WO2019097904A1 - 加速器および粒子線治療システム - Google Patents

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WO2019097904A1
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magnetic field
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high frequency
coil
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PCT/JP2018/037622
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孝道 青木
裕人 中島
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株式会社日立製作所
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    • H05H2277/10—Medical devices
    • H05H2277/11—Radiotherapy

Definitions

  • the present invention relates to an accelerator that accelerates heavy particles such as protons and carbon ions, and a particle therapy system that treats accelerated particles by irradiating the tumor.
  • Patent Document 1 discloses an example of a charged particle beam system that achieves high irradiation concentration and dose distribution controllability to a target while miniaturizing the system.
  • the accelerator is used to generate multiple types of ion beams of different weights, accelerate the multiple types of ions to the maximum energy with different maximum water range, and are installed in the rotating gantry in the beam transport system.
  • the human body is irradiated from the irradiation device.
  • the depth of the irradiation target is compared with the maximum underwater range of each ion species, and the ion target whose depth is less than or equal to the longest underwater range is selected and the irradiation target is irradiated. .
  • the high energy nuclear beam used in particle beam therapy is generated using an accelerator.
  • kinetic energy per nucleon needs to be around 430 MeV at maximum.
  • protons are used as a therapeutic beam, kinetic energy up to around 230 MeV is required.
  • Patent Document 1 proposes a system capable of generating beams of a plurality of nuclides by a single accelerator and irradiating a plurality of types of beams.
  • a synchrotron is used as an accelerator.
  • the synchrotron increases the kinetic energy of particles circulating inside while changing the amount of excitation of the electromagnet that constitutes the accelerator over time.
  • the synchrotron in addition to the deflection electromagnet that deflects the beam, the synchrotron also has a quadrupolar diverging electromagnet, a multipole electromagnet for resonance excitation, and a high frequency application device for emitting a beam to increase the betatron oscillation to exceed the stability limit of resonance.
  • various devices such as an electrostatic deflector for emission and a deflection electromagnet for emission are required, and there is a limit to miniaturization.
  • various devices since various devices are required, there is a limit to cost reduction.
  • Cyclotrons exist as accelerators other than synchrotrons.
  • a cyclotron is a type of accelerator that accelerates a beam traveling in a main magnetic field with a high frequency electric field.
  • the main magnetic field distribution having this property is called isochronous magnetic field.
  • the main magnetic field distribution needs a maximum portion and a minimum portion.
  • the nonuniform magnetic field with this distribution can be formed by narrowing the distance between the opposing magnetic poles of the main electromagnet at the maximum portion and widening the minimum portion.
  • the difference between the magnetic field of the maximum part and the magnetic field of the minimum part is practically limited to the extent of the saturation magnetic flux density of the magnetic pole material which is a ferromagnetic material. That is, the difference between the magnetic field of the maximum part and the magnetic field of the minimum part is limited to about 2T.
  • the present invention provides an accelerator and a particle beam treatment system which can be reduced in irradiation time while being compact.
  • the present invention includes a plurality of means for solving the above problems, and an example thereof is an accelerator, a plurality of ion sources for generating a plurality of different types of ions, and a main magnet for generating a magnetic field. And the center of the trajectory of the ions is decentered with acceleration, and the magnetic field generated by the main magnet is a magnetic field distribution which falls outward in the radial direction of the trajectory.
  • the high frequency cavity accelerates the ions to a predetermined energy by a high frequency electric field adjusted to a circulating frequency according to the nuclide of the incident ions, and the frequency of the high frequency electric field changes in accordance with the energy of the ions. It is characterized by
  • FIG. 2 is a view showing the structure of an accelerator of Example 1;
  • FIG. 6 is a view showing the relationship between kinetic energy of a beam and a circulation frequency in the accelerator of Example 1;
  • FIG. 6 is a view showing the relationship between kinetic energy of a beam and magnetic rigidity in the accelerator of Example 1;
  • FIG. 7 is a view showing the shape of a designed trajectory in the accelerator of Example 1;
  • FIG. 6 is a view showing the relationship between the magnetic rigidity of a beam and the magnetic field on a designed orbit in the accelerator of Example 1;
  • FIG. 6 is a control diagram of the accelerator of Example 1;
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of a timing chart during operation of the accelerator of Example 1;
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of a timing chart during operation of the accelerator of Example 1;
  • FIG. 7 is a view showing the entire outline of a particle beam therapy system of Example 2;
  • Example 1 The accelerator according to the first embodiment, which is a preferred embodiment of the present invention, will be described below with reference to FIGS.
  • the accelerator 1 of the present embodiment is an accelerator of a frequency modulation type variable energy and variable nuclide.
  • the accelerator 1 is a type of accelerator which has a temporally constant magnetic field as a main magnetic field and accelerates a plurality of different kinds of ions such as proton, helium, carbon and the like circulating in the main magnetic field by a high frequency electric field. The appearance is shown in FIG.
  • the accelerator 1 excites the main magnetic field in a region through which the accelerating and circulating beams pass (hereinafter referred to as a beam passing region 20, see FIG. 2) by the electromagnet 11 which can be divided up and down. Be done.
  • the electromagnet 11 has a plurality of through holes for connecting the outside and the beam passage area 20.
  • an extraction beam through hole 111 for taking out an accelerated beam, through holes 112 and 113 for drawing a coil conductor to the outside, and a high frequency power input through hole 114 are provided on connection surfaces of upper and lower magnetic poles .
  • the high frequency cavity 21 is installed through the high frequency power input through hole 114.
  • the high frequency cavity 21 is provided with a dee electrode 211 (see FIG. 2) for acceleration and a rotary variable capacitance capacitor 212.
  • a plurality of ion sources 221, 222 and 223 for generating different kinds of ions are disposed at the upper part of the electromagnet 11 at positions shifted from the center, and an ion beam of a predetermined nuclide is transmitted through the beam incident through hole 115. It injects into the accelerator 1 inside.
  • the ion sources 221, 222, 223 are external ion sources disposed outside the electromagnet 11, and are ion sources that generate protons, helium ions, and carbon ions, respectively.
  • a distribution electromagnet 224 for switching ion species is installed in the beam incident through hole 115 on the beam transport path from the ion source 221, 222, 223 to the incident region 130 (see FIG. 2) of the accelerator 1 .
  • the excitation amount of the distribution electromagnet 224 is adjusted so that a predetermined nuclide is transported on the beam transport path. That is, depending on the amount of excitation of the distribution electromagnet 224, it is possible to determine the ion species that can be incident on the accelerator 1.
  • the beam passage area 20 is evacuated.
  • FIG. 2 is a view of the electromagnet 11 divided into upper and lower parts, as viewed from above.
  • each of the upper and lower portions of the electromagnet 11 has a return yoke 121, a top plate 122, and a cylindrical magnetic pole 123, and in a cylindrical space sandwiched by the vertically opposed magnetic poles 123, a beam passing area There are twenty.
  • a surface where the upper and lower magnetic poles 123 face each other is defined as a magnetic pole surface.
  • a surface parallel to the magnetic pole surface sandwiched by the magnetic pole surfaces and equidistant from the upper and lower magnetic pole surfaces is called a track surface.
  • An annular main coil 13 is disposed along the wall of the magnetic pole 123 in a recess formed between the magnetic pole 123 and the return yoke 121. By flowing a current through the main coil 13, the magnetic pole 123 is magnetized, and a magnetic field with a predetermined distribution described later is excited in the beam passage region 20.
  • the magnetic pole 123 is provided with a plurality of systems of trim coils 30 for fine adjustment of the magnetic field, and this is connected to an external power supply through the through hole 113.
  • the trim coil current is adjusted before operation so as to approximate a main magnetic field distribution described later and achieve stable betatron oscillation.
  • the high frequency cavity 21 excites a high frequency electric field in the acceleration gap 213 by the ⁇ / 4 resonance mode.
  • a portion fixed to the accelerator is defined as a dee electrode 211.
  • the beam is accelerated by a high frequency electric field excited in an acceleration gap 213 formed in a region sandwiched by the dee electrode 211 and a ground electrode 214 disposed to face the dee electrode 211.
  • the frequency of the high frequency electric field needs to be an integral multiple of the beam circulation frequency.
  • the frequency of the high frequency electric field is one time of the circulating frequency of the beam.
  • the beam is incident on the accelerator 1 in the form of low energy ions from the incident region 130.
  • Ions generated by the ion sources 221, 222 and 223 are extracted to the incident path by a voltage applied to an extraction electrode (not shown), and are incident on the incident area 130 through the through hole 115.
  • An electrostatic deflector (not shown) is installed in the incident region 130, and power necessary for ion deflection is supplied from the outside of the electromagnet 11.
  • the incident beam is accelerated each time it passes the acceleration gap 213 by the high frequency electric field excited by the high frequency cavity 21.
  • the second coil 311 and the first coil 312 are in a state of being electrically insulated from a part of the magnetic pole surface is set up.
  • a magnetic field described later is superimposed and excited on the main magnetic field. Details of the second coil 311 and the first coil 312 will be described later.
  • an incident portion of the take-off septum electromagnet 32 is provided at one end of the pole face.
  • the orbiting beam is displaced from its design trajectory, the beam moves to the entrance of the extraction septum electromagnet 32, and then the extraction trajectory 322 formed by the magnetic field of the extraction septum electromagnet 32.
  • the beam is taken out of the accelerator 1 along.
  • Particles which can be accelerated by the accelerator 1 of this embodiment are protons, helium nuclei and carbon nuclei.
  • the respective ion beams are generated by separately provided ion sources 221, 222, 223, and transported to the incident region 130 through the beam incident through hole 115 which is a common incident path.
  • the beam incident on the incident region 130 is deflected in a direction parallel to the orbital plane by the electrostatic deflector, and begins to orbit by the Lorentz force received from the main magnetic field.
  • the beam orbits along a design trajectory described later.
  • the beam passes through the acceleration gap 213 twice each time it makes one round in the accelerator 1, and the beam is accelerated by the force from the high frequency electric field each time it passes.
  • the orbital frequency of the beam decreases.
  • the main magnetic field forms a distribution that is uniform along the beam trajectory and decreases as the energy increases. That is, a magnetic field is formed such that the magnetic field on the radially outer side is reduced.
  • betatron oscillation is stably performed in radial directions in the orbital plane of the beam and in directions perpendicular to the orbital plane. According to this principle, the beam is accelerated while traveling in the beam passage area 20.
  • the magnitude of the main magnetic field in the incidence region is 5 T, and when the ion species is proton, the ion with kinetic energy immediately after incidence has an orbital frequency of 76.23 MHz and a beam reaching a maximum energy of 235 MeV circulates at 60.67 MHz .
  • helium it is 30.44 MHz with 38.38 MHz and maximum energy of 235 MeV / u immediately after incidence.
  • carbon it is 26.10 MHz with 38.40 MHz and maximum energy of 430 MeV / u immediately after incidence.
  • FIG. 3 shows the frequency dependence of protons in thick lines, helium in thin lines, and carbon in dotted lines. Since the mass to charge ratio of helium and carbon is approximately equal, in FIG. 3 the two graphs appear to be substantially overlapping. In addition, it can be regarded as practically the same.
  • the kinetic energy of the extractable beam is minimum 70 MeV to maximum 235 MeV when the ion species is proton.
  • the minimum is 70 MeV / u and the maximum is 235 MeV / u.
  • the minimum is 140 MeV / u and the maximum is 430 MeV / u.
  • the trajectories of the beams of these different ion species and the characteristics of the betatron oscillation can be uniformly determined by the magnetic rigidity.
  • the relationship between the magnetic rigidity (B ⁇ value) and the kinetic energy of each ion is shown in FIG.
  • the maximum magnetic rigidity of protons is 2.35 Tm, 4.67 Tm for helium and 6.64 Tm for carbon. That is, a trajectory is defined for a beam of magnetic stiffness up to 6.64 Tm, which corresponds to the maximum magnetic stiffness of carbon, and betatron oscillations need to be stable.
  • each magnetic stiffness beam is shown in FIG.
  • FIG. 5 there is a circular orbit with a radius of 1.39 m corresponding to the orbit with the maximum magnetic rigidity of 6.9 Tm on the outermost side, and 52 circulars of convenience divided into 53 with magnetic rigidity until 0 Tm therefrom.
  • the trajectory is illustrated.
  • the dotted line or broken line is a line connecting the same circulation phase of each orbit, and is called an equi-rotation phase line.
  • the equi-rotational phase lines are plotted for every circulation phase ⁇ / 20 from the aggregation region.
  • those shown by broken lines are the center positions of the acceleration gap.
  • the center of the beam's trajectory moves in one direction in the orbital plane as the beam accelerates.
  • the orbital center there are regions where the trajectories of different kinetic energy are close to each other and regions that are remote from each other. That is, the orbit of the beam is decentered.
  • ⁇ is a deflection angle viewed from the close point.
  • the acceleration gap 213 formed between the dee electrode 211 and the ground electrode 214 opposed to the dee electrode 211 in any of the orbits is disposed along an equi-rotation phase line which is rotated by ⁇ 90 degrees as viewed from the aggregation point.
  • the design orbit has a main magnetic field distribution in which the value of the magnetic field decreases as going outward in the deflection radial direction Do. Also, the magnetic field is constant along the design trajectory. Thus, the design trajectory becomes circular, and as the beam energy increases, the trajectory radius and orbiting time increase.
  • particles slightly offset in the radial direction from the design trajectory receive a restoring force to return to the design trajectory.
  • particles shifted in the direction perpendicular to the orbital plane also receive restoring force from the main magnetic field in the direction of returning to the orbital plane. That is, if the magnetic field is appropriately reduced with respect to the energy of the beam, particles which are always deviated from the design trajectory will exert a restoring force in the direction to return to the design trajectory and vibrate near the design trajectory. . This makes it possible to stably orbit and accelerate the beam. Vibration centered on this design trajectory is called betatron vibration.
  • the values of the magnetic field in the beams of each magnetic rigidity are shown in FIG. As shown in FIG. 6, the magnetic field reaches a maximum of 5 T at the incident point and drops to 4.966 T at the outermost periphery.
  • the main magnetic field distribution described above is excited by causing the magnetic pole 123 to be magnetized by passing a predetermined excitation current through the main coil 13 and the trim coil 30.
  • the distance (gap) that the magnetic poles 123 face is the smallest at the incident point and increases toward the outer periphery in order to form a distribution that increases the magnetic field at the ion incident point and decreases the magnetic field toward the outer periphery .
  • the magnetic pole shape is a plane symmetry shape with respect to a plane (orbital plane) passing through the gap center, and on the orbital plane, it has only a magnetic field component in a direction perpendicular to the orbital plane. Furthermore, fine adjustment of the magnetic field distribution is performed by adjusting the current applied to the trim coil 30 disposed on the pole face, and a predetermined magnetic field distribution is excited.
  • the high frequency cavity 21 excites a high frequency electric field in the acceleration gap 213 by the ⁇ / 4 resonance mode.
  • the frequency of the high frequency electric field is modulated following the energy of the circulating beam in order to excite the high frequency electric field in synchronization with the rotation of the beam.
  • the high frequency cavity 21 using the resonance mode as used in the present embodiment it is necessary to sweep the high frequency in a range wider than the width of the resonance. Therefore, it is also necessary to change the resonant frequency of the high frequency cavity 21.
  • the control is performed by changing the capacitance of the rotary variable capacitor 212 installed at the end of the high frequency cavity 21.
  • the rotary variable capacitor 212 controls the capacitance generated between the conductor plate directly connected to the rotating shaft 215 and the outer conductor according to the rotation angle of the rotating shaft 215. That is, the rotation angle of the rotating shaft 215 is changed as the beam accelerates.
  • the driver inputs a desired ion nuclide and kinetic energy into the overall control device 40.
  • the general control unit 40 operates the ion sources 221, 222, 223 and sets the excitation amount of the distribution electromagnet 224 so that the ion beam is output from the ion source of the designated nuclide and the beam is guided to the beam passage area 20. Be done.
  • ions are output from the ion sources 221, 222, 223 at a timing when the resonant frequency of the high frequency cavity 21 matches the circulating frequency at the time of incidence.
  • the beam incident on the beam passage area 20 is accelerated by the high frequency electric field, and its energy is increased, and the turning radius of the orbit is increased.
  • the beam is accelerated while securing the traveling direction stability by the high frequency electric field. That is, when the high frequency electric field is temporally decreasing, the acceleration gap 213 is passed. Then, since the frequency of the high frequency electric field and the circulating frequency of the beam are synchronized at a ratio of just an integral multiple (one in this embodiment), the particles accelerated in the phase of the predetermined accelerating electric field have the same phase in the next turn. Receive acceleration in On the other hand, since particles accelerated in a phase earlier than the acceleration phase have a larger amount of acceleration than particles accelerated in the acceleration phase, they are accelerated in a delayed phase in the next turn. On the other hand, particles that are accelerated at a phase later than the acceleration phase at that time are accelerated at the advanced phase in the next turn because the amount of acceleration is smaller than particles accelerated at the acceleration phase.
  • the particles having a timing shifted from the predetermined acceleration phase move in the direction returning to the acceleration phase, and by this action, the particles can be stably oscillated in the phase plane (traveling direction) including momentum and phase.
  • This vibration is called synchrotron vibration. That is, the particles being accelerated are gradually accelerated while reaching synchrotron oscillation, and reach a predetermined energy to be taken out.
  • a predetermined excitation current determined on the basis of the target energy is supplied to the kicker magnetic field generating coil in order to extract it with a predetermined energy.
  • the beam accelerated to the target energy circulates along the design trajectory when no current is supplied to the kicker magnetic field generation coil, but is derived from the kicker magnetic field generation coil when current is supplied to the kicker magnetic field generation coil.
  • the magnetic field causes the beam to be kicked and displaced from the design trajectory.
  • the kicker magnetic field generating coil is disposed symmetrically with respect to the orbital plane at a position deviated in the direction perpendicular to the orbital plane. Furthermore, it has a symmetrical shape with respect to a straight line (symmetrical axis) connecting the most densely aggregated point of the beam trajectory and the sparsely dispersed point.
  • the first coil 312 and the second coil 311 constituting the kicker magnetic field generating coil are connected to separate coil power sources 44A and 44B (see FIG. 7) for kicker magnetic field generation so as to generate magnetic fields in opposite directions to each other.
  • the direction of the current is controlled.
  • a current is supplied to the first coil 312 so as to generate a magnetic field in the same direction as the main magnetic field, and a current is supplied to the second coil 311 so as to generate a magnetic field in the reverse direction to the main magnetic field.
  • the first coil 312 is generally referred to as a regenerator
  • the second coil 311 is generally referred to as a peeler.
  • the accelerator of this embodiment whose tune is close to 1 At 1, the radial displacement between the peeler and the regenerator increases.
  • the beam As the beam receives kicks from the peeler and regenerator over multiple turns, the beam continues to increase in radial direction at the location of the aggregation point. When the radial displacement increases to some extent, it is incident on the extraction septum electromagnet 32 installed outside the convergence point and extracted out of the accelerator 1.
  • FIG. 7 shows a control diagram of the accelerator 1 of the present embodiment.
  • the rotary variable capacitance capacitor 212 As a configuration for accelerating the beam and its control system, it is connected to the rotary variable capacitance capacitor 212 attached to the high frequency cavity 21 and the rotary shaft 215 of the rotary variable capacitance capacitor 212 as shown in FIG.
  • a motor 217 and a motor control device 41 that controls the motor 217.
  • an input coupler 218 for inputting high frequency power into the high frequency cavity 21 and a low level high frequency generator 42 and an amplifier 43 for generating the supplied high frequency power.
  • the rotary variable capacity capacitor 212 is controlled by the motor control device 41 determined by the treatment plan database 60 and instructed by the general control device 40, whereby the motor 217 rotates at a predetermined rotational speed.
  • the shaft 215 rotates, and the rotation angle of the rotating shaft 215 temporally changes, thereby temporally modulating the capacity.
  • the high frequency signal generated by the low level high frequency generator 42 is amplified by the amplifier 43 to generate high frequency power input to the high frequency cavity 21.
  • the frequency and amplitude of the high frequency signal generated by the low level high frequency generator 42 are determined by the treatment plan database 60 and instructed by the general control unit 40.
  • a kicker magnetic field coil supply 44A for supplying a current to the first coil 312 and a kicker for supplying a current to the second coil 311.
  • a coil power supply 44B for magnetic field generation and a coil power control device 45 for magnetic field generation for kicker which controls the coil power supplies 44A and 44B for kicker magnetic field generation.
  • the current values output from the coil power sources 44A and 44B for kicker magnetic field generation to the first coil 312 and the second coil 311 are controlled by the coil power source control device 45 for kicker magnetic field generation. It is determined by the treatment plan database 60 as a value uniquely determined from the rate, and instructed by the overall control device 40.
  • FIG. 7 is a timing chart of the operation of each device.
  • FIG. 8 shows a timing chart of the operation of each device when taking out a proton beam of a certain magnetic rigidity
  • FIG. 9 shows a timing chart of the operation when taking out a carbon beam.
  • FIGS. 8 and 9 the rotation angle of the rotation axis of variable capacity capacitor 212, the resonance frequency of high frequency cavity 21, the beam current waveform output from ion source 221, 222, 223, and the time chart of the current flowing through the kicker magnetic field generating coil.
  • the horizontal axes in FIGS. 8 and 9 are all time.
  • the resonance frequency of the high frequency cavity 21 periodically changes according to the rotation angle of the rotation shaft of the variable capacitance capacitor 212.
  • the frequency of the high frequency signal output from the low level high frequency generator 42 is synchronously changed.
  • a period from the time when the resonance frequency is maximum to the time when the resonance frequency is next maximum is defined as an operation cycle.
  • the beam output from the ion source starts at the timing when the resonance frequency decreases to 38.38 MHz.
  • the beam accelerates and accelerates to near the predetermined extraction energy.
  • the beam accelerated to near a predetermined energy is kicked by the magnetic field from the first coil 312 and the second coil 311, and the displacement at the aggregation point begins to shift radially outward.
  • the beam enters the extraction septum electromagnet 32 and is then extracted.
  • the above-described accelerator 1 includes a plurality of ion sources 221, 222 and 223 which generate different kinds of ions, an electromagnet 11 which generates a magnetic field, and a high frequency cavity 21 which generates a high frequency electric field.
  • the center of the ion trajectory is decentered with acceleration, and the magnetic field generated by the electromagnet 11 is a magnetic field distribution that falls outward in the radial direction of the trajectory, and the high frequency cavity 21 is an nuclide of incident ions Ions are accelerated to a predetermined energy by a high frequency electric field adjusted to a corresponding circulating frequency, and the frequency of the high frequency electric field is changed following the energy of the ions.
  • the accelerator 1 of this principle can make the main magnetic field a static magnetic field as compared with the conventional synchrotron, and can be a compact accelerator because it is easy to increase the magnetic field.
  • a linear accelerator is used as an injector, and a beam is accelerated by a scheme in which the linear accelerator enters the synchrotron through a low energy beam transport system. Therefore, when the nuclide changes, it is necessary to change the type of ion source, the accelerating electric field of the linear accelerator, the amount of electromagnet excitation of the beam transport system, the magnetic field and frequency of the synchrotron, and their relationship, etc. it is conceivable that.
  • the accelerator 1 of the present embodiment in switching of the nuclide, for example, the electromagnet of the ion incident path described above and the magnetic rigidity of the beam to be extracted are inevitably changed. Only the amount of excitation and the incident timing of ions are changed. That is, since the nuclide can be changed only by changing the amount of excitation of the electromagnet and the timing of operation, it is also possible to change the nuclide in a time of about several hundred ms necessary for changing the energy.
  • the compact accelerator 1 with a large average beam amount can be provided by the compactification by the application of the high magnetic field, the shortening of the operation period by the application of the static magnetic field, and the shortening of the nuclide change time.
  • the ion sources 221, 222 and 223 are disposed outside the electromagnet 11, it is not necessary to dispose a plurality of ion sources in the beam passage area 20, and the electromagnet 11 and hence the accelerator 1 can be downsized more reliably can do.
  • a plane of orbital orbits with respect to a beam that has become a specific energy to be extracted since it is possible to destabilize the betatron oscillation inside, it is possible to extract a beam of arbitrary energy. Therefore, since the energy variable beam can be extracted without using a scatterer, the beam current value lost at the time of extraction can be minimized, and a high irradiation dose rate can be realized. In addition, since it is possible to change the extraction energy of the beam electrically, there is also an advantage that the time required for energy switching is shorter than the method of moving the scatterer mechanically.
  • switching of ion species of a plurality of types of nuclide is performed by the distribution electromagnet 224, but the switching is not limited to the magnetic field using the electromagnet, but switching can be performed by an electric field using the electrode .
  • Example 2 A particle beam therapy system according to a second embodiment which is a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the same reference numerals are given to the same components as in the first embodiment, and the description will be omitted.
  • the second embodiment is a particle beam therapy system in which the accelerator 1 mentioned in the first embodiment is used.
  • An overall configuration diagram of the system is shown in FIG.
  • the particle beam therapy system 1000 sets the energy of proton beam, helium beam or carbon beam (hereinafter collectively referred to as beam) to be irradiated to an appropriate value depending on the depth from the body surface of the affected area. It is an apparatus for irradiating a patient.
  • the particle beam therapy system 1000 includes an accelerator 1 for accelerating ions, a beam transport system 2 for transporting the beam accelerated by the accelerator 1 to an irradiation apparatus described later, and a treatment table for the beam transported by the beam transport system 2
  • the general control apparatus 40 and the irradiation control apparatus 50 for controlling the accelerator 1, the beam transport system 2 and the irradiation apparatus 3, and the irradiation plan of the beam for the target A treatment planning device 70 to be created, and a treatment plan database 60 in which a treatment plan created by the treatment planning device 70 is stored.
  • the energy and dose of the particle beam to be irradiated are created by the treatment planning device 70 and determined by the treatment plan stored in the treatment plan database 60.
  • the energy and dose of the particle beam determined by the treatment plan are sequentially input from the general control unit 40 to the irradiation control unit 50, and when the appropriate dose is irradiated, the energy is transferred to the next energy or the next nuclide and the particles again It is realized by the procedure of irradiating a line.
  • a compact and high-throughput system can be realized by utilizing the compactness and the size of the average beam amount, which are the characteristics of the accelerator 1 of the first embodiment described above.
  • the beam transport system 2 of the particle beam therapy system 1000 is not limited to the fixed one as shown in FIG. 10, but may be a transport system capable of rotating around the patient 5 with the irradiation device 3 called a rotating gantry. Can. Further, the number of irradiation devices 3 is not limited to one, and a plurality of irradiation devices can be provided. Further, the beam can be directly transported from the accelerator 1 to the irradiation device 3 without providing the beam transport system 2.
  • the present invention is not limited to the above embodiments, and includes various modifications.
  • the above embodiments have been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • ions to be accelerated by the accelerator 1 have been described as proton, helium, and carbon, ions to be accelerated are not limited to these three types, and various types of ions can be accelerated. Moreover, it is not necessary to be three types, and can be two or more.

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Abstract

異なる複数種類のイオンを発生させる複数のイオン源２２１，２２２，２２３と、磁場を発生させる電磁石１１と、高周波電場を発生させる高周波空胴２１と、を備え、イオンの軌道の中心は加速に伴い偏心しており、電磁石１１が発生させる磁場は軌道の動径方向外側に低下する磁場分布であり、高周波空胴２１は、入射するイオンの核種に応じた周回周波数に合わせた高周波電場によって所定エネルギーまでイオンを加速するものであり、高周波電場の周波数はイオンのエネルギーに追従して変化させる。これにより、小型でありながら、照射時間の短縮が可能な加速器および粒子線治療システムが提供される。

Description

加速器および粒子線治療システム
　本発明は陽子や炭素イオン等の重粒子を加速する加速器、および加速された粒子を腫瘍に照射することで治療する粒子線治療システムに関する。
　治療のために人体に荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビームシステムにおいて、システムを小型化しつつ、目標への高い照射集中性や線量分布制御性を実現する荷電粒子ビームシステムの一例として、特許文献１には、重さの異なる複数種類のイオンビームを発生させ、複数種類のイオンをそれぞれの最長水中飛程が異なる最高エネルギーに加速、出射される加速器を用い、ビーム輸送系で回転ガントリーに設置された照射装置から人体に照射する。照射において、照射目標の深さと各イオン種の最大水中飛程を比較し、照射目標の深さが最長水中飛程以下となるイオン種を選択して照射目標に照射することが記載されている。
特開２０１５－８４８８６号公報
　粒子線治療で使用する高エネルギー原子核ビームは加速器を用いて生成する。たとえば、炭素原子核を治療用のビームとして用いる場合、核子当たりの運動エネルギーが最大で４３０ＭｅＶ前後が必要である。陽子を治療用のビームとして用いる場合は、最大で２３０ＭｅＶ前後の運動エネルギーが必要である。
　特許文献１には、複数核種のビームを一台の加速器で生成し、複数の種類のビームを照射可能なシステムが提案されている。
　特許文献１に記載の粒子線治療システムでは、加速器としてシンクロトロンが用いられている。シンクロトロンは加速器を構成する電磁石の励磁量を時間的に変化させながら内部を周回する粒子の運動エネルギーを増大させている。
　しかし、シンクロトロンはビームを偏向する偏向電磁石以外にも、四極発散電磁石や共鳴励起用多極電磁石、ベータトロン振動を増加して共鳴の安定限界を越えさせるためのビームの出射用の高周波印加装置、出射用の静電偏向器及び出射用偏向電磁石等の様々な機器が必要であり、小型化には限界があった。また、様々な機器が必要であることから、低コスト化にも限界があった。
　シンクロトロン以外の加速器として、サイクロトロンが存在する。しかし、サイクロトロンは、主磁場中を周回するビームを高周波電場で加速する類型の加速器である。軌道上の平均磁場をビームの相対論的γファクターに比例させることで、周回の時間をエネルギーに依らず一定としている。この性質を持つ主磁場分布を等時性磁場と呼んでいる。
　ここで、等時性磁場下では軌道に沿って磁場を変調させることで軌道面内と軌道面に垂直な方向のビーム安定性を確保している。上述の等時性とビームの安定性を両立するために、主磁場分布には極大部と極小部が必要である。この分布のついた非一様な磁場は、主電磁石の対向する磁極間の距離を極大部では狭く、極小部では広くとることで形成することができる。しかしながら、極大部の磁場と極小部の磁場との差は強磁性体である磁極材料の飽和磁束密度程度が実用上限界である。すなわち、極大部の磁場と極小部の磁場との差は２Ｔ程度に制限される。
　一方、加速器を小型化する場合、主磁場を高めて、ビーム軌道の偏向半径を小さくすることが必要であるが、主磁場と前述の極大部の磁場と極小部の磁場との差は比例関係にあり、前述の限界が加速器の現実的な大きさを決める要因となっている。よってサイクロトロンは小型化が困難であった。
　また、サイクロトロンではディグレータを用いることなく取り出しビームのエネルギーを変更することが困難であった。また、ディグレータを用いる場合、ビーム電流が減少してしまうことから、照射時間の短時間化が困難であった。
　本発明は、小型でありながら、照射時間の短縮が可能な加速器および粒子線治療システムを提供する。
　本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、加速器であって、異なる複数種類のイオンを発生させる複数のイオン源と、磁場を発生させる主磁石と、高周波電場を発生させる高周波空胴と、を備え、前記イオンの軌道の中心は加速に伴い偏心しており、前記主磁石が発生させる磁場は前記軌道の動径方向外側に低下する磁場分布であり、前記高周波空胴は、入射するイオンの核種に応じた周回周波数に合わせた高周波電場によって所定エネルギーまで前記イオンを加速するものであり、前記高周波電場の周波数はイオンのエネルギーに追従して変化させることを特徴とする。
　本発明によれば、加速器の小型化が可能であり、かつ照射時間の短縮の両立が可能となる。
本発明の実施例１の加速器の全体概形である。 実施例１の加速器の構造を示す図である。 実施例１の加速器におけるビームの運動エネルギーと周回周波数の関係を示す図である。 実施例１の加速器におけるビームの運動エネルギーと磁気剛性率の関係を示す図である。 実施例１の加速器における設計軌道の形状を示す図である。 実施例１の加速器におけるビームの磁気剛性率と設計軌道上の磁場の関係を示す図である。 実施例１の加速器における制御ダイアグラムを示す図である。 実施例１の加速器における運転時のタイミングチャートの一例を示す図である。 実施例１の加速器における運転時のタイミングチャートの一例を示す図である。 実施例２の粒子線治療装置の全体概形を示す図である。
　以下に本発明の加速器および粒子線治療システムの実施例を、図面を用いて説明する。
　＜実施例１＞　
　本発明の好適な一実施例である実施例１の加速器を図１乃至図９を用いて以下に説明する。
　本実施例の加速器１は周波数変調型の可変エネルギーおよび可変核種の加速器である。この加速器１は時間的に一定な磁場を主磁場として持ち、主磁場中を周回する陽子、ヘリウム、炭素等の異なる複数種類のイオンを高周波電場によって加速するタイプの加速器である。その外観を図１に示す。
　図１に示すように、加速器１は、上下に分割可能な電磁石１１によって、加速・周回中のビームが通過する領域（以下、ビーム通過領域２０と呼ぶ、図２参照）内に主磁場が励起される。電磁石１１には外部とビーム通過領域２０とを接続する貫通口が複数穿たれている。
　貫通口として、加速されたビームを取り出す取り出しビーム用貫通口１１１、コイル導体を外部に引き出すための貫通口１１２，１１３、高周波電力入力用貫通口１１４が上下磁極の接続面上に設けられている。本実施例の加速器１では、高周波電力入力用貫通口１１４を通じて高周波空胴２１が設置されている。
　高周波空胴２１には後述するように、加速用のディー電極２１１（図２参照）と回転式可変容量キャパシタ２１２が設置されている。
　電磁石１１の上部には、異なる複数種類のイオンを発生させる複数のイオン源２２１，２２２，２２３が中心からずれた位置に設置されており、ビーム入射用貫通口１１５を通して所定の核種のイオンビームが加速器１内部に入射される。
　イオン源２２１，２２２，２２３は電磁石１１の外部に配置される外部イオン源であり、それぞれ陽子・ヘリウムイオン・炭素イオンを生成するイオン源である。
　イオン源２２１，２２２，２２３から加速器１の入射領域１３０（図２参照）までのビーム輸送経路上となるビーム入射用貫通口１１５には、イオン核種切り替えのための振り分け電磁石２２４が設置されている。本実施例の加速器１では、所定の核種がビーム輸送経路上を輸送されるように振り分け電磁石２２４の励磁量が調整される。すなわち、振り分け電磁石２２４の励磁量によって加速器１へ入射できるイオン種を定めることができる。
　ビーム通過領域２０は真空引きされている。
　次に、加速器の内部構造について図２を用いて説明する。図２は電磁石１１を上下に分割し、それを上方から見た図である。
　図２に示すように、電磁石１１の上下部それぞれは、リターンヨーク１２１、天板１２２、円柱状の磁極１２３を有し、上下対向した磁極１２３によって挟まれる円筒状の空間内に、ビーム通過領域２０がある。この上下の磁極１２３が互いに対向している面を磁極面と定義する。また磁極面に挟まれた磁極面に平行かつ上下の磁極面から互いに等距離にある面を軌道面と呼ぶ。
　磁極１２３とリターンヨーク１２１の間に形成される凹部に円環状の主コイル１３が磁極１２３の壁に沿って設置されている。主コイル１３に電流を流すことによって磁極１２３が磁化し、ビーム通過領域２０に後述する所定の分布での磁場が励起される。
　磁極１２３には磁場の微調整用のトリムコイル３０が複数系統設けられており、これは貫通口１１３を通じて外部の電源に接続されている。各系統個別に励磁電流を調整することで、後述の主磁場分布に近づけ、安定なベータトロン振動を実現するように運転前にトリムコイル電流が調整されている。
　高周波空胴２１はλ／４型の共振モードによって加速ギャップ２１３に高周波電場を励起させる。高周波空胴２１の内、特に加速器に対して固定的に設置された部分をディー電極２１１と定義する。
　ビームはディー電極２１１と、このディー電極２１１に対向するように設置された接地電極２１４とによって挟まれた領域に形成される加速ギャップ２１３に励起される高周波電場によって加速される。高周波電場の位相を前述のビームの周回に同期させるために、高周波電場の周波数はビームの周回周波数の整数倍であることが必要である。この加速器１では高周波電場の周波数はビームの周回周波数の１倍としている。
　ビームは入射領域１３０から低エネルギーのイオンの状態で加速器１に入射される。イオン源２２１，２２２，２２３で生成されたイオンは引き出し電極（図示省略）に印加された電圧によって入射経路に引き出され、貫通口１１５を通じて入射領域１３０に入射される。
　入射領域１３０には静電ディフレクタ（図示省略）が設置されおり、イオンの偏向に必要な電力が電磁石１１の外部から供給されている。入射されたビームは高周波空胴２１によって励起される高周波電場によって加速ギャップ２１３を通過する毎に加速される。
　所定エネルギーのイオンビームを加速器１外に取り出す為に励磁するキッカ磁場発生コイルとして、第２コイル３１１および第１コイル３１２が磁極面の一部に電気的に絶縁された状態でイオンの軌道上に設置されている。本実施例では、第２コイル３１１および第１コイル３１２に電流を流すことにより、主磁場に対して後述する磁場が重畳励磁される。第２コイル３１１および第１コイル３１２の詳細については後述する。
　また、磁極面の端部の一か所には、取り出し用セプタム電磁石３２の入射部が設置されている。キッカ磁場の存在下で周回中のビームはその位置を設計軌道からずらされ、取り出し用セプタム電磁石３２の入射部までビームが移動し、その後、取り出し用セプタム電磁石３２の磁場によって形成される取り出し軌道３２２に沿ってビームは加速器１の外に取り出される。
　本実施例の加速器１では、軌道面において主磁場は面内成分がほぼ０となるように、磁極１２３、主コイル１３、トリムコイル３０、キッカ磁場発生コイル、取り出し用セプタム電磁石３２の形状と配置は軌道面に対して面対称としている。また、磁極１２３、ディー電極２１１、主コイル１３、トリムコイル３０、キッカ磁場発生コイルの形状は、図２に示すように、加速器１を上部側から見たときに左右対称の形状となっている。
　次に、本実施例の加速器１中を周回するビームの軌道について述べる。本実施例の加速器１によって加速可能な粒子は陽子、ヘリウム原子核および炭素原子核である。
　各イオンビームはそれぞれ別個に設けられたイオン源２２１，２２２，２２３において生成され、共通の入射経路であるビーム入射用貫通口１１５を通じて、入射領域１３０まで輸送される。
　入射領域１３０に入射されたビームは静電ディフレクタによって軌道面に平行な方向に偏向され、主磁場から受けるローレンツ力によって周回運動を始める。ビームは後述する設計軌道に沿って周回運動する。
　ビームは加速器１内を１回周回する度に加速ギャップ２１３を２回通過し、通過の度に高周波電場からの力によってビームは加速される。運動エネルギーが大きくなるにつれ、ビームの周回周波数は小さくなる。主磁場はビームの軌道に沿って一様、かつ、エネルギーが高くなるにつれ磁場が低下していくような分布を作る。つまり、径方向外側の磁場が低下するような磁場を形成する。
　このような磁場下においては、ビームの軌道面内の動径方向と軌道面に対して垂直な方向のそれぞれに対して安定にベータトロン振動する。この原理により、ビームはビーム通過領域２０中を周回しながら加速される。
　入射領域での主磁場の大きさは５Ｔであり、イオン種が陽子の場合、入射直後の運動エネルギーのイオンでは周回周波数が７６．２３ＭＨｚ，最大エネルギー２３５ＭｅＶに達したビームは６０．６７ＭＨｚで周回する。ヘリウムの場合は入射直後に３８．３８ＭＨｚ、最大エネルギー２３５ＭｅＶ／ｕで３０．４４ＭＨｚである。炭素の場合、入射直後に３８．４０ＭＨｚ、最大エネルギー４３０ＭｅＶ／ｕで２６．１０ＭＨｚである。
　これらのエネルギーと周回周波数の関係は図３のようになる。図３には太線で陽子、細線でヘリウム、点線で炭素の周波数依存性を示している。ヘリウムと炭素の質量電荷比がほぼ等しいことから、図３では両者のグラフは実質上重なって見える。また、実用上も同じと見做すことができる。
　取り出し可能なビームの運動エネルギーはイオン種が陽子の場合、最小７０ＭｅＶから最大２３５ＭｅＶである。ヘリウムの場合は最小７０ＭｅＶ／ｕから最大２３５ＭｅＶ／ｕである。炭素の場合、最小１４０ＭｅＶ／ｕから最大４３０ＭｅＶ／ｕである。
　これらの異なるイオン種のビームの軌道とベータトロン振動の特性は、磁気剛性率によって統一的に定めることが可能である。磁気剛性率（Ｂρ値）とイオンごとの運動エネルギーの関係を図４に示す。
　図４によると、陽子の最大磁気剛性率は２．３５Ｔｍ、ヘリウムでは４．６７Ｔｍ、炭素では６．６４Ｔｍである。すなわち、炭素の最大磁気剛性率に対応する６．６４Ｔｍまでの磁気剛性率のビームに対して軌道が定義され、ベータトロン振動が安定である必要がある。
　各磁気剛性率ビームの軌道の形状を図５に示す。図５に示すように、最も外側に最大磁気剛性率６．９Ｔｍの軌道に対応した半径１．３９ｍの円軌道が存在し、そこから、０Ｔｍまで磁気剛性率で５３分割した都合５２本の円軌道を図示している。点線あるいは破線は各軌道の同一の周回位相を結んだ線であり、等周回位相線と呼ぶ。等周回位相線は集約領域から周回位相π／２０ごとにプロットしている。等周回位相線のうち破線で示したものは加速ギャップの中心位置である。
　この加速器１では、ビームの加速に従ってビームの軌道中心が軌道面内で一方向に移動する。軌道中心が移動する結果、異なる運動エネルギーの軌道が互いに近接している箇所と互いに遠隔している領域が存在する。すなわち、ビームの周回軌道が偏心している。
　最も軌道同士が近接している軌道の各点を結ぶと軌道に直交する線分となり、また、最も軌道同士が遠隔している軌道の各点を結ぶと軌道に直交する線分となる。この二つの線分は同一直線上に存在する。この直線を対称軸と定義すると、軌道の形状と主磁場の分布は対称軸を通り、軌道面に垂直な面に対して面対称となる。
　前述の近接した軌道の各点において、偏向角θ＝０度となるように座標θを導入する。θは近接点から見た偏向角である。いずれの軌道においてもディー電極２１１と対向する接地電極２１４の間に形成される加速ギャップ２１３は集約点から見て±９０度周回した等周回位相線に沿って設置される。
　上記のような軌道構成と軌道周辺での安定な振動を生じさせるために、本実施例の加速器１においては、設計軌道は、偏向半径方向外側に行くにつれ磁場の値が小さくなる主磁場分布とする。また、設計軌道に沿って磁場は一定である。よって、設計軌道は円形となり、ビームエネルギーが高まるにつれその軌道半径・周回時間は増大する。
　このような体系では、設計軌道から半径方向に微小にずれた粒子は設計軌道に戻すような復元力を受ける。同時に、軌道面に対して鉛直な方向にずれた粒子も軌道面に戻す方向に主磁場から復元力を受ける。すなわち、ビームのエネルギーに対して適切に磁場を小さくしていけば、常に設計軌道からずれた粒子は設計軌道に戻そうとする向きに復元力が働き、設計軌道の近傍を振動することになる。これにより、安定にビームを周回・加速させることが可能である。この設計軌道を中心とする振動をベータトロン振動と呼ぶ。
　各磁気剛性率のビームにおける磁場の値を図６に示した。図６に示すように、磁場は入射点で最大の５Ｔとなり、最外周では４．９６６Ｔまで低下する。
　上述の主磁場分布は主コイル１３とトリムコイル３０に所定の励磁電流を流すことによって磁極１２３が磁化されることで励起される。イオンの入射点で磁場を大きくし、外周に向かって磁場を小さくする分布を形成するために、磁極１２３が対向する距離（ギャップ）は入射点において最も小さく、外周に向かって大きくなる形状となる。
　さらに、磁極形状はギャップ中心を通る平面（軌道面）に対して面対称の形状であり、軌道面上においては軌道面に垂直な方向の磁場成分のみを持つ。さらに、磁場分布の微調整を磁極面に設置されたトリムコイル３０に印加する電流を調整することで行い、所定の磁場分布を励起している。
　高周波空胴２１はλ／４型の共振モードによって加速ギャップ２１３に高周波電場を励起させる。本実施例の加速器１においてはビームの周回に同期して高周波電場を励起するために、高周波電場の周波数は周回中のビームのエネルギーに追従して変調させる。
　本実施例に用いられるような共振モードを用いた高周波空胴２１では共振の幅よりも広い範囲で高周波の周波数を掃引する必要がある。そのために高周波空胴２１の共振周波数も変更する必要が有る。
　その制御は高周波空胴２１の端部に設置された回転式可変容量キャパシタ２１２の静電容量を変化させることで行う。回転式可変容量キャパシタ２１２は回転軸２１５に直接接続された導体板と外部導体との間に生じる静電容量を回転軸２１５の回転角によって制御する。すなわち、ビームの加速に伴い回転軸２１５の回転角を変化させる。
　本実施例の加速器１におけるビーム入射から取り出しまでのビームの挙動について以下説明する。
　まず、運転者によって所望のイオン核種と運動エネルギーを全体制御装置４０に入力する。指定された核種のイオン源からイオンビームが出力され、ビーム通過領域２０にビームが導かれるように、全体制御装置４０によってイオン源２２１，２２２，２２３を動作させるとともに振り分け電磁石２２４の励磁量が設定される。
　前述の通り、核種によって入射時の周回周波数が異なるため、入射に適した回転軸２１５の角度が異なる。そのため、回転角センサ２１６（図７参照）からの信号に基づき、高周波空胴２１の共振周波数が入射時の周回周波数に一致したタイミングでイオン源２２１，２２２，２２３からイオンが出力される。
　ビーム通過領域２０に入射されたビームは高周波電場による加速を受けながら、そのエネルギーが増大するとともに、軌道の回転半径を増加させていく。
　その後ビームは高周波電場による進行方向安定性を確保しながら加速される。すなわち、時間的に高周波電場が減少している時に加速ギャップ２１３を通過させる。すると、高周波電場の周波数とビームの周回周波数はちょうど整数倍（本実施例では１倍）の比で同期させているため、所定の加速電場の位相で加速された粒子は次のターンも同じ位相で加速を受ける。一方、加速位相より早い位相で加速された粒子は加速位相で加速された粒子よりもその加速量が大きいため、次のターンでは遅れた位相で加速を受ける。また逆に有る時に加速位相より遅い位相で加速された粒子は加速位相で加速された粒子よりもその加速量が小さいため、次のターンでは進んだ位相で加速を受ける。
　このように、所定の加速位相からずれたタイミングの粒子は加速位相に戻る方向に動き、この作用によって、運動量と位相からなる位相平面（進行方向）内においても安定に振動することができる。この振動をシンクロトロン振動と呼ぶ。すなわち、加速中の粒子はシンクロトロン振動をしながら、徐々に加速され、取り出される所定のエネルギーまで達する。
　所定のエネルギーで取り出すために、目標エネルギーを基に定められた所定の励磁電流がキッカ磁場発生コイルに流される。目標エネルギーまで加速されたビームは、キッカ磁場発生コイルに電流が流されていない場合はその設計軌道に沿って周回するが、キッカ磁場発生コイルに電流が流されている場合はキッカ磁場発生コイル由来の磁場によってビームはキックを受け設計軌道から変位する。
　キッカ磁場発生コイルは軌道面から垂直な方向にずれた位置に軌道面に対して対称に設置されている。さらに、ビーム軌道の最も密に集約した点と疎に離散した点を結ぶ直線（対称軸）に対して左右対称の形状である。
　キッカ磁場発生コイルを構成する第１コイル３１２と第２コイル３１１は、それぞれ別個のキッカ磁場発生用コイル電源４４Ａ，４４Ｂ（図７参照）に接続されており、互いに逆向きの磁場を生じさせるように電流の向きが制御されている。
　第１コイル３１２には主磁場に対して同じ向きの磁場を生じるように電流が流され、第２コイル３１１には主磁場に対して逆向きの磁場を生じるように電流が流されている。第１コイル３１２のことを一般にリジェネレータと呼び、第２コイル３１１のことを一般にピーラとも呼ぶ。
　このように、周回中のある位置でビーム動径方向内側のキックをリジェネレータが与え、さらに下流で動径方向外側のキックをピーラが与えるようにすると、チューンが１に近い本実施例の加速器１ではピーラとリジェネレータの中間における動径方向変位が増加する。
　ビームは複数ターンに渡って、ピーラとリジェネレータからのキックを受けるため、ビームは集約点の位置における動径方向辺が増大し続ける。ある程度、動径方向変位が増大すると、集約点の外側に設置された取り出し用セプタム電磁石３２に入射され、加速器１外に取り出される。
　上述のような原理によってビームを加速し、加速器１外に取り出すときの各機器の制御ダイアグラムと運転フローについて以下図７，図８，図９を参照して説明する。図７に本実施例の加速器１の制御ダイアグラムを示す。
　ビームを加速するための構成とその制御系としては、図７に示すような、高周波空胴２１に付随する回転式可変容量キャパシタ２１２と、回転式可変容量キャパシタ２１２の回転軸２１５に接続されるモータ２１７、モータ２１７を制御するモータ制御装置４１がある。また、高周波空胴２１に高周波電力を入力するための入力カプラ２１８と、供給する高周波電力を生成する低レベル高周波発生装置４２およびアンプ４３がある。
　回転式可変容量キャパシタ２１２では、治療計画データベース６０によって定められ、全体制御装置４０より指示されたモータ制御装置４１に制御されることよって、予め定められた回転速度でモータ２１７が回転することで回転軸２１５が回転し、回転軸２１５の回転角が時間的に変化することで容量を時間的に変調させる。
　低レベル高周波発生装置４２によって発生させた高周波信号をアンプ４３によって増幅することで高周波空胴２１に入力される高周波電力を作る。低レベル高周波発生装置４２において作る高周波信号の周波数と振幅は、治療計画データベース６０によって定められており、全体制御装置４０より指示される。
　ビームを加速器１外に取り出すための構成とその制御系として、図７に示すような、第１コイル３１２に電流を供給するキッカ磁場発生用コイル電源４４Ａおよび第２コイル３１１に電流を供給するキッカ磁場発生用コイル電源４４Ｂと、このキッカ磁場発生用コイル電源４４Ａ，４４Ｂを制御するキッカ磁場発生用コイル電源制御装置４５がある。
　キッカ磁場発生用コイル電源４４Ａ，４４Ｂから第１コイル３１２および第２コイル３１１に出力される電流値はキッカ磁場発生用コイル電源制御装置４５によって制御されており、その指定値は取り出しビームの磁気剛性率から一意に定まる値として治療計画データベース６０によって定められ、全体制御装置４０より指示される。
　以上のような加速器１の制御系における、ある磁気剛性率のビームを取り出す際の各機器の動作（運転方法）について図８および図９を用いて説明する。図７は各機器の動作のタイミングチャートである。
　図８にはある磁気剛性率の陽子ビームを取り出す際の各機器の動作のタイミングチャートを示し、図９には炭素ビームを取り出す際の各機器の動作のタイミングチャートを示す。
　図８および図９では、可変容量キャパシタ２１２の回転軸の回転角、高周波空胴２１の共振周波数、イオン源２２１，２２２，２２３が出力するビーム電流波形、キッカ磁場発生コイルに流れる電流のタイムチャートとともに、加速器１から出力されるビーム電流波形を示している。図８，図９の横軸はすべて時間である。
　まず、前述の如く可変容量キャパシタ２１２の回転軸の回転角によって高周波空胴２１の共振周波数が周期的に変化する。それに合わせて低レベル高周波発生装置４２から出力される高周波信号の周波数を同期して変化させる。共振周波数が最大となる時刻から次に最大となる時刻までの期間を運転周期と定義する。
　核種が陽子の場合、図８に示すように、運転周期の開始直後からイオン源からのビーム出力が始まる。
　一方、炭素の場合は、図９に示すように、共振周波数が３８．３８ＭＨｚに低下するタイミングでイオン源からのビーム出力が始まる。
　加速を受ける際に、安定なシンクロトロン振動が可能な範囲に入射されたビームは継続して加速を受けるが、シンクロトロン振動が安定しないビームは加速されずに加速器１内部の構造物に衝突して失われる。
　共振周波数が低下するにつれてビームは加速されていき、所定の取り出しエネルギー近くまで加速される。所定のエネルギー近くまで加速されたビームは第１コイル３１２および第２コイル３１１からの磁場によるキックを受け、集約点での変位が動径方向外側にずれ始める。さらに加速を受け所定のエネルギーまで到達すると、取り出し用セプタム電磁石３２にビームは入り、その後取り出される。
　次に、本実施例の効果について説明する。
　上述した本発明の実施例１の加速器１は、異なる複数種類のイオンを発生させる複数のイオン源２２１，２２２，２２３と、磁場を発生させる電磁石１１と、高周波電場を発生させる高周波空胴２１と、を備え、イオンの軌道の中心は加速に伴い偏心しており、電磁石１１が発生させる磁場は軌道の動径方向外側に低下する磁場分布であり、高周波空胴２１は、入射するイオンの核種に応じた周回周波数に合わせた高周波電場によって所定エネルギーまでイオンを加速するものであり、高周波電場の周波数はイオンのエネルギーに追従して変化させる。
　この原理の加速器１は、従来のシンクロトロンと比較して、主磁場を静磁場とすることができ、高磁場化が容易であることからコンパクトな加速器となる。
　また、特許文献１に記載の従来のシンクロトロンでは、入射器として線形加速器を用い、線形加速器から低エネルギービーム輸送系を通じてシンクロトロンに入射するスキームでビームを加速している。そのため、核種が変わる際に、イオン源の種類と線形加速器の加速電場、ビーム輸送系の電磁石励磁量、シンクロトロンの磁場と周波数およびその関係などを変更する必要があり、核種の切り替えに数秒かかると考えられる。
　一方で、本実施例の加速器１に依れば、核種の切り替えでは、例えば、前述のイオン入射経路の電磁石と取り出されるビームの磁気剛性率が必然的に変更されることによるキッカ磁場発生コイルの励磁量およびイオンの入射タイミングのみ変更される。すなわち、電磁石励磁量と動作のタイミングの変更のみで核種が変更できるため、エネルギー変更の為に必要な数百ｍｓ程度の時間で核種の変更も可能である。
　以上の特性により、高磁場の適用によるコンパクト化と、静磁場の適用による運転周期短縮と、核種変更時間の短縮によって、コンパクトかつ平均ビーム量の大きい加速器１が提供できる。
　また、イオン源２２１，２２２，２２３は、電磁石１１の外部に配置されるため、ビーム通過領域２０にイオン源を複数配置する必要がなく、電磁石１１、延いては加速器１をより確実に小型化することができる。
　更に、イオンの軌道上に、所定エネルギーのイオンを取り出すための磁場を発生させる第１コイル３１２，第２コイル３１１を更に備えたことで、取り出したい特定エネルギーとなったビームに対して周回軌道面内のベータトロン振動を不安定化させることができるため、任意エネルギーのビームを取り出すことができる。従って、散乱体を用いることなくエネルギー可変ビームを取り出せるので、取り出し時に失われるビーム電流値を最小限に留めることができ、高い照射線量率を実現することができる。また、電気的にビームの取り出しエネルギーを変更できるため、散乱体を機械的に移動する方式よりもエネルギー切替えに要する時間が短い、という利点も有する。
　また、イオン源２２１，２２２，２２３と電磁石１１との間のビーム入射用貫通口１１５上に配置された振り分け電磁石２２４を更に備えたことにより、簡易な構成で高精度にイオンの切り替えが可能となる。
　なお、本実施例では、複数種類の核種のイオン種の切り替えを振り分け電磁石２２４によって行う場合について説明したが、切り替えは電磁石を用いる磁場に限らず、電極を用いる電場によっても切り替えを行うことができる。
　＜実施例２＞　
　本発明の好適な一実施例である実施例２の粒子線治療システムについて図１０を用いて説明する。実施例１と同じ構成には同一の符号を示し、説明は省略する。
　実施例２は、実施例１に挙げた加速器１が用いられた粒子線治療システムである。システムの全体構成図を図１０に示す。
　図１０に示すように、粒子線治療システム１０００は、患部の体表からの深さによって照射する陽子線、ヘリウム線あるいは炭素線（以下ではまとめてビームと呼ぶ）のエネルギーを適切な値にして患者に照射する装置である。
　粒子線治療システム１０００は、イオンを加速する加速器１と、加速器１で加速されたビームを後述する照射装置に対して輸送するビーム輸送系２と、ビーム輸送系２によって輸送されたビームを治療台４に固定された患者５内の標的に照射する照射装置３と、加速器１、ビーム輸送系２および照射装置３を制御する全体制御装置４０および照射制御装置５０と、標的に対するビームの照射計画を作成する治療計画装置７０と、この治療計画装置７０によって作成された治療計画が記憶された治療計画データベース６０と、を備えている。
　粒子線治療システム１０００では、照射する粒子線のエネルギーと線量が治療計画装置７０によって作成され、治療計画データベース６０に記憶された治療計画によって定められる。治療計画が定めた、粒子線のエネルギーと照射量を全体制御装置４０から照射制御装置５０に順次入力し、適切な照射量を照射した時点で次のエネルギーあるいは次の核種に移行して再度粒子線を照射する手順によって実現される。
　本発明の実施例２の粒子線治療システムによれば、前述した実施例１の加速器１の特性である、コンパクト性と平均ビーム量の大きさを活かしてコンパクトかつスループットの高いシステムを実現できる。
　なお、粒子線治療システム１０００のビーム輸送系２は、図１０に示すような固定されたものに限られず、回転ガントリと呼ばれる照射装置３ごと患者５の周りを回転可能とした輸送系とすることができる。また、照射装置３は一つに限られず、複数設けることができる。更には、ビーム輸送系２を設けずに、加速器１から照射装置３に対してビームを直接輸送する形態とすることができる。
　＜その他＞　
　なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
　例えば、加速器１で加速する複数種類のイオンとして陽子、ヘリウム、炭素の３つの場合について説明したが、加速されるイオンはこの３種類に限られず、様々な種類のイオンを加速することができる。また、３種類である必要もなく、２つ以上とすることができる。
１…加速器
１１…電磁石
１１１…取り出しビーム用貫通口
１１２，１１３…コイル接続用貫通口
１１４…高周波電力入力用貫通口
１１５…ビーム入射用貫通口
１３…主コイル
１２１…リターンヨーク
１２２…天板
１２３…磁極
１３０…入射領域
２０…ビーム通過領域
２１…高周波空胴
２１１…ディー電極
２１２…回転式可変容量キャパシタ
２１３…加速ギャップ
２１４…接地電極
２１５…回転軸
２１６…回転角センサ
２１７…モータ
２１８…入力カプラ
２２１，２２２，２２３…イオン源
２２４…振り分け電磁石
３０…トリムコイル
３１１…第２コイル（キッカ磁場発生コイル）
３１２…第１コイル（キッカ磁場発生コイル）
３２…取り出し用セプタム電磁石
３２１…取り出し軌道
４０…全体制御装置
４１…モータ制御装置
４２…低レベル高周波発生装置
４３…アンプ
４４Ａ，４４Ｂ…キッカ磁場発生用コイル電源
４５…キッカ磁場発生用コイル電源制御装置
５０…照射制御装置
６０…治療計画データベース
７０…治療計画装置
１０００…粒子線治療システム

Claims (5)

  1. 　加速器であって、
    　異なる複数種類のイオンを発生させる複数のイオン源と、
    　磁場を発生させる主磁石と、
    　高周波電場を発生させる高周波空胴と、を備え、
    　前記イオンの軌道の中心は加速に伴い偏心しており、
    　前記主磁石が発生させる磁場は前記軌道の動径方向外側に低下する磁場分布であり、
    　前記高周波空胴は、入射するイオンの核種に応じた周回周波数に合わせた高周波電場によって所定エネルギーまで前記イオンを加速するものであり、前記高周波電場の周波数はイオンのエネルギーに追従して変化させる
    　ことを特徴とする加速器。
  2. 　請求項１に記載の加速器において、
    　前記イオン源は、前記主磁石の外部に配置される
    　ことを特徴とする加速器。
  3. 　請求項１に記載の加速器において、
    　前記イオンの軌道上に、所定エネルギーのイオンを取り出すための磁場を発生させるコイルを更に備えた
    　ことを特徴とする加速器。
  4. 　請求項１に記載の加速器において、
    　前記イオン源と前記主磁石との間のビーム輸送経路に配置された振り分け電磁石を更に備えた
    　ことを特徴とする加速器。
  5. 　加速器をビーム源として用いる粒子線治療システムであって、
    　請求項１に記載の加速器を、前記ビーム源として用いた
    　ことを特徴とする粒子線治療システム。
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