WO2024004238A1 - 加速器及び粒子線治療装置 - Google Patents

Abstract

円形加速器（３０）は、荷電粒子ビームを周回させる静磁場、荷電粒子ビームを加速する周波数変調した高周波加速電場、および荷電粒子ビームを出射させる高周波擾乱電場を印加する装置であって、高周波加速電場の停止後に円形加速器（３０）の内部を周回する荷電粒子ビームの周回周波数あるいは荷電粒子ビームの運動エネルギーを求め、高周波擾乱電場を、求めた周回周波数あるいは運動エネルギーに応じて発生させる。これにより、従来に比べてビーム利用効率を向上させることが可能な加速器及び粒子線治療装置を提供する。

Description

加速器及び粒子線治療装置

　本発明は、加速器及び粒子線治療装置に関わる。

　特許文献１には、各種のエネルギーのビームを取り出すためのシンクロサイクロトロンの一例として、シンクロサイクロトロンは、谷セクタと山セクタを含む磁気ユニットを含み、主磁場のｚ成分を作るように構成され、低及び高エネルギーでの荷電粒子のそれぞれの平均半径方向位置に対応する低半径と高半径との間に含まれる平均半径のすべての値について、１以外且つ１±０．１内に含まれる連続軌道の半径方向のチューンとする、ことが記載されている。

　特許文献２には、主磁場中での高周波を印加することにより、軌道半径を増加させながら荷電粒子ビームを加速する円形加速器において、加速に用いる高周波とは周波数の異なる高周波を荷電粒子ビームに印加することにより、荷電粒子ビームを出射する、ことが記載されている。

　非特許文献１には、小型フットプリント陽子線治療システムの一部として、コンパクトな超電導シンクロサイクロトロンの一例が記載されている。

米国特許登録１１１６０１５９号 特開２０１９－１３３７４５号公報

W. Kleeven, "The IBA Superconducting Synchrocyclotron Project S2C2", Proceedings of Cyclotrons 2013

　がん治療法の一つである粒子線治療は、陽子や炭素イオンなどの荷電粒子ビームを患部に照射する。粒子線治療に用いる粒子線治療装置では、荷電粒子ビームのエネルギーや空間的な広がりを調整し、患部形状に合わせた線量分布を形成する。粒子線治療装置には加速器とビーム輸送系、照射装置が含まれる。

　加速器は、治療に用いるエネルギーまで荷電粒子ビームを加速する装置であり、粒子線治療に用いられるものとして、シンクロトロンやサイクロトロン、シンクロサイクロトロンなどが挙げられる。

　加速器の小型化によって粒子線治療装置の小型化が実現される。荷電粒子ビームを偏向するための電磁石として超電導磁石を用いることで、加速器を小型化が可能である。

　超電導電磁石を適用した加速器の一例として、非特許文献１に記載のシンクロサイクロトロンがある。シンクロサイクロトロンでは、超電導コイルによって形成された静磁場中を粒子ビームが周回し、粒子ビームの周回に同期した高周波加速電場によって加速される。シンクロサイクロトロンにおいては、ビームの周回周波数が加速に伴って減少していくため、高周波加速電場の周波数を周回周波数に合わせて変調させる。シンクロサイクロトロン中のビームの水平面内軌道はエネルギー毎に同心円状となり、設計の最大エネルギーに達したビームが出射チャネルより取り出される。出射ビームを治療に用いるためには、患部深さに応じたエネルギーになるように散乱体で減速する必要がある。

　これに対し、取り出されるビームのエネルギーが可変である加速器として、特許文献１及び特許文献２に記載の円形加速器がある。

　特許文献１に記載の円形加速器では、従来型のシンクロサイクロトロンにビームに擾乱を与える動的な磁場をコイルで励起することで、同心円状に周回する様々なエネルギーのビームを出射する。

　特許文献２に記載の円形加速器では、エネルギーが異なるビームの周回軌道が円形加速器の中心から径方向一方側に偏心させるように主磁場分布が形成されており、ビーム軌道が集約した領域に発生する高周波電場によりベータトロン振動振幅を増大させ、擾乱磁場を領域を通過させることで特定エネルギーのビームが取出される。

　出射されたビームを患部形状に合わせた線量分布に形成する方法として、スキャニング照射法がある。スキャニング照射法では、患部上流に設置された走査電磁石を用いてビームを走査することで線量分布を形成する。

　円形加速器においてビームを高周波電場を用いてベータトロン振動振幅を増大させる場合、ビームの周回周波数及びビームのベータトロン振動数から決まる周波数の高周波電場を印加する必要があるが、この周波数にずれがある場合、ベータトロン振動振幅の増大が抑制され、最終的なビーム利用効率の低下につながる恐れがあることが明らかとなり、改善することが望まれることが明らかとなった。

　本発明は、従来に比べてビーム利用効率を向上させることが可能な加速器及び粒子線治療装置を提供する。

　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、荷電粒子ビームを周回させる静磁場、前記荷電粒子ビームを加速する周波数変調した高周波加速電場、および前記荷電粒子ビームを出射させる高周波擾乱電場を印加する円形加速器であって、前記高周波加速電場の停止後に前記円形加速器の内部を周回する前記荷電粒子ビームの周回周波数あるいは前記荷電粒子ビームの運動エネルギーを求め、前記高周波擾乱電場を、求めた前記周回周波数あるいは前記運動エネルギーに応じて発生させる。

　本発明によれば、従来に比べてビーム利用効率を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。

実施例１の円形加速器の外観図。 実施例１の円形加速器の断面図。 図２のＡ－Ａ’矢視図。 図２のＢ－Ｂ’矢視図。 実施例１の円形加速器の制御フローチャート。 実施例１の円形加速器の制御チャート。 実施例１の円形加速器のテーブルデータ１。 実施例１の円形加速器のテーブルデータ２。 実施例１の円形加速器のテーブルデータ３。 実施例２の円形加速器の外観図。 実施例２の円形加速器の断面図。 図１１のＣ－Ｃ’矢視図。 実施例２の円形加速器の制御チャート。 実施例２の円形加速器のテーブルデータ１。 実施例２の円形加速器のテーブルデータ２。 実施例２の円形加速器の制御フローチャート。 実施例３の粒子線治療装置の全体構成図。

　以下に本発明の加速器及び粒子線治療装置の実施例を、図面を用いて説明する。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。

　＜実施例１＞　
　本発明の加速器の実施例１について図１乃至図９を用いて説明する。

　最初に、円形加速器３０の全体構成について図１を用いて説明する。図１に、円形加速器３０の外観図を示す。

　図１に示す本実施例の円形加速器３０は、荷電粒子ビームを周回させる静磁場、荷電粒子ビームを加速する周波数変調した高周波加速電場、および荷電粒子ビームを出射させる高周波擾乱電場を印加するものであり、上下方向に分割可能な主電磁石４０によってその外殻を形成し、主電磁石４０内部のビーム加速領域は真空に保たれている。

　主電磁石４０の上部には主電磁石４０に入射するためのイオンのビームを生成するイオン源５３が設置されている。イオン源５３で生成されたビームは、低エネルギービーム輸送系５１を経由し、主磁極３５の中心付近に設けられたイオン入射部５５より主電磁石４０内部でビームを加速するビーム加速領域に入射される。

　イオン源５３としては、ＥＣＲイオン源やレーザーイオン源などを適用できる。外部からイオンを入射する場合、例えば静電インフレクタ５６を通じてビーム加速領域へ入射される。イオン源５３は、主電磁石４０内部の真空引きされたビーム加速領域内部に配置しても良く、その場合はＰＩＧ型イオン源などが好適である。

　図２に円形加速器３０の中心平面による断面図を、図３に円形加速器３０の鉛直方向の断面図（図２のＡ－Ａ’矢視図）を示す。

　主電磁石４０は、主磁極３５、ヨーク３７、メインコイル３８からなる。ヨーク３７は、主電磁石４０の外観を形成し、内部におよそ円筒状の領域を構成する。メインコイル３８は円環状のコイルであり、ヨーク３７の内壁に沿って設置される。メインコイル３８は超電導コイルであり、メインコイル３８周囲にはクライオスタット３６を設置して冷却する。

　メインコイル３８の内周側には主磁極３５が上下対向して設置されている。通電したメインコイル３８及び４２主磁極３５により形成される磁場を主磁場と呼称する。また加速領域は、主磁場中のビームを加速するための領域である。

　ヨーク３７には貫通口が複数ある。そのうち加速されたビームを出射するためのビーム用貫通口４４、ヨーク３７内部の種々のコイル導体を外部に引き出すためのコイル用貫通口４８、真空引き用貫通口４９、高周波加速空胴１０のための高周波系用貫通口５０がヨーク３７の接続面に設けられている。

　高周波加速空胴１０は共振型の空胴であり、ディー電極１２、ダミーディー電極１３、内導体１４、外導体１５を有する。

　ディー電極１２は、Ｄ字型の中空電極であり、内導体１４とつながっている。ダミーディー電極１３は内導体１４を外包する外導体１５とつながる電極であり、接地電位となる。ダミーディー電極１３は、ディー電極１２との間に加速間隙１１を形成する。高周波加速電圧制御装置２０によって周波数変調された加速電圧が、ディー電極１２とダミーディー電極１３との間の加速間隙１１に発生する。図２に示した加速間隙１１は、ハーモニクス数が１の場合、即ち周回周波数と加速周波数とが同じ場合を示している。また加速間隙１１の形状は、ビームの軌道形状に応じて形成される。

　ここで、円形加速器３０において入射されてから出射するまでのビーム挙動について説明する。

　イオン源５３から入射されたビームは、高周波電場で加速され、エネルギーを増しながら主磁場中を周回する。ビームは加速に伴って軌道の曲率半径を増し、螺旋状の軌道を形成する。

　ここで、ビーム加速領域内において、ビームが加速開始されて最大エネルギーになるまでに通る軌道を周回軌道と呼称する。周回軌道のうち、最小エネルギーのビームが通過する軌道を最小エネルギー軌道８０と、最大エネルギーのビームが通過する軌道を最大エネルギー軌道８１と呼称し、周回軌道が螺旋を描く面を軌道面と呼称する。加速領域の中心を原点とする軌道面の２次元極座標系としたときの中心からの半径外側方向の軸をｒ軸とする。主磁場は、下記の式（１）で表されるｎ値が０より大きく、かつ１未満となるビーム安定化条件を満たす。

　式（１）中、ρは設計軌道の偏向半径、Ｂｚは磁場強度、∂Ｂｚ／∂ｒはｒ方向の磁場勾配である。このとき設計軌道から径方向に微小にずれたビームは設計軌道に戻すような復元力を受けると同時に、軌道面に対し鉛直な方向にずれたビームも軌道面に戻す方向に主磁場から復元力を受ける。この振動をベータトロン振動、この振動の振動数をベータトロン振動数という。

　ビームは設計軌道の近傍をベータトロン振動し、ビームを安定に周回・加速できるように、主磁場の∂Ｂｚ／∂ｒが設計される。また、周回一周あたりの振動数をチューンといい、周回一周あたりの軌道面外側へのビームのｒ軸上変位をターンセパレーションという。また、周回するビームは、軌道面内かつビームの軌道と直交する方向のベータトロン振動を水平方向のベータトロン振動、チューンを水平方向チューンという。ベータトロン振動は、適切な高周波電圧を印加すると、共鳴によって振幅が増大する。また、全エネルギーのビームで、軌道面内に平行、かつ軌道と直交する方向のベータトロン振動数（水平方向チューン）νｒは１に近い値に設定される。

　上述の主磁場分布は、主磁極３５、および主磁極３５の表面に設置するトリムコイルや磁極片によって形成する。これら主磁場分布を形成する構成要素は、軌道平面に対し対称に配置するため、主磁場は軌道平面上においては、軌道平面と垂直な方向の磁場成分のみを持つ。高周波加速電圧周波数制御装置２３の構成としては図４に示す、可変コンデンサ６０と可変コンデンサ制御装置６１とを備えたものがある。

　本実施例では、可変コンデンサ６０として回転コンデンサを用いたものを示す。このとき可変コンデンサ制御装置６１により制御されるのは、回転コンデンサに接続されたモータの回転などである。

　本実施例の円形加速器３０は、ビームを出射するための機器として、キッカーコイル８５、高周波キッカ８３、セプタムコイル４１、高エネルギービーム輸送系４５とを有する。

　高周波キッカ８３は、通過する周回ビームに高周波電圧を印加することで、円形加速器３０内を周回する荷電粒子ビームを高周波擾乱電場の発生領域へと蹴りだす動磁場を更に印加するための機器である。

　また、主電磁石４０の内部には、二極磁場や多極磁場からなる高周波擾乱磁場であるピーラ磁場領域４２およびリジェネレータ磁場領域４３が形成される。

　ビーム出射には、高周波キッカ８３、ピーラ磁場領域４２、リジェネレータ磁場領域４３、セプタムコイル４１、および高エネルギービーム輸送系４５を用いる。周回しているビームに対して、キッカーコイル８５を励磁することで、ビームは高周波キッカ８３の位置に到達する。

　その後は、高周波出射電源制御装置２６からの指令により高周波出射電源２５から電圧が供給され、高周波出射電圧周波数制御装置２７により指示された周波数を実現する高周波出射電圧制御装置２４を通じて高周波キッカ８３により高周波電場が発生する。この高周波電場によって、ビームのベータトロン振動振幅が増大する。ベータトロン振動振幅が増大したビームは、やがて、最大エネルギー軌道８１の外周側に、最大エネルギー軌道８１からある距離を置いて設置されたピーラ磁場領域４２およびリジェネレータ磁場領域４３に到達する。

　ピーラ磁場領域４２に到達したビームは、軌道面の外周側にキックされるのに対し、リジェネレータ磁場領域４３に到達したビームは、軌道面内周側にキックされる。ピーラ磁場領域４２の四極磁場成分によるキックで、ビームはさらにベータトロン振動振幅を増大させ、ターンセパレーションは増大していく。同時に、リジェネレータ磁場領域４３の磁場により、ビームの水平方向チューンが急激に変動しないようにしておき、ビームが出射されるまでの間に、水平方向と９０度直交する垂直方向にベータトロン振動が発散してビームが失われるのを防ぐ。

　十分なターンセパレーションが得られると、セプタムコイル４１にビームが入り、軌道面外側にキックされ、高エネルギービーム輸送系４５を通り、円形加速器３０の外側に出射される。

　ターンセパレーションの増大幅は、高周波キッカ８３によるものより、ピーラ磁場領域４２およびリジェネレータ磁場領域４３によるもののほうがはるかに大きい。そのため、高周波キッカ８３により印加する高周波電圧を調整することで、最大エネルギー軌道８１上を周回するビームのうち、ピーラ磁場領域４２およびリジェネレータ磁場領域４３に到達するビームの量を調整することができる。

　結果、高周波キッカ８３への高周波印加をビーム出射途中で停止することで、ピーラ磁場領域４２およびリジェネレータ磁場領域４３にビームが到達しなくなり、円形加速器３０からのビーム出射を中断できるようになる。同様に、高周波キッカ８３に印加を再開することでビームの出射の再開も可能となる。

　また、高周波キッカ８３に印加する電圧の強さや高周波の振幅、位相、周波数のいずれかを制御することで、円形加速器３０から出射するビームの強さを制御することができる。

　セプタムコイル４１内部に進行したビームは偏向され、高エネルギービーム輸送系４５へと輸送される。セプタムコイル４１は、ビーム進行方向に２つ以上配置してもよい。主電磁石４０のみにより形成される磁場でビームを輸送可能である場合は、セプタムコイル４１はなくともよい。

　主電磁石４０の内部から外部へ出射ビームを輸送するための高エネルギービーム輸送系４５が、セプタムコイル４１に続き、ビーム用貫通口４４を通って、主電磁石４０の外部にかけて配置されている。

　ピーラ磁場領域４２およびリジェネレータ磁場領域４３は、ビームに作用する多極磁場が存在する領域である。この多極磁場には少なくとも４極磁場成分が含まれ、４極以上の多極磁場、あるいは２極磁場が含まれていてもよい。ピーラ磁場領域４２では、径方向外周側に向かって主磁場を弱める方向の磁場勾配となっており、リジェネレータ磁場領域４３では逆に径方向外周側に向かって主磁場を強める方向の磁場勾配とする。なお、ピーラ磁場領域４２としては、磁極端部の主磁場が減少する領域を利用することもできる。

　ピーラ磁場領域４２およびリジェネレータ磁場領域４３は、最大エネルギー軌道８１の外周側に、ビーム出射経路入口８２を挟んである方位角領域にそれぞれ配置される。また、高周波キッカ８３によりベータトロン振動振幅が増大される前にピーラ磁場領域４２またはリジェネレータ磁場領域４３にビームが進行しないよう、ピーラ磁場領域４２およびリジェネレータ磁場領域４３は、最大エネルギー軌道８１からベータトロン振動の共鳴前の振幅分よりも大きい幅を空けて外周側に配置されることが望ましい。

　また、ビーム進行方向に対して上流側にピーラ磁場領域４２、下流側にリジェネレータ磁場領域４３が配置されることが望ましいが、その逆でもよい。

　ピーラ磁場領域４２およびリジェネレータ磁場領域４３の近辺には、磁性体製の複数の磁極片かコイル、あるいはその両者が非磁性材にて固定配置され、所望の多極磁場を形成する。たとえば、ピーラ磁場領域４２およびリジェネレータ磁場領域４３のそれぞれについて、複数の磁極片で多極磁場を、コイルで２極磁場を形成する。複数の磁極片とコイルは、近接配置させることも、空間的に離れた場所に配置することもできる。

　図５に、あるエネルギーのビームの照射を要求した場合の、加速器外部へと照射終了するまでのフローチャートを示す。

　照射要求の後に、ビーム加速（Ｓ７１）により要求エネルギーまで加速されたビームは、高周波加速電源制御装置２２により高周波加速電源２１からの電圧供給を停止（Ｓ７２）することで加速が止まり、加速器内にビームが蓄積される。

　本実施例では、高周波加速電圧停止６２の後に、高周波加速電圧制御装置２０において、円形加速器３０の内部を周回する荷電粒子ビームの周回周波数あるいは荷電粒子ビームの運動エネルギーを求め（Ｓ７３）、高周波出射電圧制御装置２４において、高周波擾乱電場を、求めた周回周波数あるいは運動エネルギーに応じて発生させる。

　ここで、本実施例では、円形加速器３０の内部を周回する荷電粒子ビームの周回周波数あるいは荷電粒子ビームの運動エネルギーを求める手法の具体例として、（１）周回周波数あるいは運動エネルギーを計測することで求める、（２）周回周波数あるいは運動エネルギーを高周波加速電場を印加するディー電極１２への指令値を基に求める、（３）周回周波数あるいは運動エネルギーを高周波加速電場の測定値を基に求める、（４）周回周波数あるいは運動エネルギーを高周波加速電場の停止時刻を基に求める、のいずれかの手法を採用することができる。

　（１）の手法では、例えば、図２の計測電極８４により、円形加速器３０の内部を周回する荷電粒子ビームの周回位置、あるいは周回周波数を測定して、測定した周回位置あるいは周回周波数から高周波加速電圧制御装置２０において周回周波数あるいは運動エネルギーを求める。

　（２）の手法では、停止直前の高周波加速電源２１に出力していた高周波加速電圧の指令値のから演算することにより求める。例えば、指令値の最小値と最大値とでそれぞれの周回周波数あるいは運動エネルギーとの関係を求めておき、その間は補完することで周回周波数あるいは運動エネルギーを求める。

　（３）の手法では、例えば、高周波加速電圧停止６２において、停止直前の高周波加速電源２１により発生していた高周波加速電圧から周回周波数を、回転コンデンサに接続されたモータの回転角から運動エネルギーを求める。これら高周波加速電圧あるいはモータの回転角を加速開始時刻に対する関数として表現することで、周回周波数あるいは周回ビームの運動エネルギーとして逆算することで求める。

　（４）の手法では、高周波加速電圧停止６２の指令の出力タイミングから周回周波数あるいは運動エネルギーを求める。

　好適にはこれら（１）乃至（４）のいずれかの手法によりＳ７３において求めたパラメータ（周回周波数あるいは運動エネルギー）を参照（Ｓ７４）して出射周波数を変更（Ｓ７５）し、変更した出射周波数を実現するためのキッカーコイル電流を印加（Ｓ７６）して高周波出射電場が印加される（Ｓ７７）。

　ここで、ベータトロン振動は、チューン又はチューンの小数部のいずれか一方とビームの周回周波数との積が、印加される高周波出射電圧の周波数と略同一であるとき、振幅が共鳴的に増大する性質をもつ。

　そこで、高周波出射電圧の周波数ｆ_ｅｘｔは、最大エネルギービームの水平方向チューンν_ｒの小数部Δν_ｒと、最大エネルギービームの周回周波数ｆ_ｒｅｖとの積Δν_ｒ×ｆ_ｒｅｖと略同一となるようにしておく。その結果、水平方向ベータトロン振動の振幅は共鳴的に増大し続け、やがてピーラ磁場領域４２とリジェネレータ磁場領域４３にビームが到達する。

　なお、周波電圧の周波数ｆ_ｅｘｔが、最大エネルギービームの水平方向チューンν_ｒと、最大エネルギービームの周回周波数ｆ_ｒｅｖとの積ν_ｒ×ｆ_ｒｅｖと等しくなるようにしてもよい。

　ビームは、ピーラ磁場領域４２を通過すると外周側にキックされ、リジェネレータ磁場領域４３を通過すると逆に内周側にキックされる。ピーラ磁場領域４２、リジェネレータ磁場領域４３共に径方向に磁場勾配を有するので、複数回ビームが周回するうちに、キック量が次第に増えていき、ターンセパレーションが増大する。つまり、２ν_ｒ＝２のベータトロン振動の共鳴条件を利用することで、ターンセパレーションを増大させることができる。

　やがてセプタムコイル４１の内周側に設置されるコイル導体の厚みを大きく超えるターンセパレーションが得られるようになると、ビームは、セプタムコイル４１内部へと導かれ、十分な偏向を受け高エネルギービーム輸送系４５へ導かれ、出射される。

　図６に本実施例の制御チャートを示す。θｒｏｔは回転コンデンサに接続されたモータの回転角である。ここでは回転速度は一定としているが、変調されていてもよい。ｆ_ｒｆは高周波加速電圧の周波数であり、モータの回転周波数の整数倍の周波数となる。Ｖ_ａｃｃは高周波加速電圧の振幅であり、要求されたビームエネルギーに応じて印加および停止する。また、このとき高周波バケット面積を調整するために強度変調してもよい。Ｉ_{ｋｉｃｋｅｒ}は、高周波キッカ８３への到達に必要なキッカーコイル電流であり、コイルのインダクタンスのために、ある立ち上がり時間の後に一定となる。

　このとき同時に高周波出射電圧Ｖ_ｒｆｋを印加することで、水平方向のベータトロン振動振幅が増大し、最終的にビームは加速器外へと取り出され、ビームの出射電流Ｉ_ｅｘｔとして計測される。

　図７に本実施例のパラメータ参照に用いるテーブルデータ６９の例を示す。

　本実施例では、先に求めた周回周波数あるいは運動エネルギーを基に、高周波擾乱電場の周波数をテーブルデータ６９から参照したパラメータに基づいて決定することができる。より具体的には、図７のテーブルデータ６９では、ビームの中心エネルギーＫ、高周波キッカ８３への到達に必要なキッカーコイル電流Ｉ_{ｋｉｃｋｅｒ}、ビームの周回周波数ｆ_ｒｅｖ、ビームの水平チューンν_ｒが紐づいた状態で、例えば高周波出射電圧制御装置２４に記憶されている。

　これにより、求めたビームの運動エネルギーに対して、印加すべきここではビームの中心エネルギーＫをインデックスとしているが、ビームの周回周波数ｆ_ｒｅｖであってもよい。

　また高周波キッカ８３印加時に多極場によって水平チューンν_ｒが変動する場合は、図８に示すようにその最小値ν_ｒｍｉｎと最大値ν_ｒｍａｘとをテーブルデータ６９Ａとしてもち、例えばそれらに基づいたバンドノイズを生成することで、より効率的なビーム出射が期待される。

　さらにバンドノイズに限らずファンクションジェネレータなどを通して任意のパワースペクトルの高周波出射電圧を印加してもよい。このときは各スペクトルを表現するために必要なパラメータをテーブルデータ６９として記憶する。

　本実施例のような加速器では、高周波バケット内をビームがシンクロトロン振動することで、中心のビームのエネルギーに対してある幅をもつ。この幅は高周波バケットのエネルギー方向の幅に依存し、さらに高周波加速電圧Ｖ_ａｃｃによって変化する。従って、各中心エネルギーごとに高周波加速電圧Ｖ_ａｃｃに対するビームの運動エネルギーの上限と下限を、図９に示すようにテーブルデータ６９Ｂとして記憶しておくことで、これらのエネルギーをカバーするキッカーコイル電流と高周波出射電圧の周波数ｆ_ｅｘｔを図７や図８に示すテーブルデータ６９，６９Ａに基づいて決定することで、ビームの出射効率はさらに向上する。

　次に、本実施例の効果について説明する。

　上述した本発明の実施例１の円形加速器３０は、荷電粒子ビームを周回させる静磁場、荷電粒子ビームを加速する周波数変調した高周波加速電場、および荷電粒子ビームを出射させる高周波擾乱電場を印加する装置であって、高周波加速電場の停止後に円形加速器３０の内部を周回する荷電粒子ビームの周回周波数あるいは荷電粒子ビームの運動エネルギーを求め、高周波擾乱電場を、求めた周回周波数あるいは運動エネルギーに応じて発生させる。

　従来は高周波加速電場に対して高周波擾乱電場が１対１であったのに対し、本発明では加速後の周回する荷電粒子ビームの周回周波数あるいは運動エネルギーを求め、求めた周回周波数あるいは運動エネルギーに応じて高周波擾乱電場を発生させるため、周波数にずれがあっても、より適切な高周波擾乱電場によりベータトロン振動振幅の増大を行うことができるようになる。従って、最終的なビーム利用効率の改善を図ることができる。

　また、円形加速器３０内を周回する荷電粒子ビームを高周波擾乱電場の発生領域へと蹴りだす動磁場を更に印加するため、高い精度での荷電粒子ビームの出射を実現することができる。

　更に、周回周波数あるいは運動エネルギーを計測することで求める、周回周波数あるいは運動エネルギーを高周波加速電場を印加するディー電極１２、ダミーディー電極１３への指令値を基に求める、周回周波数あるいは運動エネルギーを高周波加速電場の測定値を基に求める、あるいは周回周波数あるいは運動エネルギーを高周波加速電場の停止時刻を基に求めることで、より周回する荷電粒子ビームの出射に適した正確な高周波加速電圧を印加することができる。

　また、回周波数あるいは運動エネルギーを基に、高周波擾乱電場の周波数をテーブルデータ６９から参照したパラメータに基づいて決定することにより、迅速で正確な荷電粒子ビーム出射を実現することができる。

　＜実施例２＞　
　本発明の実施例２の加速器について図１０乃至図１６を用いて説明する。本実施例のうち、実施例１と同じ構成については説明を省略し、異なる構成ついてのみ説明する。

　図１０に示す本実施例の円形加速器３０Ａは、荷電粒子ビームの周回する軌道が、円形加速器３０Ａの中心からある一方向に偏芯しており、ビーム出射経路入口８２の側に偏芯させるように主磁場が形成されている偏芯軌道型加速器である。

　図１１および図１２に、偏芯軌道型加速器の断面構成を示す。図２からの構造上の変更点として、ディー電極１２Ａ、ダミーディー電極１３Ａの形状、及びその間に形成される加速間隙１１Ａの形状が挙げられる。ここで加速領域の円の中心を通る線を中心線とする。イオン入射部５５Ａおよび低エネルギービーム輸送系５１Ａは中心線上で加速領域の中心よりもビーム出射経路入口８２側に配置されている。

　また、図示の都合で省略しているが、後述する磁場を形成するための主磁極３５Ａの上下対向する面の形状も実施例１と大きく異なる。

　ディー電極１２Ａと対向するダミーディー電極１３Ａの間に形成される加速間隙１１Ａは、等周回位相線に沿って設置される。より具体的には、ディー電極１２Ａは同心軌道の中心付近を先端とし、半径が等周回位相線に沿う、扇形のような中空の形状をしている。また、ダミーディー電極１３Ａは、ディー電極１２Ａに対向する形状をしている。

　ビームのエネルギーが低い領域では、サイクロトロン同様にイオン入射部５５Ａ付近を中心とする同心軌道に近くなるが、より大きなエネルギーの軌道はビーム出射経路入口８２の付近で密に集約しており、逆に内導体１４の付近では各エネルギーの軌道が互いに離れた位置関係にある。この軌道が密に集まっている点を集約領域、離散した領域を離散領域と呼ぶ。このような軌道配置とし、集約領域付近からビームを取出すことで、必要となるビームキック量を小さくでるため、エネルギー可変のビーム出射を容易に実行することができる。

　上記のような軌道構成と軌道周辺での安定な振動を生じさせるために、本実施例の加速器では、径方向外周側に行くにつれ主磁場が小さくなる分布を、主磁極３５の形状と、その表面に設置するトリムコイルや磁極片により形成する。また、設計軌道に沿った線上では主磁場は一定値である。よって、設計軌道は円形となる。

　次にビームの出射方法について説明する。ビームの出射には、すべての出射エネルギーのビーム軌道が集約している集約領域付近に設置する高周波キッカ８３と、その両脇に配置するピーラ磁場領域４２、リジェネレータ磁場領域４３、そしてセプタムコイル４１と高エネルギービーム輸送系４５を用いる。

　本実施例では、出射に用いる上記要素のうち、高周波キッカ８３の構成が実施例１と異なる。また、キッカーコイル８５はなくともよい。ビームの出射手順は、基本的に実施例１で説明したものと略同一であるが、加速高周波電圧を遮断するタイミングと高周波キッカ８３へ高周波電圧の印加開始のタイミングとを前にずらせば、任意のエネルギーのビームが出射できるようになる。高周波電圧を印加開始することで、その所望のエネルギーのビームのベータトロン振動の振幅が高周波キッカ８３により増大される。やがて、そのビームがピーラ磁場領域４２およびリジェネレータ磁場領域４３に到達し、出射される。

　また図１３乃至図１６は、それぞれ図５乃至図８を、本実施においてキッカーコイル８５を用いない場合で置き換えたものである。キッカーコイル８５を本実施例にも適用する場合は、図５乃至図８と同様の制御及びテーブルデータを使用する。

　その他の構成・動作は前述した実施例１の加速器と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。

　本発明の実施例２の加速器においても、前述した実施例１の加速器とほぼ同様な効果が得られる。

　また、荷電粒子ビームの周回する軌道が、円形加速器３０Ａの中心からある一方向に偏芯していることにより、周回するビームの軌道が集約領域で集約されていることから、集約していない軌道に比べて少ない局所磁場で取り出し軌道まで偏向させることができ、取出しが非常に容易となる。特に、集約領域ではビーム周回軌道相互の間隔は従来に比べて狭くなっているため、イオンビームのエネルギーが広範囲にわたっていても、所定のエネルギーのイオンビームを安定、かつ容易に取り出すことができる。

　＜実施例３＞　
　本発明の実施例３の粒子線治療装置について図１７を用いて説明する。図１７は、本実施例の粒子線治療装置の全体構成図である。

　図１７に示す本実施例の粒子線治療装置１５０は、実施例１に示した円形加速器３０もしくは実施例２に示した円形加速器３０Ａ、回転ガントリ９０、走査電磁石を含む照射装置９２、治療台１０１およびそれらを制御する制御装置９１からなる。

　粒子線治療装置１５０では、円形加速器３０，３０Ａから出射されたビームは、回転ガントリ９０により照射装置９２まで輸送される。輸送されたイオンビームは照射装置９２、およびビームエネルギーの調整により患部に合わせて形成され、治療台１０１に横たわる患者１００の患部に対して所定量照射される。

　照射装置９２は、線量モニタを内包しており、患者１００への照射スポット毎に照射された線量を監視している。この線量データを元に、制御装置９１は各照射スポットへの要求線量を計算して、加速器制御装置９３への入力データとする。加速器制御装置９３は、円形加速器３０，３０Ａにおける荷電粒子ビームの、入射、加速、出射を制御し、要求された線量及びエネルギーのビームを供給する。

　円形加速器３０，３０Ａの構成・動作は前述した実施例１あるいは実施例２と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。

　＜その他＞　
　なお、本発明は、上記の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。上記の実施例は本発明を分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ることも可能であり、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・置換をすることも可能である。

　本発明実施形態は以下の態様であってもよい。

　（１）荷電粒子ビームを周回させる静磁場、前記荷電粒子ビームを加速する周波数変調した高周波加速電場、および前記荷電粒子ビームを出射させる高周波擾乱電場を印加する円形加速器であって、前記高周波加速電場の停止後に前記円形加速器の内部を周回する前記荷電粒子ビームの周回周波数あるいは前記荷電粒子ビームの運動エネルギーを求め、前記高周波擾乱電場を、求めた前記周回周波数あるいは前記運動エネルギーに応じて発生させる円形加速器。

　（２）（１）記載の円形加速器において、前記円形加速器内を周回する前記荷電粒子ビームを前記高周波擾乱電場の発生領域へと蹴りだす動磁場を更に印加する。

　（３）（１）または（２）記載の円形加速器において、前記周回周波数あるいは前記運動エネルギーを計測することで求める。

　（４）（１）乃至（３）のいずれかに記載の円形加速器において、前記周回周波数あるいは前記運動エネルギーを前記高周波加速電場を印加する加速電極への指令値を基に求める。

　（５）（１）乃至（４）のいずれかに記載の円形加速器において、前記周回周波数あるいは前記運動エネルギーを前記高周波加速電場の測定値を基に求める。

　（６）（１）乃至（５）のいずれかに記載の円形加速器において、前記周回周波数あるいは前記運動エネルギーを前記高周波加速電場の停止時刻を基に求める。

　（７）（１）乃至（６）のいずれかに記載の円形加速器において、前記周回周波数あるいは前記運動エネルギーを基に、前記高周波擾乱電場の周波数をテーブルデータから参照したパラメータに基づいて決定する。

　（８）（１）乃至（７）のいずれかに記載の円形加速器において、前記荷電粒子ビームの周回する軌道が、前記円形加速器の中心からある一方向に偏芯している。

　（９）（１）乃至（８）のいずれかに記載の円形加速器を備える粒子線治療装置。

１０…高周波加速空胴
１１，１１Ａ…加速間隙
１２，１２Ａ…ディー電極（加速電極）
１３，１３Ａ…ダミーディー電極（加速電極）
１４…内導体
１５…外導体
２０…高周波加速電圧制御装置
２１…高周波加速電源
２２…高周波加速電源制御装置
２３…高周波加速電圧周波数制御装置
２４…高周波出射電圧制御装置
２５…高周波出射電源
２６…高周波出射電源制御装置
２７…高周波出射電圧周波数制御装置
３０，３０Ａ…円形加速器
３５，３５Ａ…主磁極
３６…クライオスタット
３７…ヨーク
３８…メインコイル
４０…主電磁石
４１…セプタムコイル
４２…ピーラ磁場領域
４３…リジェネレータ磁場領域
４４…ビーム用貫通口
４５…高エネルギービーム輸送系
４６…共鳴抑制磁場領域
４８…コイル用貫通口
４９…真空引き用貫通口
５０…高周波系用貫通口
５１，５１Ａ…低エネルギービーム輸送系
５３…イオン源
５５，５５Ａ…イオン入射部
５６…静電インフレクタ
６０…可変コンデンサ
６１…可変コンデンサ制御装置
６９，６９Ａ，６９Ｂ，６９Ｃ，６９Ｄ…テーブルデータ
８０…最小エネルギー軌道
８１…最大エネルギー軌道
８２…ビーム出射経路入口
８３…高周波キッカ
８４…計測電極
８５…キッカーコイル
９０…回転ガントリ
９１…制御装置
９２…照射装置
９３…加速器制御装置
１００…患者
１０１…治療台
１５０…粒子線治療装置

Claims (9)

1. 　荷電粒子ビームを周回させる静磁場、前記荷電粒子ビームを加速する周波数変調した高周波加速電場、および前記荷電粒子ビームを出射させる高周波擾乱電場を印加する円形加速器であって、
   　前記高周波加速電場の停止後に前記円形加速器の内部を周回する前記荷電粒子ビームの周回周波数あるいは前記荷電粒子ビームの運動エネルギーを求め、
   　前記高周波擾乱電場を、求めた前記周回周波数あるいは前記運動エネルギーに応じて発生させる
   　円形加速器。
2. 　請求項１に記載の円形加速器において、
   　前記円形加速器内を周回する前記荷電粒子ビームを前記高周波擾乱電場の発生領域へと蹴りだす動磁場を更に印加する
   　円形加速器。
3. 　請求項１に記載の円形加速器において、
   　前記周回周波数あるいは前記運動エネルギーを計測することで求める
   　円形加速器。
4. 　請求項１に記載の円形加速器において、
   　前記周回周波数あるいは前記運動エネルギーを前記高周波加速電場を印加する加速電極への指令値を基に求める
   　円形加速器。
5. 　請求項１に記載の円形加速器において、
   　前記周回周波数あるいは前記運動エネルギーを前記高周波加速電場の測定値を基に求める
   　円形加速器。
6. 　請求項１に記載の円形加速器において、
   　前記周回周波数あるいは前記運動エネルギーを前記高周波加速電場の停止時刻を基に求める
   　円形加速器。
7. 　請求項１に記載の円形加速器において、
   　前記周回周波数あるいは前記運動エネルギーを基に、前記高周波擾乱電場の周波数をテーブルデータから参照したパラメータに基づいて決定する
   　円形加速器。
8. 　請求項１に記載の円形加速器において、
   　前記荷電粒子ビームの周回する軌道が、前記円形加速器の中心からある一方向に偏芯している
   　円形加速器。
9. 　請求項１乃至８のいずれか１項に記載の円形加速器を備える
   　粒子線治療装置。

Images