WO2020166116A1 - イオン源、およびこれを用いた円形加速器ならびに粒子線治療システム - Google Patents

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    • H05H2007/082—Ion sources, e.g. ECR, duoplasmatron, PIG, laser sources

Definitions

  • the present invention relates to an ion source suitable for a circular accelerator, a circular accelerator including the same, and a particle beam therapy system.
  • Patent Document 1 The technology described in Patent Document 1 is a background technology in this technical field.
  • a second internal ion source configured to generate the same particle ions as the first internal ion source, further comprising a cyclotron, the first internal ion source or the second internal ion source) Or simultaneously generate energetic particle beams produced by both ion sources.
  • Patent Document 1 described above, two ion sources of the same type are arranged inside, and the life is extended by switching and using them. However, the method described in Patent Document 1 does not consider extending the life of each ion source, and simply doubles the life by only two ion sources. ..
  • an object of the present invention is to provide a long-lived internal type ion source that does not have a filament whose life is determined, a circular accelerator using the same, and a particle beam therapy system.
  • the present invention includes a plurality of means for solving the above problems.
  • an ion source for a circular accelerator including a magnetic pole facing each other and a high-frequency accelerating electrode, An external microwave source, a waveguide for introducing microwaves emitted by the microwave source to a region to which the main magnetic field generated by the magnetic pole is applied, and a waveguide provided in a part of the magnetic pole.
  • a magnetic field generating section that is provided inside the hole and that generates a magnetic field in the opposite direction to the magnetic field generated by the magnetic pole, and the magnetic field generating section is added to the main magnetic field attenuated according to the diameter of the hole.
  • the plasma is generated inside the magnetic pole by the magnetic field generated by applying the reverse magnetic field generated by and the microwave introduced by the waveguide.
  • FIG. 5 is a diagram showing the magnetic field strength when the magnetic pole hole diameter d is changed at a certain position of the center of the ion source in FIG. 4. It is a figure which shows another example of the outline of the side surface around the ion source of FIG. It is a figure which shows the magnetic force line around the magnetic field generation mechanism of FIG. It is a figure which shows the magnetic force line when changing a magnetic pole shape around the magnetic field generation mechanism of FIG. It is a figure which shows the perpendicular magnetic field distribution of the ion source center of FIG.
  • Embodiments of the ion source of the present invention, a circular accelerator using the same, and a particle beam therapy system will be described with reference to FIGS. 1 to 9.
  • FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of the particle beam therapy system of this embodiment.
  • a particle beam therapy system 100 includes a cyclotron-type accelerator 50, a beam transport system 52, an irradiation device 54, a treatment table 40, and a control device 56.
  • the ions generated by the ion source 3 are accelerated by the accelerator 50 to form an ion beam.
  • the accelerated ion beam is emitted from the accelerator 50 and is transported to the irradiation device 54 by the beam transport system 52.
  • the ion beam transported to the irradiation device 54 by the beam transport system 52 is shaped there so as to match the shape of the affected area, and is irradiated with a predetermined amount on the target of the patient 45 lying on the treatment table 40.
  • each device and equipment in the particle beam therapy system 100 including the accelerator 50 is controlled by the control device 56.
  • the control device 56 has a central processing unit (CPU) and a memory connected to the CPU.
  • CPU central processing unit
  • various operation control programs related to irradiation of each device constituting the particle beam therapy system 100 are created from a treatment plan created by a treatment planning device (not shown) and stored in a database (not shown).
  • the operation of each device in the particle beam therapy system 100 is controlled by reading, executing the read program, and outputting a command.
  • the control process of the operation to be executed may be integrated into one program, may be divided into a plurality of programs, or may be a combination thereof. Further, part or all of the program may be realized by dedicated hardware or may be modularized. Furthermore, various programs may be installed by a program distribution server or an external storage medium.
  • each device may be an independent device connected by a wired or wireless network, or two or more may be integrated.
  • FIGS. 2 and 3 is a side sectional view of the accelerator of this embodiment
  • FIG. 3 is a transverse sectional view of the accelerator.
  • the accelerator 50 includes a main magnetic pole 1, an annular coil 2, a vacuum container 6, a high frequency accelerating electrode 7, and an ion source 3.
  • the main magnetic pole 1 is a pair of magnetic bodies installed so as to face each other, and is made of, for example, iron.
  • the main magnetic pole 1 is provided with convex magnetic poles 10 between the magnetic poles facing each other so as to generate a circular orbit 9 of the beam, and an isochronous magnetic field is generated between the magnetic poles.
  • the main magnetic field B0 is generated by the convex magnetic pole 10, and at the same time, the focusing force of the ion beam circulated by the gradient magnetic field formed by the edge of the convex magnetic pole 10 is increased to contribute to stable circulation.
  • the opposing upper and lower surfaces of the magnetic pole gap G generated by the main magnetic field B0 have a symmetrical shape.
  • the vacuum container 6 is sandwiched between the main magnetic poles 1 and forms one vacuum container as a whole and constitutes a magnetic circuit.
  • the vacuum container 6 is a non-magnetic material.
  • a separate vacuum container in which the magnetic pole is not the inner surface of the vacuum container may be separately provided.
  • the annular coil 2 is installed on the atmosphere side of the vacuum container 6 and generates a magnetic field B0 between the pair of upper and lower main magnetic poles 1.
  • the annular coil 2 can generate a magnetic field similarly with a coil made of a normal conducting material or a coil made of a superconducting material.
  • the annular coil 2 may be installed in the vacuum container 6 and is not particularly specified.
  • a high-frequency accelerating electrode 7 having a hollow inside is arranged inside the vacuum container 6, and a high-frequency power source 16 (see FIG. 4) can apply a high-frequency wave from the outside.
  • FIG. 4 is a diagram showing details of the ion source 3 in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram showing the magnetic field strength at the plasma generation position when the diameter d of the hole 1A is changed.
  • FIG. 6 is a diagram showing other details of the ion source 3.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the magnetic field distribution adjustment groove 24 and the magnetic force lines generated by the magnetic field generation mechanism 22.
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the magnetic field distribution adjustment holes 24A and the magnetic force lines generated by the magnetic field generation mechanism 22.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of the magnetic field distribution mechanism 22 and the magnetic field distribution generated by the hole diameter d and the magnetic field distribution adjusting groove 24 provided in the main magnetic pole 1.
  • the ion source 3 includes a microwave power source 25, a high frequency waveguide 21, an antenna 27, a magnetic field generation mechanism 22, a magnetic field distribution adjustment groove 24, an internal discharge chamber 23, a sample gas source 30, and a sample gas introduction line. 31 are provided.
  • the ion source 3 of the present embodiment is an ion source of a type in which electrons are accelerated by using microwaves and plasma is generated by the accelerated electrons, which is a so-called microwave ion source with few consumables and a long life, Alternatively, it is called an ECR (Electron Cyclotron Resonance) ion source.
  • ECR Electrotron Cyclotron Resonance
  • the microwave power supply 25 is a device that generates microwaves for generating plasma in the internal discharge chamber 23 of the ion source 3, and is provided outside the main magnetic pole 1 as shown in FIG.
  • the microwave is generated by the microwave power supply 25 and introduced into the internal discharge chamber 23 by the antenna 27 through the internal conductor 26 in the high frequency waveguide 21 filled with the insulator 20.
  • the sample gas source 30 is a sample gas supply source for generating plasma, which is a supply source of ions accelerated by the accelerator 50, and is, for example, a hydrogen gas cylinder or the like when the accelerated ions are protons.
  • the sample gas introduced into the internal discharge chamber 23 is not limited to hydrogen gas and is not particularly specified.
  • the sample gas introduction line 31 is a pipe for sending the sample gas from the sample gas source 30 to the internal discharge chamber 23.
  • the sample gas flowing through the sample gas introduction line 31 can be steadily flowed, but it may be introduced in a pulsed manner and is not particularly specified.
  • the high-frequency waveguide 21 is a coaxial type cable in which the insulating material 20 is filled around the inner conductor 26, and is configured to be able to propagate microwaves from the microwave power source 25 to the antenna 27. Considering insertion to the center of the main pole 1, it is desirable that the high-frequency waveguide 21 be composed of a metal-covered cable that is hard to deform, but a normal coaxial cable is used. I don't mind.
  • the insulator 20 prevents generation of plasma during microwave transmission and prevents abnormal discharge in the transmission area.
  • the insulator 20 is, for example, polytetrafluoroethylene or alumina, but is not particularly specified.
  • the antenna 27 is connected to the terminal side of the internal conductor 26 of the high-frequency waveguide 21 and has a structure protruding into the internal discharge chamber 23.
  • the high-frequency waveguide 21 and the antenna 27 constitute a waveguide that introduces the microwaves generated by the microwave power supply 25 to the region to which the magnetic field generated by the main magnetic pole 1 is applied.
  • the surfaces of the antenna 27 and the internal discharge chamber 23 may be coated with an insulating material to further reduce damage from plasma.
  • an insulating material there is boron nitride as an insulator.
  • the insulating area may be the entire surface or a part thereof, but it is desirable to coat the entire surface in order to maximize the effect.
  • the antenna 27 may have a cylindrical shape in which the inner conductor 26 is used as it is, or may be configured by a conductor separately connected to the inner conductor 26, and the shape thereof is not limited to the cylindrical shape, and may be a disc shape, a spiral shape, or the like. It is not prescribed.
  • the internal discharge chamber 23 has a cooling structure to reduce deformation and damage due to heating of the beam plasma.
  • it may be made of a heat resistant material and the cooling may be omitted.
  • it is made of molybdenum, carbon, copper or the like.
  • a hole 23A for extraction is provided on the side surface of the internal discharge chamber 23, and the extraction beam 15 is obtained from this hole 23A by the high-frequency electric field of the high-frequency acceleration electrode 7.
  • the structure for generating the extraction beam 15 provided on the side surface of the internal discharge chamber 23 is not limited to the hole 23A, but may be a slit or the like.
  • the microwave introduced by the high-frequency waveguide 21 and the antenna 27 generates a microwave electric field E between the antenna 27 and the internal discharge chamber 23.
  • the magnetic field strength of the main magnetic field B0 of the magnetic pole gap G generated by the main magnetic pole 1 is, for example, 2 to 9 Tesla.
  • Microwave plasma generates plasma by utilizing the resonance motion (helical motion) of electrons due to an electric field and a magnetic field.
  • the resonant frequency is determined by the magnetic field strength and the microwave frequency. For example, in a magnetic field of 9 Tesla (T), the resonant frequency becomes 250 GHz (GHz) or more. As the frequency becomes higher, the wavelength becomes shorter and transmission becomes difficult, and the structure of the transmitter becomes difficult and it becomes difficult to increase the output.
  • T 9 Tesla
  • a hole 1A that also serves as an insertion of the ion source 3 is formed in the main magnetic pole 1, and the magnetic field strength at the plasma generation position of the ion source 3 is reduced by the size of the hole diameter d.
  • Fig. 5 shows the magnetic field strength at the plasma generation position when the hole diameter d is changed.
  • the magnetic field strength is reduced by increasing the hole diameter of the hole 1A of the main pole 1.
  • the diameter d of the hole 1A is 400 millimeters (mm) or more
  • the magnetic field can be further reduced, but the magnetic field strength of the magnetic pole gap G sharply decreases. Therefore, the upper limit of the hole diameter of the hole 1A is preferably 400 millimeters (mm).
  • the size of the hole diameter d at which the magnetic field in the gap G begins to decrease may change depending on the material of the main pole 1 and the size of the magnetic pole gap G.
  • the range shown in FIG. 5 shows an example, and the range is not particularly limited to this value.
  • the main magnetic pole is provided inside the hole 1A provided in a part of the main magnetic pole 1.
  • a magnetic field generation mechanism 22 that generates a magnetic field in the opposite direction to the magnetic field generated by 1 is installed in.
  • the magnetic field generation mechanism 22 generates a magnetic field in a direction opposite to the main magnetic field B0 and cancels the magnetic field.
  • the magnetic field generation mechanism 22 is composed of, for example, a permanent magnet as shown in FIG. 4, but can be composed of a coil 22A as shown in FIG. When the coil 22A is used as shown in FIG. 6, it is possible to adjust the magnetic field distribution that cancels the main magnetic field.
  • the magnetic field generating mechanism 22 or the coil 22A may be installed on the entire inner circumference side in the hole 1A or may be installed on a part thereof, and a magnetic field in a direction opposite to the main magnetic field generated by the main magnetic pole 1 is generated. It only needs to be able to generate.
  • a magnetic field B1 having a direction opposite to that of the main magnetic field B0 is generated by the magnetic field generation mechanism 22.
  • a final magnetic field B0' is generated.
  • Plasma is generated in the internal discharge chamber 23 inside the main pole 1 by the magnetic field B0' and the introduced microwaves.
  • the magnetic field distribution adjusting groove 24 provided between the magnetic field generating mechanism 22 and the magnetic pole facing surface of the main magnetic pole 1 can further reduce the magnetic field intensity generated by the main magnetic pole 1.
  • the magnetic field distribution adjusting groove 24 is shown in the case of a groove shape having a rectangular cross section as shown in FIG. 7, but the shape is not limited to this shape. Besides the groove, a magnetic field distribution adjusting hole 24A having a diameter d1 smaller than the hole diameter d of the hole 1A as shown in FIG. 8 may be used. Further, a plurality of hole diameters may be used.
  • the magnetic field distribution adjusting groove 24 even if the magnetic field distribution adjusting groove 24 is formed by cutting the inner peripheral surface side of the hole 1A of the main pole 1, it is desirable to form the magnetic field distribution adjusting hole 24A after forming the hole. It may be formed by attaching a circular plate member of the same material by welding or the like around the position opening of the hole, and is not particularly limited.
  • the magnetic field distribution adjustment groove 24 reduces the magnetic field of about 4.2 Tesla (T) at the central position at the plasma generation position to 1 Tesla.
  • the resonance frequency at this time is 28 GHz (GHz), and the standard microwave power supply 25 and the high frequency waveguide 21 can be used. If the strength of the magnetic field generated by the magnetic field generation mechanism 22 is increased, the magnetic field B0' can be further reduced and the resonance frequency can also be reduced.
  • the internal discharge chamber 23 of the ion source 3 is arranged inside the main magnetic pole 1, and the plasma generated by the ion source 3 is subjected to high frequency acceleration by the high frequency power supply 16.
  • the extraction beam 15 is obtained by the high frequency electric field generated at the electrode 7.
  • the extracted extraction beam 15 is accelerated to a predetermined energy while drawing a circular orbit 9 by the action of the main magnetic field B0 formed by the convex magnetic pole 10 and the electric field of the radio frequency acceleration electrode 7, and then extracted from the circular orbit 9. It is output to the outside of the main pole 1.
  • the particle beam therapy system 100 of the present embodiment described above includes an accelerator 50 provided with the main magnetic pole 1, the high-frequency accelerating electrode 7, and the ion source 3 facing each other, and an irradiation device 54 for irradiating the charged particle beam accelerated by the accelerator 50.
  • the ion source 3 is a microwave power source 25 provided outside the main magnetic pole 1 and a high frequency for introducing microwaves generated by the microwave power source 25 to a region to which a magnetic field generated by the main magnetic pole 1 is applied.
  • the waveguide 21 and the antenna 27, and a magnetic field generating unit that is provided inside the hole 1A provided in a part of the main magnetic pole 1 and that generates a magnetic field opposite to the magnetic field generated by the main magnetic pole 1, Inside the main magnetic pole 1 by the magnetic field generated by applying a reverse magnetic field generated by the magnetic field generator to the main magnetic field attenuated according to the diameter of the hole 1A and the microwave introduced by the high frequency waveguide 21 and the antenna 27. To generate plasma.
  • the ion source 3 is an internal ion source type, the conventional internal ion source as described in Patent Document 1 is used. It is possible to obtain the ion source 3 having a long life without the filament being damaged. Further, since the structure of the ion source 3 is simple and the disassembly is easy, the maintenance time can be shortened, and the effect of improving the operating rate of the device can be obtained together with the increase of the life of the ion source.
  • the microwave power supply 25 and the like are reduced in cost and the plasma generation efficiency is improved. The effect such as can be obtained.
  • the magnetic field generator is composed of the permanent magnet or the coil 22A, the magnetic field strength formed by the main pole 1 can be reduced with a simple structure.
  • the magnetic field reducing structure is configured by the magnetic field distribution adjusting groove 24 or the magnetic field distribution adjusting hole 24A having a smaller diameter than the hole 1A, so that the magnetic field strength formed by the main magnetic pole 1 can be more effectively reduced with a simple structure.
  • effects such as cost reduction of the microwave power source 25 and the like and improvement of plasma generation efficiency can be more easily obtained.
  • a synchro cyclotron type accelerator that modulates an acceleration frequency can be used instead of the cyclotron type accelerator having the uneven magnetic pole as described above.
  • a synchrocyclotron type accelerator is a type of accelerator that is an improved version of a cyclotron. It repeatedly accelerates charged particles that move circularly between large magnetic poles by applying a high-frequency electric field. At high speed, the mass of the accelerated particle increases due to the relativistic effect, and the period of the circular motion of the charged particle in the magnetic field increases in proportion to the mass. The period deviation from the high frequency voltage caused by this is removed by modulating the frequency.
  • the ion source 3 can be arranged in the main magnetic pole 1 and the same effect can be obtained.
  • the accelerator 50 may be of an eccentric orbit type in which the orbits on the high energy side of the circular orbit of the beam have an aggregated region in which the orbits on the high energy side are densely gathered on the extraction region side outside the accelerator 50.

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Abstract

寿命が決定しているフィラメントを備えていない、長寿命な内部型のイオン源と、これを用いた円形加速器、ならびに粒子線治療システムを提供する。主磁極（１）の外部に設けられたマイクロ波電源（２５）と、マイクロ波電源（２５）で発せられたマイクロ波を主磁極（１）が生成する磁場が印加されている領域まで導入する高周波導波路（２１）およびアンテナ（２７）と、主磁極（１）の一部に設けた穴（１Ａ）の内側に設けられ、主磁極（１）が生成する磁場とは逆向きの磁場を生成する磁場発生部と、を有し、穴（１Ａ）の直径に応じて減衰させた主磁場に磁場発生部が生成する逆向きの磁場を印加して生成した磁場と高周波導波路（２１）およびアンテナ（２７）によって導入したマイクロ波と、により主磁極（１）の内部にプラズマを生成する。

Description

イオン源、およびこれを用いた円形加速器ならびに粒子線治療システム
　本発明は、円形加速器に好適なイオン源、およびそれを備えた円形加速器、ならびに粒子線治療システムに関する。
　本技術分野の背景技術として、特許文献１に記載の技術がある。この公報には、「第一内部イオン源と同じ粒子イオンを生成するように構成された第二内部イオン源を含み、さらにサイクロトロンが、第一内部イオン源または第二内部イオン源）のいずれかによりまたは同時に両イオン源により生成されたエネルギー粒子ビームを発生するように構成されている」という記載がある。
特表２０１１－５２３１８５号公報
　上述の特許文献１では、内部に同種のイオン源を２個配置し、これを切り換えて使用することで長寿命化を行っていた。しかしながら、特許文献１に記載された方法では、１個１個のイオン源の寿命を延ばすことについては配慮されておらず、単純に２個のイオン源によって２倍の寿命を得るのみであった。
　このため、いずれはフィラメントの損傷による寿命が発生していた。さらに、フィラメント交換のために主磁極の解体や、大気開放するなどの大がかりな作業を回避することはできず、装置の稼働率が低下する、との問題があった。
　そこで本発明の目的は、寿命が決定しているフィラメントを備えていない、長寿命な内部型のイオン源と、これを用いた円形加速器、ならびに粒子線治療システムを提供することである。
　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、対向する磁極と、高周波加速電極と、を備えた円形加速器用のイオン源であって、前記磁極の外部に設けられたマイクロ波発信源と、前記マイクロ波発信源で発せられたマイクロ波を前記磁極が生成する主磁場が印加されている領域まで導入する導波路と、前記磁極の一部に設けた穴の内側に設けられ、前記磁極が生成する磁場とは逆向きの磁場を生成する磁場発生部と、を有し、前記穴の直径に応じて減衰させた前記主磁場に前記磁場発生部が生成する逆向きの磁場を印加して生成した磁場と前記導波路によって導入した前記マイクロ波とにより前記磁極の内部にプラズマを生成することを特徴とする。
　本発明によれば、寿命が決定しているフィラメントを備えていない、長寿命な内部型のイオン源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。
本発明の円形加速器を用いた粒子線治療装置の全体構成を示す図である。 図１に示す円形加速器の側面断面を示す図である。 図１に示す円形加速器の横断面を示す図である。 図１のイオン源周りの側面の概略を示す図である。 図４のイオン源中心のある位置における磁極穴径ｄを変えた時の磁場強度を示した図である。 図１のイオン源周りの側面の概略の他の一例を示す図である。 図４の磁場発生機構周りの磁力線を示す図である。 図４の磁場発生機構周りで磁極形状を変えたときの磁力線を示す図である。 図４のイオン源中心の垂直方向磁場分布を示す図である。
　本発明のイオン源、およびこれを用いた円形加速器ならびに粒子線治療システムの実施例について図１乃至図９を用いて説明する。
　最初に、粒子線治療システムの全体構成および関連する装置の構成について図１を用いて説明する。図１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１において、粒子線治療システム１００は、サイクロトロン型の加速器５０、ビーム輸送系５２、照射装置５４、治療台４０、および制御装置５６を備える。
　粒子線治療システム１００では、イオン源３で発生させたイオンを加速器５０で加速してイオンビームとする。加速されたイオンビームは加速器５０から出射され、ビーム輸送系５２により照射装置５４まで輸送される。
　ビーム輸送系５２によって照射装置５４まで輸送されたイオンビームはそこで患部形状に合致するように整形され、治療台４０に横になった患者４５の標的に対して所定量照射される。
　これら加速器５０をはじめとした粒子線治療システム１００内の各装置、機器の動作は、制御装置５６によって制御される。
　制御装置５６は、中央演算装置（ＣＰＵ）およびＣＰＵに接続されたメモリを有する。この制御装置５６では、治療計画装置（図示省略）で作成され、データベース（図示省略）に記憶された治療計画から粒子線治療システム１００を構成する各機器の照射に関係する各種の動作制御プログラムを読み込み、読み込んだプログラムを実行し、指令を出力することで、粒子線治療システム１００内の各機器の動作を制御する。
　なお、実行される動作の制御処理は、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分かれていても良く、更にはそれらの組み合わせでも良い。また、プログラムの一部またはすべては専用ハードウェアで実現しても良く、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外部記憶メディアによってインストールされていても良い。
　また、各装置は、各々が独立した装置で有線あるいは無線のネットワークで接続されたものであっても、２つ以上が一体化していてもよい。
　次に加速器５０の構造について図２および図３を用いて説明する。図２は本実施例の加速器の側面の断面図で、図３はその加速器の横断面図である。
　図２および図３に示すように、加速器５０は、主磁極１、円環状コイル２、真空容器６、高周波加速電極７、イオン源３によって構成される。
　主磁極１は、対向するように設置された一対の磁性体であり、例えば鉄などからなる。主磁極１には、ビームの周回軌道９を発生させるように向かい合う磁極間に凸磁極１０が設けられており、等時性磁場をその磁極間に発生させる。加速器５０では、凸磁極１０によって主磁場Ｂ０を発生させるとともに、凸磁極１０のエッジにより形成された傾斜磁場で周回するイオンビームの集束力を増加させ、安定周回に寄与する。主磁場Ｂ０が発生する磁極ギャップＧ間の対向する上下面は対称形状である。
　真空容器６は主磁極１によって挟まれており、全体としてひとつの真空容器を形成するとともに磁気回路を構成する。真空容器６は非磁性体である。なお、磁極ギャップＧ内に、磁極を真空容器内面としない、分離された真空容器を別途設けてもかまわない。
　円環状コイル２は真空容器６より大気側に設置されており、上下一対の主磁極１間にＢ０の磁場を発生させる。円環状コイル２は常電導材料によるコイルでも超電導材料によるコイルでも同様に磁場を発生可能である。なお、円環状コイル２は真空容器６内に設置してもよく、特に規定されるものではない。
　真空容器６の内部には、内部が中空となる高周波加速電極７が配置されており、高周波電源１６（図４参照）により外部から高周波を印加することが可能となっている。
　次に図４乃至図９を用いて、イオン源３の詳細を説明する。
　図４は図２のイオン源３の詳細を示した図である。図５は穴１Ａの直径ｄを変えた時のプラズマ生成位置での磁場強度を示す図である。図６はイオン源３の他の詳細を示した図である。図７は磁場分布調整溝２４と磁場発生機構２２によって発生した磁力線との関係を示す図である。図８は磁場分布調整穴２４Ａと磁場発生機構２２によって発生した磁力線との関係を示す図である。図９は磁場発生機構２２と主磁極１に設けた穴径ｄおよび磁場分布調整溝２４によって生成された磁場分布の一例を示す図である。
　図４に示すように、イオン源３は、マイクロ波電源２５、高周波導波路２１、アンテナ２７、磁場発生機構２２、磁場分布調整溝２４、内部放電室２３、試料ガス源３０、試料ガス導入ライン３１、を備えている。
　本実施例のイオン源３は、マイクロ波を用いて電子を加速し、加速された電子によりプラズマを生成するタイプのイオン源であり、いわゆる、消耗品が少なく、寿命の長いマイクロ波イオン源、あるいはＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）イオン源と呼ばれるものである。
　マイクロ波電源２５は、イオン源３の内部放電室２３内でプラズマを生成するためのマイクロ波を生成する装置であり、図４に示すように主磁極１の外部に設けられている。
　マイクロ波は、マイクロ波電源２５で発生させ、絶縁物２０を充填した高周波導波路２１内の内部導体２６を通してアンテナ２７により内部放電室２３に導入される。
　試料ガス源３０は、加速器５０で加速するイオンの供給源であるプラズマを生成するための試料ガスの供給源であり、例えは加速するイオンが陽子の場合は水素ガスボンベ等である。本発明では、内部放電室２３内に導入する試料ガスは水素ガスに限られず、特に規定するものではない。
　試料ガス導入ライン３１は、試料ガス源３０から内部放電室２３まで試料ガスを送る配管である。試料ガス導入ライン３１を流れる試料ガスは定常的に流すことができるが、パルス状に導入してもよく、特に規定するものではない。
　高周波導波路２１は、内部導体２６の周囲に絶縁物２０が充填された同軸型のケーブルであり、マイクロ波電源２５からアンテナ２７までマイクロ波を伝播できるように構成されている。主磁極１の中心部まで挿入することを考えると、高周波導波路２１は、外側が金属で覆われた、変形のしにくいケーブルで構成されることが望ましいが、通常の同軸ケーブルを使用しても構わない。
　絶縁物２０はマイクロ波伝送中にプラズマが生成されるのを防ぐことと、伝送領域での異常放電を防ぐものである。絶縁物２０は例えばポリテトラフルオロエチレンやアルミナなどであるが、特に規定するものではない。
　アンテナ２７は、高周波導波路２１の内部導体２６の終端側に接続されており、内部放電室２３内に突き出た構造となっている。
　これら高周波導波路２１およびアンテナ２７により、マイクロ波電源２５で発せられたマイクロ波を主磁極１が生成する磁場が印加されている領域まで導入する導波路が構成される。
　なお、アンテナ２７および内部放電室２３の表面は、絶縁物でコーティングすればプラズマからの損傷をさらに低減することができる。絶縁物としてボロンナイトライドなどがある。また、絶縁する面積は全面であっても一部であってもよいが、その効果を最大限に発揮させるためには全面をコーティングすることが望ましい。
　また、アンテナ２７は内部導体２６をそのまま使用した円筒形状であっても、内部導体２６に別途接続した導体で構成してもよく、その形状も円筒形状以外に円板形状や渦巻き形など、特に規定するものではない。
　内部放電室２３は冷却構造とし、ビームプラズマの加熱による変形や損傷を減らすことが望ましい。あるいは耐熱材料で構成し、冷却を省略することもできる。例えばモリブデンやカーボン、銅などで構成される。
　また、内部放電室２３の側面には引き出し用の孔２３Ａが設けられており、高周波加速電極７の高周波電場によってこの孔２３Ａから引き出しビーム１５が得られる。なお、内部放電室２３の側面に設ける引き出しビーム１５を生成する構造は孔２３Ａに限られず、スリット等とすることができる。
　本実施例のイオン源３では、高周波導波路２１およびアンテナ２７によって導入したマイクロ波により、アンテナ２７と内部放電室２３との間でマイクロ波電界Ｅが生成される。
　マイクロ波によるプラズマ生成には電界とこれに直交する磁場が必要となる。主磁極１で生成される磁極ギャップＧの主磁場Ｂ０の磁場強度は、たとえば２～９テスラなどがある。マイクロ波プラズマは、電界と磁界による電子の共鳴運動（螺旋運動）を利用してプラズマを生成する。
　ここで、共鳴する周波数は磁場強度とマイクロ波の周波数とによって決まり、たとえば９テスラ（Ｔ）の磁場では、その共鳴周波数が２５０ギガヘルツ（ＧＨｚ）以上にもなる。周波数が高くなると波長が短くなり、伝送が難しくなることや、発信機の構造が難しく、出力を上げることが難しくなる、といった問題がある。
　このことから、プラズマ生成部では共鳴周波数を下げることが重要であり、このためにはできるだけ主磁極１によって生成される磁場強度を低減する必要がある。
　そこで、本実施例では、主磁極１にイオン源３の挿入も兼ねた穴１Ａをあけ、この穴径ｄの大きさによってイオン源３のプラズマ生成位置の磁場強度を低減する。
　図５に穴直径ｄを変えた時のプラズマ生成位置での磁場強度を示す。図５に示すように、主磁極１の穴１Ａの穴径を大きくすることで磁場強度が低下していることがわかる。ただし、図５に示すように、穴１Ａの直径ｄを４００ミリメートル（ｍｍ）以上にすると、磁場を更に低減することはできるものの、磁極ギャップＧの磁場強度が急激に減少する。このため、穴１Ａの穴径は上限は４００ミリメートル（ｍｍ）までとすることが望ましい。
　なお、主磁極１の材質や磁極ギャップＧの寸法によってはギャップＧの磁場低下が始まる穴径ｄの大きさが変化すると考えられる。図５で示した範囲は一例を示したもので、特にこの値に限定されるものではない。
　このように穴１Ａによる磁場強度低減の効果には限界があることから、本発明では、さらに主磁場Ｂ０を低減するために、主磁極１の一部に設けた穴１Ａの内側に、主磁極１が生成する磁場とは逆向きの磁場を生成する磁場発生機構２２をに設置する。この磁場発生機構２２により、主磁場Ｂ０とは逆方向の向きの磁場を生成し、打ち消す形で磁場を低減する。
　この磁場発生機構２２は、例えば図４に示すような永久磁石で構成されるが、図６に示すようにコイル２２Ａで構成することができる。図６のようにコイル２２Ａで構成される場合は、主磁場を打ち消す磁場分布の調整も可能となる。
　磁場発生機構２２、あるいはコイル２２Ａは、穴１Ａ内の内周側全面に設置されていても、一部に設置されていてもよく、主磁極１が生成する主磁場とは逆向きの磁場を生成することができればよい。
　図７に示すように、主磁場Ｂ０の向きと反対向きになる磁場Ｂ１が磁場発生機構２２により生成される。これにより、図４に示すように、最終的な磁場Ｂ０’が生成される。この磁場Ｂ０’と導入されたマイクロ波とにより、主磁極１の内部の内部放電室２３内にプラズマが生成される。
　さらに、図４に示すように、磁場発生機構２２と主磁極１の磁極対向面の間に設けた磁場分布調整溝２４によって、さらに主磁極１が生成する磁場強度を低減することができる。
　磁場分布調整溝２４は、図７に示すような矩形形状の断面をした溝形状の場合について示しているが、この形状に限定されるものではない。また溝の他に、図８に示したように穴１Ａの穴径ｄより径の小さい径ｄ１の持った磁場分布調整穴２４Ａとしてもよい。さらには複数段の穴径を用いてもよい。
　磁場分布調整溝２４を形成する場合は、主磁極１の穴１Ａの内周面側を削ることで作製しても、磁場分布調整穴２４Ａのような穴を形成した後に望ましくは主磁極１と同材質の円状板部材を当該穴の位置口周囲に溶接などで取付けることで形成してもよく、特に限定されない。
　図９に示すように、磁場分布調整溝２４によって、プラズマ生成位置において中心位置で約４．２テスラ（Ｔ）の磁場が１テスラまで低減されている。このときの共鳴周波数は２８ギガヘルツ（ＧＨｚ）となり、標準的なマイクロ波電源２５や高周波導波路２１が利用可能となる。磁場発生機構２２で生成される磁場強度を増加させれば、さらに磁場Ｂ０’を低減でき、共鳴周波数も低減することができる。
　本実施例では、図２や図４に示すように、イオン源３の内部放電室２３は主磁極１の内部に配置されており、イオン源３で生成されたプラズマから高周波電源１６により高周波加速電極７で生成された高周波電場によって引き出しビーム１５が得られる。
　引き出された引き出しビーム１５は、凸磁極１０により形成される主磁場Ｂ０および高周波加速電極７の電場の作用によって周回軌道９を描きながら所定のエネルギーまで加速され、その後に周回軌道９から引き出されて主磁極１の外部へ出力される。
　次に、本実施例の効果について説明する。
　上述した本実施例の粒子線治療システム１００は、対向する主磁極１、高周波加速電極７、イオン源３を備えた加速器５０と、加速器５０によって加速された荷電粒子ビームを照射する照射装置５４と、荷電粒子ビームを照射装置５４まで輸送するビーム輸送系５２と、荷電粒子ビームを照射する患者４５を載置する治療台４０と、を備えている。このうちイオン源３は、主磁極１の外部に設けられたマイクロ波電源２５と、マイクロ波電源２５で発せられたマイクロ波を主磁極１が生成する磁場が印加されている領域まで導入する高周波導波路２１およびアンテナ２７と、主磁極１の一部に設けた穴１Ａの内側に設けられ、主磁極１が生成する磁場とは逆向きの磁場を生成する磁場発生部と、を有し、穴１Ａの直径に応じて減衰させた主磁場に磁場発生部が生成する逆向きの磁場を印加して生成した磁場と高周波導波路２１およびアンテナ２７によって導入したマイクロ波とにより主磁極１の内部にプラズマを生成する。
　このような構成によって、イオン源３にフィラメントがなくともプラズマを主磁極１の内側に生成することができるため、内部イオン源型でありながら、特許文献１に記載のような従来の内部イオン源のようなフィラメントの損傷が無い、長寿命のイオン源３が得られる。また、イオン源３の構造が簡単で、組み立て解体も容易であることからメンテナンス時間の短縮となり、イオン源寿命の増加と合わせて、装置の稼働率向上の効果も得られるものとなっている。
　このようにフィラメントが用いられていない内部イオン源を構成できるため、損耗部分がない長寿命なイオン源を用いて円形加速器を構成することで、長寿命で高稼働率を達成した円形加速器やそれを利用した粒子線治療システムを提供することができる。
　また、穴１Ａの内周面側に設けられ、磁場発生部より主磁極１の内部側に設けられた磁場低減構造を更に有するため、マイクロ波電源２５等の低コスト化やプラズマ生成効率の向上などの効果を得ることができる。
　更に、磁場発生部は、永久磁石、あるいはコイル２２Ａで構成されることで、簡易な構造で主磁極１が形成する磁場強度を低減することができる。
　また、磁場低減構造は、磁場分布調整溝２４、あるいは穴１Ａより径の小さい磁場分布調整穴２４Ａで構成されることにより、簡易な構造で主磁極１が形成する磁場強度をより効果的に低減し、マイクロ波電源２５等の低コスト化やプラズマ生成効率の向上などの効果をより容易に得ることができる。
　＜その他＞　
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
　例えば、加速器５０は、上述のような凹凸の磁極を有するサイクロトロン型の加速器の替わりに、加速周波数を変調するシンクロサイクロトロン型の加速器を用いることができる。
　シンクロサイクロトロン型の加速器とは、サイクロトロンを改良した加速器の一種であり、大型磁極間で円運動する荷電粒子に高周波電場を加えて繰返し加速する。また、高速では加速された粒子の質量が相対論的効果によって増加し、磁場内の荷電粒子の円運動の周期は質量に比例して増加する。これによって起こる高周波電圧との周期のずれを、周波数を変調することによって取り除いている。
　シンクロサイクロトロン型の加速器も構成がサイクロトロン型の加速器と同様の構成であることからイオン源３を主磁極１内に配置することができ、同様の効果が得られる。
　また、加速器５０は、ビームの周回軌道のうち高エネルギー側の軌道が加速器５０外への取り出し領域側で密に集まる集約領域を有する偏心軌道型のタイプとすることができる。
１…主磁極
１Ａ…穴
２…円環状コイル
３…イオン源
６…真空容器
７…高周波加速電極
９…周回軌道
１０…凸磁極
１５…引き出しビーム
１６…高周波電源
２０…絶縁物
２１…高周波導波路（導波路）
２２…磁場発生機構（磁場発生部）
２２Ａ…コイル
２３…内部放電室
２３Ａ…孔
２４…磁場分布調整溝（磁場低減構造）
２４Ａ…磁場分布調整穴（磁場低減構造）
２５…マイクロ波電源（マイクロ波発信源）
２６…内部導体
２７…アンテナ（導波路）
３０…試料ガス源
３１…試料ガス導入ライン
４０…治療台
４５…患者（対象）
５０…加速器
５２…ビーム輸送系
５４…照射装置
５６…制御装置
１００…粒子線治療システム

 

Claims (6)

  1. 　対向する磁極と、高周波加速電極と、を備えた円形加速器用のイオン源であって、
    　前記磁極の外部に設けられたマイクロ波発信源と、
    　前記マイクロ波発信源で発せられたマイクロ波を前記磁極が生成する主磁場が印加されている領域まで導入する導波路と、
    　前記磁極の一部に設けた穴の内側に設けられ、前記磁極が生成する磁場とは逆向きの磁場を生成する磁場発生部と、を有し、
    　前記穴の直径に応じて減衰させた前記主磁場に前記磁場発生部が生成する逆向きの磁場を印加して生成した磁場と前記導波路によって導入した前記マイクロ波とにより前記磁極の内部にプラズマを生成する
    　ことを特徴とするイオン源。
  2. 　請求項１に記載のイオン源において、
    　前記穴の内周面側に設けられ、前記磁場発生部より前記磁極の内部側に設けられた磁場低減構造を更に有する
    　ことを特徴とするイオン源。
  3. 　請求項１に記載のイオン源において、
    　前記磁場発生部は、永久磁石、あるいはコイルで構成される
    　ことを特徴とするイオン源。
  4. 　請求項２に記載のイオン源において、
    　前記磁場低減構造は、溝、あるいは前記穴より径の小さい穴で構成される
    　ことを特徴とするイオン源。
  5. 　請求項１に記載のイオン源を備えたことを特徴とする円形加速器。
  6. 　請求項５に記載の円形加速器と、
    　前記円形加速器によって加速された荷電粒子ビームを照射する照射装置と、
    　前記荷電粒子ビームを前記照射装置まで輸送するビーム輸送系と、
    　前記荷電粒子ビームを照射する照射対象を載置する治療台と、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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