WO2020049755A1 - 加速器、およびそれを備えた粒子線治療システム - Google Patents

加速器、およびそれを備えた粒子線治療システム Download PDF

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WO2020049755A1
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frequency
accelerator
shim
coil
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隆光 羽江
孝道 青木
孝義 関
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株式会社日立製作所
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    • H05H2277/11—Radiotherapy

Definitions

  • the present invention relates to an accelerator and a particle beam therapy system including the accelerator.
  • Patent Literature 1 discloses a hill region which is provided in a pair with a beam orbit around the beam and has a plurality of convex portions and a plurality of concave portions alternately arranged in a circumferential direction, and is sandwiched between the convex portions.
  • a pair of magnetic poles forming a valley region sandwiched between the concave portions along the orbit, a dee electrode provided in the valley region, and a beam in at least one valley region other than the valley region provided with the dee electrode
  • a high-frequency generator for generating a high-frequency electric field for accelerating the beam.
  • Patent Document 2 discloses that an accelerator capable of efficiently emitting ion beams having different energies includes a return yoke and a vacuum container, and an incidence electrode is arranged such that a beam exit path in the return yoke is located at a position closer to the center axis of the vacuum container.
  • the magnetic poles are arranged radially from the incident electrode around the incident electrode in the return yoke, the concave portions are alternately arranged with the magnetic poles in the circumferential direction of the return yoke, and in the vacuum vessel, An orbital concentric area where a plurality of beam orbits centered on the incident electrode is present, and an orbital eccentric area where a plurality of beam orbits eccentric from the incident electrode are formed around this area, and an orbital eccentric area
  • the beam trajectory becomes dense between the entrance electrode and the entrance of the beam exit path, and the 180 ° counter to the entrance of the beam exit path starts from the entrance electrode. Accelerator spacing between the beam orbit each other becomes wider on the side is described.
  • JP 2014-160613 A WO 2016/092621
  • a feature of cyclotrons and synchrocyclotrons is that a beam circulating in a static magnetic field is accelerated by a high-frequency electric field.
  • the beam increases its radius of curvature as it accelerates, moves to an outer trajectory, and is extracted after reaching its maximum energy. Therefore, the energy of the extracted beam is basically fixed.
  • a synchrotron orbits a fixed orbit by changing the frequency of the magnetic field of an electromagnet that deflects the beam and the frequency of a high-frequency electric field that accelerates it over time. Therefore, it is possible to extract the beam before reaching the designed maximum energy, and the extraction energy is variable.
  • a variable energy accelerator is characterized in that a beam orbiting in a magnetic field is accelerated by a high-frequency electric field, but the beam trajectory is decentered in one direction with the acceleration.
  • the cyclotron described in Patent Literature 1 and the variable energy accelerator described in Patent Literature 2 are types of accelerators that accelerate a beam circulating in a main magnetic field with a high-frequency electric field.
  • a main magnetic field distribution having this property is called an isochronous magnetic field.
  • the magnetic field is modulated along the orbit to ensure beam stability in the orbit plane and in the direction perpendicular to the orbit plane.
  • the main magnetic field distribution needs a maximum part (Hill) and a minimum part (Valley).
  • the non-uniform magnetic field with this distribution can be formed by making the distance (gap) between the opposing magnetic poles of the main electromagnet narrow in the Hill region and wide in the Valley region.
  • the difference between the Hill magnetic field and the Valley magnetic field is practically limited to the saturation magnetic flux density of the magnetic pole material which is a ferromagnetic material. That is, the difference between the Hill magnetic field and the Valley magnetic field is limited to about 2T.
  • the present invention provides a compact accelerator capable of extracting a beam of variable energy and a particle beam therapy system including the accelerator.
  • the present invention includes a plurality of means for solving the above problems, but to give an example, a main magnetic field, and an accelerator that accelerates the beam by a frequency-modulated high-frequency electric field, frequency modulation is possible,
  • An accelerating radio frequency application device for applying an accelerating radio frequency for accelerating the beam, an accelerating radio frequency different from the accelerating radio frequency, an extraction radio frequency application device for applying an extraction radio frequency for extracting a beam, and a magnetic field component having two or more poles
  • a septum electromagnet having a turbulent magnetic field region forming section that forms a turbulent magnetic field region composed of a high-order magnetic field including at least a quadrupole magnetic field component, a magnetic shim, and a septum coil.
  • FIG. 5 is a bird's-eye view of the high-frequency kicker as viewed from an arrow B shown in FIG. 4.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a cross section taken along line A-A ′ in FIG. 2.
  • FIG. 7 is a magnetic field distribution diagram on a straight line r in FIG. 6.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating another example of a cross section taken along line A-A ′ in FIG. 2. It is a figure showing the section structure of the septum electromagnet with which the circular accelerator of an example is provided. It is a graph which shows the relationship between the exciting current of the septum coil which comprises the septum electromagnet with which the circular accelerator of an Example is provided, and the extraction beam energy.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating another example of a cross section taken along line A-A ′ in FIG. 2.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating another example of a cross section taken along line A-A ′ of FIG. 2. It is a figure showing an operation pattern of a circular accelerator of an example.
  • the circular accelerator 39 of this embodiment accelerates protons with a high-frequency electric field whose frequency is temporally modulated in the main magnetic field 2 (see FIG. 9) having a constant intensity.
  • the energy of the extracted beam is 70 [MeV].
  • the variable is -235 [MeV].
  • the particles to be accelerated are not limited to protons, but can accelerate heavy ions such as carbon and helium and electrons.
  • FIG. 1 shows the external appearance of the circular accelerator 39
  • the circular accelerator 39 has an outer shell formed by a main electromagnet 40 which can be divided into upper and lower parts, and the inner side serving as a beam acceleration area is evacuated.
  • the input coupler 20 and the rotary condenser 30 are provided on the outer peripheral side of the circular accelerator 39.
  • the circular accelerator 39 uses this rotary capacitor 30 to frequency-modulate the high-frequency acceleration voltage.
  • An ion source 53 is provided above the main electromagnet 40, and a beam enters the inside of the circular accelerator 39 through a low energy beam transport system 54.
  • a microwave ion source, an ECR ion source, or the like can be applied.
  • the ion source may be arranged inside the vacuumed beam acceleration region inside the main electromagnet 40, and in that case, a PIG type ion source or the like can be applied.
  • the main electromagnet 40 includes a main magnetic pole 38 (see FIG. 6 and the like), a return yoke 41, a main coil 42, and the like.
  • the return yoke 41 has a plurality of through-holes, of which a beam through-hole 46 for extracting an accelerated beam, a coil through-hole 48 for drawing out an internal coil conductor to the outside, a vacuum evacuation through-hole 49, and a high-frequency acceleration air
  • a high-frequency through-hole 50 for the body is provided on the connection surface of the upper and lower main electromagnets 40.
  • the high-frequency accelerating cavity is a ⁇ / 2 resonance cavity, and includes a dee electrode 12, a dummy dee electrode 13, an outer conductor 15, an input coupler 20, a rotating capacitor 30, and the like.
  • the rotating capacitor 30 is a device for modulating the resonance frequency of the high-frequency accelerating cavity, and includes a fixed electrode 32 connected to the inner conductor 14, a rotating electrode 33 connected to the outer conductor 15, a motor 31, and the like.
  • the rotating capacitor 30 is driven by the motor 31, the facing area of the fixed electrode 32 and the rotating electrode 33 changes, so that the capacitance changes and the resonance frequency of the high-frequency acceleration cavity can be changed.
  • an acceleration high frequency for accelerating the beam is generated by generating a frequency-modulated acceleration voltage in the acceleration gap 11 between the D electrode 12 and the dummy D electrode 13.
  • the shape of the acceleration gap 11 shown in FIG. 2 shows a case where the number of harmonics is 1, and is formed according to the beam orbit shape. Further, by changing the shape of the tip of the rotating electrode 33 or the fixed electrode 32, a modulation pattern of a resonance frequency suitable for beam acceleration can be obtained.
  • an annular main coil 42 is provided inside the circular accelerator 39 along the inner wall of the return yoke 41.
  • the main coil 42 is a superconducting coil in which a cryostat is provided around the coil, but a normal conducting coil can also be used.
  • a main magnetic pole 38 is provided inside the main coil 42, and forms a magnetic field distribution suitable for beam circling and extraction with a trim coil (not shown) provided on the surface of the main magnetic pole 38.
  • the incident point 52 of the beam to be accelerated can be arranged near the center of the circular accelerator 39, in this embodiment, the incident point 52 is shifted from the center of the circular accelerator 39 to the emission side, and the beam trajectory is changed to the coil through hole.
  • the configuration in the case of being eccentric to the 48 side is shown.
  • ⁇ The trajectory of each energy is shown in Fig. 3.
  • the orbits of 50 kinds of energies are shown by solid lines at every magnetic stiffness of 0.04 [Tm] from the maximum energy of 235 [MeV].
  • the dotted line is a line connecting the same orbital phase of each orbit, and is called an equi-orbital phase line.
  • the equal-circumference phase line is plotted for each orbital phase ⁇ / 20 from the aggregation area.
  • the acceleration gap 11 formed between the D electrode 12 and the dummy D electrode 13 facing the D electrode 12 is provided along an equal-circulation phase line.
  • the high-energy orbits When accelerated from, the high-energy orbits are densely gathered in the vicinity of the septum electromagnet 43 used for extraction, and conversely, in the vicinity of the position where the inner conductor 14 is installed, the orbits are in a positional relationship apart from each other.
  • a point where the orbits are densely gathered is called an aggregation area, and a discrete area is called a discrete area.
  • the circular accelerator 39 of the present embodiment uses a main magnetic field distribution in which the value of the magnetic field decreases toward the radially outer side of the design orbit. ing.
  • the magnetic field is constant along the design trajectory. Accordingly, the design trajectory becomes circular, and the trajectory radius and the orbiting time increase as the beam energy increases.
  • ⁇ represents the deflection radius of the design trajectory
  • B represents the magnetic field strength
  • ⁇ B / ⁇ r represents the magnetic field gradient in the radial direction.
  • n defined by the equation (1)
  • particles that are slightly displaced in the radial direction from the design trajectory return to the design trajectory.
  • the particles displaced in the direction perpendicular to the orbital plane also receive a restoring force from the main magnetic field 2 in a direction to return to the orbital plane.
  • the betatron frequency (horizontal tune) in the direction parallel to the orbit plane is set to a value smaller than 1 and close to 1.
  • the above-described main magnetic field distribution is excited by applying a predetermined exciting current to the main coil 42 and the trim coil.
  • the shape of the main magnetic pole 38 is symmetrical with respect to the orbital plane, and has only a magnetic field component in a direction perpendicular to the orbital plane on the orbital plane.
  • the main magnetic field 2 is a weakly focused magnetic field. For this reason, the main magnetic field 2 can be increased without being restricted by the Hill magnetic field and the Valley magnetic field in the AVF (Azimutally Varying Field) cyclotron of the isochronous magnetic field, so that the deflection radius of the beam orbit can be reduced. It is.
  • the AVF cyclotron is a method of synchronizing the rotation frequency of the accelerating particles with the acceleration frequency by shortening the orbital length of the particles by increasing the strength of the magnetic field as the radius increases, thereby shortening the rotation period. It is a cyclotron.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional configuration of the high frequency kicker 70.
  • FIG. 5 is a bird's-eye view of the high-frequency kicker 70 viewed from the direction B in FIG.
  • the high-frequency kicker 70 is a device for applying an extraction high-frequency for extracting a beam, and includes a ground electrode 71, a high-voltage electrode 72, and the like.
  • the extraction high frequency is different in frequency from the acceleration high frequency.
  • the ground electrode 71 and the high-voltage electrode 72 are installed so as to sandwich the maximum emission energy trajectory 80 and the minimum emission energy trajectory 81, and are orthogonal to the trajectory in the orbit plane.
  • the shape is determined so that a high-frequency electric field acts on the surface.
  • a metal projection 73 is attached to the ground electrode 71 so as to increase the concentration of a high-frequency electric field generated between the ground electrode 71 and the high-voltage electrode 72. Have been.
  • the high-voltage electrode 72 to which the high-frequency voltage is applied is insulated from the ground electrode 71.
  • the method of insulating support is not particularly limited, and a method of supporting with an insulating support (not shown) or the like can be considered.
  • the ground electrode 71 and the high-voltage electrode 72 have a cooling mechanism (not shown) for heat generated by high-frequency power supply.
  • Both the ground electrode 71 and the high voltage electrode 72 have passage openings 71A and 72A near the orbital surface through which the beam passes. These passages 71A and 72A are made wide enough to prevent beam collision in consideration of spread due to betatron oscillation in a direction perpendicular to the beam orbital plane.
  • the high-frequency kicker 70 has a shape in which the end faces on the entrance side and the exit side of the beam are open as shown in FIG. 4, but the end faces are closed with the ground electrode 71 except for the beam passage port 71A.
  • a cavity resonator structure may be used.
  • the high frequency kicker 70 may be arranged so that the electric field acts on both the minimum emission energy trajectory 81 and the maximum emission energy trajectory 80. However, it is desirable to arrange it near the beam exit path entrance 82 as shown in FIG.
  • the peeler magnetic field region 44 and the regenerator magnetic field region 45 are regions where a multipole magnetic field (disturbing magnetic field) acting on the beam exists.
  • the multipole magnetic field includes a magnetic field component having two or more poles and is composed of a higher-order magnetic field including at least a quadrupole magnetic field component. It should be noted that a multipolar magnetic field of four or more poles or a bipolar magnetic field may be included.
  • the peel magnetic field region 44 has a magnetic field gradient in a direction of weakening the main magnetic field 2 toward the radially outer peripheral side.
  • the regenerator magnetic field region 45 has a magnetic field gradient in the direction of strengthening the main magnetic field 2 toward the radially outer side. Note that, as the peeler magnetic field region 44, a region where the main magnetic field 2 in the magnetic pole end portion decreases can be used.
  • the peeler magnetic field region 44 and the regenerator magnetic field region 45 are arranged on the outer peripheral side of the maximum emission energy trajectory 80 in the azimuth regions sandwiching the beam emission path entrance 82. However, the peeler magnetic field region 44 is disposed on the upstream side with respect to the beam traveling direction, and the regenerator magnetic field region 45 is disposed on the downstream side with respect to the beam traveling direction.
  • the peeler magnetic field region 44 and the regenerative magnetic field region 45 are formed by disposing a plurality of magnetic pole pieces or coils made of a magnetic material or both of them with a non-magnetic material with respect to the main magnetic pole 38.
  • the coil may be arranged in a space different from the peeler magnetic field region 44 where the pole piece is arranged and the regenerator magnetic field region 45.
  • FIG. 2 shows an example of such an arrangement. That is, the pole pieces are arranged in or around the peeler magnetic field region 44 and the regenerator magnetic field region 45, respectively.
  • the upstream coil 34 and the downstream coil 35 are arranged as shown in FIG.
  • the upstream coil 34 generates a magnetic field in a direction that weakens the main magnetic field 2
  • the downstream coil 35 generates a magnetic field in a direction that strengthens the main magnetic field 2.
  • FIG. 6, which is a view taken along the line A-A in FIG. 2, shows an example of the pole piece arrangement of the regenerator magnetic field region 45 when the upstream coil and the downstream coil are not used.
  • FIG. 7 shows a magnetic field distribution diagram on the straight line r in FIG.
  • the magnetic pole pieces include a magnetic field gradient shim 36 that generates a magnetic field gradient in the regenerator magnetic field region 45 and an unnecessary magnetic field gradient shim 36 that is generated on the inner peripheral side of the maximum emission energy orbit 80.
  • a magnetic field correction shim 37 for canceling the leakage magnetic field is used.
  • the main magnetic field 2 on the r-axis in FIG. 6 has a distribution as shown in FIG. 7, and the beam stably circulates to the maximum emission energy orbit.
  • FIG. 8 shows a case where an upstream coil or a downstream coil is used.
  • the downstream coil 35 is arranged in the regenerator magnetic field region 45, the downstream coil 35 is wound around a magnetic field gradient shim 36 which is a pole piece.
  • the upstream coil 34 is wound around a magnetic field gradient shim (not shown).
  • the septum electromagnet 43 includes an inner shim 3 of a magnetic material, an outer shim 4 of a magnetic material, a septum coil that conducts bipolar current, and a bipolar power supply 10.
  • the septum coil includes an inner septum coil conductor 5, an outer septum coil conductor 6, a coil conductor connector 7, and a coil outlet 8.
  • FIG. 9 shows a case where a septum coil is configured with one turn. That is, the inner septum coil conductor 5 and the outer septum coil conductor 6 are electrically connected by the coil conductor connecting portion 7 and electrically connected to the bipolar power supply 10 for coil excitation at the coil lead portion 8. Have been.
  • the coil conductor connection portion 7 and the coil outlet portion 8 may be provided in reverse, and the coil outlet portion 8 is provided on the side close to the beam exit path entrance 82 and the coil conductor connection portion 7 is provided on the opposite side. You may. Further, as shown in FIG. 8, the coil outlet 8 does not need to be provided at the ends of the inner septum coil conductor 5 and the outer septum coil conductor 6, and the inner septum coil conductor 5 and the outer septum coil conductor 6 may be cut off and provided at an intermediate portion in the beam extraction direction.
  • a bipolar magnetic field can be formed inside the septum electromagnet 43 by supplying an exciting current to the septum coil by the bipolar power supply 10.
  • Each of the inner septum coil conductor 5, the outer septum coil conductor 6, the coil conductor connecting portion 7, and the coil outlet portion 8 has a cooling means for heat generation, and the deformation due to the electromagnetic stress due to the exciting current is within an allowable range. It is supported by a support (not shown).
  • the inner shim 3 and the outer shim 4 are magnetic and made of, for example, a laminated steel plate.
  • the inner peripheral side shim 3 has a wedge shape so as not to interfere with the trajectory 1 of the last one turn immediately before the beam reaches the beam exit path entrance 82.
  • the outer peripheral side shim 4 may be installed so as to face the inner peripheral side shim 3 across the beam passage area, and the shape is not particularly limited.
  • the B ⁇ product of the maximum emission energy is B ⁇ max
  • the B ⁇ product of the minimum emission energy is B ⁇ min
  • the beam energy corresponding to the B ⁇ product equal to (B ⁇ max + B ⁇ min ) / 2 is the intermediate energy. Is defined.
  • the thickness and shape of each shim are set so that only the inner shim 3 and the outer shim 4 provide a magnetic field for extracting a beam of intermediate energy.
  • FIG. 10 shows the relationship between the exciting current of the septum coil and the extracted beam energy.
  • the bipolar power supply 10 which is the excitation power supply for the septum coil, can reduce the power consumption of the power supply by using pulse excitation instead of DC excitation.
  • the number of turns of the septum coil is preferably 10 turns or less in order to suppress inductance.
  • a unipolar power supply can be used instead of the bipolar power supply 10.
  • the thickness of the inner peripheral side shim 3 and the outer peripheral side shim 4 is set such that a magnetic field from which a beam having the maximum energy is extracted only by the inner peripheral side shim 3 and the outer peripheral side shim 4. It is desirable to set the thickness and shape of each shim. In addition, it is desirable that beams other than the maximum energy be extracted by energizing the septum coil.
  • FIG. 6, FIG. 8, FIG. 11, and FIG. 12 show cross sections taken along the line A-A 'in FIG. 9 (the same as the cross section taken along the line A-A' in FIG. 2).
  • the inner peripheral shim 3 and the outer peripheral shim 4 can be placed independently without being connected to each other.
  • the inner shim 3 and the outer shim 4 are connected on the upper surface side by an upper shim 100 disposed vertically above the track surface of the beam, and the beam A septum electromagnet 43A having a structure connected on the lower surface side by a lower shim 101 arranged vertically below the raceway surface can be used.
  • a septum electromagnet 43B having a structure in which the inner peripheral shim 3 is omitted may be used.
  • FIG. 12 shows a case where the upper shim 100 and the lower shim 101 are arranged, the upper shim 100 and the lower shim 101 can be omitted as shown in FIG.
  • the inner peripheral side shim 3 it is possible to divide the inner peripheral side shim 3 in the vicinity of the raceway surface, and to more reliably suppress the interference with the beam trajectory. Even in the case where the inner peripheral side shim 3 has a divided structure, the shim made of a magnetic material can be appropriately arranged at the same position as the upper shim 100 and the lower shim 101.
  • One acceleration cycle starts when the acceleration high-frequency rises, that is, when the application of the acceleration voltage Vacc is started at the timing when the resonance frequency f cav of the high-frequency acceleration cavity reaches a predetermined value.
  • the beam is incident on the main magnetic pole 38 inside the vacuum space from the ion source 53, a beam of high-frequency capture is completed to the time t 1 after the lapse.
  • Acceleration frequency is turned OFF and then the time t 2 has elapsed. At the same time, the application of the high-frequency voltage V ext to the high-frequency kicker 70 is started. If the high-frequency kicker 70 is designed not to have a resonator structure but to have an appropriate capacitance, the high-frequency voltage of the high-frequency kicker 70 quickly rises with a response of several ⁇ s or less.
  • the frequency f ext of the extraction high-frequency voltage V ext is set to be equal to the product ⁇ r ⁇ f rev of the decimal part ⁇ r of the horizontal tune ⁇ r of the circulating beam and the circulating frequency f rev. .
  • the amplitude of the horizontal betatron oscillation continues to increase.
  • the shape of the ground electrode 71 and the high-voltage electrode 72 is determined so that a high-frequency electric field acts in a direction (horizontal direction) orthogonal to the orbit within the orbit plane, and the beam is kicked by the high-frequency electric field.
  • a high-frequency electric field acts in a direction (horizontal direction) orthogonal to the orbit within the orbit plane, and the beam is kicked by the high-frequency electric field.
  • the amplitude of the betatron oscillation in the horizontal direction can be efficiently increased.
  • only the high frequency kicker 70 cannot obtain a sufficient turn separation for extracting the beam. Therefore, a peeler magnetic field region 44 and a regenerator magnetic field region 45 are required.
  • the beam eventually reaches the peeler magnetic field region 44 and the regenerator magnetic field region 45 by the action of the high-frequency kicker 70.
  • the beam passes through the peeler magnetic field region 44, the beam is kicked to the outer peripheral side, and when the beam passes through the regenerator magnetic field region 45, the beam is kicked to the inner peripheral side.
  • the septum electromagnet 43 Since the septum electromagnet 43 is installed at the beam exit path entrance 82, when a turn separation that greatly exceeds the total thickness of the inner peripheral side shim 3 and the inner peripheral side septum coil conductor 5 comes to be obtained, the beam becomes septum. It is guided into the electromagnet 43.
  • FIG. 13 illustrates an example in which the septum coil is pulse-excited.
  • the excitation current of the septum electromagnet 43 starts to flow. It is desirable to cut off the excitation current of the septum coil after the application of high-frequency extraction, so that the beam is not extracted.However, if the time interval until the next beam extraction is short, the excitation of the septum coil is continued. May be.
  • V ext a high-frequency voltage as large as possible is applied so that the beam is irradiated with the peeler magnetic field region 44 and the regenerator magnetic field region.
  • V ext the amplitude of V ext can be reduced. Thereby, the time until the start of beam emission can be shortened, and the dose rate can be improved.
  • the beam emission current can be adjusted. That is, as the amplitude of V ext increases, the beam emission current also increases. Also, beam emission can be stopped by stopping the application of V ext at an arbitrary timing. Therefore, the spot dose required for scanning irradiation can be radiated by a single output pulse beam without excess and deficiency, and the dose rate is improved.
  • the beam emission can be restarted by applying V ext again, so that it can be used for the next spot irradiation. For this reason, the charge incident from the ion source 53 can be used without waste, and the dose rate is further improved.
  • One acceleration cycle ends when the amount of orbiting charges remaining in the accelerator falls below a certain level. The beam is extracted by repeating such an acceleration cycle.
  • FIG. 14 shows a block diagram of a high-frequency power supply and a control system for realizing the above extraction method.
  • FIG. 14 shows a configuration in which the triodes 24A and 24B are both used for the accelerating high-frequency power supply 25 and the high-frequency kicker power supply 86.
  • a tetraode or a semiconductor amplifier can be used.
  • an input coupler 20 As the beam acceleration system, an input coupler 20, a pickup loop 21, an acceleration high-frequency power supply 25 having a cathode resistor 22, a plate DC power supply 23, and a triode 24A, a rotating capacitor 30, an angle detection mechanism 90, and a D electrode 12 And the outer conductor 15.
  • the accelerating high frequency power supply 25 is of a self-excited oscillation type, and a part of the accelerating high frequency is fed back to the cathode circuit in the pickup loop 21.
  • the high frequency acceleration voltage is controlled by modulating the output voltage of the plate DC power supply 23 at high speed.
  • the cathode bias potential is applied by dividing the plate potential by the cathode resistor 22 or by using a cathode power supply.
  • the acceleration high-frequency power supply 25 may be a separately excited oscillation type, the pickup loop 21 may be omitted, and a pre-amplified output of the original oscillator may be used as the input of the triode 24A.
  • the beam extraction system includes a bipolar power supply 10, a septum electromagnet 43, an upstream coil 34, a downstream coil 35, an upstream coil power supply 87, a downstream coil power supply 88, a triode 24B, a plate DC A power supply 26, a grid bias power supply 89, an original oscillator 92, a switch 93, a pre-amplifier 94, a high-frequency kicker power supply 86, and a high-frequency kicker 70 are used.
  • the original oscillator 92 generates a signal in a certain frequency band for the high-frequency kicker 70.
  • the signal is assumed to include a necessary frequency band component.
  • This signal is amplified by a pre-amplifier 94 via a switch 93. After amplification, it is further amplified by the triode 24B and supplied to the high-frequency kicker 70.
  • the amplitude of the high frequency voltage V ext of the high frequency kicker 70 is controlled by changing the gain of the pre-amplifier 94 or by modulating the output voltage of the plate DC power supply 26 at high speed.
  • the arithmetic unit 91 controls the application timing of the acceleration high frequency f cav in the acceleration system, the application timing of the extraction high frequency f ext in the beam extraction system, and the like.
  • the arithmetic unit 91 includes a frequency modulation pattern of the acceleration high frequency f cav detected from the angle detection mechanism 90 of the rotary condenser 30 or the acceleration high frequency pickup signal, permission of each spot irradiation from the control device 191 (see FIG. 15), In response to the input of the information on the required dose to the spot, a command signal for ON / OFF timing and voltage amplitude of the acceleration high frequency f cav is output to the acceleration high frequency power supply 25.
  • the arithmetic unit 91 outputs an ON / OFF timing of the septum electromagnet 43 and a command signal of an exciting current to the bipolar power supply 10 based on the input of the information.
  • the arithmetic unit 91 outputs an ON / OFF timing of the high frequency kicker 70 and a command signal of the amplitude of the voltage V ext to the high frequency kicker power supply 86.
  • the arithmetic unit 91 also outputs an on / off timing and an exciting current command signal to the downstream coil power supply 88, that is, to the downstream coil 35, and outputs the signal to the upstream coil power supply 87, that is, to the upstream coil 34. And outputs an on / off timing and an exciting current command signal.
  • a beam monitor 95 for electrostatically or magnetically measuring the amount of orbital charge remaining inside the accelerator for the beams in all the emission energy bands is installed at any arbitrary position on the beam orbit. Then, when the amount of orbital charges is reduced below a certain level, the arithmetic unit 91 starts applying the acceleration voltage again, and repeats the process of capturing, accelerating, and extracting.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating the overall configuration of the particle beam therapy system according to the present embodiment.
  • the particle beam therapy system 300 includes a circular accelerator 39, a high energy beam transport system 47, a rotating gantry 190, an irradiation device 192, a treatment table 201, and a control device 191.
  • the ion beam of the specific energy emitted from the circular accelerator 39 is transported to the irradiation device 192 by the high energy beam transport system 47 and the rotating gantry 190.
  • the transported ion beam of the specific energy is shaped by the irradiation device 192 so as to conform to the shape of the affected part, and is irradiated with a predetermined amount on the affected part target of the patient 200 lying on the treatment table 201.
  • the operations of the circular accelerator 39, the high-energy beam transport system 47, the rotating gantry 190, the irradiation device 192, and the treatment table 201 are executed by the control device 191.
  • the control device 191 is configured by a computer or the like.
  • the computers constituting these are provided with a CPU, a memory, an interface, and the like, and control the operation of each device and execute various arithmetic processing described later based on various programs. These programs are stored in an internal recording medium, an external recording medium, or a data server in each configuration, and are read and executed by the CPU.
  • the operation control process may be integrated into one program, may be divided into a plurality of programs, or a combination thereof. Further, a part or all of the program may be realized by dedicated hardware, or may be modularized. Furthermore, various programs may be installed in each device from a program distribution server, an internal storage medium, or an external recording medium.
  • the circular accelerator 39 of the present invention can be downsized and the beam loss is reduced, so that the dose rate is improved, the irradiation time is shortened, and the patient throughput can be increased. .
  • the beam can be directly extracted from the circular accelerator 39 to the irradiation device 192. Further, a plurality of irradiation devices 192 can be provided. Further, the irradiation device 192 may be fixed without rotating.
  • the irradiation method used in the irradiation device 192 is not particularly limited, and may be any of a scanning method of scanning a beam and a wobble method of using a scatterer.
  • the above-described particle beam therapy system 300 includes a circular accelerator 39 for accelerating a beam using the main magnetic field 2 and a frequency-modulated high-frequency electric field, and an irradiation device 192 for irradiating a beam having a specific energy extracted from the circular accelerator 39.
  • the circular accelerator 39 is capable of frequency modulation, and applies an accelerating high frequency applying device for applying an accelerating high frequency for accelerating a beam, and a high frequency kicker 70 for applying an extracting high frequency for extracting a beam, which has a different frequency from the accelerating high frequency.
  • a peeler magnetic field region 44 and a regenerator magnetic field region 45 that form a disturbing magnetic field region including a magnetic field component having two or more poles and a high-order magnetic field including at least a quadrupole magnetic field component; Septum electromagnets 43, 43A, 43B having an inner septum coil conductor 5 and an outer septum coil conductor 6 are provided.
  • Such a circular accelerator 39 greatly contributes to improving the patient throughput of the particle beam therapy system.
  • the septum electromagnets 43, 43A, and 43B further include the bipolar power supply 10 that supplies bipolar current to the septum coil, the amplitude of the exciting current can be reduced to approximately half as compared with the case where the bipolar current is not supplied. As a result, the thermal load on the septum coil can be reduced to about 1/4. Therefore, since the structure of the septum electromagnets 43, 43A, 43B can be simplified, the size and cost can be reduced.
  • the shim is constituted by the outer peripheral side shim 4 arranged on the outer peripheral side of the beam orbit with respect to the outer peripheral side septum coil conductor 6, the magnetic field to be generated by the septum coil can be reduced. Load and electromagnetic stress can be suppressed.
  • the shim includes an inner shim 3 arranged on the inner circumferential side of the beam orbit from the inner circumferential septum coil conductor 5 and an outer shim 4 arranged on the outer circumferential side of the beam orbit from the outer septum coil conductor 6. Also, the magnetic field to be generated by the septum coil can be reduced, and the thermal load and electromagnetic stress of the septum coil can be suppressed.
  • the inner peripheral side shim 3 has a wedge shape that does not interfere with the beam orbit, the beam loss in the circular accelerator 39 can be suppressed, and a higher irradiation dose rate can be realized.
  • the septum electromagnet 43 can be configured with a simple structure, and further reduction in size and reduction in size can be achieved. Costs can be reduced.
  • the inner shim further includes an upper shim 100 disposed vertically above the track surface of the beam and a lower shim 101 disposed vertically below the track surface of the beam. Since at least one of the outer shim 3 and the outer shim 4 is connected to the upper shim 100 and the lower shim 101, a magnetic field for guiding the beam to the high energy beam transport system 47 generated by the septum electromagnets 43A and 43B. Can more efficiently shield the end leakage magnetic field of the main magnetic field 2 formed by the main electromagnet 40, and can reduce the exciting current of the septum coil.
  • the shim is a laminated steel sheet core, and the coil winding composed of the inner peripheral side septum coil conductor 5 and the outer peripheral side septum coil conductor 6 is constituted by 10 turns or less, thereby enabling pulse excitation and consuming the excitation power. Power can be reduced.
  • the beam kick amount of the high-frequency kicker 70 required for emitting a beam of variable energy is such that the beam incident point 52 is located at the center of the circular accelerator 39 and the main magnetic field distribution is concentric with the center. Is formed as compared with the case of forming the high-frequency kicker, so that the high-frequency power required for the high-frequency kicker can be reduced.
  • a peeler magnetic field region 44 and a regenerator magnetic field region 45 are respectively arranged at one place, and the peeler magnetic field region 44 is a first disturbance magnetic field region having a magnetic field gradient in which the main magnetic field 2 weakens toward the radially outer peripheral side.
  • the generator magnetic field region 45 is a second disturbing magnetic field region having a magnetic field gradient in which the main magnetic field 2 increases toward the radially outer side, the beam reaching these disturbing magnetic field regions by a kick by the high-frequency kicker 70 is: The kick is further increased and enters the entrance of the septum electromagnet 43, and is eventually taken out of the accelerator.
  • the peeler magnetic field region 44 and the regenerator magnetic field region 45 are formed only by the magnetic field gradient shim 36 and the magnetic field correction shim 37 made of a magnetic material, and the upstream coil 34 and the downstream coil 35 are omitted, the heat load can be reduced. And power supply costs can be reduced.
  • the magnetic field correction shim 37 suppresses the leakage magnetic field from the peeler magnetic field region 44 and the regenerator magnetic field region 45, the trajectory of the beam is less likely to be disturbed before reaching the extraction energy, and the beam is more stable. Can be accelerated.
  • the upstream coil 34 and the downstream coil 35 are used in addition to the magnetic material to form the peeler magnetic field region 44 and the regenerator magnetic field region 45, the first and second coils for efficient extraction of the beam are used. It is possible to adjust the magnetic field strength in the two disturbing magnetic field regions.
  • a high-frequency kicker 70 is applied with a high-frequency wave for increasing the amplitude of the betatron oscillation in the orbit plane of the beam of the energy to be extracted and in a direction orthogonal to the orbit of the beam.
  • the beam emission current can be controlled by controlling at least one of the voltage amplitude, phase, frequency, and application time of the extracted high frequency.
  • a computing device 91 for controlling the timing of applying the accelerating radio frequency by the accelerating radio frequency applying device and the timing of applying the extracting radio frequency by the radio frequency kicker 70 is provided.
  • the cutoff is started, then the application of the extraction high frequency is started, and an excitation current is applied to the septum coils of the septum electromagnets 43, 43A, 43B before the extraction of the beam is started, and the excitation of the septum coil is completed after the application of the extraction high frequency. Cut off the current.
  • the beam does not reach the peeler magnetic field region 44 and the regenerator magnetic field region 45, and the emission of the beam from the circular accelerator 39 can be interrupted. become.
  • the beam emission can be restarted without re-entering, capturing, and accelerating the beam if the circulating charge remains.
  • the output beam charge can be controlled with high accuracy by the extracted high frequency for each acceleration cycle, dose control suitable for scanning can be performed.
  • the orbital charges can be taken out completely and no scatterer is required for energy change, the dose rate increases, the irradiation time can be shortened, and the patient throughput of the particle beam therapy system can be improved.
  • the arithmetic unit 91 further reduces the electric field of the extracted high frequency after the start of the application of the extracted high frequency and before the beam reaches the disturbing magnetic field region, thereby shortening the time until beam emission.
  • Bipolar power supply 11 Acceleration gap 12 D electrode 13 Dummy electrode 14 Inner conductor 15 Outer conductor 20 Input coupler 21
  • Pickup loop 22 Cathode resistor 23
  • Acceleration high frequency Power supply 26 Plate DC power supply 30
  • Rotating capacitor 31 Motor 32 Fixed electrode 33
  • Rotary electrode 34 Upstream coil (disturbance magnetic field region forming section, disturbance magnetic field forming coil) 35: Downstream coil (disturbance magnetic field region forming section, disturbance magnetic field forming coil) 36: Shim for magnetic field gradient (disturbance magnetic field region forming part, magnetic pole piece) 37: Shim for magnetic field correction (disturbance magnetic field region forming part, pole piece) 38 main magnetic pole 39
  • circular accelerator 40 main electromagnet 41 return yoke 42
  • Regenerator magnetic field area (second disturbance magnetic field area) 47 high-energy beam transport system 70 high-frequency kicker (removal high-frequency application device) 71 Ground electrodes 71A, 72A Beam passage port 72 High voltage electrode 73 Projection 80 Maximum emission energy orbit 81 Minimum emission energy orbit 82 Beam emission path entrance 86 High frequency kicker power supply 87 Upstream coil power supply 88 Downstream coil power supply 89 Grid bias power supply 90 Angle detection mechanism 91 Arithmetic unit 92 Original oscillator 93 Switch 94 Preamplifier 95 Beam monitor 100 Upper shim 101 Lower shim 190 Rotating gantry 191 Controller 192—irradiation device 200—patient 201—treatment table 300—particle beam therapy system

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Abstract

周波数変調が可能であり、ビームを加速する加速高周波を印加する加速高周波印加装置と、加速高周波とは周波数が異なり、ビームを取出すための取出し高周波を印加する高周波キッカ（７０）と、２極以上の極数の磁場成分を含み、少なくとも４極磁場成分を含む高次磁場よりなる擾乱磁場領域を形成するピーラ磁場領域（４４）、リジェネレータ磁場領域（４５）と、磁性体のシム、および内周側セプタムコイル導体（５）、外周側セプタムコイル導体（６）、コイル導体接続部（７）、コイル口出し部（８）を有するセプタム電磁石（４３）、（４３Ａ）、（４３Ｂ）と、を備えている。

Description

加速器、およびそれを備えた粒子線治療システム
　本発明は、加速器と、それを備えた粒子線治療システムに関する。
　特許文献１には、ビームの周回軌道を挟んで一対に設けられ、周方向に交互に配列された複数の凸部と複数の凹部とをそれぞれが有し、凸部同士で挟まれたヒル領域と凹部同士で挟まれたバレー領域とを周回軌道に沿って形成する一対の磁極と、バレー領域に設けられたディー電極と、ディー電極が設けられたバレー領域以外の少なくとも１つのバレー領域においてビームの周回軌道の径方向における外周側に配置され、ビームを加速させるための高周波電場を発生させる高周波発生部と、を備えるサイクロトロンが記載されている。
　また、特許文献２には、エネルギーが異なるイオンビームを効率良く出射できる加速器として、リターンヨークと真空容器を有し、入射用電極が、真空容器の中心軸よりも、リターンヨーク内のビーム出射経路の入口側に配置され、磁極が、リターンヨーク内で入射用電極の周囲において入射用電極から放射状に配置され、凹部が、リターンヨークの周方向で磁極と交互に配置され、真空容器内において、入射用電極を中心とする複数のビーム周回軌道が存在する軌道同心領域、及びこの領域の周囲に、入射用電極から偏心した複数のビーム周回軌道が存在する軌道偏心領域が形成され、軌道偏心領域では、入射用電極とビーム出射経路の入口の間でビーム周回軌道が密になり、入射用電極を基点にしてビーム出射経路の入口の１８０°反対側でビーム周回軌道相互間の間隔が広くなる加速器が記載されている。
特開２０１４－１６０６１３号公報 国際公開第２０１６／０９２６２１号
　粒子線治療や物理実験などで使用する高エネルギーの原子核ビームは、加速器を用いて生成される。
　核子当たりの運動エネルギーが２００ＭｅＶ前後のビームを得る加速器には種類がいくつかある。例えば、上述の特許文献１に記載されたようなサイクロトロンや、シンクロトロン、シンクロサイクロトロン、上述の特許文献２に記載されたような可変エネルギー加速器が挙げられる。
　サイクロトロンおよびシンクロサイクロトロンの特徴は静磁場中を周回するビームを高周波電場で加速する点である。ビームは、加速されるにつれてその軌道の曲率半径を増し、外側の軌道に移動し、最高エネルギーまで到達した後に取出される。そのため、取出すビームのエネルギーは基本的には固定である。
　シンクロトロンはビームを偏向する電磁石の磁場と加速する高周波電場の周波数を時間的に変化させることでビームは一定の軌道を周回する。そのため、設計上の最大エネルギーに到達する前にビームを取出すことも可能であり、取出しエネルギーが可変である。
　可変エネルギー加速器は、サイクロトロンと同様に、磁場中を周回するビームを高周波電場で加速しながらも、ビーム軌道が加速に伴い一方向に偏心していくことが特徴である。
　特許文献１に記載のサイクロトロンや特許文献２に記載の可変エネルギー加速器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ぶ。さて、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（Ｈｉｌｌ）と極小部（Ｖａｌｌｅｙ）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（ギャップ）をＨｉｌｌ領域では狭く、Ｖａｌｌｅｙ領域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、Ｈｉｌｌ磁場とＶａｌｌｅｙ磁場との差は、実用上は強磁性体である磁極材料の飽和磁束密度程度が限界である。すなわち、Ｈｉｌｌ磁場とＶａｌｌｅｙ磁場の差は２Ｔ程度に制限される。
　一方、等時性磁場を用いる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。しかし、主磁場と前述のＨｉｌｌ磁場とＶａｌｌｅｙ磁場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。よって上述した特許文献１に記載されたようなサイクロトロンや特許文献２に記載されたような可変エネルギー加速器には小型化が困難であるという課題が有った。
　本発明は、小型で、かつ可変エネルギーのビームの取出しが可能な加速器とそれを備えた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、主磁場、および周波数変調した高周波電場によりビームを加速する加速器であって、周波数変調が可能であり、前記ビームを加速する加速高周波を印加する加速高周波印加装置と、前記加速高周波とは周波数が異なり、ビームを取出すための取出し高周波を印加する取出し高周波印加装置と、２極以上の極数の磁場成分を含み、少なくとも４極磁場成分を含む高次磁場よりなる擾乱磁場領域を形成する擾乱磁場領域形成部と、磁性体のシム、およびセプタムコイルを有するセプタム電磁石と、を備えたことを特徴とする。
　本発明によれば、小型であり、かつ可変エネルギーのビームの取出しが可能な加速器を提供することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
本発明の実施例の円形加速器の外観を示す図である。 実施例の円形加速器の断面構造を示す図である。 実施例の円形加速器の軌道面内における各エネルギーのビーム軌道を示す図である。 実施例の円形加速器が備える高周波キッカの断面構造を示す図である。 図４に示す矢印Ｂから見たときの高周波キッカの鳥瞰図である。 図２のＡ－Ａ’線上における断面の一例を示す図である。 図６の直線ｒ上における磁場分布図である。 図２のＡ－Ａ’線上における断面の他の一例を示す図である。 実施例の円形加速器が備えるセプタム電磁石の断面構造を示す図である。 実施例の円形加速器が備えるセプタム電磁石を構成するセプタムコイルの励磁電流と取出しビームエネルギーとの関係を示すグラフである。 図２のＡ－Ａ’線上における断面の他の一例を示す図である。 図２のＡ－Ａ’線上における断面他の一例を示す図である。 実施例の円形加速器の運転パターンを示す図である。 実施例の円形加速器における加速高周波電源、高周波キッカ電源およびセプタムコイル励磁電源の制御系ブロック図である。 本発明の実施例の粒子線治療システムの全体構成を示す図である。
　以下、図面を用いて本発明の加速器、およびそれを備えた粒子線治療システムの実施例を説明する。尚、下記はあくまでも実施例に過ぎず、発明の内容を下記具体的態様に限定する趣旨ではない。発明自体は、下記実施例以外にも種々の形態に変形させることが可能である。
　最初に、本発明の好適な一実施例の円形加速器の構造について図１乃至図１４を用いて説明する。
　本実施例の円形加速器３９は、一定強度の主磁場２（図９参照）中を時間的に周波数変調した高周波電場によって陽子を加速するものであり、その取出しビームのエネルギーは、７０［ＭｅＶ］－２３５［ＭｅＶ］と可変となっている。
　なお、加速する粒子は陽子に限られず、炭素やヘリウム等の重粒子イオンや電子を加速することができる。
　円形加速器３９の外観を図１に、断面構成を図２に示す。
　図１に示すように、円形加速器３９は、上下に分割可能な主電磁石４０によってその外殻が形成されており、ビーム加速領域となる内部側は真空引きされている。
　円形加速器３９の外周部側には、入力カプラ２０と、回転コンデンサ３０とが設けられている。円形加速器３９は、この回転コンデンサ３０を用いて、高周波加速電圧を周波数変調する。
　主電磁石４０の上部にはイオン源５３が設置されており、低エネルギービーム輸送系５４を通してビームが円形加速器３９内部に入射される。イオン源５３としては、マイクロ波イオン源やＥＣＲイオン源などを適用できる。なお、イオン源は、主電磁石４０内部の真空引きされたビーム加速領域内部に配置しても良く、その場合はＰＩＧ型イオン源などが適用できる。
　主電磁石４０は、主磁極３８（図６等参照）、リターンヨーク４１、主コイル４２等から構成される。
　リターンヨーク４１には貫通口が複数あり、そのうち加速されたビームを取出すビーム用貫通口４６、内部のコイル導体を外部に引き出すためのコイル用貫通口４８、真空引き用貫通口４９、高周波加速空胴のための高周波系用貫通口５０が上下の主電磁石４０の接続面上に設けられている。
　高周波加速空胴はλ／２共振型空胴であり、ディー電極１２、ダミーディー電極１３、外導体１５、入力カプラ２０、回転コンデンサ３０などより成る。
　回転コンデンサ３０は、高周波加速空胴の共振周波数を変調するための機器であり、内導体１４に連なる固定電極３２、外導体１５に連なる回転電極３３、モータ３１等を有している。回転コンデンサ３０をモータ３１にて駆動することで固定電極３２と回転電極３３の対向部面積が変わるために静電容量が変化し、高周波加速空胴の共振周波数を変えることができる。これにより、周波数変調された加速電圧をディー電極１２とダミーディー電極１３との間の加速間隙１１に発生させることでビームを加速する加速高周波を生成する。
　図２に示した加速間隙１１の形状は、ハーモニクス数１の場合を示しており、ビームの軌道形状に応じて形成される。また、回転電極３３あるいは固定電極３２の先端形状を変化させることで、ビーム加速に適した共振周波数の変調パターンが得られる。
　図２に示すように、円形加速器３９の内部には、円環状の主コイル４２がリターンヨーク４１の内壁に沿って設置されている。主コイル４２は、コイル周囲にクライオスタットを設置して超伝導コイルとするが、常伝導コイルも用いることができる。主コイル４２の内側には主磁極３８が設置されており、主磁極３８の表面に設置されるトリムコイル（図示省略）と共にビーム周回や取出しに適した磁場分布を形成する。
　加速するビームの入射点５２は、円形加速器３９の中心付近に配置することもできるが、本実施例では、入射点５２を円形加速器３９の中心より出射側にずらし、ビーム軌道をコイル用貫通口４８側に偏芯させた場合の構成を示している。
　このような偏芯軌道の実現方法を説明する。
　各エネルギーの軌道を図３に示す。図３では周回軌道は最大エネルギー２３５［ＭｅＶ］から磁気剛性率０．０４［Ｔｍ］おきに５０種類のエネルギーの軌道を実線で示している。点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。
　ディー電極１２とそれに対向するダミーディー電極１３との間に形成される加速間隙１１は、等周回位相線に沿って設置する。
　図３において、低エネルギー領域ではサイクロトロンと同様にイオンの入射点５２付近を中心とする軌道をとる。
　より加速されると、高エネルギーの軌道は取出しに用いるセプタム電磁石４３の付近で密に集まっており、逆に内導体１４が設置されている付近では各軌道が互いに離れた位置関係にある。この軌道が密に集まっている点を集約領域、離散した領域を離散領域と呼ぶこととする。このような軌道配置とし、集約領域付近からビームを取り出すことで、ビームを取り出す際に必要なビームキック量を少なくできるため、エネルギー可変のビーム取出しを容易に行うことができる。
　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、本実施例の円形加速器３９においては設計軌道の半径方向外周側に行くにつれて磁場の値が小さくなる主磁場分布を用いている。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。
　本実施例の円形加速器３９の設計軌道について式（１）に基づき以下説明する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、ρは設計軌道の偏向半径、Ｂは磁場強度、δＢ／δｒは半径方向の磁場勾配を表す。
　式（１）にて定義される規格化された磁場勾配ｎが０より大かつ１未満となるようにすることで、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と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２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。また、全エネルギーのビームで、軌道面内に平行な方向のベータトロン振動数（水平チューン）は１より小さく、かつ１に近い値に設定される。
　上述の主磁場分布は、前述の通り、主コイル４２およびトリムコイルに所定の励磁電流を流すことにより励起される。主磁極３８の形状は軌道面に対して対称な形状であり、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。
　本実施例の円形加速器３９は、主磁場２が弱収束磁場である。このため、等時性磁場のＡＶＦ（Ａｚｉｍｕｔｈａｌｌｙ　Ｖａｒｉｎｇ　Ｆｉｅｌｄ）サイクロトロンにおけるＨｉｌｌ磁場およびＶａｌｌｅｙ磁場に由来する制約を受けることなく主磁場２を高めることができるので、ビーム軌道の偏向半径を小さくすることが可能である。
　なお、ＡＶＦサイクロトロンとは、磁場の強さを半径が大きくなるほど強くすることにより、粒子の周回軌道長を短くし、回転周期を短縮する方法により加速粒子の回転周波数と加速周波数を同期させる方式のサイクロトロンである。
　次にビームの取出し方法について説明する。本実施例の円形加速器３９では、ビームの取出しには、高周波キッカ７０、ピーラ磁場領域４４、リジェネレータ磁場領域４５、セプタム電磁石４３、上流側コイル３４、下流側コイル３５および高エネルギービーム輸送系４７を用いる。
　高周波キッカ７０の断面構成を図４に示す。また、図４中Ｂの方向より高周波キッカ７０を見た鳥瞰図を図５に示す。
　高周波キッカ７０は、ビームを取出すための取出し高周波を印加する装置であり、接地電極７１と高圧電極７２等を備えている。取出し高周波は、加速高周波とは周波数が異なる。
　図４に示すように、接地電極７１と高圧電極７２とは、最大出射エネルギー軌道８０や最小出射エネルギー軌道８１を挟むように対向して設置されており、かつ軌道面内で軌道と直交する方向に高周波電場が作用するように形状が定められている。
　また、図４および図５に示すように、接地電極７１には金属製の突起部７３が取り付けられており、接地電極７１と高圧電極７２との間に生じる高周波電場の集中を高めるように構成されている。
　高周波電圧が印加される高圧電極７２は接地電極７１に対して絶縁支持する。絶縁支持の方法は特に限定されず、絶縁支持体（図示省略）等によって支持する方法が考えられる。また、接地電極７１と高圧電極７２は、高周波通電による発熱に対する冷却機構（図示省略）を有する。
　接地電極７１、高圧電極７２は、共にビームが通過する軌道面付近に通過口７１Ａ，７２Ａをそれぞれ有している。これら通過口７１Ａ，７２Ａは、ビームの軌道面に対し垂直な方向のベータトロン振動による拡がりを考慮してビーム衝突が起きない程度の広さとする。
　なお、本実施例の高周波キッカ７０は、図４に示すようにビームの入口側や出口側の端面が開いた形状であるが、ビーム通過口７１Ａを除いて端面を接地電極７１で閉塞し、空胴共振器構造とすることもできる。
　高周波キッカ７０は、最小出射エネルギー軌道８１と最大出射エネルギー軌道８０との双方に電場が作用するよう配置すればよい。ただし、好適には図２に示すようにビーム出射経路入口８２の近辺に配置することが望ましい。
　図２に戻り、ピーラ磁場領域４４やリジェネレータ磁場領域４５は、ビームに作用する多重極磁場（擾乱磁場）が存在する領域である。この多重極磁場は２極以上の極数の磁場成分を含み、少なくとも４極磁場成分を含む高次磁場よりなる。なお、４極以上の多極磁場、あるいは２極磁場が含まれていてもよい。
　ピーラ磁場領域４４は、径方向外周側に向かって主磁場２を弱める方向の磁場勾配となっている。これに対し、リジェネレータ磁場領域４５は、逆に径方向外周側に向かって主磁場２を強める方向の磁場勾配となっている。なお、ピーラ磁場領域４４としては、磁極端部の主磁場２が減少する領域を利用することもできる。
　ピーラ磁場領域４４と、リジェネレータ磁場領域４５は、最大出射エネルギー軌道８０の外周側に、ビーム出射経路入口８２を挟んである方位角領域にそれぞれ配置する。ただし、ビーム進行方向に対して上流側にピーラ磁場領域４４を、下流側にリジェネレータ磁場領域４５を配置する。
　ピーラ磁場領域４４およびリジェネレータ磁場領域４５は、磁性体製の複数の磁極片かコイル、あるいはその両者を非磁性材にて主磁極３８に対して固定配置することで形成する。
　磁極片とコイルを併用する場合は、磁極片を配置するピーラ磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５とは異なる空間にコイルを配置してもよい。図２は、そのような配置の例を示している。つまり、磁極片をそれぞれピーラ磁場領域４４やリジェネレータ磁場領域４５の中やその周囲に配置する。例えば、上流側コイル３４と下流側コイル３５を図２に示すように配置する。
　いずれの場所に配置するにしても、上流側コイル３４は主磁場２を弱める向きの磁場を発生させ、下流側コイル３５は主磁場２を強める向きの磁場を発生させることに変わりはない。
　図２のＡ－Ａ’矢視図である図６に、上流側コイルや下流側コイルを用いない場合のリジェネレータ磁場領域４５の磁極片配置例を示す。また、図７に図６の直線ｒ上における磁場分布図を示す。
　図６に示すように、磁極片としては、リジェネレータ磁場領域４５に磁場勾配を発生させる磁場勾配用シム３６と、磁場勾配用シム３６が最大出射エネルギー軌道８０の内周側に発生させる不要な漏洩磁場を打ち消すための磁場補正用シム３７を用いる。図６中ｒ軸上の主磁場２は、図７に示すような分布となり、最大出射エネルギー軌道までビームは安定に周回する。
　また、図８に上流側コイルや下流側コイルを用いる場合を示す。この図８に示すように、リジェネレータ磁場領域４５内に下流側コイル３５を配置する場合は、磁極片である磁場勾配用シム３６の周囲に下流側コイル３５を巻回する。なお、ピーラ磁場領域４４については、磁場勾配用シム（図示省略）の周囲に上流側コイル３４を巻回する。
　セプタム電磁石４３は、図９に示すように、磁性体の内周側シム３と、磁性体の外周側シム４と、両極性通電するセプタムコイルと、両極性電源１０を備えている。セプタムコイルは、内周側セプタムコイル導体５と外周側セプタムコイル導体６およびコイル導体接続部７およびコイル口出し部８で構成される。
　セプタム電磁石４３は、ビーム出射経路入口８２の下流側に配置される。図９は巻き数１ターンでセプタムコイルを構成した場合を示している。つまり、内周側セプタムコイル導体５と外周側セプタムコイル導体６とが、コイル導体接続部７によって電気的に接続され、コイル口出し部８でコイル励磁のための両極性電源１０と電気的に接続されている。
　なお、コイル導体接続部７とコイル口出し部８とは逆に設けられていてもよく、ビーム出射経路入口８２に近い側にコイル口出し部８を設けてコイル導体接続部７をその反対側に設けてもよい。更には、図８に示すようにコイル口出し部８は内周側セプタムコイル導体５や外周側セプタムコイル導体６の端部に設ける必要はなく、内周側セプタムコイル導体５や外周側セプタムコイル導体６の一部を削ってビーム取出し方向の中間部分に設けてもよい。
　両極性電源１０によってセプタムコイルに励磁電流を流すことで、セプタム電磁石４３内部に２極磁場を形成することができる。内周側セプタムコイル導体５、外周側セプタムコイル導体６、コイル導体接続部７およびコイル口出し部８は、それぞれ発熱に対する冷却手段を有すると共に、励磁電流による電磁応力による変形が許容範囲内となるようサポート（図示省略）によって支持する。
　内周側シム３および外周側シム４は、磁性体性であって、例えば積層鋼板からなる。
　内周側シム３は、図９に示すように、ビームがビーム出射経路入口８２に到達する直前であるラスト１ターンの軌道１と干渉しないように楔形をしている。外周側シム４は、ビームの通過領域を挟んで内周側シム３と対向するように設置されていればよく、その形状は特に限定されない。
　ここで、取出しエネルギー帯のうち、最大出射エネルギーのＢρ積をＢρｍａｘ、最小出射エネルギーのＢρ積をＢρｍｉｎとし、（Ｂρｍａｘ＋Ｂρｍｉｎ）／２と等しいＢρ積に相当するビームエネルギーを中間エネルギーと定義する。そして、内周側シム３および外周側シム４のみで、中間エネルギーのビームが取出される磁場となるよう、それぞれのシムの厚みや形状を設定する。
　このように設計したセプタム電磁石４３において、中間エネルギーと異なるエネルギーのビームを取出す場合は、セプタムコイルに適切な励磁電流を通電する。図１０にセプタムコイルの励磁電流と取出しビームエネルギーの関係を示す。
　図１０に示すように、中間エネルギーよりも低いエネルギーのビームを取出す場合は、高いエネルギーのビームを取出す場合と逆極性の励磁電流をセプタムコイルに流すことで対応する。
　本実施例の円形加速器３９はパルス出射であるから、セプタムコイルの励磁電源である両極性電源１０は、直流励磁ではなくパルス励磁として電源の消費電力を低減することもできる。この場合はセプタムコイルの巻き数は、インダクタンスを抑制するために、１０ターン以下であることが望ましい。
　なお、両極性電源１０の換わりに単極性の電源を用いることができる。この場合、図１０に示すように、内周側シム３や外周側シム４の厚さは、内周側シム３および外周側シム４のみで最大エネルギーのビームが取出される磁場となるよう、それぞれのシムの厚みや形状を設定することが望ましい。その上で、最大エネルギー以外のビームは、セプタムコイルに対して通電することで取り出すことが望ましい。
　図９のＡ－Ａ’矢視断面（図２のＡ－Ａ’矢視断面と同じ）を図６、図８、図１１、図１２に示す。
　図６や図８に示すように、内周側シム３と外周側シム４とは、互いに接続することなく独立して置くことができる。
　また、図１１に示すように、内周側シム３と外周側シム４とを、ビームの軌道面に対して鉛直方向上方側に配置された上側シム１００により上面側で接続するとともに、ビームの軌道面に対して鉛直方向下方側に配置された下側シム１０１により下面側で接続した構造のセプタム電磁石４３Ａを用いることができる。
　さらに、図１２に示すように、ビーム軌道との干渉を避けるために、内周側シム３を省略した構造のセプタム電磁石４３Ｂを用いることもできる。なお、図１２では上側シム１００や下側シム１０１を配置する場合について示しているが、図６等のように上側シム１００や下側シム１０１を適宜省略することも可能である。
　また、軌道面付近で内周側シム３を分割し、ビーム軌道と干渉することをより確実に抑制する構造とすることができる。内周側シム３を分割構造とする場合においても、磁性体からなるシムを上側シム１００や下側シム１０１と同様の位置に適宜配置することができる。
　次に、図１３を用いてビームの取出し手順について説明する。
　１加速周期は、加速高周波の立ち上げ、すなわち高周波加速空胴の共振周波数ｆｃａｖがある所定値になったタイミングで加速電圧Ｖａｃｃの印加を開始する時点より始まる。
　Ｖａｃｃが立ち上がった後に、ビームがイオン源５３から主磁極３８内部の真空空間に入射され、時間ｔ１経過後にビームの高周波捕獲が終了する。
　捕獲されたビームが加速されて所望の取出しエネルギーに達したら、加速高周波の遮断の制御信号を出す。
　それから時間ｔ２が経過すると加速高周波がＯＦＦ状態となる。それと同時に、高周波キッカ７０に対して高周波電圧Ｖｅｘｔの印加を開始する。高周波キッカ７０が共振器構造でなく、静電容量が適切な値となるように設計されていれば、高周波キッカ７０の高周波電圧は数μｓ以下の応答で素早く立ち上がる。
　取出し用の高周波電圧Ｖｅｘｔの周波数ｆｅｘｔは、周回しているビームの水平方向チューンνｒの小数部Δνｒと、周回周波数ｆｒｅｖとの積Δνｒ×ｆｒｅｖと等しくなるようにしておく。その結果として、水平方向ベータトロン振動の振幅は持続的に増大し続ける。
　なお、接地電極７１と高圧電極７２とは、軌道面内で軌道と直交する方向（水平方向）に高周波電場が作用するように形状が定められているため、この高周波電場によりビームがキックされることで、水平方向のベータトロン振動の振幅を効率的に増大させることができる。ただし、高周波キッカ７０のみでは、ビームを取り出すのに十分なターンセパレーションを得ることはできない。そこで、ピーラ磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５が必要となる。
　ビームは、高周波キッカ７０の作用で、やがてピーラ磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５に到達する。ビームは、ピーラ磁場領域４４を通過すると外周側にキックされ、またリジェネレータ磁場領域４５を通過すると逆に内周側にキックされる。このとき、水平チューン≒１であり、ピーラ磁場領域４４およびリジェネレータ磁場領域４５は共に径方向に適切な磁場勾配を有するので、複数回ビームが周回するうちに、キック量が次第に増えていき、ターンセパレーションが増大する。つまり、２νｒ＝２のベータトロン振動の共鳴条件を利用することで、ターンセパレーションを指数関数的に増大させることができる。
　ビーム出射経路入口８２にはセプタム電磁石４３を設置しているため、やがて内周側シム３と内周側セプタムコイル導体５を合計した厚みを大きく超えるターンセパレーションが得られるようになると、ビームはセプタム電磁石４３内部へと導かれる。
　このとき、セプタムコイルの励磁電流がビームエネルギーに応じた適切な値であれば、ビームは十分な偏向を受けて、後段の高エネルギービーム輸送系４７へ導かれ、ビーム出射が開始される。図１３には、セプタムコイルをパルス励磁した場合の例を記載している。
　ビームの取出しが始まる前にセプタム電磁石４３の励磁電流の通電を開始する。取出し高周波の印加を終えた後は、ビームの取出しを行わないため、セプタムコイルの励磁電流を遮断することが望ましいが、次のビーム取出しまでの時間間隔が短い場合は、セプタムコイルの励磁を継続してもよい。
　なお、図１３に示したように、高周波キッカ７０へ高周波電圧印加を開始した直後は、可能な限り大きな高周波電圧（Ｖｅｘｔ）を印加しておき、ビームがピーラ磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５に到達する直前にＶｅｘｔの振幅を低下させることができる。これにより、ビーム出射開始までの時間を短縮でき、線量率を向上できる。
　ビームがピーラ磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５に到達したとき以降にＶｅｘｔの振幅を制御することで、ビーム出射電流を調整することができる。つまり、Ｖｅｘｔの振幅が大きくなるほど、ビーム出射電流も大きくなる。また、Ｖｅｘｔの印加を任意のタイミングで停止することでビーム出射を停めることができる。従って、スキャニング照射で要求されるスポット線量を１回の出射パルスビームで過不足なく照射することができ、線量率が向上する。
　また、Ｖｅｘｔの振幅を制御するかわりに、Ｖｅｘｔの周波数をスイープするか、位相を変えることの何れか一つ以上の制御によっても、ビーム出射電流を調整することができる。
　また、出射後に加速器内に周回電荷が残存していれば、Ｖｅｘｔを再び印加することでビーム出射を再開できるため、次のスポット照射に用いることができる。このため、イオン源５３より入射された電荷を無駄なく使用でき、線量率がさらに向上する。なお、加速器内に残存する周回電荷量があるレベル以下となると１加速周期が終了する。このような加速周期を繰り返すことで、ビームを取り出す。
　以上の取出し方法を実現する高周波電源と制御系のブロック図を図１４に示す。図１４は加速高周波電源２５、高周波キッカ電源８６とのいずれも三極管２４Ａ，２４Ｂを用いた場合の構成であるが、そのほかに四極管や半導体増幅器を用いることができる。
　ビームの加速系統として、入力カプラ２０と、ピックアップループ２１と、カソード抵抗２２、プレートＤＣ電源２３、および三極管２４Ａを有する加速高周波電源２５と、回転コンデンサ３０と、角度検出機構９０と、ディー電極１２と、外導体１５とを用いる。
　加速高周波電源２５は自励発振式とし、ピックアップループ２１にて加速高周波の一部をカソード回路に帰還させる方式とする。高周波加速電圧は、プレートＤＣ電源２３の出力電圧を高速に変調することで制御する。カソードバイアス電位は、図１４に示したようにカソード抵抗２２でプレート電位を分圧する形で与えるか、あるいはカソード電源を用いて与える構成としている。なお、加速高周波電源２５を他励発振式とし、ピックアップループ２１を省略して、プレプログラミング式の原発振器出力を前段増幅したものを三極管２４Ａの入力としてもよい。
　ビームの取出し系統には、両極性電源１０と、セプタム電磁石４３と、上流側コイル３４と、下流側コイル３５と、上流側コイル電源８７と、下流側コイル電源８８と、三極管２４Ｂと、プレートＤＣ電源２６と、グリッドバイアス電源８９と、原発振器９２と、スイッチ９３、と前段増幅器９４と、高周波キッカ電源８６と、高周波キッカ７０とを用いる。
　原発振器９２は、高周波キッカ７０用に、ある周波数帯域の信号を生成する。その信号には、ビームのチューンスプレッド分と、高周波キッカ７０への高周波電圧Ｖｅｘｔ印加中に水平方向チューンが変動することを考慮し、必要な周波数帯成分が含まれるものとする。この信号はスイッチ９３を経て前段増幅器９４にて増幅される。増幅後は、三極管２４Ｂで更に増幅され、高周波キッカ７０に供給される。高周波キッカ７０の高周波電圧Ｖｅｘｔの振幅は、前段増幅器９４の利得を変えるか、あるいはプレートＤＣ電源２６の出力電圧を高速に変調することで制御する。
　加速系統における加速高周波ｆｃａｖの印加タイミングや、ビーム取出し系統における取出し高周波ｆｅｘｔの印加タイミングなどを制御するのが演算装置９１である。
　演算装置９１は、回転コンデンサ３０の角度検出機構９０か、あるいは加速高周波のピックアップ信号から検出する加速高周波ｆｃａｖの周波数変調パターンや、制御装置１９１（図１５参照）からの各スポット照射許可や各スポットへの要求線量の情報の入力を受けて、加速高周波電源２５に対して加速高周波ｆｃａｖのＯＮ／ＯＦＦタイミングと電圧振幅の指令信号を出力する。
　また、演算装置９１は、上記情報の入力に基づいて、セプタム電磁石４３のＯＮ／ＯＦＦタイミングと励磁電流の指令信号を両極性電源１０に対して出力する。
　更に、演算装置９１は、高周波キッカ７０のＯＮ／ＯＦＦタイミングと電圧Ｖｅｘｔの振幅の指令信号を高周波キッカ電源８６に対して出力する。
　また、演算装置９１は、下流側コイル電源８８へ、すなわち下流側コイル３５に対してｏｎ／ｏｆｆタイミングや励磁電流の指令信号を出力し、上流側コイル電源８７へ、すなわち上流側コイル３４に対してｏｎ／ｏｆｆタイミングや励磁電流の指令信号を出力する。
　また、すべての出射エネルギー帯のビームに対し、加速器内部に残存する周回電荷量を静電的あるいは磁気的に計測するビームモニタ９５をビーム軌道上の何れか任意の箇所に設置する。そして、周回電荷量があるレベル以下に減少したら、演算装置９１は再度、加速電圧の印加を開始し、捕獲・加速・取出しのプロセスを繰り返す。
　次に、上述した本実施例の円形加速器３９を粒子線治療などに用いる粒子線治療システムに適用した場合の全体構成について図１５を用いて説明する。図１５は本実施例の粒子線治療システムの全体構成を示す図である。
　図１５において、粒子線治療システム３００は、円形加速器３９、高エネルギービーム輸送系４７、回転ガントリ１９０、照射装置１９２、治療台２０１、および制御装置１９１を備えている。
　円形加速器３９から出射された特定エネルギーのイオンビームは、高エネルギービーム輸送系４７および回転ガントリ１９０により照射装置１９２まで輸送される。輸送された特定エネルギーのイオンビームは照射装置１９２で患部形状に合致するように整形され、治療台２０１に横になった患者２００の患部標的に対して所定量照射される。
　これら円形加速器３９、高エネルギービーム輸送系４７、回転ガントリ１９０、照射装置１９２、治療台２０１の動作は制御装置１９１によって実行される。
　制御装置１９１はコンピュータ等で構成されている。これらを構成するコンピュータは、ＣＰＵやメモリ、インターフェース等を備えており、各機器の動作の制御や後述する各種演算処理等が様々なプログラムに基づいて実行される。これらのプログラムは各構成内の内部記録媒体や外部記録媒体、データサーバに格納されており、ＣＰＵによって読み出され、実行される。
　なお、動作の制御処理は、１つのプログラムにまとめられていても、それぞれが複数のプログラムに別れていてもよく、それらの組み合わせでもよい。また、プログラムの一部または全ては専用ハードウェアで実現してもよく、モジュール化されていても良い。更には、各種プログラムは、プログラム配布サーバや内部記憶媒体や外部記録媒体から各装置にインストールされてもよい。
　このとき、本発明の円形加速器３９は、上述の通り、小型化が可能であり、かつビームロスが低減されるため、線量率が向上して照射時間が短くなり、患者スループットを増加させることができる。
　なお、円形加速器３９から照射装置１９２に直接ビームを取出すことができる。また、照射装置１９２を複数設けることができる。更に、照射装置１９２は回転することなく固定されていてもよい。また、照射装置１９２で用いられる照射方法についても特に限定されず、ビームを走査するスキャニング方式や散乱体を用いるワブラ―方式のいずれでも良い。
　次に、本実施例の効果について説明する。
　上述した本実施例の粒子線治療システム３００は、主磁場２、および周波数変調した高周波電場によりビームを加速する円形加速器３９と、円形加速器３９から取出された特定エネルギーのビームを照射する照射装置１９２と、を備えている。このうち円形加速器３９は、周波数変調が可能であり、ビームを加速する加速高周波を印加する加速高周波印加装置と、加速高周波とは周波数が異なり、ビームを取出すための取出し高周波を印加する高周波キッカ７０と、２極以上の極数の磁場成分を含み、少なくとも４極磁場成分を含む高次磁場よりなる擾乱磁場領域を形成するピーラ磁場領域４４、リジェネレータ磁場領域４５と、磁性体のシム、および内周側セプタムコイル導体５、外周側セプタムコイル導体６を有するセプタム電磁石４３，４３Ａ，４３Ｂと、を備えている。
　以上のような構成とすることで、主磁場２を高めて小型化を図る円形の加速器において、小型で、かつ可変エネルギーのビーム取出しを可能とすることができる。また、散乱体を用いることなくエネルギー可変ビームを取出せるので、取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。更に、電気的に取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。
　このような円形加速器３９は、粒子線治療システムの患者スループットを向上させることに大きく寄与する。
　また、セプタム電磁石４３，４３Ａ，４３Ｂは、セプタムコイルに両極性通電する両極性電源１０を更に有しているため、両極性通電しない場合と比較して、励磁電流振幅をおおよそ半分にすることができ、セプタムコイルの熱負荷を１／４程度までに低減することができる。従って、セプタム電磁石４３，４３Ａ，４３Ｂの構造を簡易化することができるため、小型化および低コスト化を図ることができる。
　更に、シムは、外周側セプタムコイル導体６よりビーム周回軌道外周側に配置された外周側シム４により構成されることで、セプタムコイルが発生すべき磁場を低減することができ、セプタムコイルの熱負荷および電磁応力を抑制することができる。
　また、シムは、内周側セプタムコイル導体５よりビーム周回軌道内周側に配置された内周側シム３、および外周側セプタムコイル導体６よりビーム周回軌道外周側に配置された外周側シム４により構成されることによっても、セプタムコイルが発生すべき磁場を低減することができ、セプタムコイルの熱負荷および電磁応力を抑制することができる。
　更に、内周側シム３は、ビームの周回軌道に干渉しない楔形の形状であることで、円形加速器３９内でのビーム損失を抑制し、より高い照射線量率を実現することができる。
　また、内周側シム３および外周側シム４は、互いに接続されることなく独立して配置されていることにより、簡易な構造でセプタム電磁石４３を構成することができ、更なる小型化や低コスト化を図ることができる。
　更に、ビームの軌道面に対して鉛直方向上方側に配置された上側シム１００、およびビームの軌道面に対して鉛直方向下方側に配置された下側シム１０１を更に有し、内周側シム３と外周側シム４のうち少なくともいずれか一方は上側シム１００および下側シム１０１と接続されていることで、セプタム電磁石４３Ａ，４３Ｂによって生成する高エネルギービーム輸送系４７にビームを導くための磁場が主電磁石４０によって形成される主磁場２の端部漏れ磁場をより効率的に遮蔽することができ、セプタムコイルの励磁電流を低減することができる。
　また、シムは、積層鋼板コアであり、内周側セプタムコイル導体５、外周側セプタムコイル導体６よりなるコイル巻き線を１０ターン以下で構成することにより、パルス励磁が可能となり、励磁電源の消費電力を抑制できる。
　更に、ビームの入射点５２が、円形加速器３９の中心より出射側にずれるように主磁場２の分布を形成することで、ビーム出射経路入口８２に近い側にビーム周回軌道が密になる集約領域を形成することができる。このため、可変エネルギーのビーム出射をする際に要求される高周波キッカ７０のビームキック量は、ビームの入射点５２を円形加速器３９の中心に置き、この中心に対し同心円軌道となるよう主磁場分布を形成した場合に比べて小さくなるため、高周波キッカに要求される高周波電力を低く抑えることができる。
　また、ピーラ磁場領域４４、リジェネレータ磁場領域４５をそれぞれ１箇所ずつ配置し、ピーラ磁場領域４４は、主磁場２が径方向外周側に向けて弱まる磁場勾配を有する第１擾乱磁場領域とし、リジェネレータ磁場領域４５は、主磁場２が径方向外周側に向けて強まる磁場勾配を有する第２擾乱磁場領域とすることにより、高周波キッカ７０によるキックでこれらの擾乱磁場領域にまで到達したビームは、さらに大きくキックされてセプタム電磁石４３の入口に入り、やがて加速器外へと取出される。
　更に、ピーラ磁場領域４４、リジェネレータ磁場領域４５を、磁性体よりなる磁場勾配用シム３６と磁場補正用シム３７のみにより形成し、上流側コイル３４と下流側コイル３５を省略すれば、熱負荷や電源コストを抑制することができる、との効果が得られる。また、特に磁場補正用シム３７によって、ピーラ磁場領域４４、リジェネレータ磁場領域４５からの漏洩磁場が抑制されるため、ビームは、取出しエネルギーに達する前に軌道が乱されにくくなり、ビームをより安定に加速することができる。
　また、ピーラ磁場領域４４、リジェネレータ磁場領域４５の形成に、磁性体に加えて、上流側コイル３４と下流側コイル３５も用いるとすれば、ビームの効率的な取出しに向けた第１および第２擾乱磁場領域の磁場強度調整が可能となる。
　また、高周波キッカ７０には、取出し高周波として、取出したいエネルギーのビームの軌道面内、かつビームの軌道と直交する方向のベータトロン振動振幅を増大させる高周波を印加する。取出し高周波の電圧振幅、位相、周波数、印加時間のうち少なくともいずれか一つ以上を制御して、ビーム出射電流を制御することができる。
　更に、加速高周波印加装置による加速高周波の印加タイミング、高周波キッカ７０による取出し高周波の印加タイミングを制御する演算装置９１を更に備え、演算装置９１は、ビームを所望のエネルギーまで加速したのちに加速高周波の遮断を開始し、その後取出し高周波の印加を開始し、ビームの取出しが始まる前にセプタム電磁石４３，４３Ａ，４３Ｂのセプタムコイルに励磁電流を通電し、取出し高周波の印加を終えた後にセプタムコイルの励磁電流を遮断する。
　例えば、高周波キッカ７０への取出し高周波印加を任意のタイミングで停止することで、ピーラ磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５とにビームが到達しなくなり、ビームの円形加速器３９から出射の中断ができるようになる。
　また、高周波キッカ７０に印加を再開することで、周回電荷が残存していれば再びビームを入射・捕獲・加速することなしにビームの出射の再開もできる。
　また、高周波キッカ７０に印加する取出し高周波の電圧振幅を適切に制御することで、ビームの安定性に影響する要因を吸収し、ビーム電流の時間変動が少ない安定したビームを出射することができる。
　すなわち、取出し高周波により、１加速周期ごとの出射ビーム電荷を高精度に制御できるため、スキャニングに適した線量制御が可能となる。また、周回電荷を余すことなく取り出せ、かつエネルギー変更に散乱体も必要ないことから線量率が増加し、照射時間を短くでき、粒子線治療システムの患者スループットを向上させることができる。
　また、演算装置９１は、更に、取出し高周波の印加開始後、かつビームが擾乱磁場領域に到達する前に、取出し高周波の電場を弱めることにより、ビーム出射までの時間を短縮できる。
１…ラスト１ターンの軌道
２…主磁場
３…内周側シム
４…外周側シム
５…内周側セプタムコイル導体
６…外周側セプタムコイル導体
７…コイル導体接続部
８…コイル口出し部
１０…両極性電源
１１…加速間隙
１２…ディー電極
１３…ダミーディー電極
１４…内導体
１５…外導体
２０…入力カプラ
２１…ピックアップループ
２２…カソード抵抗
２３…プレートＤＣ電源
２４Ａ，２４Ｂ…三極管
２５…加速高周波電源
２６…プレートＤＣ電源
３０…回転コンデンサ
３１…モータ
３２…固定電極
３３…回転電極
３４…上流側コイル（擾乱磁場領域形成部、擾乱磁場形成用コイル）
３５…下流側コイル（擾乱磁場領域形成部、擾乱磁場形成用コイル）
３６…磁場勾配用シム（擾乱磁場領域形成部、磁極片）
３７…磁場補正用シム（擾乱磁場領域形成部、磁極片）
３８…主磁極
３９…円形加速器
４０…主電磁石
４１…リターンヨーク
４２…主コイル
４３，４３Ａ，４３Ｂ…セプタム電磁石
４４…ピーラ磁場領域（第１擾乱磁場領域）
４５…リジェネレータ磁場領域（第２擾乱磁場領域）
４７…高エネルギービーム輸送系
７０…高周波キッカ（取出し高周波印加装置）
７１…接地電極
７１Ａ，７２Ａ…ビーム通過口
７２…高圧電極
７３…突起部
８０…最大出射エネルギー軌道
８１…最小出射エネルギー軌道
８２…ビーム出射経路入口
８６…高周波キッカ電源
８７…上流側コイル電源
８８…下流側コイル電源
８９…グリッドバイアス電源
９０…角度検出機構
９１…演算装置
９２…原発振器
９３…スイッチ
９４…前段増幅器
９５…ビームモニタ
１００…上側シム
１０１…下側シム
１９０…回転ガントリ
１９１…制御装置
１９２…照射装置
２００…患者
２０１…治療台
３００…粒子線治療システム

Claims (15)

  1. 　主磁場、および周波数変調した高周波電場によりビームを加速する周回軌道型加速器であって、
    　周波数変調が可能であり、前記ビームを加速する加速高周波を印加する加速高周波印加装置と、
    　前記加速高周波とは周波数が異なり、ビームを取出すための取出し高周波を印加する取出し高周波印加装置と、
    　２極以上の極数の磁場成分を含み、少なくとも４極磁場成分を含む高次磁場よりなる擾乱磁場領域を形成する擾乱磁場領域形成部と、
    　磁性体のシム、およびセプタムコイルを有するセプタム電磁石と、を備えた
    　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、
    　前記セプタム電磁石は、前記セプタムコイルに両極性通電する両極性電源を更に有している
    　ことを特徴とする加速器。
  3. 　請求項２に記載の加速器において、
    　前記シムは、前記セプタムコイルよりビーム周回軌道外周側に配置された外周側シムにより構成される
    　ことを特徴とする加速器。
  4. 　請求項２に記載の加速器において、
    　前記シムは、前記セプタムコイルよりビーム周回軌道の内周側に配置された内周側シム、および前記セプタムコイルよりビーム周回軌道の外周側に配置された外周側シムにより構成される
    　ことを特徴とする加速器。
  5. 　請求項４に記載の加速器において、
    　前記内周側シムは、前記ビームのうち、最大エネルギーのビームの周回軌道に干渉しない楔形の形状である
    　ことを特徴とする加速器。
  6. 　請求項４に記載の加速器において、
    　前記内周側シムおよび前記外周側シムは、互いに接続されることなく独立して配置されている
    　ことを特徴とする加速器。
  7. 　請求項４に記載の加速器において、
    　前記ビーム周回軌道に対して鉛直方向上方側に配置された上側シム、および前記ビーム周回軌道に対して鉛直方向下方側に配置された下側シムを更に有し、
    　前記内周側シムと前記外周側シムのうち少なくともいずれか一方は前記上側シム、前記下側シムと接続されている
    　ことを特徴とする加速器。
  8. 　請求項１に記載の加速器において、
    　前記シムは、積層鋼板コアであり、
    　前記セプタムコイルは、１０ターン以下のコイルより構成される
    　ことを特徴とする加速器。
  9. 　請求項１に記載の加速器において、
    　加速するビームの入射点が前記加速器の中心より出射側にずれるように前記主磁場により形成される磁場分布を形成し、
    　前記擾乱磁場領域形成部を、加速中のビーム周回軌道からは外周側に離れた場所に少なくとも２箇所以上配置する
    　ことを特徴とする加速器。
  10. 　請求項９に記載の加速器において、
    　前記擾乱磁場領域形成部を２箇所配置し、
    　一方の擾乱磁場領域形成部は、前記主磁場が径方向外周側に向けて弱まる磁場勾配を有する第１擾乱磁場領域とし、
    　もう一方の擾乱磁場領域形成部は、前記主磁場が径方向外周側に向けて強まる磁場勾配を有する第２擾乱磁場領域とする
    　ことを特徴とする加速器。
  11. 　請求項１０に記載の加速器において、
    　前記擾乱磁場領域形成部は、磁性体よりなる磁極片、擾乱磁場形成用コイル、前記磁極片と前記擾乱磁場形成用コイルの双方、のいずれかからなる
    　ことを特徴とする加速器。
  12. 　請求項１に記載の加速器において、
    　前記取出し高周波印加装置は、
    　　前記加速高周波として、取出したいエネルギーのビームの軌道面内、かつ前記ビームの軌道と直交する方向のベータトロン振動振幅を増大させる高周波を印加し、
    　　前記取出し高周波の電場振幅、位相、周波数、印加時間のうち少なくともいずれか一つ以上を制御して、取出されるビームパルスの電荷量、および前記ビームパルスの時間構造を制御する
    　ことを特徴とする加速器。
  13. 　請求項１に記載の加速器において、
    　前記加速高周波印加装置による前記加速高周波の印加タイミング、前記取出し高周波印加装置による前記取出し高周波の印加タイミングを制御する演算装置を更に備え、
    　前記演算装置は、
    　　ビームを所望のエネルギーまで加速したのちに前記加速高周波の遮断を開始し、その後前記取出し高周波の印加を開始し、
    　　前記ビームの取出しが始まる前に前記セプタム電磁石の前記セプタムコイルに励磁電流を通電し、前記取出し高周波の印加を終えた後に前記セプタムコイルの励磁電流を遮断する
    　ことを特徴とする加速器。
  14. 　請求項１３に記載の加速器において、
    　前記演算装置は、更に、前記取出し高周波の印加開始後、かつ前記ビームが前記擾乱磁場領域に到達する前に、前記取出し高周波の電場を弱める
    　ことを特徴とする加速器。
  15. 　請求項１に記載の加速器と、
    　前記加速器から取出された特定エネルギーのビームを照射する照射装置と、を備えた
    　ことを特徴とする粒子線治療システム。
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