子 ビーム軌道補正用電磁石 4 と、 ビーム走査部 4 3と、 を備え、 かつ、 電磁石 2 0 aから 0 eを直流で駆動するよう構成している点が、 図 7に示す固定磁場型 強収束電子加速器 2と異なる。 1 7， は最高エネルギーである 1 O M e V〜 l 5 M e Vに加速された電子ビームを示している。 他の構成は、 図 7と同じ構成であ るので説明は省略する。
第 1の電子ビーム軌道補正用電磁石 4 1は、 真空容器 1 0内の内部標的 2 5と 電磁石 2 0 eの間の領域に挿入され、 電子ビーム軌道 1 6 , 1 7， 1 8の補正に 用いられる。 同様に、 第 2の電子ビーム軌道補正用電磁石 4 2は真空容器 1 0内 に配設され、 電子ビーム入射部 1 1に対向する位置に設けられる。 ここで、 第 1 及び第 2の電子ビーム軌道補正用電磁石 4 1 , 4 2は、 窓無し電磁石を用いるこ とができる。 また、 第 1の電子ビーム軌道補正用電磁石 4 1だけでも、 電子ビー ム軌道を補正し電子ビームを出射することができる。
先ず、 第 1の電子ビ一ム軌道補正用電磁石による電子ビーム軌道の補正につい て説明する。
図 1 0は、 第 1の電子ビーム軌道補正用電磁石 4 1による電子ビーム軌道の補 正を模式的に示す図である。 第 1の電子ビーム軌道補正用電磁石 4 1は、 電子ビ —ム輸送部 2 6に配設されているセプタム電極またはセプタム電磁石 2 8に対し て、電子ビーム位相空間で π / 2ラジアン遅れる位置に配設されている。 図中の 線は所定の加速電圧となった電子ビーム 1 8と、 所定の加速電圧になる最近接の 電子ビーム 1 7， と、 を示している。 電子ビーム 1 8の点線部 1 8， は、 セプ夕 ム電極または電磁石 2 8のない場合の電子ビームの軌道を示している。 図から明 らかなように、 セプタム電極または電磁石 2 8は第 1の電子ビーム軌道補正用電 磁石 4 1に対して電子ビーム位相空間で ττ / 2ラジアン進む位置に配設されてい るので、 所定の加速電圧となった電子ビーム 1 8が、 セプタム電極または電磁石 2 8に入射されて最も効率よく軌道修正されて電子ビーム 4 6となり、 ビーム走 査部 4 3に出射される。 第 1の電子ビーム軌道補正用電磁石 4 1を設けることで 、 電子ビーム軌道の補正及びビーム出射を効率良く行うことができる。
図 1 1は、 第 1及び第 2の第 1の電子ビーム軌道補正用電磁石 4 1 , 4 2によ る電子ビーム軌道の補正を模式的に示す図である。 第 1及び第 2の電子ビーム軌 道補正用電磁石 4 1， 4 2は、 電子ビーム位相空間で 1 8 0度の整数倍 ( τι πラ ジアン、 ここで ηは整数） となるように配置されている。 図から明らかなように 、 セプタム電極またはセプタム電磁石 2 8に対して、 第 1及び第 2の電子ビーム 軌道補正用電磁石 4 1 , 4 2が、 電子ビーム位相空間で 1 8 0度の整数倍に配設 されているので、 所定の加速電圧となった電子ビーム 1 8が、 セプタム電極また はセプタム電磁石 2 8に入射されて最も効率よく軌道修正されて電子ビーム 4 7 となり、 ビーム走查部 4 3に出射される。
図 1 2は、 図 1 1における位相空間での電子ビーム軌道シミュレーションを示 す図である。 図において、 横軸は半径方向の距離 R (mm) を示し、縦軸は位相 角度 （m r a d ) を示している。 図から明らかなように、 R = 1 0 0 O mm. 即 ち、 l mよりも大きくなると急激に位相角度が増大し、 電子ビームが取り出され ることが分かる。 これにより、 第 1の電子ビーム軌道補正用電磁石 4 1、 または 、 第 1及び第 2の電子ビーム軌道補正用電磁石 4 1 , 4 2を設けることで、電子 ビーム軌道の補正及びビーム出射が精度よく行われることが分かる。
次に、 ビーム走査部について説明する。 ビーム走査部 4 3は電子ビーム又は X 線 2 7， を、 これらのビーム 2 7 ' の直進方向の垂直平面 （X Y平面とする） で 任意の方向の移動、 即ち走查を行う領域である。 図 1 3は、 図 9のビーム走査部 の構成であるスポット走査を模式的に示す斜視図である。 図示するように、電子 ビームまたは X線 2 7 ' は、 レンズ 5 0 , 5 1によりそのビーム径が拡大されて 、 ピンホ一ルスリツト 5 2が図示する X , Y方向に走査されることにより、走査 された電子ビームまたは X線 4 4が得られる。
図 1 4は図 9のビーム走査部の別の構成である電子走査を模式的に示す斜視図 である。 図 1 4において、 電子ビーム 2 7 ' は、 静電レンズまたは電磁レンズあ るいはこれらの組合わせからなるレンズ 5 3， 5 4の図示しない駆動回路により 、 電子ビームが、 図示する X , Y方向に走査される。 これにより、本発明の固定 磁場型強収束電子加速器 4 0によれば、 電子ビームまたは X線 2 7 ' はスポット 走査により走査でき、 また、 電子ビーム単体は電子走査により、 高速かつ効率的 に走査することができる。
以上のことから、本発明の固定磁場型強収束電子加速器 4 0によれば、 電子ビ —ムの軌道補正ができ、 電子ビーム又は X線の取り出しが、 連続的に、 かつ、 効 率良く行われる。 また、 ビーム走査部により、 電子ビームまたは X線の走査がで さる。 ， 次に、本発明の固定磁場型強収束電子加速器に係る第 3の実施の形態を説明す る。
図 1 5は、 本発明に係る第 3の実施の形態による固定磁場型強収束電子加速器 の構成を示す側面から見た模式図である。 図示する固定磁場型強収束電子加速器 6 0が電磁石 6 2を備えている点が、 図 9に示す固定磁場型強収束電子加速器 4 0と異なる。 他の構成は、 図 9と同じ構成であるので説明は省略する。 電磁石 6 2は、 真空容器 1 0内に 6個 （6 2 a〜6 2 f )配設されている。
図 1 6は、 第 3の実施の形態に用いる電磁石 6 0の構成を示し、 （a ) は電磁 石の平面図、 （b ) は電磁石の巻線部の構成を示す断面図である。 図 1 6 ( a ) に示すように、 電磁石 6 2 aは、 電気磁石 2 0 aと同様に、 収束電磁石 6 3の両 側に発散電磁石 6 4を有している強収束電磁石である。 図 1 6 ( b ) に示すよう に、 収束電磁石 6 3及び発散電磁石 6 4は、卷線部を複数のブロックに分割した 構造を有している。 図示の場合、 収束電磁石 6 3及び発散電磁石 6 4は、 ともに 5分割の場合を示しているが、巻線部の分割数は 5分割に限らず、 目的とする磁 場分布の形状に応じて適宜設定すればよい。
図 1 7は図 1 6に示す電磁石の励磁方法を示す図である。 図示するように、 5 分割された発散電磁石コイルの巻線部 6 4 a〜6 4 eには、 電流調整用のシャン ト抵抗 6 6 a〜6 6 eがそれぞれ並列に接続している。 シャント抵抗の値は、 シ ヤント抵抗 6 6 aが r 0、 シャント抵抗 6 6 1)が 0の抵抗を 2本並列接続する というように並列数を増加させている。 卷線の両端部 6 4 g , 6 4 hが電流源 6 8により定電流駆動される。 収束電磁石 6 3も同様の構成である。 したがって、 卷線部 6 4 a〜6 4 eのそれぞれに流れる電流 I , 〜 I 5 が変化するので、 それ に伴い、 各卷線部 6 4 a〜6 4 eから生じる磁束密度が変化し、 発散電磁石 6 4 の磁束密度分布を制御することができる。 収束電磁石 6 3も同様に制御すること により、 発散電磁石と収束電磁石からなる電磁石 6 2 aの磁束密度分布を最適と なるように制御することができる。
図 1 8は図 1 6に示す電磁石の別の励磁方法を示す図である。 図示のように、 5分割された発散電磁石コイルの巻線部 6 4 a〜6 4 eは、 それぞれ独立に電流 源 7 0〜7 4より定電流駆動される。 各コイル卷線部 6 4 a〜6 4 eには、 それ ぞれ I , 〜1 5 の電流を流すことができる。 したがって、 各卷線部から生じる磁 束密度が変化し、 発散電磁石 6 4の磁束密度分布を制御することができる。 収束 電磁石 6 3も同様に制御することにより、 発散電磁石と収束電磁石からなる電磁 石 6 2 aの磁束密度分布を最適となるように制御できる。
図 1 9は図 1 6に示す電磁石の磁束密度分布を模式的に示す図である。 図にお いて、 横軸は真空容器 1 0の水平面の径方向距離を、 縦軸は磁束密度を示してい る。 図 1 9から明らかなように、 電磁石 6 2 aのコイル卷線部 6 4 a〜6 4 eを 独立に調整することにより、 径方向の磁場分布を B = B。 （r / r。 ） k となる ように調整することができる。 ここで、 B。 は入射軌道上の磁場強度、 r。 は入 射軌道半径であり （図 1 5参照） 、 kは磁場係数 （f i e l d i n d e x ) で ある。 電磁石の 6 2 aのコイルの巻線部 6 4 a〜6 4 eを調整することで、磁場 係数 kを任意に変えることができる。 したがって、 径方向の磁場分布を電子の軌 道の収束が最適になるようにすることで、 電子ビームの零色収差形状を容易に実 現できるようになり、電子ビーム強度を増大させることができるとともに、電子 ビームエネルギ一の変更を容易に行うことができるようになる。
これにより、 本発明の固定磁場型強収束電子加速器 6 0において、 電子ビーム の収束状態の最適化が図れるので、電子ビーム強度を増大させることができる。 また、 電子ビームエネルギーの変更を容易に行うことができる。
次に、 本発明の固定磁場型強収束電子加速器を用いた放射線治療装置の特徴に ついて説明する。
本発明の固定磁場型強収束電子加速器を用いた放射線治療装置 1では、 加速電 圧が 1 0 M e V〜 1 5 M e Vで、電流 1 mA〜 1 0 mAが得られ、従来の 1 0倍 以上であるので照射時間が極めて短縮される。 例えば、 従来例 1の電子ビーム加 速器は、 被治療者の癌などの患部に 5 G y (グレイ ：吸収線量の単位で、 l G y = 1 0 0 r a d ) 程度の線量を照射するのに数分程度かかっていたが、 +本装置で は 1 0秒程度で済む。 さらに、電子ビームの短時間照射や電子ビームの走査が可 能であることから、 被治療者の呼吸運動による電子ビームや X線の照射野のズレ の問題が生じないので、 従来の電子ビーム加速器では困難であつた呼吸を短時間 止めた状態で電子ビーム照射を行う、 所謂息止め照射が可能となる。
また、 本発明の固定磁場型強収束電子加速器を用いた放射線治療装置 1は、 重 量が約 1 トンと軽いので、 固定磁場型強収束電子加速器 2， 4 0 , 6 0を回転さ せることで、被治療者へ多方向からの照射を短時間で行える。 従って、 正常組織 への放射線損傷を軽減することができる。
また、 本発明の固定磁場型強収束電子加速器の放射線治療装置 1に用いる固定 磁場型強収束電子加速器 2， 4 0， 6 0は、 ビーム加速において原理的に極めて 安定なビーム収束及び加速方式であるので、 操作が容易でかつ調整作業も特に必 要とせず、 専門家でなくとも十分使用できる。 また、 固定磁場型強収束電子加速器 2， 4 0， 6 0の電子ビーム軌道は電磁石 2 0で大部分覆われているので、 放射線シールドとしての効果がある。 これによ り、本発明の固定磁場型強収束電子加速器を用いた放射線治療装置 1においては 、設置場所での放射線防護に要するコストを軽減できる。
以上のように、本発明の固定磁場型強収束電子加速器を用いた放射線治療装置 により癌などの治療を行えば、 被治療者の患部への照射時間の大幅な短縮と、被 治療者へ息止め照射を用いた照射野のズレの防止が可能となり、 さらに、 多方向 照射による照射部位の限定と正常組織への放射線損傷の減少等が実現できる。 ま た、本発明の固定磁場型強収束電子加速器を用いた放射線治療装置は小型軽量で あり、 騒音の発生もなく、低コストで製造できるので、 一般の病院に容易に設置 することができる。
本発明は、上記実施例に限定されることなく、 特許請求の範囲に記載した発明 の範囲内で種々の変形が可能であり、 それらも本発明の範囲内に含まれることは いうまでもない。 例えば、 上記実施の形態において、 電子ビームの入射部と電子 ビーム輸送部、 電磁石の構成や数などは、 加速電圧や電子ビーム電流に合わせて 適宜変更できる。 産業上の利用可能性
本発明の固定磁場型強収束電子加速器によれば、 加速電圧が 1 0 M e V〜l 5 M e Vにおいて、 1〜1 O mAという、 従来の電子ビーム加速器の 1 0倍以上の 高強度の電子ビ一ム電流を得ることができるとともに、 この電子ビームによる X 線を選択可能に発生させることができる。 また、本装置は小型軽量であり、 低コ ス卜で製造することができる。
また、本発明の固定磁場型強収束電子加速器を用いた放射線治療装置は、 従来 の電子ビーム加速器の 1 0倍以上の高強度の電子ビーム電流が得られ、 癌などの 治療時間の大幅な短縮等が可能となり、被治療者への負担を軽減できる。
また、 従来の電子ビームを用いた癌などの放射線治療装置では不可能であつた 被治療者の癌患部などへ限定した大線量率で短時間の照射と、 息止め照射による 照射位置のズレの除去と、 多方向照射による正常組織への放射線損傷の低減がで きるので、 重粒子線による癌治療装置などと同等の先端的癌治療が実現できる。 さらに、 本発明の固定磁場型強収束電子加速器は、 直径 1 m程度で小型に構成で き、重粒子線を用いた癌治療装置の 1 / 1 0 0程度のコストで製造できるので、 一般の病院でも容易に設置できるという有利な効果が奏される。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 真空容器と、
この真空容器内または真空容器外に配設される電磁石と、
上記真空容器へ電子ビームを入射させる電子ビーム入射部と、
上記電子ビームを加速する加速装置と、
上記真空容器から加速された電子ビームを輸送する電子ビーム輸送部と、 を備えた固定磁場型強収束電子加速器であつて、
上記電磁石が強収束電磁石であり、 この強収束電磁石は、 集束電磁石及び該集 束電磁石の両側に設けられた発散電磁石からなるか、 または、 集束電磁石及び該 集束電磁石の両側に設けられた発散部からなり、
上記電子ビーム輸送部の直前の真空容器内に、 X線を発生させる内部標的を配 設し、 上記加速された電子ビームと上記 X線とを選択可能に取り出せることを特 徴とする、 電子加速器。
2 . 前記電子ビーム入射部が、 電子銃と、 電子銃から発生された電子ビーム の軌道を変えて前記真空容器へ入射させる電磁石を備えたことを特徴とする、請 求項 1に記載の電子加速器。
3 . 前記電子ビーム輸送部が、前記真空容器外へ電子ビームの軌道を変える 電磁石又は収束レンズを備え、 前記電子ビーム輸送部を通過する電子ビーム又は 前記 X線が走査されることを特徴とする、請求項 1に記載の電子加速器。
4 . 前記加速装置が、 高周波加速方式又は誘導加速方式であり、 連続出力又 はパルスの発振器を少なくとも備えていることを特徴とする、請求項 1〜3のい ずれかに記載の電子加速器。
5 . 真空容器と、
この真空容器内または真空容器外に配設される電磁石と、 上記真空容器へ電子ビームを入射させる電子ビーム入射部と、 上記電子ビームを加速する加速装置と、
上記真空容器内の加速された電子ビーム取り出し用電磁石と、
上記真空容器から加速された電子ビームを輸送する電子ビーム輸送部と、 を備えた固定磁場型強収束電子加速器であつて、
上記電磁石が強収束電磁石であり、 この強収束電磁石は、 集束電磁石及び該集 束電磁石の両側に設けられた発散電磁石からなるか、 または、 集束電磁石及び該 集束電磁石の両側に設けられた発散部からなり、
上記電子ビーム輸送部から出射した電子ビームが走査されることを特徴とする 、 電子加速器。
6 . 前記加速された電子ビーム輸送部の直前の真空容器内に、 X線を発生さ せる内部標的を配設し、前記加速された電子ビームと上記 X線とを選択可能に取 り出せることを特徴とする、 請求項 5に記載の電子加速器。
7 . 前記電子ビーム又は X線が、少なくともピンホールスリットを含む走査 部により走査されることを特徴とする、 請求項 5又は 6に記載の電子加速器。
8 . 前記電子ビーム輸送部が、前記真空容器外へ電子ビームの軌道を変える セプタム電磁石又は収束レンズからなり、 前記強収束用電磁石の電子ビーム出射 部の近傍に第 1の電子ビーム軌道補正用電磁石が配設されていることを特徴とす る、請求項 5〜 7のいずれかに記載の電子加速器。
9 . 前記第 1の電子ビーム軌道補正用電磁石が、 前記セプタム電磁石又は収 束レンズに対して、 電子ビーム位相空間において ττ / 2ラジアン遅れる位置に配 設されていることを特徴とする、 請求項 8に記載の電子加速器。
1 0 . 前記強収束用電磁石の電子ビーム入射部の近傍に、 第 2の電子ビーム 軌道補正用電磁石が配置され、 第 2の電子ビーム軌道補正用電磁石が、前記第 1 一 1 1一 の電子ビーム軌道補正用電磁石とともに、 電子ビームの軌道を調整することを特 徴とする、請求項 5〜 8のいずれかに記載の電子加速器。
1 1 . 前記第 1及び第 2の電子ビーム軌道補正用電磁石が、 電子ビーム位相 空間において η πラジアン （ここで ηは、 整数） の関係となる位置に配設される ことを特徴とする、請求項 1 0に記載の電子加速器。
1 2 . 前記強収束用電磁石を構成する電磁石の巻線部が分割卷線構造であり 、該分割卷線部のそれぞれの電流が、 所定の磁場分布となるように駆動制御され ることを特徴とする、 請求項 5に記載の電子加速器。
1 3 . 真空容器と、
この真空容器内または真空容器外に配設される電磁石と、
上記真空容器へ電子ビームを入射させる電子ビーム入射部と、
上記電子ビームを加速する加速装置と、
上記真空容器内の加速された電子ビーム取り出し用電磁石と、
上記真空容器から加速された電子ビームを輸送する電子ビーム輸送部と、 を備えた固定磁場型強収束電子加速器であつて、
上記電磁石が強収束電磁石であり、 この強収束電磁石が、 集束電磁石及ぴ該集 束電磁石の両側に設けられた発散電磁石からなる強収束電磁石でなるか、 または 、集束電磁石及び該集束電磁石の両側に設けられた発散部からなり、
上記強収束用電磁石を構成する電磁石の巻線部が分割卷線構造であり、該分割 卷線部のそれぞれの電流が、所定の磁場分布となるように駆動制御されることを 特徴とする、 電子加速器。
1 4 . 前記分割巻線部の各部の電流が、 各卷線部に並列に接続される抵抗に より制御されることを特徴とする、請求項 1 3に記載の電子加速器。
1 5 . 前記分割巻線部の各部の電流が、 各卷線部に接続される電流源により 制御されることを特徴とする、 請求項 1 3に記載の電子加速器。
1 6 . 電子線又は X線を選択可能に発生させる電子加速器と、 照射へッドと 、 支持部と、被治療者を載せる治療台と、 から構成されている放射線治療装置で めつ 乙、
上記加速器が固定磁場型強収束電子加速器であることを特徴とする、 電子加速 器を用いた放射線治療装置。
1 7 . 電子線又は X線を選択可能に発生させる加速器と、 照射へッドと、 支 持部と、 被治療者を載せる治療台と、 から構成されている放射線治療装置であつ て、
上記電子加速器が、 請求項 1〜 1 5のいずれかに記載の電子加速器からなるこ とを特徴とする、電子加速器を用いた放射線治療装置。
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