WO2015079487A1 - シンクロトロン用入射器システム、およびシンクロトロン用入射器システムの運転方法 - Google Patents

シンクロトロン用入射器システム、およびシンクロトロン用入射器システムの運転方法 Download PDF

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山本　和男
定博 川崎
博光 井上
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三菱電機株式会社
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    • H05H2277/10—Medical devices

Definitions

  • the present invention relates to an injector system for a synchrotron that allows different types of ions to be incident on the synchrotron in order to obtain a system that can accelerate different types of ions in a single synchrotron accelerator system.
  • Charged particles are accelerated by a synchrotron, and a particle beam that is a bundle of high-energy charged particles emitted from the synchrotron is used for, for example, cancer treatment.
  • a particle beam for treatment it may be preferable to select the type of particle beam depending on the treatment target. Therefore, it is desired to be able to emit different types of particle beams from one synchrotron accelerator system.
  • the synchrotron accelerates incident charged particles, that is, ions, and in order to be able to emit different types of particle beams, an injector system for synchrotrons that injects different types of ions into the synchrotron. Is required.
  • Patent Document 1 discloses a technology capable of accelerating all species ions to an arbitrary energy level with the same synchrotron.
  • the injector system for injecting ions into the synchrotron there is a description that an ion beam accelerated to a certain energy level by the pre-accelerator is incident.
  • Patent Document 2 describes that in order to use a proton beam and a carbon beam in combination, an ion source that generates each beam is necessary. However, a pre-accelerator for causing ions to enter a synchrotron is described. There is no detailed description.
  • Patent Document 3 discloses a configuration that can accelerate a particle beam such as a high-current proton in an APF-IH linear accelerator.
  • JP 2006-310013 A (paragraph 0058 etc.) JP 2009-217938 A (paragraph 0048, etc.) International Publication WO2012 / 008255
  • the above-mentioned needs could not be solved, and the incident energy to the synchrotron was fixed to be large regardless of whether the ion having a large charge mass ratio or a small ion was used.
  • the present invention has been made in order to solve the problems of the conventional synchrotron injector system as described above, and is a compact synchrotron injector system capable of accelerating and emitting different types of ions to different energies. The purpose is to obtain.
  • the present invention relates to a synchrotron injector system for emitting ions incident on a synchrotron, the first ion source generating the first ions, and a charge mass ratio larger than the charge mass ratio of the first ions.
  • a second ion source for generating a second ion, a pre-accelerator capable of accelerating any of the first ion and the second ion, and any one of the first ion and the second ion With a low-energy beam transport path configured to cause the ions to enter the pre-accelerator, and a self-focusing post accelerator that accelerates only the second ion after acceleration emitted from the pre-accelerator. is there.
  • Embodiment 1 It is a block diagram which shows the structure of the injector system for synchrotrons by Embodiment 1 of this invention. It is a block diagram which shows the structure of the injector system for synchrotrons by Embodiment 2 of this invention. It is a block diagram which shows the structure of the injector system for synchrotrons by Embodiment 3 of this invention. It is a block diagram which shows the structure of the injector system for synchrotrons by Embodiment 4 of this invention.
  • accelerating heavy ions requires more power than accelerating light ions, so we first design an accelerator that accelerates to the energy required for carbon ions, which are heavy ions. With respect to light protons, an accelerator that accelerates to the energy required for carbon ions can be accelerated to the same energy as carbon ions by reducing the power. An injector system that accelerates and emits light to the same energy has been realized. However, the incident energy to the synchrotron is preferably higher for ions having a large charge mass ratio such as protons than for ions having a small charge mass ratio such as carbon ions. Conventionally, the design of heavy carbon ions was considered first, so there was no idea of realizing an injector system that emits carbon ions and protons with different energies with the same injector system.
  • the present invention abandons the idea that an injector system optimized for ions with a small charge mass ratio is also used to accelerate ions with a large charge mass ratio, so that ions with a large charge mass ratio are synchrotron Realizes an injector system that accelerates different ions to different energies based on the opposite idea of using a part of the injector system that accelerates to a suitable incident energy for accelerating ions with a small charge mass ratio. did. Based on this idea, an injector system capable of emitting energy suitable as incident energy to the synchrotron for ions having a small charge mass ratio and ions having a large charge mass ratio could be realized in a small size.
  • the present invention will be described by way of embodiments.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a synchrotron injector system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the synchrotron injector system 10 is a system that allows two types of ions to enter the synchrotron 7.
  • the synchrotron injector system 10 includes a first ion source 1 that generates first ions and a second ion source 2 that generates second ions having a smaller charge-to-mass ratio than the first ions.
  • a proton will be described as an example of the first ion
  • a carbon ion will be described as an example of the second ion.
  • the present invention can be applied to combinations of various ions as long as the charge mass ratio of the first ions is smaller than the charge mass ratio of the second ions.
  • the transport path from the first ion source 1 until the protons are emitted and incident on the pre-accelerator 5 and the transport path from the second ion source 2 until the carbon ions are emitted and incident on the pre-accelerator 5 are summarized. This is referred to as a low energy beam transport path 4.
  • the synthesizer 43 deflects the carbon ions from the second ion source 2 and joins them to the beam line 44.
  • the carbon ions emitted from the second ion source 2 include carbon ions having different valences other than tetravalent.
  • the accelerator accelerates only tetravalent carbon ions. For this reason, the configuration is such that only the tetravalent carbon ions are merged into the beam line 44 by deflecting the carbon ions from the second ion source 2 in the synthesizer 43.
  • the pre-accelerator 5 is configured to accelerate incident protons or carbon ions to 4 MeV / u, for example. That is, the pre-accelerator 5 is an accelerator having a capability of accelerating both protons and carbon ions. Protons or carbon ions emitted from the pre-accelerator 5 are incident on the post accelerator 6.
  • the post accelerator 6 is a self-focusing accelerator that does not include an electromagnet for focusing ions, such as an APF (Alternating-Phase Focusing) -IH (Interdigital-H) linear accelerator.
  • the post accelerator 6 is configured to be able to accelerate the proton from 4 MeV / u to 7 MeV / u, for example.
  • the ions incident on the post accelerator 6 are protons, the ions are accelerated to 7 MeV / u and emitted, for example.
  • the incident ion is a carbon ion
  • the post accelerator 6 does not perform the acceleration operation and emits it with 4 MeV / u as it is.
  • the emitted 7 MeV / u protons or 4 MeV / u carbon ions are made incident on the synchrotron 7 to be accelerated by the synchrotron 7.
  • the injector system for synchrotron generates protons by the first ion source 1 when, for example, ions necessary as a particle beam for treatment are protons, and low energy Protons are incident on the pre-accelerator 5 through the beam transport path 4 and accelerated to an energy of 4 MeV / u.
  • the proton accelerated to an energy of 4 MeV / u is further accelerated to an energy of 7 MeV / u by the post accelerator 6 and enters the synchrotron 7.
  • the synchrotron 7 further accelerates the protons to the energy required for treatment.
  • ions necessary as a particle beam for treatment are carbon ions
  • carbon ions are generated by the second ion source 2, and the carbon ions are incident on the pre-accelerator 5 through the low energy beam transport path 4 to be 4 MeV. Accelerate to / u energy.
  • the carbon ions accelerated to the energy of 4 MeV / u are incident on the post accelerator 6, but the post accelerator 6 does not accelerate the carbon ions and emits the carbon ions with the energy of 4 MeV / u, and enters the synchrotron 7. Incident. In the synchrotron 7, the carbon ions are further accelerated to energy necessary for treatment.
  • the post accelerator 6 when the ions incident on the post accelerator 6 are carbon ions, the post accelerator 6 is not accelerated, and the incident carbon ions pass through the post accelerator 6 as they are and are emitted. Since the post accelerator 6 is a self-focusing accelerator without a built-in electromagnet, the incident carbon ions can be emitted as they are without being influenced by the magnetic field. Further, since the post accelerator 6 has a configuration capable of accelerating only protons, it can be a small accelerator with less power than a configuration capable of accelerating carbon ions.
  • the beam diameter of the post accelerator 6 is larger than the beam diameter of the pre-accelerator 5. If the beam diameter of the post accelerator 6, for example, the aperture diameter of the acceleration electrode or the like is larger than the beam diameter of the pre-accelerator 5, for example, the aperture diameter of the acceleration electrode, the carbon ions passing through the post accelerator 6 are electrodes or the like. It is possible to prevent the inside of the post accelerator 6 from being contaminated.
  • the pre-accelerator 5 is configured such that carbon ions having a small charge-mass ratio have an energy suitable for carbon ions having a small charge-mass ratio as the incident energy of the synchrotron.
  • the post accelerator 6 is configured to accelerate a proton having a large charge mass ratio to an energy suitable as the incident energy of the synchrotron. For this reason, carbon ions with a small charge mass ratio and protons with a large charge mass ratio can be accelerated and emitted to an energy suitable for the incident energy of the synchrotron as an injector that can inject two types of ions into the synchrotron.
  • the injector system for synchrotron can be realized in a small size.
  • FIG. FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a synchrotron injector system according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the first ion source 1 that generates protons that are the first ions and the carbon ions that are the second ions having a smaller charge mass ratio (charge / mass) than the first ions are generated.
  • the second ion source 2 is provided. Protons generated from the first ion source 1 pass through the first low-energy beam transport path 41, and carbon ions generated from the second ion source pass through the second low-energy beam transport path 42 to synthesizer. 43 is incident.
  • the first low energy beam transport path 41 and the second low energy beam transport path 42 are combined with one beam line 44 by the synthesizer 43 so that protons or carbon ions are incident on the pre-accelerator 5. Yes.
  • the pre-accelerator 5 is configured to accelerate incident protons or carbon ions to 4 MeV / u, for example. Protons or carbon ions emitted from the pre-accelerator 5 are transported by the distributor 30 so that the protons are incident on the post accelerator 6 via the deflector 31 when the ions are protons.
  • the post accelerator 6 is a self-focusing accelerator that does not include an electromagnet for focusing ions, such as an APF (Alternating-Phase Focusing) -IH (Interdigital-H) linear accelerator.
  • the post accelerator 6 is configured to be able to accelerate the proton from 4 MeV / u to 7 MeV / u, for example.
  • the carbon ions emitted from the pre-accelerator 5 are emitted as they are from the intermediate energy beam transport path 34 without passing through the post accelerator 6 through the distributor 30 and the synthesizer 33. It is configured to directly enter the synchrotron 7.
  • the proton accelerated to, for example, 7 MeV / u by the post accelerator 6 is merged into the same medium energy beam transport path 34 as the carbon ions via the deflector 32 and the synthesizer 33 and is incident on the synchrotron.
  • the synchrotron injector system generates protons from the first ion source 1 when, for example, ions necessary as a particle beam for treatment are protons, and generates a low energy beam.
  • Protons are made incident on the pre-accelerator 5 through the transport path 4 and accelerated to an energy of 4 MeV / u.
  • the proton accelerated to an energy of 4 MeV / u is further accelerated to an energy of 7 MeV / u by the post accelerator 6 and enters the synchrotron 7.
  • the synchrotron 7 further accelerates the protons to the energy required for treatment.
  • ions necessary as a particle beam for treatment are carbon ions
  • carbon ions are generated by the second ion source 2, and the carbon ions are incident on the pre-accelerator 5 through the low energy beam transport path 4 to be 4 MeV. Accelerate to / u energy.
  • the carbon ions accelerated to the energy of 4 MeV / u are emitted from the synchrotron injector system 10 without being incident on the post accelerator 6 and remain at the energy of 4 MeV / u, and are incident on the synchrotron 7.
  • the carbon ions are further accelerated to energy necessary for treatment.
  • the carbon ions accelerated by the pre-accelerator 5 and increased in energy without passing through the post accelerator 6 are directly emitted from the synchrotron injector system 10. Since the post accelerator 6 has a configuration capable of accelerating only protons, it can be a small accelerator with less power than a configuration capable of accelerating carbon ions. In addition, since carbon ions do not pass through the post accelerator 6, there is an effect that the carbon ions do not hit the electrodes or the like in the post accelerator 6 and are lost to contaminate the inside of the post accelerator 6.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of a synchrotron injector system according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the first ion source 1 that generates protons, which are the first ions, and the second ions that have a smaller charge mass ratio (charge / mass) than the first ions.
  • a second ion source 2 that generates certain carbon ions is provided. Protons generated from the first ion source 1 pass through the first low-energy beam transport path 41, and carbon ions generated from the second ion source pass through the second low-energy beam transport path 42 to synthesizer. 43 is incident.
  • the pre-accelerator 5 includes a front-stage accelerator 51 and a rear-stage accelerator 52. The first low energy beam transport path 41 and the second low energy beam transport path 42 are combined with one beam line 44 by the synthesizer 43 so that protons or carbon ions are incident on the pre-stage accelerator 51. Yes.
  • the pre-stage accelerator 51 incident protons or carbon ions are clustered (bunched).
  • an accelerator such as an RFQ (Radio Frequency Quadrupole) type is suitable as the front stage accelerator 51.
  • the protons or carbon ions clustered in the front-stage accelerator 51 are accelerated in the rear-stage accelerator 52 to, for example, 4 MeV / u, which is energy suitable for carbon ions, as the incident energy of the synchrotron 7.
  • an accelerator such as a DTL (Drift Tube Linac) type is suitable.
  • the protons or carbon ions accelerated to 4 MeV / u by the post-stage accelerator 52 are incident on the post accelerator 6 as in the first embodiment.
  • the post accelerator 6 is a self-focusing accelerator that does not include an electromagnet for focusing ions, such as an APF (Alternating-Phase Focusing) -IH (Interdigital-H) linear accelerator.
  • the post accelerator 6 is configured to be able to accelerate the proton from 4 MeV / u to 7 MeV / u, for example.
  • the ions incident on the post accelerator 6 are protons, the ions are accelerated to 7 MeV / u and emitted, for example.
  • the incident ions are carbon ions
  • the ions are not accelerated and emitted with 4 MeV / u. 7 MeV / u protons or 4 MeV / u carbon ions are configured to be incident on the synchrotron 7 for acceleration by the synchrotron 7.
  • the injector system for synchrotron generates protons by the first ion source 1 when, for example, ions necessary as a particle beam for treatment are protons, and low energy Protons are made to enter the front stage accelerator 51 through the beam transport path 4 to be clustered, and are accelerated to 4 MeV / u energy by the rear stage accelerator 52.
  • the proton accelerated to an energy of 4 MeV / u is further accelerated to an energy of 7 MeV / u by the post accelerator 6 and enters the synchrotron 7.
  • the synchrotron 7 further accelerates the protons to the energy required for treatment.
  • ions necessary as a particle beam for treatment are carbon ions
  • carbon ions are generated by the second ion source 2, and the carbon ions are incident on the pre-accelerator 51 through the low energy beam transport path 4. And accelerated to an energy of 4 MeV / u by the post-stage accelerator 52.
  • the carbon ions accelerated to the energy of 4 MeV / u are incident on the post accelerator 6, but the post accelerator 6 does not accelerate the carbon ions and emits the carbon ions with the energy of 4 MeV / u, and enters the synchrotron 7. Incident.
  • the carbon ions are further accelerated to energy necessary for treatment.
  • the post accelerator 6 when the ions incident on the post accelerator 6 are carbon ions, the post accelerator 6 is not accelerated. The incident carbon ions pass through the post accelerator 6 as they are and are emitted. Since the post accelerator 6 is a self-focusing accelerator without a built-in electromagnet, the incident carbon ions can be emitted as they are without being influenced by the magnetic field. Further, since the post accelerator 6 has a configuration capable of accelerating only protons, it can be a small accelerator with less power than a configuration capable of accelerating carbon ions.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a synchrotron injector system according to a fourth embodiment of the present invention.
  • protons or carbon ions are clustered in the front stage accelerator 51, and the incident energy of the synchrotron 7 is energy suitable for, for example, carbon ions in the rear stage accelerator 52. Accelerated to 4 MeV / u.
  • the protons or carbon ions emitted from the post-stage accelerator 52 are incident on the distributor 30 as in the second embodiment.
  • the distributor 30 when the incident ions are protons, the protons are distributed via the deflector 31 so as to be incident on the post accelerator 6.
  • the protons incident on the post accelerator 6 are accelerated to an energy of, for example, 7 MeV / u by the post accelerator 6, merged through the synthesizer 33 through the deflector 32, and merged into the medium energy beam transport path 34, and are incident on the synchrotron It is configured to be emitted from the container system 10.
  • the ions incident on the distributor 30 are carbon ions, the carbon ions are emitted from the intermediate energy beam transport path 34 with the same energy without being incident on the post accelerator 6.
  • the carbon ions accelerated by the post-accelerator 52 and increased in energy without passing through the post accelerator 6 were directly emitted from the synchrotron injector system 10. Since the post accelerator 6 has a configuration capable of accelerating only protons, it can be a small accelerator with less power than a configuration capable of accelerating carbon ions.
  • carbon ions do not pass through the post accelerator 6 as in the second embodiment. Thus, there is an effect that the inside of the post accelerator 6 is not contaminated.

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Abstract

　シンクロトロン用入射器システムであって、第一のイオンを発生する第一イオン源と、第一のイオンの電荷質量比よりも小さい電荷質量比の第二のイオンを発生する第二イオン源と、第一のイオンと第二のイオンのいずれのイオンも加速可能な能力を有するプリ加速器と、第一のイオンと第二のイオンのいずれかのイオンをプリ加速器に入射させるように構成された低エネルギビーム輸送路と、プリ加速器から出射される加速後の第一のイオンのみを加速する、自己収束型のポスト加速器とを備えるようにした。

Description

シンクロトロン用入射器システム、およびシンクロトロン用入射器システムの運転方法
　本発明は、一つのシンクロトロン加速器システムにおいて、異なる種類のイオンを加速できるシステムとするために、異なる種類のイオンをシンクロトロンに入射させるシンクロトロン用入射器システムに関するものである。
　シンクロトロンで荷電粒子を加速し、シンクロトロンから出射された高エネルギの荷電粒子の束である粒子線を、例えばがんの治療に利用することが行われている。治療用の粒子線において、治療対象によって粒子線の種類を選択するのが好ましい場合がある。よって、一つのシンクロトロン加速器システムから異なる種類の粒子線を出射できるようにすることが望まれている。シンクロトロンは、入射された荷電粒子、すなわちイオンを加速するものであり、異なる種類の粒子線を出射できるようにするためには、異なる種類のイオンをシンクロトロンに入射させるシンクロトロン用入射器システムが必要となる。
　特許文献１には、全種イオンを任意のエネルギレベルまで同一のシンクロトロンで加速できる技術が開示されている。このシンクロトロンにイオンを入射させるための入射器システムについては、前段加速器によって一定のエネルギレベルまで加速されたイオンビームを入射させるとの記載がある。
　また、特許文献２には、陽子ビームと炭素ビームを併用利用するためには、それぞれのビームを発生するイオン源が必要との記載があるが、シンクロトロンにイオンを入射させるための前段加速器についての詳しい記載は無い。
　また、特許文献３には、ＡＰＦ－ＩＨ型線形加速器において、大電流の陽子などの粒子ビームを加速できる構成が開示されている。
特開２００６－３１００１３号公報（段落００５８など） 特開２００９－２１７９３８号公報（段落００４８など） 国際公開ＷＯ２０１２／００８２５５号
　例えば、陽子と炭素イオンのように、異なる種類のイオンをシンクロトロンで加速できるまで予備加速するためのシンクロトロン用入射器システムでは、例えば特許文献１に記載されているように、異なる種類のイオンを同一エネルギまで加速していた。このように、従来は、両種同一の予備加速エネルギ、同一の加速器、の条件に拘束されていた。このような従来の入射器システムは、それぞれの種類のイオンに対して最適な予備加速エネルギではない入射器システムであったため、効率が悪く大型であった。電荷質量比（電荷/質量）が大きいイオン（例えば陽子：電荷／質量＝１／１）は、空間電荷効果が大きいため、シンクロトロンへの入射エネルギは、電荷質量比が小さいイオン（例えば炭素イオン：電荷／質量＝４／１２）に比べ高くしたい。電荷質量比が小さいイオンは、加速するために電荷質量比が大きいイオンより、高い加速電圧が必要となり加速器が大型になるため、シンクロトロンへの入射エネルギは、電荷質量比が大きいイオンに比べ低くしたい。従来は、上記ニーズを解決できず、電荷質量比が大きいイオン、小さいイオンに係わらず、シンクロトロンへの入射エネルギは同一に固定されており、大型だった。
　この発明は、以上のような従来のシンクロトロン用入射器システムの問題点を解消するためになされたもので、異なる種類のイオンを異なるエネルギまで加速して出射できる小型のシンクロトロン用入射器システムを得ることを目的とする。
　本発明は、シンクロトロンに入射するイオンを出射するシンクロトロン用入射器システムであって、第一のイオンを発生する第一イオン源と、第一のイオンの電荷質量比よりも大きい電荷質量比の第二のイオンを発生する第二イオン源と、第一のイオンと第二のイオンのいずれのイオンも加速可能な能力を有するプリ加速器と、第一のイオンと第二のイオンのいずれかのイオンをプリ加速器に入射させるように構成された低エネルギビーム輸送路と、プリ加速器から出射される加速後の第二のイオンのみを加速する、自己収束型のポスト加速器とを備えたものである。
　この発明によれば、小型で、異なる種類のイオンを異なるエネルギで出射できるシンクロトロン用入射器システムを提供できる。
本発明の実施の形態１によるシンクロトロン用入射器システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２によるシンクロトロン用入射器システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３によるシンクロトロン用入射器システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態４によるシンクロトロン用入射器システムの構成を示すブロック図である。
　シンクロトロン用入射器システムでは、重いイオンを加速する方が軽いイオンを加速するよりも大きな電力を必要とするため、まず重いイオンである炭素イオンに必要なエネルギまで加速する加速器を設計する。軽い陽子に関しては、炭素イオンに必要なエネルギまで加速する加速器において、電力を減少させれば炭素イオンと同一のエネルギまでは加速することができるという考えの下に、従来は、炭素イオンと陽子を同一のエネルギまで加速して出射させる入射器システムを実現していた。しかしながら、シンクロトロンへの入射エネルギは、陽子のように電荷質量比が大きいイオンでは、炭素イオンのように電荷質量比が小さいイオンに比べ高くするのが好ましい。従来は、重い炭素イオンの設計を第一に考えていたため、同一の入射器システムで、炭素イオンと陽子を異なるエネルギで出射させる入射器システムを実現させるという発想は無かった。
　これに対して、本発明では、電荷質量比が小さいイオンに最適化された入射器システムを電荷質量比が大きいイオンの加速にも用いるという考えを捨てて、電荷質量比が大きいイオンをシンクロトロンにとって適した入射エネルギまで加速する入射器システムの一部を電荷質量比が小さいイオンの加速に用いるという、従来と逆の発想に基づいて、異なるイオンをそれぞれ異なるエネルギまで加速する入射器システムを実現した。この発想により、電荷質量比が小さいイオンと電荷質量比が大きいイオンにおいて、シンクロトロンへの入射エネルギとしてそれぞれ適したエネルギを出射できる入射器システムを、小型で実現することができた。以下、実施の形態により本発明を説明する。
実施の形態１．
　図１は本発明の実施の形態１によるシンクロトロン用入射器システムの構成を示すブロック図である。このシンクロトロン用入射器システム１０は、２種類のイオンをシンクロトロン７に入射可能にするシステムである。シンクロトロン用入射器システム１０は、第一のイオンを発生する第一イオン源１と、第一のイオンよりも電荷質量比が小さい第二のイオンを発生する第二イオン源２を備えている。以下、第一のイオンとして陽子を、第二のイオンとして炭素イオンを例にして説明する。ただし、本発明は第二のイオンの電荷質量比よりも第一のイオンの電荷質量比が小さい組み合わせのものであれば種々のイオンの組み合わせに適用できる。例えば第一のイオンが陽子（電荷質量比＝１）で第二のイオンがヘリウムイオン（電荷質量比＝１／２）の組み合わせや、第一のイオンがヘリウムイオンで第二のイオンが炭素イオンの組み合わせなどにも適用できる。
　陽子は１価であり、質量を１とすれば、陽子の電荷質量比は１／１、炭素イオンは４価、陽子１とした質量が１２であるから炭素イオンの電荷質量比は４／１２である。このように、陽子よりも炭素イオンの方が、電荷質量比が小さい。第一イオン源１から発生された陽子は、第一低エネルギビーム輸送路４１を通って、第二イオン源２から発生された炭素イオンは、第二低エネルギビーム輸送路４２を通って、合成器４３に入射される。合成器４３により第一低エネルギビーム輸送路４１と第二低エネルギビーム輸送路４２とは、一つのビームライン４４に合流して陽子または炭素イオンがプリ加速器５に入射されるように構成されている。第一イオン源１から陽子が出射してプリ加速器５に入射されるまでの輸送路、および第二イオン源２から炭素イオンが出射してプリ加速器５に入射されるまでの輸送路をまとめて低エネルギビーム輸送路４と称する。
　合成器４３では、第二イオン源２からの炭素イオンを偏向してビームライン４４に合流させるようにしている。第二イオン源２から出射される炭素イオンは、４価以外の、価数の異なる炭素イオンを含んでいる。加速器では４価の炭素イオンのみを加速する。このため、合成器４３の部分で第二イオン源２からの炭素イオンを偏向させることにより４価の炭素イオンのみをビームライン４４に合流させる構成としている。
　プリ加速器５は、入射された陽子または炭素イオンをたとえば４ＭｅＶ／ｕまで加速できるように構成されている。すなわち、プリ加速器５は、陽子も炭素イオンも加速可能な能力を有する加速器である。プリ加速器５から出射された陽子または炭素イオンはポスト加速器６に入射される。ポスト加速器６は、例えばＡＰＦ（Alternating-Phase　Focusing）－ＩＨ（Interdigital-H）型線形加速器など、イオンを収束するための電磁石を内蔵しない、自己収束型加速器である。このポスト加速器６は、陽子を例えば４ＭｅＶ／ｕから７ＭｅＶ／ｕまで加速できるよう構成されている。ポスト加速器６に入射されるイオンが陽子の場合は、例えば７ＭｅＶ／ｕまで加速して出射する。しかし、ポスト加速器６は、入射されるイオンが炭素イオンの場合は、加速動作を行わず、４ＭｅＶ／ｕのままで出射する。さらに、出射された７ＭｅＶ／ｕの陽子、または４ＭｅＶ／ｕの炭素イオンを、シンクロトロン７で加速するためにシンクロトロン７に入射されるように構成されている。
　以上のように、本発明の実施の形態１によるシンクロトロン用入射器システムは、例えば治療用の粒子線として必要なイオンが陽子である場合、第一イオン源１により陽子を発生させ、低エネルギビーム輸送路４を介してプリ加速器５に陽子を入射させて４ＭｅＶ／ｕのエネルギまで加速する。４ＭｅＶ／ｕのエネルギまで加速された陽子を、ポスト加速器６により、さらに７ＭｅＶ／ｕのエネルギまで加速してシンクロトロン７に入射する。シンクロトロン７では、陽子をさらに治療に必要なエネルギまで加速する。
　一方、治療用の粒子線として必要なイオンが炭素イオンである場合、第二イオン源２により炭素イオンを発生させ、低エネルギビーム輸送路４を介してプリ加速器５に炭素イオンを入射させて４ＭｅＶ／ｕのエネルギまで加速する。４ＭｅＶ／ｕのエネルギまで加速された炭素イオンは、ポスト加速器６に入射されるが、ポスト加速器６では炭素イオンを加速せず、４ＭｅＶ／ｕのエネルギのまま炭素イオンを出射し、シンクロトロン７に入射する。シンクロトロン７では、炭素イオンをさらに治療に必要なエネルギまで加速する。
　このように、ポスト加速器６に入射するイオンが炭素イオンの場合、ポスト加速器６は加速動作させず、入射した炭素イオンをそのままポスト加速器６内を通過させ出射させる。ポスト加速器６は電磁石を内蔵しない自己収束型加速器であるため、入射された炭素イオンは磁場の影響を受けずに、そのまま出射することができる。また、ポスト加速器６は陽子のみを加速可能な構成とするため、炭素イオンも加速可能な構成とするよりも電力が少なく小型の加速器とすることができる。
　ここで、ポスト加速器６のビーム口径を、プリ加速器５のビーム口径よりも大きくしておくことが望ましい。ポスト加速器６のビーム口径、例えば加速電極などのアパーチャ径を、プリ加速器５のビーム口径、例えば加速電極のアパーチャ径よりも大きくしておけば、ポスト加速器６内部で、通過する炭素イオンが電極などに当たって損失して、ポスト加速器６内部を汚染するのを防止することができる。
　以上説明したように、実施の形態１によるシンクロトロン用入射器システムでは、プリ加速器５を、シンクロトロンの入射エネルギとして電荷質量比が小さい炭素イオンに適したエネルギまで、電荷質量比が小さい炭素イオンおよび電荷質量比が大きい陽子いずれも加速可能な構成とし、ポスト加速器６では、電荷質量比が大きい陽子をシンクロトロンの入射エネルギとして適したエネルギまで加速する構成とした。このため、２種のイオンをシンクロトロンに入射できる入射器として、電荷質量比が小さい炭素イオンも、電荷質量比が大きい陽子も、それぞれシンクロトロンの入射エネルギとして適したエネルギまで加速して出射できるシンクロトロン用入射器システムを、小型で実現できる。
実施の形態２．
　図２は本発明の実施の形態２によるシンクロトロン用入射器システムの構成を示すブロック図である。実施の形態１と同様、第一のイオンである陽子を発生する第一イオン源１と、第一のイオンよりも電荷質量比（電荷／質量）が小さい第二のイオンである炭素イオンを発生する第二イオン源２とを備えている。第一イオン源１から発生された陽子は、第一低エネルギビーム輸送路４１を通って、第二イオン源から発生された炭素イオンは、第二低エネルギビーム輸送路４２を通って、合成器４３に入射される。合成器４３により第一低エネルギビーム輸送路４１と第二低エネルギビーム輸送路４２とは、一つのビームライン４４に合流して陽子または炭素イオンがプリ加速器５に入射されるように構成されている。
　プリ加速器５は、入射された陽子または炭素イオンをたとえば４ＭｅＶ／ｕまで加速できるように構成されている。プリ加速器５から出射した陽子または炭素イオンは分配器３０により、イオンが陽子の場合は偏向器３１を介してポスト加速器６に陽子が入射されるように輸送される。ポスト加速器６は、例えばＡＰＦ（Alternating-Phase　Focusing）－ＩＨ（Interdigital-H）型線形加速器など、イオンを収束するための電磁石を内蔵しない、自己収束型加速器である。このポスト加速器６は、陽子を例えば４ＭｅＶ／ｕから７ＭｅＶ／ｕまで加速できるよう構成されている。
　一方、イオンが炭素イオンの場合、プリ加速器５から出射された炭素イオンが、分配器３０および合成器３３を通って、ポスト加速器６を通過せずに、中エネルギビーム輸送路３４からそのまま出射され直接シンクロトロン７に入射されるよう構成している。
　ポスト加速器６で例えば７ＭｅＶ／ｕまで加速された陽子は、偏向器３２と合成器３３を介して、炭素イオンと同じ中エネルギビーム輸送路３４に合流され、シンクロトロンに入射される構成としている。
　このように、本発明の実施の形態２によるシンクロトロン用入射器システムは、例えば治療用の粒子線として必要なイオンが陽子である場合、第一イオン源１により陽子を発生させ、低エネルギビーム輸送路４を介してプリ加速器５に陽子を入射させて４ＭｅＶ／ｕのエネルギまで加速する。４ＭｅＶ／ｕのエネルギまで加速された陽子を、ポスト加速器６により、さらに７ＭｅＶ／ｕのエネルギまで加速してシンクロトロン７に入射する。シンクロトロン７では、陽子をさらに治療に必要なエネルギまで加速する。
　一方、治療用の粒子線として必要なイオンが炭素イオンである場合、第二イオン源２により炭素イオンを発生させ、低エネルギビーム輸送路４を介してプリ加速器５に炭素イオンを入射させて４ＭｅＶ／ｕのエネルギまで加速する。４ＭｅＶ／ｕのエネルギまで加速された炭素イオンは、ポスト加速器６に入射されずに４ＭｅＶ／ｕのエネルギのままシンクロトロン用入射器システム１０から出射され、シンクロトロン７に入射される。シンクロトロン７では、炭素イオンをさらに治療に必要なエネルギまで加速する。
　このように、炭素イオンの場合、ポスト加速器６を通過させずにプリ加速器５により加速されエネルギが増大された炭素イオンを、直接シンクロトロン用入射器システム１０から出射するようにした。ポスト加速器６は陽子のみを加速可能な構成とするため、炭素イオンも加速可能な構成とするよりも電力が少なく小型の加速器とすることができる。また、炭素イオンがポスト加速器６内を通過しないため、ポスト加速器６内部で、炭素イオンが電極などに当たって損失して、ポスト加速器６内部を汚染することがないという効果がある。
実施の形態３．
　図３は本発明の実施の形態３によるシンクロトロン用入射器システムの構成を示すブロック図である。実施の形態１および実施の形態２と同様、第一のイオンである陽子を発生する第一イオン源１と、第一のイオンよりも電荷質量比（電荷／質量）が小さい第二のイオンである炭素イオンを発生する第二イオン源２を備えている。第一イオン源１から発生された陽子は、第一低エネルギビーム輸送路４１を通って、第二イオン源から発生された炭素イオンは、第二低エネルギビーム輸送路４２を通って、合成器４３に入射される。プリ加速器５は、前段加速器５１と後段加速器５２とを備えている。合成器４３により第一低エネルギビーム輸送路４１と第二低エネルギビーム輸送路４２とは、一つのビームライン４４に合流して陽子または炭素イオンが前段加速器５１に入射されるように構成されている。
　前段加速器５１では入射された陽子または炭素イオンを群集化（バンチング）する。前段加速器５１としては、例えばＲＦＱ（Radio　Frequency　Quadrupole）型などの加速器が適している。前段加速器５１において群集化された陽子または炭素イオンを後段加速器５２において、シンクロトロン７の入射エネルギとして、例えば炭素イオンに適したエネルギである４ＭｅＶ／ｕまで加速する。後段加速器５２としては、例えばＤＴＬ（Drift　Tube　Linac）型などの加速器が適している。
　後段加速器５２により４ＭｅＶ／ｕまで加速された陽子または炭素イオンは、実施の形態１と同様、ポスト加速器６に入射される。ポスト加速器６は、例えばＡＰＦ（Alternating-Phase　Focusing）－ＩＨ（Interdigital-H）型線形加速器など、イオンを収束するための電磁石を内蔵しない、自己収束型加速器である。このポスト加速器６は、陽子を例えば４ＭｅＶ／ｕから７ＭｅＶ／ｕまで加速できるよう構成されている。ポスト加速器６に入射されるイオンが陽子の場合は、例えば７ＭｅＶ／ｕまで加速して出射する。しかし、入射されるイオンが炭素イオンの場合は、加速せず、４ＭｅＶ／ｕのままで出射する。７ＭｅＶ／ｕの陽子、または４ＭｅＶ／ｕの炭素イオンは、シンクロトロン７で加速するためにシンクロトロン７に入射されるように構成されている。
　以上のように、本発明の実施の形態３によるシンクロトロン用入射器システムは、例えば治療用の粒子線として必要なイオンが陽子である場合、第一イオン源１により陽子を発生させ、低エネルギビーム輸送路４を介して前段加速器５１に陽子を入射させて群集化し、後段加速器５２により４ＭｅＶ／ｕのエネルギまで加速する。４ＭｅＶ／ｕのエネルギまで加速された陽子を、ポスト加速器６により、さらに７ＭｅＶ／ｕのエネルギまで加速してシンクロトロン７に入射する。シンクロトロン７では、陽子をさらに治療に必要なエネルギまで加速する。
　一方、治療用の粒子線として必要なイオンが炭素イオンである場合、第二イオン源２により炭素イオンを発生させ、低エネルギビーム輸送路４を介して前段加速器５１に炭素イオンを入射させて群集化し、後段加速器５２により４ＭｅＶ／ｕのエネルギまで加速する。４ＭｅＶ／ｕのエネルギまで加速された炭素イオンは、ポスト加速器６に入射されるが、ポスト加速器６では炭素イオンを加速せず、４ＭｅＶ／ｕのエネルギのまま炭素イオンを出射し、シンクロトロン７に入射する。シンクロトロン７では、炭素イオンをさらに治療に必要なエネルギまで加速する。
　このように、本実施の形態３によるシンクロトロン用入射器システムにあっては、実施の形態１と同様、ポスト加速器６に入射されるイオンが炭素イオンの場合、ポスト加速器６は加速動作させず、入射した炭素イオンをそのままポスト加速器６内を通過させ出射させる。ポスト加速器６は電磁石を内蔵しない自己収束型加速器であるため、入射された炭素イオンは磁場の影響を受けずに、そのまま出射することができる。また、ポスト加速器６は陽子のみを加速可能な構成とするため、炭素イオンも加速可能な構成とするよりも電力が少なく小型の加速器とすることができる。ここで、実施の形態１で説明したのと同様、ポスト加速器６のビーム口径を、プリ加速器５のビーム口径よりも大きくしておくことが望ましい。ポスト加速器６のビーム口径を、プリ加速器５のビーム口径よりも大きくしておけば、ポスト加速器６内部で、通過する炭素イオンが電極などに当たって損失して、ポスト加速器６内部を汚染するのを防止することができる。
実施の形態４．
　図４は本発明の実施の形態４によるシンクロトロン用入射器システムの構成を示すブロック図である。本実施の形態４においては、実施の形態３と同様、陽子または炭素イオンが前段加速器５１において群集化され、後段加速器５２において、シンクロトロン７の入射エネルギとして、例えば炭素イオンに適したエネルギである４ＭｅＶ／ｕまで加速される。
　後段加速器５２から出射された陽子または炭素イオンは、実施の形態２と同様、分配器３０に入射される。分配器３０では、入射されるイオンが陽子の場合、偏向器３１を介して陽子をポスト加速器６に入射するよう分配する。ポスト加速器６に入射された陽子は、ポスト加速器６により例えば７ＭｅＶ／ｕのエネルギまで加速され、偏向器３２を介して合成器３３を通って中エネルギビーム輸送路３４に合流し、シンクロトロン用入射器システム１０から出射されるよう構成されている。一方、分配器３０に入射されるイオンが炭素イオンの場合、炭素イオンをポスト加速器６に入射させずに、中エネルギビーム輸送路３４からそのままのエネルギで出射させるよう構成されている。
　このように、炭素イオンの場合、ポスト加速器６を通過させずに後段加速器５２により加速されエネルギが増大された炭素イオンを直接シンクロトロン用入射器システム１０から出射するようにした。ポスト加速器６は陽子のみを加速可能な構成とするため、炭素イオンも加速可能な構成とするよりも電力が少なく小型の加速器とすることができる。また、本実施の形態４によるシンクロトロン用入射器システムによれば、実施の形態２と同様、炭素イオンがポスト加速器６内を通過しないため、ポスト加速器６内部で、炭素イオンが電極などに当たって損失して、ポスト加速器６内部を汚染することがないという効果がある。
１　第一イオン源、２　第二イオン源、４　低エネルギビーム輸送路、
５　プリ加速器、６ポスト加速器、７　シンクロトロン、
１０　シンクロトロン用入射器システム、３０　分配器、
３４　中エネルギビーム輸送路、４３　合成器

Claims (8)

  1. 　シンクロトロンに入射するイオンを出射するシンクロトロン用入射器システムであって、
    第一のイオンを発生する第一イオン源と、
    前記第一のイオンの電荷質量比よりも小さい電荷質量比の第二のイオンを発生する第二イオン源と、
    前記第一のイオンと前記第二のイオンのいずれのイオンも加速可能な能力を有するプリ加速器と、
    前記第一のイオンと前記第二のイオンのいずれかのイオンを前記プリ加速器に入射させるように構成された低エネルギビーム輸送路と、
    前記プリ加速器から出射される加速後の前記第一のイオンのみを加速する、自己収束型のポスト加速器と
    を備えたことを特徴とするシンクロトロン用入射器システム。
  2. 　前記ポスト加速器は、前記第一のイオンおよび前記第二のイオンのいずれのイオンも入射される構成であり、前記第一のイオンが入射された場合には加速動作を行い、前記第二のイオンが入射された場合には加速動作を行わないことを特徴とする請求項１に記載のシンクロトロン用入射器システム。
  3. 　前記ポスト加速器におけるビーム口径が、前記プリ加速器におけるビーム口径よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載のシンクロトロン用入射器システム。
  4. 　前記プリ加速器から出射されたイオンが前記第一のイオンである場合は、当該第一のイオンを前記ポスト加速器に入射させ、前記プリ加速器から出射されたイオンが前記第二のイオンである場合は、当該第二のイオンを前記ポスト加速器に入射させずにシステムから出射させるための分配器を備えたことを特徴とする請求項１に記載のシンクロトロン用入射器システム。
  5. 　前記プリ加速器は、入射されたイオンを群集化する前段加速器と、前記前段加速器で群集化されたイオンを加速する後段加速器とを備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のシンクロトロン用入射器システム。
  6. 　前記第一のイオンは陽子であり、前記第二のイオンは炭素イオンであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のシンクロトロン用入射器システム。
  7. 第一のイオンを発生する第一イオン源と、
    前記第一のイオンの電荷質量比よりも小さい電荷質量比の第二のイオンを発生する第二イオン源と、
    前記第一のイオンと前記第二のイオンのいずれのイオンも加速可能な能力を有するプリ加速器と、
    前記第一のイオンと前記第二のイオンのいずれかのイオンを前記プリ加速器に入射させるように構成された低エネルギビーム輸送路と、
    前記プリ加速器から出射される加速後のイオンを加速する、自己収束型のポスト加速器と、
    を備えた、シンクロトロンに入射するイオンを出射するシンクロトロン用入射器システムの運転方法において、
    前記ポスト加速器に入射されるイオンが前記第一のイオンである場合に加速動作を行い、前記ポスト加速器に入射されるイオンが前記第二のイオンである場合には加速動作を行わないことを特徴とするシンクロトロン用入射器システムの運転方法。
  8. 　前記第一のイオンは陽子であり、前記第二のイオンは炭素イオンであることを特徴とする請求項７に記載のシンクロトロン用入射器システムの運転方法。
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