WO2023047786A1 - 円形加速器、粒子線治療システム、およびイオン源 - Google Patents

円形加速器、粒子線治療システム、およびイオン源 Download PDF

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孝義 関
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株式会社日立製作所
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    • H05H2277/10—Medical devices
    • H05H2277/11—Radiotherapy

Definitions

  • the present invention relates to a circular accelerator, an ion source suitable for the circular accelerator, and a particle beam therapy system.
  • Patent Document 1 As a background technology in this technical field, there is a technology described in Patent Document 1.
  • Patent Literature 1 states that "the cyclotron comprises a second internal ion source (2) for producing the same particle ions as the first internal ion source (1), and furthermore the cyclotron comprises the first internal ion source or the second Energetic particle beams can be generated by either of the internal ion sources or by both ion sources simultaneously.” or "The central vertical axis passes through the center of the cyclotron and is the magnetic field inside the cyclotron. defined as an axis that is parallel to the orientation.
  • the ion source is placed at substantially the same distance from the central axis, but not necessarily symmetrically with respect to the central axis.”
  • Patent Document 1 describes that two ion sources are arranged in the cyclotron inside the cyclotron, and the operating rate and reliability are improved by switching between the two ion sources.
  • Patent Document 1 the technology described in Patent Document 1 is not considered to be applied to a circular accelerator having a single acceleration electrode in the acceleration gap. For this reason, for example, the ion source interferes with the circulating beam, resulting in a decrease in the current emitted from the accelerator, or the installation is difficult. In addition, it is necessary to adjust the installation positions of the respective ion sources so as not to interfere with each other, which increases the time required to replace the ion sources and lowers the operation rate of the apparatus. Furthermore, it was difficult to install two or more ion sources, making it difficult to further improve the operating rate.
  • the present invention provides a circular accelerator, a particle beam therapy system, and an ion source that improve the operating rate and maintainability of the equipment compared to the past.
  • the present invention includes a plurality of means for solving the above problems.
  • an ion source in which at least two or more discharge chambers for generating ions linearly parallel to the central axis are arranged, and by moving the ion source in a direction parallel to the central axis, at least two or more It is characterized in that the discharge chamber from which ions are extracted can be selected from among the discharge chambers.
  • FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of a particle beam therapy system using a circular accelerator of the present invention
  • FIG. 2 is a side cross-sectional view of the circular accelerator shown in FIG. 1
  • FIG. Figure 2 shows a cross section of the circular accelerator shown in Figure 1
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a side view around the ion source of FIG. 2
  • 5 is a diagram showing a schematic structure of the ion source of FIG. 4 as viewed from below
  • FIG. FIG. 5 is a schematic diagram showing the ion source of FIG. 4 moved downward by an alignment guide
  • FIG. 10 is a view showing another form of the ion source of the present invention, showing an outline of a case where the ion source is moved by an alignment pin.
  • FIG. 9 is a diagram showing the structure of the ion source of FIG. 8 when the ion source is moved downward when the gas introduction pipe is integrated.
  • FIGS. 1 to 9 An embodiment of the circular accelerator, particle beam therapy system, and ion source of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 9.
  • the same or corresponding components are denoted by the same or similar reference numerals, and repeated descriptions of these components may be omitted.
  • FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of the particle beam therapy system of this embodiment.
  • the particle beam therapy system 100 includes a cyclotron accelerator 50, a beam transport system 52, an irradiation device 54, a treatment table 40, a control device 56, and the like.
  • ions generated by the ion source 3 are accelerated by the accelerator 50 to form an ion beam.
  • the ion beam accelerated to the desired energy is emitted from the accelerator 50 and transported to the irradiation device 54 by the beam transport system 52 .
  • the transported ion beam is shaped by the irradiation device 54 so as to match the shape of the diseased part, and the target of the patient 45 lying on the treatment table 40 is irradiated with a predetermined amount.
  • a control device 56 controls the operation of each device and equipment in the particle beam therapy system 100 including the accelerator 50 .
  • FIG. 2 is a side cross-sectional view of the accelerator of this embodiment
  • FIG. 3 is a transverse cross-sectional view.
  • the cyclotron accelerator 50 is composed of a main magnetic pole 1, an annular coil 2, a vacuum vessel 6, a high frequency acceleration electrode 8, and an ion source 3.
  • the main magnetic pole 1 is a pair of magnetic bodies placed to face each other, and is made of, for example, iron.
  • the main magnetic pole 1 is provided with a pair of upper and lower magnetic poles 10 facing each other so as to generate a circular orbit 12 of the beam, and a magnetic field is generated between the magnetic poles 10 .
  • a magnetic field B0 as shown in FIG. 2 is generated by the magnetic pole 10, and a gradient magnetic field is formed outward from the center of rotation of the magnetic pole 10 to generate a focusing force of the circulating ion beam and realize stable rotation.
  • the surface shape of each opposing surface between the magnetic pole gaps of the pair of upper and lower magnetic poles 10 that generate the magnetic field B0 is symmetrical.
  • it is possible to form a magnetic pole having a convergence effect by forming a magnetic pole shape in which unevenness is provided in the traveling direction of the beam.
  • the vacuum vessel 6 is sandwiched between the main magnetic poles 1, forming one vacuum vessel with the magnetic pole 10 as the inner surface, and forming a magnetic circuit.
  • Vacuum container 6 is a non-magnetic material.
  • a separated vacuum vessel may be separately provided in the gap between the magnetic poles 10 without using the magnetic poles 10 as the inner surface of the vacuum vessel.
  • the toroidal coil 2 is installed on the atmosphere side of the vacuum vessel 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 whether it is a coil made of a normal conducting material or a coil made of a superconducting material. Note that the annular coil 2 may be installed in the vacuum vessel 6, and is not particularly specified.
  • the ion source 3 is arranged inside the magnetic pole 10, and the plasma generated in the discharge chamber 36 passes through the extraction hole 37, and the high frequency power supplied by the high frequency power supply 20 is applied to the high frequency acceleration electrode 8, the ion source 3, and the ion source 3.
  • An extraction beam 15 is formed by a high-frequency electric field generated between the ground electrodes 9 which have the same potential as .
  • the formed extraction beam 15 circulates while drawing a spiral orbit 12 due to the magnetic field B0 generated by the magnetic pole 10 and the electric field generated in the acceleration gap 7 between the high-frequency acceleration electrode 8 and the ground electrode 9. , and after being accelerated to a predetermined energy while increasing the energy, it is taken out of the main magnetic pole 1 .
  • FIG. 4 is a diagram showing details of the ion source 3 of FIG. 2, and shows an example in which the first ion source 31 and the second ion source 32 are arranged in series in a direction parallel to the magnetic field generated by the magnetic pole 10. It is a figure at the time of operating the 1st ion source 31.
  • FIG. FIG. 5 is a diagram of the ion source 3 viewed from below.
  • FIG. 6 shows the case where the ion source 3 of FIG. 2 is moved downward and the second ion source 32 is operated.
  • the ion source 3 shown in FIG. 4 is installed between the opposing magnetic poles 10 and has at least two or more discharge chambers 36 linearly arranged in parallel to the central axis of the circulating ion beam. is.
  • the ion source 3 is composed of a cathode 33 that generates electrons, a discharge chamber 36 that generates ions, a discharge power supply 21, an extraction hole 37 that extracts ions from the discharge chamber 36, and a discharge container 39.
  • a (Penning Ionization Gauge) type first ion source 31 and a second ion source 32 having the same configuration as the first ion source 31 are arranged in a straight line parallel to the central axis of the orbiting ion beam, that is, Two of them are arranged in the insertion direction of the ion source 3 into the main magnetic pole 1 (the same direction as the direction in which the plurality of discharge chambers 36 are arranged).
  • the ion source 3 is further provided with a gas pipe 24 for supplying the sample gas to each of the discharge chamber 36 of the first ion source 31 and the discharge chamber 36 of the second ion source 32 .
  • the number of discharge chambers 36 of the ion source 3 is not limited to two, and a plurality of discharge chambers 36 can be stacked in the same direction, and can be three or more.
  • the cathode 33 of the first ion source 31 and the cathode 33 of the second ion source 32 are fixed to a common cathode support 35 as shown in FIGS. 4-5. Both the first ion source 31 and the second ion source 32 are arranged so as to sandwich the discharge chamber 36 .
  • a voltage is applied between the cathode 33 and the discharge vessel 39 by the discharge power supply 21. Electrons are drawn toward the discharge chamber 36 by setting the cathode 33 to a negative potential with respect to the discharge vessel 39 .
  • Each of the discharge chamber 36 of the first ion source 31 and the discharge chamber 36 of the second ion source 32 is connected to a separately provided gas pipe 24 , and is connected to the high-frequency acceleration electrode 8 by the gas switch 23 .
  • a sample gas 22 is supplied to the first ion source 31 located. That is, the sample gas 22 is supplied only to the discharge chamber 36 to be operated in the ion source 3 .
  • the extraction hole 37 of the first ion source 31 and the extraction hole 37 of the second ion source 32 are arranged in a row in the insertion direction, and aligned in a straight line parallel to the center axis of the circulating ion beam. ing.
  • a common alignment guide 34 is provided for the first ion source 31 and the second ion source 32, and the alignment guide 34 is slid and inserted in accordance with the notch 9A provided in the ground electrode 9. .
  • the positions of the circulating ion beams of the two or more discharge chambers 36 are aligned in the direction of the central axis.
  • the position and rotation of the ion source 3 can be fixed by forming the alignment guide 34 into a trapezoidal cross-sectional shape as shown in FIG.
  • the alignment guide 34 it is also possible to perform positioning by separately fixing with a flange or the like on the upstream side in the insertion direction.
  • the cathode 33 is made of a material that easily emits electrons, such as tungsten (W) or lanthanum hexaboride (LaB 6 ), but the material is not particularly limited. Further, the cathode 33 may be a cold cathode that does not overheat, or a cathode that is forcibly heated by applying current. However, the life of the cathode 33 is better with the cold cathode.
  • the discharge vessel 39 is made of a heat-resistant material, preferably tantalum (Ta) or copper (Cu) with good thermal conductivity, but the material is not particularly limited.
  • the first ion source 31 and the second ion source 32 operate as follows to generate plasma that is the source of ion beams.
  • a voltage is applied by the discharge power supply 21 between the cathode 33 and the container forming the discharge chamber 36 . Electrons are emitted from the cathode 33 by the high voltage and are introduced into the discharge chamber 36 as a result toward the discharge vessel 39 which has a positive potential when viewed from the cathode 33 .
  • a sample gas 22 introduced through a gas pipe 24 collides with electrons to generate plasma.
  • the magnetic field B0 generated by the magnetic pole 10 causes the electrons to spirally move, thereby extending the residence time of the electrons in the discharge chamber 36 and further increasing the efficiency of plasma generation.
  • the first ion source 31 is moved to the position of the high frequency acceleration electrode 8 .
  • the discharge power source 21 applies a voltage to the cathode 33
  • the sample gas 22 is supplied to the discharge chamber 36 of the first ion source 31 by the gas switch 23 , plasma is generated, and the extraction beam 15 is extracted.
  • the ion source 3 is further inserted perpendicular to the main pole 1, and the second ion source 32 is moved to the position of the rf acceleration electrode 8, as shown in FIG. .
  • the ion source 3 is only moved in a direction parallel to the central axis, the vacuum state of the accelerator 50 can be maintained, and the time required for replacement can be minimized.
  • the sample gas 22 is supplied to the discharge chamber 36 of the second ion source 32 by the gas switch 23 to generate plasma and extract the extraction beam 15 .
  • the gas switch 23 since the supply of the sample gas 22 to the discharge chamber 36 of the first ion source 31 is stopped, no ions are generated.
  • the ion source 3 is inserted through a hole penetrating the main magnetic pole 1 and the magnetic pole 10 .
  • a plurality of ion sources (first ion source 31 and second ion source 32) can be installed while avoiding interference with the orbit 12 by inserting from the top of the main magnetic pole 1 and stacking them in the insertion direction. can.
  • the distribution of the magnetic field B0 generated between the magnetic poles 10 is influenced and changed by providing the holes in the main magnetic pole 1 and the magnetic poles 10 .
  • the orbit radius of the orbit 12 is determined by the strength of the magnetic field B0 generated between the magnetic poles 10. If the magnetic field B0 is 2 tesla and the acceleration voltage is 10 kilovolts, the circling radius will be 7.2 mm. 4 mm.
  • the outer diameter of the ion source 3 must be smaller than the circling diameter (radius) in order to prevent the circulating ion beam from colliding with the ion source 3 itself to reduce the current value and to increase the ion beam utilization efficiency.
  • the cathode support 35 for supplying voltage to the ion source 3 and the gas pipe 24 in a narrow area.
  • the cathode 33 is supported by a common cathode support 35, and the plasma of the sample gas 22 is generated and operated by the gas switching device 23.
  • a plurality of ion sources can be installed in a narrow area.
  • a current monitor 17 is further provided to detect the current of the ion beam that revolves around the orbit 12 that revolves between the magnetic poles 10 . After that, the discharge chamber 36 to be operated is switched according to the fluctuation of the current value detected by the current monitor 17 .
  • the discharge power supply 21 is normally controlled to increase the voltage applied to the cathode 33 .
  • the beam current does not increase even if the voltage applied to the cathode 33 is increased, it can be determined that the first ion source 31 in use has reached the end of its life.
  • the ion beam can be supplied without stopping the ion source for a long time.
  • the ion source 3 itself needs to be replaced. Therefore, when the ion source 3 itself is replaced, the operation of the accelerator 50 is stopped and the ion source 3 is released to the atmosphere before replacement.
  • Monitoring the current value detected by the current monitor 17 and determining the switching timing may be performed automatically by the device side by a control device (not shown for convenience of illustration), or the detection result may be displayed on the display device. It may be performed by the operator as the operator, and is not particularly limited.
  • FIG. 7 is a diagram showing an outline in the case of moving with an alignment pin
  • FIGS. 8 and 9 are diagrams showing an outline in the case of integrating gas introduction pipes.
  • the ion source 3A shown in FIG. It is a form for implementing alignment including rotation.
  • the alignment pin 38 has a circular or semicircular cross section and is provided below the first ion source 31 .
  • the positioning pin 38 is passed through the reference hole provided in the magnetic pole 10 to position the ion source 3A. Further, by rotating the ion source 3A around the alignment pin 38, it can be used for position adjustment of the ion beam emission direction of the ion source 3A.
  • the alignment pin may be provided on the surface of the magnetic pole 10 facing the first ion source 31 and the reference hole may be provided on the ion source 3 side.
  • the alignment pin 38 is desirably installed at a position that is the center of rotation of the ion source 3A, such as the lower portion of the extraction hole 37, the center of the ion source 3A, the center of the orbit 12, and the like.
  • the ion source 3B shown in FIGS. 8 and 9 has a form in which the gas pipe 25 for supplying the sample gas to the discharge chambers 36 is shared by at least two or more discharge chambers 36 .
  • FIG. 8 shows an example in which the sample gas 22 is supplied to the first ion source 31 to generate plasma.
  • FIG. 9 shows an example in which the ion source 3B is moved downward to introduce the sample gas 22 into the second ion source 32. This is an example in which plasma is generated by
  • the discharge chamber 36 moves in the direction parallel to the central axis as in FIGS.
  • a gas line 25 connected to the surface of vessel 39 is provided.
  • the gas pipe 25 is provided, and the hole for supplying the sample gas may be shared.
  • the gas pipe 25 is provided in the first ion source 31 or the second ion source 32 when the first ion source 31 or the second ion source 32 is moved to a height that matches the height of the high-frequency acceleration electrode 8. It is fixed to the ground electrode 9 so as to match the position of the gas supply hole.
  • the first ion source 31 When the first ion source 31 is used, as shown in FIG. 8, it is moved to a position where the gas introduction hole of the first ion source 31 and the gas pipe 25 can be connected, and the sample gas 22 is introduced into the discharge chamber 36. do.
  • the second ion source 32 As shown in FIG. 9, the ion source 3B is moved downward to a position where the gas introduction hole of the second ion source 32 is aligned with the gas pipe 25.
  • FIG. A sample gas 22 is introduced into the discharge chamber 36 of the second ion source 32 to generate a plasma.
  • the ion sources 3, 3A, and 3B are inserted from above the main pole 1, but the ion sources 3, 3A, and 3B are inserted from below the main pole 1 toward the upper side. It may be in the form of insertion, and the same operation is possible.
  • the accelerator 50 of the present embodiment described above is installed between the opposing magnetic poles 10, the high-frequency acceleration electrode 8, and the opposing magnetic poles 10, and generates ions in a straight line parallel to the central axis of the circulating ion beam.
  • the ion sources 3, 3A, 3B in which at least two or more discharge chambers 36 are arranged, and by moving the ion sources 3, 3A, 3B in a direction parallel to the central axis, at least two or more discharge chambers Of the 36, a discharge chamber 36 for extracting ions can be selected.
  • a plurality of ion sources are connected to the ion sources 3, 3A, and 3B.
  • can be installed in the same position as the position of even if the ion source is replaced (from the first ion source 31 to the second ion source 32), only one position adjustment is required, there is no ion beam interference, and the atmosphere is released. It is possible to extract an ion beam by sequentially changing the ion source without any need.
  • the ion sources 3, 3A, and 3B can be assembled and installed in series as a single unit, the positions can be adjusted at the same time with a single installation, which improves maintainability and shortens the maintenance time and maintenance cycle. The effect of improving the operating rate of the equipment is also obtained.
  • the cathodes 33 of the ion sources 3, 3A, 3B are supported by a common cathode support 35 in at least two or more discharge chambers 36. Since the sample gas is supplied only to the ion sources 3, 3A and 3B, the space-saving configuration can be achieved.
  • the gas pipe 25 for supplying the sample gas to the discharge chambers 36 is common to at least two or more discharge chambers 36, and the discharge chambers 36 are oriented parallel to the central axis, thereby further reducing the ion source 3B. It can be configured as a space.
  • a current monitor 17 for detecting the current of the circulating ion beam is further provided, and by switching the discharge chamber 36 to be operated according to the variation of the current value detected by the current monitor 17, the first discharge chamber 36 can be operated at the timing as close as possible to the life. Switching between the first ion source 31 and the second ion source 32 becomes possible.
  • the ion source 3 has an alignment guide 34 for aligning the positions of at least two or more discharge chambers 36 in the direction of the central axis, or is arranged at the endmost of at least two or more discharge chambers 36 .
  • the alignment pin 38 in the discharge chamber 36 By providing the alignment pin 38 in the discharge chamber 36, the alignment of the ion source 3 in the direction of the central axis of the ion beam is facilitated, and the labor required for maintenance can be further reduced.
  • the extraction holes 37 for extracting ions from the discharge chamber 36 are arranged in a straight line parallel to the central axis, there are fewer adjustments when switching from the first ion source 31 to the second ion source 32. can be.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications.
  • the above-described embodiments have been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the described configurations.
  • it is possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment.
  • the type of the accelerator 50 is not limited to a cyclotron type accelerator having magnetic poles provided with unevenness on the magnetic poles 10, but has magnetic poles inclined from the center of the magnetic poles 10, and is a synchrocyclotron type that modulates the frequency of high-frequency acceleration. It can also be used for accelerators of
  • a synchrocyclotron-type accelerator is a type of accelerator that is an improved version of a cyclotron, and repeatedly accelerates charged particles moving in circular motion between large magnetic poles by applying a frequency-modulated high-frequency electric field. Also, at the speed of light, the mass of an accelerated particle increases due to relativistic effects, and the period of circular motion of a charged particle in a magnetic field increases proportionally with mass. The resulting period deviation from the high-frequency voltage is removed by modulating the frequency.
  • the synchrocyclotron type accelerator has the same configuration as the cyclotron type accelerator, the ion source 3 can be arranged in the main magnetic pole 1, and the same effect can be obtained.
  • Reference Signs List 1 Main magnetic pole 2 Annular coils 3, 3A, 3B Ion source 6 Vacuum vessel 7 Acceleration gap 8 High-frequency acceleration electrode 9 Ground electrode 9A Notch 10 Magnetic pole 12 Orbit 15 Extraction beam 17 Current monitor 20 High-frequency power supply 21 Discharge power supply 22 Sample gas 23 Gas switch 24, 25 Gas pipe 31 First ion source 32 Second ion source 33 Cathode 34 Alignment guide 35 Cathode Support 36 Discharge chamber 37 Drawer hole 38 Positioning pin 39 Discharge vessel 40 Treatment table 45 Patient 50 Accelerator 52 Beam transport system 54 Irradiation device 56 Control device 100 Particle beam therapy system

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Abstract

イオン源３は、イオンを生成する放電室３６と、放電室３６に試料ガスを供給するガス配管２４，２５と、放電室３６からイオンを引き出す引き出し孔３７と、を備え、放電室３６が少なくとも２つ以上並んで配置されている。これにより、装置の稼働率とメンテナンス性を従来に比べて向上させた円形加速器、粒子線治療システム、およびイオン源を提供する。

Description

円形加速器、粒子線治療システム、およびイオン源
　本発明は円形加速器やその円形加速器に好適なイオン源、更には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。
　特許文献１には、「前記第一内部イオン源（１）と同じ粒子イオンを生成するための第二内部イオン源（２）を含み、さらに前記サイクロトロンは前記第一内部イオン源または前記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発生されたエネルギー粒子ビームを発生することができる。」という記載や、「中心垂直軸は、サイクロトロンの中心を通過しかつサイクロトロンの内側の磁場の向きと平行である軸として規定される。別の実施態様によれば、イオン源は中心軸から実質的に同じ距離に、しかし必ずしも中心軸に対して対称的にではなく置かれる。」という記載がある。
特表２０１１－５２３１８５号公報
　特許文献１には、サイクロトロン内部にイオン源を周回面内に２個配置して、２個のイオン源を切り換えて使用することで稼働率や信頼性を向上させることが記載されている。
　しかし特許文献１に記載された技術は、加速ギャップが１個の加速電極を有する円形加速器の場合に適用することが配慮されていない。そのため、例えば、イオン源が周回ビームに干渉して加速器からの出射電流が低下する、あるいは設置が困難であるという問題があった。また、干渉しないようにそれぞれのイオン源の設置位置調整が必要で、イオン源の交換に要する時間が長くなり、装置の稼働率が低下する問題があった。さらに、イオン源を２個以上設置することが難しく、更なる稼働率の向上を図ることが困難であった。
　本発明は、装置の稼働率とメンテナンス性を従来に比べて向上させた円形加速器、粒子線治療システム、およびイオン源を提供する。
　本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、対向する磁極と、加速電極と、前記対向する磁極の間に設置されており、周回するイオンビームの中心軸に平行に直線状にイオンを生成する放電室が少なくとも２個以上配置されたイオン源と、を備え、前記イオン源を前記中心軸に平行な方向に移動させることで少なくとも２個以上の前記放電室のうち、イオンを引き出す前記放電室が選択可能であることを特徴とする。
　本発明によれば、装置の稼働率とメンテナンス性を従来に比べて向上させることができる。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システム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２のイオン源周りの側面の概略を示す図である。 図４のイオン源を下から見た場合の概略構造を示す図である。 図４のイオン源を位置合わせガイドで下方へ移動した場合の概略を示す図である。 本発明のイオン源の他の形態を示す図で、位置合わせピンで移動させる場合の概略を示した図である。 本発明のイオン源の更に他の形態を示す図で、ガス導入配管を一体化した場合の構造を示す図である。 図８のイオン源で、ガス導入配管を一体化した場合にイオン源を下方へ移動した場合の構造を示す図である。
　本発明の円形加速器、粒子線治療システム、およびイオン源の実施例について図１乃至図９を用いて説明する。なお、本明細書で用いる図面において、同一のまたは対応する構成要素には同一、または類似の符号を付け、これらの構成要素については繰り返しの説明を省略する場合がある。
　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等を備える。
　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。所望のエネルギーまで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。輸送されたイオンビームは照射装置５４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。
　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は横断面図である。
　図２および図３に示すように、サイクロトロン型の加速器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８、イオン源３によって構成される。
　主磁極１は互いに対向するように設置される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１２を発生させるように向かい合うように上下一対の磁極１０が対向するように設けられており、その磁極１０の間に磁場を発生させる。磁極１０によって図２に示すような磁場Ｂ０を発生させるとともに、磁極１０の周回中心から外側に向かって傾斜磁場を形成することで周回するイオンビームの集束力を発生させ、安定周回を実現する。磁場Ｂ０を発生させる上下一対の磁極１０の磁極ギャップ間の対向する各々の面の表面形状は対称形状である。あるいは、ビームの進行方向に凹凸を設けた磁極形状とすることで収束効果を付加する形の磁極とすることができる。
　真空容器６は主磁極１によって挟まれており、磁極１０を内面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１０の間隙内に、磁極１０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。
　イオン源３は磁極１０の内部に配置され、放電室３６内に生成されたプラズマから引き出し孔３７を通し、高周波電源２０によって供給される高周波で、高周波加速電極８とイオン源３およびイオン源３と同電位となる接地電極９の間に発生した高周波電場により引き出しビーム１５が形成される。形成された引き出しビーム１５は磁極１０が生成する磁場Ｂ０と高周波加速電極８と接地電極９の加速間隙７に発生する電場とによって、螺旋状の周回軌道１２を描きながら周回運動して加速間隙７を通過するごとに加速され、エネルギーを増加させながら所定のエネルギーまで加速された後、主磁極１の外部へ取り出される。
　次に図４乃至図６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、第一イオン源３１および第二イオン源３２を、磁極１０で生成する磁場に平行な方向に直列に配置した場合の例で、第一イオン源３１を動作させた場合の図である。図５はイオン源３を下側から見た図である。図６は図２のイオン源３を下方へ動かし、第二イオン源３２を動作させた場合の図である。
　図４に示すイオン源３は、対向する磁極１０の間に設置されており、周回するイオンビームの中心軸に平行にイオンを生成する放電室３６が直線状に少なくとも２個以上配置されたものである。
　より具体的には、イオン源３は、電子を生成する陰極３３、イオンを生成する放電室３６、放電用電源２１、放電室３６からイオンを引き出す引き出し孔３７、放電容器３９で構成されるＰＩＧ（Ｐｅｎｎｉｎｇ　Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　Ｇａｕｇｅ）型の第一イオン源３１、およびこの第一イオン源３１と構成を同じにした第二イオン源３２が、周回するイオンビームの中心軸に平行な直線状に並んで、すなわちイオン源３の主磁極１への挿入方向（複数の放電室３６の配置される向きと同じ方向）に２個配置されることで構成されている。
　イオン源３には、これら第一イオン源３１の放電室３６、および第二イオン源３２の放電室３６のそれぞれに試料ガスを供給するガス配管２４が更に設けられている。
　なお、イオン源３の放電室３６の数量は２個に限定するものではなく、複数個同様の方向に重ねて配置することも可能であり、３個以上とすることができる。
　図４乃至図６に示すイオン源３では、第一イオン源３１の陰極３３、および第二イオン源３２の陰極３３は、図４乃至図５に示すように共通の陰極支持具３５に固定されており、第一イオン源３１および第二イオン源３２のいずれでも放電室３６をはさむように配置されている。
　第一イオン源３１、および第二イオン源３２では、放電用電源２１によって陰極３３と放電容器３９間に電圧を印加する。陰極３３を放電容器３９に対して負電位にすることで電子が放電室３６に向かって引き出される。
　第一イオン源３１の放電室３６、および第二イオン源３２の放電室３６の各々には、それぞれ別々に設けられたガス配管２４が接続されており、ガス切り替え器２３によって高周波加速電極８に位置する第一イオン源３１に試料ガス２２を供給する。すなわち、イオン源３のうち、動作させる放電室３６にのみ試料ガス２２を供給する構成となっている。
　この際、第一イオン源３１の陰極３３と第二イオン源３２の陰極３３の双方の陰極３３に電圧が印加されるが、試料ガス２２が導入されない第二イオン源３２ではプラズマの生成が行われず、イオンビームも引き出されない。プラズマが生成されないので、プラズマのイオンによる陰極３３の損傷がなく、寿命に影響はない。
　イオン源３では、第一イオン源３１の引き出し孔３７と第二イオン源３２の引き出し孔３７とは挿入方向に一列とし、周回するイオンビームの中心軸に平行な直線状に一致させて配置している。
　また、第一イオン源３１と第二イオン源３２には、共通する位置合わせガイド３４を設け、接地電極９に設けた切り欠き９Ａに合わせて位置合わせガイド３４をスライドさせて挿入するものとしている。これにより、２個以上の放電室３６の周回するイオンビームの中心軸の方向の位置を合わせている。
　位置合わせガイド３４は、図５に示すように台形断面の形状とすることで、イオン源３の位置、回転を固定することができる。なお、位置合わせガイド３４を用いる代わりに、別途、挿入方向上流にフランジ等で固定することにより位置決めを行うことも可能である。
　陰極３３は電子放出が起きやすい材料で、例えばタングステン（Ｗ）やランタンヘキサボライド（ＬａＢ６）などがあるが、特に限定するものではない。また、陰極３３は過熱しない冷陰極でも、電流を流して強制的に加熱するタイプの陰極でも構わない。ただし、陰極３３の寿命は冷陰極のほうが良好である。
　放電容器３９は熱に強い材料で、タンタル（Ｔａ）や、熱伝導の良い銅（Ｃｕ）が好適であるが、特に限定するものではない。
　第一イオン源３１および第二イオン源３２は、次のように動作し、イオンビームのもととなるプラズマを生成する。
　陰極３３と放電室３６を形成する容器との間に放電用電源２１により電圧を印加する。高電圧によって陰極３３より電子が放出され、陰極３３から見て正電位となる放電容器３９に向かうため結果的に放電室３６内に導入される。ガス配管２４を介して導入される試料ガス２２と電子との衝突によりプラズマを生成する。この際に磁極１０により発生させた磁場Ｂ０により、電子はらせん運動を行うことで電子の放電室３６内での滞在時間が延び、プラズマ生成効率をより上昇させる。
　次に、イオン源３の第一イオン源３１と第二イオン源３２との切り替えの手順について説明する。
　まず、第一イオン源３１を高周波加速電極８の位置に移動させる。そのうえで、放電用電源２１で陰極３３に電圧を印加し、ガス切り替え器２３によって第一イオン源３１の放電室３６に試料ガス２２を供給してプラズマを生成し、引き出しビーム１５を引き出す。
　引き出しビーム１５が不安定、あるいは低下した場合、イオン源３を主磁極１に対して垂直に更に挿入し、図６に示すように、高周波加速電極８の位置に第二イオン源３２を移動させる。この際、イオン源３を中心軸に平行な方向に移動させるのみのため、加速器５０の真空状態を維持したままでよく、交換に要する時間は最小限度とすることができる。
　その後、ガス切り替え器２３によって第二イオン源３２の放電室３６に試料ガス２２を供給してプラズマを生成し、引き出しビーム１５を引き出す。この際、第一イオン源３１の放電室３６に対しては試料ガス２２の供給が行われなくなるため、イオンが生成されることはない。
　本実施例では、イオン源３を主磁極１、磁極１０を貫通するように孔を設けて挿入する。主磁極１の上部より挿入し、挿入方向に重ねて設置することで、周回軌道１２との干渉を避けて複数のイオン源（第一イオン源３１と第二イオン源３２）を設置することができる。
　ここで、主磁極１や磁極１０に穴を設けることによって磁極１０間に生成される磁場Ｂ０の分布が影響を受けて変化する。孔の直径が小さいほど磁場Ｂ０への影響は少なくなり、磁極１０の形状や別途鉄片等を設置することで容易に補正が可能である。このため、磁極１０にあける孔を小さくする必要があり、すなわちイオン源３の外径を小さくする必要がある。
　さらに、磁極１０間に発生する磁場Ｂ０の強度によって周回軌道１２の周回半径が決定する。磁場強度が大きくなれば周回半径は小さくなり、例えば磁場Ｂ０が２テスラ、加速電圧１０キロボルトで加速される陽子イオンの場合、周回半径は７．２ｍｍとなり、磁場Ｂ０が６テスラの場合、２．４ｍｍになる。
　イオン源３の外径は、周回するイオンビームがイオン源３自身に衝突して電流値が減少することを避け、イオンビームの利用効率を上げるために、周回直径（半径）よりも小さくする必要がある。
　以上のことからイオン源３に電圧を供給する陰極支持具３５やガス配管２４を狭小領域に設置する必要がある。このため、陰極３３を共通する陰極支持具３５で支持し、試料ガス２２をガス切り替え器２３でプラズマを生成、動作させるイオン源を切り替えることで狭小領域に複数個のイオン源を設置可能な構造としている。
　次いで、図６のように第一イオン源３１から第二イオン源３２に切り替えるタイミング、あるいはイオン源３自体を交換するタイミングの決定方法について説明する。
　まず、前提として、磁極１０間を周回する周回軌道１２を回るイオンビームの電流を検出する電流モニタ１７を更に設ける。そのうえで、電流モニタ１７で検出される電流値の変動に応じて、動作させる放電室３６を切り替える。
　より具体的には、電流モニタ１７で検出される電流値がある設定値より低下した場合、通常は放電用電源２１を制御して陰極３３へ印加する電圧を上昇させる。しかし、陰極３３へ印加する電圧を上昇させてもビーム電流が増加しない場合、使用中の第一イオン源３１が寿命を迎えたと判断できるため、第一イオン源３１を移動して、現在動作していない第二イオン源３２を用いるよう別途設けた挿入機構とガス切り替え器２３を制御することで、イオン源を長時間停止することなくイオンビームの供給が可能となる。
　更に、第二イオン源３２を使用しても引き出しビーム１５が不安定、あるいは低下した場合は、イオン源３自体の交換が必要となる。そこで、イオン源３自体を交換する際は加速器５０の運転を停止して大気開放を行い、交換を行う。
　電流モニタ１７で検出される電流値を監視し、切り替えのタイミングの決定を行うのは制御装置（図示の都合上省略）により装置側で自動で行っても良いし、検出結果を表示装置に表示してオペレータが行うことでもよく、特に限定されない。
　次いで、イオン源３の変形形態について図７乃至図９を用いて説明する。図７は位置合わせピンで移動させる場合の概略を示した図、図８および図９はガス導入配管を一体化した場合の概略を示した図である。
　図７に示すイオン源３Ａは、少なくとも２個以上の放電室３６のうち、最も端に配置される放電室３６に、位置合わせピン３８が設けられているものであり、位置合わせピン３８を用いて回転を含んだ位置合わせを実施する形態である。
　位置合わせピン３８の断面は円形や半円などの形状で、第一イオン源３１の下部に設ける。磁極１０に設けた基準穴に位置合わせピン３８を貫通させてイオン源３Ａの位置決めをする。また、位置合わせピン３８を中心としてイオン源３Ａを回転させることで、イオン源３Ａのイオンビームの出射方向の位置調整などに用いることができる。なお、位置合わせピンを磁極１０の第一イオン源３１に対向する面に設けて、イオン源３の側に基準穴を設けてもよい。
　位置合わせピン３８は、イオン源３Ａの回転中心となる位置に設置するのが望ましく、例えば引き出し孔３７の下部、イオン源３Ａの中心、周回軌道１２の中心などである。
　図８および図９に示すイオン源３Ｂは、放電室３６に試料ガスを供給するガス配管２５を、少なくとも２個以上の放電室３６で共通とした形態である。
　図８は第一イオン源３１に試料ガス２２を供給してプラズマを生成する場合の例で、図９は、イオン源３Ｂを下方へ移動させて第二イオン源３２に試料ガス２２を導入してプラズマを生成する場合の例である。
　イオン源３Ｂでは、図４乃至図６と同様に放電室３６が中心軸に平行な方向に移動するが、第一イオン源３１の放電室３６、および第二イオン源３２の放電室３６から放電容器３９の表面へ接続されたガス配管２５が設けられている。なお、ガス配管２５を設ける場合に限られず、試料ガスを供給する穴を共通としてもよい。
　ガス配管２５は、第一イオン源３１、あるいは第二イオン源３２が高周波加速電極８の高さと一致する高さに移動したときに、第一イオン源３１や第二イオン源３２に設けられたガス供給用の穴の位置に一致するように接地電極９に固定される。
　第一イオン源３１を使用する場合には、図８に示すように、第一イオン源３１のガス導入穴とガス配管２５とを接続できる位置に移動し、試料ガス２２を放電室３６に導入する。第二イオン源３２を使用する場合には、図９に示すように、イオン源３Ｂを下方へ移動し、第二イオン源３２のガス導入穴がガス配管２５と一致する位置に移動する。試料ガス２２が第二イオン源３２の放電室３６に導入されてプラズマが生成される。
　複数個のイオン源を設置した場合でも、ガス配管２５が１個で済むので、狭小な場所に設置するのに有効である。
　なお、図４乃至図９では、イオン源３，３Ａ，３Ｂを主磁極１の上部から挿入した場合について説明したが、イオン源３，３Ａ，３Ｂを主磁極１の下部から上部側に向けて挿入する形態としてもよく、同様の動作が可能である。
　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加速器５０は、対向する磁極１０と、高周波加速電極８と、対向する磁極１０の間に設置されており、周回するイオンビームの中心軸に平行に直線状にイオンを生成する放電室３６が少なくとも２個以上配置されたイオン源３，３Ａ，３Ｂと、を備え、イオン源３，３Ａ，３Ｂを中心軸に平行な方向に移動させることで少なくとも２個以上の放電室３６のうち、イオンを引き出す放電室３６が選択可能である。
　このような構成によって、主磁極１の内部にイオン源３，３Ａ，３Ｂを備えたサイクロトロン型の加速器５０において、イオン源３，３Ａ，３Ｂに複数個のイオン源を高周波加速電極８や磁極１０の位置に対して同じ位置に設置可能で、イオン源を交換した場合（第一イオン源３１から第二イオン源３２）でも位置調整が１回で済み、イオンビームの干渉もなく、大気解放することなく順次イオン源を変えてイオンビームの引き出しが可能となる。このため、特許文献１に記載のような従来の内部イオン源よりもイオン源の個数を増やすことができることから、イオン源の交換頻度を従来より低減し、内部イオン源の寿命を大幅に長くできる加速器を提供することができる。
　また、イオン源３，３Ａ，３Ｂは直列に一体として組み立て、設置ができることから、１回の設置で同時に位置調整が可能で、メンテナンス性を向上するとともに、メンテナンス時間やメンテナンス周期の短縮となり、装置の稼働率向上の効果も得られるものとなっている。
　また、高磁場下や高周波加速電極が複数個あってもイオン源同士の干渉がないため、加速器から出射される電流損失が少なくなり、出射効率が向上するほか、どのような円形加速器にも適用可能である。
　更に、上述の特許文献１のような技術では、イオン源を切り替えると制御パラメータの位相を１８０°変える必要があるが、本発明ではイオンビームの周回方向の位置関係は切り替え前後で変わらないことから位相の変更は不要であり、制御が容易である、との利点も奏する。
　また、イオン源３，３Ａ，３Ｂの陰極３３は、少なくとも２個以上の放電室３６で共通の陰極支持具３５により支持されており、イオン源３，３Ａ，３Ｂのうち、動作させる放電室３６にのみ試料ガスを供給するため、イオン源３，３Ａ，３Ｂをより省スペースな構成とすることができる。
　更に、放電室３６に試料ガスを供給するガス配管２５が、少なくとも２個以上の放電室３６で共通であり、放電室３６が中心軸に平行な方向にすることでも、イオン源３Ｂをより省スペースな構成とすることができる。
　また、周回するイオンビームの電流を検出する電流モニタ１７を更に備え、電流モニタ１７で検出される電流値の変動に応じて、動作させる放電室３６を切り替えることにより、極力寿命に近いタイミングで第一イオン源３１と第二イオン源３２との切り替えが可能となる。
　更に、イオン源３は、少なくとも２個以上の放電室３６の中心軸の方向の位置を合わせる位置合わせガイド３４を有すること、あるいは少なくとも２個以上の放電室３６のうち、最も端に配置される放電室３６に、位置合わせピン３８が設けられることにより、イオン源３のイオンビームの中心軸の方向の位置合わせが容易となり、メンテナンスに要する手間をより省くことができる。
　また、放電室３６からイオンを引き出す引き出し孔３７が、中心軸に平行に直線状に並んで配置されたことで、第一イオン源３１から第二イオン源３２に切り替えた際の調整がより少ないものとすることができ。
　＜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。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えことが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　例えば、加速器５０の型は、磁極１０に凹凸を設けた磁極を有するサイクロトロン型の加速器に限らず、磁極１０の中心から傾斜した磁極を有しており、高周波加速の周波数を変調するシンクロサイクロトロン型の加速器にも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周波数変調した高周波電場を加えて繰返し加速する。また、光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ものである。
　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。
１…主磁極
２…円環状コイル
３，３Ａ，３Ｂ…イオン源
６…真空容器
７…加速間隙
８…高周波加速電極
９…接地電極
９Ａ…切り欠き
１０…磁極
１２…周回軌道
１５…引き出しビーム
１７…電流モニタ
２０…高周波電源
２１…放電用電源
２２…試料ガス
２３…ガス切り替え器
２４，２５…ガス配管
３１…第一イオン源
３２…第二イオン源
３３…陰極
３４…位置合わせガイド
３５…陰極支持具
３６…放電室
３７…引き出し孔
３８…位置合わせピン
３９…放電容器
４０…治療台
４５…患者
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 (10)

  1. 　対向する磁極と、
    　加速電極と、
    　前記対向する磁極の間に設置されており、周回するイオンビームの中心軸に平行に直線状にイオンを生成する放電室が少なくとも２個以上配置されたイオン源と、を備え、
    　前記イオン源を前記中心軸に平行な方向に移動させることで少なくとも２個以上の前記放電室のうち、イオンを引き出す前記放電室が選択可能である
    　ことを特徴とする円形加速器。
  2. 　請求項１に記載の円形加速器において、
    　前記イオン源の陰極は、少なくとも２個以上の前記放電室で共通の支持具により支持されておりであり、
    　前記イオン源のうち、動作させる前記放電室にのみ試料ガスを供給する
    　ことを特徴とする円形加速器。
  3. 　請求項１または２に記載の円形加速器において、
    　前記放電室に試料ガスを供給するガス配管が、少なくとも２個以上の前記放電室で共通であり、
    　前記放電室が前記中心軸に平行な方向に移動する
    　ことを特徴とする円形加速器。
  4. 　請求項１乃至３のいずれか１項に記載の円形加速器において、
    　イオンビームの電流を検出する電流モニタを更に備え、
    　前記電流モニタで検出される電流値の変動に応じて、動作させる前記放電室を切り替える
    　ことを特徴とする円形加速器。
  5. 　請求項１乃至４のいずれか１項に記載の円形加速器において、
    　前記イオン源は、少なくとも２個以上の前記放電室の前記中心軸の方向の位置を合わせるガイドを有する
    　ことを特徴とする円形加速器。
  6. 　請求項１乃至５のいずれか１項に記載の円形加速器において、
    　少なくとも２個以上の前記放電室のうち、最も端に配置される前記放電室に、位置合わせピンが設けられる
    　ことを特徴とする円形加速器。
  7. 　請求項１乃至６のいずれか１項に記載の円形加速器において、
    　前記放電室から前記イオンを引き出す引き出し孔が、前記中心軸に平行に直線状に並んで配置された
    　ことを特徴とする円形加速器。
  8. 　請求項１乃至７のいずれか１項に記載の円形加速器と、
    　ビーム輸送系と、
    　照射装置と、
    　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。
  9. 　イオンを生成する放電室と、
    　前記放電室に試料ガスを供給するガス配管と、
    　前記放電室から前記イオンを引き出す引き出し孔と、を備え、
    　少なくとも２つ以上の前記放電室が、直線状に並んで配置された
    　ことを特徴とするイオン源。
  10. 　請求項９に記載のイオン源において、
    　少なくとも２つ以上の前記引き出し孔が、前記直線状に並んで配置された
    　ことを特徴とするイオン源。
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