WO2019123617A1 - 加速器及び粒子線治療装置 - Google Patents

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accelerator
rotary
capacitor
charged particles
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智行 岩脇
裕次 宮下
大士 永友
裕介 坂本
啓 井上
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三菱電機株式会社
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    • 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
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K5/00—Irradiation devices
    • G21K5/04—Irradiation devices with beam-forming means
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H05H13/02—Synchrocyclotrons, i.e. frequency modulated cyclotrons
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H05H13/04—Synchrotrons

Definitions

  • the present invention relates to an accelerator and a particle beam treatment apparatus provided with a rotary condenser.
  • Patent Document 1 discloses an accelerator provided with a rotary capacitor capable of suppressing eddy current to reduce heat generation.
  • the present invention was made in order to solve the problems as described above, and it is an object of the present invention to provide an accelerator provided with a rotating capacitor capable of performing frequency modulation of a high frequency electric field corresponding to different energies of charged particles. I assume. Another object of the present invention is to provide a particle beam therapy system equipped with an accelerator.
  • the accelerator according to the present invention is opposed to an accelerating electrode for accelerating charged particles, an accelerating cavity for supplying electric power to the accelerating electrode and generating a high frequency electric field, a rotating electrode rotating in both forward and reverse directions, and a rotating electrode.
  • a rotating electrode rotating in both forward and reverse directions, and a rotating electrode.
  • a rotating capacitor for performing frequency modulation of the high frequency electric field.
  • a beam transport for transporting particle beams emitted by the accelerator and an accelerator having a rotary capacitor for performing frequency modulation in accordance with the output energy in each of the forward and reverse rotational directions
  • an irradiation unit for forming a particle beam supplied from the beam transport unit into an irradiation field and irradiating the irradiation object with the irradiation unit.
  • the accelerator of the present invention it is possible to efficiently emit particle beams of different energy by providing a rotary condenser that performs frequency modulation of a high frequency electric field in response to different emission energy in each rotation direction. Further, according to the particle beam therapy system of the present invention, by providing an accelerator capable of emitting particle beams of different energies, it is possible to irradiate particle beams of energy suitable for each type and position of a tumor.
  • 1 is a schematic plan cross-sectional view of an accelerator according to Embodiment 1 of the present invention.
  • 1 is a schematic side sectional view of an accelerator according to Embodiment 1 of the present invention.
  • It is a schematic block diagram of the rotation capacitor which concerns on Embodiment 1 of this invention.
  • It is a schematic block diagram of the rotary electrode concerning Embodiment 1 of this invention.
  • It is a schematic block diagram of the fixed electrode concerning Embodiment 1 of this invention.
  • It is a related figure showing change of electric capacity to a rotation angle of a rotation capacitor concerning Embodiment 1 of the present invention.
  • It is a related figure showing the time change of the electric capacity of the rotation capacitor concerning Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic plan sectional view of an accelerator according to Embodiment 1 for carrying out the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic side sectional view of an accelerator according to Embodiment 1 for carrying out the present invention.
  • the accelerator 1 includes a pair of coils 2a and 2b, a pair of magnetic poles 3a and 3b, an acceleration electrode 4, an acceleration cavity 5, an emission duct 6, and a rotary condenser 10. Prepare.
  • the accelerator 1 generates a magnetic field between the magnetic poles 3a and 3b spaced apart from each other by applying a current to the coils 2a and 2b. Further, high frequency power is supplied to the acceleration electrode 4 through the acceleration cavity 5 to generate a high frequency electric field.
  • the generated magnetic field causes charged particles incident from the ion source 7 (not shown) to orbit in a spiral orbit 8 between the magnetic poles 3a and 3b. Each time the charged particles pass through the gap 41 of the acceleration electrode 4, they are accelerated by a high frequency electric field synchronized with the circulating frequency of the charged particles to increase energy.
  • the radius of the orbit 8 gradually increases, and when it reaches a predetermined energy, it is emitted from the emission duct 6 as a particle beam.
  • the acceleration cavity 5 has an inner conductor 5a and a cylindrical outer conductor 5b coaxially disposed.
  • the inner conductor 5 a is electrically connected to the acceleration electrode 4, and supplies high frequency power from the high frequency power supply 9 (not shown) to the acceleration electrode 4.
  • the acceleration cavity 5 has a unique resonance frequency, and generates a high frequency electric field corresponding to the resonance frequency by supplying high frequency power to the acceleration electrode 4.
  • the resonance frequency fr of the acceleration cavity 5 is determined by the inductance L and the capacitance C of the acceleration cavity 5 according to equation (1).
  • the acceleration cavity 5 lowers the resonant frequency by increasing the capacitance with the rotary capacitor 10 in accordance with the decrease of the circulation frequency.
  • the rotary capacitor 10 includes a rotary electrode 11, a fixed electrode 12, and a rotary shaft 13.
  • the rotary electrode 11 is electrically connected to the inner conductor 5a of the acceleration cavity 5, and the fixed electrode 12 is electrically connected to the outer conductor 5b.
  • the rotary capacitor 10 has at least one pair of rotary electrodes 11 and fixed electrodes 12 and is alternately stacked in the axial direction of the rotary shaft 13.
  • the rotating capacitor 10 periodically changes the electrostatic capacitance so as to obtain the resonance frequency of the accelerating cavity 5 synchronized with the circulating frequency of the charged particles by rotating the rotating electrode 11 continuously at high speed.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a rotary capacitor according to Embodiment 1 for carrying out the present invention.
  • FIG. 3 is a rotary condenser viewed from the AA ′ plane of FIGS.
  • each of the rotary electrode 11 and the fixed electrode 12 has at least one blade and is disposed to face each other.
  • the rotating electrode 11 is driven by the motor 14 and rotates at high speed continuously in both the forward direction 15 and the reverse direction 16 through the rotating shaft 13.
  • the motor 14 has its rotational direction and rotational speed controlled by a signal from a control unit (not shown).
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a rotary electrode of the rotary capacitor according to Embodiment 1 for carrying out the present invention.
  • the rotating electrodes 11 are provided so as to radially extend outward in the radial direction from the rotating shaft 13.
  • the blades of the rotary electrode 11 are formed to be asymmetric with respect to a central axis 113 (hereinafter, simply referred to as a central axis) passing through the center position of the distal end portion 112 radially outward from the rotation center 111.
  • a central axis 113 hereinafter, simply referred to as a central axis
  • the side 11a extending radially inward from one end of the tip portion 112 of the blade is formed to be curved toward the other side 11b opposite to each other.
  • FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a fixed electrode of the rotary capacitor according to Embodiment 1 for carrying out the present invention.
  • the fixed electrode 12 has, for example, a circular outer periphery concentric with the rotation center 111, and is provided so as to extend radially inward from the outer periphery.
  • the blade of the fixed electrode 12 has a tip end portion 121 forming a part of the outer periphery, and side edges 12 a and 12 b extending radially inward from both ends of the tip end portion 121.
  • FIG. 3, FIG. 4, and FIG. 5 show an example in which the number of blades of the rotary electrode 11 and the fixed electrode 12 is four, the number of blades may be changed as appropriate.
  • FIG. 6 is a relationship diagram showing the relationship between the rotation angle and the capacitance of the rotary capacitor according to Embodiment 1 for carrying out the present invention.
  • each of the rotating electrode 11 and the fixed electrode 12 is composed of one blade.
  • the rotation is in the forward direction 15, and the rotation angle is set to the side 11a on the positive side in the rotation direction among the opposite sides 11a and 11b of the blades of the rotary electrode 11 and the side 12a and 12b to which the fixed electrode 12 faces.
  • the position at which the side 12b on the negative side of the rotational direction starts to overlap is taken as a reference 0 degree.
  • the facing area between the blades of the rotary electrode 11 and the blades of the fixed electrode 12 increases, and the capacitance increases accordingly.
  • the capacitance of the rotary capacitor 10 becomes maximum at, for example, the rotation angle ⁇ 1, and decreases as the facing area decreases.
  • the rotation is such that the side 11b on the negative side in the rotational direction, the opposing sides 12a and 12b of the vanes on the fixed electrode 12, and the side 12a on the positive side in the rotational direction
  • the capacitance is minimized at the angle ⁇ 2.
  • FIG. 7A is a time change of capacitance when the rotary capacitor according to Embodiment 1 for carrying out the present invention is rotated once in the forward direction at a predetermined rotation speed.
  • FIG. 7 (b) is a time change of capacitance when the rotary capacitor according to Embodiment 1 for carrying out the present invention is rotated once in the reverse direction at the same rotation speed as FIG. 7 (a). It is.
  • the blades of the rotary electrode 11 are formed asymmetrically with respect to the central axis 113 so that the rotary capacitor 10 can be arranged in the forward direction 15 and the reverse direction 16. It is possible to take time variations of different capacitances. As a result, it is possible to perform frequency modulation by making the time change of the capacitance different in the forward direction 15 and the reverse direction 16 correspond to different outgoing energy.
  • the accelerator 1 When emitting charged particles at the emission energy E1, the accelerator 1 rotates the rotary condenser 10 in the forward direction 15 to increase the electrostatic capacity from time t1 to time t2 when the charged particles are incident to perform frequency modulation of the high frequency electric field .
  • the accelerator 1 rotates the rotary condenser 10 in the reverse direction 16 to increase the electrostatic capacity from the incident time t'1 of the charged particles to the emitted time t'2. Perform frequency modulation of high frequency electric field.
  • the accelerator 1 rotates particle beams of different emission energy by rotating the rotating capacitor 10 in the forward direction 15 and the reverse direction 16 and taking time change of the capacitance according to the output energy which is different in each rotation direction. Can be emitted efficiently.
  • FIG. 8 is a process chart showing an example of a process of determining the shape of the rotary capacitor according to Embodiment 1 for carrying out the present invention.
  • the rotation capacitor 10 changes the capacitance with time suitable for rotation in the forward direction 15 to the output energy 215 MeV and rotation in the reverse direction 16 to the output energy 160 MeV (step S1).
  • FIG. 9 is the magnetic field strength with respect to the orbit radius according to Embodiment 1 for carrying out the present invention. As shown in FIG. 9, the magnetic field strength with respect to the orbital radius is set smaller for the emission energy 160 MeV than for the emission energy 215 MeV. The magnetic field strength is adjusted, for example, by the current applied to the coils 2a, 2b.
  • the circulation frequency with respect to the acceleration time is calculated from the set magnetic field distribution (step S3).
  • the acceleration time is the time taken from when the charged particles are incident to the accelerator 1 until they are emitted.
  • the circulating frequency of the charged particle at the acceleration time T is determined by the equations (2)-(6).
  • E is the energy of the charged particle
  • dE is the energy which increases with each rotation
  • M 0 is the mass of the charged particle at the initial stage of acceleration
  • B (r) is the magnetic field strength at the initial stage of acceleration
  • B (r ') is the orbital radius Magnetic field strength at r '
  • E (r') is energy of charged particle at orbital radius r '
  • f (r') is orbital frequency at orbital radius r '
  • t (r') is orbital period at orbital radius r '
  • T (r ') is the acceleration time at the orbital radius r'.
  • FIG. 10 is a circulation frequency with respect to an acceleration time according to Embodiment 1 for carrying out the present invention.
  • the circulation frequency when the emitted energy of the charged particles is 215 MeV, the circulation frequency is 89 MHz at the initial stage of acceleration and 67 MHz at the time of emission, and the necessary frequency modulation width is 22 Hz.
  • the circulation frequency when the emission energy is 160 MeV, the circulation frequency is 78 MHz at the initial stage of acceleration and 62 MHz at the emission, and the necessary frequency modulation width is 16 MHz.
  • FIG. 11 is a capacitance with respect to acceleration time according to the first embodiment for carrying out the present invention. As shown in FIG. 11, the rotating capacitor 10 performs 22 Hz frequency modulation when rotating in the forward direction 15 and accelerates the electrostatic capacity so as to perform 16 MHz frequency modulation when rotating in the reverse direction 16. Increase against
  • the time change rate of the facing area of the rotary electrode 11 and the fixed electrode 12 of the rotary capacitor 10 with respect to the acceleration time is calculated (step S5).
  • the rotational speed 7500 rpm of the rotary capacitor 10 the number of stacked layers of the rotary electrode 11 and the fixed electrode 12 in the rotational axis direction are five, the number of blades is four, the rotary electrode 11 and the fixed electrode
  • the electrode spacing of 12 is 2 mm.
  • the capacitance C of the rotary capacitor 10 is determined by the facing area S of the rotary electrode 11 and the fixed electrode 12, the distance d between the electrodes, and the dielectric constant ⁇ 0 of vacuum according to equation (7).
  • FIG. 13 is a time change rate of the opposing area with respect to the acceleration time of the rotation capacitor which concerns on Embodiment 1 for implementing this invention.
  • the shapes of the rotary electrode 11 and the fixed electrode 12 are determined based on the time change rate of the facing area with respect to the acceleration time shown in FIG. 13 (step S6).
  • the blades of fixed electrode 12 are symmetrical with respect to central axis 123 passing from the rotation center 111 of rotating electrode 11 to the central position of tip portion 121 of the blades of fixed electrode 12.
  • the shape of the rotary electrode 11 is determined.
  • the temporal change rate dS / dt of the facing area S is the length l from the rotation center 111 of the rotating electrode 11 to the tip 112 of the blade of the rotating electrode 11, It becomes settled from Formula (8) in rotational speed (omega).
  • FIG. 15 (a) is a schematic configuration view showing an example of the rotary electrode according to Embodiment 1 for carrying out the present invention.
  • FIG.15 (b) is a schematic block diagram which shows an example of the shape of the blade
  • the length from the rotation center 111 to the tip 112 satisfies the time change rate of the opposing area with respect to the acceleration time, And the shape changes.
  • the tips 112 of the blades of the rotary electrode 11 are curved radially inward so as to be asymmetric with respect to the central axis 113.
  • the rotary electrode 11 is curved, for example, such that the tip end 112a on one side with respect to the central axis 113 satisfies the temporal change rate of the opposing area of the emission energy 215 MeV. Further, the tip end 112b on the other side with respect to the central axis 113 is curved so as to satisfy the time change rate of the facing area of the emission energy 160 MeV.
  • the accelerator 1 rotates the rotary electrode 11 in the forward direction 15 when emitting a particle beam of 215 MeV, and one side of the central axis 113 of the rotary electrode 11
  • the rotary electrode 11 is rotated in the reverse direction 16 to use the tip end portion 112b on the other side with respect to the central axis 113 It becomes possible to perform frequency modulation.
  • FIG. 16A is a schematic configuration view showing an example of a fixed electrode according to Embodiment 1 for carrying out the present invention.
  • FIG. 16 (b) is a schematic configuration view showing an example of the shape of one blade of the fixed electrode according to Embodiment 1 for carrying out the present invention. As shown in FIGS.
  • the length from the rotation center 111 of the rotary electrode 11 to the inner peripheral portion 122 of the fixed electrode 12 is the time of the facing area to the acceleration time.
  • the shape changes in the rotational direction so as to satisfy the rate of change.
  • the inner circumferential portion 122 of the blade of the fixed electrode 12 is curved radially outward so as to be asymmetric with respect to the central axis 123.
  • the fixed electrode 12 is curved so that the inner peripheral portion 122a on one side with respect to the central axis 123 satisfies the temporal change rate of the facing area of the emission energy 215 MeV.
  • the inner peripheral portion 122b on the other side with respect to the central axis 123 is curved so as to satisfy the emission energy 160 MeV.
  • the accelerator 1 rotates the rotating electrode 11 in the forward direction 15 when emitting a particle beam of 215 MeV, and one side with respect to the central axis 123 of the fixed electrode 12
  • the rotary electrode 11 is rotated in the reverse direction 16 and the inner circumferential portion 122b on the other side with respect to the central axis 123 is used. It becomes possible to perform frequency modulation.
  • the rotating electrode 11 or the fixed electrode 12 is symmetrical with respect to the central axes 113 and 123, but the rotating capacitor 10 changes the time change of the capacitance corresponding to the output energy which differs in each rotation direction.
  • the rotary electrode 11 and the fixed electrode 12 may be formed to be asymmetric with respect to the central axes 113 and 123, respectively.
  • the accelerator 1 rotates in the forward direction 15 and the reverse direction 16, and the electrostatic capacitance changes temporally in response to different emission energy of charged particles for each rotation direction. It was set as the structure provided with the capacitor
  • the shape of the rotary electrode 11 of the rotary capacitor 10 is more preferably formed in consideration of mechanical stability against high speed rotation.
  • the rotation angle ⁇ 1 until the capacitance shown in FIG. 6 becomes maximum, and the angle ⁇ 2- ⁇ 1 formed by the rotation angle ⁇ 1 where the capacitance becomes maximum and the rotation angle ⁇ 2 where the capacitance becomes minimum The difference is formed such that 0 ⁇
  • the configuration of the first embodiment further includes the incident control device 17.
  • FIG. 17 is a schematic configuration diagram of an accelerator according to Embodiment 2 for carrying out the present invention.
  • the incident control device 17 controls the timing at which charged particles are incident on the accelerator 1 from the ion source 7.
  • the incident control device 17 outputs, to the ion source 7, an incident signal of charged particles, for example, by detecting the capacitance of the rotary capacitor 10 so that the capacitance increases from incident to outgoing of the charged particles. .
  • FIG. 18 (a) and 18 (b) are graphs showing temporal changes in capacitance when the rotary capacitor according to Embodiment 2 for carrying out the present invention is rotated in the forward and reverse directions, respectively.
  • FIG. 18 (a) when the rotary capacitor 10 is continuously rotated in the forward direction 15 in accordance with the emission energy E1, the electrostatic capacitance of the rotary capacitor 10 corresponds to the circulation frequency at the initial stage of acceleration. Every time the capacitance C1 is reached, a signal A is generated to inject charged particles.
  • FIG. 18B when the rotary capacitor 10 is continuously rotated in the reverse direction 16 in accordance with the emission energy E2, the capacitance of the rotary capacitor 10 corresponds to the circulation frequency at the initial stage of acceleration. Every time the capacitance C2 is reached, a signal A is generated to inject charged particles.
  • the incident control device 17 periodically causes charged particles to be incident on the accelerator 1 at a timing suitable for acceleration according to the emitted energy in each rotation direction.
  • the accelerator 1 emits the particle beam of different energy by providing the rotary condenser 10 that performs frequency modulation according to the emission energy of the charged particle in each rotation direction. It can be done. Furthermore, in the present embodiment, by using the configuration including the incident control device 17, charged particles can be periodically made to enter at timings suitable for acceleration according to the magnitude of the emitted energy, and particle beams of different energies Can be emitted more efficiently. Further, pulsed charged particles can be continuously incident at a timing suitable for acceleration, and a particle beam of a sufficient dose can be generated.
  • Embodiment 1 A particle beam therapy system 100 according to a third embodiment of the present invention will be described.
  • the accelerator 1 according to Embodiment 1 or 2 is applied to the particle beam therapy system 100.
  • the descriptions overlapping with those of the accelerator 1 according to the first and second embodiments are appropriately simplified or omitted.
  • FIG. 19 is a schematic configuration diagram of a particle beam therapy system according to Embodiment 3 for carrying out the present invention.
  • the particle beam treatment apparatus 100 shapes the particle beam supplied from the accelerator 1, the beam transport unit 20 transporting the particle beam emitted by the accelerator 1, and the beam transport unit 20 into the irradiation field.
  • an irradiation unit 30 for irradiating the object to be irradiated.
  • the accelerator 1 is supplied with high frequency power from a high frequency power supply 9 and forms a high frequency electric field therein.
  • the accelerator 1 determines the rotation direction of the rotary capacitor 10 according to the predetermined emission energy, and modulates the frequency of the high frequency electric field.
  • the charged particles incident from the ion source 7 are accelerated to a predetermined energy by a high frequency electric field frequency-modulated by the rotary condenser 10 and emitted as a particle beam.
  • the particle beam emitted by the accelerator 1 is emitted to the beam transport unit 20.
  • the beam transport unit 20 has a vacuum duct serving as a transport path of the particle beam, and a deflection electromagnet that deflects the beam trajectory of the particle beam to a predetermined angle.
  • the irradiation unit 30 shapes the particle beam supplied from the beam transport unit 20 into an irradiation field according to the size and depth of the tumor to be treated, and irradiates the irradiation object.
  • the particle beam therapy system 100 is treated by providing the accelerator 1 having the rotary condenser 10 that performs frequency modulation according to the outgoing energy in each of the forward direction 15 and reverse direction 16 rotation directions.
  • particle beams of appropriate energy can be efficiently irradiated.
  • the accelerator 1 is configured to emit particle beams of different energies, energy waste is eliminated and particles are efficiently carried out, as compared with the case of forcibly reducing high-energy particle beams generated once outside the accelerator 1.
  • the line can be irradiated. Furthermore, the radiation exposure dose to the patient can be reduced, and the burden on the patient can be reduced.
  • a synchrocyclotron has been described as an example of the accelerator 1, but other circular accelerators may be used.

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Abstract

回転方向ごとに異なる出射エネルギーに対応させて高周波電場の周波数変調を行うことが可能な回転コンデンサー備えた加速器を提供する。加速器は、荷電粒子を加速させる加速電極（４）と、加速電極（４）に電力を供給し、高周波電場を発生させる加速空洞（５）と、加速空洞（５）の共振周波数を変調させる回転コンデンサー（１０）とを備える。回転コンデンサー（１０）は、順方向及び逆方向の双方に回転し、回転方向ごとに異なる静電容量の時間変化をとる。回転方向ごとに異なる静電容量の時間変化をそれぞれ異なる出射エネルギーに対応させて周波数変調を行う。

Description

加速器及び粒子線治療装置
　本発明は、回転コンデンサーを備えた加速器及び粒子線治療装置に関する。
　近年、陽子線や炭素線等の粒子線を腫瘍に照射して治療する粒子線治療が注目されている。粒子線治療では、粒子線を発生させるために、荷電粒子を高エネルギーまで加速する加速器が用いられる。加速器は、荷電粒子の周回周波数に同期した高周波電場を形成し、荷電粒子を所定のエネルギーまで加速させる。荷電粒子を所定のエネルギーまで加速させるには、高周波電場の周波数変調を行い、荷電粒子の周回周波数に一致させることが必要である。そこで、高周波電場の周波数変調を行う回転コンデンサーを備えた加速器が開発されている。特許文献１には、渦電流を抑制して発熱を低減することが可能な回転コンデンサーを備えた加速器が開示されている。
特開２０１３－１５７５５６号公報
　しかしながら、荷電粒子を所定のエネルギーまで加速させるには、エネルギーの大きさに応じて適した周波数変調を行う必要があり、従来の回転コンデンサーでは異なるエネルギーに対応させて高周波電場の周波数変調を行うことが困難であるという課題があった。
　本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、荷電粒子の異なるエネルギーに対応させて高周波電場の周波数変調を行うことが可能な回転コンデンサー備えた加速器を提供することを目的とする。また、加速器を備えた粒子線治療装置を提供することを目的とする。
　本発明に係る加速器は、荷電粒子を加速する加速電極と、加速電極に電力を供給し、高周波電場を発生させる加速空洞と、順方向及び逆方向の双方に回転する回転電極、回転電極に対向して配置された固定電極を有し、順方向の回転により荷電粒子の第１の出射エネルギーに応じた高周波電場の周波数変調を行い、逆方向の回転により荷電粒子の第２の出射エネルギーに応じた高周波電場の周波数変調を行う回転コンデンサーとを備える。
　また、本発明に係る粒子線治療装置は、順方向及び逆方向の回転方向ごとに出射エネルギーに応じて周波数変調を行う回転コンデンサーを有する加速器と、加速器で出射された粒子線を輸送するビーム輸送部と、ビーム輸送部から供給された粒子線を照射野に成形して被照射体に照射する照射部とを備える。
　本発明に係る加速器によれば、回転方向ごとに異なる出射エネルギーに対応させて高周波電場の周波数変調を行う回転コンデンサーを備えることで、異なるエネルギーの粒子線を効率的に出射することが可能となる。また、本発明に係る粒子線治療装置によれば、異なるエネルギーの粒子線を出射できる加速器を備えることで、腫瘍の種類や位置ごとに適したエネルギーの粒子線を照射することができる。
本発明の実施の形態１に係る加速器の概略平面断面図である。 本発明の実施の形態１に係る加速器の概略側断面図である。 本発明の実施の形態１に係る回転コンデンサーの概略構成図である。 本発明の実施の形態１に係る回転電極の概略構成図である。 本発明の実施の形態１に係る固定電極の概略構成図である。 本発明の実施の形態１に係る回転コンデンサーの回転角に対する静電容量の変化を示す関係図である。 本発明の実施の形態１に係る回転コンデンサーの静電容量の時間変化を示す関係図である。 本発明の実施の形態１に係る回転コンデンサーの形状を決定する工程の一例を示す工程図である。 本発明の実施の形態１に係る軌道半径と磁場強度の関係を示す関係図である。 本発明の実施の形態１に係る加速時間と周回周波数の関係を示す関係図である。 本発明の実施の形態１に係る加速時間と静電容量の関係を示す関係図である。 本発明の実施の形態１に係る回転コンデンサーを説明するための説明図である。 本発明の実施の形態１に係る加速時間と対向面積の時間変化率の関係を示す関係図である。 本発明の実施の形態１に係る固定電極を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態１に係る回転電極を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態１に係る固定電極を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態２に係る加速器の概略構成図である。 本発明の実施の形態２に係る回転コンデンサーの静電容量の時間変化を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態３に係る粒子線治療装置の概略構成図である。
　本発明に係る実施の形態を、図面を参照して説明する。以下では、加速器としてシンクロサイクロトロン（以下、単に加速器と記す）を例に説明する。
実施の形態１．
　図１は、本発明を実施するための実施の形態１に係る加速器の概略平面断面図である。図２は、本発明を実施するための実施の形態１に係る加速器の概略側断面図である。図１、図２に示すように、加速器１は、一対のコイル２ａ、２ｂと、一対の磁極３ａ、３ｂと、加速電極４と、加速空洞５と、出射ダクト６と、回転コンデンサー１０とを備える。
　加速器１は、コイル２ａ、２ｂに電流が印加されることにより、互いに離間して配置された磁極３ａ、３ｂの間に磁場を発生させる。また、加速空洞５を介して加速電極４に高周波電力が供給されることにより、高周波電場を発生させる。発生した磁場により、イオン源７（図示せず）から入射された荷電粒子は、磁極３ａ、３ｂの間をらせん状の周回軌道８で周回運動する。荷電粒子は、加速電極４のギャップ４１を通過するたびに、荷電粒子の周回周波数に同期した高周波電場により加速され、エネルギーを増大させる。荷電粒子はエネルギーの増大に伴い、周回軌道８の半径が徐々に大きくなり、所定のエネルギーに到達すると、粒子線として出射ダクト６から出射される。
　加速空洞５は、内導体５ａと、同軸上に配置された円筒状の外導体５ｂとを有する。内導体５ａは、加速電極４に電気的に接続され、高周波電源９（図示せず）からの高周波電力を加速電極４に供給する。加速空洞５は、固有の共振周波数を有し、加速電極４に高周波電力を供給することにより、共振周波数に応じた高周波電場を内部に発生させる。加速空洞５の共振周波数ｆｒは、加速空洞５のインダクタンスＬと静電容量Ｃにて式（１）より定まる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　　　　　　・・・式（１）
　荷電粒子は、加速されるにしたがって、相対論効果により質量が増加し、周回周波数が低下する。加速空洞５は、周回周波数の低下に合わせて、回転コンデンサー１０により静電容量を増加させることで、共振周波数を低下させる。
　回転コンデンサー１０は、回転電極１１と、固定電極１２と、回転軸１３とを備える。回転電極１１は加速空洞５の内導体５ａに、固定電極１２は外導体５ｂに、それぞれ電気的に接続される。回転コンデンサー１０は、回転電極１１及び固定電極１２を少なくとも１組有し、回転軸１３の軸方向に交互に積層して配置される。回転コンデンサー１０は、回転電極１１が連続的に高速回転することにより、荷電粒子の周回周波数に同期した加速空洞５の共振周波数を得るように静電容量を周期的に変化させる。
　図３は、本発明を実施するための実施の形態１に係る回転コンデンサーの概略構成図である。図３は、図１、２のＡＡ’面からみた回転コンデンサーである。図３に示すように、回転電極１１及び固定電極１２は、それぞれ少なくとも１枚の羽根を有し、互いに対向して配置される。回転電極１１は、モーター１４によって駆動され、回転軸１３を介して、順方向１５及び逆方向１６の双方にそれぞれ連続的に高速回転する。モーター１４は、制御部（図示せず）からの信号によって、回転方向及び回転速度が制御される。
　図４は、本発明を実施するための実施の形態１に係る回転コンデンサーの回転電極の概略構成図である。図４に示すように、回転電極１１は、回転軸１３から径方向外側に放射状に伸びるように設けられる。回転電極１１の羽根は、回転中心１１１から径方向外側の先端部１１２の中心位置を通る中心軸１１３（以下、単に中心軸と記す）に対して非対称となるように形成される。例えば、羽根の先端部１１２の一端から径方向内側に向かって伸びる側辺１１ａが、向かい合う他方の側辺１１ｂに向かって湾曲するように形成される。
　図５は、本発明を実施するための実施の形態１に係る回転コンデンサーの固定電極の概略構成図である。図５に示すように、固定電極１２は、例えば回転中心１１１と同心の円形状の外周を有し、外周から径方向内側に伸びるように設けられる。固定電極１２の羽根は、外周の一部をなす先端部１２１と、先端部１２１の両端から径方向内側に向かって伸びる側辺１２ａ、１２ｂとを有する。
　ここで図３、図４、図５では、回転電極１１及び固定電極１２の羽根を４枚である例を示したが、羽根の枚数は適宜変更してもよい。
　図６は、本発明を実施するための実施の形態１に係る回転コンデンサーの回転角と静電容量の関係を示す関係図である。ここで回転電極１１及び固定電極１２は、それぞれ１枚の羽根で構成されているとする。また順方向１５に回転するとし、回転角は、回転電極１１の羽根の向かい合う側辺１１ａ、１１ｂのうち、回転方向正側の側辺１１ａと、固定電極１２の向かいあう側辺１２ａ、１２ｂのうち、回転方向負側の側辺１２ｂとが重なり始める位置を基準の０度とする。
　図６に示すように、回転コンデンサー１０は、回転角が増加するにしたがって、回転電極１１の羽根と固定電極１２の羽根との対向面積が増加し、それに伴い静電容量が増加する。回転コンデンサー１０の静電容量は、例えば、回転角θ１で最大となり、対向面積が減少するにしたがって減少する。回転電極１１の羽根の向かい合う側辺１１ａ、１１ｂのうち、回転方向負側の側辺１１ｂと、固定電極１２の羽根の向かい合う側辺１２ａ、１２ｂ、回転方向正側の側辺１２ａとが外れる回転角θ２で静電容量は最小となる。
　図７（ａ）は、本発明を実施するための実施の形態１に係る回転コンデンサーを所定の回転速度で順方向に１回転させた場合の静電容量の時間変化である。また、図７（ｂ）は、本発明を実施するための実施の形態１に係る回転コンデンサーを図７（ａ）と同じ回転速度で逆方向に１回転させた場合の静電容量の時間変化である。図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、回転電極１１の羽根が中心軸１１３に対して非対称に形成されることにより、回転コンデンサー１０は、順方向１５と逆方向１６とで異なる静電容量の時間変化をとることができる。これにより、順方向１５と逆方向１６とで異なる静電容量の時間変化を、それぞれ異なる出射エネルギーに対応させて周波数変調を行うことができる。
　荷電粒子を出射エネルギーＥ１で出射させる場合、加速器１は回転コンデンサー１０を順方向１５に回転させ、荷電粒子の入射時ｔ１から出射時ｔ２にかけて静電容量を増加させて高周波電場の周波数変調を行う。また、荷電粒子を出射エネルギーＥ２で出射させる場合、加速器１は回転コンデンサー１０を逆方向１６に回転させ、荷電粒子の入射時ｔ'１から出射時ｔ'２にかけて、静電容量を増加させて高周波電場の周波数変調を行う。
　このように、回転コンデンサー１０が、順方向１５及び逆方向１６に回転し、回転方向ごとに異なる出射エネルギーに応じた静電容量の時間変化をとることで、加速器１は異なる出射エネルギーの粒子線を効率的に出射することが可能となる。
　次に、回転方向ごとに異なる出射エネルギーに適した静電容量の時間変化をとるように、回転コンデンサー１０の形状を決定する方法の一例について説明する。図８は、本発明を実施するための実施の形態１に係る回転コンデンサーの形状を決定する工程の一例を示す工程図である。回転コンデンサー１０は、例えば、順方向１５の回転が出射エネルギー２１５ＭｅＶに、逆方向１６の回転が出射エネルギー１６０ＭｅＶに、それぞれ適した静電容量の時間変化をとるとする（ステップＳ１）。
　加速器１の最大磁場強度が６Ｔであると仮定し、出射エネルギーごとに軌道半径に対する磁場分布を定める（ステップＳ２）。加速器１の磁場強度は、荷電粒子を安定的に加速させるために、弱収束の原理に基づき、軌道半径が増加するにしたがって減少するように分布させる。図９は、本発明を実施するための実施の形態１に係る軌道半径に対する磁場強度である。図９に示すように、軌道半径に対する磁場強度は、出射エネルギー２１５ＭｅＶより、出射エネルギー１６０ＭｅＶの方が小さく設定される。磁場強度は、例えば、コイル２ａ、２ｂに印加される電流によって調整される。
　設定した磁場分布より、加速時間に対する周回周波数を算出する（ステップＳ３）。ここで加速時間とは、加速器１に荷電粒子が入射されてから出射されるまでにかかる時間である。荷電粒子を陽子、加速初期の軌道半径をｒとすると、加速時間Ｔにおける荷電粒子の周回周波数は、式（２）－式（６）より定まる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　　　　　　　　　　・・・式（２）
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　　　　　　　　　　・・・式（３）
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 　　　　　　　　　　・・・式（４）
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 　　　　　　　　　　・・・式（５）
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 　　　　　　・・・式（６）
　ただし、Ｅは荷電粒子のエネルギー、ｄＥは１周する毎に増加するエネルギー、Ｍ０は加速初期の荷電粒子の質量、Ｂ（ｒ）は加速初期における磁場強度、Ｂ（ｒ'）は軌道半径ｒ'における磁場強度、Ｅ（ｒ'）は軌道半径ｒ'における荷電粒子のエネルギー、ｆ（ｒ'）は軌道半径ｒ’での周回周波数、ｔ(ｒ’)は軌道半径ｒ’における周回周期、Ｔ(ｒ’)は軌道半径ｒ’における加速時間である。
　加速初期の軌道半径をｒに基づいて、式（２）より荷電粒子のエネルギーＥを算出する。式（３）より増大する荷電粒子のエネルギーＥに基づいて、軌道半径ｒ’を算出する。式（４）より軌道半径ｒ’での周回周波数ｆ（ｒ’）を求める。式（５）より１周にかかる時間を算出する。加速初期から軌道半径ｒ’に対する時間Ｔ(ｒ’)を式（４）と式（６）から算出する。このようにして、加速時間Ｔにおける周回周波数を求めることができる。
　図１０は、本発明を実施するための実施の形態１に係る加速時間に対する周回周波数である。図１０に示すように、荷電粒子の出射エネルギーを２１５ＭｅＶとする場合、周回周波数は、加速初期に８９ＭＨｚ、出射時に６７ＭＨｚとなり、必要な周波数変調幅は２２Ｈｚである。また、出射エネルギーを１６０ＭｅＶとする場合、周回周波数は加速初期に７８ＭＨｚ、出射時に６２ＭＨｚとなり、必要な周波数変調幅は１６ＭＨｚである。
　算出した加速時間に対する周回周波数及び式（１）より、加速時間に対する静電容量を算出する（ステップＳ４）。図１１は、本発明を実施するための実施の形態１に係る加速時間に対する静電容量である。図１１に示すように、回転コンデンサー１０は、順方向１５に回転した場合、２２Ｈｚの周波数変調を行い、逆方向１６に回転した場合、１６ＭＨｚの周波数変調を行うように、静電容量を加速時間に対して増加させる。
　算出した加速時間に対する静電容量から、加速時間に対する回転コンデンサー１０の回転電極１１及び固定電極１２の対向面積の時間変化率を算出する（ステップＳ５）。ここで、図１２に示すように、回転コンデンサー１０の回転速度７５００ｒｐｍ、回転電極１１及び固定電極１２の回転軸方向の積層数を５組、羽根の枚数をそれぞれ４枚、回転電極１１と固定電極１２の電極間隔を２ｍｍとする。回転コンデンサー１０の静電容量Ｃは、回転電極１１及び固定電極１２の対向面積Ｓ、電極間距離ｄ、真空の誘電率ε０にて式（７）より定まる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 　　　　　　　　　　・・・式（７）
　式（７）より、図１１で示した加速時間に対する静電容量を、加速時間に対する対向面積の時間変化率で表すことができる。図１３は、本発明を実施するための実施の形態１に係る回転コンデンサーの加速時間に対する対向面積の時間変化率である。
　図１３に示した加速時間に対する対向面積の時間変化率に基づいて、回転電極１１及び固定電極１２の形状を決定する（ステップＳ６）。
　一例として、図１４に示すように、固定電極１２の羽根が、回転電極１１の回転中心１１１から固定電極１２の羽根の先端部１２１の中心位置を通る中心軸１２３に対して対称である場合の回転電極１１の形状を決定する。固定電極１２が中心軸１２３に対して対称である場合、対向面積Ｓの時間変化率ｄＳ/ｄｔは、回転電極１１の回転中心１１１から回転電極１１の羽根の先端部１１２までの長さｌ、回転速度ωにて式（８）より定まる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 　　　　　　・・・式（８）
　式（８）より、対向面積の時間変化率から、回転電極１１の回転中心１１１から先端部１１２までの長さを決定することができる。図１５（ａ）は、本発明を実施するための実施の形態１に係る回転電極の一例を示す概略構成図である。図１５（ｂ）は、本発明を実施するための実施の形態１に係る回転電極の１枚の羽根の形状の一例を示す概略構成図である。図１５（ａ）、（ｂ）に示すように、回転電極１１は、回転中心１１１から先端部１１２までの長さが、加速時間に対する対向面積の時間変化率を満たすように、回転方向に対して変化する形状となる。
　回転電極１１の羽根の先端部１１２は、中心軸１１３に対して、非対称となるように径方向内側に向かって湾曲される。回転電極１１は、例えば、中心軸１１３に対して一方の側の先端部１１２ａが、出射エネルギー２１５ＭｅＶの対向面積の時間変化率を満たすように湾曲される。また、中心軸１１３に対して他方の側の先端部１１２ｂが出射エネルギー１６０ＭｅＶの対向面積の時間変化率を満たすように湾曲される。
　このように回転電極１１が形成されることで、加速器１は、２１５ＭｅＶの粒子線を出射する場合、回転電極１１を順方向１５に回転させ、回転電極１１の中心軸１１３に対して一方の側の先端部１１２ａを利用して周波数変調を行い、１６０ＭｅＶの粒子線を出射する場合、回転電極１１を逆方向１６に回転させ、中心軸１１３に対して他方の側の先端部１１２ｂを利用して周波数変調を行うことが可能となる。
　ここで、固定電極１２を中心軸１２３に対して対称、回転電極１１を中心軸１１３に対して非対称としたが、回転電極１１の羽根の形状を対称、固定電極１２の羽根の形状を非対称としてもよい。図１６（ａ）は、本発明を実施するための実施の形態１に係る固定電極の一例を示す概略構成図である。図１６（ｂ）は、本発明を実施するための実施の形態１に係る固定電極の１枚の羽根の形状の一例を示す概略構成図である。図１６（ａ）、図１６（ｂ）に示すように、固定電極１２は、回転電極１１の回転中心１１１から固定電極１２の内周部１２２までの長さが、加速時間に対する対向面積の時間変化率を満たすように、回転方向に対して変化する形状となる。
　例えば、固定電極１２の羽根の内周部１２２は、中心軸１２３に対して、非対称となるように径方向外側に向かって湾曲される。固定電極１２は、例えば、中心軸１２３に対して一方の側の内周部１２２ａが、出射エネルギー２１５ＭｅＶの対向面積の時間変化率を満たすように湾曲される。また、中心軸１２３に対して他方の側の内周部１２２ｂが出射エネルギー１６０ＭｅＶを満たすように湾曲される。
　このように固定電極１２が形成されることで、加速器１は、２１５ＭｅＶの粒子線を出射する場合、回転電極１１を順方向１５に回転させ、固定電極１２の中心軸１２３に対して一方の側の内周部１２２ａを利用して周波数変調を行い、１６０ＭｅＶの粒子線を出射する場合、回転電極１１を逆方向１６に回転させ、中心軸１２３に対して他方の側の内周部１２２ｂを利用して周波数変調を行うことが可能となる。
　ここで、回転電極１１又は固定電極１２が中心軸１１３、１２３に対して対称となる例を示したが、回転コンデンサー１０は、回転方向ごとに異なる出射エネルギーに対応した静電容量の時間変化を満たすように形成されればよく、回転電極１１及び固定電極１２が、中心軸１１３、１２３に対してそれぞれ非対称としてもよい。
　上述のように、本実施の形態に係る加速器１は、順方向１５及び逆方向１６に回転し、回転方向ごとに荷電粒子の異なる出射エネルギーに対応して静電容量が時間的に変化する回転コンデンサー１０を備える構成とした。この構成により、加速器１は、異なるエネルギーの粒子線を効率的に発生させることが可能となる。
　なお、回転コンデンサー１０の回転電極１１の形状は、高速回転に対する機械的な安定性が考慮されるように形成されるとより好ましい。例えば、図６に示した静電容量が最大となるまでの回転角θ１と、静電容量が最大となる回転角θ１及び静電容量が最小となる回転角θ２がなす角度θ２－θ１との差が、０＜｜θ２－１｜／θ１｜≦１０％となるように形成される。これにより、加速空洞５の共振周波数を変調させるために、回転電極１１が例えば、１０００ｒｐｍ以上で高速回転される場合でも、安定性を保ちながら回転を行うことが可能となる。
実施の形態２．
　本発明を実施するための実施の形態２に係る加速器１について説明する。ここで、実施の形態１に係る加速器１と重複する説明は、適宜簡略化又は省略している。本実施の形態では、実施の形態１の構成に、入射制御装置１７をさらに備えた構成とした。
　図１７は、本発明を実施するための実施の形態２に係る加速器の概略構成図である。入射制御装置１７は、イオン源７から荷電粒子を加速器１に入射するタイミングを制御する。入射制御装置１７は、例えば、回転コンデンサー１０の静電容量を検知することにより、荷電粒子の入射から出射にかけて静電容量が増加するように、荷電粒子を入射する信号をイオン源７に出力する。
　図１８（ａ）、図１８（ｂ）は、本発明を実施するための実施の形態２に係る回転コンデンサーをそれぞれ順方向、逆方向に回転させた場合の静電容量の時間変化を示す関係図である。図１８（ａ）に示すように、回転コンデンサー１０が出射エネルギーＥ１に応じて順方向１５に連続的に回転する場合、回転コンデンサー１０の静電容量が、加速初期の周回周波数に対応する静電容量Ｃ１となるたびに、荷電粒子を入射する信号Ａを出力する。また、図１８（ｂ）に示すように、回転コンデンサー１０が出射エネルギーＥ２に応じて逆方向１６に連続的に回転する場合、回転コンデンサー１０の静電容量が、加速初期の周回周波数に対応する静電容量Ｃ２となるたびに、荷電粒子を入射する信号Ａを出力する。このように、入射制御装置１７は、回転方向ごとに出射エネルギーに応じて、加速に適したタイミングで周期的に荷電粒子を加速器１に入射させる。
　ここで、入射タイミングを設定する方法として、回転コンデンサー１０の静電容量を検知する例を示したが、その他、回転コンデンサー１０の回転角、加速空洞５の静電容量、加速空洞５の共振周波数等を検知してもよい。
　このような構成においても、実施の形態１と同様に、加速器１は、回転方向ごとに荷電粒子の出射エネルギーに応じた周波数変調を行う回転コンデンサー１０を備えることで、異なるエネルギーの粒子線を出射させることができる。さらに本実施の形態では、入射制御装置１７を備える構成とすることで、出射エネルギーの大きさに応じて加速に適したタイミングで荷電粒子を周期的に入射させることができ、異なるエネルギーの粒子線をより効率的に出射させることが可能となる。また、パルス状の荷電粒子を連続的に加速に適したタイミングで入射させることができ、十分な線量の粒子線を発生させることができる。
実施の形態３．
　本発明を実施するための実施の形態３に係る粒子線治療装置１００について説明する。本実施の形態では、実施の形態１又は２に係る加速器１を、粒子線治療装置１００に適用する構成とした。実施の形態１及び２に係る加速器１と重複する説明は、適宜簡略化又は省略している。
　図１９は、本発明を実施するための実施の形態３に係る粒子線治療装置の概略構成図である。図１９に示すように、粒子線治療装置１００は、加速器１と、加速器１で出射された粒子線を輸送するビーム輸送部２０と、ビーム輸送部２０から供給された粒子線を照射野に成形して被照射体に照射する照射部３０とを備える。
　加速器１は、高周波電源９より高周波電力が供給され、内部に高周波電場を形成する。加速器１は、所定の出射エネルギーに応じて回転コンデンサー１０の回転方向を決定し、高周波電場の周波数を変調させる。イオン源７から入射された荷電粒子は、回転コンデンサー１０によって周波数変調された高周波電場により所定のエネルギーまで加速され、粒子線として出射される。
　加速器１により出射された粒子線は、ビーム輸送部２０へと出射される。ビーム輸送部２０は、粒子線の輸送経路となる真空ダクトと、粒子線のビーム軌道を所定角度に偏向する偏向電磁石とを有する。照射部３０は、ビーム輸送部２０から供給された粒子線を治療する腫瘍の大きさや深さに応じた照射野に成形して被照射体に照射する。
　本実施の形態に係る粒子線治療装置１００によれば、順方向１５及び逆方向１６の回転方向ごとに出射エネルギーに応じた周波数変調を行う回転コンデンサー１０を有する加速器１を備えることで、治療する腫瘍の大きさや深さに応じて、適したエネルギーの粒子線を効率的に照射することができる。加速器１で異なるエネルギーの粒子線を出射できる構成としたことで、一度発生させた高エネルギーの粒子線を加速器１外で強制的に低下させる場合に比べ、エネルギーの無駄を省き、効率的に粒子線を照射することができる。さらに、患者への放射線の被爆量を低減でき、患者の負担を軽減することが可能となる。
　なお、実施の形態１から３では、加速器１としてシンクロサイクロトロンを例に説明したが、その他の円形加速器であってもよい。
　１　加速器、２ａ，２ｂ　コイル、３ａ，３ｂ　磁極、４　加速電極、５　加速空洞、６　出射ダクト、７　イオン源、８　周回軌道、９　高周波電源、１０　回転コンデンサー、１１　回転電極、１２　固定電極、１３　回転軸、１４　モーター、１５　順方向、１６　逆方向、１１１　回転中心、１１２　先端部、１１３　中心軸、１２１　先端部、１２２　内周部、１２３　中心軸、１７　入射制御装置、１００　粒子線治療装置、２０　ビーム輸送部、３０、照射部。

Claims (5)

  1. 荷電粒子を加速する加速電極と、
    前記加速電極に電力を供給し、高周波電場を発生させる加速空洞と、
    順方向及び逆方向の双方に回転する回転電極、前記回転電極に対向して配置された固定電極を有し、前記順方向の回転により前記荷電粒子の第１の出射エネルギーに応じた前記高周波電場の周波数変調を行い、前記逆方向の回転により前記荷電粒子の第２の出射エネルギーに応じた前記高周波電場の周波数変調を行う回転コンデンサーと
    を備えることを特徴とする加速器。
  2. 前記回転コンデンサーの前記回転電極は、少なくとも１枚の羽根を有し、回転中心から前記回転電極の前記羽根の先端部の中心位置を通る中心軸に対して非対称に形成されることを特徴とする請求項１に記載の加速器。
  3. 前記回転コンデンサーの前記固定電極は、少なくとも１枚の羽根を有し、前記回転中心から前記固定電極の前記羽根の先端部の中心位置を通る中心軸に対して非対称に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の加速器。
  4. 前記回転コンデンサーの静電容量、回転角、前記加速空洞の静電容量、共振周波数の少なくともいずれかを検知し、前記荷電粒子の入射のタイミングを制御する入射制御装置を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の加速器。
  5. 前記順方向及び前記逆方向の回転方向ごとに出射エネルギーに応じて周波数変調を行う前記回転コンデンサーを有する請求項１から４のいずれか一項に記載の加速器と、
    前記加速器で出射された粒子線を輸送するビーム輸送部と、
    前記ビーム輸送部から供給された前記粒子線を照射野に成形して被照射体に照射する照射部と
    を備えることを特徴とする粒子線治療装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP7319144B2 (ja) * 2019-08-30 2023-08-01 株式会社日立製作所 円形加速器および粒子線治療システム、円形加速器の作動方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS53104850A (en) * 1977-02-25 1978-09-12 Mitsumi Electric Co Ltd Variable capacitor
JPS6046018A (ja) * 1983-08-23 1985-03-12 前田　清 空気可変コンデンサ−
JP2013157556A (ja) * 2012-01-31 2013-08-15 Sumitomo Heavy Ind Ltd 回転コンデンサー

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005286618A (ja) * 2004-03-29 2005-10-13 Nihon Koshuha Co Ltd 無停波切替装置
TWI604868B (zh) * 2012-09-28 2017-11-11 美威高能離子醫療系統公司 粒子加速器及質子治療系統
TW201434508A (zh) * 2012-09-28 2014-09-16 Mevion Medical Systems Inc 一粒子束之能量調整

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS53104850A (en) * 1977-02-25 1978-09-12 Mitsumi Electric Co Ltd Variable capacitor
JPS6046018A (ja) * 1983-08-23 1985-03-12 前田　清 空気可変コンデンサ−
JP2013157556A (ja) * 2012-01-31 2013-08-15 Sumitomo Heavy Ind Ltd 回転コンデンサー

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