WO2023008256A1 - Ｂｎｃｔにおける低エネルギーの荷電粒子線輸送システム及び荷電粒子線輸送方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a low-energy charged particle beam transport system and a charged particle beam transport method in BNCT.
- boron neutron capture therapy One method of radiation therapy for cancer is boron neutron capture therapy.
- Boron neutron capture therapy (hereinafter referred to as BNCT ) irradiates boron compounds selectively accumulated in cancer cells with neutrons to generate alpha particles and lithium Destroys cancer cells with atomic nuclei. Since the range of ⁇ -particles and lithium nuclei is about the same as the size of cells, there is an advantage that only cancer cells can be selectively destroyed without seriously damaging normal cells.
- the first nuclear reaction is 9Be(p,n) 9B reaction
- the second nuclear reaction is 7Li (p,n) 7Be reaction
- the third nuclear reaction is 2H ( 2H,n ) 3 He reaction
- the fourth nuclear reaction is the 3 H( 2 H,n) 4 He reaction.
- the energy of the charged particles at this time is the highest in the first nuclear reaction with Be as the target, and is about 30 MeV.
- the energy required for the second nuclear reaction with Li as the target is about 3 MeV
- the energy for the fusion reaction using H as the target for the third and fourth nuclear reactions is further about 100 keV. and lower.
- methods for accelerating these charged particles include cyclotrons, electrostatic accelerators, linear accelerators, and the like.
- the Ministry of Health, Labor and Welfare is the only BNCT in Japan that uses the first nuclear reaction using a cyclotron.
- BNCT has a beam transport system (also called a beam transport path or beamline) that guides charged particles from the accelerator to the target for neutron generation, and also lowers the high-energy neutrons generated at the target to the thermal energy region. It consists of a combination of moderator systems.
- Patent Document 1 discloses a neutron moderation irradiation device including a deceleration section, a reflection section, and a collimator section.
- the moderating section decelerates neutron beams generated by the neutron source upon being irradiated with the charged particle beam, and the reflecting section surrounds the moderating section and reflects the neutron beams.
- the collimator section shapes the irradiation field of the neutron beams moderated by the deceleration section, and has a partition section and a nozzle section.
- the partition part is arranged downstream of the deceleration part in the irradiation direction of the charged particle beam, and has a hole whose diameter decreases in the irradiation direction
- the nozzle part is arranged downstream of the partition part in the irradiation direction, It protrudes from the periphery of the hole in the irradiation direction and has a through hole in the center.
- the nozzle section includes a reflector that forms the inner wall of the through hole, and a shield that surrounds the reflector. This makes it possible to precisely irradiate neutron beams with high intensity.
- Patent Document 2 discloses an accelerator, a target, a beam transport path, a first current detection unit, a second current detection unit, and a non-overlapping part.
- the accelerator emits a charged particle beam
- the target is irradiated with the charged particle beam to generate a neutron beam.
- the beam transport path transports the charged particle beam emitted from the accelerator to the target
- the first current detector is arranged inside the beam transport path in a state of being insulated from the inner wall of the beam transport path, and detects the charged particle beam. current value is detected.
- the second current detection unit is arranged in the beam transportation path downstream of the first current detection unit and insulated from the inner wall of the beam transportation path, detects a current value of the charged particle beam, and detects a non-overlapping current value.
- the second current detection section does not overlap the first current detection section when the first current detection section and the second current detection section are viewed with a line of sight parallel to the extending direction of the beam transport path. This improves the reliability of abnormality detection of the irradiation position of the charged particle beam with respect to the target.
- Patent Document 3 discloses an accelerator, a beam transport pipe (beam transport path), a target, a moderator (moderator system), a beam adjusting magnetic field coil (focusing lens ), an accelerator-based system is disclosed that also includes a BNCT comprising: The accelerator emits a charged particle beam (charged particle beam), and the beam transport tube transports the charged particle beam emitted from the accelerator. The target is irradiated with a charged particle beam transported from the beam transport tube to generate a neutron beam, and the moderator reduces the energy of the neutron beam generated from the target to a thermal energy region.
- BNCT BNCT
- the magnetic field coil for beam adjustment is composed of three quadrupole magnetic field coils (quadrupole electromagnets) arranged along the irradiation direction of the charged particle beam from the upstream side of the beam transport tube. be.
- An embodiment is disclosed in which the target is made of lithium and is irradiated with a proton beam of 5 MeV or less.
- Patent Document 4 discloses an invention of a charged particle beam homogenization method.
- three quadrupole magnets Qx, Qy, Qx are arranged along the direction of irradiation of the charged particle beam from the upstream of the charged particle beam inside the beam transport path, and two octopole magnets My , Mx are arranged along the irradiation direction of the charged particle beam from the quadrupole magnet Qx on the downstream side, and the magnetic fields of the quadrupole magnets Qx, Qy, Qx and the octopole magnets My, Mx are controlled. It is said that this widens the beam profile in the width direction of the charged particle beam and makes it uniform.
- Non-Patent Document 1 Yosuke Yuri, et al., “Uniformization of the transverse beam profile by means of nonlinear focusing method”, Phys. Rev. ST Accel. Beams 10, 104001 Published 29 October 2007
- simulation using hexapole and octopole electromagnets to perform nonlinear focusing of charged particle beams (beams) in the beam transport path, it is disclosed that an asymmetrically distributed beam can be converted into a uniformly distributed beam. ing.
- Non-Patent Document 2 Shin-ichiro Meigo, et al., “Two-parameter model for optimizing target beam distribution with an octupole magnet”, Phys. Rev. Accel. Beams 23, 062802 Published 23 June 2020
- octupole magnets based on nonlinear optics can optimize the beam profile in the beam transport system.
- a beryllium target is irradiated with a proton beam of relatively high energy (for example, 30 MeV) emitted from an accelerator cyclotron to generate 9 Be(p,n).
- a proton beam of relatively high energy for example, 30 MeV
- 9 Be(p,n) By generating 9 B reaction, it is used as a neutron beam for BNCT.
- the neutron beam used for BNCT needs to decelerate to the thermal energy region in order to efficiently react with 11 B in the patient's body.
- Patent Document 1 solves such a problem.
- the accelerator for BNCT has been miniaturized in recent years, making it possible to generate proton beams with low energy. Therefore, development of BNCT medical equipment using an accelerator that emits low-energy proton beams is underway.
- the target to be irradiated with the low-energy proton beam is lithium, and it is assumed that the 7 Li(p,n) 7 Be reaction of the second nuclear reaction described above is used.
- the energy of the proton beam can be as low as 5 MeV or less
- the melting point of lithium as the target is 179° C., which is lower than the melting point of beryllium (1278° C.) which is the target of the conventional high-energy proton beam. low.
- a large current of 10 mA is required as a proton dose. , there is a problem that the target lithium evaporates.
- Patent Document 2 and the technology described in Non-Patent Documents 1-2 cannot solve such problems.
- Cited Document 3 is only provided with three quadrupole electric field coils, and there is no specific description about homogenization of the charged particle beam, and the above-mentioned problem cannot be solved. .
- Cited Document 4 assumes a point source, and does not assume a charged particle beam in which charged particles from an accelerator are aligned in a fixed direction. Further, in the technique described in Cited Document 4, the magnetic field conditions of three quadrupole electromagnets and two octapole electromagnets (absolute values of 3.94 kilogauss and 8.37 kilogauss) is set to be almost equivalent to the magnetic field of a quadrupole electromagnet (absolute values of 7.33 kilogauss, 9.57 kilogauss, and 5.41 kilogauss). is unknown, and the distance from the upstream quadrupole magnet to the target cannot be shortened. For example, in FIG.
- the length of one piece of the beam profile before passage (FIGS. 4A and 4B) is 12 cm to 14 cm, and the length of one piece of the beam profile after passage (FIGS. 4C and 4D) is In contrast, the beam is condensed and converged, and although the intensity of the beam is uniformed, the widening of the beam area is not realized at all. Furthermore, in FIG. 1 of Cited Document 4, the distance from the upstream quadrupole electromagnet to the irradiation plane (IRRADIATION PLANE) is about 6.3 m, which is extremely long. Therefore, the technique described in Cited Document 4 cannot solve the above-described problems.
- the present invention has been made to solve the above problems, and is a low-energy BNCT that can uniformly transport a low-energy, large-current charged particle beam in a BNCT.
- An object of the present invention is to provide a charged particle beam transportation system and a charged particle beam transportation method.
- a low-energy charged particle beam transport system in BNCT includes an accelerator, a beam transport path, a target, a moderator system, a focusing lens, and a focusing lens controller.
- the accelerator emits a low-energy charged particle beam of 5 MeV or less.
- a beam transport path transports the charged particle beam emitted from the accelerator.
- the target contains lithium and generates a neutron beam upon being irradiated with the charged particle beam transported from the beam transport path.
- a moderator system reduces the energy of the neutron beams generated from the target to the thermal energy regime.
- the focusing lens arranges three quadrupole electromagnets in the beam transport path from upstream of the charged particle beam along the irradiation direction of the charged particle beam, and a predetermined number of octopole electromagnets, It is configured by arranging along the irradiation direction of the charged particle beam from the quadrupole electromagnet on the downstream side.
- the condensing lens control unit controls the magnetic fields of the quadrupole electromagnet and the octopole electromagnet to widen and homogenize the beam profile of the charged particle beam in the width direction.
- a low-energy charged particle beam transportation method in BNCT includes: A method comprising a collection lens control step.
- the condenser lens control process corresponds to the condenser lens controller.
- FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a low-energy charged particle beam transport system in BNCT according to an embodiment of the present invention
- FIG. 4 is a flow chart for showing the execution procedure of the charged particle beam transportation method according to the embodiment of the present invention
- FIG. 4 is a cross-sectional view of the quadrupole electromagnet and the octopole electromagnet of the focusing lens according to the embodiment of the present invention, viewed from the irradiation direction of the charged particle beam
- 1 is a schematic diagram showing an example of a first basic configuration of a focusing lens according to an embodiment of the invention
- FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of a second basic configuration of a focusing lens according to an embodiment of the invention
- 1 is a schematic diagram showing an example of a first applied configuration of a focusing lens according to an embodiment of the present invention
- FIG. FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of a second applied configuration of the condenser lens according to the embodiment of the present invention
- FIG. 4 is a diagram showing an example of simulation results of an initial beam profile and a beam profile after passing through the focusing lens in the first basic configuration of the focusing lens
- FIG. 10 is a diagram showing an example of simulation results of an initial beam profile and a beam profile after passing through the focusing lens in the second basic configuration of the focusing lens
- FIG. 10 is a diagram showing an example of a calculation result of the trajectory of FIG. 1 of Patent Document 4 using simulation software;
- FIG. 10 is a diagram showing an example of simulation results of an initial beam profile and a beam profile after passing through a focusing lens in the technology described in Patent Document 4;
- the low-energy charged particle beam transport system 1 in BNCT includes an accelerator 10, a beam transport path 11, a target 12, a moderator system 13, a focusing lens 14, and a control a device 15;
- the accelerator 10 generates a charged particle beam C, accelerates the generated charged particle beam C with a predetermined electrostatic field, and emits it.
- the accelerator 10 adjusts the electrostatic field and emits the generated charged particle beam C in a low energy state of 5 MeV or less.
- the charged particle beam C corresponds to a charged particle beam, means a narrow stream of charged particles aligned in a fixed direction, and corresponds to a beam like a laser beam that has high directivity and travels straight. Achieving such homogenization of the charged particle beam C is useful for BNCT.
- a point source line from a point source means a flow extending radially in all directions from the point source, which is different from a flow in which charged particles align in one direction. In the present invention, it is practically impossible to use a point source line in BNCT.
- the beam transport path 11 transports the charged particle beam C emitted from the accelerator 10 to a predetermined target 12 .
- the beam transport path 11 constitutes a charged particle beam path connecting between the accelerator 10 and the target 12 .
- the target 12 contains lithium (Li) and generates neutron beams N upon being irradiated with the charged particle beam C transported from the beam transport path 11 .
- the generated neutron beam N is used for treatment of BNCT.
- the target 12 is constructed by placing lithium having an area smaller than the cross-sectional area of the conduit of the beam transport path 11 at the end of the conduit.
- the accelerator 10 side is defined as the upstream side
- the target 12 side is defined as the downstream side.
- the moderator system 13 reduces the energy of the neutron beam N generated from the target 12 to the thermal energy region.
- a truncated cone of magnesium fluoride whose diameter is expanded along the direction in which the charged particle beam C is emitted is provided downstream of the lithium of the target 12 .
- Cadmium is provided on the downstream side of magnesium fluoride, and graphite is provided as a reflector around them.
- a high density polyethylene is provided around the graphite as a shielding material.
- a truncated conical opening is provided as a collimator, the diameter of which is reduced along the direction in which the charged particle beam C is emitted, and the neutron beam N emitted from the lithium is appropriately focused. , configured to emit to a patient.
- the focusing lens 14 arranges three quadrupole electromagnets in the beam transport path 11 along the irradiation direction of the charged particle beam C from the upstream of the charged particle beam C, and a predetermined number of octopole electromagnets. , along the irradiation direction of the charged particle beam C from the quadrupole electromagnet on the downstream side.
- Each of the quadrupole electromagnet and the octopole electromagnet is arranged in a direction perpendicular to the irradiation direction (emission direction) of the charged particle beam C in the beam transport path 11, and applies a magnetic field in the width direction of the charged particle beam C. to control the profile of the charged particle beam C in the width direction.
- the predetermined number means a number of 1 or more.
- the control device 15 controls the magnetic fields of the quadrupole electromagnet and the octopole electromagnet that make up the focusing lens 13 .
- the control device 15 incorporates a CPU, ROM, RAM, HDD, SSD, etc. (not shown). do. Also, each unit described later is implemented by the CPU executing a program.
- FIG. 1 when the operator activates the low-energy charged particle beam transport system 1 in the BNCT and inputs the start key to the accelerator 10, the accelerator 10 starts operating, and the charged particle beam transport system 1 subsequently operates.
- BNCT basically, the focusing lens 14 of the beam transport path 11 is controlled according to the operation of the accelerator 10 .
- the accelerator 10 emits the proton beam as the charged particle beam C to the beam transport path 11 .
- the energy of the charged particle beam C generated by the accelerator 10 is assumed to be a low energy of 5 MeV or less, for example, within the range of 2 MeV to 5 MeV.
- the current value of the accelerator 10 is preferably within the range of 5 mA to 20 mA. Thereby, the amount of neutrons necessary for BNCT can be generated.
- the amount of heat of the charged particle beam C is determined by the energy of the charged particle beam C from the accelerator 10 and the current value.
- the amount of heat of the charged particle beam C depends on the energy of the charged particle beam C from the accelerator 10, considering the treatment of BNCT, for example, it is preferably in the range of 5 kW to 100 kW, and is in the range of 10 kW to 50 kW. More preferred. This makes it possible to relatively easily implement a moderator system for moderating the energy of the neutron beam N to the thermal energy region.
- the condensing lens control unit 102 of the control device 15 controls the magnetic fields of the quadrupole electromagnet and the octopole electromagnet of the condensing lens 14 so that the beam profile (cross-sectional shape) of the charged particle beam C in the width direction is is widened and homogenized (Fig. 2: S102).
- the quadrupole electromagnet and the octopole electromagnet are arranged by alternately reversing the polarities (S pole or N pole) of a plurality of electromagnets along the circumferential direction of the charged particle beam C, as shown in FIG. configuration.
- the polarities of four electromagnets are alternately reversed along the circumferential direction of the charged particle beam C. They are alternately reversed and arranged along the circumferential direction.
- a plurality of electromagnets forming a quadrupole electromagnet or an octapole electromagnet are arranged along the circumferential direction of the charged particle beam C at equal intervals.
- the charged particle beam C is appropriately spread and made uniform.
- the basic configuration of the focusing lens 14 in the beam transport path 11 is as shown in FIG. , three quadrupole electromagnets 14a, 14b, 14c and one octopole electromagnet 14d are arranged in this order along the emission direction of the charged particle beam C.
- FIG. This configuration is called the first basic configuration.
- the present invention requires at least three quadrupole magnets 14a, 14b, 14c and one octopole magnet 14d as a minimum focusing lens 14 configuration.
- the rectangle includes a square, a rectangle, and the like.
- the length x1 (the length in the irradiation direction of the charged particle beam C) of the upstream quadrupole electromagnet 14a located on the upstream side along the emitting direction of the charged particle beam C and the quadrupole electromagnet 14a on the midstream side
- the length x2 of 14b, the length x3 of the quadrupole electromagnet 14c on the downstream side, and the length x4 of the octopole electromagnet 14d are appropriately designed according to the energy of the charged particle beam C by the accelerator 10 and the current value of the accelerator 10. be.
- the quadrupole electromagnet 14b on the midstream side is a quadrupole electromagnet arranged in the middle between the quadrupole electromagnet 14a on the upstream side and the quadrupole electromagnet 14c on the downstream side.
- the length x1 of the quadrupole electromagnet 14a on the upstream side, the length x2 of the quadrupole electromagnet 14b on the midstream side, and the length x3 of the quadrupole electromagnet 14c on the downstream side are set to have the same length. be. That is, the three quadrupole electromagnets 14a, 14b, and 14c have the same length in the irradiation direction of the charged particle beam C. As shown in FIG. Thereby, the magnetic fields of the three quadrupole electromagnets 14a, 14b, and 14c can be applied to the charged particle beam C in good balance.
- the length x4 of the octopole electromagnet 14d may be set to the same length as the length x1 of the quadrupole electromagnet 14a on the upstream side. , and may be set to the same length.
- each of the length x1 of the upstream quadrupole electromagnet 14a, the length x2 of the midstream quadrupole electromagnet 14b, and the length x3 of the downstream quadrupole electromagnet 14c is within a range of, for example, 10 cm to 40 cm.
- the length x4 of the octopole electromagnet 14d is set, for example, within the range of 10 cm to 40 cm.
- the midstream quadrupole electromagnet 14b is spaced a first distance d1 from the upstream quadrupole electromagnet 14a, and the downstream quadrupole electromagnet 14c is positioned a second distance from the midstream quadrupole electromagnet 14b. They are arranged with an interval d2.
- the octapole electromagnet 14d is arranged with a third distance d3 from the quadrupole electromagnet 14c on the downstream side, and is arranged with a fourth distance d4 from the target 12 .
- the first distance d1 and the second distance d2 are set within a range of, for example, 10 cm to 40 cm, but the first distance d1 and the second distance d2 are set to be equal. and preferred. That is, it is preferable that the three quadrupole electromagnets 14a, 14b, and 14c are arranged at regular intervals. Thereby, the magnetic fields of the three quadrupole electromagnets 14a, 14b, and 14c can be applied to the charged particle beam C in good balance.
- the third distance d3 is set, for example, within the range of 15 cm to 100 cm. preferable. Furthermore, the fourth distance d4 is set, for example, within the range of 15 cm to 100 cm, but is preferably set equal to the third distance d3, for example.
- the basic distance T from the accelerator 10 to the target 12 is the length x1 of the upstream quadrupole electromagnet 14a, the first distance d1, the length x2 of the midstream quadrupole electromagnet 14b, and the second distance T.
- the distance d2 the length x3 of the quadrupole electromagnet 14c on the downstream side, the third distance d3, the length x4 of the octopole electromagnet 14d, and the fourth distance d4, for example, within the range of 90 cm to 440 cm. Become.
- the basic configuration of the focusing lens 14 in the beam transport path 11 is as shown in FIG. , three quadrupole electromagnets 14a, 14b, 14c and two octopole electromagnets 14d, 14e are arranged in this order.
- This configuration is called a second basic configuration.
- at least three quadrupole magnets 14a, 14b, 14c and two octopole magnets 14d, 14e are required as a minimum focusing lens 14 configuration.
- the circle includes a perfect circle, an ellipse, and the like.
- the length x1 of the upstream quadrupole electromagnet 14a, the length x2 of the midstream quadrupole electromagnet 14b, the length x3 of the downstream quadrupole electromagnet 14c, and the upstream octapole electromagnet 14d are
- the length x4 and the length x5 of the octopole electromagnet 14 e on the downstream side are appropriately designed according to the energy of the charged particle beam C by the accelerator 10 and the current value of the accelerator 10 .
- the length x1 of the quadrupole electromagnet 14a on the upstream side, the length x2 of the quadrupole electromagnet 14b on the midstream side, and the length x3 of the quadrupole electromagnet 14c on the downstream side are set to have the same length. be.
- the length x4 of the upstream octopole electromagnet 14c arranged immediately after the downstream quadrupole electromagnet 14c and the length x5 of the downstream octopole electromagnet 14e are set to be the same length. . That is, the two octopole electromagnets 14d and 14e have the same length in the irradiation direction of the charged particle beam.
- the magnetic fields of the three quadrupole electromagnets 14a, 14b, 14c and the two octopole electromagnets 14d, 14e can be applied to the charged particle beam C in a well-balanced manner.
- the length x4 of the upstream octopole electromagnet 14c may be set to the same length as the length x1 of the upstream quadrupole electromagnet 14a.
- the lengths of the pole electromagnets 14d and 14e may all be set equal.
- relatively small quadrupole electromagnets 14a, 14b, 14c and octopole electromagnets 14d, 14e can be employed.
- Each of the length x1 of the upstream quadrupole electromagnet 14a, the length x2 of the midstream quadrupole electromagnet 14b, and the length x3 of the downstream quadrupole electromagnet 14c is within a range of, for example, 10 cm to 40 cm. is set to The length x4 of the octopole electromagnet 14c on the upstream side and the length x5 of the octopole electromagnet 14e on the downstream side are each set within a range of 10 cm to 40 cm, for example.
- the midstream quadrupole electromagnet 14b is spaced a first distance d1 from the upstream quadrupole electromagnet 14a, and the downstream quadrupole electromagnet 14c is positioned a second distance from the midstream quadrupole electromagnet 14b. They are arranged with an interval d2. Also, the upstream octopole electromagnet 14d is arranged at a third distance d3 from the downstream quadrupole electromagnet 14c, and the downstream octopole electromagnet 14e is arranged at a fourth distance from the upstream octopole electromagnet 14d. It is spaced d4 and is spaced from the target 12 by a fifth distance d5.
- the first distance d1 and the second distance d2 are set within a range of, for example, 10 cm to 40 cm, but the first distance d1 and the second distance d2 are set to be equal. and preferred. That is, it is preferable that the three quadrupole electromagnets 14a, 14b, and 14c are arranged at regular intervals, as described above.
- the third distance d3 is set, for example, within the range of 15 cm to 100 cm. preferable. Furthermore, the fourth distance d4 is set within a range of, for example, 10 cm to 40 cm, but if the fourth distance d4 is set equal to or shorter than the first distance d1 preferable.
- the fifth distance d5 is set, for example, within the range of 15 cm to 100 cm, but is preferably set equal to the third distance d3, for example.
- the basic distance T from the accelerator 10 to the target 12 is the length x1 of the upstream quadrupole electromagnet 14a, the first distance d1, the length x2 of the midstream quadrupole electromagnet 14b, and the second distance T.
- Distance d2 length x3 of downstream quadrupole electromagnet 14c, third distance d3, length x4 of upstream octapole electromagnet 14d, fourth distance d4, and length of downstream octapole electromagnet 14e It is the sum of x5 and the fifth distance d5, and is within the range of 110 cm to 520 cm, for example.
- the condenser lens control unit 102 controls three quadrupole electromagnets and a predetermined number of octopole electromagnets.
- the condenser lens control unit 102 controls three quadrupole electromagnets and a predetermined number of octopole electromagnets.
- the heat quantity of the charged particle beam C can be calculated to be a predetermined value.
- the condenser lens control unit 102 controls the charged particle beam generated by the accelerator 10. Based on the energy of C and the current value of the accelerator 10, the magnetic fields of a predetermined number of quadrupole magnets and a predetermined number of octopole magnets are separately controlled.
- the magnetic fields of the three quadrupole electromagnets 14a, 14b, 14c and one octopole electromagnet 14c in the first basic configuration are set appropriately.
- the magnetic field of the upstream quadrupole electromagnet 14a is set to plus
- the magnetic field of the midstream quadrupole electromagnet 14b is set to minus
- the magnetic field of the downstream quadrupole electromagnet 14c is set to plus.
- the charged particle beam C passing through the three quadrupole electromagnets 14a, 14b, and 14c receives magnetic fields in the order of positive, negative, and positive, thereby making the beam profile of the charged particle beam C uniform in the width direction. can be spread to
- the magnetic field of the quadrupole electromagnet 14a on the upstream side is preferably set within a range of, for example, 5 m ⁇ 2 to 20 m ⁇ 2
- the magnetic field of the quadrupole electromagnet 14b on the midstream side is, for example, ⁇ 5 m
- the magnetic field of the downstream quadrupole electromagnet 14c is preferably set within the range of -2 to -20 m -2 , for example, within the range of 5 m -2 to 20 m -2 .
- the magnetic fields of the upstream quadrupole electromagnet 14a and the downstream quadrupole electromagnet 14c are preferably set to be the same, and the absolute value of the magnetic field of the midstream quadrupole electromagnet 14b is equal to that of the upstream quadrupole electromagnet 14c. It is preferably set equal to the absolute value of the magnetic field of the dipole electromagnet 14a (or the quadrupole electromagnet 14c on the downstream side). Thereby, a well-balanced magnetic field can be applied to the charged particle beam C passing through the three quadrupole electromagnets 14a, 14b, and 14c.
- the magnetic field of the octopole electromagnet 14d is preferably set to be positive.
- the charged particle beam C passing through the octopole electromagnet 14d is subjected to a positive magnetic field, so that the beam profile of the charged particle beam C in the width direction can be expanded in a rectangular shape and uniformly.
- the magnetic field of the octupole electromagnet 14d is preferably set within a range of, for example, 1000 m ⁇ 4 to 5000 m ⁇ 4 , and more preferably within a range of 1000 m ⁇ 2 to 4000 m ⁇ 2 .
- the K value which indicates a more general concept, is adopted as the unit of the magnetic field, and the unit of the magnetic field (K value) of the quadrupole electromagnet is expressed as m ⁇ 2 . and the unit of the magnetic field (K value) of the octopole magnet is expressed as m ⁇ 4 .
- the K value (m ⁇ 2 ) of a quadrupole electromagnet depends on the momentum of the particle (for example, a proton with a kinetic energy of 2.5 MeV has a momentum of 68.5 MeV) and the magnetic field gradient of the magnetic field.
- the magnetic field (K value) of the quadrupole magnet is 12.1 m ⁇ 2 is 4.1 kG
- the magnetic field (K value) of the quadrupole magnet is 13.1 m ⁇ 2 is 4.5 kG.
- the magnetic field (K value) of the octopole magnet of 2000 m ⁇ 4 is 28.9 kG.
- the m ⁇ 2 (K) value of a quadrupole magnet and the m ⁇ 4 (K) value of an octopole magnet are substantially correlated with the magnetic flux density (kG) of a general magnetic field.
- x and y are coordinate systems in which the horizontal axis is the x axis and the vertical axis is the y axis when the central axis (beam axis) of the multipole electromagnet is the z axis.
- the magnetic fields of the three quadrupole electromagnets 14a, 14b, 14c and the two octopole electromagnets 14d, 14e in the second basic configuration are set in the same manner as described above.
- the magnetic field of the upstream quadrupole electromagnet 14a is set to positive
- the magnetic field of the midstream quadrupole electromagnet 14b is set to negative
- the magnetic field of the downstream quadrupole electromagnet 14c is set to be negative.
- the magnetic field is preferably set positive.
- the magnetic field of the quadrupole electromagnet 14a on the upstream side is preferably set within a range of, for example, 5 m ⁇ 2 to 20 m ⁇ 2
- the magnetic field of the quadrupole electromagnet 14b on the midstream side is, for example, ⁇ 5 m
- the magnetic field of the downstream quadrupole electromagnet 14c is preferably set within the range of -2 to -20 m -2 , for example, within the range of 5 m -2 to 20 m -2 .
- the magnetic fields of the upstream quadrupole electromagnet 14a and the downstream quadrupole electromagnet 14c are set to be the same, and the absolute value of the magnetic field of the midstream quadrupole electromagnet 14b is equal to that of the upstream quadrupole electromagnet 14c.
- the central value is equal to the absolute value of the magnetic field of the quadrupole electromagnet 14a (or the quadrupole electromagnet 14c on the downstream side), or the absolute value of the magnetic field of the quadrupole electromagnet 14a on the upstream side is the central value, and a predetermined value is set to the central value.
- the configuration and conditions of the three quadrupole electromagnets 14a, 14b, and 14c are such that the beam profile of the charged particle beam C in the width direction is widened uniformly. is thought to contribute to
- the magnetic field of the octopole electromagnet 14d on the upstream side is set to be positive, and the magnetic field of the octopole electromagnet 14e on the downstream side is set to be negative.
- the charged particle beam C passing through the two octopole electromagnets 14d and 14e is subjected to magnetic fields in the order of positive and negative, so that the beam profile of the charged particle beam C in the width direction becomes circular, and It can be spread evenly.
- the magnetic field of the octopole electromagnet 14d on the upstream side is preferably set within a range of, for example, 1000m -4 to 4000m -4
- the magnetic field of the octopole electromagnet 14e on the downstream side is, for example, -1000m -2 . It is preferable to set within the range of -4000 m -2 .
- the absolute value of the magnetic field of the downstream octapole electromagnet 14e is equal to the absolute value of the magnetic field of the upstream octapole electromagnet 14d, or the absolute value of the magnetic field of the upstream octapole electromagnet 14d is taken as the central value, Preferably, it is set within a range between an upper limit value obtained by adding a predetermined value to the center value and a lower limit value obtained by subtracting a predetermined value from the center value.
- a well-balanced magnetic field can be applied to the charged particle beam C passing through the two octupole electromagnets 14d and 14e.
- the charged particle beam C spreads in a certain range and is made uniform passes through the beam transport path 11 and irradiates the lithium of the target 12, a 7 Li(p, n) 7 Be reaction occurs and a neutron beam N is generated.
- the generated neutron beam N passes through the moderator system 13 on the downstream side, and is lowered to the thermal energy range to become the neutron beam N in the thermal energy range necessary for BNCT treatment.
- This neutron beam N irradiates a patient present downstream of the moderator system 13 .
- the patient is administered a boron compound that selectively accumulates in cancer cells
- a nuclear reaction of 7 Li generates alpha particles and lithium nuclei, which destroy cancer cells.
- This allows treatment of BNCT.
- the spread and homogenization of the beam profile of the charged particle beam C in the width direction can appropriately generate the neutron beam N without evaporating the lithium of the target 12 .
- the present invention may be an applied configuration including the basic configuration. do not have.
- the overall distance T0 from the accelerator 10 to the target 12 is the basis of the first basic configuration of three quadrupoles 14a, 14b, 14c and one octopole 14d. is longer than the target distance T, by providing one or more additional quadrupole magnets 14e and 14f between the accelerator 10 and the quadrupole magnet 14a on the upstream side of the focusing lens 14, from the accelerator 10 Spreading of the charged particle beam C passing up to the quadrupole electromagnet 14a on the upstream side may be prevented.
- the total distance T0 corresponds to, for example, the distance of two or more rooms, and treatment is performed from the accelerator 10 through the beam transport path 11 and the target 12. It corresponds to the case where the room extends over two or more rooms.
- One or more quadrupole electromagnets 14e, 14f are arranged at predetermined intervals according to the distance between the accelerator 10 and the upstream quadrupole electromagnet 14a.
- the configuration of the additional quadrupole electromagnets 14e and 14f is not particularly limited. Designed accordingly.
- the length of the additional quadrupole electromagnets 14e and 14f is set to be equal to the length x1 of the upstream quadrupole electromagnet 14a, and the additional quadrupole electromagnets 14f and 14d are equal to the total distance T0 and the basic Depending on the difference from the target distance T, there are cases in which only one is installed, and there are cases in which a plurality are installed at predetermined intervals, and the design is made as appropriate.
- the beamline calculation code CRYSTAL used in Non-Patent Document 1 was used for the design of the focusing lens 14 in the beam transport path 11 and the profile of the charged particle beam C in the width direction.
- the beamline calculation code CRYSTAL was used to design the condenser lens 14, and the configuration of the condenser lens 14 was determined by confirming the simulation result of the profile of the charged particle beam C in the width direction.
- the focusing lens 14 in the beam transport path 11 is configured by arranging a predetermined number of quadrupole electromagnets and a predetermined number of octopole electromagnets.
- a charged particle beam C was set to be incident on the quadrupole electromagnet 14a on the upstream side.
- ⁇ and ⁇ were each set to predetermined values. The value of this parameter was constructed to correspond to the low energy proton beam used in BNCT.
- the horizontal direction is the x-axis
- the vertical direction is the y-axis
- the center position of the charged particle beam C is the origin.
- the parameters are the number of quadrupole magnets and octopole magnets, their sizes, their arrangement intervals, and their respective magnetic field strengths.
- the basic distance T is 230 cm.
- the magnetic field of the quadrupole electromagnet 14a on the upstream side is set to 13.0 m ⁇ 2
- the magnetic field of the quadrupole electromagnet 14b on the midstream side is set to ⁇ 13.0 m ⁇ 2
- the magnetic field of the quadrupole electromagnet 14c on the downstream side is set to 13.0 m ⁇ 2 and the magnetic field of the octopole electromagnet 14d was 3000 m ⁇ 4 .
- the length, spacing, and magnetic field conditions of the three quadrupoles and one octopole are very characteristic.
- Each length and interval with the pole electromagnet are compacted, especially compared with the magnetic field of the three quadrupole electromagnets (absolute value is 5 m -2 to 20 m -2 ), the last one Octopole magnets set extremely high magnetic fields, in the range of 1000 m ⁇ 4 to 5000 m ⁇ 4 .
- the charged particles spread uniformly in a rectangular shape (approximately square shape) from the vicinity of the origin. More surprisingly, in both the x-axis beam profile and the y-axis beam profile, the number of charged particles was almost uniformly counted except for both ends.
- the beam profile before passage has a side length of about 80 mm (8 cm), but the beam profile after passage has a side length of about 160 mm (16 cm). is approximately doubled. This correctly shows that the charged particle beam C can be spread over a wide area and made uniform. Even if the lithium of the target 12 is irradiated with the charged particle beam C in such a state, the heat is not concentrated near the center of the lithium, so that the evaporation of the lithium can be prevented.
- the length from the upstream quadrupole electromagnet to the octopole electromagnet is 20 cm each, and the first interval and the second 25 cm each, and 50 cm between the third and fourth spacings, the basic distance from the upstream quadrupole to the target is 230 cm (2.3 m), which is extremely compact. is done.
- both homogenization and widening of the charged particle beam and downsizing of the entire apparatus are combined for practical use of BNCT.
- the first distance d1 and the second distance d2 were each set to 25 cm
- the third distance d3 was set to 50 cm
- the fourth distance d4 was set to 20 cm
- the fifth distance d5 was set to 50 cm.
- the basic distance T is 270 cm.
- the magnetic field of the quadrupole electromagnet 14a on the upstream side is set to 12.1 m ⁇ 2
- the magnetic field of the quadrupole electromagnet 14b on the midstream side is set to ⁇ 13.1 m ⁇ 2
- the magnetic field of the quadrupole electromagnet 14c on the downstream side is set to 12.1 m ⁇ 2
- the magnetic field of the upstream octopole electromagnet 14d is 2000 m ⁇ 4
- the magnetic field of the downstream octopole electromagnet 14e is ⁇ 3000 m ⁇ 4 .
- the length, spacing and magnetic field conditions of the three quadrupoles and the two octopoles are very characteristic, and the three quadrupoles and the two octupoles
- the length and spacing between the pole magnets are made compact, and in particular, compared to the magnetic field (K value) of the three quadrupole magnets (absolute value is 5 m ⁇ 2 to 20 m ⁇ 2 ), 2
- the octopole electromagnet on the platform sets a very high magnetic field with an absolute value in the range of 1000 m ⁇ 4 to 4000 m ⁇ 4 .
- the charged particles spread uniformly in a circular shape from the vicinity of the origin. More surprisingly, the number of charged particles was almost uniformly counted in both the x-axis beam profile and the y-axis beam profile.
- the beam profile before passage has a side length of about 80 mm (8 cm), but the beam profile after passage has a side length (circular diameter) of about 140 mm (14 cm). , the length of one side is about doubled. It has been found that even with such a configuration, the charged particle beam C can be spread over a wide area and made uniform. Even if the lithium of the target 12 is irradiated with the charged particle beam C in such a state, the heat is not concentrated near the center of the lithium, so that the evaporation of the lithium can be prevented.
- the length from the upstream quadrupole electromagnet to the downstream octopole electromagnet is 20 cm, and the first interval is and the second spacing are each 25 cm, the third spacing is 50 cm, the fourth spacing is 20 cm, and the fifth spacing is 50 cm, then the basic distance from the upstream quadrupole to the target is It becomes 270 cm (2.7 m), and even in this case, it is possible to make it extremely compact.
- both homogenization and widening of the charged particle beam and downsizing of the entire apparatus are combined for practical use of BNCT.
- the part that contributes to the uniform spread of the charged particle beam C is considered to be the three quadrupole electromagnets, and the part that contributes to the shape of the charged particle beam C is the number of octopole electromagnets. it was thought.
- the length of one piece of the beam profile (FIGS. 4A and 4B) before passing is 12 cm to 14 cm.
- the present invention it is possible to uniformly transport a low-energy, high-current charged particle beam in a BNCT over a wide range.
- the focusing lens 14 of the beam transport path 11 is optimized in accordance with the miniaturization of the BNCT accelerator, installation of the BNCT in hospitals can be promoted.
- the low-energy charged particle beam transport system and charged particle beam transport method in BNCT according to the present invention are useful for realizing BNCT and high-precision treatment, and low-energy, high-current charged particle beam in BNCT. It is effective as a low-energy charged particle beam transport system and a charged particle beam transport method in BNCT capable of uniformly transporting in a wide range.
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Abstract
加速器（１０）は、低エネルギーの荷電粒子線（Ｃ）を出射する。ビーム輸送路（１１）は、前記加速器（１０）から出射された荷電粒子線（Ｃ）を輸送する。ターゲット（１２）は、リチウムを含み、前記ビーム輸送路（１１）から輸送された荷電粒子線（Ｃ）の照射を受けて中性子線（Ｎ）を発生させる。減速材システム（１３）は、ターゲット（１３）から発生した中性子線（Ｎ）のエネルギーを熱エネルギー領域まで低下させる。集束レンズ（１４）は、ビーム輸送路（１１）の内部において、所定数の四重極電磁石を、荷電粒子線（Ｃ）の上流から荷電粒子線（Ｃ）の照射方向に沿って配置するとともに、所定数の八重極電磁石を、下流側の四重極電磁石（１４ｃ）から荷電粒子線Ｃの照射方向に沿って配置することで構成される。集光レンズ制御部（１０２）は、前記四重極電磁石と前記八重極電磁石の磁場を制御することで、前記荷電粒子線（Ｃ）の幅方向のビームプロファイルを広げるとともに、均一化する。
Description
本発明は、ＢＮＣＴにおける低エネルギーの荷電粒子線輸送システム及び荷電粒子線輸送方法に関する。
がんの放射線治療の一方法としてホウ素中性子捕獲療法（Boron Neutron Capture Therapy）がある。ホウ素中性子捕捉療法（以下、ＢＮＣＴと称する）は、がん細胞に選択的に蓄積させたホウ素化合物に中性子を照射し、１０Ｂ（ｎ，α）７Ｌｉの核反応により発生するα粒子やリチウム原子核によってがん細胞を破壊する。α粒子やリチウム原子核の飛程は、細胞の大きさと同程度であるため、正常細胞を大きく損傷すること無く、がん細胞のみを選択的に破壊することが可能という利点がある。
このＢＮＣＴの概略を説明すると、まず、中性子を発生する方法として原子炉の中性子を利用する方法に加え、近年、加速器を用いて、次に示す四つの核反応が一般的に利用されている。第一の核反応は、９Ｂｅ（ｐ,ｎ）９Ｂ反応、第二の核反応は、７Ｌｉ（ｐ,ｎ）７Ｂｅ反応、第三の核反応は、２Ｈ（２Ｈ,ｎ）３Ｈｅ反応、第四の核反応は、３Ｈ（２Ｈ,ｎ）４Ｈｅ反応である。この時の荷電粒子のエネルギーは、Ｂｅをターゲットとした第一の核反応が最も高く、３０ＭｅＶ程度となる。一方、第二の核反応のＬｉをターゲットとする場合のエネルギーは、３ＭｅＶ程度必要であり、第三と第四の核反応のＨをターゲットに用いる核融合反応の場合のエネルギーは、更に１００ｋｅＶ程度と低くなる。さらに、これらの荷電粒子を加速する方法としてサイクロトロン、静電加速器や直線加速器などがある。後述するように、日本国内では唯一サイクロトロンによる第一の核反応によるＢＮＣＴが厚生労働省の認定を受けている。この他にＢＮＣＴには、加速器からの荷電粒子を中性子発生用のターゲットへ導くビーム輸送システム（ビーム輸送路、ビームラインともいう）、さらにはターゲットで発生したエネルギーの高い中性子を熱エネルギー領域まで下げる減速材システムが組み合わされることで構成される。
ＢＮＣＴに関して、様々な技術が開発されている。例えば、特開２０１８－１６１４４９号公報（特許文献１）には、減速部と、反射部と、コリメータ部と、を備える中性子減速照射装置が開示されている。減速部は、荷電粒子線が照射されて中性子源が発生した中性子線を減速させ、反射部は、減速部の周囲を囲み中性子線を反射する。コリメータ部は、減速部によって減速された中性子線の照射野を整形し、隔壁部と、ノズル部と、を有する。隔壁部は、荷電粒子線の照射方向における減速部の下流側に配置され、照射方向に向かって縮径する孔部を有し、ノズル部は、照射方向における隔壁部の下流側に配置され、孔部の周縁から照射方向に向かって突出し、中央に貫通孔を有する。更に、ノズル部は、貫通孔の内壁を成す反射材と、反射材の周囲を囲む遮蔽材と、を備える。これにより、中性子線を高い強度で精密に照射することが可能となるとしている。
特開２０２０－１４６１１９号公報（特許文献２）には、加速器と、ターゲットと、ビーム輸送路と、第１電流検出部と、第２電流検出部と、非重複部位と、を備える中性子捕捉療法システムが開示されている。加速器は、荷電粒子線を出射し、ターゲットは、荷電粒子線の照射を受けて中性子線を発生させる。ビーム輸送路は、加速器から出射された荷電粒子線をターゲットへ輸送し、第１電流検出部は、ビーム輸送路の内部においてビーム輸送路の内壁とは絶縁された状態で配置され、荷電粒子線の電流値を検出する。第２電流検出部は、ビーム輸送路の内部において第１電流検出部よりも下流側でビーム輸送路の内壁とは絶縁された状態で配置され、荷電粒子線の電流値を検出し、非重複部位は、ビーム輸送路の延在方向に平行な視線で第１電流検出部及び第２電流検出部を見た場合に、第２電流検出部が、第１電流検出部とは重複しない。これにより、荷電粒子線のターゲットに対する照射位置の異常検出の信頼性を高めるとしている。
又、特開２００７－０９５５５３号公報（特許文献３）には、加速器と、ビーム輸送管（ビーム輸送路）と、ターゲットと、減速体（減速材システム）と、ビーム調整用磁場コイル（集束レンズ）とを備えるＢＮＣＴも含む加速器利用システムが開示されている。加速器は、荷電粒子ビーム（荷電粒子線）を出射し、ビーム輸送管は、加速器から出射された荷電粒子ビームを輸送する。ターゲットは、ビーム輸送管から輸送された荷電粒子ビームの照射を受けて中性子線を発生させ、減速体は、ターゲットから発生した中性子線のエネルギーを熱エネルギー領域まで低下させる。ビーム調整用磁場コイルは、ビーム輸送管の内部において、３台の四重極磁場コイル（四重極電磁石）を荷電粒子ビームの上流から荷電粒子ビームの照射方向に沿って配置することで構成される。ターゲットがリチウムからなり、５ＭｅＶ以下の陽子ビームをターゲットに照射する実施形態が開示されている。
又、米国特許第４７３６１０６号明細書（特許文献４）には、荷電粒子ビーム均一化法の発明が開示されている。この発明は、ビーム輸送路の内部において、３台の四重極磁石Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｘを、荷電粒子線の上流から荷電粒子線の照射方向に沿って配置するとともに、２つの八重極磁石Ｍｙ，Ｍｘを、下流側の四重極磁石Ｑｘから荷電粒子線の照射方向に沿って配置し、四重極磁石Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｘと八重極磁石Ｍｙ，Ｍｘの磁場を制御する。これにより、荷電粒子線の幅方向のビームプロファイルを広げるとともに、均一化するとしている。
一方、ＢＮＣＴにおけるビーム輸送路に関する研究も行われている。例えば、非特許文献１（Yosuke Yuri, et al., “Uniformization of the transverse beam profile by means of nonlinear focusing method”, Phys. Rev. ST Accel. Beams 10, 104001 Published 29 October 2007）には、シミュレーションにより、六重極及び八重極の電磁石を用いて、ビーム輸送路における荷電粒子線（ビーム）を非線形集束を行うことにより、非対称分布のビームを均一分布のビームに変換することが出来ることが開示されている。
又、非特許文献２（Shin-ichiro Meigo, et al., “Two-parameter model for optimizing target beam distribution with an octupole magnet”, Phys. Rev. Accel. Beams 23, 062802 Published 23 June 2020）には、シミュレーション結果と実験結果との比較により、非線形光学に基づいて八重極電磁石を使用することで、ビーム輸送システムにおけるビームプロファイルを最適化出来ることが開示されている。
Yosuke Yuri, et al., "Uniformization of the transverse beam profile by means of nonlinear focusing method", Phys. Rev. ST Accel. Beams 10, 104001 Published 29 October 2007
Shin-ichiro Meigo, et al., "Two-parameter model for optimizing target beam distribution with an octupole magnet", Phys. Rev. Accel. Beams 23, 062802 Published 23 June 2020
２０２０年に日本国で認可されたＢＮＣＴ用の医療機器では、加速器のサイクロトロンから出射する比較的高いエネルギー（例えば、３０ＭｅＶ）の陽子線をベリリウムのターゲットに照射して、９Ｂｅ（ｐ，ｎ）９Ｂ反応を生じさせることで、ＢＮＣＴ用の中性子線として利用している。ここで、ＢＮＣＴに利用される中性子線は、患者の身体内で11Ｂと効率よく反応させるには、中性子のエネルギーを熱エネルギー領域まで減速する必要がある。上述した特許文献１に記載の技術では、そのような課題を解決する。
一方、ＢＮＣＴ用の加速器は近年、小型化が進んでおり、低エネルギーで陽子線を発生させることが可能になってきている。そのため、低エネルギーの陽子線を出射する加速器を用いたＢＮＣＴ用の医療機器の開発が進められている。
ここで、低エネルギーの陽子線を照射するターゲットは、リチウムであり、上述した第二の核反応の７Ｌｉ（ｐ，ｎ）７Ｂｅ反応を利用することを想定している。この反応では、陽子線のエネルギーが５ＭｅＶ以下の低エネルギーで済むものの、ターゲットのリチウムの融点が、１７９℃であり、従来の高エネルギーの陽子線のターゲットのベリリウムの融点（１２７８℃）と比較して低い。一方、ＢＮＣＴに必要な中性子量を発生させるためには、陽子線量として１０ｍＡという大電流が必要とされており、１０ｍＡ×５ＭｅＶ＝５０ｋＷの熱量の陽子線をターゲットのリチウムの狭い領域に集中させると、ターゲットのリチウムが蒸発してしまうという課題がある。又、ターゲットは、近年、薄肉化しており、このような課題が一層顕在化する。この課題を解決するためには、加速器から出射した陽子線をビーム輸送路において比較的広い面積で、且つ、均一に制御した上で、ターゲットに輸送して照射しなければならない。
特許文献２に記載の技術や非特許文献１－２に記載の技術では、このような課題を解決することが出来ない。又、引用文献３に記載の技術は、３台の四重極電場コイルを備えているだけで、荷電粒子線の均一化について具体的な記載が無く、上述の課題を解決することが出来ない。
更に、引用文献４に記載の技術は、点源を前提としており、加速器からの荷電粒子が一定方向に揃った荷電粒子線を想定していない。又、引用文献４に記載の技術では、３台の四重極電磁石と２台の八重極電磁石の磁場の条件について、八重極電磁石の磁場（絶対値が３．９４キロガウス、８．３７キロガウス）は、四重極電磁石の磁場（絶対値が７．３３キロガウス、９．５７キロガウス、５．４１キロガウス）とほぼ同等に設定されており、荷電粒子線への均一化・広面積化への効果が不明で、且つ、上流側の四重極電磁石からターゲットまでの距離を短くすることは出来ない。例えば、引用文献４の図４では、通過前のビームプロファイル（図４Ａ、図４Ｂ）の一片の長さが１２ｃｍ～１４ｃｍであり、通過後のビームプロファイル（図４Ｃ、図４Ｄ）の一片の長さが１０ｃｍ～１２ｃｍになっており、逆にビームが集光・収束しており、ビームの強度は均一化しているものの、ビームの広面積化は全く実現されていない。更に、引用文献４の図１において、上流側の四重極電磁石から照射面（IRRADIATION PLANE）までの距離は約６．３ｍであり、極めて長くなっている。従って、引用文献４に記載の技術では、上述の課題を解決することが出来ない。
そこで、本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、ＢＮＣＴにおける低エネルギーの大電流の荷電粒子線を広い範囲で、且つ、均一に輸送することが可能なＢＮＣＴにおける低エネルギーの荷電粒子線輸送システム及び荷電粒子線輸送方法を提供することを目的とする。
本発明に係るＢＮＣＴにおける低エネルギーの荷電粒子線輸送システムは、加速器と、ビーム輸送路と、ターゲットと、減速材システムと、集束レンズと、集光レンズ制御部と、を備える。加速器は、５ＭｅＶ以下の低エネルギーの荷電粒子線を出射する。ビーム輸送路は、前記加速器から出射された荷電粒子線を輸送する。ターゲットは、リチウムを含み、前記ビーム輸送路から輸送された荷電粒子線の照射を受けて中性子線を発生させる。減速材システムは、前記ターゲットから発生した中性子線のエネルギーを熱エネルギー領域まで低下させる。集束レンズは、前記ビーム輸送路の内部において、３台の四重極電磁石を、前記荷電粒子線の上流から前記荷電粒子線の照射方向に沿って配置するとともに、所定数の八重極電磁石を、下流側の四重極電磁石から前記荷電粒子線の照射方向に沿って配置することで構成される。集光レンズ制御部は、前記四重極電磁石と前記八重極電磁石の磁場を制御することで、前記荷電粒子線の幅方向のビームプロファイルを広げるとともに、均一化する。
本発明に係るＢＮＣＴにおける低エネルギーの荷電粒子線輸送方法は、上述の加速器と、ビーム輸送路と、ターゲットと、減速材システムと、集束レンズと、を備える荷電粒子線輸送システムの荷電粒子線輸送方法であって、集光レンズ制御工程を備える。集光レンズ制御工程は、集光レンズ制御部に対応する。
本発明では、ＢＮＣＴにおける低エネルギーの大電流の荷電粒子線を広い範囲で、且つ、均一に輸送することが可能となる。
以下に、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下の実施形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
本発明に係るＢＮＣＴにおける低エネルギーの荷電粒子線輸送システム１は、図１に示すように、加速器１０と、ビーム輸送路１１と、ターゲット１２と、減速材システム１３と、集束レンズ１４と、制御装置１５と、を備える。
加速器１０は、荷電粒子線Ｃを発生するとともに、発生した荷電粒子線Ｃを所定の静電界により加速して出射する。加速器１０は、静電界を調整して、発生した荷電粒子線Ｃを５ＭｅＶ以下の低エネルギーの状態で出射する。ここで、荷電粒子線Ｃは、荷電粒子ビームに対応し、荷電粒子が一定方向に揃った細い流れを意味し、レーザー光のように、指向性が高く、真っすぐに進むビームに相当する。このような荷電粒子線Ｃの均一化を実現することで、ＢＮＣＴに役に立つ。一方、点源からの点源線は、点源から四方八方に放射状に広がって進む流れを意味し、荷電粒子が一定方向に揃った流れと異なる。本発明では、点源線をＢＮＣＴで利用することは実用上あり得ない。
ビーム輸送路１１は、加速器１０から出射された荷電粒子線Ｃを所定のターゲット１２に輸送する。ビーム輸送路１１は、加速器１０とターゲット１２との間を接続する荷電粒子線の経路を構成している。ターゲット１２は、リチウム（Ｌｉ）を含み、ビーム輸送路１１から輸送された荷電粒子線Ｃの照射を受けて中性子線Ｎを発生させる。発生した中性子線Ｎは、ＢＮＣＴの治療に用いられる。ターゲット１２は、ビーム輸送路１１の導管の断面積より小さな面積を有するリチウムを導管の端部に設置することで構成される。ここで、加速器１０からターゲット１２に向かう荷電粒子線Ｃの出射方向に対して加速器１０側を上流側とし、ターゲット１２側を下流側とする。
減速材システム１３は、ターゲット１２から発生した中性子線Ｎのエネルギーを熱エネルギー領域まで低下させる。ターゲット１２のリチウムの下流側には、荷電粒子線Ｃの出射方向に沿って拡径される円錐台のフッ化マグネシウムが設けられる。フッ化マグネシウムの下流側には、カドミウムが設けられ、これらの周囲には、反射材としてのグラファイトが設けられる。グラファイトの周囲には、遮蔽材としての高密度ポリエチレンが設けられる。一方、カドミウムの下流側には、コリメータとして荷電粒子線Ｃの出射方向に沿って縮径される円錐台の開口部が設けられており、リチウムから出射した中性子線Ｎが適切に集光されて、患者に出射するように構成される。これらの要素により、減速材システム１３は、構成される。
集束レンズ１４は、ビーム輸送路１１の内部において、３台の四重極電磁石を、荷電粒子線Ｃの上流から荷電粒子線Ｃの照射方向に沿って配置するとともに、所定数の八重極電磁石を、下流側の四重極電磁石から荷電粒子線Ｃの照射方向に沿って配置することで構成される。四重極電磁石と八重極電磁石のそれぞれは、ビーム輸送路１１内の荷電粒子線Ｃの照射方向（出射方向）に対して直角方向に配置され、荷電粒子線Ｃの幅方向に磁場を加えることで、荷電粒子線Ｃの幅方向のプロファイルを制御する。尚、所定数は、１以上の数字を意味する。
制御装置１５は、集束レンズ１３を構成する四重極電磁石と八重極電磁石の磁場を制御する。制御装置１５は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、ＳＳＤ等を内蔵しており、ＣＰＵは、例えば、ＲＡＭを作業領域として利用し、ＲＯＭ、ＨＤＤ、ＳＳＤ等に記憶されているプログラムを実行する。又、後述する各部についても、ＣＰＵがプログラムを実行することで当該各部を実現する。
次に、図１－図２を参照しながら、本発明の実施形態に係る構成及び実行手順について説明する。先ず、オペレーターが、ＢＮＣＴにおける低エネルギーの荷電粒子線輸送システム１を起動させ、スタートキーを加速器１０に入力すると、加速器１０が運転を開始し、荷電粒子線輸送システム１が続いて稼働する。ＢＮＣＴでは、基本的に、加速器１０の運転に従ってビーム輸送路１１の集束レンズ１４の制御が行われる。本発明の実施形態では、加速器１０は、陽子線を荷電粒子線Ｃとしてビーム輸送路１１に出射させる。
本発明では、小型のＢＮＣＴを想定しており、上述した第二の核反応の７Ｌｉ（ｐ，ｎ）７Ｂｅ反応を利用する。そのため、加速器１０が発生する荷電粒子線Ｃのエネルギーは、５ＭｅＶ以下の低エネルギーであり、例えば、２ＭｅＶ～５ＭｅＶの範囲内を想定している。又、加速器１０の電流値は、５ｍＡ～２０ｍＡの範囲内であると好ましい。これにより、ＢＮＣＴに必要な中性子量を発生させることが出来る。
ここで、加速器１０による荷電粒子線Ｃのエネルギーを５ＭｅＶとし、加速器１０の電流値を１０ｍＡとすると、荷電粒子線Ｃの熱量は１０ｍＡ×５ＭｅＶ＝５０ｋＷの熱量となる。荷電粒子線Ｃの熱量は、加速器１０による荷電粒子線Ｃのエネルギーと電流値により決まる。荷電粒子線Ｃの熱量は、加速器１０による荷電粒子線Ｃのエネルギーに依存するものの、ＢＮＣＴの治療を考慮すると、例えば、５ｋＷ～１００ｋＷの範囲内であると好ましく、１０ｋＷ～５０ｋＷの範囲であると更に好ましい。これにより、中性子線Ｎのエネルギーを熱エネルギー領域まで減速させるための減速材システムを比較的容易にすることが可能となる。
次に、制御装置１５の集光レンズ制御部１０２は、集光レンズ１４の四重極電磁石と八重極電磁石の磁場を制御することで、荷電粒子線Ｃの幅方向のビームプロファイル（断面形状）を広げるとともに、均一化する（図２：Ｓ１０２）。
ここで、四重極電磁石や八重極電磁石は、図３に示すように、複数の電磁石の極性（Ｓ極又はＮ極）を荷電粒子線Ｃの周方向に沿って交互に反転させて配置させた構成をしている。例えば、四重極電磁石は、４つの電磁石の極性を荷電粒子線Ｃの周方向に沿って交互に反転させて配置させており、八重極電磁石は、８つの電磁石の極性を荷電粒子線Ｃの周方向に沿って交互に反転させて配置させている。四重極電磁石や八重極電磁石を構成する複数の電磁石は、互いに等間隔で荷電粒子線Ｃの周方向に沿って配置されている。
さて、荷電粒子線Ｃの幅方向のビームプロファイルの調整には、四重極電磁石と八重極電磁石の数、サイズ、それぞれの配置間隔、それぞれの磁場の強さのパラメーターの設定が重要である。本発明の実施形態では、これらのパラメーターを最適化することで、荷電粒子線Ｃを適切に広げるとともに、均一化にする。
具体的には、荷電粒子線Ｃの幅方向のビームプロファイルを矩形状（例えば、正方形状）に広げたい場合は、ビーム輸送路１１における集束レンズ１４の基本的構成は、図４に示すように、荷電粒子線Ｃの出射方向に沿って、３台の四重極電磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃと１台の八重極電磁石１４ｄとをこれらの順番で配置した構成となる。この構成を第一の基本的構成と称する。矩形状のビームプロファイルを望む場合は、本発明では、少なくとも、３台の四重極電磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃと１台の八重極電磁石１４ｄとが最小限の集束レンズ１４の構成として必要になる。尚、矩形は、正方形、長方形等を含む。
ここで、荷電粒子線Ｃの出射方向に沿って上流側に位置する上流側の四重極電磁石１４ａの長さｘ１（荷電粒子線Ｃの照射方向の長さ）と中流側の四重極電磁石１４ｂの長さｘ２と下流側の四重極電磁石１４ｃの長さｘ３と八重極電磁石１４ｄの長さｘ４は、加速器１０による荷電粒子線Ｃのエネルギーや加速器１０の電流値に応じて適宜設計される。尚、中流側の四重極電磁石１４ｂは、上流側の四重極電磁石１４ａと下流側の四重極電磁石１４ｃの真ん中に配置された四重極電磁石である。四重極電磁石１４ａの長さｘ１が長くなる程、荷電粒子線Ｃが受ける四重極電磁石１４ａの磁場の影響が強くなる。
例えば、上流側の四重極電磁石１４ａの長さｘ１と中流側の四重極電磁石１４ｂの長さｘ２と下流側の四重極電磁石１４ｃの長さｘ３とは、同等の長さに設定される。つまり、３台の四重極電磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃの荷電粒子線Ｃの照射方向の長さは、同等である。これにより、３台の四重極電磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃの磁場をバランスよく荷電粒子線Ｃに与えることが出来る。又、八重極電磁石１４ｄの長さｘ４は、上流側の四重極電磁石１４ａの長さｘ１と同等の長さに設定されても良く、四重極電磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃと八重極電磁石１４ｄとの長さは、全て同等に設定されても構わない。
本発明では、荷電粒子線Ｃのエネルギーは５ＭｅＶ以下の低エネルギーを想定していることから、比較的小型の四重極電磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃや八重極電磁石１４ｄを採用することが出来る。上流側の四重極電磁石１４ａの長さｘ１と中流側の四重極電磁石１４ｂの長さｘ２と下流側の四重極電磁石１４ｃの長さｘ３のそれぞれは、例えば、１０ｃｍ～４０ｃｍの範囲内に設定される。又、八重極電磁石１４ｄの長さｘ４は、例えば、１０ｃｍ～４０ｃｍの範囲内に設定される。
中流側の四重極電磁石１４ｂは上流側の四重極電磁石１４ａから第一の間隔ｄ１を空けて配置され、下流側の四重極電磁石１４ｃは中流側の四重極電磁石１４ｂから第二の間隔ｄ２を空けて配置される。又、八重極電磁石１４ｄは下流側の四重極電磁石１４ｃから第三の間隔ｄ３を空けて配置されるとともに、ターゲット１２から第四の間隔ｄ４を空けて配置される。
ここで、第一の間隔ｄ１と第二の間隔ｄ２とは、例えば、１０ｃｍ～４０ｃｍの範囲内に設定されるが、第一の間隔ｄ１と第二の間隔ｄ２とは、同等に設定されると好ましい。つまり、３台の四重極電磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、互いに等間隔で配置されると好ましい。これにより、３台の四重極電磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃの磁場をバランスよく荷電粒子線Ｃに与えることが出来る。
又、第三の間隔ｄ３は、例えば、１５ｃｍ～１００ｃｍの範囲内に設定されるが、例えば、第一の間隔ｄ１の１．５倍～２．５倍の範囲内の間隔に設定されると好ましい。更に、第四の間隔ｄ４は、例えば、１５ｃｍ～１００ｃｍの範囲内に設定されるが、例えば、第三の間隔ｄ３と同等に設定されると好ましい。尚、加速器１０からターゲット１２までの基本的距離Ｔは、上流側の四重極電磁石１４ａの長さｘ１と第一の間隔ｄ１と中流側の四重極電磁石１４ｂの長さｘ２と第二の間隔ｄ２と下流側の四重極電磁石１４ｃの長さｘ３と第三の間隔ｄ３と八重極電磁石１４ｄの長さｘ４と第四の間隔ｄ４との合計となり、例えば、９０ｃｍ～４４０ｃｍの範囲内となる。
一方、荷電粒子線Ｃの幅方向のビームプロファイルを円形状に広げたい場合は、ビーム輸送路１１における集束レンズ１４の基本的構成は、図５に示すように、荷電粒子線Ｃの出射方向に沿って、３台の四重極電磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃと２台の八重極電磁石１４ｄ、１４ｅとをこれらの順番で配置した構成である。この構成を第二の基本的構成と称する。本発明では、少なくとも、３台の四重極電磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃと２台の八重極電磁石１４ｄ、１４ｅとが最小限の集束レンズ１４の構成として必要になる。尚、円形は、真円形、楕円形等を含む。
ここで、上流側の四重極電磁石１４ａの長さｘ１と中流側の四重極電磁石１４ｂの長さｘ２と下流側の四重極電磁石１４ｃの長さｘ３と上流側の八重極電磁石１４ｄの長さｘ４と下流側の八重極電磁石１４ｅの長さｘ５は、加速器１０による荷電粒子線Ｃのエネルギーや加速器１０の電流値に応じて適宜設計される。
例えば、上流側の四重極電磁石１４ａの長さｘ１と中流側の四重極電磁石１４ｂの長さｘ２と下流側の四重極電磁石１４ｃの長さｘ３とは、同等の長さに設定される。又、下流側の四重極電磁石１４ｃの直後に配置される上流側の八重極電磁石１４ｃの長さｘ４と下流側の八重極電磁石１４ｅの長さｘ５とは、同等の長さに設定される。つまり、２台の八重極電磁石１４ｄ、１４ｅの荷電粒子線の照射方向の長さは、同等である。これにより、３台の四重極電磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃと２台の八重極電磁石１４ｄ、１４ｅの磁場をバランスよく荷電粒子線Ｃに与えることが出来る。
更に、上流側の八重極電磁石１４ｃの長さｘ４は、上流側の四重極電磁石１４ａの長さｘ１と同等の長さに設定されても良く、四重極電磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃと八重極電磁石１４ｄ、１４ｅとの長さは、全て同等に設定されても構わない。これにより、極めてバランスの取れた３台の四重極電磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃと２台の八重極電磁石１４ｄ、１４ｅの磁場を荷電粒子線Ｃに与えることが出来るため、荷電粒子線Ｃを綺麗な円形状に広げるとともに、均一化することが出来る。
上述と同様に、本発明では、比較的小型の四重極電磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃや八重極電磁石１４ｄ、１４ｅを採用することが出来る。上流側の四重極電磁石１４ａの長さｘ１と中流側の四重極電磁石１４ｂの長さｘ２と下流側の四重極電磁石１４ｃの長さｘ３のそれぞれは、例えば、１０ｃｍ～４０ｃｍの範囲内に設定される。上流側の八重極電磁石１４ｃの長さｘ４と下流側の八重極電磁石１４ｅの長さｘ５のそれぞれは、例えば、１０ｃｍ～４０ｃｍの範囲内に設定される。
中流側の四重極電磁石１４ｂは上流側の四重極電磁石１４ａから第一の間隔ｄ１を空けて配置され、下流側の四重極電磁石１４ｃは中流側の四重極電磁石１４ｂから第二の間隔ｄ２を空けて配置される。又、上流側の八重極電磁石１４ｄは下流側の四重極電磁石１４ｃから第三の間隔ｄ３を空けて配置され、下流側の八重極電磁石１４ｅは上流側の八重極電磁石１４ｄから第四の間隔ｄ４を空けて配置されるとともに、ターゲット１２から第五の間隔ｄ５を空けて配置される。
ここで、第一の間隔ｄ１と第二の間隔ｄ２とは、例えば、１０ｃｍ～４０ｃｍの範囲内に設定されるが、第一の間隔ｄ１と第二の間隔ｄ２とは、同等に設定されると好ましい。つまり、上述と同様に、３台の四重極電磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、互いに等間隔で配置されると好ましい。
又、第三の間隔ｄ３は、例えば、１５ｃｍ～１００ｃｍの範囲内に設定されるが、例えば、第一の間隔ｄ１の１．５倍～２．５倍の範囲内の間隔に設定されると好ましい。更に、第四の間隔ｄ４は、例えば、１０ｃｍ～４０ｃｍの範囲内に設定されるが、第四の間隔ｄ４は、第一の間隔ｄ１と同等又は第一の間隔ｄ１よりも短く設定されると好ましい。そして、第五の間隔ｄ５は、例えば、１５ｃｍ～１００ｃｍの範囲内に設定されるが、例えば、第三の間隔ｄ３と同等に設定されると好ましい。尚、加速器１０からターゲット１２までの基本的距離Ｔは、上流側の四重極電磁石１４ａの長さｘ１と第一の間隔ｄ１と中流側の四重極電磁石１４ｂの長さｘ２と第二の間隔ｄ２と下流側の四重極電磁石１４ｃの長さｘ３と第三の間隔ｄ３と上流側の八重極電磁石１４ｄの長さｘ４と第四の間隔ｄ４と下流側の八重極電磁石１４ｅの長さｘ５と第五の間隔ｄ５との合計となり、例えば、１１０ｃｍ～５２０ｃｍの範囲内となる。
さて、上述の第一の基本的構成と第二の基本的構成の２種類の集光レンズ１４において、集光レンズ制御部１０２は、３台の四重極電磁石と所定数の八重極電磁石の磁場をそれぞれ別々に制御することで、荷電粒子線Ｃが、３台の四重極電磁石と所定数の八重極電磁石の磁場内を通過すると、幅方向に均一に広げられる。
ここで、上述のように荷電粒子線Ｃのエネルギーや加速器１０の電流値は所定値内に設定されることから、荷電粒子線Ｃの熱量は所定値に算出することが出来る。ここで、荷電粒子線Ｃの熱量に応じて、３台の四重極電磁石と所定数の八重極電磁石の磁場が調整されることから、集光レンズ制御部１０２は、加速器１０による荷電粒子線Ｃのエネルギーや加速器１０の電流値に基づいて、所定数の四重極電磁石と所定数の八重極電磁石の磁場をそれぞれ別々に制御する。
ここで、第一の基本的構成での３台の四重極電磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃと１台の八重極電磁石１４ｃの磁場は、それぞれ適切に設定される。例えば、上流側の四重極電磁石１４ａの磁場は、プラスに設定され、中流側の四重極電磁石１４ｂの磁場は、マイナスに設定され、下流側の四重極電磁石１４ｃの磁場は、プラスに設定されると好ましい。これにより、３台の四重極電磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃを通過する荷電粒子線Ｃが、プラス、マイナス、プラスの順番で磁場を受けることで、荷電粒子線Ｃの幅方向のビームプロファイルを均一に広げることが出来る。
ここで、上流側の四重極電磁石１４ａの磁場は、例えば、５ｍ－２～２０ｍ－２の範囲内に設定されると好ましく、中流側の四重極電磁石１４ｂの磁場は、例えば、－５ｍ－２～－２０ｍ－２の範囲内に設定されると好ましく、下流側の四重極電磁石１４ｃの磁場は、例えば、５ｍ－２～２０ｍ－２の範囲内に設定されると好ましい。又、上流側の四重極電磁石１４ａと下流側の四重極電磁石１４ｃの磁場は、同等に設定されると好ましく、中流側の四重極電磁石１４ｂの磁場の絶対値は、上流側の四重極電磁石１４ａ（又は下流側の四重極電磁石１４ｃ）の磁場の絶対値と同等に設定されると好ましい。これにより、３台の四重極電磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃを通過する荷電粒子線Ｃにバランスよく磁場を与えることが出来る。
又、八重極電磁石１４ｄの磁場は、プラスに設定されると好ましい。これにより、八重極電磁石１４ｄを通過する荷電粒子線Ｃが、プラスで磁場を受けることで、荷電粒子線Ｃの幅方向のビームプロファイルを矩形状に、且つ、均一に広げることが出来る。ここで、八重極電磁石１４ｄの磁場は、例えば、１０００ｍ－４～５０００ｍ－４の範囲内に設定されると好ましく、１０００ｍ－２～４０００ｍ－２の範囲内に設定されると更に好ましい。
ここで、磁場の単位について説明すると、本発明では、磁場の単位として、より一般的な概念を示すＫ値を採用し、四重極電磁石の磁場（Ｋ値）の単位はｍ－２で表現され、八重極電磁石の磁場（Ｋ値）の単位はｍ－４で表現される。具体的には、四重極電磁石のＫ値（ｍ－２）は、粒子の運動量（例えば、運動エネルギー２．５ＭｅＶの陽子では、その運動量は、６８．５ＭｅＶ）と、磁場の磁場勾配に依存する値であり、シミュレーションソフトで良く使用される磁場の表現であり、このＫ値（ｍ－２）から、四重極電磁石の磁極先端（ｐｏｌｅ ｔｉｐ）の磁場（ｋＧａｕｓｓ）に変換すると、下記の値になる。尚、磁極先端（ｐｏｌｅ ｔｉｐ）とは、磁石のポールの内接円とポールの接点のことで、四重極であれば、断面図で示された４つの弧と、四重極磁石の中心との最短距離の部分を意味する。例えば、図４の条件では、四重極電磁石の磁場（Ｋ値）１３ｍ－２は、４．５ｋＧとなり、八重極電磁石の磁場（Ｋ値）３０００ｍ－４は、４３．３ｋＧとなる。又、図５の条件では、四重極電磁石の磁場（Ｋ値）１２．１ｍ－２は、４．１ｋＧとなり、四重極電磁石の磁場（Ｋ値）１３．１ｍ－２は、４．５ｋＧとなり、八重極電磁石の磁場（Ｋ値）２０００ｍ－４は、２８．９ｋＧとなる。四重極電磁石のｍ－２（Ｋ）の値や八重極電磁石のｍ－４（Ｋ）の値は、一般的な磁場の磁束密度（ｋＧ）とほぼ相関している。
ここで、磁場の単位についてより詳細に説明すると、本「Particle Accelerator Physics I 」（H.Wiedemann著）の「6.1.2 Fields, Gradients and Multipole Strength Parameter」（場、勾配、多重極強度パラメーター）には、多重極電磁石における磁場を算出しており、磁場について「Upright multipole fields」（直立多重極場）の多重極電磁石の磁場の強度は、下記の「Table 4.3 Upright Multipole Fields」で示されている。
ｘ、ｙは、多重極電磁石の中心軸（ビーム軸）をｚ軸とした場合の横軸をｘ軸とし、縦軸をｙ軸とした場合の座標系であり、例えば、四重極電磁石の場合は、「（ｅ／ｐ０）＊Ｂｘ＝ｋｙ」、「（ｅ／ｐ０）＊Ｂｙ＝ｋｘ」で表現され、八重極電磁石の場合は、「（ｅ／ｐ０）＊Ｂｘ＝（１／６）＊ｒ＊（３ｘ２ｙ－ｙ３）」、「（ｅ／ｐ０）＊Ｂｙ＝（１／６）＊ｓ４＊（ｘ３－３ｘｙ２）」で表現される。そこで、四重極電磁石の磁場の強度は、上述の式を変形して、「ｋ＝（ｅ／ｐ０）＊Ｂｘ＊（１／ｙ）」、「ｋ＝（ｅ／ｐ０）＊Ｂｙ＊（１／ｘ）」となり、ここで、単位は、ｅは［Ｃ］＝［ｓ＊Ａ］、ｐは［ｋｇ＊ｍ＊ｓ－１］、Ｂは［Ｔ］＝［ｋｇ＊ｓ－２＊Ａ－１］、ｙは［ｍ］であるため、ｋ＝（ｓ＊Ａ）／（ｋｇ＊ｍ＊ｓ－１）＊（ｋｇ＊ｓ－２＊Ａ－１）＊（ｍ－１）＝ｍ－２となる。又、八重極電磁石の磁場の強度は、上述の式を変形して、「ｒ＝（ｅ／ｐ０）＊Ｂｘ＊６＊｛１／（３ｘ２ｙ－ｙ３）｝」、「ｓ４＝（ｅ／ｐ０）＊Ｂｙ＊６｛１／（ｘ３－３ｘｙ２）｝」となり、ここで、単位は、ｒ（ｓ４）＝（ｓ＊Ａ）／（ｋｇ＊ｍ＊ｓ－１）＊（ｋｇ＊ｓ－２＊Ａ－１）＊（ｍ－３）＝ｍ－４となる。
ところで、第二の基本的構成での３台の四重極電磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃと２台の八重極電磁石１４ｄ、１４ｅの磁場は、上述と同様に、それぞれ設定される。例えば、上述と同様に、上流側の四重極電磁石１４ａの磁場は、プラスに設定され、中流側の四重極電磁石１４ｂの磁場は、マイナスに設定され、下流側の四重極電磁石１４ｃの磁場は、プラスに設定されると好ましい。
ここで、上流側の四重極電磁石１４ａの磁場は、例えば、５ｍ－２～２０ｍ－２の範囲内に設定されると好ましく、中流側の四重極電磁石１４ｂの磁場は、例えば、－５ｍ－２～－２０ｍ－２の範囲内に設定されると好ましく、下流側の四重極電磁石１４ｃの磁場は、例えば、５ｍ－２～２０ｍ－２の範囲内に設定されると好ましい。又、上流側の四重極電磁石１４ａと下流側の四重極電磁石１４ｃの磁場は、同等に設定されると好ましく、中流側の四重極電磁石１４ｂの磁場の絶対値は、上流側の四重極電磁石１４ａ（又は下流側の四重極電磁石１４ｃ）の磁場の絶対値と同等、又は、上流側の四重極電磁石１４ａの磁場の絶対値を中心値として、中心値に所定の値を加算した上限値と、中心値に所定の値を減算した下限値との範囲内に設定されると好ましい。これにより、３台の四重極電磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃを通過する荷電粒子線Ｃにバランスよく磁場を与えることが出来る。
尚、第一の基本的構成でも第二の基本的構成でも、３台の四重極電磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃの構成や条件は、荷電粒子線Ｃの幅方向のビームプロファイルを均一に広げることに寄与すると考えられる。
さて、上流側の八重極電磁石１４ｄの磁場は、プラスに設定され、下流側の八重極電磁石１４ｅの磁場は、マイナスに設定されると好ましい。これにより、２台の八重極電磁石１４ｄ、１４ｅを通過する荷電粒子線Ｃが、プラス、マイナスの順番で磁場を受けることで、荷電粒子線Ｃの幅方向のビームプロファイルを円形状に、且つ、均一に広げることが出来る。
ここで、上流側の八重極電磁石１４ｄの磁場は、例えば、１０００ｍ－４～４０００ｍ－４の範囲内に設定されると好ましく、下流側の八重極電磁石１４ｅの磁場は、例えば、－１０００ｍ－２～－４０００ｍ－２の範囲内に設定されると好ましい。又、下流側の八重極電磁石１４ｅの磁場の絶対値は、上流側の八重極電磁石１４ｄの磁場の絶対値と同等、又は、上流側の八重極電磁石１４ｄの磁場の絶対値を中心値として、中心値に所定の値を加算した上限値と、中心値に所定の値を減算した下限値との範囲内に設定されると好ましい。これにより、２台の八重極電磁石１４ｄ、１４ｅを通過する荷電粒子線Ｃにバランスよく磁場を与えることが出来る。
さて、一定範囲で広がり、且つ、均一化された荷電粒子線Ｃはビーム輸送路１１を通過してターゲット１２のリチウムに照射すると、７Ｌｉ（ｐ，ｎ）７Ｂｅ反応が生じて、中性子線Ｎが発生する。発生した中性子線Ｎは、下流側の減速材システム１３を通過することで、熱エネルギー領域まで下げられて、ＢＮＣＴの治療に必要な熱エネルギー領域の中性子線Ｎとなる。この中性子線Ｎが、減速材システム１３の下流側に存在する患者に照射される。
ここで、患者には、がん細胞に選択的に蓄積するホウ素化合物を投与しているため、中性子線Ｎがホウ素化合物を含有するがん細胞に照射されると、１０Ｂ（ｎ，α）７Ｌｉの核反応によりα粒子やリチウム原子核が発生し、がん細胞を破壊する。これにより、ＢＮＣＴの治療がなされる。ここで、荷電粒子線Ｃの幅方向のビームプロファイルの広がりと均一化により、ターゲット１２のリチウムが蒸発することなく、中性子線Ｎを適切に発生させることが出来る。
さて、本発明の実施形態では、集束レンズ１４の基本的構成として２種類のタイプの集光レンズ１４の構成を採用したが、本発明は、基本的構成を含む応用的構成であっても構わない。例えば、図６に示すように、加速器１０からターゲット１２までの全体距離Ｔ０が、３台の四重極電磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃと１台の八重極電磁石１４ｄの第一の基本的構成の基本的距離Ｔよりも長い場合は、加速器１０と集束レンズ１４の上流側の四重極電磁石１４ａとの間に、１台以上の追加の四重極電磁石１４ｅ、１４ｆを設けることで、加速器１０から上流側の四重極電磁石１４ａまでを通過する荷電粒子線Ｃの広がりを防止しても良い。基本的距離Ｔが、例えば、部屋一室分の距離に対応すれば、全体距離Ｔ０が、例えば、部屋二室以上の距離に対応し、加速器１０からビーム輸送路１１、ターゲット１２を介して治療室までが部屋二室以上にまたがる場合に相当する。１台以上の四重極電磁石１４ｅ、１４ｆは、加速器１０から上流側の四重極電磁石１４ａまでの間の距離に応じて、所定の間隔を空けて配置される。
ここで、追加の四重極電磁石１４ｅ、１４ｆの構成に特に限定は無く、加速器１０による荷電粒子線Ｃのエネルギーや加速器１０の電流値、全体距離Ｔ０と基本的距離Ｔとの差分に応じて適宜設計される。例えば、追加の四重極電磁石１４ｅ、１４ｆの長さは、上流側の四重極電磁石１４ａの長さｘ１と同等に設定され、追加の四重極電磁石１４ｆ、１４ｄは、全体距離Ｔ０と基本的距離Ｔとの差分に応じて、一つだけ設置される場合もあれば、所定の間隔を空けて複数設置される場合もあり、適宜設計される。
又、基本的構成が、３台の四重極電磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃと２台の八重極電磁石１４ｄ、１４ｅの第二の基本的構成の場合であっても同様であり、図７に示すように、加速器１０と集束レンズ１４の上流側の四重極電磁石１４ａとの間に、１台以上の追加の四重極電磁石１４ｆ、１４ｇが適宜設けられる。一方、２種類のタイプの集光レンズ１４において、下流側の八重極電磁石からターゲット１２までの間に、八重極電磁石をもう一台追加して、荷電粒子線Ｃの幅方向のビームプロファイルを調整するように構成しても構わない。
以下に、本発明における実施例、比較例等を具体的に説明するが、本発明の適用が本実施例などに限定されるものではない。
ビーム輸送路１１における集束レンズ１４の設計と荷電粒子線Ｃの幅方向のプロファイルについて、非特許文献１で使用されているビームライン計算コードＣＲＹＳＴＡＬを用いた。ビームライン計算コードＣＲＹＳＴＡＬを用いて集束レンズ１４の設計を行い、荷電粒子線Ｃの幅方向のプロファイルのシミュレーション結果を確認することで、集束レンズ１４の構成を決定した。
先ず、ビーム輸送路１１における集束レンズ１４について、所定数の四重極電磁石と所定数の八重極電磁石とを配置して構成した。次に、上流側の四重極電磁石１４ａに入射する荷電粒子線Ｃを設定した。荷電粒子線Ｃの空間的な広がりと荷電粒子線Ｃの進む角度を表すパラメーターのうち、αとβをそれぞれ所定値に設定した。このパラメーターの値は、ＢＮＣＴで使用される低エネルギーの陽子線に対応するように構成した。この集束レンズ１４の構成で所定の荷電粒子線Ｃを通過させることで、通過後の荷電粒子線Ｃの幅方向のビームプロファイルをシミュレーションした。ここで、荷電粒子線Ｃの幅方向のビームプロファイルについて、横方向がｘ軸であり、縦方向がｙ軸であり、荷電粒子線Ｃの中心位置を原点としている。シミュレーションでは、各種パラメーターを適宜調整した後で、通過後の荷電粒子線Ｃの幅方向のビームプロファイルを確認し、このビームプロファイルが、広がり、且つ、均一化される各種パラメーターを見つけ出した。パラメーターは、四重極電磁石と八重極電磁石の数、サイズ、それぞれの配置間隔、それぞれの磁場の強さである。
ここで、図８に示すように、初期のビームプロファイルでは、原点付近に多くの荷電粒子が集中しており、ｘ軸のビームプロファイルでもｙ軸のビームプロファイルでも山に近似した形状に荷電粒子の数がカウントされている。つまり、加速器１０から出射した荷電粒子線Ｃの幅方向のビームプロファイルは、中心に近い程、荷電粒子の数が多くなる。この状態の荷電粒子線Ｃをターゲット１２のリチウムに照射すれば、リチウムの中心付近に熱が集中し、リチウムが蒸発するおそれがある。
そして、あるシミュレーションの条件（α＝０．１、β＝３９）において、ビーム輸送路１１における集束レンズ１４として、図４に示すように、３台の四重極電磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃと１台の八重極電磁石１４ｄとを配置して構成した。その際に、上流側の四重極電磁石１４ａの長さｘ１と中流側の四重極電磁石１４ｂの長さｘ２と下流側の四重極電磁石１４ｃの長さｘ３と八重極電磁石１４ｄの長さｘ４とをそれぞれ２０ｃｍとした。又、第一の間隔ｄ１と第二の間隔ｄ２をそれぞれ２５ｃｍとし、第三の間隔ｄ３と第四の間隔ｄ４とを５０ｃｍとした。この場合、基本的距離Ｔは２３０ｃｍとなる。又、上流側の四重極電磁石１４ａの磁場を１３．０ｍ－２とし、中流側の四重極電磁石１４ｂの磁場を－１３．０ｍ－２とし、下流側の四重極電磁石１４ｃの磁場を１３．０ｍ－２とし、八重極電磁石１４ｄの磁場を３０００ｍ－４とした。
このように、３台の四重極電磁石と１台の八重極電磁石とのそれぞれの長さ、間隔、磁場の条件は、極めて特徴的であり、３台の四重極電磁石と１台の八重極電磁石とのそれぞれの長さ、間隔がコンパクト化されており、特に、３台の四重極電磁石の磁場（絶対値が５ｍ－２～２０ｍ－２）と比較して、最後の１台の八重極電磁石が、１０００ｍ－４～５０００ｍ－４の範囲内という極めて高い磁場を設定している。
その結果、図８に示すように、通過後のビームプロファイルでは、原点付近から矩形状（略正方形状）に荷電粒子が均一に広がった。更に驚くべきことに、ｘ軸のビームプロファイルでもｙ軸のビームプロファイルでも、両端部を除いて、ほぼ均一に荷電粒子の数がカウントされた。ここで、通過前のビームプロファイルでは、一辺の長さが約８０ｍｍ（８ｃｍ）であるが、通過後のビームプロファイルでは、一辺の長さが約１６０ｍｍ（１６ｃｍ）になっており、一辺の長さを約２倍に広げている。これは、正しく、荷電粒子線Ｃを広い面積で広げ、且つ、均一化することが出来ていることを示している。このような状態の荷電粒子線Ｃをターゲット１２のリチウムに照射しても、リチウムの中心付近に熱が集中することが無いため、リチウムの蒸発を防止することが可能となる。
又、３台の四重極電磁石と１台の八重極電磁石との配置を見ると、上流側の四重極電磁石から八重極電磁石までの長さをそれぞれ２０ｃｍとし、第一の間隔と第二の間隔をそれぞれ２５ｃｍとし、第三の間隔と第四の間隔とを５０ｃｍとすると、上流側の四重極電磁石からターゲットまでの基本的距離は２３０ｃｍ（２．３ｍ）となり、極めてコンパクト化することが出来ている。このように、本発明では、ＢＮＣＴの実用化のために、荷電粒子線の均一化・広面積化と、装置全体のコンパクト化の両方を兼ね備えている。
更に、シミュレーションを継続した結果、他のシミュレーションの条件（α＝－０．１、β＝３１）において、ビーム輸送路１１における集束レンズ１４として、図５に示すように、３台の四重極電磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃと２台の八重極電磁石１４ｄ、１４ｅとを配置して構成した。その際に、上流側の四重極電磁石１４ａの長さｘ１と中流側の四重極電磁石１４ｂの長さｘ２と下流側の四重極電磁石１４ｃの長さｘ３と八重極電磁石１４ｄの長さｘ４とをそれぞれ２０ｃｍとした。又、第一の間隔ｄ１と第二の間隔ｄ２をそれぞれ２５ｃｍとし、第三の間隔ｄ３を５０ｃｍとし、第四の間隔ｄ４を２０ｃｍとし、第五の間隔ｄ５を５０ｃｍとした。この場合、基本的距離Ｔは２７０ｃｍとなる。又、上流側の四重極電磁石１４ａの磁場を１２．１ｍ－２とし、中流側の四重極電磁石１４ｂの磁場を－１３．１ｍ－２とし、下流側の四重極電磁石１４ｃの磁場を１２．１ｍ－２とし、上流側の八重極電磁石１４ｄの磁場を２０００ｍ－４とし、下流側の八重極電磁石１４ｅの磁場を－３０００ｍ－４とした。
このように、３台の四重極電磁石と２台の八重極電磁石とのそれぞれの長さ、間隔、磁場の条件は、極めて特徴的であり、３台の四重極電磁石と２台の八重極電磁石とのそれぞれの長さ、間隔がコンパクト化されており、特に、３台の四重極電磁石の磁場（Ｋ値）（絶対値が５ｍ－２～２０ｍ－２）と比較して、２台の八重極電磁石が、絶対値で１０００ｍ－４～４０００ｍ－４の範囲内という極めて高い磁場を設定している。
その結果、図９に示すように、通過後のビームプロファイルでは、原点付近から円形状に荷電粒子が均一に広がった。更に驚くべきことに、ｘ軸のビームプロファイルでもｙ軸のビームプロファイルでも、ほぼ均一に荷電粒子の数がカウントされた。ここで、通過前のビームプロファイルでは、一辺の長さが約８０ｍｍ（８ｃｍ）であるが、通過後のビームプロファイルでは、一辺の長さ（円形の直径）が約１４０ｍｍ（１４ｃｍ）になっており、一辺の長さを約２倍に広げている。このような構成であっても、荷電粒子線Ｃを広い面積で広げ、且つ、均一化することが分かった。このような状態の荷電粒子線Ｃをターゲット１２のリチウムに照射しても、リチウムの中心付近に熱が集中することが無いため、リチウムの蒸発を防止することが可能となる。
又、３台の四重極電磁石と２台の八重極電磁石との配置を見ると、上流側の四重極電磁石から下流側の八重極電磁石までの長さをそれぞれ２０ｃｍとし、第一の間隔と第二の間隔をそれぞれ２５ｃｍとし、第三の間隔を５０ｃｍとし、第四の間隔を２０ｃｍとし、第五の間隔を５０ｃｍとすると、上流側の四重極電磁石からターゲットまでの基本的距離は２７０ｃｍ（２．７ｍ）となり、この場合であっても、極めてコンパクト化することが出来ている。このように、本発明では、ＢＮＣＴの実用化のために、荷電粒子線の均一化・広面積化と、装置全体のコンパクト化の両方を兼ね備えている。
尚、荷電粒子線Ｃの均一的な広がりに寄与している部分は、３台の四重極電磁石と考えられ、荷電粒子線Ｃの形状に寄与している部分は、八重極電磁石の数と考えられた。
ところで、特許文献４に記載の技術について、四重極電磁石、八重極電磁石の磁場、配置等を同等に設定して、上述のシミュレーションソフトに入力して、特許文献４の結果が再現出来るか確認した。その結果、図１０に示すように、特許文献４の図１のような軌跡を計算することが出来たものの、ビームプロファイルでは、図１１に示すように、一部が均一化しているが、ｘ軸方向では、エッジで強度が高まっており、広面積化は実現することが出来なかった。特に、ｘ軸のエッジ付近では、強度が幅広に著しく上昇しているため、この状態で、点源の荷電粒子線をターゲットのリチウムに照射した場合、リチウムの蒸発が促進される可能性がある。尚、通過前のビームプロファイル（図４Ａ、図４Ｂ）の一片の長さが１２ｃｍ～１４ｃｍとしている。
このように、本発明では、ＢＮＣＴにおける低エネルギーの大電流の荷電粒子線を広い範囲で、且つ、均一に輸送することが可能となるのである。本発明では、ＢＮＣＴ用の加速器の小型化に合わせてビーム輸送路１１の集束レンズ１４の最適化を実現するため、病院へのＢＮＣＴの設置を促進することが出来る。
以上のように、本発明に係るＢＮＣＴにおける低エネルギーの荷電粒子線輸送システム及び荷電粒子線輸送方法は、ＢＮＣＴの実現や高精度治療に有用であり、ＢＮＣＴにおける低エネルギーの大電流の荷電粒子線を広い範囲で、且つ、均一に輸送することが可能なＢＮＣＴにおける低エネルギーの荷電粒子線輸送システム及び荷電粒子線輸送方法として有効である。
１ ＢＮＣＴにおける低エネルギーの荷電粒子線輸送システム
１０ 加速器
１１ ビーム輸送路
１２ ターゲット
１３ 減速材システム
１４ 集束レンズ
１５ 制御装置
１０１ 加速器制御部
１０２ 集束レンズ制御部
１０ 加速器
１１ ビーム輸送路
１２ ターゲット
１３ 減速材システム
１４ 集束レンズ
１５ 制御装置
１０１ 加速器制御部
１０２ 集束レンズ制御部
Claims (4)
- ５ＭｅＶ以下の低エネルギーの荷電粒子線を出射する加速器と、
前記加速器から出射された荷電粒子線を輸送するビーム輸送路と、
リチウムを含み、前記ビーム輸送路から輸送された荷電粒子線の照射を受けて中性子線を発生させるターゲットと、
前記ターゲットから発生した中性子線のエネルギーを熱エネルギー領域まで低下させる減速材システムと、
前記ビーム輸送路の内部において、上流側の四重極電磁石と、中流側の四重極電磁石と、下流側の四重極電磁石の３台の四重極電磁石を、前記荷電粒子線の上流から前記荷電粒子線の照射方向に沿って配置するとともに、１台の八重極電磁石を、前記下流側の四重極電磁石から前記荷電粒子線の照射方向に沿って配置することで構成される集束レンズと、
前記四重極電磁石と前記八重極電磁石の磁場を制御することで、前記荷電粒子線の幅方向のビームプロファイルを広げるとともに、均一化する集光レンズ制御部と、
を備え、
前記上流側の四重極電磁石の長さと前記中流側の四重極電磁石の長さと前記下流側の四重極電磁石の長さのそれぞれは、１０ｃｍ～４０ｃｍの範囲内に設定され、
前記八重極電磁石の長さは、１０ｃｍ～４０ｃｍの範囲内に設定され、
前記上流側の四重極電磁石と前記中流側の四重極電磁石との第一の間隔と、前記中流側の四重極電磁石と前記下流側の四重極電磁石との第二の間隔とは、１０ｃｍ～４０ｃｍの範囲内に設定され、
前記下流側の四重極電磁石と前記八重極電磁石との第三の間隔は、１５ｃｍ～１００ｃｍの範囲内に設定され、
前記八重極電磁石と前記ターゲットとの第四の間隔は、１５ｃｍ～１００ｃｍの範囲内に設定され、
前記上流側の四重極電磁石の磁場は、５ｍ－２～２０ｍ－２の範囲内に設定され、
前記中流側の四重極電磁石の磁場は、－５ｍ－２～－２０ｍ－２の範囲内に設定され、
前記下流側の四重極電磁石の磁場は、５ｍ－２～２０ｍ－２の範囲内に設定され、
前記八重極電磁石の磁場は、１０００ｍ－４～５０００ｍ－４の範囲内に設定される、
ＢＮＣＴにおける低エネルギーの荷電粒子線輸送システム。 - ５ＭｅＶ以下の低エネルギーの荷電粒子線を出射する加速器と、
前記加速器から出射された荷電粒子線を輸送するビーム輸送路と、
リチウムを含み、前記ビーム輸送路から輸送された荷電粒子線の照射を受けて中性子線を発生させるターゲットと、
前記ターゲットから発生した中性子線のエネルギーを熱エネルギー領域まで低下させる減速材システムと、
前記ビーム輸送路の内部において、上流側の四重極電磁石と、中流側の四重極電磁石と、下流側の四重極電磁石の３台の四重極電磁石を、前記荷電粒子線の上流から前記荷電粒子線の照射方向に沿って配置するとともに、上流側の八重極電磁石と、下流側の八重極電磁石との２台の八重極電磁石を、前記下流側の四重極電磁石から前記荷電粒子線の照射方向に沿って配置することで構成される集束レンズと、
前記四重極電磁石と前記八重極電磁石の磁場を制御することで、前記荷電粒子線の幅方向のビームプロファイルを広げるとともに、均一化する集光レンズ制御部と、
を備え、
前記上流側の四重極電磁石の長さと前記中流側の四重極電磁石の長さと前記下流側の四重極電磁石の長さのそれぞれは、１０ｃｍ～４０ｃｍの範囲内に設定され、
前記上流側の八重極電磁石の長さと前記下流側の八重極電磁石の長さのそれぞれは、１０ｃｍ～４０ｃｍの範囲内に設定され、
前記上流側の四重極電磁石と前記中流側の四重極電磁石との第一の間隔と、前記中流側の四重極電磁石と前記下流側の四重極電磁石との第二の間隔とは、１０ｃｍ～４０ｃｍの範囲内に設定され、
前記下流側の四重極電磁石と前記上流側の八重極電磁石との第三の間隔は、１５ｃｍ～１００ｃｍの範囲内に設定され、
前記上流側の八重極電磁石と前記下流側の八重極電磁石との第四の間隔は、１０ｃｍ～４０ｃｍの範囲内に設定され、
前記下流側の八重極電磁石と前記ターゲットとの第五の間隔は、１５ｃｍ～１００ｃｍの範囲内に設定され、
前記上流側の四重極電磁石の磁場は、５ｍ－２～２０ｍ－２の範囲内に設定され、
前記中流側の四重極電磁石の磁場は、－５ｍ－２～－２０ｍ－２の範囲内に設定され、
前記下流側の四重極電磁石の磁場は、５ｍ－２～２０ｍ－２の範囲内に設定され、
前記上流側の八重極電磁石の磁場は、１０００ｍ－４～４０００ｍ－４の範囲内に設定され、
前記下流側の八重極電磁石の磁場は、－１０００ｍ－４～－４０００ｍ－４の範囲内に設定される、
ＢＮＣＴにおける低エネルギーの荷電粒子線輸送システム。 - ５ＭｅＶ以下の低エネルギーの荷電粒子線を出射する加速器と、
前記加速器から出射された荷電粒子線を輸送するビーム輸送路と、
リチウムを含み、前記ビーム輸送路から輸送された荷電粒子線の照射を受けて中性子線を発生させるターゲットと、
前記ターゲットから発生した中性子線のエネルギーを熱エネルギー領域まで低下させる減速材システムと、
前記ビーム輸送路の内部において、上流側の四重極電磁石と、中流側の四重極電磁石と、下流側の四重極電磁石の３台の四重極電磁石を、前記荷電粒子線の上流から前記荷電粒子線の照射方向に沿って配置するとともに、１台の八重極電磁石を、前記下流側の四重極電磁石から前記荷電粒子線の照射方向に沿って配置することで構成される集束レンズと、
を備えるＢＮＣＴにおける低エネルギーの荷電粒子線輸送システムの荷電粒子線輸送方法であって、
前記四重極電磁石と前記八重極電磁石の磁場を制御することで、前記荷電粒子線の幅方向のビームプロファイルを広げるとともに、均一化する集光レンズ制御工程
を備え、
前記上流側の四重極電磁石の長さと前記中流側の四重極電磁石の長さと前記下流側の四重極電磁石の長さのそれぞれは、１０ｃｍ～４０ｃｍの範囲内に設定され、
前記八重極電磁石の長さは、１０ｃｍ～４０ｃｍの範囲内に設定され、
前記上流側の四重極電磁石と前記中流側の四重極電磁石との第一の間隔と、前記中流側の四重極電磁石と前記下流側の四重極電磁石との第二の間隔とは、１０ｃｍ～４０ｃｍの範囲内に設定され、
前記下流側の四重極電磁石と前記八重極電磁石との第三の間隔は、１５ｃｍ～１００ｃｍの範囲内に設定され、
前記八重極電磁石と前記ターゲットとの第四の間隔は、１５ｃｍ～１００ｃｍの範囲内に設定され、
前記上流側の四重極電磁石の磁場は、５ｍ－２～２０ｍ－２の範囲内に設定され、
前記中流側の四重極電磁石の磁場は、－５ｍ－２～－２０ｍ－２の範囲内に設定され、
前記下流側の四重極電磁石の磁場は、５ｍ－２～２０ｍ－２の範囲内に設定され、
前記八重極電磁石の磁場は、１０００ｍ－４～５０００ｍ－４の範囲内に設定される、
荷電粒子線輸送方法。 - ５ＭｅＶ以下の低エネルギーの荷電粒子線を出射する加速器と、
前記加速器から出射された荷電粒子線を輸送するビーム輸送路と、
リチウムを含み、前記ビーム輸送路から輸送された荷電粒子線の照射を受けて中性子線を発生させるターゲットと、
前記ターゲットから発生した中性子線のエネルギーを熱エネルギー領域まで低下させる減速材システムと、
前記ビーム輸送路の内部において、上流側の四重極電磁石と、中流側の四重極電磁石と、下流側の四重極電磁石の３台の四重極電磁石を、前記荷電粒子線の上流から前記荷電粒子線の照射方向に沿って配置するとともに、上流側の八重極電磁石と、下流側の八重極電磁石との２台の八重極電磁石を、前記下流側の四重極電磁石から前記荷電粒子線の照射方向に沿って配置することで構成される集束レンズと、
を備えるＢＮＣＴにおける低エネルギーの荷電粒子線輸送システムの荷電粒子線輸送方法であって、
前記四重極電磁石と前記八重極電磁石の磁場を制御することで、前記荷電粒子線の幅方向のビームプロファイルを広げるとともに、均一化する集光レンズ制御工程
を備え、
前記上流側の四重極電磁石の長さと前記中流側の四重極電磁石の長さと前記下流側の四重極電磁石の長さのそれぞれは、１０ｃｍ～４０ｃｍの範囲内に設定され、
前記上流側の八重極電磁石の長さと前記下流側の八重極電磁石の長さのそれぞれは、１０ｃｍ～４０ｃｍの範囲内に設定され、
前記上流側の四重極電磁石と前記中流側の四重極電磁石との第一の間隔と、前記中流側の四重極電磁石と前記下流側の四重極電磁石との第二の間隔とは、１０ｃｍ～４０ｃｍの範囲内に設定され、
前記下流側の四重極電磁石と前記上流側の八重極電磁石との第三の間隔は、１５ｃｍ～１００ｃｍの範囲内に設定され、
前記上流側の八重極電磁石と前記下流側の八重極電磁石との第四の間隔は、１０ｃｍ～４０ｃｍの範囲内に設定され、
前記下流側の八重極電磁石と前記ターゲットとの第五の間隔は、１５ｃｍ～１００ｃｍの範囲内に設定され、
前記上流側の四重極電磁石の磁場は、５ｍ－２～２０ｍ－２の範囲内に設定され、
前記中流側の四重極電磁石の磁場は、－５ｍ－２～－２０ｍ－２の範囲内に設定され、
前記下流側の四重極電磁石の磁場は、５ｍ－２～２０ｍ－２の範囲内に設定され、
前記上流側の八重極電磁石の磁場は、１０００ｍ－４～４０００ｍ－４の範囲内に設定され、
前記下流側の八重極電磁石の磁場は、－１０００ｍ－４～－４０００ｍ－４の範囲内に設定される、
荷電粒子線輸送方法。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021124031 | 2021-07-29 | ||
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4736106A (en) * | 1986-10-08 | 1988-04-05 | Michigan State University | Method and apparatus for uniform charged particle irradiation of a surface |
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